轻量化是减少列车运行能耗的一项关键技术。金属制造的轨道列车，虽车体强度高，但质量大、能耗高。以C20FICAS不锈钢地铁列车为例，其每千米能耗约为3.6×107 J(即10 kWh)，运行15 万km约消耗540 000 GJ能量；如质量能减少30%，则可节能27,000×30%=8,100 GJ73。
CFRP是新一代高速轨道列车车体选材的重点，它不仅可使轨道列车车体轻量化，还可以改进高速运行性能、降低能耗、减轻环境污染、增强安全性[11]。当前，CFRP在轨道车辆领域的应用趋势：从车箱内饰、车内设备等非承载结构零件向车体、构架等承载构件扩展；从裙板、导流罩等零部件向顶盖、司机室、整车车体等大型结构发展；以金属与复合材料混杂结构为主，CFRP用量大幅提高。
图11列出了1节地铁列车中间车辆各部分的质量比例，其中车身质量约占36%、车载设备约占29%、内部装饰约占16%[10]73 。由于车载设备几乎没有减重空间，因此，车身和内部装饰就成为了轻量化的重点对象。2000年，法国国营铁路公司（SNCF）采用碳纤维复合材料研制出双层 TGV型挂车；韩国铁道科学研究院（KRRI）以此为基础，研制出运行速度为180 km/h 的TTX型摆式列车车体，其采用不锈钢增强骨架，侧墙体和顶盖采用铝蜂窝夹芯，蒙皮采用CFRP构成的三明治结构，车体外壳总质量比铝合金结构降低了40%，且车体强度、疲劳强度、防火安全性、动态特性等性能良好，并于2010年投入商业化运营（图12）。
2011年，韩国铁道科学研究院（KRRI）研制出CFRP地铁转向架构架，质量为 635 kg，比钢质构架的质量减少约30%。日本铁道综合技术研究所（JRTI）与东日本客运铁道公司（East Japan RailwayCompany）联合研制的CFRP高速列车车顶，使每节车箱减轻300~500 kg。2014 年9月，日本川崎重工（Kawasaki）研制的 CFRP 构架边梁，其质量比金属梁减少约40%。
5CFRP作为电动汽车的车体结构
英国材料系统实验室关于材料对汽车轻量化和降低生产成本的研究表明，汽车质量每减轻10%，油耗可降低6%。现有材料中，CFRP的轻量化效果最好；加之，汽车设计和复合材料技术的快速发展。这些都使得CFRP在汽车制造领域的应用速度远远超出人们的预期。
BMW公司BMWi型车的推出引领了这一潮流。2008年，BMW公司在慕尼黑召开会议，目的是让城市交通技术发生彻底的变革，其建立了一个“i计划（Project i）”的智库，唯一的任务就是“忘掉以前所做的一切，重新思考一切”。2009年，该智库形成了一个全新的节能概念——“BMW有效动力愿景（BMW Vision EfficientDynamics）”，奠定了BMW公司后续研究的思想基础，它要求对车身和驱动系统进行专门的设计，以达到全新的节能性，而此前的想法都是将已有的节能技术集成到既有的模板中。2011年，BMW公司确立了“天生电动（Born Electric）技术”，创立了BMWi品牌，其让人们在日常驾驶出行中用上了全电动能源；同年，第一款全电动BMWi3概念车实现技术演示。2012年，兼具高能效和更优异运动跑车性能的BMWi8概念车推出，其采用CFRP、铝和钛等轻质材料，实现了突破意义的减重；同年，全新BMW i3电驱动系统（eDrive Propulsion System）推出，实现了零排放。2013年，BMW i3实现量产。2014年，BMW i8实现量产。2016年，BMW公司在美国拉斯维加斯消费电子展上推出BMW i 未来互动愿景（BMW i Vision FutureInteraction）概念车（图13）；同时推出BMWi3（94Ah）型新车，该车整车质量仅1 245kg，一次充电续航里程可达200 km，且百公里加速时间7.3 s，灵活性独特。
其中，BMW i3采用“LifeDrive”模块化车身架构设计，由乘员座舱（Life）模块和底盘驱动（Drive）模块两部分组成。乘员座舱模块又称生命模块（图14），其构成驾乘人员的乘用空间，采用CFRP制成的生命模块，质量轻、安全性非常高，且乘用感宽敞、均称。底盘驱动模块又称eDrive驱动系统，其结构由铝合金制成，集成了电机（最大功率125 kW，最大扭矩250 N·m）、电池和燃油发动机等动力部件。
BMW公司通过与SGL汽车用碳纤维材料（SGL Automotive CarbonFibers）公司合作，历经10多年研发，开始生产自己所需的碳纤维。其BMWi3型车中生命模块的制造工艺：将碳纤维织成织物后浸润于专用树脂中，制成预浸料；将预浸料热定型成刚性车身零件；采用专门开发的技术，将车身零件全自动地黏合成完整的车身部件（图15）。所得CFRP车身具备极高的抗压强度，能承受更快的加速度，整车的敏捷性和路感都非常好。
6CFRP作为新概念货运卡车的车体结构
