碳纤维增强复合材料（通用12篇）
碳纤维增强复合材料 篇1
0 引言
近年来,以通用塑料和高性能工程塑料为基体的热塑性复合材料发展迅猛,在世界范围内正掀起一股研究开发此类高性能复合材料的高潮。由于热塑性树脂熔体粘度大,表面极性低,造成纤维浸渍困难,国内外科研人员研究工作的重点长期集中在浸渍技术方面[1]。
由于尼龙分子主链结构中含有酰胺基,末端含有氨基,具有反应活性,已经广泛用作连续纤维增强复合材料的基体树脂来制备结构密实的高性能材料。文献[2]显示尼龙采用玻璃纤维增强的效果要比ABS、PBT、POM、PP等工程塑料显著得多。
熔融浸渍工艺[1,3,4,5,6,7]的特点是将不含溶剂的树脂体系熔化成融体,纤维束通过熔融树脂实现浸渍,特别适用于结晶性、熔融时粘度较低的尼龙树脂。在复合材料成型过程中,熔融树脂黏附在纤维束外表面,进入模口时承受的压力使熔融树脂浸渍入纤维束内,随着浸润的进行,被包裹在纤维束内部的气体只能沿着该通道运动,并从纤维束的两端排出,或者从纤维束内逐渐迁移到纤维束表面的熔体中。
树脂在加热过程中因含有水分或混入空气等,使熔融树脂不同程度地夹杂着气泡,虽然进料区在压力的作用下可以排除部分气泡,但剩余气泡将不可避免地进入并永久残留在制品中,从而形成微小的孔隙。由于热塑性树脂基体黏度较大,最后被包覆在熔体内部的空气很难通过熔体的置换而完全排出。一些学者研究发现,被包覆的气体在较大压力的作用下会逐渐溶解到熔融基体中[7,8,9,10]。如果空气处于熔体内一个完全闭合的空间中,那么随着树脂基体流动前锋的继续前进,空气将被压缩,气压将会升高,当内部压力增大到与熔体静压力相等时,熔体向气体内部的推进将停止。随着加工工艺的结束,这部分空气将以气泡的形式存在于树脂基体中。如果此时外部压力超过了内部气体在熔体中的饱和蒸气压,空气就会逐渐溶解在熔体中。因此,在浸润的后期,可通过提高压力的办法,迫使被包覆的空气溶解到熔体中,从而降低材料的孔隙率。另外,由于气体分子在高聚物基体中扩散较慢,在表面处气体分子产生富集,饱和蒸气压逐渐升高,如果周围熔体静压力不足够大,气泡中的空气就可能没有完全溶解到熔体中,仍以微孔的形式存在,当外部压力撤销或减小时,气体会很容易重新析出,变成较大的孔隙。因此,为了防止溶解的气体重新从熔融基体中析出,在试样降温过程中应保持一定的压力。
纤维的浸润可分为纤维束间浸润和纤维束内浸润2个过程,这2个过程存在明显的差异。纤维体中存在2种类型的间隙,纤维束之间较大的间隙和纤维束内单丝与单丝之间较小的间隙。根据Carman Kozeny公式[11]估算,纤维束间间隙形成流道的渗透率比纤维束内间隙形成流道的渗透率大几个数量级,导致高黏度的熔体对纤维束间的浸润比对纤维束内的浸润要容易得多。在微观形貌上,这一过程表现为树脂基体熔体形成包覆在纤维束外的连续相,而纤维束内部存在大片的孔隙区。
另外,在浸润过程中可观察到纤维分散状态的变化。在浸润过程中,纤维束芯部未被浸润区域明显处于束紧状态,而在纤维束外围已被熔体浸润的纤维发生了分散。这是因为基体熔体向纤维束内浸润时,外部压力通过熔体静压力传递到未被浸润的纤维上,迫使这部分纤维处于束紧状态;对于纤维束外部已经被熔体包覆的纤维,束紧力通过纤维与流动熔体之间的粘滞阻力逐渐传递到熔体上,转化为熔体的静压力,因此这部分纤维变为自由状态,在熔体流动的作用下发生分散。浸润完成后,纤维随保压时间延长会进一步分散。基于以上分析可知,纤维束内的浸润是整个浸润过程的控制步骤和材料浸润质量好坏的关键,决定着最终材料的性能。
因此,本研究建立了热塑性树脂熔融浸渍纤维的渗透模型,研究了工艺参数、纤维结构等对浸渍性的影响,以提高热塑性复合材料的综合性能。
1 渗透模型的理论基础
1.1 浸渍过程的基本假设
根据树脂熔体浸渍纤维存在纤维束间和纤维束内2种类型,熔体首先穿过纤维束间形成连续相,而后进一步浸渍纤维束内的纤维单丝,同时伴随着因空气置换而导致体积压缩过程,提出如下假设,以建立浸渍模型[12]。
(1)在浸渍过程中,熔融树脂受到的剪切速率为常数,基体熔体看作牛顿流体(剪切速率不高时);
(2)熔体对纤维的渗透遵循Darcy定律,熔体在纤维束间和纤维束内的渗透率遵循Carman-Kozeny公式;
(3)树脂基体熔体只沿纤维径向流动而不沿着纤维长度方向流动;
(4)拉挤过程中纤维不发生相对移动,纤维体积分数为一常数;
(5)浸渍过程压力保持不变,温度也保持恒定,纤维束周围的压力场分布均匀;
(6)毛细管效应忽略不计;
(7)浸渍过程中纤维束的形状尺寸和排列状态保持不变;
(8)浸渍成型过程中纤维长丝束截面积呈现非圆形扁平状,用圆形来表征偏差较大,故以椭圆形来表示长丝束的截面积形状。
1.2 渗透模型
连续纤维增强热塑性复合材料的热塑性基体对纤维的浸渍可大致用达西定律(Darcy-law)来描述[13,14]。
将其进行积分可得到:
式中:dz/dt为浸渍速率,dp/dz为压力梯度,η为基体熔体黏度,Kp为纤维体的渗透率,z为渗透距离,t为完成渗透所需要的时间,p为所施加的压力。
1.2.1 渗透率Kp的确定
理想状态下,纤维长丝束中单丝完全平行伸直并且相互平行排列。当受到压力作用后,长丝束内平行伸直的单丝相互挤压,紧密排列在一起,使长丝之间的空隙减小,黏度较大的熔融热塑性树脂无法渗透浸渍。而实际上,由于纤维不可能完全平行伸直,在压力的作用下许多长丝之间产生了空隙,以便熔融的树脂通过。对于熔融基体的流动描述,至今没有定论[15]。热塑性树脂熔体的流动属于粘性流体的流动,但Astorm等[16]的研究发现,由于热塑性树脂熔体流动过程中的剪切速率和Deborah数都很低,因此熔融树脂基体浸渍纤维丝束的过程可以利用牛顿流体的方程来描述。
