轴向强度欠佳，故其金属内胆依然较厚。为解决此问题，同时对环向和轴向进行增强的全缠绕纤维增强复合气瓶应运而生，其金属内胆的厚度大幅减薄，质量显著减小。20世纪90年代，以塑料作为内胆的复合气瓶出现。新能源汽车领域，高压气瓶的应用主要是燃料电池动力汽车用高压储氢气瓶，其压力已到达70 MPa。（图26）
11 CFRP作为铀浓缩超高速离心机的高速转子材料
民用核电反应堆燃料组件中二氧化铀的铀235含量为4.0%~5.0%，而在制造核弹所需的核燃料中，铀235含量至少要在90.0%以上。
天然铀矿石的主要成分是铀238，其中铀235仅占0.7%。工业上，常采用气体扩散法进行铀浓缩，尽管该方法投资大、耗能高，但却是目前唯一可行的方法。铀235和铀238的六氟化铀气态化合物，两者质量相差不到百分之一。加压分离时，这不到百分之一的质量差会促使铀235的六氟化铀气态化合物能以稍快的速度通过多孔隔膜。每通过1次多孔隔膜，铀235的含量就会稍有增加，但增量十分微小。因此，为获得纯铀235 ，需让六氟化铀气体数千次地通过多孔隔膜。工业加工就是让六氟化铀气体反复地通过级联的多台离心机，实现对铀235的浓缩（图27）。
铀浓缩气体离心机技术是核燃料生产的关键，是衡量核技术水平的重要标志。铀浓缩气体离心机具有高真空、高转速、强腐蚀、高马赫数、长寿命、不可维修等特点，其研制涉及机械、电气、力学、材料学、空气动力学、流体力学、计算机应用等多学科的理论和技术，难度非常大[32]。离心机中转子的转速与气体分离效率直接相关。转子转速越高，气体分离效率也越高。因此，确保转子转速在60000r/min以上，是铀浓缩气体离心机最基本的性能要求。而这么高的转速便对转子的材质提出了非常苛刻的要求。金属材质的转子根本无法达到如此高的转速，因为它无法跨越共振频率，金属材质的转子一旦达到共振频率便会碎裂；而CFRP制成的转子则不存在这一问题，其可耐受更高的转速。因此，早在20世纪80年代，CFRP就已被用于制造铀浓缩气体离心机的高速转子。且随着CFRP技术的进步，CFRP制成的转子可耐受更高的转速，铀浓缩效率大幅提升。
鉴于CFRP高速转子在铀浓缩生产中的重要作用，西方国家一直对非核国家禁运气体离心机用CFRP高速转子。1992年11月9日，美国《核燃料》杂志报道，欧洲铀浓缩公司（Urenco）的股东——奥格斯堡-纽伦堡机器制造公司（MaschinenfabrikAugsburg-Nurnberg AG）的前员工Kar1 HeinzSchaap，与妻子共同经营了一家名为Ro-Shc的公司。这对夫妻通过Ro-Shc公司向伊拉克出售了至少20个CFRP离心机转子。1992年11月2日，奥格斯堡（Augsburg）联
邦检察官向Kar1 HeinzSchaap发出了逮捕令。此事，进一步印证了CFRP在铀浓缩气体离心机技术中的重要性。
12 CFRP作为特种管筒的增强材料
与压力容器长时间持续耐压不同，枪管、炮管、液压作动筒等特种管筒需在较长时间内高频次地承受和释放高压。由碳纤维缠绕或预浸料包覆增强的此类特殊用途的承压管筒，在减轻自身质量、改进散热、提高精度、延长寿命等方面效果非常明显。
美国普鲁夫实验公司（PROOF Research）是一家总部位于美国蒙大拿州的科技企业，该公司研发了一款CFRP增强枪管。其将先进复合材料技术与热-机械设计原理相融合，并采用了航空专用碳纤维和航天高温树脂，研制出新一代运动用和军用枪馆。与钢质枪管相比，CFRP增强枪管自身质量最高可减小64%，射击精度可达比赛级要求。此外，该公司研制的CFRP增强枪管在设计与制造工艺上适应了碳纤维的纵向（即沿枪管长度方向）热扩散率特性，能更有效地通过枪管壁散热，极大地提高热扩散效率，且枪管能快速冷却，并可在持续开火状态下更长时间地保持射击精确度，是被美国军队唯一验证过的CFRP增强枪管（图28）。
