碳纤维复合材料大全11篇

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中图分类号： TV42 文献标识码： A

0 引言

增强体在复合材料中起着增加强度、改善性能的作用，对复合材料的开发有着至关重要的影响。纤维作为有效的增强材料已被实践所证明，碳纤维作为最重要的纤维增强材料，具有高强度、高比模量等优良性能。尽管在价格方面相对较高，但近年经研究改进，提高了冲击韧性及热稳定性，价格也有明显降低，引起了世界各国的高度重视[1]。通过在水泥中掺入纤维来改善水泥力学性能已经发展成为水泥科学的重要领域。水泥中可以掺加钢纤维、聚丙烯纤维、秸秆纤维等，而碳纤维则以其特殊的优良性能得以脱颖而出。本文就碳纤维增强水泥基复合材料的发展概况、力学性能及增强机理方面做了一些研究和介绍，以便于更好的在工程中大规模推广使用[2]。

1 碳纤维性质及发展

碳纤维的开发历史可追溯到19世纪末，1959年美国联合碳化公司以粘胶纤维为原丝制成纤维素基碳纤维。之后，日本、英国等国家也相继研究出了新型的碳纤维，并逐渐应用于航空航天等领域。1997年至2000年，碳纤维的需求量随新应用领域的开发而成倍增长[3]，日本和美国是既是最大的碳纤维生产国也是最大的消费国。目前各国都在降低碳纤维成本、开发配套生产机制及拓展市场方面做努力，今后碳纤维及其复合材料会更加高速稳定发展。但国内的情况却不容乐观，当前碳纤维的研制与生产水平还较低，与国外差距甚大，尚须做大量的实验研究[4]。

人们很早就研究、开发了钢筋、石棉及合成纤维等增强材料，但是它们都存在各种的缺陷。而碳纤维则具有超高的抗拉强度和弹性模量、化学性质稳定、与水泥基复合材料粘结良好等优点。水泥用碳纤维均匀分散后，在承受负荷时表面不再产生肉眼可见的龟裂，其拉伸强度和弯曲强度、弯曲韧性提高了几倍，其耐冲击性也得到了改善[5]。但是碳纤维价格昂贵，最近几年开发的短切碳纤维已使它们的价格大为下降，但是其价格仍然很高，限制了其应用。

2 力学性能

2.1抗压强度

碳纤维的掺入在一定程度上增强了水泥基体的抗压强度，掺量过多时反而使抗压强度有所下降。可见，碳纤维在水泥基材中的掺量尤其重要。

2.2抗拉强度

水泥基复合材料的抗拉强度的测定一般是通过劈拉法间接得出。任意分布的短切碳纤维在复合材料硬化过程中改善了其内部结构，减少了内部缺陷，提高了材料的连续性。受力过程中碳纤维与基体共同受力变形，碳纤维的牵连作用使基体裂而不断，进一步承受载荷，可充分保证水泥基材的抗拉强度[6]。

2.3抗裂性

在水泥基复合材料拌合初期，碳纤维构成一种网状承托体系，产生有效的二级加强效果，从而有效的减少材料的内分层和毛细腔的产生；在硬化过程中，如果碳纤维的拉出抵抗力大于出现第一条裂缝时的荷载，则碳纤维能承受更大的荷载，阻止隐微裂缝发展成宏观裂缝的可能。宏观上看，当基体材料受到应力作用产生微裂缝后，碳纤维能够承担因基体开裂转移给它的应力，基体收缩产生的能量被碳纤维所吸收，有效增加了材料的韧性，提高了其初裂强度、延迟了裂缝的产生[7]。

2.4抗渗性

内部孔结构是影响水泥基复合材料抗渗性的主要因素。碳纤维可以有效控制早期干缩微裂纹以及离析裂纹的产生及发展，减少材料的收缩裂缝尤其是连通裂缝的产生。另外，碳纤维起了承托骨料的作用，有效地降低了材料中的孔隙率，避免了连通毛细孔的形成，抗渗性得以提高。

2.5抗冲击及抗变形能力

碳纤维增强水泥基复合材料受拉（弯）时，即使基材中已出现大量的分散裂缝，但由于增强碳纤维的存在，基体仍可承受一定的载荷并具有假延性，从而使材料的韧性与抗冲击性得以明显提高。

2.6抗冻性

碳纤维可以缓解温度变化而引起的水泥基复合材料内部应力的作用，从而防止水泥固化过程中微裂纹的形成和扩散，提高材料的抗冻性；同时，水泥基复合材料抗渗能力的提高也有利于其抗冻性能的提高。

综上所述，碳纤维在水泥基复合材料中能很好的改善材料的力学性能，但是需要注意的是碳纤维的性质、种类、掺入方式、掺量、长宽比等都与水泥基材最终的性能息息相关，必须综合考虑各项因素，优选出最适用的碳纤维[7]。

3 增强机理

传统水泥基材是典型的脆性材料，拉压比低，极限延伸率小，在受荷载之前已存在较多的微裂纹、气孔等缺陷。在受力过程中，裂缝尖端出现应力集中，裂缝急剧扩展，基体的承载能力下降，会发生脆性破坏。碳纤维跨接裂缝，分散应力到裂缝的上、下表面，一定范围内，随着纤维掺量的增加，裂缝尖端应力集中程度将趋于缓和，并可能消失。由于碳纤维的阻裂作用，复合材料的断裂韧性将得到提高，抗拉强度也随之出现增长。

在受力和初裂之前，碳纤维通过抑制基体的收缩，减少与缩小了裂缝源的数量和尺度；在碳纤维水泥基复合材料受力后达到初裂前，当应变达到普通基体的应变极限时，由于裂纹影响因素的改善，复合材料并不立即断裂，应变会继续上升直至基体开裂，从而复合材料的整体强度得到提高；复合材料开裂后，由于碳纤维的存在，还能继续承受载荷，复合材料强度将还会继续提高。

水泥砂浆、混凝土等复合材料材料在空气中因失水会引起收缩。而碳纤维的存在，在材料收缩的过程中发挥了重要的抑制作用，减小了材料的干缩程度，从而也很大程度上避免了因失水导致的收缩应力的产生。随着碳纤维含量的提高，这种效应将越明显。如果碳纤维含量相同，碳纤维长度较小，则根数相对较多，碳纤维的抑制作用要强一些[8]。

4 结论与建议

本文介绍了碳纤维的特性及发展历程，碳纤维由于自身的诸多优良性能，可以大大改善水泥基复合材料的抗拉、抗渗及抗冻等力学性能。碳纤维由于其阻裂作用，复合材料的断裂韧性、整体强度和抑制收缩能力得以提高。碳纤维及其复合材料的研发具有较高的投资效益，但是目前国内碳纤维的开发利用仍然存在一些问题，如由于国产碳原丝杂质含量较高，造成碳纤维性能不稳定；国产碳纤维目前售价太高，且品种单一，缺乏高性能的碳纤维；碳纤维在水泥基复合材料中的类型及掺量与水泥基材的性能有很大关系，如何合理选择最佳的碳纤维，最大限度的发挥碳纤维的增强作用是以后研究的重中之重。因此，引进低成本碳纤维生产技术，探索碳纤维的品种与掺量，研制高性能碳纤维，开发性能检测监控机制，扩大碳纤维的应用范围等势在必行。

参考文献：

[1] 贾哲,姜波,程光旭等. 纤维增强水泥基复合材料研究进展[J]. 混凝 土,2007(8): 65- 68.

[2] 赵稼祥, 碳纤维及其复合材料的发展与应用[J]. 石化技术与应用, 2002,20 (4):273 - 276.

[3] 马俊.纤维增强水泥基复合材料的新发展,[J]高科技纤维与应用2002.27(6)14-17.

[4] Z.J. Wang, J. Gao. T. Ai, et al. Quantitative evaluation of carbon fiber dispersionin cement based composites [J]. Construction and Building Materials 68 (2014) 2630.

[5] 李克智,王 闯,李贺军等,碳纤维增强水泥基复合材料的发展与研究[J].农业工程学报,2006,20 (5):85- 88.

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中图分类号：TQ342+.74 文献标志码：A

Current Situation of the Carbon Fiber and Related Composites Industry

Abstract： By discussing the spinning， pre-oxidation， carbonization， compounding and recycling technologies for making carbon fiber and related composites， the paper discussed the present situation of technological development in the field of carbon fiber and related composites； analyzed the market situation of such products and their application prospects in aerospace， national defense， wind turbine， sport and leisure， transportation vehicles， civil-engineering， etc. It also pointed out some problems existing in China’s carbon fiber industry and gave related solutions.

Key words： polyacrylonitrile； carbon fiber； composites

碳纤维分为PAN基碳纤维、粘胶基碳纤维和沥青基碳纤维，其中PAN基碳纤维市场占有率超过90%，其生产流程包括纤维纺丝，预氧化、碳化，复合成型和回收利用等流程。

1 碳纤维及复合材料生产技术现状

1.1 原丝生产技术现状

原丝的高纯化、高强化、致密化以及表面光洁是制备高性能碳纤维的首要条件。在PAN基碳纤维生产中，原丝约占总成本的50% ～ 60%，原丝质量既影响碳纤维的质量，又制约其生产成本。

原丝生产包括聚合和纺丝。原丝聚合是丙烯腈和第二单体、第三单体在引发剂作用下进行共聚反应，生成PAN纺丝液。日本东丽采用AIBN（偶氮二异丁腈）作引发剂，二甲基亚砜（DMSO）作溶剂，DMSO+AIBN体系凭借其操作安全和高质量产品，成为碳纤维丙烯腈聚合的主流方法。PAN基碳纤维原丝通过湿法和干喷湿纺纺丝工艺制造。湿法纺丝是碳纤维生产普遍采用的方法，其技术成熟，易工程化，所得原丝纤度均匀且纤维表面沟槽结构易于后道复合加工；干喷湿纺是将干法和湿法结合的新方法，可实现高品质原丝的细纤化和均质化，纺丝速度是湿法纺丝的 5 ～ 10倍，是高性能原丝生产最好方法之一。东丽、三菱丽阳，美国赫氏和韩国晓星都拥有干喷湿纺纺丝技术，中国中复神鹰、中油吉化等少数企业掌握干喷湿纺T700级碳纤维原丝生产技术，但产品的稳定性有待提高。