从材料的角度出发,材料的渗透率Kp是影响浸渍的一个关键因素,与纤维的直径和体积含量有关,其值可用Carman-Kozeny公式进行估算[11]。压力对纤维体的束紧作用导致渗透率的变化巨大,Gutowski等对Carman-Kozeny公式进行了改进,引入了压力对渗透率的影响[17,18,19]。根据文献[20]的研究结果,渗透率KP满足式(4):
式中:df为纤维的平均直径,纤维长丝束的渗透率KP与丝束内长丝的体积含量Vn有关,Vmax是丝束内纤维体积最大含量,A=0.255,B=2.52。
根据紧密六方密堆积极限理论[17],见图1(a),理论上纤维体积含量的最大值Vmax1为:
根据紧密四方密堆积极限理论[18],见图1(b),理论上纤维体积含量的最大值Vmax2为:
实际纤维能达到的最大体积含量为78.54%～90.69%,这里取90.69%,则渗透率KP为:
由式(7)可知,丝束内纤维的体积含量Vf1越小,即束内空隙率越大,长丝束的渗透率Kp就越大。浸渍受压过程中,长丝束内的空隙率有减小的趋势,导致Vf1增加,在此根据假设条件,可不考虑压力p对空隙率和长丝束内体积含量Vf1的影响。
1.2.2 z的确定
若不考虑长丝束内的空隙,并假设长丝束内单丝紧密排列,其横截面的面积以Af表示;浸渍基体树脂的面积以Am表示,则纤维与树脂熔体复合体系的椭圆形横截面的面积A可以表示为:
且有:
椭圆形截面积的长径a是一个独立的常数,它取决于纤维的经纱密度ρj(根/10cm),可表示为:
式中:ρj为连续纤维的经纱密度。
紧密排列的长丝束的横截面面积Af可表示为:
式中:Ntex为长丝束的细度tex值;ρ为长丝的密度(g/cm3)。
椭圆形截面的面积公式为:
由于浸渍距离为椭圆形短径b的1/2,故z=b/2。由上述公式可推导出浸渍椭圆形长丝束的距离大小:
1.2.3 Vf1的确定
为了计算丝束内纤维长丝的体积含量Vf1与复合材料中纤维的体积含量Vf之间的关系,考察长丝束在复合体系中的排列方式,假设长丝束依次紧密排列(见图2),选取长丝方向长度为L的长方体单元进行分析(见图3)。
以VF表示长丝束内纤维的体积,椭圆形长丝束的面积为A,则VF为:
长度为L的基本单元的体积V为:
并且有:
由于受到压力的作用,丝束内纤维的体积含量Vf1不断增加,实际上其值大于(4/π)Vf。
1.2.4 η的确定
在粘流温度以上,高聚物黏度与温度的关系为[21]:
式中:A0为常数;ΔE为粘流活化能;T为温度;R为气体常数。
由式(19)可知,熔体黏度随温度的升高呈指数下降。尼龙树脂与大多数聚合物一样,其熔体属于假塑性流体,当熔体的剪切速率γ=0～14s-1时,其黏度η随剪切速率γ的变化很小,可以表现出牛顿性。利用牛顿流体来描述熔体的流动,在前述假设的基础上熔体的黏度不随剪切应力以及剪切速率的大小而改变。
通过上述推导出浸渍时间与熔体黏度、压力和纤维含量等参数的浸渍模型数学表达式为:
式中:碳纤维的密度ρ为1.76g/cm3,若以12k碳纤维为例,则纤维的经纱密度ρj为40(根/10cm);长丝束的Ntex值为0.80g/m,纤维的平均直径df为7μm,则式(20)可表示为:
由式(21)可见,按照此模型中长丝束在纤维/热塑性树脂中的排列方式,纤维体积含量不可能超过71.2%,不仅远远小于紧密六方堆积理论中纤维体积含量的理论最大值90.69%,而且小于紧密四方密堆积理论中纤维体积含量的理论最大值78.54%。这主要是因为纤维在复合材料中将主要以纤维束作为基本单位进行排列、浸渍成型,故根本达不到单个纤维单丝排列的紧密六方和四方堆积密度。
本模型的前提是浸渍过程中纤维束的形状尺寸和排列状态保持不变,这与实际情况有些偏差。总而言之,在实践中,纤维-热塑性熔体的复合体系中纤维体积要达到70%以上是非常困难的,而对于混凝土结构加固用复合材料,要提高其力学性能,必须进一步提高纤维的体积含量。因此,有必要探索除熔融浸渍之外的制备高体积率纤维复合材料的技术。
2 模拟结果与讨论
2.1 尼龙树脂熔融浸渍时间模拟
浸渍时间由2部分组成:纤维束渗透时间和完成纤维束内渗透时间,实际上前者浸渍时间与后者相比可以忽略,故只讨论纤维束内浸渍时间。
树脂表观黏度随温度的变化如图4所示[22]。由于尼龙树脂的熔点高达220℃,所以230℃时熔体的黏度非常高,达1000Pa·s以上,在此温度下难以浸渍纤维;当加工温度为260℃以上时,树脂黏度在520Pa·s以下,可用于浸渍纤维成型材料。郑孝霞[21]采用了不同方法以降低熔体黏度,黏度降低较明显,当加工温度为260℃时表观黏度降为270Pa·s,使纤维浸渍性能变好。
2.1.2 压力对浸渍时间的影响
确定尼龙树脂在260℃时的黏度为520Pa·s,以12k碳纤维为例,经纱密度ρj为40(根/10cm),长丝束的Ntex值为0.80g/m,纤维的平均直径df为7μm,纤维体积含量Vf为50%,选取一系列的压力值代入式(20),可得到成型压力与浸渍时间的关系(如图5所示)。
从图5中可以看出,压力对热塑性树脂浸渍纤维的性能影响非常大,随着压力的增加,浸渍时间迅速缩短,当压力为0.2MPa时浸渍时间为860s,而当压力增大到1MPa时浸渍时间为173s,当压力继续增大到10MPa时浸渍时间则缩短为17s,说明热塑性熔融树脂浸渍纤维成型工艺,只有在高压力下才能得到浸渍良好的制品。
2.1.2 纤维体积率对浸渍时间的影响
确定尼龙树脂在260℃时的黏度为520Pa·s,以12k碳纤维为例,压力值为5MPa,选取一系列的纤维体积含量Vf代入式(20),可得到纤维含量与浸渍时间的关系(如图6所示)。