CFRP技术在枪管上的成功应用很快推广到对各式炮管的增强。同时，利用CFRP增强的特种液压作动筒也已面市。
13 CFRP作为公共基础设施建设用的关键材料
桥梁是重要的交通基础设施。在建设跨江河、跨海峡的大型交通通道中，需修建很多大跨度的桥梁。悬索桥是超大跨度桥梁的最终解决方案。
但跨径增大会使得悬索桥钢质主缆的强度利用率、经济性和抗风稳定性急剧降低。目前，在大跨度悬索桥中，高强钢丝主缆自身质量占上部结构恒载的比例已达30%以上，主缆应力中活载所占比例减小。如，跨度1991 m的日本明石海峡大桥，钢质主缆应力中活载所占比例仅约为8%。
此外，跨径增大还会降低桥梁的气动稳定性。有研究表明，从气动稳定性角度考虑，2000m的跨径是加劲梁断面和缆索系统悬索桥的跨径极限。而改善结构抗风性能需解决好提高结构整体刚度、控制结构振动特性和改善断面气动特性等3个问题。大跨度悬索桥的结构刚度取决于主缆的力学性能。CFRP的力学特性使得其成为了大跨度悬索桥主缆的优选材料。利用悬索桥非线性有限元专用软件BNLAS，研究主跨3500m的CFRP主缆悬索桥模型的静力学和动力学性能最优结构体系，得出：CFRP主缆自身质量应力百分比大幅降低，活载应力百分比提高到13%（钢主缆为7%），结构的竖弯、横弯及扭转基频大幅
提高；CFRP主缆安全系数的增加将提高结构的竖向和扭转刚度；增大CFRP主缆的弹性模量可大幅减小活载竖向挠度，提高竖弯和扭转基频。
总之，CFRP主缆可明显提升大跨径悬索桥的整体性能（图29）。 此外，建筑与民用工程领域是最早将碳纤维用于结构增强的。通过在桥梁等建筑物上铺覆碳纤维织物，可提高水泥结构体的耐用性，以及水泥结构建筑物的抗震性能（图30）。
未来，CFRP很可能成为名副其实的建筑材料。世界各国都在加快技术开发，使CFRP能直接用作建筑结构材料。如，利用CFRP的导电性制作建筑用电磁防护材料；在CFRP中嵌入传感器制作智能建筑材料，利用传感器传送的数据实时掌握建筑物结构可能受到的损害。
14 CFRP在医疗器械和工业设备领域的应用
在医疗器械领域，利用其X射线全透射性，其被用于制造X光检查仪用移动平台；利用CFRP优异的机械性能，其被用于制造骨科用和器官移植用等医疗器械，以及制造假肢、矫形器等康复产品（图31）。
由短切碳纤维与质量分数占10%~60%的尼龙或聚碳酸酯模塑成型的CFRP部件，质量轻、厚度薄、抗静电、抗电磁，在电子信息产品如笔记本电脑、液晶投影仪、照相机、光学镜头和大型液晶显示板等中应用广泛。加之CFRP具有优异的抗撕裂性能，还可用于制造轴承、辊轴、管材等产品，其强度与钢质产品相同，但质量可大幅降低（图32）。
15 CFRP在体育休闲用品领域的应用
体育休闲用品是CFRP最早进入市场化的应用领域。随着性价比的提高，这一领域已形成了对CFRP的稳定需求。滑雪板、滑雪手杖、冰球杆、网球拍和自行车等，是CFRP在体育休闲用品中的典型应用（图33）。
16 碳纤维作为时尚元素材料
碳纤维本身具有的黑亮色泽，以及其机织物和缠绕物构成的纹理、走向和质感，为时尚设计师们提供了丰富的想象空间和造型元素。目前，使用碳纤维制成的服装饰品有鞋、帽、腰带、首饰、钱包（夹）、眼镜架等，旅行用品有行李箱等，居家用具有桌、椅、浴缸等（图34）。所有这些制品都展示出了碳纤维高冷、坚韧、骄傲和优雅的时尚特质。它们既是日用品，又是艺术品，给人们的生活增添了极致奢华的技术和艺术享受。
17 结语
综上可见，碳纤维在众多领域有着广泛的应用。应用市场的不断细分还将推动碳纤维技术的差别化发展，将有更多、更好的碳纤维制品被制造出，以促进社会绿色发展、满足人们多样化的生活需求。
致谢：感谢中材科技风电叶片股份有限公司陈淳副总经理提供公司制造风电叶片的现场照片；感谢“十二五”国家重点科技专项（高性能纤维及复合材料专项）专家组各位同仁的赐教；感谢各位参考文献的作者。
碳纤维的十六个主要应用领域及近期技术进展