1.2 碳纤维的生产技术现状

原丝经预氧化、碳化和后处理等工艺制得碳纤维。预氧化是纤维组织结构转变的过渡阶段，在保证丝条均质化的前提下，缩短预氧化时间，可以降低生产成本。碳化是纤维乱层石墨结构的成形阶段，可使纤维强度大幅提升，碳化条件控制不当会造成纤维结构中有空隙、裂纹等缺陷，影响碳纤维性能。石墨化即高温下牵伸，使纤维由乱层石墨结构向三维石墨结构转化，提高碳纤维弹性模量。

碳化炉是制造碳纤维的关键设备，国产碳化炉发热体最高耐热温度1 400 ℃，而国外大规模高温碳化炉对我国实行出口限制，中等规模碳化炉价格又很高，提高了国内碳纤维的建设成本，导致国产碳纤维市场竞争力不足，研发高强级碳纤维生产线的国产设备迫在眉睫。

1.3 碳纤维增强复合材料技术现状

碳纤维增强复合材料是以碳纤维及织物为增强体、树脂为基体制成，其代表是以三维编织物为增强体，采用树脂传递模塑工艺（RTM）进行浸胶固化而成的三维编织复合材料。三维编织技术具有较强的仿形编织能力，可以实现复杂结构的整体编织，常用编织工艺有四步法、二步法及多层联锁编织工艺。四步法操作灵活性强，编织物整体结构好，但编织速度较慢，对设备要求较高；二步法织造简单，易实现自动化，适合编织较厚制件，但其执行机构以间断的离散方式运动；多层联锁编织工艺编织的织物机械性能好，设备可平稳连续工作，但不易实现自动化生产。目前可满足大而厚预制件编织需求的大型三维编织机不多，设计与研发高水平的三维编织机仍是努力的方向。

三维编织实现了增强材料的整体成型，而RTM工艺正是适于整体成型的工艺方法。RTM工艺是将液态树脂注入闭合模具中浸润增强材料并固化成型的工艺方法，是接近最终形状部件的生产方法，基本无需后续加工。由于其效率高、能耗低、工艺适应性强等优点，适宜多品种、高质量的先进复合材料加工。RTM-三维编织复合材料是完全整体结构，与传统复合材料相比，具有较高的损伤容限、强度和模量，为复合材料应用于承力结构件，特别是应用于航天航空等领域提供了广阔前景。

1.4 碳纤维增强复合材料回收利用现状

回收利用碳纤维可降低能耗、节约能源，主要方法有高温热解法、流化床分解法和超/亚临界流体法。高温热解法是在高温下使复合材料降解，回收的碳纤维力学性能降低幅度较大，影响碳纤维再利用，是目前唯一商业化运营的回收方法；流化床热分解法采用高温空气热流对复合材料进行高温热分解，通常用旋风分离器来获得表面干净的碳纤维，由于受高温、砂粒磨损的影响，碳纤维长度变短、力学性能下降，影响回收碳纤维的应用范围；超/亚临界法是利用液体在临界点附近具有高活性和高溶解性等性能来分解复合材料，最大限度地保留碳纤维的原始性能，由于其独特的优越性，受到产业界高度重视，将可能成为碳纤维主要回收方法之一，目前多数回收技术仍停留在实验阶段，商业化道路漫长。

2 碳纤维及复合材料市场现状分析

2.1 碳纤维市场现状分析

碳纤维分为大丝束碳纤维（>24K）和小丝束碳纤维（

2.2 碳纤维复合材料市场现状

2013年碳纤维复合材料总产值147亿美元，其中CFRP产值94亿美元，约占64%。碳纤维复合材料的需求7.2万t，2020年需求将达14.6万t（表 2），2010 ― 2020年复合年均增长率超过11%。

碳纤维复合材料主要应用到国防航空、交通工具、风力发电、运动休闲、土木建筑等领域，各领域产值见表 3。

（1）国防航空

2013年碳纤维增强复合材料在国防航空领域产值达41.2亿美元，其中民用航空24.7亿美元，占60%，军用飞机占16%，商业飞机占8%。在航空领域，碳纤维复合材料占空客A380结构材料的20%以上，波音787结构材料中近50%使用碳纤维复合材料和玻璃纤维增强塑料。碳纤维复合材料取代金属结构材料，减轻机身质量，节约燃油，在航空领域应用不断拓展。在国防领域，碳纤维复合材料已用于隐形机、战斗机、导弹等开发。美国研制出世界上最小无人机，主体由碳纤维制成，仅重106 mg，用于搜索和救援行动，美国F-22和F-35战斗机，欧洲A400M大型军用运输机，日本M-5火箭等都在不断拓展碳纤维复合材料的应用。美国防部在“面向21世纪国防需求的材料研究”报告中强调，“到2020年，只有复合材料才有潜力使装备获得20% ～ 25%的性能提升”。

（2）交通工具

2013年碳纤维增强复合材料在交通工具领域产值达22亿美元，其中汽车领域10.1亿元，占总产值46%，卡车领域占18%，摩托车占15%，客运火车占13%。CFRP具有轻质高强的特点，逐渐成为汽车轻量化首选材料。试验证明，汽车重量降低1%，油耗可降低0.7%；汽车质量每减少100 kg，百公里油耗可降低0.3 ～ 0.6 L。全球大型汽车制造商积极联合碳纤维生产企业，旨在突破碳纤维零部件的低成本工业化生产，广泛应用于普通汽车。

（3）风力发电

2013年碳纤维增强复合材料在风力发电领域产值达17.6亿美元，消耗碳纤维约6 700 t。1985年风轮平均直径仅15 m，单位产出低于 1 MW，到2013年风轮平均直径达100 m，平均产出为2.5 MW。当风轮叶片长度在40 ～ 50 m时，碳纤维是唯一能用于制造叶片的材料，随着风电装机容量的增加，也必然会促进碳纤维在这领域快速发展。风力发电主要集中在3 个国家，2013年中国达91 GW，占全球30%，其次是美国和德国，分别达62G W和34 GW。

（4）运动休闲

2013年碳纤维增强复合材料在运动休闲领域产值达14.7亿美元，其中高尔夫杆等产品产值5.6亿美元，占38%，网球和羽毛球球拍占21%，自行车占14%。运动休闲用碳纤维消耗量最大在亚洲，特别是中国，高尔夫球杆、网球拍、钓鱼竿、自行车架、船桨、公路赛车等都用到碳纤维。由于成本问题，制约碳纤维在该领域的快速发展，预计2015年全球运动休闲领域对碳纤维需求增长依然保持在4%左右。

（5）土木建筑

2013年碳纤维增强复合材料在建筑工程领域产值达5.9亿美元，消耗碳纤维约2 300 t。随着碳纤维成本降低与复合材料加工技术的发展，土木建筑领域将成为碳纤维复合材料应用新市场。碳纤维复合材料层板加固或修复桥梁及建筑物，碳纤维增强混凝土等都将会有很大发展。在美国约有30万座桥有潜在维修需求，德国在2030年前将投入160亿欧元，用于修复桥梁和路面。预计未来 5 年，碳纤维复合材料在土木建筑领域将以6%左右速度增长。

3 中国碳纤维发展之路

2013年我国碳纤维产能达1.8万t，实际产量约3 000 t，全为小丝束。碳纤维指标达到东丽公司T300水平，但质量稳定性还需提高；干喷湿法纺丝T700级碳纤维实现工业化生产，但产品质量有待稳定；T800、M40J、M50J等高品质碳纤维仍在中试或攻关阶段。国际上碳纤维高端技术和产品对中国实行封锁，并利用高性能碳纤维盈利来弥补通用级碳纤维的亏损，对中国碳纤维市场进行降价打压，企图遏制中国碳纤维产业的发展。受国外低价倾销和恶意竞销行为影响，国内碳纤维企业基本处于全线亏损境地。

中国碳纤维发展需重点关注以下几个方面：一是组织技术攻关。重点解决T300级等中低端碳纤维产品稳定性和成本控制问题，加快T700级等中高端碳纤维产品产业化及高模量碳纤维研发，加强高品质油剂、上浆剂、树脂等辅助材料配套能力，加快预氧化炉和多段宽口碳化炉等设备研发。二是加强应用牵引。建立产学研用产业技术创新联盟，以应用需求为牵引，深化碳纤维生产与应用企业合作，实现优势互补。三是深化军民融合。加大满足国防发展需求的高端碳纤维及复合材料的研发力度，打破体制机制束缚，引导优势民企进入军品领域，加快提升碳纤维行业军民融合水平。四是推动标准体系建设。建立适合我国产业发展特点并与国际接轨的碳纤维标准体系，解决限制我国碳纤维下游应用瓶颈的标准和应用设计规范问题，逐步扩大国产碳纤维对进口碳纤维的替代。五是加强人才培养。培养一批高端生产和应用技术人才，推动“产学研用”产业链一体化发展。

参考文献

[1] 张婧，陈虹，于今，等. PAN基碳纤维原丝纺丝技术及其发展现状[J].高科技纤维与应用， 2013， 38（6）：46-48.

[2] 严彬涛. 碳纤维产业化的瓶颈与路径[J].石油知识，2014（1）：48-49.

[3] 汪星明，邢誉峰.三维编织复合材料研究进展[J].航空学报，2010，31（5）：914-927.

[4] 杨超群，王俊勃，李宗迎，等.三维编织技术发展现状及展望[J].棉纺织技术， 2014， 42（7）：1-5.

[5] 孙超明，张翠妙，谈娟娟，等. 国产RTM用碳纤维及环氧树脂基本性能研究[J].玻璃钢/复合材料，2013（9 ）： 35-37.

