碳纤维复合材料属性（精选8篇）
碳纤维复合材料属性 篇1
地震复合属性-地震属性提取与解释新方法
目前地震属性的提取主要集中在单项技术上,如谱分解、三瞬、均方根、自相关、主因子、自回归和相干体等.对提取后的.属性如何根据它们自身的特点,做进一步处理以得到新的地震属性,人们尚缺乏足够的关注.借鉴信息工程有关理论,提出了叠合、差值、乘积和级联等物理含义简单、但又比较讲究数据间匹配和显示的新的地震属性--复合属性,并开发了相应的软件.利用复合属性,对LHK地区河流相储集层进行了精细解释,分辨率和信噪比得到明显提高.
作 者：张军华 朱焕 高荣涛 周振晓 ZHANG Jun-hua ZHU Huan GAO Rong-tao ZHOU Zhen-xiao 作者单位：中国石油大学,地球资源与信息学院,山东,东营,257061刊 名：新疆石油地质 ISTIC PKU英文刊名：XINJIANG PETROLEUM GEOLOGY年，卷(期)：28(4)分类号：P631.443关键词：复合属性 级联属性 相干体 河道解释
碳纤维复合材料属性 篇2
碳纤维复合材料 (CFRP) 具备极佳的综合性能, 诸如高比强、高比模、耐高温、耐磨、耐疲劳、热膨胀系数小、尺寸稳定性好等优良的综合性能, 目前在航空航天、军工、汽车等领域中得到了广泛的应用[1,2]。预计2015年我国大飞机碳纤维复合材料用量达到25%, 对碳纤维的需求量约2 500 t[3]。目前, 碳纤维复合材料大多采用多向铺层的叠层工艺方式制造成型[4], 在钻孔加工过程中, 由于切削力、切削温度及材料本身性能影响, 加工后孔表面质量不易保证, 经常会出现分层、撕裂、毛刺等加工缺陷, 并且使用传统刀具材料时, 刀具易磨损, 寿命低, 而使用PCD刀具钻削加工碳纤维复合材料时, 不但能够获得良好的加工质量, 而且刀具寿命长。
本研究提出的钻削试验采用DM2500M金相显微镜、KEYENCE VHX-1000三维显微系统以及DECK-EL MAHO DMU 50 evo linear五轴加工中心, 加工中心的刀具夹持系统为HSK-A63, 试验材料为碳纤维增强双马树脂基复合材料 (T300) , 外形尺寸长200 mm×宽80 mm×厚3.5 mm长方型板材。试验主要分析碳纤维复合材料钻孔加工的主要缺陷分类及原因, 以及切削参数对加工质量的影响。
1 碳纤维复合材料孔加工主要缺陷
1.1 孔加工的主要缺陷分类
碳纤维复合材料在钻削过程中会出现各种加工缺陷, 其示意图如图1所示。
这些缺陷主要可分为两类缺陷: (1) 孔的尺寸精度、位置精度不合格, 圆度超差等几何缺陷, 如孔形不圆、孔的尺寸收缩, 这些缺陷在金属材料制孔中也会存在; (2) 孔出、入口处的纤维劈裂或撕裂, 孔内壁周围材料分层以及孔壁表面的微裂纹等碳纤维复合材料制孔时存在的特有缺陷, 这也是碳纤维复合材料制件连接和装配中导致报废的主要原因。
孔口处是这些缺陷出现的主要部位, 一般来说钻孔入口的撕裂、毛刺现象较出口处的撕裂毛刺程度小, 碳纤维复合材料钻孔出口缺陷主要由撕裂和毛边两部分组成;其中撕裂一般比毛边的尺寸大, 而且在构件实际使用中的负面影响也比较大, 所以对孔口缺陷的研究以撕裂为主。撕裂的形成过程包括两个作用阶段, 即横刃作用阶段和主切削刃作用阶段, 其中横刃作用在撕裂形成中占主导成分[5]。毛边缺陷是指在孔边缘部分存在的未完全切断的表层纤维, 通常出现在材料表层纤维被切削的孔边缘部分。
通过钻削试验的观察可见, 毛刺缺陷分布呈现一定的区域性, 毛刺、撕裂缺陷照片如图2所示。根据碳纤维复合材料的切削机理可知, 这种区域性特征是由于切削时纤维角的不同造成的。从图2得出, 毛刺、撕裂出现的区域与纤维的角度有很大关系。碳纤维复合材料钻削过程中, 假设“顺剪”时纤维角为锐角, “逆剪”时纤维角为钝角, 则钻头旋转一周, 钻头主切削刃处于“顺剪切”→“逆剪切”→“顺剪切”→“逆剪切”的周期性变化。所以“顺剪”切削时, 纤维不容易被切断形成毛刺撕裂缺陷, “逆剪”切削时, 材料容易被切断, 无毛刺或较小毛刺撕裂缺陷产生。
1.2 钻孔缺陷的原因分析
1.2.1 钻削力
在制孔过程中, 当钻头切入复合材料时, 主切削刃首先使纤维剥开, 然后把它切断, 这种剥离对孔的入口端最外层材料的影响最大, 当纤维被剥离开时, 钻头的切削刃必须同时切断纤维, 假如不能全部切断或者所要求的切削力超过基体树脂的强度, 就会产生开裂并沿着表面层纤维的取向扩展, 这正是孔的入口处出现劈裂的原因[6]。
由于钻削过程中轴向力始终施加在材料表面上, 使得复合材料层压板各层沿厚度方向依次受到一种拉力, 从而在孔壁周围材料层中产生一定的层间应力, 这种层间应力过大, 则易出现分层。同时在碳纤维复合材料的钻削过程中, 钻削力是周期性变化的, 周期性变化的轴向力必然使得孔壁周围材料承受交变应力, 进而增加分层的可能性, 一般作用在层合板上的轴向力越大, 层间法向拉伸正应力就越大, 因此出现分层的可能性也就越大。对碳纤维复合材料钻孔在钻出过程中, 随着待切削材料层不断减少, 钻孔处刚性不断下降。当钻头横刃首先接触到外层纤维时, 即相当于给这一层材料施加了一个与其他纤维层分开的推力。由于横刃具有负前角而不锋利, 孔出口端最外层纤维不是立即被切断, 而是在轴向力作用下向外退让, 此时最外层纤维可能与基体撕开, 造成出口撕裂[7]。
1.2.2. 刀具的锋利性
毛刺主要是由于钻头的切削刃锋利性差决定的。切削刃锋利性差在造成钻头切削性能下降的同时, 也会导致钻削力的增大, 所以切削刃的锋利性差也是造成毛刺、撕裂、劈裂缺陷的主要原因之一。
因此刀具切削刃的锋利性成为钻削高质量孔主要影响因素;由于PCD刀具的切削刃可以刃磨的很锋利, 很适合加工复合材料[8,9]。分析试验加工孔的孔壁质量大都符合复合材料的加工质量要求, 主要缺陷出现在孔出口处, 特别在较低转速下孔口毛刺撕裂现象较为严重。
1.2.3 钻削温度
钻削碳纤维复合材料时, 随着刀具与工件接触部位的温度产生并增高, 由于纤维、基体两种组分的热膨胀系数不同, 在切削过程中产生热应力, 受到热效应的几何边界层将会产生应力集中, 产生局部应变, 从而引起分层撕裂等缺陷, 导致刀具的快速磨损, 并可能损伤复合材料的性能[10,11]。
从以上分析可知, 钻削力是影响碳纤维复合材料制孔质量的重要因素, 是引起分层缺陷和孔口缺陷的主要原因。在钻削过程中, 钻削力越大, 分层与撕裂的可能性及破坏的范围越大。