由图6可见,当纤维体积含量低时浸渍时间很短,当Vf为30%时,一定压力下浸渍时间为7.2s。而当纤维体积率为60%时,浸渍时间则高达168s,浸渍时间大大延长。说明在低纤维含量时有利于熔融树脂的浸渍,高纤维含量时浸渍完全将很困难,尤其是在纤维含量达到70%以上时,理论浸渍时间非常长。
2.1.3 纤维束k数对浸渍的影响
确定尼龙树脂在260℃时的黏度为520Pa·s,压力值为5MPa,纤维体积含量Vf为50%,选取一系列不同k数碳纤维,则经纱密度ρj、长丝束的Ntex值也随之改变,代入式(20),可得到不同k数的纤维与浸渍时间的关系(如图7所示)。
由图7可见,丝束的大小对树脂浸渍渗透特性也有很大的影响,当丝束为1k时,浸渍时间为1.3s;当丝束为12k时,浸渍时间延长为34s,丝束增大使熔体渗透纤维束内所需要的流动距离变长,因此浸渍时间延长。虽然丝束增大对熔体渗透纤维束更为有利,但也会使渗透率Kp明显提高,导致浸渍时间延长,因此为提高纤维的浸渍质量,应该尽量减小丝束的k数。
2.1.4 树脂黏度对浸渍时间的影响
确定压力值为5MPa,纤维体积含量Vf为50%,以12k碳纤维为例,选取尼龙树脂在不同温度下的黏度值代入式(20),可得到黏度与浸渍时间的关系(如图8所示)。
由图8可见,随着加工温度的升高,尼龙树脂熔体的黏度降低,从而使浸渍时间缩短,由260℃时的70s缩短到280℃时的30s,说明适当的升高加工温度有利于增强对纤维的浸渍效果,但是过高的加工温度又会带来树脂老化和能耗增大等问题。采用改性剂对尼龙树脂的黏度进行改良,能在一定程度上缩短浸渍时间,但是并不能从根本上改善熔体对纤维的浸渍性。
2.2 原位聚合复合材料浸渍时间的分析
己内酰胺单体流体的黏度随剪切力的变化幅度不大,所以仍可采用上述热塑性树脂浸渍纤维模型,渗透模型理论以及浸渍过程的基本假设仍相同。浸渍模型公式仍采用式(20)和式(21)。由文献[23]可知,当加工温度为160℃时己内酰胺的表观黏度约为0.02Pa·s。
2.2.1 压力对浸渍时间的影响
确定在160℃时的黏度为0.02Pa·s,以12k碳纤维为例,纤维体积含量Vf为50%,选取一系列的压力值代入式(21),可得到成型压力与浸渍时间的关系(如图9所示)。
从图9中可以看出,压力对热塑性树脂浸渍纤维性能的影响非常大,随着压力的增大,浸渍时间迅速缩短,熔融单体在0.2MPa时的浸渍时间为0.033s,比树脂浸渍时间(860s)减少了几个数量级,说明熔融单体浸渍纤维成型工艺只要压力低就可以实现良好的浸渍效果。
2.2.2 纤维体积率对浸渍时间的影响
确定160℃时的黏度为0.02Pa·s,以12k碳纤维为例,压力值为5MPa,选取一系列的纤维体积含量Vf代入式(21),可得到纤维含量与浸渍时间的关系(如图10所示)。
由图10可见,无论纤维体积含量高低,浸渍时间都很短,即使Vf为70%时一定压力下浸渍时间为1.68s。说明采用熔融单体原位聚合时,纤维含量对浸渍的影响已经不大,理论浸渍时间很短。因此,原位合成技术路线适用于制备高体积率纤维复合材料。
2.2.3 纤维丝束对浸渍时间的影响
确定单体聚合温度为160℃,压力值为5MPa,纤维体积含量Vf为50%,选取一系列不同k数碳纤维,则经纱密度ρj、长丝束的Ntrx值也随之改变,代入式(20),可得到不同k数的纤维与浸渍时间的关系(如图1 1所示)。
由图11可见,丝束的大小对单体浸渍渗透特性的影响非常小,大丝束时浸渍时间也非常短,丝束增大使单体熔体渗透纤维束内所需要的流动距离变长,但低黏度的单体仍可以在极短的时间内完全浸渍。
综合浸渍性能分析表明,采用尼龙树脂熔体浸渍高体积率纤维时,需要很长的浸渍时间,或者需要升高温度、加大压力,即便如此,纤维体积含量达到70%以上的理论可行性很小。而采用熔融单体浸渍纤维,并在原位合成树脂复合材料,对于实现高纤维体积含量复合材料的制备具有技术可行性。
3 结论
建立了热塑性树脂熔体渗透浸渍纤维的理论模型(见式(20)),模型表征了工艺参数和纤维结构对浸渍时间的影响规律。采用该模型的分析表明,熔融尼龙树脂复合材料的理论纤维体积率很难达到70%以上,且完全浸渍的时间很长,或者要升高温度,加大压力。因此,采用尼龙树脂融浸渍纤维的技术路线很难制得更高性能的复合材料。采用原位聚合方法,因反应单体具有相当低的黏度(<1Pa·s)、合理的操作时间以及相对较低的温度,所制备的复合材料中树脂对纤维的浸渍性能得到改善,使材料的性能更加优化。无论是融体浸渍路线还是原位合成路线,作为加固材料使用,都需要进一步改善尼龙树脂复合材料的耐水性,降低吸水率。因此,后续研究的重点是原位合成尼龙复合材料的制备技术以及耐水性改善技术。
碳纤维增强复合材料 篇2
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。
碳纤维增强复合材料 篇3
摘要：通过对黄麻纤维热处理、碱处理、硅烷偶联剂处理和异氰酸酯处理进行表面改性，并对改性黄麻纤维布进行热压工艺处理，最后采用VARTM成型工艺制备黄麻纤维增强环氧树脂复合材料，并对其性能进行了系统研究.通过扫描电镜（SEM）分析表明，热处理和碱处理的黄麻纤维增强环氧树脂复合材料的界面粘结未得到明显改善，而通过硅烷偶联剂和异氰酸酯处理的黄麻纤维增强环氧树脂复合材料的界面粘结性能得到了显著的提高.将硅烷偶联剂和异氰酸酯处理的黄麻纤维布通过热压处理不仅可以增加复合材料中黄麻纤维体积含量，而且可以提高复合材料的综合性能，复合材料力学性能研究表明，经硅烷偶联剂处理后的黄麻纤维增强复合材料拉伸强度、模量和弯曲强度分别提高了18.6%，71.4%和50.2%.经异氰酸酯处理的黄麻纤维增强复合材料的拉伸强度、模量和弯曲强度分别提高了16.3%，34.0%和50.3%.