篇（3）

1 概述

近年来，我国汽车工业得到了快速的发展，汽车产销量位居世界第一，汽车工业已成为我国经济发展的支柱产业。汽车给我们的出行带来了便利，但也造成了环境污染等问题。在全球温室效应、能源危机和环境污染等日益严重的情况下，节能与环保成为摆在世界各国面前最重要的命题[1]。目前，汽车行业面临的挑战是，为了汽车工业的可持续发展，必须减少环境污染、节约资源。为应对挑战各国都开始研究和开发新能源汽车，就现阶段技术而言，汽车轻量化是实现降低油耗和减少排放的有效途径。有试验表明，汽车总体重量减轻10%，可提高6%-8%的燃油效率。降低1%汽车重量可降低0.7%的油耗[2]。由此可见汽车轻量化对于节能与环保有显著效果，使其成为我国汽车行业大力发展的趋势。对于乘用车来说，车身占整车质量的40%-60%[3]，对于汽车油耗来说，约70%的油耗是用在了车身质量上，因而车身的轻量化对于整车的节能、减排具有更为显著的作用。

2 碳纤维复合材料汽车B柱模型建立

文章采用等代设计方法建立碳纤维复合材料汽车B柱模型，通过Hypermesh对B柱模型完成几何清理并采用四面体单元划分网格，网格大小10mm。将画好网格的B柱导入ABAQUS进行碰撞分析。

碳纤维复合材料B柱铺层方式为[0/45/90/-45]，铺层层数为18层，每层厚度0.33mm。复合材料单向层合板的力学性能如表1所示。其中p为密度，E1、E2分别为单向层合板的纵向、横向弹性模量，u12为泊松比，G12为剪切模量，Xt、Xc为纵向拉伸、压缩强度，Yt、Yc为横向拉伸、压缩强度，S为剪切强度。

3 碳纤维复合材料汽车B柱性能分析

以碳纤维复合材料汽车B柱的质量、入侵量、吸能为响应分析碳纤维复合材料汽B柱的综合性能。并与金属材料汽车B对比分析，与金属材料汽车B柱相比碳纤维复合材料汽车B柱重量降低约33%，最大入侵量比金属材料汽车B柱小12%，吸能效果也比金属材料汽车B柱好。

参考文献

[1]马鸣图，易红亮，路洪洲，等.论汽车轻量化[J].中国工程科学，2009，11（9）：20-27.

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中图分类号：TB文献标识码：A文章编号：1672-3198（2012）06-0187-01

0 绪论

碳纤维/树脂复合材料作为一种先进的复合材料，具有重量轻、模量高、比强度大、热膨胀系数低、耐腐蚀、吸振性好等一系列优点，在航空航天、汽车等领域已有广泛的应用，随着航空、航天及军事装备技术的快速发展，对碳纤维复合材料构件的要求日益严格，碳纤维复合材料的机械加工中的热问题已成为影响其性能的重要因素。另外，随着碳纤维复合材料性能的不断提高，材料的切削加工性能越来越差，热量堆积导致砂轮刀具磨损加剧，影响加工精度和加工效率，难以降低加工成本。在碳纤维增强复合材料的零件与其他零部件装配连接时，不可避免的要进行大量的机械加工，特别是磨削加工与孔加工。因此，碳纤维复合材料磨削热分析研究，已成为目前复合材料研究和应用所面临的一项亟待解决的难题。

1 磨削测温实验

本试验以碳纤维/树脂复合材料板为试验材料，进行磨削测温试验。该碳纤维增强复合材料的增强体是T300型碳纤维，基体材料是AG-80型树脂，在预浸处理后铺层预置而成。材料如图1所示。

图3是GC60J砂轮磨削碳纤维/树脂复合材料的试验结果，在砂轮线速度Vs=15.7m/s的条件下，改变工件进给速度和磨削深度得到的曲线。由图3可以看出，增大磨削深度ap，工件表面磨削温度升高。主要是由于磨削过程中，增大磨削深度由于切削变形力和摩擦力均增大，因而使磨削温度升高。图3 磨削深度对磨削温度的影响图4是GC60J磨削碳纤维/树脂复合材料的试验结果，在工件进给速度Vw=14m/min的条件下，改变磨削深度和砂轮线速度得到的几组曲线。由图4可以看出，增大砂轮转速Vs，工件表面磨削温度升高。增大砂轮转速，由于单位时间内工作的磨粒数增多，磨削厚度变薄，切削变形能增大，同时，产生划擦和耕犁的磨粒数增多，是摩擦加剧，因而导致磨削温度升高。

图5是GC60J磨削碳纤维/树脂复合材料的试验结果，在砂轮线速度Vs=11.8m/s的条件下，改变磨削深度和进给速度得到的几组曲线。由图4可以看出，增大进给速度Vw，工件表面磨削温度升高。增大工件进给速度，使得每颗磨粒的切削厚度增大，因此使得磨削阻力增大，热源强度增大，因而导致磨削温度升高。

3 结论

通过以上试验和分析我们得到如下结论：

（1）增大砂轮转速，由于单位时间内工作的磨粒数增多，磨削厚度变薄，切削变形能增大，产生划擦和耕犁的磨粒数增多，摩擦加剧，因而导致磨削温度升高。

（2）增大磨削深度由于切削变形力和摩擦力均增大，因而使磨削温度升高。

（3）增大工件进给速度，使得每颗磨粒的切削厚度增大，因此使得磨削阻力增大，热源强度增大，因而导致磨削温度升高。

（4）为了保证温度在200以下，并考虑加工效率，工艺参数选择为：磨削深度0.02～0.04mm，砂轮速度取13～17m/s，进给速度取12～16m/min。

参考文献

［1］黄海鸣，杜善义.C/C复合材料烧蚀性能分析［J］.复合材料学报，2001，18（3）:76-80.

［2］赵稼祥.先进复合材料的发展趋势［J］.宇航材料工艺，1997，（5）:55-56.

篇（5）

1、碳纤维复合材料加固原理

碳纤维加固混凝土结构是一种新型的混凝土结构加固方法，其研究始于20世纪80年代，自1996年引入我国，立即受到了工程界的关注，成为了研究和应用的热点。碳纤维加固修复混凝土结构是将碳纤维材料粘贴于混凝土结构表面，通过其与结构或构件的协同工作，达到对结构构件补强加固及改善受力性能的目的。

2、碳纤维复合材料

混凝土结构构件加固修复所用碳纤维材料主要有两种：碳纤维材料和配套树脂。碳纤维材料具有高强度、高弹性模量、重量轻及耐腐蚀性好等特点，其抗拉强度是普通钢筋的十倍左右，弹性模量略高于普通钢筋的弹性模量；配套树指则包括底层树脂、找平树脂及粘结树脂，前两者的作用是为了提高碳纤维的粘结质量，而后者的作用则是使碳纤维与混凝土能够形成一个复合材料体，并且共同工作，提高结构构件的抗弯、抗剪承载能力，达到对结构构件进行加固、补强的目的。

2.1碳纤维布

碳纤维布按碳纤维原丝不同主要可以分为:PAN基碳纤维布；黏胶基碳纤维布；沥青基碳纤维布。

碳纤维布按碳纤维规格不同主要可以分为:1K碳纤维布、3K碳纤维布、6K碳纤维布、12K碳纤维布、24K及以上大丝束碳纤维布。 碳纤维布按碳纤维炭化不同主要可以分为:石墨化碳纤维布、碳纤维布、预氧化碳纤维布。 碳纤维布按织造方式的不同主要可以分为:机织碳纤维布、针织碳纤维布、编织碳纤维布、碳纤维预浸布等等。

碳纤维布加固依据结构施工图、构件的腐蚀情况、结构或构件的实际检测强度、《混凝土结构加固技术规程》等资料，考虑提高结构或构件的抗弯（抗压、抗拉）强度等级，对结构或构件进行加固设计。

2.2加固粘结材料

碳纤维片材加固胶粘材料一般包括三种胶，按用途分它们各自的作用分别是：1、底涂胶（又称底层树脂）：涂刷于混凝土基层上，强化混凝土表面强度，从而使混凝土与碳纤维之间的粘结性得到提高。2、修补胶（又称整平材料或腻子）：整平混凝土表面，便于碳纤维片材的粘贴。3、浸渍树脂（又称浸渍树脂）：将碳纤维片材结合在一起，使之呈板状硬化物；同时将碳纤维与混凝土粘接在一起，也形成一个复合整体，共抵抗外力。三种胶粘剂之中，浸渍树脂最为重要，它的性能直接决定碳纤维片材能否有效地加固补强混凝土结构。

3、碳纤维复合材料加固混凝土结构的优良性能

（1）高强度高弹性模量。碳纤维的强度高，极限抗拉强度约为钢材的10 倍，弹性模量和钢材相近。

（2）抗腐蚀能力强、耐久性好。碳纤维材料化学性质稳定，不与酸、碱、盐等化学物质发生反应，因而碳纤维加固后的钢筋混凝土结构具有良好的抗腐蚀性和耐久性。

（3）热膨胀系数小。碳纤维材料的热膨胀系数非常小，其在纤维方向的热膨胀系数几乎等于零。

（4）施工简便，工作效率高。碳纤维布加固不需要大型施工机械和重型设备，施工占用场地少，无湿作业，碳纤维布柔性好，可以任意裁剪，操作简单，施工速度快。

（5）施工质量易于保证。碳纤维布是柔性材料，即使被加固构件的表面不是非常平整，经过修补后，有效粘贴率可达到95%以上。

（6）对结构影响小。碳纤维材料重量轻，厚度薄，经加固修补后的构件，基本上不增加原结构的自重及尺寸，不影响结构的使用空间。

（7）适用范围广。可用于不同结构类型、不同结构形状、不同材料的构件加固，也可用于构件的不同部位及不同薄弱因素的加固。

4、碳纤维复合材料加固混凝土结构的应用

在实际工程中，用来加固的碳纤维材料主要是碳纤维布。碳纤维布加固技术在混凝土结构中的应用已较成熟，主要集中在以下几个方面。

（1）提高受剪承载力

碳纤维布对构件抗剪的贡献类似于箍筋的作用，与混凝同承受剪力。另外，碳纤维布具有对核心混凝土的约束作用，并能承担拉应力，防止主筋过早屈服，抑制剪切裂缝的出现和发展。因此，碳纤维布可以明显提高钢筋混凝土构件的受剪承载力，增强构件的变形能力。