2 切削参数对加工质量的影响
2.1 钻削速度对孔口缺陷的影响
在使用PCD钻头钻削碳纤维复合材料时, 主轴转速与孔的出口撕裂、毛刺因子的关系图如图3所示。可以看出, 随着主轴转速的提高, 加工孔出口的撕裂与毛刺因子呈下降趋势;并可以看出, 试验中孔口质量在n=10 000 r/min时出口毛刺、撕裂程度最小;在较低转速下, 孔口处的撕裂、毛刺缺陷较大, 故用PCD钻头加工复合材料时宜在中、高速转速下进行, 高转速下钻头切削刃更易切断纤维, 可以得到更高质量的钻孔。
2.2 进给速度对加工质量的影响
在转速为8 000 r/min的情况下, 进给速度不同时, 研究者使用PCD钻头加工的碳纤维复合材料孔口形貌图片如图4所示。
(vf=200 mm/min)
从图4中可以看出, 随着进给速度的增加, 孔口的毛刺现象有明显增大的趋势。进给速度是影响钻削轴向力的大小的主要因素, 这就说明钻削轴向力对钻孔出口质量有较大的影响。通过进一步观察可以发现, 进给速度的变化与加工孔口的毛刺大小变化基本呈正比例关系。并且通过对比钻孔的进口与出口形貌可以发现, 钻孔的入口处几乎没有毛刺、撕裂等缺陷, 毛刺、撕裂缺陷主要集中在出口部位。
为了进一步分析不同加工参数下孔口的加工质量, 本研究利用VHX-1000型超景深显微镜对不同加工参数的制孔出口表面进行观测, 其结果如图5所示。
可以看出, 随着进给速度增大, 孔口处的毛边现象越来越严重, 不同的加工参数, 加工后的出口表面质量亦不同。孔口的加工质量与切削参数有着密切的关系。
3 结束语
本研究通过试验主要分析了碳纤维复合材料孔加工的主要缺陷分类与原因, 以及切削参数对加工质量的影响, 研究结果表明, 孔口处是碳纤维复合材料钻孔加工缺陷出现的主要部位, 并呈现一定的区域性;钻孔毛刺、撕裂缺陷主要集中在出口部位, 入口处几乎没有毛刺、撕裂等缺陷;钻孔孔口处的毛刺、撕裂缺陷受进给速度Vf和主轴转速n影响, Vf越大, 撕裂、毛刺程度增大;在较低主轴转速下, 钻孔出口质量较差, 故用PCD钻头加工复合材料宜在中、高转速下进行, 高转速下钻头切削刃更易切断纤维, 可以得到质量更好的钻孔;高速下毛刺、撕裂现象明显减少。
参考文献
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包装材料与商品属性的匹配性原则 篇3
纸包装材料的匹配性原则
纸包装材料是包装设计中应用最广泛也是最基本的包装材料。由于其加工方便、易于印刷排版，成本相对较低且适用于大量的机械化生产，因此在当代商业包装设计中被大量采用。近年来，随着人们对于绿色环保设计要求的不断提升，设计在给人类创造美好生活的同时，也必须兼起保护自然生态环境的使命。因此，环保化纸质材料也成为了新型包装材料的一大亮点。一般来说，纸包装材料可分为纸和纸板两大类。前者易成型且方便折叠，而后者则适用于运输包装。按照纸包装材料的种类不同，大致可分为：铜版纸、牛皮纸、漂白纸、玻璃纸、瓦楞纸、蜡纸、宣纸、再生纸和其它各类环保纸。面对现代商业包装市场中纸包装材料占绝大部分比例的情况，不同纸包装材料的匹配性原则还是十分有探究必要的。
首先，对于酒类包装而言，其所选用纸张的基重和厚度都应当有非常严格的规定，这主要是因为酒类商品的自重量和商品的容器所决定的。因为大部分的酒瓶都会选用玻璃作为容器包装，而玻璃是非常易碎的物品，所以在进行这类商品的外包装时，不但要使酒盒的包装造型科学牢固，而且还要研究它的耐压力、耐磨度和防潮、防盗的要求。因此，在对酒类商品包装时，最常选用的纸张为铜版纸、加厚型瓦楞纸或纸板等。其次，对于食品类包装而言，特别是中、西式糕点类商品，一般都会采用内外双层纸的包装形式。这是由于食品是人们直接食用的商品，因此其包装材料的安全性和环保性就显得犹为重要。而对于内层包装材料。玻璃纸无疑将会是最好的选择。因为玻璃纸是以天然纤维素为原料制成，其特点是表面光滑且薄，透明度高、密度大、抗拉力强、伸缩性小和抗湿防油性好，这符合糕点内层包装材料的要求。而对于食品类的外层包装针对不同的食品种类或消费人群可以有不同的选择，但必须遵循适度包装的原则。当然，最后由于当今时代对于环保理念的重视，因此牛皮纸和再生纸这类环保纸张，可以作为纸包装材料的最佳典范。因为它不但以软质常绿树为原料，而且有价格低廉、撕裂强度高和透气性好的诸多优点，可被广泛应用于办公文具用品、餐具和橱具用品等的包装。
竹、藤等天然包装材料的匹配性原则
竹和藤是最天然、也是历史最为悠久的包装材料。在人类辛社会早期，人们已经开始用竹、藤编等材料来制作生产和生活的用具。由于这些天然材料易于采集，有其独特的纹理造型和结构特征，能防潮、防湿、密封性好、可去除异味，反复利用，且符合当代包装设计绿色环保的主题，因此在现代商业包装设计中也经常会被使用。但另一方面，这些天然包装材料由于有其固定的形状和体积，因此比较不利于运输包装或大批量生产的商品包装。对于现代商业包装设计而言，用竹或藤编等天然的包装材料，可以起到画龙点睛的作用，使自己的商品能更好地吸引顾客的视觉注意力，特别适用于土特产品的包装、天然有机谷物或粗粮的包装、水果礼篮的包装、民族文化旅游纪念品的包装，沐浴或浩肤用品的包装等。但是，对于一些高科技的产品或电子商品而言，用这类天然材料的包装就会显得有些不合时宜了。
金属包装材料的匹配性原则
金属包装材料在19世纪初期就开始得到应用，其出现之初是为了满足军队远征时对于长期保存食物的需求而发明的。而随着人类社会工业革命进程地不断发展，到了19世纪末，真空铁皮罐头的开发已经有了长足的进步。对于现代商业包装材料而言，一般可包括这几种形式：马口铁皮、铝和铝箔及其它复合材料等。
马口铁皮是采用厚度在0.5毫米以下的软钢板制成的积层材料，是最早被使用的金属包装材料。它一般可分为三件罐和两件罐。所谓三件罐是指有罐体、顶盖和罐底三部分组成的金属罐；而两件罐则是指罐体和底冲合为一体的金属包装。马口铁皮具有牢固、抗压、不易碎、不透气和防生锈、耐潮的特征，因此，在商业包装中被广泛地应用于饮料、速融咖啡，奶粉和茶叶等的包装，而此后相继出现了铝和铝箔等金属材料。铝的出现是金属包装材料的一大飞跃，因为其优势在于它的柔软性且易加工成型、耐蚀性、无毒无害性、印刷效果好、诱人的光泽度和轻微的重量(铝的重量仅仅是铁皮重量的三分之一)，等使其变为现代商业最经常采用的制罐包装材料。而当人们对于包装开启方式的不断探索直至发明了一拉索，形成了现在为大众所熟知的“易拉罐”，这一本世纪人类最实用的发明之一，更为铝罐的广泛流行打下了坚实的基础。铝箔是继铝材料之后，又一新型现代包装金属材料。它是由铝锭压成铝条后再加工制成的，具有很好的经济性、卫生性、能起到保温、保味、防菌、防潮、防霉和防虫等多重效果，可运用于液态产品以及饮料的内包装材料。因此，金属包装材料多适用于液体饮料、工业用品、节假日礼品礼盒等的包装。