关键词：黄麻纤维；复合材料；热压工艺；硅烷偶联剂；异氰酸酯
中图分类号：TQ327.8文献标识码：APreparation of Jute Fibers Reinforced Epoxy
Resin Composites by VARTM
LI Wei，HUANG Hongyun， WU Yongqing
（College of Materials Science and Engineering， Hunan Univ，Changsha，Hunan410082，China）Abstract： In this research， the jute fibers were first treated with heating， alkali， silane coupling agent and isocyanate respectively， then the jute fibers fabrics were treated with hot pressing process， and finally， the jute fiber reinforced epoxy resin composites were fabricated with VARTM molding process. Scanning Electron Microscopy （SEM） analysis shows that the interface bonding of jute fibers treated with heating and alkali reinforced epoxy resin composites has not been improved， but the interface bonding of composites has been significantly improved with the jute fibers treated with silane coupling agent and isocyanate. The hotpressing process can not only increase the jute fibers volume content in the composites but also improve the performance of composites by the jute fibers treated in advance with silane coupling agent and isocyanate. The mechanical properties of the composites show that tensile strength， modulus and flexural strength of the jute fiber treated with the silane coupling agent reinforced composite increase by 18.6%， 71.4% and 50.2%， respectively， and the tensile strength， modulus and flexural strength of the jute fiber treated with the isocyanate reinforced composite increase by 16.3%， 34.0% and 50.3%， respectively.
Key words：jute fiber；composites；hot pressing process；silane coupling agent；isocyanate
麻纤维是一种天然植物纤维，具有价格低廉、可生物降解、优良的力学性能等优点.相比于合成纤维，天然麻纤维具有更好的吸能效果，能制造出高性能的复合材料，可广泛地应用于汽车制造工业[1-2].
麻纤维种类较多，常见的麻纤维有苎麻[3]、黄麻、亚麻等.黄麻是最廉价的天然纤维之一，黄麻纤维纤维素质量分数约为57%～60%，单纤细度为15～18 μm，单纤长度为1.5～5 mm，因为单纤维短且长度参差不齐，故无法单纤维纺纱.黄麻纤维具有不规则的多边形混合截面，吸湿性和透湿性较苎麻要高2%～4.5%.其生物分解性好，初始弹性模量高，不起球，抗菌能力优异，生产成本低，因此具有很好的市场应用前景.
碳纤维增强复合材料 篇4
目前, 高效回收碳纤维/环氧树脂复合材料的方法鲜少。焚烧的方法只能回收部分热量, 而且还会产生易污染环境的气体;高温热降解回收到干净的填料和增强纤维, 但需要在较高的反应温度下进行, 对反应设备要求较高。
该发明的目的是提供一种能在温和的条件下高效地回收纤维增强的环氧树脂复合材料的方法。该方法以绿色氧化剂和有机试剂为反应试剂, 在温和的温度下进行反应, 通过控制反应条件, 使树脂的降解产物以苯酚及其同系物产生, 通过重结晶、减压蒸馏、萃取等方法使降解产物以晶体的形式以降解液中析出。该方法不仅实现纤维的回收, 特别是高价值纤维——碳纤维的回收, 而且实现树脂的可控回收。
方法包括以下步骤:①将所需分解的碳纤维增强环氧树脂复合材料切割成体积小于5 cm3的块体, 将切割后的复合材料置于装有酸液的回流装置中, 以该酸液沸点温度加热5～30 min后, 取出复合材料, 先用工业丙酮洗涤、再用去离子水洗涤, 重复洗涤3～5次, 然后放入80 ℃～120 ℃的真空干燥箱干燥12～24 h, 得到处理后的复合材料;②将处理后的复合材料置于密封反应釜中, 然后加入有机溶剂和氧化剂;每100 g处理后的复合材料加入50～2 000 ml的有机溶剂, 每100 g处理后的复合材料加入50～2 000 g的氧化剂;③将密封反应釜在50 ℃～300 ℃下加热10～120 min, 然后自然冷却至常温, 得到初级产物。④将初级产物中的固体产物用工业丙酮洗涤3～5次, 置于工业丙酮溶液中浸渍12～72 h, 取出干燥后得到回收碳纤维;将初级产物中的液体产物进行减压蒸馏获得苯酚及其衍生物。
该发明方法具有环境友好、成本低廉、反应条件温、降解产物易与反应液分离、树脂和纤维的回收率高、资源的可循环利用等优点, 可弥补长期以来难以高效回收、反应后处理复杂、难以实现工业化等缺陷, 从一定程度上能缓解热固性树脂及其复合材料给环境的压力且实现资源的循环利用。
该发明方法以绿色氧化剂和有机溶剂的混合物做反应体系, 使复合材料在较为温和的条件下降解成为苯酚及其同系物并溶于反应体系中, 经过重结晶、减压蒸馏、萃取等方法使降解产物以晶体等较易分离的形式从反应体系分离出来, 从而实现碳纤维和环氧树脂的各自回收, 实现资源的循环利用, 缓解了热固性树脂复合材料对环境的压力, 具体体现为:①回收得到的碳纤维表面树脂几乎为残留:碳纤维/环氧树脂中环氧树脂的降解率达到95%以上;②回收后的纤维的强度可以达到原始纤维强度的90%以上, 可用于作为复合材料增强体;③树脂降解产物能以较易分离的小分子形式分离出来, 实现降解产物与反应液的分离, 通过进一步处理可回收得到有机溶剂, 回收得到的有机溶剂可循环使用, 回收到降解产物可作为化工原料等再次使用, 降解产物和有机溶剂的回收率均比较高。
地址:浙江省宁波市镇海区庄市大道519号
邮编:315201
碳纤维增强复合材料 篇5
本文着重研究了水镁石短纤维增强HDPE/EPDM复合材料的力学性能、介电性能以及水镁石短纤维的阻燃效果,对水镁石短纤维和粒状无卤阻燃剂填充HDPE/EPDM复合体系的`拉伸性能、介电性能和阻燃效果进行了对比研究.并采用动态力学谱、SEM等方法对该体系的微观结构进行了分析,结果表明,水镁石短纤维对复合体系除具阻燃作用外,还具有显箸的增强作用.