（2）提高受弯承载力

由于碳纤维布具有抗拉强度高的特性，可以将碳纤维布粘贴在构件的受拉表层，使之与混凝同承担拉应力，以提高构件的受弯承载力，达到加固补强的目的。粘贴碳纤维布后，受弯构件的受弯承载能力明显提高，有效的抑制了裂缝的开展，构件的变形能力和延性性能得到显著改善。

（3）提高抗震能力

由于碳纤维布能够约束构件的开裂，提高构件的刚度和抵抗变形的能力，当需要提高构件的抗震能力时，亦可用碳纤维布进行增强和增韧。尤其对于钢筋混凝土梁柱节点和受轴向力作用的钢筋混凝土柱，往往要求进行构件的抗震设计。采用碳纤维布粘贴于梁柱节点范围，或对钢筋混凝土柱进行包裹，可以明显改善结构中混凝土构件的延性，增加耗能能力，具有良好的抗震加固效果。

（4）提高抗疲劳能力

用碳纤维布进行钢筋混凝土梁和预应力钢筋混凝土梁的加固，经200 万次重复荷载作用后，加固构件的强度和刚度不会降低，也不会发生剥落和脆断现象。如果采用预应力碳纤维布加固的形式，预应力碳纤维布的存在，使构件中纵筋的应力幅值有所降低，减少了发生疲劳破坏的可能。而始终处于高应力状态的碳纤维布具有良好的抗疲劳性能。其综合效应使所加固构件的疲劳寿命大大提高，疲劳变形有所减小，构件的疲劳抗裂性能得到较大提高，从而延长构件的使用寿命。

5、碳纤维复合材料加固混凝土结构的不足

（1）碳纤维是一种线弹性脆性材料，只有当构件发生较大变形时，才能充分发挥其高强高弹模的性能。而混凝土结构对变形有比较严格的控制，在一定程度上限制了碳纤维复合材料能力的发挥。

（2）碳纤维布加固混凝土结构后，容易发生粘贴剥离破坏，使加固后混凝土结构呈现明显的脆性破坏形态，对结构的可靠度水平有所影响。

（3）目前对碳纤维复合材料加固混凝土结构在长期荷载、冲击荷载作用下受力性能的研究较少，在类似方面应用时缺少专门研究。

（4）对于碳纤维材料加固混凝土梁、柱的抗剪及抗弯加固机理和计算方法已有了成熟的研究和应用成果，但对碳纤维材料加固剪力墙等方面的研究理论还较缺乏。

总之，碳纤维材料加固技术具有良好的经济效益、社会效益和环境效益，随着碳纤维材料的发展、生产成本的降低及国内外碳纤维材料加固技术研究的不断深入，该项技术在混凝土结构加固领域中的应用会越来越广泛，具有广阔的发展前景。

参考文献：

[1].《混凝土结构加固技术规范》 CECS25：90

[2].《建筑抗震加固技术规程》 JGJ116-98

篇（6）

1、材料的基本特性

碳纤维增强复合材料补强加固所采用的基本材料是高强度或高弹性模量的连续碳纤维，单向排列成束，用环氧树脂浸渍固化的碳纤维板或未经树脂浸渍固化的碳纤维布，统称碳纤维片材。将片材用专门配制的粘贴树脂或浸渍树脂粘贴在桥梁混凝土构件需补强加固部位表面，树脂固化后与原构件形成新的受力复合体，共同工作。

碳纤维片材：

片材碳纤维材料的拉伸强度在（2400～3400）MPa之间，与普通碳素钢板拉伸强度为240MPa相比，片材的拉伸强度很高。片材碳纤维材料的弹性模量依片材力学性能不同，碳纤维片材依力学性能分成高模量、高强度和中等模量三类。高模量碳纤维片材的弹性模量较高，但其伸长率较低。

相比之下，碳纤维片材的单位重比钢材低许多，说明碳纤维片材较轻。碳纤维的化学结构稳定，本身不会受酸碱盐及各类化学介质的腐蚀，有良好的耐寒和耐热性。

配套树脂类粘结材料；

混凝土结构加固修补配套树脂系统包括底层涂料，用于渗透过混凝土表面，促进粘结并形成长期持久界面的基础；油灰，用于填充整个表面空隙并形成平整表面以便使用碳纤维片材；浸渍树脂或粘结树脂，前者用于碳纤维布粘贴，后者用于碳纤维板粘贴。

浸渍树脂或粘贴树脂是将碳纤维片粘附于混凝土构件表面并与之紧密地结合在一起形成整体共同工作的关键，因此，树脂同混凝土的粘贴强度大于混凝土的拉伸强度和剪切强度。

就混凝土结构用碳纤维片材加固技术而言，环氧树脂在不同施工环境温度下固化性能有十分重要的意义，因为这涉及到粘贴工作质量与如何尽量减少构件正常使用中断时间紧密相关。采用专配的环氧树脂材料，在混凝土施工表面温度（10～40）摄氏度时，粘贴环氧树脂固化时间约15小时以上，但粘贴后就可以使用的时间为45分钟以上，专配的环氧树脂材料的这一性能是完全适合混凝土构件的加固工作。

2、碳纤维片材加固混凝土构件的形式

碳纤维片材主要用于混凝土的基本构件和节点的加固补强，其加固的效果主要是提高构件的抗弯承载力、抗剪承载力以及受压构件的轴向抗压承载力；提高构件的刚度以及延性。除此之外，许多室内及现场试验证明，碳纤维片材加固的混凝土构件裂缝宽度发展可以得到控制。

由于碳纤维片材，特别是碳纤维布质量轻且厚度薄，具有一定柔度，在混凝土构件的有关部位加固较灵活。碳纤维片材因碳纤维排列方向不同而使各方向拉伸强度不相同，碳纤维片材的纤维向与受力向相同时，其拉伸强度最高，反之，纤维方向与受力方向垂直时，其强度最低。因此，在采用碳纤维片材进行加固设计中，必须正确掌握纤维的布置方向。根据混凝土构件加固计算，可以采用连续式粘贴或条带间隔粘贴碳纤维片材的方式。研究表明，分条加固的效果要优于整条布的加固效果。

3、粘贴碳纤维片材加固施工技术

面层处理；

混凝土表面的劣化层（例如风化、游离石灰、脱模剂、剥离的砂浆、粉刷层、污物等）必须用砂轮机去除并研磨。用空气喷嘴、砂轮机与毛刷将待补强区的粉尘及松动物质会除，用水洗净后，必须使其充分干燥。

断面修复；

将混凝土面层的不良部分（例如剥落、孔隙、蜂窝、腐蚀等）清除。若有钢筋外露情形，必须先做好防蚀处理，再以强度相等或大于混凝土的环氧树脂砂浆材料修补。裂缝以环氧树脂灌注。裂缝或打除部分若有漏水情形时，应先做好止水、导水处理。

表面修正；

表面平整度凸出部分（小突起等）以切割机或砂轮机将其铲除并使其平滑。凹陷部分（打除部分）以环氧树脂或树脂砂浆填补。转角处需研磨至凸角R=20毫米（R一曲率半径）以上，凹角则以树脂砂浆填补。

底层涂料；

气温在5摄氏度以下，雨天或RH>95%时，不可施工。施工范围的温度、湿度确认后，选用适当的底层涂料。施工现场空气应十分流通，严禁烟火。施工时必须要穿带保护装备（口罩、护目镜及橡皮手套）。

碳纤维片材的粘贴；

纤维贴片预先以剪刀、刀子依所设计的尺寸大小裁好。依使用量剪裁尺寸、长度在2米以内最适当。为防止保管期间的破损，裁剪数量只裁所需使用的数量。施工面底漆的干燥程度可以指触确认。底漆施工超过1星期以上时，应以砂轮机磨平。

将环氧树脂的主剂（A剂）和硬化剂（B剂）依所规定的配比放置于拌合桶中，使用电动搅拌机，使其均匀的混合（约2分钟）。一次的拌合量为在可使用时间的施工量，超过可使用时间的材料，不可使用。

环氧树脂用毛刷滚轮平均涂布（涂布底漆上）。涂布量随施工面的表面粗糙程度会有所变化，转角部分要多涂。强化纤维粘贴于树脂涂布面后，以毛刷滚轮和橡皮刮刀顺着纤维方向用力推平，使树脂浸透并去除气泡，纤维（长向）方向的搭接长度至少要留10厘米，短向则不用留。粘贴后放置30分钟，若纤维有浮出或脱线情形发生时，以滚轮或橡皮刮刀压平修正。

两层以上的强化纤维相叠贴时，重复步骤。施工现场空气应十分流通，严禁烟火。施工时必须要穿戴保护装备（口罩、护目镜及橡皮手套）。

4、有关混凝土桥梁技术应用问题

粘贴碳纤维片材加固混凝土结构技术在欧洲、美国、加拿大和日本已经广泛应用，并且进行了深入的研究。我国在这方面的工程实践也是在二十世纪九十年代中期才开始，就我国公路混凝土桥梁有关粘贴碳纤维片材加固新技术应用推广的问题做如下讨论。

粘贴碳纤维片材加固混凝土桥梁是一项新技术，使得粘贴加固法成为公路桥梁快速加固方法，适合公路桥梁加固期间尽量不影响桥梁正常营运的要求。碳纤维片材轻、现场粘贴无需重型设备、施工便利，便于桥下的高空作业，可在公路桥梁上推广应用。

对于公路旧混凝土桥梁的加固方法，在工程上应用效果较好的是综合法，即以某种加固方法为主，辅以其它方法，这必须依照桥梁现场的外观检查和技术状况评定，加固设计要求而定。目前，粘贴碳纤维片材加固方法往往辅以裂缝灌浆、裂缝封闭等方法。

我国目前在工程中采用的碳纤维片材材料及配套树脂类粘结材料，是以国外进口材料为主，国产产品较少，且产品的匀质性及低树脂含量等技术指标上还有差距。这样，进口的材料单价就显高，这往往影响技术的经济决策。因此，除了应尽快采取先进技术及措施使国产产品提高质量外，在碳纤维片材加固技术应用中，应当更多从加固效果，耐久方面来考虑桥梁加固后正常运营效益与经济性。

在国外先进国家的科学研究工程实践基础上，结合我国公路旧桥的加固维修特点与经验，尽快编制碳纤维片材加固技术的指南，以指导工程应用。？碳纤维片材加固补强公路混凝土桥梁是粘贴加固新技术，需要结合我国的工程特点进行深入研究和不断提高，使我国公路旧桥加固维修技术达到新的水平。

篇（7）

中图分类号：TQ342+.74 文献标志码：A

Latest Market Development of Carbon Fiber and Its Composite Materials

Abstract： The global production capacity of carbon fiber is anticipated to exceed 140 000 tons in 2020， and most of the leading companies of this industry have made plans to expand their capacities， including Toray， Mitsubishi， Toho Tena， Zoltek， etc. Besides the latest market development of carbon fiber， the application status-quo and development potential of carbon fiber and its composite materials in the fields such as wind power blade， civil structure， high pressure cylinder， electronic industry were also introduced in this article.

