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，则该叶片质量将
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%
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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。
（4）阳极将液氧电离。液氧通过阳极时，阳极上的催化剂层将液氧分子电离成氧离子和电子，并与氢离子结合生成纯水和热；阳极接受电离所产生的电子（图20）。可将多个质子交换膜燃料电池连接起来组成燃料电池组，可提高电能的输出量。
美国联合技术（United Technologies）公司是全球军民用燃料电池产品技术的领先企业。联合技术动力（UTC Power）公司原是United Technologies公司的一个业务部门，其产品广泛用于航天器、潜艇、建筑、公交巴士和家用汽车等领域。20世纪90年代早期，UTC Power公司便已制造出大型固定式燃料电池电站，并投入商业化运行。此后10多年，UTC Power公司都在致力于公交巴士和家用汽车用燃料电池技术的研发。2005年12月，UTC Power公司研制的燃料电池在混合动力公交车上投入使用，由千棕榈阳光车道运输（SunLine Transit）公司在美国加利福尼亚州的千棕榈镇（Thousand Palms，CA）投入商业试运营。
2008年以来，由于突破了成本和寿命等技术瓶颈，燃料电池的商业化应用取得实质性进展。美国巴拉德动力公司（Ballard Power SystemsInc.）研制生产的FCveloCity?型燃料电池，是专为公交巴士和轻轨研制的第七代可扩展式模块化燃料电池，使用该燃料电池可组成30~200 kW的电源。2015年6月上市的85 kW级的FCveloCity?型燃料电池，主要用于电动公交巴士（图21和图22）。
碳纤维纸作为一种高性能复合材料，是制造燃料电池质子交换膜电极中气体扩散层必不可少的多孔扩散材料（图23）。气体扩散层（GDL）构成气体从流动槽扩散到催化剂层的通道，是燃料电池的心脏，是膜电极组（MEA）中非常重要的支撑材料，其主要功能是作为连接膜电极组和石墨板的桥梁。气体扩散层可帮助催化剂层外部生成的副产品——水尽快流走，避免积水造成溢流；还可帮助在膜的表面保持一定水份，确保膜的导电率；燃料电池运行过程中，
帮助维持热传导；此外，提供足够的力学强度，在吸水扩展时保持膜电极组的结构稳定性（表2）。
在质子交换膜燃料电池和直接甲醇燃料电池中，同时使用碳纤维纸和碳纤维布作为气体扩散层的综合效果更好。每辆燃料电池电动汽车约需消耗碳纤维纸100 m2（即8 kg）。
在2016年9月23-26日召开的全球铁路装备交易会上，法国阿尔斯通（Alstom）公司发布了其最新研制的全球首辆液氢燃料电池电动火车。该车属阿尔斯通公司Coradia iLint系列的区域型列车，是根据2014年与德国下萨克森州（German Landers ofLower Saxony）、北莱茵威斯特伐利亚州（North Rhine-Westphalia）、巴登符腾堡州（Baden-Württemberg）及黑森州（Public TransportationAuthorities of Hesse）的公共交通部门签订的一项内部意向而研发的新一代零排放燃料电池动力火车。最新发布的液氢燃料电池电动火车全部采用成熟技术研制，车顶装有氢燃料电池，乘客舱底部装有锂电池、变流器和电动机，它将开辟燃料电池更大的应用市场空间，促进碳纤维纸技术的进一步发展（图24）。
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，全球供配电设备技术领先企业——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，该公司首次推出商业化的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。
图25为相同直径铝导线的截面对比，其中，钢芯的直径明显大于CFRP芯的直径，这使得CFRP芯铝导线可多容纳28%的铝导线，从而增大了电流的通过能力。
10CFRP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，美国开始武器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纤维等增强的多种先进复合材料（表3）。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[30]37,[31]47。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和武器的动力系统中；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卫星、运载火箭和导弹等航天器中广泛使用。阿波罗（Appolo）登月飞船曾使用的钛合金球形氦气瓶，其容积92L、爆破压力≥47MPa、质量26.8kg；而标准航空航天用钢内衬复合氦气瓶质量20.4kg，铝内衬复合氦气瓶质量11.4kg，无内衬复合气瓶质量仅为6.8kg（相较于钛合金球形氦气瓶质量减少了75%）。
高性能纤维（表3）是全缠绕纤维增强复合压力容器的主要增强体。通过对高性能纤维的含量、张力、缠绕轨迹等进行设计和控制，可充分发挥高性能纤维的性能，确保复合压力容器性能均一、稳定，爆破压力离散差小。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