作 者：张显友 吕明福 盛守国 赵志海 张志谦 Zhang Xianyou L?Mingfu Sheng Shouguo Zhao Zhihai Zhang Zhiqian 作者单位：张显友,盛守国,赵志海,Zhang Xianyou,Sheng Shouguo,Zhao Zhihai(哈尔滨理工大学材料科学与工程学院,哈尔滨,150040)
吕明福,L?Mingfu(北京化工研究院)
张志谦,Zhang Zhiqian(哈尔滨工业大学,哈尔滨,150001)
碳纤维增强复合材料 篇6
关键词：纤维格栅；水泥混凝土；力学特性；
短切纤维的分布一般比较杂乱，在利用纤维栅格增强水泥混凝土弯曲力的时候，使用效率比较低，不能够充分发挥该性能的特性，为了提高纤维格栅的利用效率，人们逐渐研制出了新的纤维格栅类型，即通过利用纺织技术，将连续的纤维粗编制成为平面形式的纤维格栅，改变纤维粗纱的分布方向，进而提高纤维格栅的使用效率。
纤维格栅的主要优点为：化学性能比较稳定、弹性模量比较高、耐腐蚀性比较好、抗拉强度比较强等。将纤维格栅运用到水泥混凝土结构中的时候，只需要满足制作过程中的粘结力便可，对于水泥混凝土的结构保护层并没有比较高的要求。在国家的公路、港口建设中，因为纤维格栅的良好性能，在公路建设、港口建设中得到了广泛的运用。
在工程实践中，纤维格栅具有较强的承载力，能够承担比较重的荷载，不仅能够提高结构的整体抗弯曲能力，还能够使结构具有良好的控制裂缝以及抗裂能力，能够有效的解决钢筋长时间使用腐蚀的问题。
一、纤维格栅的试验概况
文章采用了14组150mm*150mm*600mm的水泥混凝土试件进行了弯曲试验，探讨了纤维格栅表面处理、纤维格栅种类以及粗颗粒最大直径对水泥混凝土抗弯曲力度的影响。
（一）试验材料
水泥类型：陕西耀县秦岭牌普通硅盐水泥42.5R，水泥的密度是3.1g/cm3；沙子粗集料的类型：采用的是泾阳的石灰岩碎石块，密度是2.75 g/cm3，碎石级配合格；细集料的类型：灞河的中砂，沙子的细度为2.95，级配合格，密度是2.65 g/cm3，沙子的净含量为0.9%。
试验过程使用的玻璃纤维栅格网格尺：25.4mm*25.4mm和12.7mm*12.7mm；该纤维栅格的生产商为山东大庚玻璃有限公司；使用的玄武岩纤维栅格尺寸是25mm*25mm和5mm*5mm，该纤维的生产上为四川生玄武岩实业有限公司。
（二）试验的方案过程
在试验的时候，需要确定水泥混凝土之间的配制比例，采用的配比方法为绝对密实体积法，根据相关的配比称取试验的材料，主要分为几个步骤：第一，在搅拌机里面加入沙子、水泥、搅拌时间为30；第二，往沙子、水泥内部加入一定比例的水，搅拌时间为30s；第三，加入比较大的碎石子，搅拌的时间为120s。把裁剪以后的纤维栅格铺设在试模的下面，之后搅拌水泥混凝土材料，并进行振捣处理，处理的时间一般为90s，24h以后，拆开相应的模具，按照水泥混凝土养护的标准时间，进行养护处理，时间是28d，然后拿出试件，实践的尺寸是150mm*150mm*600mm。弯曲试验采用的机械类型是TZA-100，加载过程的速率是0.5KN/s。
（三）纤维格栅的试验结果
1、试件的破坏现象
在纤维格栅增强水泥混凝土的弯曲度试件开裂之前，水泥混凝土和纤维格栅基本是同步进行工作的，两者基本呈现一种线性关系。
裂缝最先出现的地方为纯弯段，方向和轴线是垂直的，并且会跟着荷载的变化逐渐增大，中点的挠度也进一步的扩大，纯弯段的裂缝会逐渐向试件施加压力，导致试件的刚度在截面断裂之前逐步减小，当达到荷载能够承受的极限的时候，纤维格栅会突然断裂，试件便被破坏。
在试验的过程中，试件基本上属于脆性破坏，破坏的试件基本是由纤维格栅拉断破坏导致的，但是纤维格栅在这个过程中，会出现滑落的现象，据此我们可以了解到试件破坏受纤维格栅和水泥混凝土粘结性能的影响比较大。
2、纤维格栅的种类对水泥混凝土抗弯强度的影响
纤维格栅的主要用途是做水泥混凝土的加筋材料，一方面混凝土和纤维格栅的表面会产生摩擦力，通过相互之间的摩擦作用传递荷载；另一方面，纤维格栅的网孔会和集料发生互相挤压的现象，促使纤维格栅和水泥混凝土整体进行受力，应力的分布面积一般比较大。另外，纤维格栅对混凝土的裂缝起到一定的缓冲作用，能够提高混凝土的抗变形能力。在混凝土材料配制基本相同的条件下，不同种类的纤维格栅会对混凝土的抗弯强度产生不同的影响。
3、纤维格栅表面处理对混凝土抗弯强度产生的影响
当水泥混凝土的材料配制基本相同的时候，经过环氧树脂处理以后的纤维格栅，能够提高混凝土的抗弯强度。当粗集粒的最大直径是40mm的时候，网格尺寸是5mm*5mm的玄武岩纤维栅格表面处理前后的抗弯曲强度是7.35和7.96Mpa，网格尺寸为12.7mm*12.7mm的玻璃纤维格栅在经过材料处理前后的抗弯曲强度是7.01和7.62MPa。