Key words： carbon fiber； carbon fiber composite； application field； market potential

目前聚丙烯腈基碳纤维（PAN-CF）开始迈入快速发展而激烈竞争的时代。根据预测，世界碳纤维市场需求将由2012年的4.1万t左右发展到2020年的约14万t，其中增长最快的是产业用途，预计2020年比2012年将增长 4 倍以上，即11万t以上。新一代飞机、大型风电叶片、土木建筑材料、高压容器、海洋工程和电子产业等是新市场的主力军，而2015年后汽车及轨道交通等将逐步成长为大型市场。

表 2 为2005 — 2012年一季度日本三大碳纤维公司的销售额及盈利情况，其中2013年三菱丽阳下滑最严重，为此自2012年秋至今大规模收购海内外预浸料及复合材料制品等下游企业，形成从丙烯腈原料至复合材料制品的完整产业链，以提高市场竞争力和扩大应用领域。

2020年，东丽的产能将达到 5 万t/a，而ZOLTEK则为3.95万t/a。预计2013年底，我国碳纤维生产厂将达到33家左右，产能从20 ～ 6 000 t/a不等，总设计产能约22 500 t/a，但2012年据统计总产量仅为2 400 t左右。由于国外公司向我国输出的碳纤维售价低于我国企业的生产成本，因此除 4 ～5 家供应军工的企业外全部亏损。

2.2 风能和潮能

根据世界风能协会的统计，2011年全球新设的风电能力为42 GW，比2010年增长20%，其中美国增长28%，而英国目前正在运行的风电装置有4 510个，将再建1 183个，德国2012年和2013年预计各增长1 415和3 200 MW装机容量。我国2011年风电的发电量仅占总电力生产的1%，计划到2050年将增至17%。

目前重点发展近海风电场，据报道英国到2020年洋上风电将新增29 GW。图 9 所示为英国威尔士North Hoyle正在运行的Vesta V80-2.0MW洋上风电场。

今后将朝着深海浮动式风电装置发展。图10和11分别为美国缅因大学先进结构与复材中心所研发的高20 m、叶片直径达130 m的 6 MW浮动式洋上风电装置的水下和水上图。

据悉，到2013年，仅缅因州80 km长的海岸线上就将拥有156 GW的洋上风电产能，到2030年还将部署 5 GW的新装置，并吸引2 000万美元的私人投资，创造数千人就业。

西门子是全球最大的洋上风电叶片生产商，目前约占全球 7 成的市场份额，其每台 6 MW的大型设备已实用化，其叶片皆采用碳纤维增强塑料（CFRP）。

潮力发电是今后的重要发展趋势和CFRP的新市场，其能量转变效率为40%以上，而一般风电为20% ～ 25%。2008年北爱尔兰率先研发并投产1.2 MW的潮力发电设备，如图12所示，到2015年在英国威尔士将设置 5 台 2 MW的装置。

2.3 土木建筑

CFRP用于建筑结构物的代钢筋材料和补强材料，不仅可提高抗震能力，还可起到电磁波屏蔽作用，这对军事设施是很重要的。

据报道，目前和今后较长时期内，全球都将处于第五期地震活跃期。据我国国家地震局的报告，我国可能发生 7级以上大地震的省会城市多达22个，可能发生7.5级以上特大地震的省会城市16个，因此碳纤维片材、CFRP板材和代钢筋材料的需求量将逐年递增。2012年我国碳纤维补强材料的需求量已超过1 000 t。

需要引起注意的是，我国补强用碳纤维的标准是采用T700级PAN-CF，这是不科学的，应该根据不同部位的要求选用不同质量和性能指标的PAN-CF，如表 4 所示。

由于全球车辆大增，许多原设计的桥梁底床逐渐发生疲劳劣化，有些隧道发生裂口而剥落，许多桥梁的桥墩已老化，一些高速公路的重要路面和飞机场跑道为防止因地震而发生龟裂都需要进行补强，仅日本每年的PAN-CF用量就多达90万m2。

碳纤维补强材料的施工方法主要包括：①东丽碳纤维片材（图13）或CFRP施工法，图14为防止桥底的钢筋凹陷和提高耐疲劳性的施工图；②东丽碳纤维层压材料（图15）施工法，图16为其烟囱耐震补强图；③S-层压材料施工法，主要用于钢板表面通过环氧树脂粘合剂的碳纤维补强法；④SR-CF施工法，这是清水建设公司所开发的方法，如图17所示，采用碳纤维地脚螺栓（图18）锚固。

帝人公司利用2012年12月建成的CFRTP（碳纤维增强热塑性塑料）中试厂，与GM（通用汽车）等汽车公司合作，提供可“一分钟成型”的技术与汽车结构部件等，目标是2015年应用于月产 1 万辆的车种上，以期到2020年达到1 500亿 ～2 000亿日元的销售额。

东丽通过参股欧洲的ACE、Diamler（EACC）和美国PCC汽车公司，收购泰国童梦复合材料（泰国）公司（赛车厂），在深圳投资 2 亿日元成立东丽塑料（深圳）有限公司（TPSZ），新建2 500 t/a的CFRTP母粒厂，扩大CFRP汽车部件生产，以及与美国三大顶级汽车公司通用、福特和克莱斯勒等合作开发CFRP汽车部件，大力开拓欧亚太地区的汽车市场。

水菱塑料公司最近开发了碳纤维增强聚丙烯（CFRPP）汽车挡泥板，其刚性比以往的防撞器材可高出 5 倍以上。

东洋塑料精工公司开发了碳纤维增强尼龙和PPS汽车部件系列产品（图 22），进一步扩大了在汽车、飞机和电子等方面的应用。

Axon汽车公司利用东丽的碳纤维开发了全CFRP汽车，比普通车减重50%以上。其一次结构材料采用3D碳纤维织物与聚乙烯（PE）泡沫塑料通过VARTM成型技术制成。

Motorsport公司生产了用碳纤维和Kevlar？（对位芳香族聚酰胺纤维）织物混合增强丙烯酸尿烷酯的赛车（图23）部件（图24），使车体减重56 kg，获得了2013欧洲Rallycross锦标赛冠军。

2.5 高压容器

由于北美和英国的油页岩气突然兴旺，作为压缩天然气罐和天然气汽车燃料瓶的需求不断扩大，推动了碳纤维缠绕气瓶需求的猛增。为此三菱丽阳率先改造其在美国的碳纤维生产线，改产强度和模量兼优的小丝束PAN-CF，满足该需求。

图26为PAN-CF缠绕气瓶的生产图，图27为该气瓶的内部剖面图，而图28为装有该天然气瓶的英国新能源公共汽车。

碳纤维及其复合材料可谓朝阳产业，但竞争异常激烈。目前，我国的PAN-CF生产厂家正处于“百花齐放”的初级产业化阶段，所采用的技术路线也多种多样。今后 5 年将是我国碳纤维产业发展的关键时期，预计这一时期内我国PAN-CF部分厂家将出现停产、兼并、联合、优胜劣汰及上、下游产业联手合作的局面，但仍会保留10 ～ 20家能维持生产的企业。相信目前较为艰难的处境终将过去，前景光明。

参考文献

[1] 浅海宏规. 围绕PAN基碳纤维业务的日本厂家动向[J]. 工业材料，2013，61（7）：55-58.

[2] Composites poised to transform airline economics[J]. Reinforced Plastics，2013，57（3）：18-24.

[3] Hexcel ready to fly on the A350 XWB[J]. Reinforced Plastics，2013，57（3）：25-26.

[4] Demand for composite lead to￡2.3 b record M&A[J]. Reinforced Plastics，2013，57（3）：27-29.

[5] 碳纤维增强PEEK取得空客公司认证[N]. 石油化学新闻，2013-07-08（04）.

[6] Saran and Hexcel sign a strategic agreement for all Leap-1 engine[J]. JEC Composites Magazine，2013，82：11.

[7] The first grid-connected off-shore wind turbine[J]. JEC Composites Magazine，2013，82：16-17.

[8] 洋上浮体式风力发电[N]. 化学工业日报，2013-01-29（10）.

[9] 中国风力发电到2015年将占总电量的17%. 化学工业日报[N]，2013-01-28（12）.

[10] 钢筋混凝土和钢筋结构物的碳纤维补强材料[J]. 化学经济，2013（6）：111-113.

[11] 用沥青基碳纤维的CFRP桥梁补强[J]. JET，2013，61（2）：30-31.

[12] 东丽构筑CFRP汽车部件全球供应网[N]. 石油化学新闻，2013-08-26（4）.

[13] 东丽扩大CFRP部件生产[N]. 石油化学新闻，2013-04-08（4）.

[14] 帝人CFRTP瞄准结构材料的批量生产[N]. 石油化学新闻，2013-08-26（4）.

