电能是生产生活必需的一种常备能源。电能在从发电厂输送至用电场所的过程中，存在着严重的线损问题。线损即指输电、变电、配电等电力输送环节产生的电能耗损。
9 CFRP作为电力电缆的芯材
电能是生产生活必需的一种常备能源。电能在从发电厂输送至用电场所的过程中，存在着严重的线损问题。线损即指输电、变电、配电等电力输送环节产生的电能耗损。
增大架空线中传输的电流会造成电缆发热。若此时电缆材质耐热性能差，则电缆的承载力会下降，进而产生弧垂。而弧垂既是一个重要的线损源，也是限制架空线提高传输容量的主要因素。
钢芯铝导线中的增强钢芯受热即产生弧垂，超过70℃时弧垂会使电缆严重下垂，更有可能与邻近物体接触导致短路，甚至落至地面危及人员生命于安全。由弧垂引发的短路会使邻近的架空线和变压器瞬间过载，引起灾难性故障。自承式铝绞线虽能允许短暂的、较高的运行温度（150℃），但也无法避免弧垂的产生。
复合材料芯材铝导线（ACCC）以复合材料芯材替代金属芯材，为解决架空线弧垂问题开辟了更有效的技术途径。2002年，基于ACCC专利技术，供配电设备企业——美国CTC公司（CTC Global）展开了产品的研发，以期将其投入使用。当时的开发目标是，在不对现有架空线承载塔架做任何变动且不增加现行导线质量或直径的前提下，开发CFRP芯材来承载铝导线，以降低热弧垂、增大塔架距离、承载更大电流、减少线损、提高供电网络可靠性等。2005年，该公司推出商业化的ACCC导线产品，其研制生产的CFRP芯铝导线的强度是同等质量钢芯铝导线的2倍、传输的电流容量是其他芯材铝导线的2倍、线损较其他芯材铝导线降低了25%~40%，其高容、高效和低弧垂等性能远远超越了其他材质芯材铝导线。
10 CFRP作为压力容器的缠绕增强材料
高压容器主要用于航空航天器、舰船、车辆等运载工具所需气态或液态燃料的储存，以及消防员、潜水员用正压式空气呼吸器的储气。为了能在有限空间内尽可能多地存储气体，需对气体进行加压，因此，需提高容器的承压能力，对容器进行增强，以确保安全。
20世纪40年代，美国开始系统用复合材料增强高压容器的研究。1946年，美国研制出纤维缠绕压力容器；20世纪60年代，又在北极星和土星等型号的固体火箭发动机壳体上采用纤维缠绕技术，实现了结构的轻质高强。1975年，美国开始研制轻质复合材料高压气瓶，采用S-玻纤/环氧、对位芳纶/环氧缠绕技术，制造复合材料增强压力容器。
后来，科学家们纷纷研制出由玻纤、碳化硅纤维、氧化铝纤维、硼纤维、碳纤维、芳纶和PBO纤维等增强的多种复合材料。其中，对位芳纶曾大量用于各种航空航天器用压力容器的缠绕增强，后逐渐被碳纤维所取代。20世纪70年代，纤维缠绕金属内衬轻质压力容器被大量用于航天器的动力系统中；20世纪80年代，碳纤维增强无缝铝合金内衬复合压力容器出现，其使压力容器的制造费用更低、质量更轻、可靠性更高。复合材料增强压力容器具有破裂前先泄漏的疲劳失效模式，提高了安全性。因此，全缠绕复合材料高压容器已在运载火箭等航天器中广泛使用。
纤维是全缠绕纤维增强复合压力容器的主要增强体。通过对纤维的含量、张力、缠绕轨迹等进行设计和控制，可充分发挥纤维的性能，确保复合压力容器性能均一、稳定，压力离散差小。车用高压Ш型氢气瓶（金属内胆全缠绕）的材料成本中，近70%为增强纤维，其余约30%为内胆和其他材料。
20世纪30年代，意大利率先将天然气用做汽车燃料。早期车用气均使用钢质气瓶，其厚重问题始终限制着钢质气瓶的扩大应用。20世纪80年代初，玻璃纤维环向增强铝（或钢）内胆的复合气瓶诞生。由于环向增强复合气瓶的轴向强度欠佳，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。
（后续请见碳纤维的十六个主要应用领域及近期技术进展(六)）
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（作者：许建红 来源：江苏优培德复合材料有限公司）