结束语
碳纤维复合材料属性 篇4
贾继红
【1】，许爱芬
【1】，路学成【2】，谢霞
【2】
摘要：碳纤维增强型复合材料由于其高温下仍保持高硬度、高强度，质量轻等性能被广泛应用于军事工业，但复杂的制造过程使得缺陷不可避免并影响使用。本文采用正交小波对碳纤维复合材料的探伤信号进行多尺度分析，通过对小波基、分解层数地选取以及对细节信息地处理和分析，总结出判定分层缺陷的损伤程度的方法，使得材料在失效前被提早发现。实验表明该方法有效。
关键词：碳纤维；复合材料；小波分析；无损检测
Tisting Study On Lamination Of Carbon fibrerein forced
composite material Jia Ji Hong[1],Xu Ai Fen[1],Lu Xue Cheng[2],Xie Xia[2]
Abstract: Carbon fibrerein Composite materials was widely used in war industry for keeping high-hardness、high-strength,and light weight etc,but the defect could not be helped after complicated manufacturing,and influenced use.Applied the orthogonal wavelet to explore carbon fibre reinforced composite material for the multiple-dimensioned analysis, put forward a method for estimating damaging degree by selecting basic wavelet、decomposing layer-number and detail signal processing.It’s advantage is that prevent the materal from invalidating,，and this method was proved effective.Key words: Carbon fibrerein ；Composite materials；Wavelet analys；nondestructive test
1.引言
近年来，碳纤维增强型复合材料在工业甚至国防建设中有了长足发展，特别是在飞机制造上，机体结构的复合材料化程度是衡量飞机先进性的一个重要指标。然而，碳纤维复合材料是复杂的各项异性多相体系，其质量存在离散性，成型过程与服役条件极其复杂，环境控制、制造工艺、运输以及操，作等都可能造成材料缺陷【2】使得结构失效。因此，结构材料的无损检测（NDT）无论是在制造上还是在实时应用上都显得尤为重要。
分层缺陷是碳纤维复合材料中最常见的缺陷形式，复合材料层合板在压缩载荷作用下将依次发生脱粘分层、分层扩展、再屈曲、最后压缩破坏。含分层损伤的复合材料层合板在面内压缩载荷作用下，其圆形分层缺陷上下端点的局部区域内材料受横向拉应力作用为主；分层缺陷大小对复合材料层合板的抗压强度和屈曲临界载荷影响显著；分层缺陷大小对复合材料层合板的压缩弹性模量影响不显著；对于4.40 mm厚复合材料层合板，当分层缺陷尺寸达到孔隙30 %就要考虑修补【3】。
超声检测是目前无损检测中应用最广泛的一种。在超声缺陷检测中，回波信号通常是一种被探头中心频率调制的宽带信号，该信号是属于时频有限的非平稳信号，因此选用具有时频局部放大能力的小波变换技术对信号进行处理和分析非常适宜。2.小波变换基本原理
2-1小波变换的特点
小波（wavelet）有两个特点：一是“小”，即在时域和频域都具有紧支集或近似紧支集；二是正负交替的“波动性”，也就是直流分量为零。小波分析是将信号分解成一系列小波函数的叠加，而这些小波函数都是由一个母小波函数经过平移与尺度伸缩得来的。相比傅里叶变换：用不规则的小波函数来逼近尖锐变化的信号显然要比光滑的正弦曲线好得多。由于所研究的信号为复合材料的超声检测信号，采样取得，故选用一维离散小波变换。
2-2离散小波变换
在实际应用中，为了方便使用计算机进行分析、处理，信号f(t)都要离散化为离散序列，伸缩因子a 和平移因子τ也必须离散化，成为离散小波变换，记为DWT。
离散小波变换定义为：
*WTf(a0j,k0)f(t)a(t)dt
j0,1,2,...,kZ j,k00为了减小小波变换系数冗余度，将小波基的α、τ离散化，而待分析信号f(t)和分析小波j,k(t)中的时间变量t并没有离散化。
002-2-1 小波基的选择
主要通过用小波分析方法处理信号的结果与理论结果的误差来判定小波基的好坏，由此决定小波基。虽然依据的标准不同，但总的来说，具有对称性的小波不产生相位畸变；具有好的正则性的小波易于获得光滑的重构曲线，从而可以减少误差。综上考虑，选用Daubechies(dbN)小波作为小波基。
Daubechies(dbN)小波： dbN 是简写，N 为小波的阶数。小波ψ(t)和尺度函数φ(t)中的支撑域为2N-1，ψ(t)的消失矩为N。除N＝1 外，dbN 不具有对称性（即非线性相位）。dbN 没有明确的表达式（除了N＝1 外），但转换函数h 的平方模是很明确的。Daubechies 小波具有以下特点：
ⅰ 在时域上是有限支撑的，即ψ(t)长度有限。而且其高阶原点矩tp(t)dt0，p=0~N；N值越大，ψ(t)的长度就越长。ⅱ 在频域上ψ(ω)在ω＝0 处由N 阶零点。
ⅲ ψ(t)和它的整数位移正交归一，即：(t)(tk)dtk。ⅳ 小波函数ψ(t)可以由所谓“尺度函数”φ(t)求出来。尺度函数φ(t)为低通函数，长度有限，支撑域在t=0~(2N-1)范围内。如图2.1 和2.2 所示，此为 Daubechies 小波(N=1、2、3、4、5、10)的ψ(t)及φ(t)的波形。
