高技术纤维材料（精选12篇）
高技术纤维材料 篇1
0 引言
现阶段我国使用的复合材料中, 纤维增强复合材料占有极大的比例, 其具有密度较小、耐磨损、防疲劳等特点。我国使用较广的纤维增强复合材料有芳纶增强复合材料、碳纤维以及玻璃纤维增强复合材料。这些材料在机械加工的过程中对加工工艺的要求较高, 对加工过程中的尺寸以及位置等要求也较高。
1 复合材料的种类
现阶段, 我国用到的复合材料有很多, 可以根据材料内部结构的不同将复合材料分为四大类:纤维增强复合材料、混杂复合材料、细粒复合材料以及夹层复合材料。这四种材料的组成上有很大的差异。纤维增强复合材料在生产的过程中在基体材料中加入适量的纤维增强体材料, 现阶段应用较广的有碳纤维增强复合材料以及玻璃纤维增强复合材料。混杂复合材料在生产的过程中将两种或两种以上的增强体材料混合在基体材料当中, 现阶段应用较广的混杂复合材料有超混杂复合材料。细粒复合材料在生产的过程中将硬质的细粒均匀的混合在基体材料中, 现阶段使用较广的有金属陶瓷。蜂窝夹层材料是典型的夹层复合材料, 在生产的过程中将性质不同的材料组合在一起, 这种材料层次感较强。
2 纤维增强复合材料的性能
纤维增强复合材料具有质轻高强的特点, 这也是我国材料未来发展的主要方向, 比如, 芳纶纤维增强复合材料的相关性能数据见表1。
在纤维增强复合材料实际的机械加工过程中, 会存在加工过程余热较大、材料在切削过程中操作温度过高、切削时刀具的磨损较严重以及材料出现分层等问题。这对纤维增强复合材料的机械加工工艺提出了更高的要求, 对加工机械的要求也越来越高。在切削过程中, 温度不宜过高, 因为增强体材料与基体材料的膨胀系数不同, 温度过高会导致生产过程中产生较高的余热。如果在切削的过程中没有控制好切削参数, 就会出现复合材料的分层问题, 材料的强度以及各方面的性能就会受到严重的影响。
3 纤维增强复合材料机械加工过程中应该注意的问题
(1) 把握好材料加工过程中的工艺控制, 根据材料自身性质的不同, 对加工工艺进行实时改进:改变传统的一次成型的机械加工的理念, 采用多次成型的理念;改变传统的整体加工的特点;更新加工技术, 将整个加工过程分步骤进行。这样不仅可以提高材料加工的效率, 还可以使材料加工的质量得到很大的提高。
(2) 提高加工工艺设计水平:及时更新设计理念, 改变原有的整体成型的设计思路, 将各个部件分开加工, 这样不仅可以提高设计水平, 还可以使加工效率得到提高;改变原有的三爪卡盘直接夹持产品的设计思路, 因为这种夹持方式会使产品的外沿受到破坏, 对工作人员的要求较高, 操作不当极有可能造成产品的破坏, 并且会极大地造成生产过程中的浪费。
4 不同种类的纤维增强复合材料的机械加工技术
4.1 玻璃纤维增强复合材料
玻璃纤维增强复合材料具有耐腐蚀以及耐高温的特点, 虽然质地较硬, 但是很脆且易碎, 同时玻璃纤维增强复合材料具有良好的透明度, 现阶段在我国的应用较广。切削玻璃纤维增强复合材料时, 要用金刚石刀具, 另外, 应用较广的刀具还有立方氮化硼刀具, 使用这些刀具, 不仅可以提高生产效率, 同时可以保证切削质量。而传统生产过程中使用的高速钢磨损十分严重, 现阶段这种刀具应用较少。刀具参数一定要根据实际情况进行选择, 以保证切削过程的质量及效率。
4.2 热塑性树脂基复合材料
热塑性树脂基复合材料就是以热塑性树脂为基体的纤维增强复合材料。这种材料在加工过程中对温度有一定的要求, 在实际加工过程中, 经常采用加冷却剂的方法降低温度。一旦生产过程中出现温度过高的现象, 就会导致基体材料软化, 甚至出现材料烧焦的问题。在进行材料的切削时, 刀具要留有充足的排屑槽。要选择高速刀具进行相应的切削工作, 并且刀具不能太驽钝。现阶段应用较广的刀具是金刚石刀具和碳化钨刀具, 随着科技的发展, 一些用特定材料制成的塑料刀具也得到了广泛的应用。在实际的切削过程中, 把车刀磨有一定的倾角, 可以有效提高切削效率。如果要对这种材料进行钻孔处理, 最好选用麻花钻头。为了使切削过程中不出现分层的问题, 要对相关部件进行垫固。此外, 还要控制好切削车间的温度。
4.3 金属基复合材料
以金属或者合金作为基体, 在材料中加入纤维等材料制成的复合材料称为金属基复合材料。相比于其他纤维增强复合材料来说, 金属基复合材料的抗剪切强度较高, 抗疲劳性能较好, 且具有优良的导电、导热性能, 另外, 金属基复合材料不会对环境产生污染。其对刀具的要求较高, 现阶段使用较广的是金刚石材质的刀具。这种材料对切削速度以及切削时的温度要求较高。
5 提高纤维增强复合材料机械加工质量的措施
(1) 提高材料的切削速度。复合材料的机械加工质量与切削速度有着重要的联系, 提高切削速度, 可以减少切削过程中材料的进给量, 进而减小切削力, 以保证材料表面的质量。如果切削过程中切削速度控制得好, 会使材料来不及产生分层的趋势, 避免纤维增强复合材料出现开裂等问题。
(2) 提高刀具的质量。在传统的机械加工过程中, 经常会出现刀具质量不过关而影响机械加工质量的问题。高速运转下的钢钻头一次刃磨通常只能钻四、五个孔, 然而经过技术革新, 现阶段质地较硬的合金钻头一次可以钻孔100个以上。美国一些公司现阶段推出的一些金刚石材质的钻头, 不仅能使钻孔质量得到保障, 还可以极大提高钻头的使用时间。而在刀具的刃型改进方面, 八面钻能够提高机械加工的质量, 以及刀具的使用寿命。
摘要：探讨纤维增强复合材料的机械加工技术。
关键词：纤维增强复合材料,机械加工技术,加工工艺,产品质量
参考文献
[1]戴丹维, 张立泉, 邓诗峰.等.石英纤维增强含硅芳炔树脂复合材料的制备与性能[J].玻璃钢/复合材料, 2015, (3) :45-49
[2]刘方彪, 王丹勇, 李晓燕, 等.CNTs/纤维增强树脂基复合材料制备及取向设计进展[J].工程塑料应用, 2015, 41 (3) :137-141
高技术纤维材料 篇2
摘要：介绍了碳纤维及其增强复合材料，详细介绍了碳纤维复合材料的分类和特性,着重阐述了碳纤维及其复合材料在高新技术领域和能源、体育器材等民用领域的应用，并对未来碳纤维复合材料的发展趋势进行了分析。
关键词：碳纤维性能应用 0引言
碳纤维复合材料具有轻质、高强度、高刚度、优良的减振性、耐疲劳和耐腐蚀等优异性能。以高性能碳纤维复合材料为典型代表的先进复合材料作为结构、功能或结构/功能一体化材料，不仅在国防战略武器建设中具有不可替代性，在绿色能源建设、节约能源技术发展和促进能源多样化过程中也将发挥极其重要的作用。若将先进碳纤维复合材料在国防领域的应用水平和规模视作国家安全的重要保证，则碳纤维复合材料在交通运输、风力发电、石油开采、电力输送等领域的应用将与有效减少温室气体排放、解决全球气候变暖等环境问题密切相关。随着对碳纤维复合材料认识的不断深化，以及制造技术水平的不断提升，碳纤维复合材料在相关领域的应用研究与装备不断取得进展，借鉴国际先进的碳纤维复合材料应用经验，牵引高性能碳纤维及其复合材料的国产化步伐，对于改变经济结构、节能减排具有重要的战略意义。
1碳纤维材料
1.1何为碳纤维材料
碳纤维是一种含碳量在9 2% 以上的新型高性能纤维材料, 具有重量轻、高强度、高模量、耐高温、耐磨、耐腐蚀、抗疲劳、导电、导热和远红外辐射等多种优异性能, 不仅是21 世纪新材料领域的高科技产品, 更是国家重要的战略性基础材料, 政治、经济和军事意义十分重大。碳纤维分为聚丙烯睛基、沥青基和粘胶基3种, 其中90 % 为聚丙烯睛基碳纤维。聚丙烯睛基碳纤维的生产过程主要包括原丝生产和原丝碳化两部分。用碳纤维与树脂、金属、陶瓷、玻璃等基体制成的复合材料, 广泛应用于航空航天领域体育休闲领域以及汽车制造、新型建材、信息产业等工业领域。1.2碳纤维的特点
碳纤维是纤维状的碳材料, 由有机纤维原丝在1 000 以上的高温下碳化形成, 且含碳量在90%以上的高性能纤维材料。碳纤维主要具备以下特性:
(1)密度小、质量轻, 碳纤维的密度为1.5~ 2 g /cm3, 相当于钢密度的1 /
4、铝合金密度1/2;(2)强度、弹性模量高, 其强度比钢大4~ 5倍, 弹性回复为100%;(3)热膨胀系数小, 导热率随温度升高而下降, 耐骤冷、急热, 即使从几千摄氏度的高温突然降到常温也不会炸裂
(4)摩擦系数小, 并具有润滑性;
(5)导电性好, 25 时高模量碳纤维的比电阻为775 cm, 高强度碳纤维则为1 500 cm;(6)耐高温和低温性好, 在3 000 非氧化气氛下不熔化、不软化, 在液氮温度下依旧很柔软, 也不脆化;
(7)耐酸性好, 对酸呈惰性, 能耐浓盐酸、磷酸、硫酸等侵蚀。除此之外, 碳纤维还具有耐油、抗辐射的特性
2碳纤维增强复合材料
尽管碳纤维可单独使用发挥某些功能, 然而, 它属于脆性材料, 只有将它与基体材料牢固地结合在一起时, 才能利用其优异的力学性能, 使之更好地承载负荷。因此, 碳纤维主要还是在复合材料中作增强材料。根据使用目的不同可选用各种基体材料和复合方式来达到所要求的复合效果。碳纤维可用来增强树脂、碳、金属及各种无机陶瓷, 而目前使用得最多、最广泛的是树脂基复合材料。2.1碳纤维增强陶瓷基复合材料
陶瓷具有优异的耐蚀性、耐磨性、耐高温性和化学稳定性, 广泛应用于工业和民用产品。它的弱点是对裂纹、气孔和夹杂物等细微的缺陷很敏感。用碳纤维增强陶瓷可有效地改善韧性, 改变陶瓷的脆性断裂形态, 同时阻止裂纹在陶瓷基体中的迅速传播、扩展。目前国内外比较成熟的碳纤维增强陶瓷材料是碳纤维增强碳化硅材料, 因其具有优良的高温力学性能, 在高温下服役不需要额外的隔热措施,因而在航空发动机、可重复使用航天飞行器等领域具有广泛应用。2.2碳/碳复合材料
碳/碳复合材料是碳纤维增强碳基复合材料的简称, 也是一种高级复合材料。它是由碳纤维或织物、编织物等增强碳基复合材料构成。碳/碳复合材料主要由各类碳组成, 即纤维碳、树脂碳和沉积碳。这种完全由人工设计、制造出来的纯碳元素构成的复合材料具有许多优异性能, 除具备高强度、高刚性、尺寸稳定、抗氧化和耐磨损等特性外, 还具有较高的断裂韧性和假塑性。特别是在高温环境中, 强度高、不熔不燃, 仅是均匀烧蚀。这是任何金属材料无法与其比拟的。因此广泛应用于导弹弹头, 固体火箭发动机喷管以及飞机刹车盘等高科技领域。2.3碳纤维增强金属基复合材料
碳纤维增强金属基复合材料是以碳纤维为增强纤维, 金属为基体的复合材料。碳纤维增强金属基复合材料与金属材料相比, 具有高的比强度和比模量;与陶瓷相比, 具有高的韧性和耐冲击性能, 金属基体多采用铝、镁、镍、钛及它们的合金等, 其中, 碳纤维增强铝、镁复合材料的制备技术比较成熟。制造碳纤维增强金属基复合材料的主要技术难点是碳纤维的表面涂层, 以防止在复合过程中损伤碳纤维,从而使复合材料的整体性能下降。目前, 在制备碳纤维增强金属基复合材料时碳纤维的表面改性主要采用气相沉积、液钠法等, 但因其过程复杂、成本高, 限制了碳纤维增强金属基复合材料的推广应用 2.4碳纤维增强树脂复合材料
碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)是目前最先进的复合材料之一。它以轻质、高强、耐高温、抗腐蚀、热力学性能优良等特点广泛用作结构材料及耐高温抗烧蚀材料, 是其他纤维增强复合材料所无法比拟的。碳纤维增强树脂复合材料所用的基体树脂主要分为两大类, 一类是热固性树脂, 另一类是热塑性树脂。热固性树脂由反应性低分子量预集体或带有活性基团高分子量聚合物组成;成型过程中, 在固化剂或热作用下进行交联、缩聚, 形成不熔不溶的交联体型结构。在复合材料中常采用的有环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、聚酰亚胺树脂以及酚醛树脂等。热塑性树脂由线型高分子量聚合物组成, 在一定条件下溶解熔融, 只发生物理变化。常用的有聚乙烯、尼龙、聚四氟乙烯以及聚醚醚酮等。在碳纤维增强树 脂基复合材料中, 碳纤维起到增强作用, 而树脂基体则使复合材料成型为承载外力的整体, 并通过界面传递载荷于碳纤维, 因此它对碳纤维复合材料的技 术性能、成型工艺以及产品价格等都有直接的影响。碳纤维的复合方式也会对复合材料的性能产生影响。在制备复合材料时, 碳纤维大致可分为两种类型: 连续纤维和短纤维。连续纤维增强的复合材料通常具有更好的机械性能, 但由于其制造成本较高,并不适应于大规模的生产。短纤维复合材料可采用与树脂基体相同的加工工艺, 如模压成型、注射成型以及挤出成型等。当采用适合的成型工艺时, 短纤维复合材料甚至可以具备与连续纤维复合材料相媲美的机械性能并且适宜于大规模的生产, 因此短纤维复合材料近年来得到了广泛的应用。
李军《碳纤维及其复合材料的研究应用进展》辽宁化工2010年9月第39卷第9期
3碳纤维及其复合材料的应用
3.1高新技术领域
碳纤维复合材料因其独特、卓越的性能，在航空领越特别是飞机制造业中应用广泛。统计显示，目前，碳纤维复合材料在小型商务飞机和直升飞机上的使用量已占70％~80％，在军用飞机上占30％~40％，在大型客机上占15％~50％。AV—8B 改型“鹞”式飞机是美国军用飞机中使用复合材料最多的机种，其机翼、前机身都用了石墨环氧大型部件，全机所用碳纤维的重量约占飞机结构总重量的26％，使整机减重9％，有效载荷比AV—8A飞机增加了一倍。数据显示采用复合材料结构的前机身段，可比金属结构减轻质量32.24%。用军机战术技术性能的重要指标——结构重量系数来衡量，国外第四代军机的结构重量系数已达到27～28%。未来以F-22 为目标的背景机复合材料用量比例需求为35%左右，其中碳纤维复合材料将成为主体材料。在法国电信一号通信卫星本体结构中，带有4 条环形加强筋的中心承力筒是由CFRP 制成的，它通过螺接连接在由CFRP 制成的仪器平台上。卫星的蒙皮是由T300 CFRP 制成。由于CFRP 的比模量高，在日本JERS-1 地球资源卫星壳体内部的500 mm 的推力筒、仪器支架、8 根支撑杆和分隔环都使用了M40JB CFRP，此外，卫星的外壳、一些仪器的安装板均采用了碳纤维/环氧蜂窝夹层结构。美国空军实验室1997 年在国家导弹防御系统试验项目(BMDO CEP)支持下，成功设计并制造了以CFRP 为加强筋的AGS 整流罩，重量仅37 kg，同类型铝合金防护罩重97 kg，运用纤维缠绕技术实现了自动化生产，工艺周期缩短88%，比同类型蜂窝夹层结构制造复合材料整流罩减重40%，成本降低20%
图3 CEP 火箭有效载荷整流罩 Fig． 3 Payload fairing of CEP launch rocket 3.2民用领域
3.2.1碳纤维复合材料在体育器材上的应用
像撑竿、高尔夫球杆、网球拍、自行车、滑雪板、皮划艇等靠人力来使其运动的体育器材，人们希望其质量越轻越好;即使是靠人力以外的其他动力来使其运动的器材，如赛车、帆船、摩托艇等，在相同的条件下也以质轻为好。碳纤维复合材料在此方面具有不可比拟的优势，其密度为1． 76 ～1． 80 g /cm3，所制复合材料密度为1． 50 ～1． 60 g /cm3，而钢材约为7． 87 g /cm3、铝材2． 7 g /cm3、钛材4． 5 g /cm3。显然，CFRP 要比金属材料轻得多。3.2.1碳纤维在新能源领域的应用