世界零售业巨头沃尔玛（Walmart）公司在28个国家的63个区域拥有11 500家门店。其在美国拥有1支由近6 000辆货车组成的卡车车队，它们会将产品送至遍布于美国的数千家门店。该车队为保持持续的生存能力和效率，一直以“行驶里程更少，运输量更多”为目标，依靠提高司机驾驶技术、采用先进牵引挂车、改进过程与系统筹划等措施，实现2007—2015年间车队行驶超480万km，运送集装箱数超8亿，运输效率较2005年提高84.2%。
其中，牵引挂车的性能对实现“多拉少跑”的目标关系重大，故沃尔玛公司投入巨资开展“沃尔玛先进车辆体验（The Walmart AdvancedVehicle Experience）”的新概念卡车研究计划。已研制的新概念卡车集成了空气动力学、微型涡轮混合动力驱动系统、电气化、先进控制系统，以及CFRP车体等前沿技术。主要技术创新：先进的空气动力学设计，整体造型优雅，气动性能较现行的Model 386型卡车提高20%；微型涡轮混合电力驱动系统清洁、高效、节油；司机座位设计于驾驶室中央，具有180°的视野；电子仪表盘可提供定制化的量程和性能数据 ；滑动型车门和折叠型台阶提高了安全和安保性能；空间宽敞的驾驶室设有带折叠床的可伸缩卧室。牵引挂车的整个车身采用CFRP制成，顶部和侧墙均采用16.2 m（53英尺）长的单块板材，其优异的力学性能可确保车体的结构强度；采用先进黏结剂黏合，最大限度地减少了铆钉数量；凸鼻
形的造型设计可在充分保证载货容量的前提下，有效提高气动性能；低剖面LED灯光更节能、耐用（图16）。
目前，该计划已完成84%的任务量，但仍有许多创新性技术有待继续研发。可以预见，沃尔玛公司的新概念卡车对推进卡车技术的进步和拓展碳纤维的应用，有非常大的作用。
7 CFRP作为风电叶片的增强结构
风能是最具成本优势的可再生能源，风能发电在近10年来已取得飞速发展。截至2016年5月，全球风电装机容量已近4 270亿MW（表1）。并据预测，2020年前，新增风电装机能力将按25%的年增长率递增；到2020年，风力发电量将占世界总发电量的11.81%。
为提高风力发电机的风能转换效率，增大单机容量和减轻单位千瓦质量是关键。20世纪90年代初期，风电机组单机容量仅为500 kW，而如今，单机容量10 MW的海上风力发电机组都已产品化。风电叶片是风电机组中有效捕获风能的关键部件，叶片长度 随风电机组单机容量的提高而不断增长。根据顶旋理论，为获得更大的发电能力，风力发电机需安装更大的叶片。1990年，叶轮直径（Rotor Diameter）为25 m；2010年，叶轮直径已达120 m。2011年，Kaj Lindvig预测海上风机的叶轮直径2015年将达135 m，2020年将达到160 m。但这一预测很快就被突破，美国超导公司（AmericanSuperconductor Corp.）2016年已投入市场销售的10 MW海上风力发电机的叶轮直径就已达190 m。但因叶片长度的问题，业界就是否需发展10 MW及以上能力的风力发电机存有争议，但主流观点是需要发展的。西门子风电（Siemens Wind Power）公司首席技术官认为：面积与体积的关系的科学定律将最终限制叶轮直径的不断增长，但目前还未达到极限，制造10 MW风力发电机在技术上是可行的；且从运营效益上看，降低每兆瓦时的运营成本，必须提高风力发电机的容量（图17）。
叶轮直径的增加对叶片的质量及抗拉强力提出了更轻、更高的要求。CFRP是制造大型叶片的关键材料，其可弥补玻璃纤维复合材料（GFRP）的性能不足。但长期以来，出于成本因素，CFRP在叶片制造中只被用于樑帽、叶根、叶尖和蒙皮等关键部位。近年，随着碳纤维价格稳中有降，加之叶片长度进一步加长，CFRP的应用部位增加，用量也有较大提升。2014年，中材科技风电叶片股份有限公司成功研制出国内最长的6 MW风机叶片，该叶片全长77.7 m、质量28 t，其中主梁由5 t的国产CFRP制成。如采用GFRP设计，则
8 碳纤维纸作为燃料电池的电极气体扩散材料
燃料电池是指不经过燃烧，直接将化学能转化为电能的一种装置。燃料电池在等温条件下工作，其利用电化学反应，将储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能，是一种备受瞩目的清洁能源技术，转化效率非常高（除10%的能量以废热形式浪费外，其余的90%都转化成了可利用的热能和电能）且环境友好；而相较之下，使用煤、天然气和石油等化石燃料发电时，60%的能量以废热的形式浪费，还有7%的电能浪费在传输和分配过程中，只有约33%的电能可以真正用到用电设备上（图19）。
各类燃料电池中，质子交换膜燃料电池（PEMFC）的功率密度大、能量转换率高、低温启动性最好，且体积小、便携性好，是理想的汽车用电源。质子交换膜燃料电池由阴极、电解质和阳极这3个主要部分组成，其工作原理：
（1）阴极将液氢分子电离。液氢流入阴极时，阴极上的催化剂层将液氢分子电离成质子（氢离子）和电子。
（2）氢离子通过电解质。位于中央区域的电解质允许质子通过到达阳极。 （3）电子通过外部电路。由于电子不能通过电解质，只能通过外部电路，故而形成了电流。
该
叶
片
质
量
将
约
达
36
t（
图
18
）
。
碳纤维的十六个主要应用领域与近期技术进展