图2.1 db1-db10 的小波函数 Fig 2.1 Function of wavelet db1-10
图2.2 db1-10 的尺度函数
Fig 2.2Scale function of wavelet db1-10 2-2-2 小波分解层数的确定
根据小波分析理论，因为小波分解过程是迭代的，理论上它能无限进行下去。小波分解层数越多，信号的高低频部分就分解的越彻底；同时，分解层数越多，计算量也就越大，由于在小波分解过程中每次分解都会对所得到的系数进行“二次采样”，这样就使得系数的长度变为上一层系数长度的一半。本实验研究使用的信号长度为128，如果按定义进行分解，当分解了7 次以后，系数的长度值就会变为1，如果再分解下去就失去了实际意义。因此，分解层数要小于等于7。
借鉴熵的标准可以完成分解层数的选择。
⑴ 信息熵的定义：对于给定信号s ={s(k)},信息熵定义为：
E(s)p(k)logk
1p(k)
p(k)其中，s(k)2s2是信号的第k 个元素的规范化能量，此处将信号归
1plog()limxlogx0p的值定义为0； 一化处理。根据：x0，将p=0 时 ⑵ 信息熵的物理意义：反映了信源输出消息之前平均不确定性程度的大小，熵越大，信息的不确定性越大；
⑶ 信息熵表示信源输出每个符号所提供的平均信息量，它是一种信息的测度。分别对原始信号和低N（N＝1，2，3，4，5）级细节系数求信息熵，分解层数越多，得到的细节系数的熵越小，表明信息的确定性越大，若细节系数的熵与原始信号的熵之比小于5%，则认为此时细节系数已确定，分解层数已满足要求，不需要进一步分解。本实验选择db5 小波函数对信号进行分解，按信息熵的定义公式进行计算，当进行第五层小波分解时，第五层细节的系数信息熵与原始信号的信息熵之比恰好小于5%，故分解层数选择5。3.材料损伤程度的判定
将超声检测的原始信号进行去噪处理，去噪后的信号如图3.1 所示：
图3.1去噪后的原始信号
Fig 3.1 Original signal of obliterated noise 原始信号即使是去除了噪声也很难从中分辨带有损伤特征的重要部分，更不可能判断材料的损伤情况。因此，需要将原始信号（s）进行细节提取，即小波变换：选用db5 为小波基对原始信号进行5层分解，分解后的近似系数和细节系数如图3.2所示：
图3.2 损伤信号的5 层分解
Fig 5.8 Decompose of 5 layers of damaged signal 由图可知，5层分解能够清楚地显示信号所有细节特征，可从中提取显示缺陷特征的细节进行分析。以此方法分别对三个原始去噪信号（采自三个损伤程度不同而材料相同的复合板）进行5层小波分解，提取三个信号的第5层细节系数进行分析和比较，如图3.3～图3.5所示：
图3.3 损伤信号1的第5 层细节系数
Fig 3.3 Detal information of No.5 layer of damaged signal 1 5
图3.4 损伤信号2的第5 层细节系数
Fig 3.4 Detal information of No.5 layer of damaged signal 2
图3.5 损伤信号3的第5 层细节系数
Fig 3.5 Detal information of No.5 layer of damaged signal 3
先从三个复合板的细节信息中找出每个板的各次底面回波和缺陷处回波：相邻两个底面回波出现的时间间隔是相同的；由于回波能量越来越小，故底面回波幅值依次减小；缺陷处回波介于两次底面回波之间，幅值介于首次回波和残余噪声之间。缺陷信号在每个频率上的值都是对称分布，幅值分布比较均匀，且大部分都在一定区域之内，幅值大小描述了损伤程度。通过比较三个信号的细节系数可知：试件3 受损最严重，试件2 次之，试件1 最轻，但试件1 较其它两个板受损数量多。分析结果与实际损伤情况相同，证明该判定方法有效。4.结论与展望
论文通过分析小波理论和信息熵概念，结合分析信号的特点，对小波基和分解层数进行了选择；对三个材料、结构相同，损伤不同的复合板的原始去噪信号进行小波分解，通过分析、对比最高层细节系数，判定了三个复合板的损伤程度，并总结出判定方法。
参考文献
碳纤维复合材料属性 篇5
碳纤维增强复合材料（CFRP）自问世以来就一直在军事领域特别是航空航天领域中发挥着重要作用。近年来随着应用研究的发展，国内外对其在海军舰艇上的应用越来越重视。CFRP在海军舰艇上应用时具有如下突出的优点：优良的力学性能；耐腐蚀（可耐酸、碱、海水侵蚀,水生物也难以附生）；大幅减重；优良的声、磁、电性能（透波、透声性好,无磁性,介电性能优良）；优良的设计、施工性；容易维护，维护费用远低于钢制舰艇。
早期CFRP仅仅应用在小型巡逻艇和登陆舰上。相对差的制造质量和船体刚度限制了其长度不能超过15m，排水量不超过20t。近年来随着低成本复合材料制造技术的提高，CFRP才开始应用在大型巡逻艇、气垫船、猎雷艇和护卫舰上。
近几年国外制造的新型舰艇中不乏大量使用CFRP的亮点之作。美国制造的短剑号隐身快艇
“短剑”高速快艇长24.4米，宽12.2米，吃水0.9米；排水量67吨；动力装置为4台“毛虫”柴油机，每台功率1650马力，由4具6叶螺旋桨推进，在载重37吨下航速可达50节。艇体采用了比传统的钢材更结实、更轻巧的CFRP。一次能够运载12名全副武装的“海豹”突击队员和1艘长11米的特种作战刚性充气艇。同时，可搭载1架小型无人机。
目前，“短剑”是美国使用CFRP一次成型制造的最大船体，在整体制造成形过程中不用焊接，更无需铆接，因此船体外表十分光滑，重量也大为降低。尽管目前的成本相对于普通的钢和铝合金偏高，但在这—技术成熟后，进行批量生产的成本将有较大的下降空间。作为试验艇，“短剑”的单艘造价约为600万美元，试验总成本在1250万美元之内。
综合“短剑”艇体的这种设计，以及CFRP的使用，不但使其获得了高速，也使其行驶过程中的稳定性更高，高速行驶中的沉浮现象大大减轻，即使在高速回转时，依然可以保持平稳行驶，从而增加了艇员的舒适度，提高了艇的适航安全陛，扩大了在内河和地形复杂的浅海使用范围。与此同时，由于其阻力的降低也使得“短剑”比普通快艇更加节省燃料。瑞典制造的维斯比级轻型护卫舰