叶片是风力发电装备的关键部件，它的质量（W）随叶片长度（L）的三次方增加（W=A L3）。当风机叶片质量增长到一定程度时，叶片质量的增加幅度大于风机能量输出的增加，那么叶片长度的增加则存在一个极值。风力发电机叶片的长度尺寸、刚性以及质量代表着风电机组的发电水平，常规的玻璃纤维增强材料制备叶片已难以满足叶片尺寸加大对刚性与质量的综合要。碳纤维复合材料优异的抗疲劳特性和良好的导电特性，可有效减弱恶劣环境对叶片材料的损害，避 免雷击对叶片造成的损伤求，在全球风机装机容量快速增长的今天，提高碳 纤维复合材料用量的长叶片大容量风机将成为主要趋势。3.2.3碳纤维在工业领域的应用
铁道部规划在3 ～ 5 年内，时速为160km / h 的车辆将达到50% 以上，约1 万5千辆，每辆车需刹车片32 片，共需约48 万片。车辆提速之前，铁路客车和货车的最高设计时速分别为120km / h 和80km / h。由于车辆速度每提高一倍，其制动功率将增加8 倍，因此对提速车辆用制动材料提出了相当严格的技术要求。理论研究和实车运营状况表明，现有的常规制动材料，无论是摩擦系数和列 车运行平稳性，还是耐磨性、导热性、制动距离等均不能满足提速车辆的需要碳纤维复合材料刹车片是国际上仍在不断研究的新型制动材料，它具有强度高、弹性模量适中、耐热性好、重量轻、膨胀系数小、耐磨损等优点，而所有这些都是提速列车制动所必需的性能，因此开发这类新型材料已被发达国家重视德国铁路部门投巨资，由KnoorBremse公司研制了高速列车用碳纤维复合材料盘型制动器;日本、法国开发研制的碳纤维复合材料刹车片已成功地应用于新干线和TGV 高速列车制动。面对国外碳纤维复合材料高技术的发展趋势和我国铁路对高性能制动片的迫切需求，研制开发高速列车用碳纤维复合材料刹车片不仅具有重要的现实意义，而且具有巨大的推广应用价值
4碳纤维产业的前景展望
综合材料在纤维艺术中的运用 篇3
摘要：纤维艺术属于材料的艺术，以综合材料在纤维艺术中的运用为中心，论述了纤维艺术与综合材料各自的发展，以及在作品中的运用。通过对纤维艺术中使用综合材料的原因与优势的论述，表达综合材料的使用在现代纤维艺术中的重要性。使更多的人对综合材料在纤维艺术中的表现技法与艺术效果进行更多的探索。
关键词：纤维艺术；综合材料；发展；运用
“纤维艺术是指以各种纤维为材料，以传统和现代的各种造物工具和手段创造出来的或实用或观赏、或平面或立体的艺术。”[1]纤维艺术起源于壁毯艺术，在纤维艺术的发展过程中它吸收了许多国家的优秀文化，并与现代艺术观念相融合，整体艺术形式古老而又年轻。在七、八十年前，纤维艺术就逐渐由传统文化向现代文化演变。
随着人类社会的发展，在不同文化背景的影响下，纤维艺术表现出的形式也各有不同，并且也具有很强的地域性。在文化与科技都迅速发展的当今社会，现代的纤维艺术不仅仅继承了传统的编制工艺，并且也在材料、材质、艺术形式和空间上超越了传统纤维艺术，增加了纤维艺术范围的深度和宽度，展现出各式各样的艺术风格，同时还给予了它丰富的文化内涵。
运用大量综合材料的纤维艺术作品的出现与当时的社会背景与地域文化有着很大的联系。随着社会的发展，材料的使用在纤维艺术中越来越重要，综合材料在纤维艺术中不断发展，就是受到了各种艺术思潮、工艺运动这些艺术运动和多元文化背景的影响。
纤维艺术在我国有着悠久的历史，但由于中国古代封建的社会体制，阻碍了中国与世界各国的文化交流，也使纤维艺术的发展停滞不前。渐渐的我国打开了国门，开始迎接世界的多元文化，20世纪80年代开设了万曼壁挂研究所，加上受到世界各国艺术思潮的影响，我国的年轻艺术家们也开始了纤维艺术的设计之路，并且尝试运用多种材料，从此我国的纤维艺术也开始了新的发展。2000年“从洛桑到北京”国际纤维艺术双年展的举办标志着我国的纤维艺术开始蓬勃发展，从2000年到2012年，展览的作品中运用的综合材料所占的比例逐渐增加，传统纤维材料与综合材料的所占比例分别由2000年的95%与5%发展成21%与79%。充分体现了综合材料在纤维艺术中的发展与重要性。
在纤维艺术中不管是传统还是现代，无论是平面作品还是装置作品，材料都是他们的基本元素。艺术家也并不仅仅是将各种各样的材料进行简单而随意的堆砌，而是发现材料中的某一特性，使用多种材料综合运用，可以给人以新的视觉感受。
综合材料的使用可以突破传统的绘画形式。早期的艺术作品大多注重造型、色彩与空间上的塑造，这也是那个时期艺术家们所追求的，而新型的综合材料的出现和使用渐渐的突破了这一传统的绘画观念，作品形式由平面向立体转变，脱离了传统的纤维材料可以丰富画面的整体效果。
“艺术创作往往带有一定的偶然性。”[2]在纤维艺术中使用综合材料有很大的偶然性，因为对材料质量和特性的不熟悉，在创作过程中会出现很多偶然性的效果，在实验的过程中会出现偶然的肌理，或偶然的色彩，这些偶然也会激发创作者产生新的灵感，也会使观者对作品产生更多的联想，更给作者的创作提供了更广阔的空间。在纤维艺术中使用综合材料能开拓作者的思维，使其有更大的创新。
“材料在艺术设计中的作用主要体现在两个方面，一是功能方面的，包括材料的物理化学性能，及材料的基本特征；二是材料美学方面的，主要是材料材质美感方面。”[3]在纤维艺术中，利用综合材料表面自身的肌理，或者后期对这些材料表面进行艺术的再加工，从而使其出现新的肌理，可以使设计的形式美感更加突出。
综合材料的运用既能表达个体的思想感情，又有文化性质和普遍的社会意义。拓展了审美的范围，也丰富了纤维艺术的文化内涵。艺术设计与创作就是通过运用各种材料，来体现相应时期的文化背景。“每件艺术品都是那个时代的孩子，也是我们感觉的母亲，每个文化时期，都有自己的艺术，它无法被重复。”[4]在纤维艺术创作中，综合材料不仅是一种审美语言与表现形式，也体现着各个时期的文化背景。
现代纤维艺术中综合材料的运用在种类和具体表现手法上都日益完善和丰富，在表现方式与风格上更加自由与灵活，各种材料在艺术家们的手中综合运用，进行适当的组合，创造出了全新的艺术语言形式。材料的综合运用使纤维艺术突破了传统的概念，向现代纤维艺术迅速发展，增加其了创作的偶然性，赋予纤维艺术作品更多样的形式美，强化了纤维艺术的表现力，并且丰富了它的文化内涵。艺术家们用更多的材料去激发创作灵感与表现自己的思想感情，推动纤维艺术综合材料的蓬勃发展。
【参考文献】
[1]张怡庄，蓝素明.纤维艺术史[M].北京：清华大学出版社，2006：1
[2]王珠珍，陈耀明.综合材料的艺术表现[M].上海：上海大学出版社，2005：15-60
高技术纤维材料 篇4
为了解决日渐严峻的加固改造问题, 国内外的学者们进行了大量的研究也得出了出了一些相应的解决方法包括:增大截面法、预应力法、粘钢加固法、增设支点加固法、托梁拔柱法、锚固法等。这些传统的加固方法在实际工程应用中得到大多学着肯定, 加固过后的建筑的承载力、刚度、抗震性能等得到一定程度的提高, 但是也存在着或多或少的缺陷。例如损害伤了建筑的结构原貌、减小了使用空间、增加了结构荷载、增长后期维护作业的工作量和时间、影响正常生产和工作等。因此工程中需要效果更好, 更新型的加固技术。随着我国建筑行业的不断发展, 纤维材料的价格下降, 新型的建筑材料逐渐出现在大家的视野中。纤维增强复合材料加固技术迅速成为国内外学者和科研人员的研究热点。受粘贴钢板加固法的影响, 在20世纪70年代, 有学者把研究出的玻璃纤维聚合物GFRP应用于加固工程中, 它的线膨胀系数和混凝土相近, 因此能很好的和混凝土共同作用。但是因为其弹性模量较小、耐久性和稳定性不够理想, 没能大范围的推广使用。1980年后, 从航空和军事科技领域借鉴到一些新材料碳纤维增强复合材料简称CFRP, 它较GFRP有轻质高强、弹性模量高、较好的抗震性和施工方便等特点, 在当时就掀起了一股研究热潮。随着研究的深入出现了芳纶纤维 (AFRP) 和玄武岩纤维 (BFRP) 复合加固单一纤维材料。到21世纪初我国研究单一纤维材料技术方面已经比较成熟并制定了相关的规范。但由于单一的纤维材料技术总存在着一些缺陷。为了优化最佳的纤维加固技术, 有学者就提出混杂技术, 即各取所需, 扬长避短, 使每种材料都发挥到最大性能, 理想状态是, 既有CFRP的高弹性模量又有GFRP的低造价等特点。新型的混杂纤维加固钢筋混凝土结构是一个值得深入研究的问题。
1 混杂纤维加固钢筋混凝土结构技术现状
1.1 加固钢筋混凝土梁
从单一纤维到混杂纤维, 对加固钢筋混凝土梁的抗弯、抗剪, 始终是国内FRP加固钢筋混凝土结构中研究最多的一个方向。熊光晶[1,2]等首次提出混合采用玻璃纤维布和碳纤维布对钢筋混凝土梁进行加固的思路, 并进行了用了高强玻璃纤维、碳纤维混杂材料加固混凝土梁的抗弯试验研究, 为了更合理的评价试件的延性, 重新定义了挠度延性和能量延性。试验表明, 在保证提高承载力的前提下混杂纤维加固梁的挠度延性、能量延性分别比碳纤维加固梁高89.5%和57.9%, 加固价格低38.2%, 而刚度仅低10%分别仅比普通梁低13.7%和21.4%。有了这篇文章的启蒙, 我国开始对混杂纤维加固梁开始了大量的研究, 主要的方向有预应力混杂纤维和不同种类的纤维混合加固混凝土梁的抗弯、抗剪、疲劳以及二次受力研究。吴辉琴[3]等设计了10根CFRP与GFRP不同合成方式的HFRP加固, 并用对比实验对混凝土梁不同的加固位置以及加载方式进行了更深入的研究表明:侧面加固梁抗弯补强与底面加固相比效果相差不大, 但对裂缝的出现和开展抑制作用较好。持载作用加固梁比直接加载作用加固梁的抗弯承载能力略高一些。在此基础上他们开展了一系列理论研究分析了HFRP加固混凝土梁的破坏形态, 建立了两种HFRP加固单筋矩形截面梁抗弯承载力的计算模型并提出了加固适筋梁的抗弯承载力的实用计算公式。随着新型无机环保绿色高性能纤维材料“玄武岩纤维”的出现, 有关的研究也越来越受到人们的关注。陈绪军[4]等通过5根钢筋混凝土梁的变幅疲劳试验, 研究碳/玻璃混杂、碳/玄武岩混杂纤维布加固梁的弯曲疲劳性能。实验结果表明, 粘贴混杂纤维布较玄武岩纤维布更能提高梁的抗疲劳性能和延长梁的使用寿命。并用RMS法估计经纤维布加固的变幅疲劳梁的疲劳寿命, 得到精度较高可控实际工程使用的S-N曲线。
1.2 加固钢筋混凝土楼板
板由于种种原因出现承载力不足的问题, 需要进行加固, 通过研究表明, 用FPR加固结构板能够提升板承载力, 所以广大研究者针对混杂纤维加固板结构进行了深入的研究。在以往的这方面研究中, 主要都是研究混杂纤维加固普通混凝土板、单项受力板的各种性能, 在现今几年中又出现了对混杂纤维加固钢板剪力墙的这种非单向受力板结构的各种性能的研究。在彭晓彤[5]用有限元分析和非线性分析的方法对混杂纤维加固剪力钢板结构的抗震性能进行了研究。实验结果表明, 混杂纤维的加固效应比单一纤维较好, 混杂纤维既保留了混杂的各种纤维各自的优点, 同时还获得了更为优异的综合性能, 荷载有不同纤维共同承担, 能够发挥出不同种纤维的优势。试验中纤维加固后的试件相比参考试件抗拉抗压能力都有显著的提高, 增大了钢板的屈服极限, 增加了钢板使用范围。
1.3 加固钢筋混凝土柱
随着科技和时代的发展, 大跨度、大空间型的建筑频频出现, 而这些建筑往往避免不了设立大量的钢筋混凝土柱。但钢筋混凝土柱在长期腐蚀、碰撞等不利地效应下, 往往需要进行加固处理, 传统的加固方式造价高, 不宜操作, 单一纤维加固鲜果也受到单一纤维性质的局限, 而采用混杂纤维片进行柱体结构加固具有可行性高、造价低、等特点, 也有不错的结构抗压效应和抗剪效应效果。尹毓良[6]对单一纤维和混杂纤维加固的短柱进行了轴心受压和偏心受压的物理效应做了对比分析研究。实验结果表明, 相对于不加固的的混凝土短柱、加固的短柱达到应力极限时不会成爆裂性破坏, 而是随着纤维布的破坏而逐渐破坏, 而且极限应力提高。通过对不同混凝土形状和纤维成分比较实验得知混凝土形状为无倒角, 相对脆性的纤维材料更适宜作为抗压加固材料。混杂纤维由于其良好的抗剪作用而可以增强加固结构抗震的效果, 李刚[7]通过对破坏形式、试验研究、有限元模拟、抗震性能评估等方面研究了混杂纤维加固柱的抗震效果。研究表明, FRP的种类对加固柱的延性会产生影响, FRP的极限应变越大, 加固柱的延性越好但对极限承载力影响不大;采用FRP加固短柱相当于增加了配箍率使柱的抗剪承载力得到提高可以有效改善其的抗震性能, 采用GFRP筋和CFRP布加固的混凝土柱较仅采用CFRP布加固的混凝土柱位移延性系数提高最大, 达到51.7%, 植GFRP筋的混凝土柱位移延性系数提高22.3%组合加固技术在保持其承载能力的同时提高了混凝土柱的位移延性, 加固效果好于仅采用CFRP布或GFRP筋加固的混凝土柱。
1.4 加固钢筋混凝土节点、框架
在以往对节点、框架的研究中, 多是对混杂纤维加固节点和框架在抗震性能方面的研究, 主要是在混杂纤维的回滞系数、恢复力、耗能和加固的结构的刚度退化程度、承载力等方面上的研究。近些年来, 研究者们依旧在上述几个方面对混杂纤维加固结构进行研究, 当然, 也有新的研究模式, 比如对纤维类型、加固方式、粘贴厚度等因素, 对加固后节点受力性能的影响的和各因素对节点受力性能的影响规律的研究。杨?[8]等对不同纤维类型、不同纤维加固方式、不同纤维粘贴厚度进行加固的节点试件进行实验力学研究, 得出:单一纤维加固的屈服荷载、屈服位移、极限位移提高值都高于混合纤维, 但是混杂纤维的极限荷载、极限荷载提高率、位移延性系数都高于单一纤维。采用仅在节点受拉面上布置纤维或者既在受拉面上布置也环绕节点布置时, 对提高节点的延性均很有效果。黏结厚度的增加, 会相应增加黏结界面的剪应力, 导致加固过早失效。当然近年来依旧有对混杂纤维加固节点的抗震性能的研究。马明[9]等通过对混杂纤维加固的平面框架梁柱边节点的抗震性能的试验, 对实验结果采用静力非线性分析和有限元法分析的方法研究了混杂纤维加固框架节点的物理性能。在实验结果中, 单一纤维与混杂纤维对加固节点屈服荷载的贡献都相差不大;混杂纤维对试件极限承载力的提高幅度优于单一纤维, 具有更好的抗震性能。在延性和耗能方面, 与参照试件对比, 单一纤维节点加固试件的延性系数提高1.64倍, 混杂纤维加固节点位移延性系数分别为未加固节点试件的1.94和2.11倍。可以看出混杂纤维加固要优于单一纤维加固。
2 混杂纤维自身特性研究技术现状
2.1 混杂纤维合理配比
混杂纤维是解决单一纤维突出缺点的有效途径, 它能充分发挥单一纤维材料的优势, 扬长避短, 并且可能表现出特有的性质。混杂纤维在发挥其高强、轻质等特点的时候很重要的因素就是其合理配比, 由于混杂纤维的混杂材料和混杂方式都是不确定的, 不同的材料和方式会产生不同的混杂效果, 不一定混杂后就能达到预期的效果。国内外许多学者对这进行研究和分析但它的不确定性给研究带来很多种可能。纪梓斌[10]对CF和S-GF材料进行混合时, 当CF体积分数为0.198和0.247的HFRP强度高, 延性好并且价格低, 但刚度略低, 匹配相对合理。
2.2 混杂纤维的耐久性、徐变性