篇（8）

尼龙66本身虽是性能优异的工程塑料，但吸湿性大，制品尺寸稳定性差，强度与硬度也远远不如金属，为了克服这些缺点，早在七十年代以前，人们就采用碳纤维或其它品种的纤维进行增强以改善其性能。用碳纤维增强尼龙材料近年来发展很快，因为尼龙和碳纤维都是工程塑料领域性能优异的材料，二者复合综合体现了各自的优点，强度与刚性比未增强的尼龙高很多，蠕变小，尺寸精度好，热稳定性显著提高，耐磨，阻尼性优良，与玻纤增强相比有更好的性能[1，2]。

碳纤维增强尼龙66复合材料制备的传统工艺一般都是将经过处理的碳纤维与尼龙66原生粒经螺杆进行挤出造粒，然后再通过二次加工型（注塑成型、层压成型等）制得所需产品[3]。传统工艺中的造粒过程都是采用分批进料（尼龙66粒子和碳纤维），批次差异无法克服，直接导致产品质量不均匀，物性指标低；又因传统工程塑料改性加工技术的原料为颗粒状，改性生产必须经过将固态转化为熔融态的再熔融过程，能耗及生产成本相对较高，同时再熔融过程为高温降解过程，产品理化性能必然会受到影响，降低产品质量。而本生产工艺是在尼龙66聚合的过程中加入碳纤维，有效降低尼龙66在二次熔融的过程高温氧化的风险，生产工序简洁，能耗少，成本低。

一、实验部分

1.实验仪器与试剂

尼龙66盐溶液，为工业级，自制；抗氧化剂，分析纯，科莱恩化工；光稳定剂，分析纯，科莱恩化工；碳纤维，工业级，上海英嘉特种纤维材料有限公司。

真空干燥箱，DZX-3型（6020B）， 上海福玛试验设备有限公司；万能试验机，CMT4204型，美特斯工业系统（中国）有限公司；万能制样机，WZY—240，承德科承试验机公司；塑料摆锤冲击试验机，ZBC1251-B型，美特斯工业系统（中国）有限公司。

2.工艺流程

在尼龙66连续聚合生产过程中，将经过真空干燥除水后的碳纤维经上料装置，连续送入螺杆挤出机喂料口，然后经造粒系统造粒，得到碳纤维增强尼龙66粒子，最后再经干燥除水，通过注塑机制备出所需样条。

3.力学性能测试

拉伸性能的测试标准按GB/T1040.2-2006进行，环境温度为23±2℃、相对湿度为50±5%，样品为哑铃状，采用电子式万能试验机检测拉伸强度，拉伸速率为5mm/min，采样5次进行测试，结果取平均值。

冲击强度的测试标准按ISO179进行，环境温度为23±2℃、相对湿度为50±5%，采用塑料摆锤冲击试验机进行缺口悬臂梁抗冲击测试，采样5次进行测试，结果取平均值。

弯曲性能的测试标准按GB/T9341-2000进行，测试环境温度为23±2℃、相对湿度为50±5%，采用万能试验机检测弯曲强度，采样5次进行测试，结果取平均值。

二、结果与讨论

三、结论

本文通过新工艺制得碳纤维增强尼龙66复合材料的力学性能达到传统工艺制得复合材料的力学性能，并且与传统工艺相比，此工艺简单，能耗低、生产效率高，成本低，装置运行稳定可靠，一次造粒最大限度的保持了尼龙66树脂的新鲜度。

参考文献

[1] 张淑芳. 增强增韧尼龙材料[J]. 工程塑料应用， 1991， 2：51.

篇（9）

桥梁加固工程需要寻找高性能、重量轻、具有长时间的耐久性的加固材料。碳纤维增强复合材具有这样的功能，是一种具有发展潜力的复合材料。

1 桥梁加固方式

1.1 粘贴钢板加固法。粘贴钢板加固法是一种传统的加固方法，如果桥梁的承载能力不足或者主钢筋出现严重腐蚀的现象，主梁就会产生横向的裂缝，这就需要采用锚栓及粘结剂，把钢板锚固定在混凝土结构中承受拉力很弱的地方，把钢板和桥梁结构粘合在一起，形成一个统一的结构，达到共同受力的目标，增强桥梁的承载能力。

1.2 增大截面加固方法。增大界面的加固方法也是一种传统的加固方法，主要应用在梁柱的强度、刚度、稳定性和抗裂性的性能不足的情况，需要增加构建的截面增加钢筋的配备，提高钢筋的利用效率，这种方法能够加大钢筋混凝土截面增加的了配主筋，柱的截面也同样能够增大，柱子的承载力也都相应的增加。这种方式应用的非常广泛。

1.3 体外预应力加固法。体外预应力的加固方式，是针对钢筋混凝土或预应力混凝土梁或板出现预应力不足的情况下，采用的一种体外预加力的方式进行加固，采用这种方式能够消除一部分的桥梁的自重力，起到直接卸载的作用，提高了桥梁的承载力度。这种加固的方式具有一定的优点。首先在桥梁的自重力很小的情况下，能够改善原始结构的受力状态，提高的结构的刚度和承重性能。其次在桥梁的承重能力比较小的情况，节省了墩台及基础的加固施工。最后，对于那些预应力的加固的方法，可以做为桥梁的临时加固的手段，能够提高桥的的承载力。

2 碳纤维加固技术分析

碳纤维是一种高性能的复合材料，采用这种方式进行加工，是把碳纤维片材浸含在树脂系粘贴剂中，粘贴在混凝土构件的表面，表面的拉力变大，混凝土本身的承载力也达到了要求，实现了结构和承载力的加强。

2.1 碳纤维的性能。对碳纤维进行分析，按照力学的性能进行分析，包括：高模量（I型）碳纤维，这种材料的拉伸模量很高，同时具有很长的伸缩效率。高强度（II型）碳纤维这种材料的拉伸强度能够达到3000MPa，可以拉伸到4000MPa以上。中等模量（III）材料能够在200-300GPa之间，极限伸长率在1.5%-2.0%，在桥梁加固中是一种常用的材料。此外，按照材料进行分类，包括：碳纤维（CFRP），玻璃纤维（GFRP），芳纶纤维（AFRP），这三种。还可以按照排列的方式进行分类，包括：单向纤维片材和双向纤维片材。

2.2 加固用碳纤维的力学性能指标。对桥梁加固中应用的碳纤维片材需要按照国家的指标进行测定，各种性能需要满足下表的力学性指标。

表1 碳纤维片材主要力学性能指标

很多碳纤维的性能不同，但是采用的纤维复合材料的应力关系式相容的，受到拉力的性能呈现一种上升的趋势，这是这种材料具有的重要性能。各种纤维材料的性能见图1。

在图1中，能够看出，很多纤维复合材料都属于复合型的材料，钢筋本身也是一种延性材料，对钢筋混凝土进行加固的时候，要考虑到脆性对建筑的影响。主要表现在以下两个方面：（1）纤维复合材不具有延性，具有脆性，这种性能会限制混凝土桥梁的加固施工。（2）FRP材料的脆性性能够限制应力的分布，这些因素影响了外贴的FRP材料的加固设计，不能够采用钢筋进行替换，要研究FRP材料的脆性性能，采用正确的方式进行施工。

图1 各种纤维材料应力一应变关系图

2.3 粘结剂等粘结材料的性能。碳纤维加固桥梁的时候，采用的粘结材料主要包括了底层树脂、整平材料及浸渍或粘贴树脂。这些材料的性能必须要满足要，关于底层树脂的作用是增强混凝土表面层，提高混凝土与材料的粘合程度，关于浸渍树脂是粘贴碳纤维布的主要粘结材料，主要作用是使碳纤维丝束之间和混凝土充分粘结，以便到共同承载的效果。另外，树脂是一种FRP复合材料，也是和混凝土进行粘合的材料，是非常值得关注的。

3 碳纤维复合材料加固的施工工艺

采用碳纤维复合材料对桥梁进行加固，施工的工艺是非常重重要的，施工的环节需要仔细。因为施工的质量直接关系到加固的效果，体现出材料的参数是否能够达到标准，纤维复合材料跟混凝土表面是否粘结牢固，变形是否协调，边界条件的差异大小，对加固的效果影响非常大。一般施工工艺流程如下：（1）关于施工准备阶段，需要认真的阅读施工的土质，按照要求和混凝土的实际情况，设计出施工方案，做好碳纤维和树脂材料施工前期的准备。（2）对桥梁表面进行处理，清除桥梁表面疏松、蜂窝、腐蚀物质，露出桥梁表面的混凝土构造层，并把这个构造层修复平整，按照要求对桥梁产生的裂缝进行封闭的处理，其中被粘贴的混凝土都需要除去表面的浮浆、油污等，完全凝结之后才能够进行施工。（3）涂刷底层树脂及找平处理，在这方面需要按照规定配置树脂，采用滚筒刷把树脂均匀的涂抹在底部，待干燥以后才能够进行下一道工序的施工。对于混凝土表面的那些凹凸位置要进行抹平的操作。（4）粘贴碳纤维布材，需要按照尺寸进行裁剪，按照要求配置相关的树脂，在桥梁包面涂抹均匀才能够进行粘贴。粘贴的时候，需要把碳纤维布用手轻压贴于需粘贴的位置，用滚筒进行滚压，挤除气泡，注意纤维布不能够损坏。粘贴结束后，要在表面涂抹浸渍树脂，要求必须要均匀。（5）进行表面防护，需要按照相关的规定进行表面防护处理，保证各个部分都要全部黏贴。

4 施工工艺注意问题

篇（10）

中图分类号： TP319 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）16?0087?05

Matlab?based algorithm for B reference value of carbon fiber reinforced polymer

DONG Ben?zheng1， LI Wei1， GAO Li?hong2， GUO Chao?long1， ZHA Meng2， JI Ai?hong1， DAI Zhen?dong1

（1. Institute of Bio?inspired Structure and Surface Engineering， NUAA， Nanjing 210016， China； 2. The First Aircraft Institute， AVIC， Xi’an 710089， China）

Abstract： B reference value is an important parameter to evaluate carbon fiber reinforced polymer （CRFRP）， thus the efficient and accurate computation for B reference value of CFRP is helpful to evaluate its properties. According to the aviation industry standard of HB7618?2009， the B reference value algorithm based on Matlab GUI module is developed， which can realize the functions of specimen inspection， abnormal data check， statistical distribution test， discrete coefficient correction and test， B reference value calculation. The calculated result of B reference value is exported in the Word format. In comparison with calculation results from the Aviation Industry Standard of HB7618?2009， the algorithm is accurate and reliable. It improved the calculation efficient of B reference value significantly.