维斯比级轻型护卫舰（Visby-class corvette）是瑞典皇家海军最新锐的舰艇之一，由于奇特的外形设计，很好的隐身性能，并采用喷水推进装置使该级舰具有很高的机动性，同时又可减少舰的吃水，使该舰能在浅水海区使用等优点，使其受到国际社会的广泛关注。
该级舰的最大特点是采用全新的隐身设计技术。舰壳材料并非采用常规钢材，也不是普通玻璃钢，而是CFRP，采用特殊真空注入技术建造而成。为了达到关键性能要求，壳体必须尽可能轻，因而壳体采用夹心结构，由聚氯乙烯夹心和碳纤维乙烯基酯层压板构成，它不但具有很高的强度和经久耐用性，还具有优良的抗冲击性能。
“维斯比”舰的舰体、甲板、上层建筑基本都是CFRP夹层板制成的。与传统材料相比，这种材料不仅结构坚实，强度可与钢铁相媲美，而且无磁性，有利于降低舰艇产生的磁场，并有良好的抗震性能，因而可执行反水雷任务。此外，CFRP夹层板光滑平糙，有助于取得良好的隐身效果。同时还可以绝热，对舰内各种机械设备产生的红外辐射有较好的屏蔽作用。另外，这种复合材料比重轻，可减轻舰体重量，且不象铜那样容易腐蚀，从而大幅度减少全寿命费用。
为了用CFRP建造如此大的舰船，瑞典海军花费了大量的时间进行了试验,研究出了真空辅助夹层灌输法生产工艺。CFRP夹层板的芯是PVC材料制成的板材，厚度不等，从纸张一样薄到9厘米厚都有，上面有细小的格槽，然后将乙烯薄层和碳纤维覆盖在PVC主芯上。这种方法的优点是纤维含量比手工铺设的要高，结构重量更低。
印尼制造的全碳纤维导弹巡逻艇
印尼PT Lindun公司在2012年推出一款全碳纤维导弹巡逻艇，该导弹巡逻艇艇长63米，采用先进的三体船身设计，将成为东南亚地区最先进的海军舰船。该舰采用激进的穿浪船体设计以改进适航性和稳定性，并且完全由CFRP制成，采用了真空导入工艺和乙烯酯树脂。用这些材料构建船身结构增强了该舰的隐身性，同时降低了使用期运行、维护的成本。
如果将舰船上可以使用碳纤维来提高性能的结构部分归类，大致可分为如下几方面。
CFRP上层建筑
60年代中期以来巡逻炮艇上的炮艇甲板室就开始采用复合材料，70年代早期，猎雷艇的上层建筑也开始采用复合材料。芬兰皇家海军的快速巡逻艇劳马（Rauma）的上层建筑也采用复合材料夹层结构，船体采用铝合金。复合材料甲板室要克服两个主要问题：即采用钢时出现的腐蚀和水上重量过大。对于小型海军舰艇（长度小于20m）来说，采用复合材料代替钢可以减轻约65%的重量。
与钢和铝相比，CFRP上层建筑存在很多缺点，例如制造成本高，因为其和钢甲板的连接处花费昂贵，对于中型护卫舰来说，上层建筑采用CFRP代替钢会给建筑成本增加40%~140%，尽管如此，许多舰船制造者和海军已开始接受更高的制造成本，因为可以节省使用周期成本，从而降低总体成本。
CFRP桅杆
20世纪60年代复合材料首次应用在桅杆上。传统的钢桅杆采用开放式结构，突出在外，会干扰本舰的雷达和通讯系统且易于腐蚀。美国海军于1995年着手研制先进全封闭式桅杆/传感器系统（AEM/S），整个结构高28m,直径达10.7m,是美国海军舰艇上最大的CFRP水上结构。试验设计制作的AEM/S由两个外表面向内倾斜10°的上下两个六角锥形体结构组成,上半部覆盖FSS可让本身特定的周波数穿过，下半部能反射雷达波或由雷达吸波材料所吸收。各种天线和有关设备都统一组合装备在该结构内，结构内部传感器的电波能以极低的损耗穿过结构物，结构的外部由能反射电波的CFRP板材构成。由于所有设备都在结构内部，可以防止风雨和盐份的侵害，对设备的维修保养十分有利。这种AEM/S系统完全脱离了传统的桅杆概念，并装备在斯普鲁恩斯（Spru-ance）级驱逐舰——USS Arthur W.Radford上，取代原来钢桅杆的主要部分（即接近船尾的部分）。AEM/S系统的成功极大地促进了先进CFRP桅杆技术与下一代美国海军海面作战的水上设计部分的结合。
CFRP螺旋桨
海军舰艇的螺旋桨材料一直以来都是镍铝铜合金，存在很多问题例如加工复杂叶片时花费高，叶片容易疲劳产生裂纹，声学阻尼性相对较差，振动时会带来噪音等等。因此海军设计者们不得不考虑其它材料，最引人注目的材料是不锈钢、钛合金以及CFRP。
CFRP螺旋桨系统的设计和性能高度机密，近年来的研究进展未见公开发表。不过众所周知，CFRP叶片中的纤维可以承受主要的水动力和离心力。CFRP叶片的好处是承载的纤维可以沿叶片的不同方向敷设从而使应变最小。因此可以通过设计纤维排列和堆积的顺序来优化叶片性能。纤维排列的方向影响叶片的推力、有效螺距和翘曲。因此叶片的设计和制造需要精确以确保获得最优性能。目前大批海军舰艇安装了CFRP螺旋桨，如登陆舰和扫雷艇。CFRP螺旋桨也用在鱼雷和小型船只上。
CFRP推进轴系
在减轻船体重量的趋势中，推进系统的动力传输部件的减重也提到了议事日程。典型的是在2或4台高速柴油机通过减速齿轮箱驱动喷水推进器的高速船上，无论柴油机与齿轮箱之间，还是齿轮箱和喷水推进装置之间的距离都缩短了。尤其是在双体船狭小的空间里要求错落布置4台柴油机，前部柴油机中发出的功率必须通过后部的柴油机传输出去。因此，这就要求配备重量最轻、部件最少的传动装置。而采用由碳纤维管材料的驱动轴，能够轻而易举地达到减轻传动部件重量的目的。
CFRP驱动轴的主要优点包括：明显地减轻了驱动轴的重量，轴越长，减重的量越大，复合轴减重的效果越明显；临界速度高，长轴系上通常不需要布置轴承，减少了轴承的数量，降低了成本，减轻了轴系，减少了部件，节省了轴承支撑件的成本以及减轻了重量；长寿命、低噪声、无腐蚀、无磨擦、免维修、不导电、无磁性。
高强度碳纤维绳索
文献检索表明日本已有相关碳纤维缆绳的报道，但技术保密非常严格，主要用途是海军军舰的缆绳和其他军用物品。
碳纤维突出的特点是强度和模量高，密度小，耐腐蚀性能好，膨胀系数低，耐高温蠕变性能好，摩擦系数小，自润滑，导电性高等特点。由于碳纤维既具有高于钢铁的拉伸模量和几倍乃至数十倍的拉伸强度，又具有纤维的可编织性能，以此作为基体材料制作碳纤维绳索，恰好可弥补钢丝绳和有机高分子绳索的不足，得到高性能的碳纤维绳索。碳纤维绳具有一系列优异的使用性能。与结构和直径相差不多的钢丝绳相比较，碳纤维绳具有巨大的优越性。碳纤维绳的重量还不到钢丝绳的四分之一，前者比后者轻得多，使用时省力；前者的弯曲刚性仅为后者的四分之一，前者易于弯曲便于作业，后者僵硬操作困难。此外，碳纤维绳的断裂伸长比钢丝绳小得多，应力-应变曲线为一直线，直至断裂，中间没有屈服点，因此，在多次重复使用时，不会有残余应变现象的发生。碳纤维复合材料绳索还具有良好的拉伸疲劳性能，在应力振幅小的条件下几乎没有疲劳现象发生，当应力振幅较大时也同样显示出优良的疲劳特性。碳纤维复合材料绳索耐腐蚀、不生锈和优良的耐候性也是钢丝绳无法与其相比的。