混杂纤维加固混凝土结构, 除了要求加固后的结构能够承受更多的荷载外, 还要求其能够使用更长的时间, 或者说是能够在一定比较长的时间内保持力学特性, 所以对于混杂纤维加固的结构的耐久性、徐变性的研究一直都未间歇过。徐娜[11]等通过ANSYS软件对施加低周反复荷载的混杂纤维加固的混凝土柱进行刚度退化和抗剪作用进行了分析, 研究结果表明, 随着荷载的增加, 等效粘制阻尼系数急剧增加, 破坏附近变化不大, 但参入混杂纤维的系数增加幅度要远大于未参入混杂纤维的试件, 可以得出混杂纤维加固能提升混凝土柱的耐久性;混凝土柱的刚度退化均是屈服前较快, 屈服之后速度减缓, 混杂纤维的参入能够有效地减缓混凝土柱的刚度退化效应, 而且减缓作用随着纤维参入量的增加而增强。在王学志[12]等中通过研究玄武岩纤维-聚丙烯纤维混杂纤维的抗冻性、抗渗性来评价混杂纤维加固构件的耐久性性能。研究表明, 随着该混杂纤维的参量增加, 试件的抗冻性和抗渗性反而减小, 而单参入纤维反而增加, 证明该混杂纤维耐久性比该混杂纤维的组成纤维单独使用的耐久性弱;多参入玄武岩的混杂纤维比多参入聚丙烯的混杂纤维抗冻性和抗渗性强, 说明该种混杂纤维的耐久性主要靠玄武岩纤维含量来决定;当玄武岩纤维和聚丙烯纤维等比例参入时, 其抗渗性和抗冻性随着纤维参入量成正比, 说明该种混杂纤维的性质可能会随着组成纤维参入比例改变而不同。
3 结语
纤维增强复合材料及新型结构体系 篇5
【摘要】
简单介绍土木工程材料的发展与历史、几大纤维原丝的生产工艺，介绍FRP材料的特性与种类并分析其优缺点，深入介绍为实现FRP材料高性能化所运用的技术及FRP四大加固技术，提出问题并探讨FRP材料增强新结构。【关键词】
FRP材料
结构
加固
增强新结构 引言
FRP 是复合材料，由于单一材料在性能方面或者其它方面无法 满足具体的需求，所以有了 FRP 的存在，FRP 是将两种或者两 种以上的材料组合而成的新型材料，它是一种高性能纤维复合材料和工程专用纤维复合材料。高性能 纤维复合材料属于高分子复合材料，它是由各种高性能纤维作 为增强体置于基体材料复合而成。其中高性能 纤维是指有高的 拉伸强度和压缩强度、耐磨擦、高的耐破坏力、低比重等优良 物性的纤维材料，它是近年来纤维高分子材料领域中发展迅速 的一类特种纤维。高性能 纤维的发展是一个国家综合实力的体 现，是建设现代化强国的重要物资基础。高性能纤维复合材料 是发展国防军工、航空航天、新能源及高科技产业的重要基础 原材 料，同时在建筑、通信、机械、环保、海洋开发、体育休 闲等国民经济领域具有广泛的用途。
１.土木工程材料的发展与历史
1.1历史
远古时期，人类于穴巢居住；石器时代，人们挖土凿石为洞（古崖居）、伐木搭竹为棚；封建时期，人们可用砖木建房；1760年欧洲工业革命，建筑材料实现了质的飞跃，其标志为钢材、水泥、混凝土的发明与应用；二十世纪开始后，复合材料及高分子材料得到快速发展。1.2传统土木工程材料的缺点（1）耐久性差：如钢筋，型钢，拉索等
（2）性能单一性，不可设计性：如震后可恢复性较差
（3）低强度重量比，限制结构的发展：如大跨斜拉桥，悬索桥等（4）无法实现自监测功能：结构安全性能隐患 1.3土木工程材料的基本性质
（1）材料的力学性质 A 强度与比强度 B 材料的弹性与塑性 C 脆性和韧性 D 硬度和耐磨性;（2）材料与水有关的性质: A 材料的亲水性与憎水性 B 材料的含 水状态 C 材料的吸湿性和吸水性 D 耐水性 E 抗渗性 F 抗冻性（3）材料的热性质: A 热容性B 导热性 C 热变形性
（4）材料的耐久性,是指用于构筑物的材料在环境的各种因素影响下, 能长久的保持其性能的性质
1.4土木工程材料的发展趋势
随着地球人口的增长，人类为了生存之需，土木工程材料未来至少应朝5个方向发展，及高空、地下、海洋、沙漠及太空。同时，绿色、高性能的材料亦是土木工程材料的发展趋势。2.纤维原丝
2.1我国鼓励发展的四大高科技纤维：碳纤维（CF）、芳纶（AF）、超高分子量聚乙烯纤维（UHMWPE）、连续玄武岩纤维（CBF）
2.2碳纤维生产工艺
碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7~9倍，抗拉弹性模量为230~430Gpa亦高于钢。因此CFRP的比强度即材料的强度与其密度之比可达到2000Mpa/(g/cm3)以上，而A3钢的比强度仅为59Mpa/(g/cm3)左右，其比模量也比钢高。
2.3玻璃纤维生产工艺 池窑拉丝工艺又被称为一次成型工艺，这种生产工艺是将各种玻璃配合料在池窑熔化部经高温熔成玻璃液，在澄清部排除气泡成为均匀的玻璃液，再在成型通路中辅助加热，经池窑漏板，高速拉制成一定直径的玻璃纤维原丝。一座窑炉可以通过数条成型通路，安装上百台拉丝漏板同时生产。
2.4玄武岩纤维的制备
连续玄武岩纤维的生产流程图窑前料仓玄武岩矿石称量加料机浸润剂粗纱细纱其它制品烘干拉丝机原丝 2.4.1玄武岩的分布与作用 玄武岩(basalt)属基性火山岩。是地球洋壳和月球月海的最主要组成物质，也是地球陆壳和月球月陆的重要组成物质。玄武岩在地球上分布广泛，遍及各大洋和各大洲。月球玄武岩是构成月球的主要岩石之一。主要分布在深海洋脊、洋盆内群岛和海山岛、弧和活动大陆边缘、大陆内部，可作为基石研磨材料来磨金属、磨石料，同时可用于作过滤器、干燥器、催化剂等。
2.4.2连续玄武岩纤维 连续玄武岩纤维（Continuous Basalt Fibre 简称CBF）是以火山岩为原料经1500℃高温熔融后快速拉制而成的连续纤维，其外观为金褐色，属于非金属的无机纤维，被称为21 世纪无污染的“绿色工业原材料”。同时，连续玄武岩纤维是关乎国家安全的重要战略物资，是支撑高技术产业发展的新型高技术绿色纤维材料；又是国民经济发展新的基础材料 ；也是国民经济发展新的增长点的绿色原材料！2.4.3中国发展玄武岩连续纤维的前景
（1）原料，我国地域辽阔，玄武岩储量非常丰富，但不同玄武岩纤维需要不同类型的玄武岩（2）市场，中国本身就具有新材料应用的庞大市场（3）成本，中国具有低成本制造玄武岩纤维得天独厚的条件
（4）技术，全球玄武岩纤维的技术及规模尚处于初级阶段，这给我们追赶乃至超过国外的先进 技术水平提供了很大的发空间和市场机遇 3.纤维复合材料
纤维复合材料是以纤维材料作为增强材与基体结合形成的复合材料，简称FRP(Fiberreinforced polymer)。在城市工程中常用的FRP材料有：碳纤维FRP，芳纤 维FRP，玻璃纤维FRP和玄武岩纤维FRP。3.1 FRP材料的种类
（1）FRP 片材，包括 FRP 布和 FRP 板：主要用来粘贴在混凝土结构的表面对其进行加 固补强
（2）FRP 棒材，包括 FRP 筋和 FRP 索：主要在 FRP 筋混凝土结构、FRP 预应力混凝土 结构和桥索 中替代钢筋和钢绞线；（3）FRP 网格材和 FRP 格栅：作为混凝土结构中的配筋或简易工作平台
（4）FRP 拉挤型材：截面形式灵活多样，力学性能好，用途广，是 FRP 结构应用的主要 产品
（5）FRP 缠绕型材：主要用作 FRP 管混凝结构土，可以作为柱、桩，甚至梁，使构件 性能大大优于普通钢筋混凝土
（6）FRP 夹层结构和蜂窝板： 由上下面的 FRP 板和夹心材料组成，充分利用了面层 FRP 材 料强度，有很高的强度重量比和刚度重量比，是非常合理的构 件形式，主要在梁和桥板中应用
（7）还有一些其它工艺的 FRP 产品，如：模压产品、层压和卷管产品、热塑性成型产品以 及手糊产品（低压接触）等等 3.2 FRP材料的特性
（1）轻质高强。FRP 材料最突出的优点在于它有很高的比强度（极限强度/相对容重），即通常所说的轻质高强。FRP 的比强度是钢材的 20～50 倍，因此采用 FRP 将会大大减轻结构自重。在桥梁工程中，使用 FRP 结构或 FRP 组合结构作为上部结构可使桥梁的极 限跨度大大增加[4,5]，并且可以减小地震作用的影响（2）良好的耐腐蚀性。可以在酸、碱、氯盐和潮湿的环境中抵抗化学腐蚀,这是传统结构 材料难以比拟的。目前在化工建筑、地下工程和水下特殊工程中，FRP 材料耐腐蚀的优点已 经得到实际工程的证明
（3）良好的可设计性。与传统结构材料相比，这是 FRP 所独有的。工程师可以通过使用 不同纤维种类、控制纤维的含量和铺陈不同方向的纤维设计出各种强度和弹性模量的 FRP 产品。而且 FRP 产品成型方便，形状可灵活设计 4.纤维复合材料的高性能化
4.1混杂/复合技术 主要包括多种纤维混杂技术 与纤维与钢筋复合技术。其中，由于单种纤维性能较为单一，如碳纤维的价格高、抗冻融不佳、抗辐射差，玻璃纤维、玄武岩纤维等疲劳强度不高、蠕变大、耐碱腐蚀不佳等，从而产生了多种纤维混杂/复合技术。即将性能各异的多种纤维材料，按照不同的结构性能要求，进行混杂设计达到不同的力学性能，从而从根本上改变传统材料单一不可设计性。而纤维与钢筋复合技术则是通过复合界面粘结提升技术、树脂提升技术、筋材表面处理技术，实现钢筋与纤维有效混杂和复合，从而提高其性能。
4.2 FRP智能化 FRP智能化主要体现在两种材料的应用上，即混杂碳纤维传感材料与自传感FRP智能筋/索。首先，单种碳纤维在出现断裂前尽管线性好，但在很大一个应变区间电阻变化率很 小，一般在1-2%以下，在现场很难进行精确测量；且在通常情况下，碳纤维电阻的快速变化往往伴随着碳纤维的最终断裂，导致有效测量范围较窄。所以，我们运用碳纤维传感混杂技术与碳纤维传感增敏技术来降低小电阻变化率所对应的应变范围，同时在整个测量范围内，可以使电阻随应变的变化出降现一个阶梯状变化的关系。
其次，由于分布式光纤传感具有分布式的测量优势和光学测量的稳定性，是最佳的传感元件之一，但是光纤本身比较脆弱，与土木工程的恶劣环境不能相容，而FRP具有优异的力学性能和耐久性能，且与光纤之间存在天然的物理相容性，所以我们将光纤与FRP进行复合，得到了自传感BFRP智能材料。这种智能材料具有优良的传感性能、高强的力学性能、卓越的耐久性能，同时在环保、价格上具有较高的综合优势，被认为具有广泛应用前途。
5.纤维复合材料加固结构 相比于FRP加固，传统加固方法具有施工周期长、难度大、费用高、复杂结构不易加固、不能高效修复和提升钢筋混凝土(RC)结构功能等缺点。而如今在国际上FRP加固重大工程结构技术已进入主流地位。如：澳大利亚西门大桥40余公里桥段采用FRP加固；3.11东日本大地震显示了FRP加固铁路高架桥效果优于钢材。现今，纤维复合材料加固结构共有以下五大技术： 一是FRP抗弯/抗剪承载力加固技术，此技术是单将FRP片材（板材）粘贴于钢筋混凝土梁的底面和侧面，这是提高钢筋混凝土构件抗弯/抗剪承载力的一个有效措施。首先，FRP将与受拉钢筋一起提供抗弯作用从而起到抗弯加固的作用，其破坏的主要模式为FRP拉断、顶部混凝土压碎、FRP-混凝土界面剥离三种方式；其次，粘贴于混凝土梁/柱侧面的FRP与抗剪腹筋作用类似，是用于限制混凝土斜裂缝发展，从而起到抗剪加固的作用，其主要破坏模式为FRP拉断、FRP-混凝土界面剥离。
二是FRP抗震加固技术，由于FRP材料具有高强、轻、薄、易于施工的特点，因此与传统的包钢或增大混凝土截面加固方法相比，FRP材料具有明显优势。FRP抗震加固可以通过包裹粘贴或封闭缠绕纤维布，或在柱外侧套上预制成型的FRP管来实现，此技术对柱抗震加固具有重大贡献，可提高混凝土的变形能力、柱延性、柱抗剪能力与抗压强度，同时降低轴压比。
三是FRP预应力加固技术，此技术的三大步骤为：预张拉不含浸纤维布、粘结和养护、剪断释放端部纤维布。预应力FRP加固混凝土能显著提高构件的开裂荷载、屈服荷载和极限荷载，改善受弯构件在长期荷载的力学性能，提高构件的疲劳寿命；预应力CFRP加固钢梁后，其屈服荷载和极限荷载相对于对比梁都有明显的提高，其提高的程度随着预应力CFRP的用量和预应力水平的提高而增大；预应力CFRP加固对钢梁的刚度提高作用也比较明显，对低强度的钢材，提高效果更明显。而采用预应力FRP加固工程结构的关键问题在于预应力的施加体系、预应力控制值、预应力损失和端部的锚固。
四是FRP网格水下加固技术，此技术通过预制、潜水、安装、压浆四个步骤来实现，通过FRP网格水下加固技术，结构受力性能和耐久性能均显著提高，同时，此技术已形成了一套完整的施工功法，大大降低了成本与工期。6.纤维复合材料增强新结构
6.1背景问题及提出 目前土木工程在材料上存在三大问题：其一是是钢材腐蚀问题严重，基础设施服役周期长，钢材腐蚀因素过多，给世界各国带来巨大损失，尤其是基础设施建设规模已超过世界上其他国家总和的我国，面临的局面尤其严峻。同时，国家海洋战略中需要建造各种海洋工程设施，导致钢材在海洋环境中的腐蚀问题更加突出。其二是重大工程结构各项性能亟需高度提升，在现今的工程中，正常使用条件下的部分结构仍然存在短命及安全隐患问题（预应力混凝土大跨箱梁桥几乎是“无箱不裂”，结构下挠现象突出，工程结构倒塌事件多有发生），同时极端荷载（地震、爆炸、冲击）作用下重大结构的安全设计还没有完全解决，各种快速修复要求的可修复性设计的基础理论也未建立。最后是重大工程结构的轻量化，现在的高层建筑、大跨桥梁等重大工程结构85%以上是自重，这巨大重量意味着结构的高负荷、高地震响应和高成本。因此，需要轻量化进行结构减压和超越，以实现其高性能和长寿命。6.2损伤可控结构抗震设计理论
现有规范抗震设计要求“中震可修“，但无定量的计算方法，同时其变形性大、不可修复，而新型抗震设计要求”中、大震可修“，其变形性小，但缺乏理论指导与设计方法，由此诞生了损伤可控结构抗震设计理论。其原理如下图所示：
6.3全BFRP筋增强混凝土结构 与传统材料相比，全BFRP筋具有以下三大优点:粘结性能提升、弯折搭接更灵活、承载能力（抗弯承载、抗剪承载）更强。其计算如下（粘结滑移）（弯折搭接）MuEuA(hxc/2)（抗弯承载力）
V0.7ftbh0ffAfh0/s（抗剪承载力）
6.4 FRP索结构 FRP索结构的一个应用为体外预应力索。体外预应力索的布索方式分为单纯型和混合型。单纯型将预应力索部分布在构件截面以外，混合型则将预应力索部分布置在构件截面以外，部分布置在构件截面以内。截面以外的预应力索大多锚固在桥梁支座外或中间横隔梁上，中间通过设置转向来改变索的方向，因此一般情况下体外预应力索多呈折线型。由此可知，索只能在转向块处与混凝土接触，因此能够大大减少预应力摩擦损失，提高预应力效益。索布置在腹板以外，避免了体内布筋时腹板中由于波纹板较密，腹板不易振实的缺点。此外，索布置在体外，可以很方便的维护和替换。
6.5FRP组合结构 FRP 组合结构包括混杂FRP-混凝土组合结构、钢-FRP组合桁架结构体系与FRP桥面板-钢梁结构。它是指将 FRP 与传统结构材料，主要是混凝土和钢材，通过受力形式上的组合，共同工作来承受荷载的结构形式。FRP 与混凝土通过合理的组合方式使 FRP 型材与混凝土共同受力，发挥各自的优势，达到提高受 力性能、降低造价、增强耐久性、便于施工的目的。FRP 与钢材组合，可发挥出钢材的高弹性模量和 FRP 耐腐蚀、耐疲劳性能好的优势，达到互补的效果。可在拉挤 FRP 型材时，直接将钢筋和钢丝嵌入 型材中成型；也可在钢结构外部采用 FRP 型材封闭，一方面防止钢结构锈蚀，另一方面可与钢结构共 同受力。还可用钢结构骨架与 FRP 织物蒙皮结合的组成蒙皮结构。结语