根据上述数据资料我们可以了解到，纤维格栅在经过环氧树脂处理时，环氧树脂会渗透仅纤维格栅的纤维束中，环氧树脂凝固以后，会和纤维束粘结在一起。改变了纤维格栅的整体受力能力，提高了纤维束和水泥混凝土之间的粘结力，通过这种方式提高了混凝土的抗弯能力。
4、粗集料最大直径对混凝土抗弯强度产生的影响
根据纤维复合材料强度的相关理论，我们可以了解到，当纤维格栅的体积以及纤维格栅的形状特征参数保持不变的时候，混凝土基体的强度决定了纤维格栅增强水泥混凝土强度的能力，当混凝土基体的强度逐渐变大的时候，纤维格栅对增强水泥混凝土的抗弯能力逐渐增强；当纤维格栅的强度和水泥混凝土基体的强度基本一致的时候，纤维格栅和混凝土的粘结度决定了纤维格栅增强水泥混凝土抗弯力的强度。
我们了解到，当纤维栅格的种类和水泥混凝土的配比相同的售后，粗集料的最大直径能够对水泥混凝土的抗弯强度造成一定的影响。当粗集料中颗粒的最大直径是20mm的时候，因为水泥的含量比较多，配置的比率也比较合适，抗弯曲强度会比颗粒直径为40mm的时候，强度提高9.48%。强度提高的主要原因是试件在浇筑的时候，会产生自重以及振捣作用，这种情况就会导致水泥混凝土中的粗集料逐渐下沉，气泡逐渐上升，促使粗集料和纤维栅格形成比较完善的机械咬合力，进而提高了水泥混凝土的抗弯能力。
从上述的论证过程中，我们可以知道，水泥混凝土中集料的最大直径和纤维栅格对混凝土的增强作用紧密相关。
结语：
通过上述的试验论证我们可以得出以下的结论：
第一，纤维栅格在增强水泥混凝土试件中造成的破坏，一般属于脆性破坏，在混凝土中加入一定比例的纤维格栅能够有效的提高水泥混凝土的抗弯力。
第二，纤维栅格的表面在经过化学处理以后，能够提高纤维束与混凝土之间的粘合力，能够有效的提高混凝土的抗弯能力。
第三，粗集料的最大直径能够对水泥混凝土的抗弯强度产生直接性的影响，直径越小，抗弯曲能力相对越强。
参考文献
[1]颜祥程. 翁兴中.寇雅楠.梁磊.张广显.纤维格栅增强水泥混凝土的弯曲力学特性[J].西南交通大学学报，2012，（3）
[2]黄金富.三种常见竹种纤维增强水泥复合材料性能的研究[J].福建建设科技，2012（6）
[3]马莉.江晓禹.环氧树脂对玻璃纤维/水泥复合材料界面性能的影响[J].玻璃钢/复合材料，2012（1）
作者简介
碳纤维增强复合材料 篇7
由于碳纤维增强复合材料具有相对密度小、比强度大、比模量高、热膨胀系数小、耐腐蚀等特点, 所以它既可作为结构材料承载负荷, 又可作为功能材料发挥其作用, 因此近年来发展十分迅速, 广泛应用在航空航天、汽车、化工、能源、交通、建筑、运动器材等领域。
但未经表面改性的碳纤维表面惰性大, 缺乏具有化学活性的官能团, 与基体树脂的浸润性及两相界面粘接性能差, 界面中存在较多的缺陷, 限制了碳纤维高性能的发挥。因此, 要对碳纤维进行表面改性, 强化碳纤维与基体树脂之间界面性能, 达到提高复合材料强度的目的。
目前碳纤维表面改性的方法很多, 国内外学者做了大量研究, 主要的方法有:表面涂层法、表面氧化法、电化学聚合法等。本研究在前人的研究基础上, 采用空气氧化法、液相氧化法和表面涂层法以及三者相结合的方法研究不同的表面改性工艺对碳纤维增强尼龙复合材料力学性能的影响。
实验部分
实验原料和设备
碳纤维 (T300) :中复神鹰碳纤维有限责任公司;尼龙6:中国神马集团有限责任公司;硬脂酸锌:常州德响玻璃钢复合材料有限公司;防纤维外漏剂:上海松亚化工有限公司;硝酸 (68%) :莱阳市康德化工有限公司。水性环氧:深圳天马化工有限公司;偶联剂:南京康普顿曙光有机硅化工有限公司;双螺杆挤出机 (SHJ-50) :南京杰恩特机电有限公司;高速混合机组 (SHR200) :张家港全速机械有限公司;注塑机 (MA6000/4000u) :宁波海天塑机集团有限公司;扫描电镜 (KYKY-2800B型) :北京中科科仪技术发展有限责任公司;电子万能试验机 (JDL-20k N) :扬州市天发试验机械有限公司;摆锤冲击实验机:扬州市天发试验机械有限公司;分析天平:上海越平科学仪器有限公司。
碳纤维表面改性处理
取一定量的碳纤维, 分别按以下方法进行表面处理:
(1) 水性环氧树脂涂层:将碳纤维置于2%水性环氧树脂溶液中, 常温浸润3min后, 取出烘干, 切成4~5mm长度的短切纤维, 记为试样A;
(2) 空气氧化+硝酸刻蚀:将碳纤维置于380~400℃马弗炉中, 保温60min后, 取出自然冷却, 然后浸润在68%的浓硝酸中, 煮沸60min, 然后取出用自来水、纯净水清洗多次, 最后烘干, 切成4~5mm长度的短切纤维, 记为试样B;