总之，碳纤维复合材料绳索，不仅重量轻，比强度、比模量高，而且耐腐蚀，在高温和低温环境中线膨胀系数小，性能稳定而柔软。具有传统绳索（天然纤维、有机纤维、无机纤维和钢丝绳等）无可比拟的优越性，将是传统绳索的更新换代产品。碳纤维绳索可以用于以下几个方面：支持（撑）性缆绳，如大跨度斜拉桥缆绳；增强混凝土，如海洋工程混凝土；舰船、海上作业船用缆绳；游艇支索；登山用绳索等。
CFRP烟囱
复合材料烟囱具有质轻、成本低的优点,以及优良的热绝缘性能，而且能够削弱雷达信号从而提高舰船的隐身性，已在MCMV上成功应用多年。Vis-by级和La Fayette级护卫舰的烟囱都采用复合材料夹层结构。当前目标是在大型军舰上使用复合材料烟囱。
以下还有一些正在研发之中，准备使用碳纤维的部位及部件。舰舱壁、甲板、舱门
此方面的应用正处于研究之中，优点是质轻20%~40%，更低的磁特性，火灾时热传导低，阻声性能更好；缺点是制造和安装的成本比钢制的高20%~90%。CFRP和周围钢结构的联结处需要足够的抗内部冲击损坏的能力，此即为成本大幅增加的主要原因。
附件
许多海军正考虑将CFRP应用在武器外罩和甲板防护板上，及作为导弹冲击遮护板，以免受高速射弹和榴散弹的冲击。日本专家对于如何提升军舰的生存能力已做了具体研究论证，使用低成本成型法制造的CFRP为主题的上层船体构造在耐爆炸以及耐燃烧性能方面已经可以达到了军用舰船的使用标准。
方向舵
舰艇用CFRP方向舵正处于研发之中，预计其比现有的金属舵轻50%，成本低20%。
设备底座
一个复合材料的底座比同尺寸的钢底座轻58%，且可以提供足够的保护，使机械和设备免受水下冲击载荷、抵抗冲击损坏。此外由于它的阻尼性和无磁性，复合材料底座能够降低舰艇的声音和磁特性。
热交换器
海军舰艇上的热交换器要经受严酷的海水腐蚀和侵蚀，因此维护费用高。由此还降低了使用寿命。美国海军正在考虑使用CFRP的热交换器。
管道系统
复合材料在海军舰艇上的最早应用就是管道。1951，美国海军在一艘护航驱逐舰上安装了复合材料管道，望其比传统的黄铜管道便宜、质轻和更耐腐蚀，果复合材料管道在运输热水时迅速降解并开始渗漏。60年代，提高了复合材料管道的质量和耐久性后，国皇家海军将其安装在突击艇的压舱系统中。70年代早期，国海军在其巡逻护卫舰上也安装了复合材料管道。据估计，合材料管道的生产安装成本比黄铜或不锈钢管低15%50%。美英海军正继续挖掘复合材料管道的潜在应用价值。
如何粘贴碳纤维材料 篇6
粘贴碳纤维材料是碳纤维施工中非常重要的一部分。粘贴的好坏直接影响到施工的质量，如何粘贴才是最好的呢?
在粘贴碳纤维材料之前，首先应确认粘贴表面干燥。气温在-10℃以上，相对湿度RH>85%时，如无有效措施不得施工。为防止碳纤维受损，在碳纤维材料运输、储存、裁切和粘贴过程中。应用钢直尺与壁纸刀按规定尺寸切断碳纤维材料，每段长度一般以不超过6m为宜。为防止材料在保管过程中损坏，材料的裁切数量应按当天的用量裁切为准。碳纤维纵向接头必须搭接20cm以上。该部位应多涂树脂，碳纤维横向不需要搭接。其施工工艺要点如下：
(1)粘贴树脂的主剂、固化催促剂和固化剂应按规定的比例称量准确，装入容器，用搅拌器搅拌均匀。一次调和量应以在可使用时间内用完为准。
(2)粘贴时，在碳纤维和树脂之间尽量不要有空气。可用罗拉(专用工具)沿着纤维方向在碳纤维材料上滚压多次，使树脂渗浸入碳纤维中。
碳纤维复合材料属性 篇7
1 实验部分
1.1 原料
尼龙-6(PA-6,1013B),日本宇部;碳纤维(T300),北京化工大学;硝酸,市售;硅烷偶联剂,市售。
1.2 设备
双螺杆挤出机(TSSJ25/40型),南京科瑞隆机电设备有限公司;注射机(JN88E型),宁波通用塑料机械制造有限公司;简支梁冲击试验机(XJJ-50型),承德大华试验机有限公司;台式微机控制电子万能试验机(CMT6000型),美国MTS公司;熔融指数仪(MFI400A型),承德金建检测仪器有限公司;扫描电镜(SEM,LTDx-650型),日本日立集团公司。
1.3 材料制备
将碳纤维放入60%HNO3中,在60~80℃下处理1~2h,然后用去离子水洗涤至pH=7,再用含硅烷偶联剂3%的乙醇溶液涂覆处理过的碳纤维,最后将碳纤维自然晾干,待用。
将PA-6和碳纤维按配方预混,再于挤出机中造粒,最后将粒料注塑成试样。
1.4 性能测试
熔融指数(MFR)按GB/T 3682—2000测试,条件:载荷2.160kg,温度230℃;弯曲模量按GB/T 9341—2000测试;拉伸强度按ASTM D638—81测试;冲击强度按GB/T 1043—1993测试;利用SEM研究PA-6/碳纤维复合材料的断面形貌。
2 结果与讨论
2.1 碳纤维对PA-6MFR的影响
碳纤维用量对PA-6 MFR的影响见图1。由图可知,PA-6的MFR随碳纤维的加入不断下降。碳纤维用量从0增加到4%(wt,质量分数,下同)时,MFR降低程度较大,为30.30%(未加碳纤维时的MFR与碳纤维用量4%时的MFR的差除以未加碳纤维时的MFR);之后,MFR降低速度变缓,碳纤维用量从4%增加到8%时,MFR仅下降了8.14%(碳纤维用量4%时的MFR与碳纤维用量8%时的MFR的差除以碳纤维用量4%时的MFR)。MFR是衡量材料加工性能好坏的重要指标,实验结果表明,碳纤维的加入会对PA-6的加工性能产生不利的影响。出现上述实验结果的原因在于:体系中碳纤维加入量较少时,PA-6和碳纤维之间会产生物理缠结点,阻碍PA-6分子间的相对移动,使PA-6的流动性降低;另外,PA-6与经过处理的碳纤维间存在比较稳定的粘结力,这也会降低PA-6分子间的相对移动能力,对PA-6的流动性产生不利影响,这两方面的综合作用使得PA-6的MFR下降幅度较大。复合材料中碳纤维的比例较大时,PA-6和碳纤维间缠结点的数目变大,对PA-6分子间相对移动的束缚作用变强,PA-6的流动性变差;另一方面,复合材料中碳纤维比例的增加将使一些碳纤维间出现团聚,影响PA-6与碳纤维间的粘结力,减弱对PA-6流动性的不利影响,综合这两方面的影响,PA-6的MFR下降幅度变缓。
2.2 碳纤维对PA-6力学性能的影响