随着经济高速发展和技术飞速进步，世界各国对土木工程的要求越来越高。在有些条件下传统建 筑材料很难满足这种发展要求。FRP 复合材料具有轻质，高强，耐腐蚀，抗疲劳，耐久性好，多功能，适用面广，可设计和易加工等多种优点。在重要的土木工程中，如超大跨，超高层，地下结构，海洋 工程，高耐久性的应用，以及特殊环境工程，永久性工程，结构加固修复，大型工程结构的在役监测 等的应用，都具着巨大的优越性。它可以满足现代土木工程，对新型建筑材料提出更新，更高的要求。FRP 复合材料作为一种新型的有发展潜力的建筑材料与技术，并不是要取代传统的建筑材料-钢材与混 凝土，而是做为传统建材的一个重要补充。FRP 复合材料在土木工程中的应用技术与材料研究开发,在 当今世界上已成为复合材料界与土木工程界共同研究开发的一个热点。该技术研究开发成功后将会极 大地推动现代土木工程的技术进步。它还将为现代复合材料产业开辟出巨大的应用市场，因而具有非 常广阔的发展应用前景。参考文献
[1] 叶列平，冯鹏.FRP 在工程结构中的应用与发展．土木工程学报，2006，03：24—34 [2] 王全凤，杨勇新，岳清瑞.FRP 复合材料及其在土木工程中的应用研究．华侨大学学7 报，2005，01
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高技术纤维材料 篇6
根据2015年1-11月的贸易统计，日本的成衣进口金额（按日元计算）同比增长6%，而柬埔寨增加56%、越南增加25%、印度尼西亚增加23%、缅甸增加17%、泰国增加11%，东盟各国都获得了两位数百分比的增长。这是由于最大的进口地中国因人工费用等生产成本上升，使得缝制向东盟地区转移的缘故。
但东盟各国和中国相比，产业上游、中游的生产能力薄弱，在东盟区域内的原料采购成为瓶颈。在日本纤维输入组合的协助下，日本纤维输出组合于去年2月集中11家成员企业，首次举办了这些企业在东盟地区内拥有的供应资源面料展会，有1300多名观众前来参观，获得了好评。
本次参展企业有一村产业公司、伊藤忠商事公司、STYLEM公司、宝本商事公司、田村驹公司、蝶理公司、帝人富瑞特公司、东光商事公司、东洋纺STC公司、东丽集团、丰岛公司、日铁住金物产公司、尤尼吉可贸易公司。
JIAM2016
展出展位增加25%
据日本缝制机械工业会（JASMA）称，将于4月6日-9日在INTEX OSAKA（大阪市住之江区）举行的“JIAM2016OSAKA”的参展展位数顺利增加，还确定了在5号馆B区举行的主办方特别讲座及主题区的内容。
截至1月7日，有204家企业参展，连续参展企业中有30家企业（25家日本企业、5家海外企业）扩大展出规模。有59家企业是首次参展，其中日本企业31家，海外企业28家。总计展位数比上一届（2012年）增加25.4%，尤其是JASMA成员企业的参展展位大幅度增长了28.9%，海外企业的展位数也增加了23.3%。
有来自13个国家和地区的海外企业参展，包括德国、意大利、土耳其、捷克、新加坡、印度、泰国、中国（包括港澳）、中国台湾、韩国、美国，还有首次参展的孟加拉企业。欧洲参展企业以德国缝制·皮革机械工业会为主体，扩大了德国展团的规模。
这次在2号馆新设置了针对印花、设计软件、刺绣加工特化的“Print& Fashion Zone”。包括很多首次参展企业在内，有30多家企业在这一区域参展。
今治毛巾2015年生产情况
连续六年实现增长
爱媛县今治毛巾产地的纱线厂商团体今治丝友会统计了2015年的棉纱交货数量，比上一年增长2.8%，为64439捆（1捆为400磅），连续六年超过上一年。其中1、2、3、5、7月五个月低于上一年同月，但除了1、2月是减少了5%以上外，其余各月都是略微减少。另一方面，10？12月的累积同比增长12.1%，在下半年挽回了局势，维持了良好的势头。
从支数上来看，2015年20支棉纱销售增长5.1%、40支增长10.9%，而30支减少了3.4%。进口棉纱减少13.1%，所占市场份额也比2014年下降3个百分比，为16.3%。
12月的交货数量也比上一年同月增长17.9%，达到5535捆，20支棉纱增长21.0%、30支增长21.8%、40支增长20.9%，都是连续两个月生产增长达到两位数百分比。进口棉纱减少7.6%，市占率也减少4个百分比，为13.6%。
“Laox大丸心斋桥店”
大阪旗舰店2月1日新装开业
Laox公司（东京都港区）旗下的“Laox大丸心斋桥店”（大阪市中央区）经过重新装修扩大了营业面积，集中了热门的店铺及商品，作为大阪地区最大规模（约3900平方米）的旗舰店于2月1日重新开业。
作为针对访日外国游客的店铺，Laox从2016年开始以“把日本的优秀商品带给世界”为主题，新开设“Japan Quality Store”。Laox心斋桥店就是其先驱，面积扩大到原来的约10倍，是该公司最大规模的店铺。
该公司与ONWARD-HD公司合资以向访日海外游客提供日本时装为目的成立的ONWARD J Bridge公司也将首次开店，此外还销售手表及珠宝、家电产品、化妆品、食品等日本品质的产品。
苏州泉屋
顾客对象扩大到30岁年龄层
H2O RETAILING公司旗下的IZUMIYA公司中国法人苏州泉屋百货公司经营的“泉屋苏州天都广场店”2楼的女装卖场销售额在2015年获得大幅度提升，显示出重新装修的效果。2016年将对男装、童装卖场采取措施以提高销售额。
2011年11月开张时，以20岁年龄层为对象集中了一批女装成衣品牌，但由于30岁年龄层的新家庭成为该店的主力顾客，所以把顾客对象拓展到30岁年龄层，调整了入驻品牌结构，并充实了首饰及杂货、美容相关商品。
这些措施取得成效，2015年女装卖场的销售额比上一年增长了四成多，是该店里增长幅度最大的卖场。奥田孝之总经理说明道：“通过扩展顾客对象，提高了顾客回头率，一些日系及韩系品牌销售旺盛。”
另一方面，由于3楼的男装和童装销售还很低迷，所以在2016年将减少童装卖场中的杂货商品，充实服装商品等。
该店中有178个入驻品牌，其中成衣有14个品牌，从销售额比例来看，服装商品约占整体的33%，除了“UNIQLO”外为21%。“还需要进一步提高服装的销售”（山边靖彦副总经理），今后也将发挥卖场编辑能力，促进卖场的活性化，引进还没有到苏州来的品牌等。
nlc202309090815
青山商事
发售“日本产”西服
青山商事公司最近开始限定销售2000件强调“日本生产”的西服，以满足近年不断增加的访日外国游客的需求。在该公司于日本全国开设的83家可免税店铺以及网店中销售。商品使用最高级的日本国产面料，缝制也全部在日本国内进行。
面料使用御幸毛织公司的纯羊毛面料，展示优秀的风格、肌肤触感和表面效果。面料裁剪到缝制加工则在青森县的缝制工厂进行，利用优美的线条和轻盈的穿着感觉实现与其他商品的差别化。发售时期设在中国游客利用春节假期来日本游玩的时间段。
过去该公司有过使用日本国产面料的商品，但很少有缝制都在日本国内进行的西服。该商品有黑色、深蓝、灰色、棕色4种颜色共9个款式，销售价格为99000日元。
小松精练
在德国“ISPO”展会上获好评
小松精练公司参加了1月24日-27日在德国慕尼黑举行的运动用品专业展会“ISPO MUNICH2016”，展出“RUGANO”、“MONALISA”等独创开发加工并积极进行商谈。
据该公司称，由于暖冬的影响，展会整体的观众人数似乎减少了，但该公司仍然实现了预期的商谈，样品发放数量也超过了上届展会。有35家公司的观众到该公司展位参观，并收到560件样品申请。
正如参展主题提出的“Fashion（感性） + Function（功能）”，展出数码印花加上透视、防水等功能加工的面料等，还有去年秋季投入市场的超光泽面料也很有人气。
双日纤维（上海）
加强OEM和生产管理
双日纤维（上海）公司2015年的销售额超过了当初目标的50亿元。针对中国内销的成衣OEM以及对日成衣的生产管理的销售额几乎各占一半。2016年停止销售面料，针对成衣OEM和生产管理特化，销售额目标是50亿-60亿元。
针对内销的成衣OEM主要顾客是中国运动服大型品牌，主要商品是春夏季的T恤以及卫衣、秋冬季的薄羽绒服。
最近随着跑步人口的增加，跑步服装的订单也增长了。寄高谦董事长称，“优势是拥有针织和梭织的合资工厂。公司的设计师的水平提高，我们提出的方案被顾客采用的几率也提高了。”2016年将深化与运动服装成衣厂商顾客的合作。
对日出口由于日元贬值而情势严峻，对此也发挥合资工厂等生产优势，维持了贸易额。寄高董事长称“现在并没有感到‘向东盟转移’的影响”。另一方面，针对中国顾客的面料销售增长乏力，这几年一直处于减少趋势。虽然现在停止单纯销售面料，但针对成衣OEM的面料开发会继续下去。
郡是
只要穿着就能获取身体信息
郡是公司此前开发了“可穿戴用途功能面料”。只要穿着就能获得vital data，还可用于家畜的冷却服等。可穿戴用途面料的用途之一是获取vital data的服装。利用成衣厂商的技术，能在兼具舒适性和功能性的同时获取身体数据。还有使用针织技术在面料中形成电路，通过外部电源加热特定部位的发热针织服装。
郡是公司以这次开发为契机，和日本电气公司（NEC）合作建立只要穿着就能计测身体数据的服装型可穿戴系统。系统中装有可穿戴设备，获得的数据能自动以无线方式传送到智能手机，通过专用APP能确认自己的身体信息。数据通过智能手机储存在NEC的云端上。
2015年日本国内合成纤维生产分析
合成纤维生产跌破80万吨
根据日本化学纤维协会的统计，2015年日本化学纤维产量比上一年减少1.5%，为960774吨。其中合成纤维减少了1.9%，为788969吨，跌破80万吨大关。这是由于主要产品尼龙长纤维、涤纶长纤维、涤纶短纤维产量都低于上一年的缘故。
针对纸尿布等卫生材料用途销售旺盛的聚丙烯长纤维（包括纺粘无纺布）增长了2.8%，为77388吨。聚丙烯短纤维增长4.8%，为56611吨，长短纤维的产量总和超过了涤纶长纤维产量。
由维尼纶、芳纶纤维、氨纶、碳纤维的原材料（腈纶长纤维）构成的“其他纤维”也增长5.0%，为161936吨。铜氨丝纤维、醋酸纤维、人造丝短纤维等组成的纤维素纤维增长0.4%，为171805吨。
主要4品种中尼龙长纤维产量减少8.6%，为89567吨。服装用途在日本国内、海外都很低迷，产业资材用途的安全气囊用途的出口也减少了。涤纶长纤维减少5.9%，为127663吨，服装用途都很低迷，室内纺织品用途也销售不佳，产业用途的车辆用途增长乏力。涤纶短纤维减少8.4%，为134287吨。纺纱用途的制服用途需求告一段落，填充棉用途低迷，但针对卫生材料的无纺布用途销售良好。主要品种中唯一超过上一年的是腈纶短纤维，保暖内衣用途销售良好，但毛毯及地毯等室内纺织品用途销售不佳。出口情况良好，腈纶短纤维整体增长0.5%，为141517吨。
主要4品种产量总和为493034吨，低于50万吨，在化纤全体中所占比例为51.3%（上一年为53.4%），勉强保持了超过50%的水准。
“YUMI KATSURA”巴黎发布会
纯金婚纱受到好评
“YUMI KATSURA”此前举行了2016巴黎高级时装新作发布会。
发布会以“magical oriental gold”为主题，发布了友禅风格的20件新婚纱和3件男士正装。其中纯金婚纱、使用涂有金属颜料的纱线长裙产品等受到好评。
纯金婚纱采用极细的铜氨丝纱，用金丝和金箔卷绕开发出纯金纱线，使用82000米这种纯金纱线织造面料，并施加纯金丝的刺绣。重量很轻，散发着华丽动人的光辉，预计销售价格为3000万日元。
桂由美称：“两次秀都满员，来场人数超过了400人。很多人都对纯金的婚纱非常感兴趣。有的观众称赞这些作品完美地融合了日本文化与欧洲文化，对此非常高兴。首次推出的男装也受到好评。今后还将推出友禅的男装衬衫以及大衣等。”（图片参见封面）
高技术纤维材料 篇7
本研究通过试验,以改性后复合材料的抗拉强度及质量为依据判定制定工艺的优劣,在前人研究的基础上,对填充改性PTFE密封复合材料的制备技术进行了分析,为深入研究改性PTFE密封复合材料的制备技术提供可靠依据。
1 试验材料
试验材料包括PTFE树脂与纤维,表1,表2为两种PTFE性能指标,表3为碳纤维技术指标。
2 制备工艺
填充改性PTFE的制备工艺流程如图1所示。
成型工艺的成型压力为15MPa,保压时间为15min,放气次数为3次;烧结工艺中的升温速率为80℃/h,烧结温度375℃,保温时间1.5h,降温速率为60℃/h,并在升温和降温环节温度达到315℃时保温0.5h[2]。
对于采用粉末冶金法制备的复合材料来说,混料在复合材料的制作过程中是一步很关键的工序,如果混料不匀,纤维与粉末产生偏聚,纤维周围不能被基体粉末包围而造成复合不良,则纤维不仅起不到增强作用,反而会成为缺陷分布在基体中[3]。
只有当经处理过的碳纤维均匀分散在PTFE树脂粉体时,PTFE复合材料的各项力学性能才能充分发挥出来,因此碳纤维的分散问题一直是制备碳纤维增强PTFE复合材料需要优先解决的问题。
3 混料工艺
碳纤维在PTFE粉体中的分散有两方面的含义:一是碳纤维自身的分散,即分散较好的碳纤维之间应不聚集、不结团或形成束,即通常意义上的分散;其次是指碳纤维在PTFE树脂粉体中的整体分散,好的分散应使粉体中纤维含量均匀,即通常意义上的分布。要得到各项综合力学性能十分良好的分散体系,必须针对碳纤维在这两方面的分散性进行研究。
为使经处理过的碳纤维能够在PTFE树脂粉体中均匀的分布,必须将PTFE树脂粉体和碳纤维在高速搅拌机中混合。由于碳纤维单丝细小,比表面积大,在混料过程中极易发生打结团聚,一旦碳纤维出现结团现象,势必产生“粉体包纤维,纤维包空气”的结构,会导致内部的不均匀性以及空气的截留。在PTFE树脂与碳纤维浸润过程中,易在界面上形成许多微小未润湿的孔穴,这不但没有一个良好的界面来传递应力,而且成为应力集中源,使复合材料的各项力学性能严重变差。因此,混料工艺过程中需要从搅拌时间和加料方式入手,寻求最佳的混料方式。
p-100和p-200纤维长径比较小,可视为纤维粉;p-400和p-3200纤维长径比较大,可视为短纤维。高聚物的结晶理论计算得出,纤维粉改性PTFE材料中填料的最大允许填充含量为32.8%;短纤维最大允许填充含量为11.8%[4]。
3.1 混料工艺一
采用山东华氟化学公司生产的LUFS-4S-02-B等级的PTFE粉和改性碳纤维一次性分别放入高速搅拌机搅拌进行混合。
在实验中发现,当纤维搅拌时间过长时,对于P-400和p-3200有大量的黑色粉末出现,这说明碳纤维受到了损坏。为了降低碳纤维的受损程度,应尽量缩短纤维在搅拌机内的停留时间,但搅拌时间越短,不均匀性就越明显,因此需要通过实验确定合理的搅拌时间。探索性实验表明,对于碳纤维-PTFE混合系统的搅拌时间至少达到20min以上,才能使系统具有相对良好的均匀性,但此时纤维的破坏已经相当严重,搅拌时间为15min时,破坏程度有所降低。
通过观察混料过程中料粉形态以及模压烧结后的制成品的表面质量判断混料工艺及碳纤维合适的长径比。图2为短碳纤含量为15%(wt,下同)时混料过程中混合料粉的形态。左侧图中显示的是P100型短碳纤混料过程中料粉的形态(未过筛),右边为P-200型。可见,长径比较大的P200型碳纤的加入,使混合料呈明显团聚后的颗粒状,而P100混合料则更接近于粉料。另外,在料粉模压过程中,由于团聚现象的存在,很难将P200混合料在模具中铺排均匀,且烧结后成品表面粗糙不平、伴有毛刺。这种现象在P400、P-3200混合料的混合及模压中更为明显。如图3所示,左侧和右侧分别为P100和P200混合料模压烧结后的成品。可见P100制品外观光洁、平整、质地均匀,而P200制品的表面质量则较差。