(3) 空气氧化+硝酸蚀刻+涂层:第一步, 将一定长度的碳纤维置于380~400℃的马弗炉中, 保温60min, 取出自然冷却;第二步, 将氧化后的碳纤维置于装有硝酸 (68%) 溶液的不锈钢容器中, 煮沸60min, 取出用自来水、纯净水清洗多次, 然后烘干;第三步, 将烘干后的碳纤维置于装有1~2%水性环氧树脂溶液中, 在常温下放置2min, 然后取出烘干, 切成4~5mm长度的短切纤维, 记为试样C;
(4) 空白对照组:未经表面改性处理的碳纤维, 切成4~5mm长度的短切纤维, 记为试样D。
碳纤维改性尼龙粒子及其复合材料样条的制备
将聚酰亚胺树脂 (尼龙6) 和适当的助剂 (硬脂酸锌、防纤维外漏剂、偶联剂等) 放入高混机中, 在80~110℃之间进行充分搅拌, 使各种原料混合均匀, 并将原料烘干 (含水率低于0.5%) , 然后通过输送装置进入双螺杆造粒机的主料斗中, 备用;将以上4种不同方式处理的碳纤维, 按10%的比例 (质量百分比) 依次放入造粒机的侧料斗中, 分别对尼龙6进行改性造粒;造粒过程中, 经过9个加热区加热熔融, 然后进行拉条、冷却、烘干、切粒、烘干、打包, 得到4种不同表面处理的碳纤维改性粒子;最后将这4种改性粒子分别放入注塑机中, 用专用的模具打出A组、B组、C组、D组4种标准力学测试试样条, 备用。
力学性能测试
参照GB/T1447-2005 (《纤维增强塑料拉伸性能实验方法》) 制备拉伸试样, 参照GB/T1449-2005 (《纤维增强塑料弯曲吸能试验方法》) 制备弯曲试样, 参照GB/T1451-2005 (《纤维增强塑料简支梁冲击韧性试验方法》) 。最后采用电子万能试验机 (JDL-20k N) , 对改性尼龙复合材料的力学性能的主要参数 (抗拉强度、抗弯强度、弹性模量、弯曲模量、冲击强度) 进行全面测试。
结果及分析
碳纤维改性尼龙复合材料表面形貌
图1显示了不同方法改性后碳纤维尼龙复合材料的表面电镜图。可以看出碳纤维表面与尼龙6树脂基体间的孔隙C<B<A<D, 即通过复合表面处理法处理过的碳纤维相比单一表面处理的碳纤维和未经处理的碳纤维与树脂基体结合更紧密, 界面间的孔隙最小。
力学性能分析
力学性能测试在电子万能试验机 (JDL-20k N) 进行。采用4种碳纤维试样制备的碳纤维改性尼龙复合材料的试样分别记为A、B、C、D。4种复合材料试样的力学性能参数如表1所示。
通过对复合材料塑料样条进行性能检测可以发现, A组和B组, 相较空白组D组综合性能有一定的提高;而C组综合性能最佳, 抗拉强度、弹性模量、抗弯强度相对于空白对照组D组提升了30%左右, 抗弯强度提升了25%左右。力学性能的对比与电子显微镜表征的界面效果相吻合。
结语
碳纤维增强复合材料 篇8
本文概述了碳纤维增强聚合物基、金属基、碳基等复合材料的研究进展,并分析了碳纤维的含量、碳纤维方向、纤维混杂、碳纤维的表面处理以及环境温度等因素对增强复合材料摩擦学性能的影响。
1 碳纤维填充改性复合材料的摩擦学研究
1.1 碳纤维改性聚合物基复合材料
聚合物基复合材料具有高的比强度和比刚度、良好的热稳定性、耐冲击、耐腐蚀和耐磨性能, 已广泛应用于航空航天、化工及建筑等工业部门, 用来制造齿轮、凸轮、轴承、制动器及离合器等机械零件。
崔永丽等[2]用磨损试验机对碳纤维增强聚醚醚酮(PEEK)复合材料进行室温干滑动磨损试验,结果表明,加入碳纤维可以明显地降低材料的摩擦系数和磨损量,当碳纤维含量为5%~10%时,复合材料的摩擦系数和磨损量最低;加入适量固体石墨可进一步降低复合材料的摩擦系数和磨损量。
廖功雄等[3]采用熔融共混的方式制备了不同短碳纤维含量增强含二氮杂萘酮聚芳醚酮(PPEK)基复合材料,对复合材料的加工性能、力学性能、摩擦性能、耐热性进行了研究。结果表明:短碳纤维对PPEK的增强作用明显,拉伸强度和弯曲强度均有大幅提高;复合材料中短碳纤维起到了明显的自润滑作用,复合材料的摩擦系数和磨损率均随碳纤维含量的增加而明显降低;短碳纤维的加入进一步提高了复合材料的耐热性。
朱鹏[4]等考察了碳纤维改性热塑性聚酰亚胺的摩擦磨损行为。研究表明: 随着温度升高, 材料的摩擦因数和磨损率均有所下降;载荷、速度及其交互作用对材料摩擦磨损行为影响不显著。
郑立允等[5]研究了碳纤维对CCF/MCPA力学性能的影响以及CCF/MCPA的摩擦学性能和磨损机制。结果表明,CCF/MCPA的弯曲强度、弯曲弹性模量、冲击强度和平面剪切强度随碳纤维含量的增加而提高,CCF/MCPA的摩擦系数和磨损量随着载荷的增加而降低。其磨损机制主要是磨粒磨损和粘着磨损的特征。
1.2 碳纤维改性金属基复合材料