Keywords： carbon fiber reinforced polymer； B reference value； statistical analysis； Matlab

0 引 言

碳纤维复合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRP）是以树脂为基体，碳纤维为增强体的复合材料，作为一种先进的复合材料具有高比强度、高比模量、抗疲劳性等优点，正是这些独特的特性使CFRP成为与铝合金、钛合金、钢合金并列的四大航空材料之一[1?3]。飞机在服役的过程中会遇到各种各样极端情况，例如低温、高温、潮湿环境，这都会影响CFRP的性能[4?6]。航空工业一般采用B基准值来评价CFRP的性能。为了得到CFRP在这些环境下的B基准值，就需要进行大量的实验；根据航空工业标准HB7618?2009《聚合基复合材料性能数据表达准则》提供的计算步骤 [7]， B基准值的计算方法比较繁琐。因而面对大量的实验数据如何高效准确地计算B基准值对于实验人员来说是急需解决的问题。现在对于B基准值计算方法仍然是借助Excel的手动计算为主，这种方式无疑计算耗时长，并且容易出错，无法满足快速处理大量实验数据的要求。为了提高B基准值的计算效率，本文根据Matlab在矩阵运算、图像处理和数值处理效率方面的优势[8]，将B基准值的计算和Matlab相结合，利用其GUI（Graphical User Interface）模块开发B基准值计算算法。

1 基准值计算原理

1.1 B基准值

为了保证材料的结构的可靠性和安全性，就需要用到一些高级的统计学方法来确定其合理的设计许用值，一般采用B基准值[7]。B基准值是建立在统计学上的衡量材料性能的参数，在95%的置信度下，90%性能数值群的值高于此值[9]。航空工业标准HB7618?2009关于B基准值的流程复杂，本文将着重从批次相容性检验、检查异常数据、分布函数检验、离散系数修正与检验、B基准值计算及导出结果几方面进行说明。

1.2 主要计算步骤

（1） 检验不同批次的实验数据是否来自同一母体；检验方法是K样本的Anderson ?Darling检验， 其统计公式如下[7]：

[ADK=n-1n2（k-1）i=1k1nij=1lhjnFij-njHjHj（n-Hj）-nhj4] （1）

如果ADK小于错判临界值ADC（5%错判风险），则不同批次的实验数据来自不同母体。如果相容性检验不通过的，为了增加样本数据来自同一母体的可能性，采用1%错判风险继续判断是否来自同一母体。

（1） 检查异常数据。采用最大赋范残差的方法定量的检查异常数据：

[MNR=maxxi-xs] （2）

（2） 分布函数检验。根据经验威布尔计算的B基值过于保守，因此优先检验样本数据是否符合正态分布，如果不符合正态分布，再依次检验样本数据是否服从威布尔分布和对数正态分布。

（3） 离散系数修正与检验：当离散系数低于4%时，容易忽略材料差异、实验方法等方面的实际差异性，因此要对离散系数进行修正[10]，修正方法为：

[x*i=xi-α（xi）Δ] （3）

离散系数修正结束后，对不同环境下的样本数据进行离散系数检验，离散系数的检验公式为：

[F=i=1k（wi-w）（k-1）i=1kj=1niwij-wi（n-k）] （4）

（4） 将不同环境下的数据归一化，根据归一化后的实验数据的平均值和标准差计算B基准值。求出对应的折减系数，再与不同环境下样本的平均值相乘，从而得到B基准值，折减系数的公式为：

[Bj=x-（kj）*s] （5）

2 程序实现

2.1 基准值算法的渐进流程图和程序界面

图1是根据航标HB7618?2009给出的计算步骤编制的程序流程图，该程序流程图包括了批次相容性检验、检查异常数据、分布函数检验、离散系数修正与检验、B基准值计算及导出结果等功能。

图1 B基准值算法的渐进流程图

2.2 变量传递

B基准值的算法程序包含几个不同的模块（见图1），而每一个模块又包含了多个程序和子程序。为了实现变量在不同模块和函数间进行传递，本文采用handles结构体和guidata函数来实现这个功能。在B基准值的算法程序界面中的所有控件使用同一个handles结构体，handles结构体中不仅保存了图形窗口中所有对象的句柄，而且还可以获取或设置某个对象的属性。在程序的计算过程中需要将每一个模块计算后的结果赋给handles结构体，以便于将这个变量传递到下一个计算模块。而每次handles结构体添加了新的元素，guidata函数便会更新handles结构体，使handle结构体中的新添加元素可以传递到下一个模块。guidata函数用法guidata（hObject，handles），其中，hObject是执行回调的控件对象的句柄，handle为结构体。handles结构体和guidata函数的用法如下所示：

function pushbutton13_Bvalue_Callback（hObject， eventdata， handles）

…

handles.Bvalue（j）=roundn（mean（nn_data（：））*Bj（j），?3）；

…

guidata（hObject，handles）

2.3 设置实验环境

B基准值的算法界面程序首先要检验相同环境下不同批次的样本数据是否来自同一母体。程序界面中包括四种实验环境：低温干态（CTD）、常温干态（RTD）、高温干态（ETD）、高温湿态（ETW）， 为了避免母体检验的过程中不同环境下的样本数据相互干扰，需要对程序界面中代表着不同实验环境的复选框（Check Box）进行设置。当其中的一种环境的复选框处于选中状态时，其他的三种环境的复选框需要设置成未选中状态，这样就可以避免相互干扰。下面是当CTD处于选中状态，其他的三种实验环境处于未选中状态时的代码：

if get（handles.checkbox1_CTD，′Value′）

set（handles.checkbox2_RTD，′value′，0）；

set（handles.checkbox3_ETD，′value′，0）；

set（handles.checkbox4_ETW，′value′，0）；

set（handles.checkbox5_hebing，′value′，0）；

end

当复选框处于选中状态时，其Value值等于1；当复选框处于未选中状态时，其Value值等于0。

2.4 分布函数检验

对于样本数据的分布函数检验，本文采用Matlab本身的内置函数normplot（）和weibplot（）函数进行判断。若样本数据服从正态分布和威布尔分布，样本数据点分布成一条直线，否则成一条曲线。至于样本数据的对数正态分布检验，程序首先对样本数据取对数将对数分布转化为正态分布后，再用normplot（）函数检验是否服从正态分布。

在B基准值的计算过程中首先检验的是正态分布，可见样本数据的正态分布对于B基准值计算的重要性。为了增加正态分布检验的准确性，本文除了采用normplot（）函数对样本数据进行直观的目视正态分布检验外，还借助函数H=jbtest（）对样本数据进行进一步的正态分布检验。若H=0，则认X服从正态分布；若H=1，则否定X服从正态分布。对CTD环境下样本数据进行正态分布检验的程序代码如下，检测结果如图2所示。

…

normplot（handles.tdata（：））； %正态分布概率图

handles.H=jbtest（handles.tdata（：））； %拟合优度检验

…

图2 CTD环境下样本数据进行正态分布检验图

图2中CTD环境下的样本数据点分布大致成一条直线，并且检验结果H=0，表示接受正态分布假设。可见CTD样本数据服从正态分布。

2.5 生成实验报告

面对大量的实验数据，书写报告往往是重复性劳动工作，此时可以利用Matlab生成一表格模板，每次自动导入数据生成报告，这就可以节约大量的时间。Matlab作为一种面向对象的语言，它支持COM技术，利用它的COM编译器可以把Matlab开发的程序转换成方便使用的COM组件。而ActiveX控件技术是建立在COM技术之上，由微软公司推出的共享程序数据和功能的技术。因此，Matlab可以利用ActiveX控件技术，在Matlab中调用Microsoft Word 程序插入表格，此时的Word是组件，是服务程序，而Matlab是控制器程序。下面是生成报告的部分程序代码：

…

try

Word = actxGetRunningServer（′Word.Application′）；

%若Word服务器已经打开，返回其句柄Word

catch

Word = actxserver（′Word.Application′）；

%创建一个Microsoft Word服务器，返回句柄Word

…

Tables=Document.Tables.Add（Selection.Range，21，5）；

%插入一个21行5列的表格

…

Document.Save %保存文档3 计算实例

本文根据航标HB7618?2009提供的范例数据来详细说明B基准值的计算流程，并验证程序界面计算的可靠性，如图3所示。范例包含了所有实验环境下的样本数据，见表1。

图3 B基准值程序界面

（1） 通过Anderson?Darling方法检验不同环境下的不同批次的实验数据是否来自同一母体（依次勾选对应的实验环境），检验后发现ETW（高温湿态）环境下的三批样本数据的ADK大于临界值（ADK=2.258 2>ADC=1.917 4），可见该环境下三批数据来自不同母体，如图4（a）所示。如果放大为1%错判风险下， ADK小于临界值（ADK=2.258 2

（2） 相容性检验检验结束后，根据公式（2）计算每一试样的MNR值（单击异常数据检查），如果MNR值大于临界值，那么就可以判断该试样为异常值。对于能够反映材料、工艺参数和实验环境的差异性的异常数据需要保留。而当异常数据是由不合格的试样、实验设备和夹具的缺陷造成时，异常数据要删除（单击删除异常数据，见图3），否则就会导致统计结果的失真。

图4 母体检验

（3） 对不同环境下实验数据进行正态分布假设检验，如果不符合正态分布再依次检验是否服从威布尔分布和对数正态分布。

（4） 检验相同环境下样本数据的离散系数是否小于4%（单击离散系数）。由于较低的离散系数容易忽略材料和实验方法等方面的差异性，因此对于小于4%的情况，程序会根据式（3）将离散系数修正为4%。修正后的数据平均值保持不变，原来小于平均值的数据变得更小，原来大于平均值的数据变得更大（见图5）。然后，再检查不同环境下离散系数是否相等，根据公式（4）计算F值小于临界值（F=2.38