制备过程中发现,当P200、P400含量较少时,制品的表面质量要好的多,和P100没有较大的差别,其制品的抗拉强度优于P100。但是当P200、P400的含量较大超过10%时,由于团聚现象的存在,会造成制品抗拉强度离散性很大。如图4所示,为厚度在1.6mm的不同长度碳纤改性PTFE复合材料5个样品的抗拉强度分布情况。可见P200、P400制品的抗拉强度的离散度较大,且P400制品比P200制品更明显,而P100制品的抗拉强度较稳定。
由于制备的是改性PTFE垫片密封材料,为了提高其综合性能,特别是其抗蠕变松弛性能,经实验发现采用P100沥青基碳纤维作为单填料改性PTFE的填充相,添加量一般都大于10%[5]。
另外,在研究过程中可发现,当纤维填充量小于10%以后(纤维填充量较小时),由P200型的短碳纤维填充制得的PTFE材料,其抗拉强度甚至可以略高于P100,且与填充量较高时不同,制品的均匀性有所提高。故有时也可将少量P200型碳纤维作为混杂纤维改性PTFE的填充相与其它纤维品种配合使用。
3.2 混料工艺二
将PTFE悬浮细粉树脂(JF-4TM)和4%改性P-3200碳纤维进行搅拌混合。
采用单次填料的方法,虽然延长搅拌时间,但很难避免碳纤维结团现象的发生,因此,采用分次添加PTFE树脂的方法。少量的粉体与纤维在腔体内高速旋转,相对加速度较大,即使少量纤维出现结团现象,粉体通过高速撞击,可以逐渐进入纤维团内部,随着纤维团内部的粉体量的增加,加之运动速度极大,粉体会将纤维团涨开,破坏其团聚结构,因此,可将PTFE树脂等分成若干份,逐次添加,这样可以在开始阶段获得碳纤维与树脂粉体较大的比例,使得纤维在粉体中分散均匀。图5为搅拌时间10min的情况下,不同添料次数对混合效果的对比图片,各图均为过筛前效果。
由图5可知,随着添料次数的增加,碳纤维与PTFE粉体的均匀程度逐渐变好,图(d)、图(e)、图(f)中的碳纤维已经分散良好,且三幅图并无明显差异,考虑到工艺的易行性,分4次添料为最佳选择。图6为经过1次添料和4次添料混合模压成型并烧结后的对比图片。可见分4次添料后模压烧结的制品质地均匀,且表面光滑,而单次添料的制品在均匀度和表面光滑度方面明显劣于4次添料的制品,而且表面出现鼓泡现象,内部存在裂纹,如图7所示。
在搅拌过程中,碳纤维和PTFE粉体在高速搅拌机的混合腔内高速运动,剧烈摩擦,产生大量的热量,导致温度迅速上升。当温度超过50℃时,PTFE树脂粉体颗粒的表面黏度逐渐开始增加,粉体之间“抱团”现象明显,严重影响了碳纤维在粉体中的分散均匀度,因此,在搅拌过程中还需引入阶段性降温的环节。
由于添料次数为4次,搅拌时间为10min较为理想,而每次添料前都需将高速搅拌机置于停止状态片刻,以使得混合腔中悬浮的纤维和粉体颗粒自然沉降,避免打开盖板时纤维与颗粒飘出,既保证了实验的准确性,又节约环保。因此,可以适当延长添料前的等待时间,使混合腔自然冷却,待温度降至20℃以下时,再打开盖板添加PTFE树脂。
p-100,p-200,p-400碳纤与PTFE的粉体混合亦可采用此工艺。
4 结果与讨论
表4为采用混料工艺一时15%p-100碳纤改性PTFE的抗拉强度,表5为采用4%p-3200碳纤改性PTFE的抗拉强度。
由表4可知,虽然碳纤粉填充后在强度方面对材料没有起到有利的作用,填充后PTFE材料的抗拉强度要低于纯PTFE材料,但碳纤粉的填充改性对于提高材料的密封性能还是具有显著效果[5]。
由表5可知,采用混料工艺二,通过合适的表面处理方法,制备的复合材料的抗拉强度显著提高。
5 结论
(1)采用分次添加、阶段性降温的方法,有效地解决了混料工艺中由于碳纤维长径比较大而出现纤维结团现象的问题,使得碳纤维在PTFE粉体中分散均匀,最佳的添料次数为4次,搅拌时间约为10min。
(2)纤维粉对改性PTFE复合材料的抗拉强度有削弱作用,短纤维可以在一定程度上提高复合材料的抗拉强度。
(3)碳纤维表面处理工艺中,等离子处理法对复合材料的抗拉强度提高最好。
摘要：以碳纤维为增强材料,采用冷压成型和自由烧结工艺制备改性聚四氟乙烯(PTFE)密封复合材料。通过制备工艺的实验研究,详细分析了混料工艺,得出:最佳的添料次数为4次,搅拌时间约10min;碳纤维粉对复合材料的抗拉强度有削弱作用,短碳纤维提高复合材料的抗拉强度;等离子表面处理法对复合材料的抗拉强度提高最好。
关键词：聚四氟乙烯,纤维,密封材料,制备技术
参考文献
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[3]甘永学,陈汴琨.短纤维与粉末混料的溶剂湿混法[J].材料工程,1991,(1):25-27.
[4]何曼君,陈维孝.高分子物理[M].上海:复旦大学出版社,2001.
高技术纤维材料 篇8
1 固态复合成型方式
1.1 热压法
热压法所涉及到的工艺流程主要可以被概括为:第一步就是要把铝基和连续纤维这两种物质制成复合材料的预制片;第二步就是结合需要制作的零部件的具体形状以及实际尺寸大小裁剪预制片, 与此同时还需要遵照纤维方向进行叠层排布, 并做到在惰性气体或者是真空的环境中, 对这种叠层材料实施加热及加压, 使其能够扩散, 在扩散之后能够粘接成型, 最终目的是为了获得连续纤维增强铝基复合材料。这种方法关键是利用了金属自身具有扩散和塑性变形等作用。
1.2 热等静压法
这种方法的工艺过程其实和热压法是具有一致性的, 不同的地方就是热等静压主要是利用惰性气体进行加压, 预制片会受到来自各方向的均等静压力的作用, 但是热压法所受的压力只是单方向的。在制备复合材料的时候如果要采用热等静压法, 那么久需要在高压容器内进行, 此外还需要将加热器设置在高压容器内, 把一些叠层预制片放置到已经被抽成真空的金属薄壁成形包套中, 在对其进行焊封之后再展开热等静压, 这种情况下, 只要将包套褪去就能够轻易的得到与所需形状相接近的部件[2]。这种方法所体现出来的优势就在于金属基体及增强物两者的复合与成型这两道工序能够一并完成。因为在进行复合的工序上就已经从各个方向给预制片施加了力道相当的压力, 这以工序可以使复合材料任何一处的组织都是均匀的, 绝对不可能出现缩孔或者是气孔等缺陷, 材料的性能一般都是比较优良的, 制得的部件和所需要的形状一般都不会出现偏差等。可因为制备设备比较昂贵, 加上生产率比较低等原因, 这就在一定程度上对其在生产中的连续运用形成了限制。
2 液态复合成型方式
2.1 高压液态成型法
这种方法主要涵盖了两种方法。 (1) 加压凝固铸造法。这主要是一种采用铸、锻相结合的工艺, 因此又可以被称为挤压铸造、锻铸或者是液态模锻法[3]。首先根据零件的形状将增强纤维预制体制作出来, 之后把预制体放进铸型中, 再将液态铝浇入铸型之后向下移动顶杆并施加高压, 使得在高压条件下液态铝能够渗入到预制体中并凝固起来, 但是这种方法很难做到近净成形, 所以一般只可以铸造一些中小型的铸件; (2) 是压铸法。这种方法的主要流程是将已经编好的预制体放置到铸型中, 接着展开合模环节, 这个时候可以将液态铝压射到铸型模当中, 使其在高压条件下凝固。这种方法的优势就是铸件拥有精确度十分高的尺度、能够将形状相对而言比较复杂的薄壁壳体铸件压铸出来、能够将其他一些材料镶嵌进去, 并且还拥有较高的生产率;然而企业存在着不足之处, 其劣势是铸件的晶粒比较粗大、一般情况下容易产生气孔, 铸件的力学性能以及显微结构与加压凝固铸造法制备的铸件相比较来说没有优势。
2.2 低压液态成型法
这种方法同样涵盖了两种方法。 (1) 真空吸铸法, 这种方法一般是先把预制体放入到铸型中, 然后把铸型一端浸入到下工作室熔融的液态铝中, 之后在上工作室的另一端抽真空, 在这种情况下就可以形成一定的压力差, 就可以将铝液铸型内将纤维浸透, 等凝固之后就可以将铸件取出[4]。真空吸铸法的优势是能够确保铸件充型完整, 减少产生气泡、夹杂等铸造缺陷的概率, 在真空环境下进行充型, 还有利于避免纤维和液态铝的氧化。 (2) 真空气压浸渗法。这种方法的主要优势表现为:制备工艺比较简单、能够实现近净成型、所需成本较低、压力比较容易控制、不易导致预制体受到破坏和产生变形;其缺点主要表现为生产效率比较低、工件尺寸受到限制、设备比较昂贵等。
3 结束语
当前, 连续纤维增强铝基复合材料不管在基础理论或者是在制备工艺又或者是在性能水平方面都已经完成了巨大的进步。但实际上, 其实对这种复合材料的研究脚步依然还停留在起步阶段[5], 今后一段时期的研究将主要定位在以下几个方面: (1) 主要研究实用性的连续纤维增强铝基复合材料, 对制备工艺加以改进, 对工艺参数进行优化, 促使制备成本降低; (2) 对制备过程中的界面反应进行控制, 促使基体和增强体的湿润性得以改善; (3) 对连续纤维预制体的铺排形态以及分散技术进行研究, 促使复合材料的性能得以改善; (4) 不断探寻新的制备工艺。
摘要：连续纤维不管是在航空航天领域或者是在先进武器领域都拥有较为广阔的应用前景。所以对连续纤维增强铝基复合材料制备技术展开研究具有十分重要的意义。针对当前连续纤维增强铝基复合材料制备的一些成型工艺, 就各种类型的制备工艺所具备的基本原理和优缺点展开综述。此外还对连续纤维增强铝基复合材料制备未来的发展方向进行做出了展望, 并提出了工程化需要解决的一些关键问题。
关键词：连续纤维,铝基复合材料,研究,发展方向
参考文献
[1]黎阳, 许云书.碳化硅纤维增强典型复合材料的制备工艺研究现状[J].材料导报, 2007, (S3) :434-437.
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[3]许久海, 徐志锋, 王振军, 等.连续纤维增强铝基复合材料制备技术研究进展[J].铸造技术, 2010, 32 (12) :1667-1670.
[4]王宇鑫, 张瑜, 严鹏飞, 等.铝基复合材料的研究[J].上海有色金属, 2010, 32 (4) :194-198.
高技术纤维材料 篇9
关键词：碳纤维材料,结构加固,预应力
0 引言
建筑结构经常会由于建筑功能改变, 地震等自然灾害对结构造成损害等, 需要进行结构加固补强。在常用的加固方法中, 碳纤维加固方法由于材料自身突出的力学性能, 比重不到钢的1/4, 材料抗拉强度一般都在3 500 MPa以上等, 成为了应用较为广泛的一种加固材料[1,2]。外贴碳纤维材料对于提高所加固构件的抗弯强度、抗剪强度具有很好的加固效果。但碳纤维材料自身同时也具有材料的不足, 因此在使用碳纤维材料对结构进行加固时需要进行仔细的分析和研究, 选择合适适宜的加固方法和具体的加固材料。
1 碳纤维布和碳纤维板
在建筑结构加固工程中常用的碳纤维材料主要有两种, 一是碳纤维布;二是碳纤维板材。这两种材料具有各自不同的材料特性。
1.1 碳纤维布
碳纤维布是一种单向碳纤维加固产品, 通常采用12K碳纤维丝织造。具有两种厚度:0.111 mm和0.167 mm, 多种宽度。用于结构构件的抗拉、抗剪和抗震加固时, 与配套浸渍胶共同使用成为碳纤维复合材料, 构成性能卓越的碳纤维布片材增强体系。具有强度高, 密度小, 厚度薄, 基本不增加加固构件自重及截面尺寸等优点。
采用碳纤维布进行结构加固补强便于现场裁剪施工和对有转角的构件进行转角。但是, 由于其自身是纤维织布, 需要在加固时增加碳纤维单向织物的树脂固化阶段, 导致施工的工序和施工质量保证的难度的增加。
1.2 碳纤维板
碳纤维板是将碳纤维浸渍树脂后在模具内固化并连续拉挤成型。采用优质碳纤维原料与良好的环氧树脂加工而成, 碳纤维板材具有拉伸强度高、耐腐蚀性、抗震性、抗冲击性等良好性能。制成的碳纤维单向板材能充分发挥碳纤维的强度和弹性模量, 在施工时可免除碳纤维单向织物的树脂固化阶段, 强度利用效率高, 施工方便, 具有更高的施工质量保证。由于, 碳纤维板出厂时已经固化, 实际工程应用时, 对于被加固构件的基面打磨平整度要求很高, 否则不利于碳纤维板与加固构件的紧密贴合, 影响加固效果[3,4]。
2 碳纤维材料加固的方案
目前采用碳纤维材料进行结构加固时常用两种方式, 一种是无预应力的外贴方式, 另一种是采用预应力的方式。
2.1 无预应力碳纤维加固
被加固构件的承载力提高程度不大, 并且对于构件的开裂没有十分严格要求是可以考虑采用传统的无预应力碳纤维加固方法。该方法简单, 不需要特殊的设备, 但是对于结构承载力的提高程度不高, 同时不能利用充分发挥碳纤维材料的抗拉承载力高的特性。
该方法加固时, 首先应清除被加固构件表面的剥落、疏松、蜂窝、腐蚀等劣化混凝土, 露出混凝土结构层, 并用修复材料将表面修复平整, 并且对混凝土构件表面有裂缝的应按设计要求对裂缝进行灌缝或封闭处理;然后, 按图纸要求将需粘贴的混凝土表面应打磨平整, 除去表层浮浆、油污等杂质, 直至完全露出混凝土结构新面;最后, 在清洗后干净的混凝土结构层涂抹专用的底胶, 待底胶指触干燥后涂抹专用的碳纤维材料粘贴胶, 将按设计要求裁剪好的碳纤维材料粘贴于结构的表面。
2.2 预应力碳纤维加固
碳纤维材料的强度约为钢材的10倍, 而其模量基本上与钢材相等, 因此传统的外贴碳纤维加固技术通常无法发挥碳纤维材料的高强度的性能。特别是对于受弯构件进行加固后, 不能充分发挥碳纤维的高强度。因此, 将预应力技术应用于碳纤维材料结合上成为了一个自然的选择。大量的研究表明:施加预应力后, 加固构件的开裂弯矩、屈服弯矩增大, 减小了构件的变形和截面应变, 其极限变形远小于非预应力构件。对于加固后承载力增幅要求较大或者对加固后结构变形具有严格要求时, 应考虑采用预应力的加固方法[6,7]。
采用预应力碳纤维加固方法, 可以充分利用碳纤维材料的抗拉强度高的特性, 增大结构的开裂弯矩, 减小结构的变形。但是, 该方法需要特殊的张拉设备和碳纤维材料的锚固设备, 对设备和人员要求较高, 增加了施工的难度。
3 二次受力问题
在实际工程中, 通常会涉及对现役结构和在建结构进行加固补强。二者的不同在于, 二次受力问题对前者的影响更为明显, 进行计算时需要考虑初始弯矩的影响。
对在建结构进行加固补强时, 正常使用荷载还没有完全作用于结构上, 初始弯矩较小, 导致结构变形和截面应变较小, 忽略二次受力的问题不会带来严重的计算误差。
对于现役结构, 荷载的长期作用, 结构的变形和截面应变较为明显, 而碳纤维材料自身具有高强度, 低模量的特点。在初次弯矩作用下, 结构剩余的变形能力不多, 此时, 若忽略二次受力的影响, 则会导致计算结果远大于加固后结构的实际承载力。对于这种情况下, 需要从两方面考虑:
1) 加固设计时, 考虑二次弯矩的影响, 计算初始弯矩作用下结构的变形和截面的应变;2) 在加固施工时, 对结构进行卸载, 恢复部分变形能力。
4 结语
碳纤维材料是一种十分优秀的加固材料, 广泛应用于结构加固工程中, 在实际应用时需要考虑碳纤维布和碳纤维板材料性能不同, 并且对采用不同材料性能时的加固方式的选择给出了一些建议, 同时讨论了碳纤维材料加固设计时被加固构件的二次受力问题。文中给出的建议都是在假定碳纤维布与混凝土面之间没有相对滑移的条件下得出的, 因此碳纤维布与混凝土基面之间的剥离需要进行控制。
参考文献
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[6]Meier U.Fiber-Reinforced-P1 astic Reinforcement for Concrete Structures, 1993.