图2为碳纤维用量对PA-6冲击强度的影响。由图可知,随着碳纤维在复合材料中所占比例的增加,复合材料的冲击强度先增加再降低。当碳纤维在复合材料中所占的比例从0增加到6%时,冲击强度增加3.87kJ/m2,增幅25.34%;之后,复合材料的冲击强度呈现出下降态势,当碳纤维的用量增加到8%时,冲击强度降低0.93kJ/m2,降幅4.86%。当体系中碳纤维所占的比例较低时,PA-6与处理过的碳纤维间有比较稳定的粘结力,复合材料受到的冲击力可以在PA-6基体树脂和碳纤维间得到较好的分散,冲击强度较高;随着体系中碳纤维所占比例的增加,碳纤维间开始出现团聚现象,PA-6与碳纤维间的粘结力减弱,复合材料分散冲击力的能力变差,冲击强度下降。
碳纤维用量对PA-6拉伸强度的影响见图3。实验结果显示,随着碳纤维在复合材料中所占比例的增加,复合材料的拉伸强度持续变大。当碳纤维在复合材料中所占的比例从0增加到8%时,拉伸强度增加22.18MPa,增幅36.75%。这是因为碳纤维自身强度极高,可以承受很大的拉伸应力,它加入到PA-6的体系中以后,借助PA-6基体的塑性及其与碳纤维间的粘结力将相当一部分拉伸应力传递给碳纤维,使碳纤维成为PA-6体系受力时的关键承载体。随着复合材料中碳纤维比例的持续变大,这种拉伸应力承载体的数目也在增多,使得PA-6体系可以承受的拉伸应力也越大。
碳纤维用量对PA-6弯曲模量的影响见图4。实验结果表明,碳纤维的加入可以显著提高PA-6的弯曲模量。当碳纤维在复合材料中所占的比例从0增加到8%时,弯曲模量持续增加707MPa,增幅43.37%。这是因为碳纤维属于高刚性材料,有很强的抵抗弯曲应力的能力,且PA-6与处理过的碳纤维间有较好的界面粘结力,随着碳纤维的加入,当体系受到弯曲载荷作用时,可以将相当一部分弯曲应力传递给碳纤维,使PA-6体系承受弯曲载荷的能力持续增强。
2.3 碳纤维对PA-6力学性能稳定性的影响
碳纤维对PA-6力学性能稳定性的影响见图5-7。实验结果显示,刚开始的一段时间内,PA-6和PA-6/碳纤维复合材料的冲击强度、拉伸强度和弯曲模量随时间的延续下降较显著;在自然环境中放置一段时间后,PA-6和PA-6/碳纤维复合材料的力学性能随时间的延续下降速度减慢,逐渐趋于稳定。在自然环境中放置90d后,PA-6的冲击强度、拉伸强度和弯曲模量分别降低2.15kJ/m2、4.51MPa和268MPa,降幅分别为14.08%、7.47%和16.44%;PA-6/碳纤维复合材料的冲击强度、拉伸强度和弯曲模量分别降低0.85kJ/m2、1.22MPa和113MPa,降幅分别为4.44%、1.56%和5.10%。可见,碳纤维的加入对PA-6力学性能稳定性的提升作用十分显著。这是因为处理过的碳纤维与PA-6基体间有较好的界面粘结力,它加入到PA-6基体中以后,可以增加PA-6基体结构的完整性,降低PA-6基体中的微裂纹,从而减弱外界因素如水分、氧气等对PA-6基体的渗透破坏作用,增强PA-6在自然条件下力学性能的稳定性。
2.4 水浸泡对PA-6和PA-6/碳纤维复合材料力学性能的影响
表1所示为PA-6和PA-6/碳纤维复合材料在水中浸泡后力学性能的变化情况。从表中的实验数据可知,在水中浸泡48h后,PA-6的冲击强度明显增加,增加值为2.14kJ/m2,增幅为14.01%;PA-6的拉伸强度和弯曲模量均显著下降,下降值分别为12.86MPa和278MPa,降幅分别为21.31%和17.06%。PA-6/碳纤维复合材料的冲击强度略有增加,增加值为0.79kJ/m2,增幅为4.13%;PA-6/碳纤维复合材料的拉伸强度和弯曲模量均有所降低,降低值分别为6.08MPa和122MPa,降幅分别为7.76%和5.51%。可见,水浸泡对PA-6/碳纤维复合材料力学性能产生的影响较PA-6小得多。原因在于:PA-6吸水后,水分子进入到PA-6分子间,减弱了PA-6分子间的作用力,增加了PA-6分子的活动能力,起到了增塑的作用,使得PA-6和PA-6/碳纤维复合材料的冲击强度出现了不同程度的增加,而PA-6和PA-6/碳纤维复合材料的拉伸强度和弯曲模量则出现了不同程度的降低;另外,处理过的碳纤维与PA-6基体间浸润性良好,使得复合材料内部的微裂纹明显减少,有效降低了水分子进入复合材料中的几率,减弱了对复合材料力学性能的影响。
注:部分测试试样在20℃水中浸泡48h。
2.5 PA-6/碳纤维复合材料的断面形貌
PA-6/碳纤维复合材料的断面形貌见图8。可以看出,未经处理的碳纤维与PA-6形成的复合材料断面上有大量因为碳纤维的抽出而形成的小孔。分析认为:未经处理的碳纤维表面光滑,活性差,与PA-6基体间的粘结能力低,主要借助机械物理作用达到与PA-6基体间的结合,因此当复合材料受到足够外力作用而发生断裂时,碳纤维就很容易从PA-6中被拔出。从处理过的碳纤维与PA-6形成的复合材料断面SEM照片中不难发现,绝大部分碳纤维与PA-6紧紧地粘结在一起而没有被拔脱。其原因在于:碳纤维先后经过硝酸及硅烷偶联剂处理后,它的比表面积大幅度增加,且它的表面上出现了大量极性官能团,增强了与PA-6间的界面反应能力,使得碳纤维与PA-6基体间的界面粘结作用力大幅度增加,所以复合材料发生断裂时碳纤维不易被拔脱。
[(a)未经处理的碳纤维;(b)处理过的碳纤维]
3 结论
在PA-6中加入碳纤维后,PA-6的加工性能变差;由于处理过的碳纤维与PA-6间可以形成比较稳固的粘结力,使得PA-6的韧性有所增加,拉伸性能、弯曲性能及在自然条件下力学性能的稳定性则显著提升,吸水性明显降低。
摘要：采用熔融共混法制备出了PA-6/碳纤维复合材料,研究了碳纤维对复合材料性能的影响;利用扫描电镜(SEM)分析了PA-6/碳纤维复合材料的断面形貌。结果表明:加入碳纤维后,PA-6的熔融指数降低;处理过的碳纤维与PA-6基体间界面粘结性较好,使得PA-6的冲击强度有所增加,拉伸强度、弯曲模量及力学性能的稳定性显著提升,吸水性明显降低。
关键词：PA-6,碳纤维,复合材料,性能
参考文献
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碳纤维复合材料属性 篇8
【关键词】碳纤维；混凝土结构；加固