图5 离散系数修正图

（5） 合并不同环境下的实验数据再一次进行正态分布检验（勾选合并，见图3）。在第（3）步中已经验证每种环境下的实验数据的是否符合正态分布，如图6（a）所示，由图6（b）可见合并后的实验数据依然符合正态分布。然后，用每种环境下的样本均值对数据进行归一化，求出归一化后合并数据的平均值、标准差和离散系数见表1。

根据公式（5）可以求出相应的环境下的折减系数Bj，并与不同环境下的样本数据平均值相乘，从而获得B基准值。

图6 数据的正态分布检验

为了验证程序的可靠性，采用标准中提供的范例中的计算结果进行对比说明。表2中列出了在四种不同实验环境下的程序计算结果和航标HB7618?2009提供的结果。从表中的数据对比可以发现误差在+0.3%以内，误差主要由容限系数和折减系数的近似计算造成。可见程序计算的结果符合工程精度（误差±5%）的要求，此外相比于借助Excel的手动计算法方法，效率显著提高。

4 结 语

本文根据航空工业标准HB7618?2009给出的B基准值的计算步骤，将Matlab的GUI模块与B基准值的计算相结合开发出B基准值的计算程序。相比于借助Excle的手动计算方法，该程序界面具有以下优点：

（1） 程序可以判断样本是否来自同一母体，还具有异常数据处理、统计分布检验、离散系数检验与修正等功能，最后实验结果以Word格式导出。

（2） 使用该程序进行B基准值的计算方便快捷、效率高，并且具有良好的人机界面，显著提高了B基准值的计算效率。

表2 不同环境下计算结果对比

参考文献

[1] 张骏华，盛祖铭，孙继同.复合材料结构设计指南[M].北京：北京宇航出版社，1999.

[2] 李威，郭权锋.碳纤维复合材料在航天领域的应用[J].中国光学，2011，4（3）：201?212.

[3] 陈绍杰.复合材料设计手册[M].北京：航空工业出版社，1990.

[4] 刘建华，曹东，张晓云，等.树脂基复合材料T300/5405的吸湿性能及湿热环境对力学性能的影响[J].航空材料学报，2010，30（4）：75?80.

[5] 吕小军，张琦，马兆庆，等.湿热老化对碳纤维/环氧树脂基复合材料力学性能影响研究[J].材料工程，2005（11）：50?53.

[6] 郑锡涛，李野，刘海燕，等.湿热谱老化对复合材料层压板强度的影响[J].航空学报，1998，19（4）：462?465.

[7] 中国航空工业总公司.HB 7618?2009 聚合物基复合材料力学性能数据表达准则[S].北京：中国航空工业总公司，2009：50?85.

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碳纤维复合材料可简称为CFRP，具有高强、轻质、耐辐射及耐紫外线等优点，CFRP由于比其他复合材料更占据优势，获得较好的发展及应用，其最初仅应用在军事、航天及船舶工程里，随着应用范围不断扩大，也被广泛应用在了基础设施及土木建筑工程的建设当中，CFRP在我国土木建筑及基础设施方面研究及应用是比较晚的，大约在1996年左右才开始的，现在研究及应用大多集中在片材加固及混凝土修复方面，并且在这方面的理论及技术上已经比较成熟。

一、CFRP材料在土木建筑及基础设施里的特点

CFRP材料在基础设施及土木建筑的应用主要具有下列特点，一是CFRP材料具有可设计性，当纤维复合材料或者CFRP作为结构材料进行应用的时候，因为是增强材料及基体材料组合，不仅能够保持原来分材料一些特点，在组合之后，还能发挥组合之后的一些新特性，可依据结构的需要来设计，从而满足单一材料所无法满足的一些性能要求；二是CFRP具有高强度及轻质特点，其抗拉强度比较高，与普通钢筋相比，顺纤维方向的抗拉强度要大得多，当然其均匀性要比钢材要稍微差一些，并且各向异性，使得抗剪及抗多轴向力的强度也要低一些，其质量非常的轻，密度仅是钢材密度的1/5，在施工安装的时候是比较方便的；三是抗疲劳性及耐腐蚀性能比较好，通常钢筋等金属疲劳强度是拉伸强度的50%左右，可纤维复合材料疲劳强度一般是拉伸强度70%以上，具有较好的抗疲劳功能，一般建筑材料，像钢筋等是不耐腐蚀的，特别是在近海工程里，容易和周围空气、化学物质及海水等发生反应，让基础设施建设及土木建筑工程无法有效发挥出应有作用，造成较大损失，像CFRP等纤维复合材料具有比较好的耐腐蚀性能，用CFRP材料所制成设备及构件具有较好耐碱、酸及盐等化学物质侵蚀；四是抗震性能及安全性能比较好，CFRP材料和原有建筑材料相比，自振频率比较高，不会出现共振情况，并且在加载频率及速度之下，基本上不会出现由于共振产生快速断裂的情况，并且在纤维复合材料里，具有较多独立纤维如果复合材料承载过量也不会马上发生纤维断裂，即使有少量的纤维断裂，也会吧载荷重新分配到其他没有被损坏纤维上面，从而防止基础设施及土木建筑工程构件瞬间失去承载能力产生断裂；五是具有较强美学欣赏可塑性，CFRP材料是比较柔软的，产品形状基本上不受限制，能够任意着色，把结构形式及材料美学进行结合统一。

二、CFRP材料在基础设施及土木建筑里的应用

1.　CFRP能够增强混凝土应用

在基础设施及土木建筑里，混凝土均是不可缺少的应用材料，并且使用量非常大，通常使用钢筋增加强度，可钢筋自身一般具有容易受到酸碱作用的腐蚀，也会对混凝土造成一定破坏，这就需要寻找新型混凝土产品，在这种情形下，纤维混凝土应运而生，它是对混凝土创新，最早所使用的是玻璃纤维、钢纤维及维纶来增强混凝土，现在一般是运用CFRP材料来增强混凝土。纤维材料自身具有模量、强度、断裂长度及空间结构等决定了混凝土性能，运用CFRP材料能够增强混凝土的拉伸强度、防裂性能及抗弯强度，能够用作装饰材料，也可以用作护墙板、墙板及主体建筑物等。原有混凝土结构具有劣化及腐蚀等问题，尤其是钢材锈蚀是最常见的，并且还会发生安全事故，后来使用了钢纤维，可钢纤维具有成本高及容易腐蚀的问题，其应用是比较有限的，后来玻璃纤维拉伸强度要比钢筋优越的多，并且重量也仅是钢筋重量的1/4，受到海水及水泥侵蚀程度要远比钢筋低得多，可玻璃纤维具有容易折断及不耐碱的特点，并且应用具有污染性，而碳纤维具有高强度、低密度及高硬度等特点，并且弹性模量及抗拉强度均比较高，还能导磁导电、耐高温、耐磨损、耐恶劣环境且能和混凝土良好粘结，使得CFRP混凝土得到了较为广泛应用，当然由于碳纤维具有导磁导电特点，有些建筑是不能应用的，像日本学者就运用纤维毡当作吸附电磁波功能的组分，进行轻质及防震功能幕墙，这种CFRP材料不仅能够屏蔽电磁波，还能够运用交通智能系统的应用，CFRP材料诸多优点使得它在土木建筑及基础设施建设里备受青睐。

2.　CFRP在结构补强材料里的应用

CFRP材料主要应用在基础设施及土木建筑工程结构的补强材料里，原有补强材料主要是钢板，具有自重大、易老化、耐腐蚀差及施工不方便等缺点，现在所应用补强材料一般是CFRP材料，一般比较适合钢筋混凝土的结构变更、强度不足、存有裂缝及荷重增加等加固的修补工程里，和原有粘钢板技术比较，这种CFRP加固技术具有高效高强、维护性能好、施工方便、质量高、适用广及智能化等优点，其具体表现是CFRP本身具有轻质高强的特点，并且对原来结构影响不大情况下，能够有效提高加固构件抗剪、抗弯及抗震等性能；而碳纤维的轻质柔性特点，能够手工缠绕混凝土表面，不需要运用大型的机具，更不需要五十作业及焊接，并且噪声和灰尘也很小；其防护及维护性能比较好是由于碳纤维具有较好的耐久性能及耐腐蚀性能，能够抵抗各类碱盐酸造成结构物腐蚀，并且运用这种加固技术处理之后，不用定期维护，自身就对混凝土内部起到保护作用；其片材柔软的特点，能够对各种结构及类型建筑物给予修补，以达到不用改变结构的形式及结构外观效果情况下完成修补，适用面是非常广的；并且还能够实现智能化，CFRP片材做成的加固材料，能够依据加固修复位置的导电性能情况，来安全检查及诊断此部位的情况，像瑞士就运用这种复合材料，对跨长39m伊巴赫桥损坏的加固，让其满足了需要承载能力要求。

3.　CFRP应用存在一些问题

CFRP在基础设施及土木建筑工程里，得到了较为广泛应用，可是依然存在一些问题，像CFRP在加固混凝土方面取得了较大成就，可在加固结构力学性能方面还不是很完善，数值计算及理论分析研究比较有限，对于加强混凝土破坏模式方面研究不是很深入，有关加强构建刚度、弯曲及剪切延性等给予了关注研究及应用，可综合因素所造成加固材料数量、登记及施工工艺方面影响还是有些欠缺的。我国PAN碳纤维强度通常在2000-3000Mpa间，其弹性的模量为2100000Mpa上下，这个性能能够满足加固的要求，可预浸料生产及加工的成品质量还存在比较大的欠缺，使其材料国产化是个比较关键的问题，并且加固技术方面还缺少较为完善国内标准及规范制度，需要制定自己标准及相关施工指南，让建筑工程开展更具有规范性及可依靠标准。

结束语：

随着建筑工程规模及数量不断增大，CFRP材料应用越来越广泛，国外虽有较多碳纤维产品，可我国大规模开发及应用不能完全依赖进口，要想降低成本和发展民族工业，就需要加强CFRP材料的国产化，并且不断加强CFRP材料研究及建筑工程应用，让CFRP材料真正发挥自身优点，降低建筑工程成本，提高其经济效益及社会效益。

参考文献：