碳纤维是最重要的无机高性能纤维，这点是由其材料本性、产业技术复杂性、应用领域重要性和市场规模性等因素决定的，其首个市场化应用是1972年市售的碳纤维增强树脂钓鱼竿。此后，碳纤维应用快速向以航空航天器主结构材料为代表的高端化发展。碳纤维最主要的应用形式是作为树脂材料的增强体，所形成的碳纤维增强树脂（CFRP）具有优异的综合性能，其在导弹、空间平台和运载火箭，航空器，先进舰船，轨道交通车辆，电动汽车，卡车，风电叶片，燃料电池，电力电缆，压力容器，铀浓缩超高速离心机，特种管筒，公共基础设施，医疗和工业设备，体育休闲产品，以及时尚生活用具等十八个领域，有着实际和潜在的应用。下文将对上述领域中碳纤维的应用及其近期的技术进展加以综述。
1
CFRP作为导弹、空间平台和运载火箭的关键材料
碳纤维是现代宇航工业的物质基础，具有不可替代性。CFRP被广泛应用于导弹武器、空间平台和运载火箭等航天领域。在导弹武器应用方面，CFRP主要用于制造弹体整流罩、复合支架、仪器舱、诱饵舱和发射筒等主次承力结构部件（图1）；在空间平台应用方面，CFRP可确保结构变形小、承载力好、抗辐射、耐老化和空间环境耐受性良好，主要用于制造卫星和空间站的承力筒、蜂窝面板、基板、相机镜筒和抛物面天线等结构部件（图2）；在运载火箭应用方面，CFRP主要用于制造箭体整流罩、仪器舱、壳体、级间段、发动机喉衬和喷管等部件（图3）。目前，CFRP在航天器上的应用已日臻成熟，其是实现航天器轻量化、小型化和高性能化不可或缺的关键材料。
图1 CFRP在导弹武器上的应用示例
图2 CFRP在卫星和空间站上的应用示例
图3 CFRP在运载火箭上的应用示例
2
CFRP作为航空器的结构材料
在大型先进飞机中，CFRP被广泛用作主承力结构材料。且在近期研制成功的新型飞艇中，CFRP也被用做结构材料。
20世纪70年代中期的石油危机是碳纤维应用于飞机制造的直接原因。为缓解能源危机，当时的美国政府启动了“飞机节能计划（AircraftEnergy Efficiency Program）”。现代飞机机身采用钢、铝、钛等金属和复合材料制成。为节约燃油和提高运营效益，减轻机身质量一直是飞机设计制造技术中的核心挑战之一。而CFRP在飞机机身制造上的成熟应用为减轻飞机机身质量提供了最有效的途径。例如，以金属材料为主制成的波音767飞机（CFRP用量仅占3%）机身质量为60 t，而将CFRP用量提升到50%时，新型波音767飞机机身质量下降到48 t，仅此就极大地提升了该型飞机的能源和环境效益。
正在研制的波音777X型飞机（图4）和最新投产的波音787型飞机，机身复合材料的用量都达到了50%[5]。波音777X型飞机是波音公司以波音777飞机为基型，正在开发的一种大型双引擎客机，计划首架飞机于2020年交付投入运营。波音777X飞机的主翼由CFRP制成，其翼展长约72m（235英尺），是目前客机中翼展最长的机型之一。翼展越长，升力越大，因此，波音777X的单座燃油消耗和运营成本都非常有竞争力。此外，CFRP机翼不仅强度高、柔性好，且末端可折叠，这样多数机场都能满足其宽翼展的停机需求。波音787飞机的主翼和机身等主承力结构都采用日本东丽公司（Toray Industries, Inc.）TORAYCA®品牌的碳纤维预浸料制造。2005年11月，东丽公司与美国波音公司签署了一项为期10年的协议，为波音787梦想号（Boeing 787 Dreamliner）飞机提供碳纤维预浸料。2015年11月9日，东丽公司宣布与美国波音公司达成综合协议，将为波音公司生产的787和777X两型飞机提供价值约110亿美元的碳纤维预浸料。波音公司计划提高787飞机的月产量，将从2015年的10架提高到2016年的12架、2020年的14架；同时，大型模块的比率也将提高，这将极大地促进对CFRP的需求。为保证波音787飞机月产量达12架后的材料供应，位于美国华盛顿州塔科马市（Tacoma，Washington）的东丽复合材料（美国）公司[Toray Composites(America),Inc.]已于2016年1月完成了扩产；同时，日本东丽公司决定投资约4.7亿美元，在其收购的斯帕坦堡县（Spartanburg County,South Carolina）厂区内建设包含原丝、碳纤维和预浸料在内的一体化生产线，设计年产能为2 000 t，这是东丽公司首次在美国建设一体化的碳纤维生产线，以用于研发波音777X飞机和满足月产14架波音787飞机的需求。