高技术纤维材料 篇10
关键词：碳纤维布,加固
1 碳纤维加固结构构件技术简介
碳纤维复合材料 (Carbon Fiber Reinforced Plastic) 加固修复混凝土结构技术是近年来兴起的一项新型加固技术，该项技术是将碳素纤维这种高性能纤维应用于土木工程，利用树指类材料把碳纤维粘贴于结构或构件表面，形成复合材料体(CFRP)，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 碳纤维加固结构构件技术原理
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。加固修复混凝土结构所用碳纤维材料主要为二种：碳纤维材料与配套树脂。其中碳纤维的抗拉强度为建筑钢材的十倍，而弹性模量与钢材相当，某些种类 (如高弹性) 碳纤维的弹性模量甚至在钢材的两倍以上，且施工性能与耐久性良好，是一种很好的加固修复材料;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性整体，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。
3 加固工程概况
某110kV变电所建于2000年，因电容器室爆炸燃烧，第二榀框架梁遭到破坏，保护层混凝土开裂、酥松、剥落，下弦钢筋变形较严重，钢筋受力截面削弱，危及结构安全，影响电力的安全生产。经基建部门、设计部门、加固公司等单位专家一起进行分析比较，选择粘贴碳纤维布进行加固，防止大梁的过度变形，延长梁的使用寿命。
4 碳纤维布加固框架梁设计
4.1 碳纤维布加固的前提
首先，利用回弹法对框架梁混凝土进行检测，以供加固参考。经检测，混凝土的实际强度为C30。根据设计图纸，及现场混凝土、钢筋的受损情况，考虑提高框架梁的抗拉强度等级，为此，将610mm宽的碳纤维布裁成两半，分两层粘贴在框架梁的底面及两侧，加固后，增加了原受拉钢筋面积，弥补了由于原钢筋变形而造成的截面削减，构件的承载力得到加强，而且，总体配筋率ρmin≤ρ≤ρmax，可以满足使用要求。
4.2 碳纤维布的设计
在受弯加固时，应使碳纤维片材的纤维方向与受拉区的拉应力方向一致。因梁底宽度为350mm，而碳纤维布的宽度为610mm，兼顾加固时碳纤维布的幅宽效应及框架梁下的受拉范围，考虑将碳纤维布裁为两半，一层为300mm宽，一层为310mm宽，分两层粘贴在梁的下侧;再粘贴100mm宽的碳纤维布“U”形箍;框架梁两侧面上边缘各粘贴四根100mm宽的碳纤维布条固定碳纤维布“U”形箍。碳纤维布的主要力学指标见表1。
4.3 配套树脂粘结材料的设计
配套树脂分别由主剂和固化剂配制而成，分为适合于冬天及夏天使用的冬用型和夏用型。主剂和固化剂分别包装，在现场使用时，应按工艺要求、按照规定的比例混合均匀，以形成所需要的底层树脂、找平树脂、粘结树脂。
⑴底层树脂。底层树脂作用是增强表面混凝土与找平材料或粘结树脂界面粘结强度;
⑵找平树脂。找平树脂是使表面平整度符合规定要求，并与底层树脂及粘浸树脂具有可靠的粘结强度;
⑶粘结树脂。粘结树脂是粘贴碳纤维布的主要粘结材料，其作用是使碳纤维布与混凝土得到充分的粘结，使其共同承受结构的作用。配套树脂粘结材料的主要力学性能指标见表2。
4.4 施工准备
⑴主要材料：底胶、粘着胶、碳纤维布;
⑵辅助材料：低速搅拌器、专用滚筒、角向磨光机、剪刀、凿子、刮板、吹风机、榔头、量具等;
⑶搭设脚手架：按安全规程要求搭设好脚手架，高度以满足施工要求和施工方便。
5 施工程序
表面处理→修补找平→定位、下料→胶料配制→粘贴碳纤维布→表面防护→检验、验收。
6 施工方法
⑴表面处理：清理粘贴部位混凝土表层，打磨平整，并用MA砂浆修补，平整度应达到5mm/m;框架梁、柱节点转角粘贴处须打磨成圆弧状，圆弧半径不小于20mm。表面打磨后用吹风机吹净，并用PT剂清洗干净。
⑵修补找平：被加固的框架梁混凝土保护层部分疏松，应清除直至露出结构层;局部裂纹、蜂窝用MA砂浆修补表层修复平整。
⑶胶料配制：按称量比例调制粘结胶，调制前对A、B两组按规定比例分别搅拌，混入后再充分搅拌。
⑷粘贴碳纤维布：按设计要求的尺寸裁剪碳纤维布，将配制好的粘结胶均匀涂抹在粘贴部份的混凝土面层上;铺贴碳纤维布，并用滚筒沿碳纤维布纤维方向多次滚压，使粘结胶充分浸透纤维中。
⑸表面防护：在粘贴好的碳纤维布最后一层均匀涂抹一道粘结胶。
⑹检验：粘贴完工后，按规程进行检验。
7 施工要求
⑴表面处理：混凝土表面应露出结构，本体洁净。构件转角应成圆弧状，半径不小于20mm。
⑵修补找平：经表面处理后的粘贴面平整度应达到5mm/m，有段差转角部位、凹凸部位应用MA砂浆找平，抹成平滑曲面。
⑶胶料配制：胶料应严格按比例配制，调胶使用的工具应为低速搅拌器，搅拌应充分均匀，配制搅拌后的胶料应无沉淀、色差气泡，并应防止灰尘杂质混入胶料。
⑷粘贴碳纤维布：应按设计要求裁剪碳纤维布，不得损伤横向织物面，涂抹粘结胶应均匀，铺贴应平整无气泡。
⑸表面防护：在粘贴好的碳纤维布上应涂抹粘结胶一道，进行防护，涂抹应均匀充分，不应漏涂。
⑹检验：粘贴完工经固化后，进行检验。密实度可用小锤敲击构件粘贴表面，通过不同声音判别密实情况。密实度应达到相关规定，否则应重新修补后再检验。
8 质量检验及验收标准
⑴纤维产品应按设计图纸要求选用，技术指标必须符合有关规定，所用纤维产品应有产品质保书。
⑵粘结胶料应按设计要求选用，符合基本性能要求，所用胶料产品应有产品质保书。
⑶施工质量检验及验收标准。
9 结论
根据加固原理可知，在施工前必须选择合适的粘结剂，认真查看材料的质保书及使用说明，掌握材料的各有关参数，以确保它有足够的强度，能保证碳纤维丝共同工作，同时又确保碳纤维布与结构共同工作;在施工过程中，参照使用说明，每道胶都必须处理好，特别是粘贴碳纤维布的胶，应尽可能让胶充分地渗入到碳纤维丝之间(细部空鼓处，可用针筒注射胶)，确保相互共同工作。通过对某110kV变电所工程实例的施工操作，深深体会到碳纤维结构加固技术简介中介绍的各项优点，该工程施工时，在确保安全的前提下，仅使用了简单的脚手架，而且，碳纤维布裁剪非常方便，可以根据形状及尺寸随意裁剪，在各种支架的遮挡处可以随意穿过，施工非常方便;另外，从2005年4月28日加固后到现在，一切使用良好;该工程从开工到结束仅7天(包括搭、拆脚手)，工程总费用仅为16772.00元。由此可见，碳纤维材料加固结构技术的优点很明显，应用前景很光明。
1 0 探讨
粘贴碳纤维结构加固技术是一种新型的加固技术，已经得到较为广泛的应用，并已产生较大的经济效益;在混凝土结构的加固中，碳纤维布主要是分担钢筋的受力，即碳纤维布的主要作用是提高结构构件的抗拉强度和抗变形能力，减少裂缝的开展，那么在正常使用状态中，碳纤维布与钢筋混凝土一起各发挥了多少作用呢?它们的应力状态如何呢?在其它结构构中，碳纤维布能否也起到加强抗拉强度的作用呢?这些问题有待工程技术人员进一步研究、开发。
参考文献
[1]《混凝土结构加固设计规范》GB50367-2006
[2]《碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程》CECS146:2003
[3]《纤维片材加固修复结构用粘结树脂》JG/T166-2004
高技术纤维材料 篇11
一、碳纤维复合材料的优势
碳纤维与其他复合型材料相比较，自身重量更小，并且可以根据不同的使用需求对材料进行成型处理。在对航空航天领域的成品重量进行计算时，发现使用碳纤维复合材料后与同等体积的零件相比较，自重降低了500公斤。这更加验证了碳纤维材料的发展优势，飞机等航天设备自重减轻后，能够减少运行期间的油耗，对飞机外部机构也能起到保护作用。虽然碳纤维自身重量很小，但在使用过程中能够承受高温带来的影响，材料自身性质不会轻易变化，为飞机等航空航天设备的运行提供了稳定保障。
除上述优点外，碳纤维材料还具有优异的承载性能，其强度可以达到钢材料的5倍以上。这一点是其他材料很难达到的。飞机在起飞期间，需要较大的初始速度，达到一定速度后才能够顺利起飞。飞机在行驶期间也会承受空气摩擦带来的压力，因此对外层材料耐高温性能的要求极高。经过测试了解到，碳素纤维能够在2000℃的高温环境中保持性质不变，结构形状也不会发生改变。并且碳纤维化学性质稳定，不容易被氧化，应用在航天设备的外部结构中，也不会被轻易的腐蚀，这种性质也是传统复合材料中不具备的。这样能够保护飞机安全，使用解读阶段外层结构不会变形，制造成本方面也有明显的降低。
二、碳纤维的发展
大型飞行设备的自重问题一直是航空航天领域研究的重点内容，减轻飞机的自重能够更准确的控制制造成本，飞机飞行的速度也会有明显提升。因此在大型飞机制造领域中最先提出了碳纤维复合材料的理念。但此类材料技术最早研发的领域并不是航空航天，随着技术逐渐进步完善才被应用到高科技生产环节中。
制作碳纤维混合材料时，要考虑材料使用后复合的部分。最常见的是将碳纤维与树脂材料进行符合，这样成本的化学性质更稳定，并且在优点上能够互相结合，在航天飞行设备中应用广泛。碳纤维只是应用在飞机制造的部分结构中，完整的制造流程还需要金属复合材料的应用，如果的碳纤维复合材料已经能够实现与金属材料完美衔接，不对使用阶段造成影响。
三、碳纤维复合材料在航空领域的具体应用
作为一种新型的复合材料，碳纤维强度高自重小，在航空领域中以不同种形式被应用。大型客机与直升机应用最广泛，根据调查结果显示，目前应用在民用飞机中的碳纤维复合材料已经得到了80%。即使是在军事领域中也高达40%。这一数据结果表示新型材料已经得到了很好的落实，下面将针对材料应用过程中存在的不同形式进行分析。
1、碳纤维复合材料
首先是纤维复合型。自重非常小，火箭制造方面常常会使用到，能够满足高速运行状态下对材料耐高温的需求。用碳纤维复合材料制作的火箭，可以将推动力转化为运用动力，并且不会产生过大噪音。与同体积的复合材料相比较，能够减少大量的动能损耗。在飞机制造过程中应用这一技术，材料密度最大能够提升23%，对飞行速度的促进作用也不容小视。速度得到了提升，但对油品的消耗量并没有因此而增大，甚至还有明显的减少。在飞机的最外层结构中应用广泛，军用飞行设备要求体积小，飞行速度快，并且外层材料要牢固耐用。针对这一需求，碳纤维复合材料在高温成型技术帮助下完成了目标，设计制造的设备应用成本更少，整体体积也有明显的减少，能够在短时间内提升速度，外形材料在高温状态下不会受到影响。
2、碳/碳复合材料
碳/碳复合材料中加入了纤维物质，属于碳纤维材料的增强版，继承了石墨材料的优点，化学性质更稳定，使用过程中也不会受到其他物质的污染，根据不同使用方向，可以在原料中添加一些化学成分。将其制作成需要的部件形式，通常也是在热处理条件下来实现的，具有极强的可控性，一次成型后坚固耐用。机翼部分在使用中需要承受大量摩擦，一旦材料耐高温性能差便会发生形变，飞机不能正常行驶在空中，引发严重的安全事故。因此在制造过程中都会对材料高温环境中的变化进行观察，选定自重合理的材料。经过多次测试实验，发现碳/碳复合材料能够符合这一要求，并且制造成本也不会有明显的增多。
四、我国碳纤维复合材料发展现状
航空航天领域是世界碳纤维的传统市场，航空器中碳纤维复合材料的使用量未来几年将以年均12%的速度继续增长，估计将从2008年的8200吨增加至2010年的1万吨以上，2012年可达1.3万吨。碳纤维复合材料约占空客A380飞机35吨结构材料中的20%以上，包括中央翼盒、机尾组件以及压舱壁。波音787中结构材料有近50%需要使用碳纤维复合材料和玻璃纤维增强塑料，包括主机翼和机身。金属结构材料采用碳纤维复合材料后不仅可以减轻机身质量，而且还可以保证不损失强度或刚度，大大提高了燃油经济性。新一代的客机将使用更高比例的碳纤维复合材料。
现阶段我国的国际竞争力在不断地增强，但是现实中存在的问题是，我国的碳纤维复合材料的发展并不能满足现实生活中的需求，作为航天航空领域的重要支柱，碳纤维复合材料的生产和研究直接关系到我国高新技术产业尤其是航天航空产业能否占领世界的科技技术前沿，因此国家的大力扶持起着相当重要的作用，不仅仅是要在资金上给予帮助，更要创造良好的环境来促进发展。在政策上给予支持，在资金上给予帮助，培育一批具有超强竞争力的企业，只有这样我国的碳纤维复合材料才能在国际上占有重要地位，才能在日后的国际竞争中处于优势。这对于我国航天航空事业的发展有着重要的作用。
小结：在全球化经济不断加速的今天，国与国之间的联系Et益紧密，相互之间的技术交流和技术竞争也在不断加强。我国在碳纤维复合材料上的发展确定了举世瞩目的成就，但是在发展中也存在着一些问题，产品质量处于低层次，生产成本过高，能耗较大，环境污染大等，因此在Et后的发展中一定要高瞻远瞩，制定好长期的发展规划，才能更好促进产业的更新研究。
高技术纤维材料 篇12
近年来,汽车产量与保有量的不断增加加剧了能源、环境、安全等方面的问题。节能环保已成为全球汽车工业面临的首要问题。为此,欧盟设定了一项当今全球最严格的汽车排放控制目标,即从2020年1月1日起,欧盟范围内所销售95%新车的二氧化碳平均排放水平必须由目前的130g/km减少到95g/km以下。我国也将于2018年1月1日起全面实施更加严格的国Ⅴ排放标准。在当前形势下,实现汽车产业的可持续发展,必须发展节能、减排方面的新技术来减少汽车的能源消耗以及所产生的环境污染。
研究表明,汽车轻量化是降低能耗,减少排放最有效的措施之一。汽车质量每减少100kg,可节省燃油0.3~0.5L/(100km),减少CO2排放8~11g/(100km),加速性能提升8%~10%,制动距离缩短2~7m[1]。汽车结构的轻量化还可以相应地减轻传动系统的质量。亚琛工业大学汽车研究所的研究表明,整备质量为1.229t的参考车,采用铝合金结构后,由于直接减重以及由此间接产生的底盘“二次减重”,可使得最终车重降至785kg[2]。此外,汽车轻量化还有利于改善汽车的动力性、制动性和操作稳定性。
汽车轻量化可以通过轻量化材料、轻量化结构和轻量化制造技术实现。在众多的轻量化材料中,碳纤维复合材料具有优异的综合力学性能:比强度(强度与密度之比)、比模量(模量与密度之比)和比吸能(有效破坏长度内单位质量吸收的能量)高,在等刚度或等强度设计原则下,碳纤维复合材料结构比低碳钢结构减重50%以上,比镁/铝合金结构减重达30%,同时其可减少70%装配零件数量;拥有良好的抗疲劳性、耐腐蚀性,零件使用寿命高[3]。然而碳纤维的高成本以及复杂的制造工艺极大地制约了碳纤维复合材料在汽车上的应用。发展碳纤维复合材料汽车零部件设计制造关键技术已成为中国汽车产业节能环保、转型升级的战略举措,2015年国务院发布的《中国制造2025》中已明确将碳纤维复合材料汽车零部件技术作为节能与新能源汽车领域的重要发展方向。
本文结合汽车零部件的特点,从低成本碳纤维技术、材料-结构-性能一体化设计技术、高效成型技术、多材料连接技术、循环再利用技术几个方面阐述了碳纤维复合材料应用于汽车上的关键技术,以期为扩大碳纤维复合材料在汽车上的应用范围、提升碳纤维复合材料在汽车上的应用水平提供参考借鉴。