碳纤维复合材料包含的方面又很多，其中主要有碳纤维、芳纶纤维以及玻璃纤维等，这些都是我们生活中经常用到的，而且它们都具有轻质、高强、耐腐蚀等特点。因此在80年代初，人们也将其作为主要的工程施工材料广泛的应用在工程施工中。碳纤维材料起初主要用于军事、航天、船舶等工程当中，并且取得了不错的效果，后来随着科学技术的不断发展，人们在原有的基础之上对其进行完善和改进，从而扩展到土木工程施工中来，对混凝土的修复和加固工作有着十分重要的意义。
1.碳纤维复合材料的特点及力学性能
碳纤维是当前工程施工中的一种新型的施工材料。它具有良好的物理力学性能，这也是当前用途最广，性能最好的纤维材料。它在土木工程结构当中，有着极强的补强作用，可以对混凝土结构进行合理有效的修复和加固，从而提高土木工程的结构强度。目前，由于我国的碳纤维生产技术比较落后，因此在进行使用的时候，一般都是采用国外进口的碳纤维片。这种碳纤维片有很多种，其中比较常见的有：单向片、单向织布、双向织布等，这些也是我们工程施工中常用到的施工材料。
当前，在土木工程中应用的最为广泛的碳纤维复合材料就是碳纤维增强塑料，这种材料在制作过程中，对其物理力学性能有着十分严格的要求，而且在施工性和耐久性方面也有着相应的施工指标。
碳纤维增强塑料的质地比较轻，而强度比较高，经相关测试，碳纤维增强塑料的结构强度要超过普通施工钢材的好几十倍。而且它本身具有的弹性模量和建筑施工钢材相比，碳纤维增强弹性模量更强，耐久性和耐腐蚀性也比一般的建筑施工材料要强。由此可见，这种碳纤维复合材料，有着极强的物理力学性能，有利于土木工程结构的加固与修复，极大程度上保障土木工程的质量。
2.碳纤维增强塑料在土木工程中的应用现状
2.1国外应用现状
目前在工程施工中，人们也开始尝试着将碳纤维材料加入到混凝土当中，从而制成碳纤维混凝土，应用到工程项目当中，并且取得了不错的效果。这种主要是将碳纤维的长丝制作成和钢筋一样的棒材，在混凝土施工中，将其用来代替钢筋，从而形成一种新型的结构材料，这种碳纤维混凝土主要用在一些大型工程结构建设当中。而且在大型的土木工程建设的时候，人们将碳纤维材料加工成绳状，将其作为工程施工的拉索结构，不过这种方法并没有对锚具连接的问题进行很好的解决，但是在土方工程施工中，仍然在应用。而碳纤维混凝土在混凝土工程施工建设中强度比较高，而且具有极强的耐久性和耐腐蚀性，这也对混凝土的开裂现象进行了有效的控制，从而提高了土木工程的施工质量。
在上个世纪80年代，发达国家就已经开始将碳纤维材料应用到混凝土结构当中，从而增强混凝土的物理力学性能，并且在90年代初期，发达国家就将其碳纤维混凝土材料广泛的应用到各个工程施工领域当中，而且更具碳纤维优异的物理力学性能，使的许多工程设施的结构质量都有着大幅度的提高。目前，国外发达国家不但将碳纤维施工技术应用到各个领域，还对其施工生产技术掌握得十分成熟，而且现在有许多施工单位将这种碳纤维施工材料，应用到了土木工程当中，并且为社会建设提供了良好的条件。
2.2国内应用现状
碳纤维加固修补混凝土结构技术在我国起步较晚，但最近几年系统地对碳纤维用于加固修补混凝土结构技术的研究也呈现不断发展的趋势，最初仅有国家工业建筑诊断与工程技术研究中心一个单位，相继有清华大学、同济大学、天津大学、东南大学、大连理工大学等十余家高等学校和科研设计单位尝试地进行过国产和进口碳纤维织物加固混凝土构件主要包括板、梁、柱等的模型实验、加固施工工艺及加固性能评价等方面的研究，已经取得了实质性成果，并在工业与民用建筑、桥梁与隧道以及公路工程中得到具体的应用，收到了良好的效果，现在部分单位着手从事纤维增强材料加固混凝土结构规范的研究。该课题已列入建设部研究开发课题及国家科技部“九五”重点攻关课题。目前这项工作还处于刚刚起步阶段。自1997年5月，国家工程中心已制作了一些试件，分为20余个工况，取得了构件抗弯、抗剪和抗压等一些有价值的实验数据，进行了多项工程的试点与推广。相信碳纤维增强材料在国内将有广阔的发展前景。
3.目前存在的问题
3.1力学研究方面存在的问题
碳纤维加固混凝土结构的技术是得到国际上普遍认同的开发热点，其力学研究已经取得了很大的进展，然而，截止目前这方面工作还存在一些问题：（1）尽管对加固结构的力学性能进行了一些试验研究，但是系统的理论分析和数值计算研究却很有限。而这对于创立和发展这种崭新的加固技术是必不可少的。（2）碳纤维加强混凝土结构的破坏模式，如钢筋屈服-碳纤维断裂破坏、钢筋屈服-混凝土压碎、混凝土受压破坏和碳纤维板于混凝土面的黏结破坏等各类破坏特性，尚需深入研究。（3）尽管对碳纤维加强构件的弯曲、剪切延性、刚度能力等几方面性能分别进行了实验研究，但有关它们的综合因素对加固材料的登记、数量以及施工工艺的影响的研究尚欠缺。（4）有关疲劳和抗震性能的研究不足，这对于评价加固结构的综合性能，预测其二次寿命至关重要。（5）碳纤维加强构件与结构其它部分或整体的协调性如何，荷载的重分布而引起的局部破坏可能、连接点的削弱程度等，尚待研究。
3.2尚待解决的技术关键
材料的国产化问题。尽管国外已有多种定型的碳纤维材料产品，但国内的大规模开发应用不能完全依赖于进口产品，从降低成本及发展民族工业来讲，国产化是必须的条件，目前国内的PAN基碳纤维强度一般在2000～3000Mpa之间，弹性模量在2.1x105Mpa左右，其性能基本满足加固要求，但在预浸料的生产和加工成品的质量方面仍有较大的欠缺，均匀性也较差。因此材料的国产化问题是一个关键问题。
碳纤维加固修补使用的技术方面的问题，这主要体现在国内相应标准与规程的制定上，尽管国外一些国家已有了较完善的标准和规程，但并不适合我国，我们应及早制定出自己的标准和施工指南，包括材料生产、使用、检验、加固设计、计算、工程施工与验收的一系列标准化工作。
不过自碳纤维加固修复混凝土结构技术研究开发成功后，给土木建筑领域加固改造技术带来重大变革，采用碳纤维加固修复混凝土结构技术将比以往从传统的技术更优越、更有效率和更方便经济，可以解决传统的加固方法不能解决的技术问题，具有重大的经济和社会效益。碳纤维加固修复混凝土结构技术研究开发成功，将为碳纤维材料及其它高性能纤维材料应用于建筑业打下深厚的基础，开辟了新的产业途径。
4.结束语
由此可见，碳纤维复合材料由于具有优异的特性，在土木工程中得到的广泛的应用。它不但对土木工程中的混凝土结构有着良好的加固修复功能，延长了混凝土结构的使用寿命，还极大程度上推动了土木工程的发展，为是我国的经济建设打下了扎实基础。
【参考文献】
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