1 低成本碳纤维技术
由于汽车是大宗产品,在其生产时需同时考虑可靠性和经济性。碳纤维的高成本严重地制约了碳纤维复合材料在汽车上的大规模应用。在2010年,碳纤维成本超过30美元/kg,而低碳钢的成本不到1美元/kg,铝合金为(2.4~2.6)美元/kg。只有将碳纤维成本降低至(11~15.4)美元/kg,抗拉强度不低于1.72GPa,弹性模量不低于172GPa,碳纤维复合材料才有可能大规模用于汽车[4]。因此,降低碳纤维成本成为当务之急。
1.1 原丝技术
当前,商业化生产的碳纤维主要由3类前体材料制备得到:聚丙烯腈(PAN)、沥青和人造丝。PAN基碳纤维由于优越的综合性能得到了广泛应用。如图1所示,PAN基碳纤维的成分构成中,原丝通常占到总成本的51%,因此降低原丝成本是降低碳纤维成本最直接的方法。
采用聚丙烯腈以外的低成本原料(如沥青、木质素、低密度聚乙烯等)制备碳纤维原丝是降低碳纤维成本的理想措施。沥青资源丰富、价格低廉、含碳量高使得沥青基碳纤维的成本较低,具有广阔的发展前景。沥青基碳纤维按性能不同可分为通用级沥青基碳纤维(各向同性沥青基碳纤维)与高性能沥青基碳纤维(中间相沥青基碳纤维)。目前,全球范围内生产沥青基碳纤维的主要公司有日本吴羽化学公司、日本三菱化成和美国Amoco公司等。虽然沥青具有成本优势且沥青基碳纤维的弹性模量较高,导热性与导热性优良[6]、但是却存在抗拉强度与抗压强度较低、制备工艺过程难以控制、沥青提纯成本较高等问题[7]。
木质素来源广泛、价格低廉、含碳量高、可再生且分子结构中有丰富的芳香族成分[8],得到广泛关注。木质素可通过熔融纺丝、干法纺丝、静电纺丝等工艺制备得到木质素基碳纤维。Shichao Yang等采用熔融纺丝工艺由木质素/聚乳酸混合物制备得到前体并通过热稳定与碳化工艺得到木质素/聚乳酸基碳纤维,其抗拉强度在258.6~159.2 MPa,拉伸弹性模量为1.7~11.6GPa[9]。Meng Zhang等通过干法纺丝工艺以乙酰化针叶木硫酸盐木质素制备得到前体纤维并由此制备得到木质素基碳纤维,其拉伸模量、抗拉强度、断裂延伸率分别为(52±2)GPa、(1.04±0.10)GPa、(2.0±0.2)%[10]。然而木质素中存在大量不同的化学键、不规则的结构,需要相对苛刻的条件(温度、催化剂等)来进行分解,同时木质素热-化学分解中存在易产生焦炭的严重问题,因此将木质素大量应用于碳纤维的制备还有诸多问题需要解决[11]。
由于聚乙烯的碳含量为86%,聚丙烯腈的碳含量为63%,采用聚乙烯制备碳纤维可使碳纤维产率由聚丙烯腈的50%提高至70%。同时聚丙烯腈前体的原料成本3美元/lb,聚乙烯前体的原料成本仅为1美元/lb[12],原料成本较低。除此之外,熔体的可纺性高于聚丙烯腈,使得聚乙烯的工艺经济性更好,因此采用聚乙烯制备碳纤维具有一定的前景。Jarod M.Younker等采用正庚烷-4-磺酸(H4S)磺化聚乙烯并通过热裂解的方法制得了碳纤维[13]。Jong Won Kim等由干-湿纺丝得到了线性低密度聚乙烯,并采用一系列的温度、压力与时间的硫酸处理得到交联纤维,经过碳化处理制备了碳纤维,其性能与商业碳纤维性能相当(抗拉强度1.65GPa,拉伸模量110GPa)[4]。在由聚乙烯制备碳纤维过程中,需要采用浸渍方法进行酸处理从而导致碳纤维的力学性能较差,现阶段聚乙烯基碳纤维难以实现商业化生产[14]。由上述分析可知,虽然采用聚丙烯腈以外的材料制备碳纤维具有原料成本较低的优势,但是由于制备工艺不成熟导致工艺过程复杂且产品性能不稳定,在短时间内采用聚丙烯腈进行碳纤维的制备将难以被取代。
除采用新的原料外,还可以通过改进现有聚丙烯腈(PAN)原丝的制备工艺,达到降低成本的目的。目前,PAN原丝通常采用溶液纺丝方法制备,采用熔融纺丝法进行碳纤维制备可避免使用有毒的化学溶剂、成本更低、生产效率更高。Amit K.Naskar等采用丙烯腈、丙烯酸甲酯、丙烯酰苯甲酮的共聚体进行熔融纺丝,并在紫外线下进行预氧化以及碳化工艺实现碳纤维的制备[15]。东华大学余木火教授已通过熔融纺丝制备得到PAN原丝,且纺丝速率大幅提高,纤维的表面质量更好[16]。虽然熔融纺丝方法有诸多优点,但是制备过程复杂且工艺难度较大,原丝质量难以保证,当前商用PAN基碳纤维大都采用溶液纺丝方法制备[17]。
1.2 预氧化工艺
预氧化不仅控制着碳纤维的质量,也制约着碳纤维的产量。如图2所示,如果生产碳纤维全过程需要88min,预氧化时间大约需要80min[18]。目前,可通过对PAN原丝进行预处理和改变预氧化过程中的工艺方法改进碳纤维生产过程。对PAN原丝进行预处理可分为化学方法和物理方法。其中化学方法主要为采用KMnO4、C6H5COOH、K2Cr2O4等试剂对PAN进行化学改性,降低环化温度,提高预氧速度和降低成本[19];物理方法主要为采用紫外线[20]、电子束[21]、X射线[22]、γ射线[23]。以化学与物理的方法进行处理,可以降低环化反应的激活能从而减少预氧化时间。Huiwu Yuan等采用不同剂量的电子束对PAN原丝进行辐射处理,结果表明辐射处理能降低预氧化过程中的激活能,扩大反应温度范围,降低反应的起始与中间温度[21]。改变预氧化过程中工艺主要为改变预氧化的工艺参数(温度、时间、施加的张力)[24,25,26]、气体氛围[27]、湿度[28]等,提升碳纤维性能。JeongHyeon Yun等[24]采用不同的处理温度与拉伸力优化预氧化工艺过程,结果表明延长热处理时间可以增加纤维的拉伸强度,增加拉伸力能够提升纤维的弹性模量但没有对拉伸强度造成明显影响。
1.3 大丝束碳纤维技术
大丝束碳纤维是指每束碳纤维的根数为24k以上的碳纤维,性能较小丝束碳纤维有所降低,为通用级碳纤维,用于一般工业。大丝束碳纤维制备属于低成本生产技术,其售价只有小丝束碳纤维的50%~60%,性能价格比(单位价格的强度、模量、比强度和比模量)远高于小丝束碳纤维。如德国SGL集团生产的牌号为C30T050的大丝束碳纤维,性能与T300相当,而成本只有其1/4。然而由于大丝束碳纤维的丝束较大,易于聚集,展纱效果不好,造成树脂在大丝束碳纤维中的浸润性较差,单丝中易产生孔隙等制造缺陷。同时,展纱过程中易于出现乱纱和断纱,导致力学性能分散性较大,增大了大丝束碳纤维的制造难度。目前,国内外正在开发大丝束碳纤维薄层化技术减少缺陷的产生,提升产品的质量[29,30]。
1.4 混杂纤维技术
将碳纤维与其他纤维进行混杂,在性能上可以互补,能有效降低生产成本。如碳纤维成本较高,综合性能优异,而玻璃纤维成本较低,但存在弹性模量较低的问题;芳纶纤维成本较低,综合性能较好,但是在湿热条件下性能明显下降。因此,采用不同的制造工艺方法、纤维的种类与百分比、纤维方向、铺层顺序、层合板的形式可获得最优混杂纤维结构[31,32]。Jun Hee Song通过实验分别对比了不同的铺层方法对碳纤维/玻璃纤维和碳纤维/芳纶纤维层合板的拉伸性能、断面形态、弯曲性能、应力传递路径等的影响规律[31]。Jin Zhang等研究了不同混杂比和铺层次序下碳纤维/玻璃纤维层合板的拉伸、压缩、弯曲性能[33]。Meisam Jalalvand等分析了不同铺层方法下碳纤维/芳纶纤维局部区域与整体范围的失效形式[34]。Mehdi Kalantari等以玻璃纤维与碳纤维的混杂比例为设计变量,将玻璃纤维/碳纤维层合板的弯曲强度、成本、质量、鲁棒性作为目标函数,并采用加权和法将多目标优化问题转化为单目标优化问题,得到性能更为稳定、合理的混杂纤维结构[35]。
2 材料-结构-性能一体化设计技术
传统汽车用钢往往需要由卷钢经过较平、切料、下料、冲压等工序得到冲压零件,然后将片状的冲压零件通过焊接等工艺连接成整体结构。然而,对于碳纤维树脂基复合材料而言,材料与结构是同时形成的,不再由复合材料加工成复合材料构件,构件的形状与尺寸受制造工艺的约束较小。因此,采用传统的设计、制造思想很难充分发挥碳纤维复合材料的潜能。而同时从材料、结构、性能角度出发,发展碳纤维复合材料的材料-结构-性能一体化技术,不仅减少零部件数量,简化制造、装配工艺过程,同时也可充分发挥材料性能,是未来复合材料汽车零部件发展的重要方向。
2003款Dodge Viper采用了仅有4个部件组成的碳纤维复合材料挡板支架。该结构较原钢结构的零部件数量减少了15~20个,质量减轻至6.1kg,减重高达18kg[36]。梅赛德斯奔驰SLR采用两根圆锥形碳纤维复合材料纵梁制成的前端整体结构,有效提高结构的制造装配工艺性同时保证结构的耐撞性[37]。宝马公司在2016款7系轿车的A柱、B柱、C柱与门槛等部位大量采用了碳纤维复合材料与钢或铝合金组成混合结构,实现轻量化的同时保证整体结构的力学性能。Do-Hyoung Kim等在汽车保险杠上采用玻璃纤维/碳纤维的混杂纤维结构取代传统的玻璃纤维结构,并采用微遗传算对保险杠3个不同部位的结构进行优化设计,在提升结构碰撞性能的同时减重33%[38]。M.R.Bambach对装备了碳纤维复合材料增强钢制吸能管(如图3所示)的两款车型Yaris和Silverado进行NCAP正面碰撞试验,结果表明,在质量增加140kg与560kg的情况下不影响正面碰撞中的耐撞性[39]。他们又对由CFRP-钢复合圆管组成的车顶结构进行了侧面压溃过程的有限元模拟与试验分析,该组合结构的强度/质量为原结构的2倍左右,在结构保持强度不变的条件下替代原钢结构可实现减重37%~68%[40]。刘强等采用二维编织复合材料设计了整体式电动汽车车身结构,并建立了从细观尺度到宏观尺度的碳纤维编织复合材料车身有限元模型(如图4所示),该结构与原玻璃纤维复合材料结构相比减重达28%,同时在侧面压溃、碰撞中的耐撞性相应得到提升[41]。
采用碳纤维复合材料同时满足结构要求与性能要求是碳纤维复合材料的显著特点。在碳纤维复合材料结构设计与制造过程中,应充分利用碳纤维复合材料轻质高强、吸能性好、吸振性好、工艺性能优良等特点,实现碳纤维复合材料汽车零部件的材料-结构-性能一体化制造。这对于减轻结构质量,减少部件数量,简化装配过程,满足相关性能要求至关重要。
3 高效成型技术
碳纤维复合材料应用于航天、航空工业中时,普遍采用热压罐成型方法制备复合材料构件。热压罐成型技术具有以下显著优点:构件纤维体积含量高、质量稳定性好、成型模具简单[42]。然而热压罐成型存在周期较长、能耗较大等问题,很难满足汽车工业大规模、高效率的生产要求。相比于传统的热压罐成型方法,液体模塑成型技术与热压成型技术具有高效率、低成本、易于实现自动化等显著优点,是适用于汽车用复合材料的高效成型技术。
3.1 RTM成型技术
树脂传递模塑(RTM)成型技术是复合材料液体模塑成型技术(LCM)的典型工艺之一。其主要工艺原理是先在模腔中铺放按结构和性能要求设计好的纤维增强材料或预成型件,然后采用注胶设备将专用低粘度树脂体系注入或真空吸入闭合模腔内,充分浸润纤维,树脂固化脱模得到复合材料构件(如图5所示)。RTM工艺可以一次成型大型、复杂的构件,可设计性强,尺寸易于控制,表面质量高,生产周期短,可实现半自动化或自动化生产[43]。传统汽车覆盖件的冲压工艺生产只需几秒钟,而普通RTM成型工艺较长,总的成型时间一般在2h以上,仍然存在效率较低的问题。因此,需要开发快速固化树脂体系与合理的成型工艺方法来缩短RTM的成型周期[44]。
3.1.1 快速固化树脂体系
在传统RTM成型过程中(如图6所示),树脂的固化过程占成型过程的大部分时间,因此快速固化树脂体系是实现RTM高效成型过程的首要条件。东丽公司采用低粘度(低于300mPa·s)、高性能、快速固化环氧树脂和多口注射工艺,使得一体式车架的成型时间缩短为10min[45]。陶氏汽车系统采用改进的快速、低粘度VORAFORCE 5300环氧树脂系统,配合HP-RTM工艺可将固化成型时间控制在60s以内[46]。美国瀚森公司推出的汽车用复合材料快速固化环氧树脂在RTM成工艺中的成型周期不到1min[47]。张靠民等采用改性的双酚A环氧树脂体系制备碳纤维复合材料层合板,结果表明该树脂的成型固化时间可控制在13min以内,固化度达95%以上[48]。虽然RTM成型过程中低粘度树脂的快速固化可有效提升生产效率,但往往会导致制品力学性能降低,这也是树脂制备过程需要考虑的重要问题。
3.1.2 树脂快速注射技术
RTM成型过程中,树脂注射时间的减少可通过增加树脂注射口、提高树脂注射压力的方法实现。增加树脂注射口可在不提升压力的情况下有效提升树脂的注射速度。Moon Koo Kang等采用有限元与试验方法分析了复合材料汽车发动机罩与公交车前面板多注射口RTM成形过程中树脂的流动规律,验证了多注射口方法的可行性[50]。Akbar Shojaei等在不同位置的树脂注射口采用不同的注射策略,减少充模时间、降低注射压力以及避免多余的注射口[51]。Song Hee Han等将树脂的流动方向由面内方向改为厚度方向,并优化浇注口与渗透率比值实现最小化浸渍时间[52]。中科院宁波材料所采用真空辅助RTM工艺,配合多点注射RTM模具设计以及快速固化树脂体系,使得碳纤维/环氧树脂汽车后厢盖的成型过程仅需10min[53]。纪俊洋等采用PAM-RTM软件对碳纤维复合材料汽车前地板的真空辅助树脂注射成型过程中树脂流动过程进行了分析,通过改变树脂注射口与抽真空位置优化充模过程[54]。然而采用多注射口进行成型时,不同浇注口的树脂流动锋面在融合过程中可能导致气泡的形成,从而需要控制注射口的开启时间与压力来减少气泡的产生[55]。
近年来,高压RTM(HP-RTM)技术在RTM的快速成型中得到广泛应用。树脂注射压力较大(2 MPa以上),因而易于实现树脂快速充满模腔的过程,同时也能改善树脂在增强纤维中的浸渍效果,减少制品中孔隙的出现,获得表面质量优异的制品[56]。如德国KraussMaffei公司与Dieffenbacher公司合作开发了一条HP-RTM自动化生产线,并已成功应用于宝马碳纤维复合材料汽车的量产制造中,与传统的浸渍工艺相比,此工艺方法将成型周期大幅度缩短至5~10min[57]。由于HP-RTM采用的注射压力较大,易导致纤维变形,从而需要对纤维进行额外预处理[58]。同时,其也存在工艺控制难度较大、设备投资成本较高等问题。然而,HP-RTM能有效满足未来碳纤维复合材料在汽车上大规模生产的要求。
3.1.3 缺陷控制技术
虽然RTM技术有诸多优点,但是由于模具设计不合理使得树脂充模过程不充分、树脂流动不一致等因素,导致制品易于出现孔隙、干斑、表面质量较差等缺陷[59]。因此需要对成型工艺进行优化减少缺陷的出现。
RTM成型过程中孔隙的出现将显著降低制品的力学性能,如面内剪切强度、弯曲强度、压缩强度等。研究表明,当层合板孔隙率增加到5%时,层合板的面内剪切强度将下降超过20%[60]。引起孔隙出现的因素较多,由于成型过程中树脂流动不一致引起空气滞留进而产生孔隙为主要因素[61]。许多学者在孔隙的形成与控制方面开展了大量研究。DohHoon Lee等通过分别改变预置浇注口与辅助浇注口、通气口处的压力调节树脂流动锋面,从而实现最小化RTM制品中的孔隙[62]。C.DeValve等采用数值模拟的方法研究了两种不同尺度下平纹布预制体中滞留气泡的大小与位置,并采用一个基于毛细管数和雷诺数的广义范式函数预测微孔隙率[63]。T.Staffan Lundstrm等采用Sethian水平集方法研究了在浸渍无褶皱织物过程中树脂锋面的流动特性,并建立了二轴织物的虚拟三维模型来分析气泡的产生[64]。杨波等采用非均匀流动模型来预测孔隙的产生,分析了树脂流动方向与织物主方向不一致和纤维受剪时孔隙的大小与形成规律[65]。L.Gascón等提出一个基于两相流(树脂/空气)的分式流动模型来预测孔隙的形成、转移与压缩过程[66]。
3.2 热压成型技术
热压成型工艺是在一定的温度与压力下,树脂基体发生熔融流动,重新浸渍纤维,从而制备一定形状的复合材料零件,如图7所示。热压成型工艺具有较短的成型周期,易于实现自动化生产过程,可使用传统金属板料成形设备,同时适用于热塑性复合材料的低成本制造过程,对于碳纤维复合材料汽车零部件的高效成型具有广阔应用前景[67]。
3.2.1 中低温快速固化预浸料
预浸料体系是热压成型过程中的关键中间材料,成型过程中预浸料的快速固化是实现碳纤维复合材料汽车零部件高效制造过程的基础条件。针对热压成型的工艺特点,三菱公司所开发的大丝束碳纤维预浸料可在140℃下3min内实现固化过程[68]。东邦公司所开发的快速固化预浸料体系可在150℃下3min内完成固化,成型效率与传统预浸料体系相比提升几十倍[69]。赫氏公司所开发的预浸料体系可在150℃下2min内固化,同时在室温(23℃)下的储存寿命长达6周[70]。目前,关于中低温快速固化预浸料大都以报道的形式出现,相关文献研究较少。
3.2.2 热压成型工艺方法
热压成型过程中,由于制品形状复杂、织物的刚性较低,使得纤维过度变形,导致制品中易于出现屈曲、起皱等缺陷,严重影响制品的力学性能[71]。为此,大量研究关注了热压成型工艺方法对制品性能的影响规律。S.Allaoui等基于半离散化的本构模型对编织复合材料双曲率四边形结构进行了模拟,并采用试验方法对成型过程进行了验证,结果表明,模拟与试验中的剪切角度与起皱形状较为一致[72]。E.Guzman-Maldonado等基于连续假设的本构模型对热塑性复合材料预浸料的成型过程进行了模拟,采用偏差扩展试验分析预浸料的粘弹性行为,并分析了温度对成型过程和制品性能的影响[67]。P.Hallander等探讨了铺层次序、铺层厚度、铺层预先压实对单向预浸料层合板热压成型中起皱的影响规律,结果表明,铺层次序为双曲率结构中起皱的主要因素[73]。S.P.Haanappel分别采用试验与模拟方法对单向CF/PEEK预浸料与编织CF/PPS预浸料加筋板的热压成形进行研究,结果表明,单向CF/PEEK在双曲率区域存在严重起皱现象,而编织CF/PPS表现出更好的成型性[71]。Hugues Lessard等研究了烤箱内预热温度、模具温度、烤箱模具转移时间、冲压力等对[0/90]12的CF/PEEK层合板结构的壁厚、面内剪切强度、固化度的影响规律,试验结果表明,模具温度和冲压力对结构的固化度有明显影响,同时较薄结构的剪切强度高于较厚结构[74]。
4 多材料连接技术
传统汽车车身进行连接时,大量采用电阻点焊工艺完成装配过程,一辆典型的钢制车身采用电阻点焊工艺完成的装配量占90%以上[75],同时也有粘接、铆接等连接工艺方法实现装配过程。将碳纤维复合材料应用于汽车零部件时,碳纤维复合材料与钢、铝合金等异种材料的连接问题将不可避免。然而,由于碳纤维复合材料与其他材料在力学性能、物理化学性能以及加工制造工艺方法上的不同,传统汽车连接设计、制造方法很难满足复合材料在汽车上的连接要求。因此,需要综合考虑复合材料与其他材料的性能差异,发展适用于碳纤维复合材料汽车零部件的多材料连接技术。
4.1 机械连接
机械连接采用螺栓、铆钉等紧固件实现构件的连接。虽然机械连接存在开孔产生应力集中、接头质量大、连接效率低等缺点,但是其具有抗高温和抗蠕变能力强、连接强度分散性小、抗剥离能力大、易于拆卸和组装等显著优点。在对汽车连接性能要求较高的部位,机械连接仍然是其他连接方式不可替代的。
使用机械连接装配复合材料结构是一种较为成熟的技术,许多学者针对接头的几何参数[76,77]、铺层次序[78,79]、螺栓孔配合条件[80]、螺栓侧向加紧[81]等方面进行了研究。但是,采用机械连接方法进行多材料连接时,复合材料与金属材料在刚度、电化学性能、热膨胀系数等性能上的差异,导致接头处的承载能力降低。Yunong Zhai等研究了界面状态(垫片、界面间隙)对单搭接复合材料/铝合金螺栓接头承载能力的影响规律,结果表明由于固体垫片的弯曲刚度较大从而表现出比液体垫片更好的承载能力,界面间隙的存在严重降低了接头的承载能力[81]。A.J.Comer等研究了包含液体垫片的双螺栓复合材料/铝合金混合接头在热-机械疲劳测试下的承载能力,结果表明液体垫片的刚度并未下降,液体垫片中没有明显的损伤[82]。Zlatan Kapidic'等采用实验与模拟的方法分析了包含热诱导载荷与机械载荷下碳纤维复合材料/铝合金螺栓接头的疲劳性能,结果表明叠加了热诱导载荷的机械载荷对接头疲劳寿命有不利影响,由于有效应力范围较小,双轴载荷工况下的疲劳寿命比单轴载荷工况的更长[83]。Amandine Gay等分析了铆钉形状、温度、材料类型对玻璃纤维复合材料/铝合金自冲铆接接头疲劳强度的影响规律,结果显示材料类型与测试温度比铆钉形状对接头疲劳强度的影响更为明显[84]。
4.2 胶接连接
胶接连接采用胶黏剂将构件连接成不可拆卸的整体。胶接连接具有零件数目少、结构效率高、抗疲劳、表面光滑等突出优点,然而也存在易于剥离、承载能力较低、易于出现环境退化、不可拆卸等缺点。汽车零部件的使用条件往往较为恶劣,易于经受湿、热、腐蚀等环境因素的影响,使胶层与混合接头的界面性能降低,影响碳纤维复合材料与金属接头的强度。A Al-Shawaf等的试验结果表明,当温度从20℃升高到60℃后钢/复合材料胶接接头的结合强度降低50%[85]。Tien-Cuong Nguyen等的研究表明钢/复合材料胶接接头在温度接近于玻璃转化温度(Tg)时的失效模式由被粘物破坏改变为剥离破坏,极限载荷与接头刚度也随着温度的上升而急剧下降[86]。同时,他们又研究了紫外线处理对钢/复合材料接头的影响规律,结果表明与仅经过温度处理的接头相比,经过紫外线处理的接头的拉伸强度降低13.9%而弹性模量提升105%[87]。Ankit Agarwal探讨了经过16h冰冻处理(-18℃)与8h融化处理(38℃)的钢/复合材料胶接接头性能变化,实验发现胶接接头的结合强度降低28%,同时失效模式由内聚破坏转变为粘附破坏[88]。Jakub Korta等采用SAE湿热循环测试分析了湿热环境对多材料胶接接头的剪切强度与拉伸强度的影响规律,分析结果显示,适度恶劣的湿热环境能造成接头的脱落,热膨胀系数是影响异种材料接头性能的主要因素[89]。
5 回收与再利用技术
报废汽车的回收与再利用是汽车产业可持续发展的重要组成部分,各国已相继设立法规对废旧汽车的回收与再利用进行指导与规范。如欧盟要求2010年成员国的汽车材料回收率要达到95%以上(2005/64/EC)。汽车用碳纤维复合材料的回收再利用技术是满足环境保护与相关法规要求的重要内容;同时,由于原始碳纤维(Virgin carbon fiber)的成本普遍较高,采用较低成本的再生碳纤维(Recycle carbon fiber)具有一定的经济效益[90]。碳纤维复合材料在汽车上有广阔的应用前景,因此发展回收再利用技术对于碳纤维复合材料在全生命周期内持续使用具有重要意义。
5.1 回收技术
复合材料回收技术的难点主要存在于以下几个方面:成分复杂(纤维、树脂、填充剂),热固性树脂的交联特性,与其他材料的结合(金属附件、蜂窝材料、混杂复合材料等)。碳纤维复合材料的回收技术主要有3类:机械回收、热解回收和化学回收。目前,热解回收和化学回收是回收碳纤维复合材料最为有效的方法。由于未回收增强纤维使得再生产品的价值较低,机械回收方法并不适用于汽车用碳纤维复合材料的回收。
5.1.1 热处理回收
热处理回收主要分为热解法、氧化流化床法、微波辅助热解法。热处理回收可实现增强纤维的回收过程,同时树脂挥发为低质量分子过程产生的H2、CH4或石油馏分等[91]也可用于工业生产。
热解法是目前唯一实现工业化生产的碳纤维复合材料回收技术。在热解法回收过程中,碳纤维复合材料在缺氧条件下被加热到450~700℃,聚合物基体挥发为低质量分子而碳纤维保持惰性从而实现碳纤维的回收[90]。热解法能保留纤维的大部分力学性能(如图8所示[92]),从树脂中获得工业原料,且不采用化学试剂。对于含有预埋金属件的碳纤维复合材料汽车零部件,热解回收能较好实现纤维与树脂的回收,但是也存在热解过程纤维表面积碳、产生有害气体、再生纤维的性能易受工艺参数影响等问题[93]。英国Milled Carbon公司在世界范围内首先采用热解法实现再生碳纤维商业化规模的连续生产[94]。美国的MIT-RCF公司采用热解法进行碳纤的回收,并结合内部开发的工艺实现碳纤维的高效再制造[94]。德国CFK Valley Stade公司与汉堡工业大学、ReFiber公司开发的连续热解法工艺可得到磨碎碳纤维、短切碳纤维以及织物碳纤维[95]。上海交通大学王新灵团队采用新型热解法实现大尺寸碳纤维复合材料制品的回收,且具备规模化回收能力,填补了国内该领域的空白[96]。
氧化流化床法采用高温空气通过置于流化床上的复合材料废片并分解树脂,空气流推动氧化分子与纤维丝上升而较重的金属部件沉降下来留在流化床上。氧化流化床法具有不受污染物的影响、纤维表面不易积碳等优点,但是存在再生纤维强度下降较大(如图8所示,纤维的拉伸强度下降高达34%)、纤维长度缩短、纤维结构破坏严重、难以实现从树脂中提取原料等不利因素。因此,此方法并未大量应用于碳纤维的回收。
微波辅助热解法采用微波取代传统的电力加热或燃料加热过程,由于材料的核心部位被加热因而热量的传递速度较快,实现热解过程的高效进行。然而,Dankesson等的研究表明,采用微波辅助热解法回收的玻璃纤维表面存在积碳,使得与基体材料的界面性能较差,纤维长度分布较广(3~30mm)[97]。微波辅助热解法具有环保高效的明显优势,但是对于纤维性能损失明显等问题还有待进一步研究。
5.1.2 化学回收
化学回收方法在较低的温度下(小于350℃)采用催化剂[98]、苯甲醇[99]、超临界流体[100]等活性介质实现树脂与纤维的回收。化学回收方法具有能实现纤维力学性能(如图8所示)与长度的有效保留、树脂中材料回收率高、回收过程温度较低等显著优点,但是也存在降低了再生纤维与树脂基体的界面性能、抗污染物能力差、有毒化学溶剂污染环境等问题[101]。目前,采用超临界流体进行回收是该领域的研究热点。英国诺丁汉大学的G.Jiang等采用超临界正丙醇进行环氧树脂基碳纤维复合材料的回收,结果表明纤维的力学性能保持不变,但是与树脂基体的界面降低严重[102]。日本静冈大学的Idzumi Okajima等采用超临界甲醛从环氧树脂基碳纤维复合材料中回收得到了碳纤维与树脂,结果显示再生碳纤维维持了原平纹布的形式且纤维拉伸强度与原始碳纤维相当,回收得到的树脂与原树脂混合可实现再固化[103]。哈尔滨工业大学的白永平等研究了氧化超临界水对碳纤维复合材料的分解过程,结果表明当树脂的分解率大于85%时再生碳纤维的拉伸强度较高,分解率大于96.5%时碳纤维的拉伸强度急剧下降[104]。目前,采用化学法进行纤维与树脂的回收仍然局限于实验室阶段,距离工业化生产还有一定的差距。
5.2 再利用技术
再利用技术是充分利用回收材料的性能,实现复合材料循环利用过程的重要组成部分。对于树脂的回收,可从树脂降解中得到气体与油分,然而由于树脂中混合成分较为复杂,从其中回收有价值的产品成本较高。现阶段,可从产物的液体成分中提取树脂单体用于新树脂的生产中[104],也可将液体成分作为燃料进行回收,如将其作为组分与汽油混合[105];产物中的气体也通常作为燃气进行处理。根据不同的纤维形式可采用不同的方法对再生碳纤维进行再利用。对于回收得到研磨或短切碳纤维,可采用注射模塑或BMC(预制整体模塑料)压缩成型方法制备碳纤维复合材料制品[106]。由于纤维长度较短且纤维方向随机排布,此类制品仅适用于汽车内饰件等力学性能要求较低的部件。对于由再生碳纤维加工得到的中间无纺布产品(短纤维随机排列),通常采用模压工艺实现制品的成型过程[107]。由于中间体中纤维重新浸渍结构的整体性能得到明显提升,此类制品可应用于汽车外覆盖件上等对力学性能有一定要求的部位,如发动机盖外板、翼子板、门外板等。采用纤维校准技术处理后的再生碳纤维,其结构的力学性能在沿纤维方向得到显著提升[108]。因此,可采用模压工艺或将其制备为预浸料进行成型,得到的制品可运用于汽车内覆盖件等次结构件上,如门内板、发动机罩等。对于部分回收工艺得到的编织产品,可采用RTM等工艺进行成型制造[109]。由于纤维结构得到有效保留,制品的力学性能较为优异,可将其应用于汽车覆盖件、结构件等部位,如地板、B柱等。
6 碳纤维复合材料在汽车上的发展趋势
以轻质高强金属、塑料和复合材料等为代表的轻质材料应用是当前汽车实现轻量化的首要途径,也是未来发展汽车轻量化技术的重要内容。由于巨大的轻量化潜力,碳纤维复合材料在汽车上的应用范围将不断扩大,应用层次也将不断提升。
(1)由高端车型向普及型汽车发展。碳纤维复合材料在发展之初由于成本过高、制造工艺复杂等原因,仅在对性能要求极高的F1赛车、超级跑车上使用。随着碳纤维成本的下降与高效制造工艺的不断成熟,碳纤维复合材料汽车零部件逐渐出现在各大主机厂商的普及型汽车上,如中低档轿车与新能源汽车。
(2)由次结构件向主结构件发展。出于对安全性、制造工艺等问题的考虑,碳纤维复合材料仅应用于对性能要求较低的内饰件以及车身覆盖件等次结构件上,往往造成材料性能过剩。在结构设计方法与成型加工技术逐渐成熟的推动下,碳纤维复合材料在B柱、地板、轮毂等结构件上的应用不断出现,材料综合性能也得到更充分利用。
(3)由单件小批量生产到规模化生产。长久以来,以手工为主的单件小批量生产模式一直占据着碳纤维复合材料汽车零部件主要制造过程,因而易于造成产品质量难以保证、制造成本较高与生产效率较低。随着碳纤维复合材料汽车零部件的用量不断增加和应用要求不断提高,碳纤维复合材料汽车零部件也必向以自动化、数字化、智能化为主的规模化生产模式转变,推动汽车零部件的低成本与高效制造过程。
摘要：轻量化技术已成为汽车实现节能、减排的重要途径,碳纤维复合材料为汽车轻量化提供了重要材料基础。由于材料特性与制造工艺的特殊性与复杂性,采用碳纤维复合材料实现汽车轻量化时需要克服多项关键技术。结合汽车产品特点,从低成本碳纤维技术、材料-结构-性能一体化技术、高效成型技术、多材料连接技术、循环利用技术几个方面阐述了碳纤维复合材料在汽车轻量化应用中的关键技术,展望了未来汽车用碳纤维复合材料的发展趋势。