唐谊平等[6] 考察了短碳纤维增强铜基复合材料干摩擦磨损性能。结果表明:复合材料的耐磨性能明显优于基体,随着碳纤维含量的增加,复合材料的耐磨性能进一步提高,随载荷和转速的提高,摩擦系数和磨损量也随之增加,复合材料由纯铜的粘着磨损转变为剥层磨损,并均伴有一定的氧化磨损。
贺林等[7]研究了短碳纤维增强锡基巴氏合金的摩擦学特性。结果表明: 6%(体积分数)的短碳纤维的加入,降低并稳定了锡基巴氏合金与钢配副的摩擦系数,使合金不易发生剧烈的粘着磨损,从而使锡基巴氏合金的摩擦学特性得到改善。
孔晓丽等[8]考察了新型碳纤维毡增强铝基复合材料摩擦磨损特性。结果表明:碳纤维毡增强铝基复合材料的摩擦磨损特性明显优于基体合金;复合材料经历由稳定磨损向严重磨损的转化,在稳定磨损阶段,复合材料的磨损表面存在由金属氧化物和碳膜共同构成的复合固体润滑膜,从而有效地改善复合材料的摩擦磨损性能。
宋勇等[9]对碳纤维增强的铅基合金复合材料的摩擦磨损性能进行了研究,发现它们在干摩擦时的摩擦系数和磨损率都比铅基巴氏合金的低。
1.3 碳纤维改性碳基复合材料
C/C复合材料作为一种新型的复合材料,与传统的材料相比,具有比强度大, 比刚度大、比模量高、耐高温、抗腐蚀、耐磨等许多独特的优越性能。C/C复合材料不仅在航空, 航天领域已得到广泛的应用,而且在机械、冶金化工和生物医学等许多方面具有巨大的应用潜力。
纪锐等[10]在Amsler环块式磨损试验机上,进行了C/C复合材料与C/C复合材料、聚四氟乙烯(PTFE)及不锈钢(1C r18Ni9Ti)3对摩擦副的摩擦磨损试验。结果表明,C/C复合材料的独特结构决定具有自润滑作用,与偶件摩擦时,摩擦系数较小。C/C与C/C及不锈钢对磨时,磨损类型为磨粒磨损。C/C与PTFE对磨时,其磨损类型为粘着磨损。
田江波等[11]在Falex摩擦磨损实验机上研究了碳纤维增强碳基体(C/C) 复合材料在不同载荷下的摩擦磨损性能,且对摩擦表面进行了SEM观察和分析。研究结果表明:C/C 复合材料的摩擦系数随着载荷的增大呈现出先增大后减小的趋势, 而磨损量则随着载荷的增大呈现出逐渐增大的趋势;在高载荷下表面形成的磨屑膜, 是导致摩擦系数减小的原因之一; 随着载荷的逐渐增大, C/C 复合材料的磨损由磨粒磨损为主逐渐向粘着磨损为主转变。
2影响碳纤维增强复合材料摩擦学性能的因素
2.1 碳纤维的最佳含量
由于磨损显露出的碳纤维支撑了接触面之间的大部分载荷, 因此碳纤维可提高复合材料的综合性能。 但碳纤维在复合材料中占体积分数过大将降低基体和纤维之间的粘合力及纤维的均匀分散性, 从而影响其摩擦学特性。 因此为了获得较好的耐磨性,碳纤维含量存在一个适用范围。张志毅等[12]研究了碳纤维增强聚醚醚酮(CF/PEEK)复合材料的摩擦磨损行为,结果表明,复合材料的摩擦系数与磨损率依赖于材料中纤维的含量,在10%~20%范围有最低值。王军祥等[13]以注塑成型法制备了尼龙1010及碳纤维(CF)增强尼龙1010复合材料,研究了CF含量和载荷对材料摩擦学性能和磨损机制的影响。结果表明,CF的加入可显著改善尼龙的摩擦学性能,以体积分数为20%的CF增强尼龙1010复合材料的耐磨性能最好。Bahadur等[14]也发现, 10%碳纤维增强聚酯的磨损率最低, 且增强材料的摩擦系数和磨损率相应地都降低。分析认为:当纤维含量过低时, 纤维因拉伸或剪切而断裂, 增强效果并不明显; 而纤维含量过高, 纤维磨损断裂的碎片以及纤维从基体中脱离增多, 破坏了复合材料和偶件之间形成的转移膜, 从而导致磨损增加[15]。
2.2 碳纤维方向
郭芝俊等[16]考察了CF增强铜基复合材料中碳纤维方向对其磨损特性的影响,发现滑动方向与碳纤维垂直时,碳膜形成快而厚且分布均匀,因而摩擦系数小,比磨损率小;滑动方向与碳纤维平行时,由于不易形成均匀连续分布的碳膜,因而摩擦系数大,比磨损率大。Mody等[17]研究发现,CF纤维织物增强PEEK 的磨损低于短切CF 纤维增强PEEK, 织物中经向和纬向纤维对材料的抗磨损能力具有协同效应。朱波等[18]研究了碳纤维方向对其增强复合材料的摩擦系数的影响,发现当长纤维方向和摩擦方向一致时,摩擦系数最小;短切纤维增强时,摩擦系数次之;而当碳纤维长度方向和摩擦方向垂直时,摩擦系数最大。另外,碳纤维方向对复合材料磨损的影响还与纤维的含量有关,随碳纤维含量的增加,碳纤维的方向对材料摩擦学性能影响减弱。
2.3 纤维混杂
叶素娟等[19]研究了碳纤维(CF)、玻璃纤维(GF)及这两种纤维不同配比的混杂纤维增强PTFE复合材料的摩擦学性能,结果表明,适量填充CF和GF均可提高PTFE的摩擦磨损性能,CF比GF效果更为显著;CF和GF的混杂纤维填充PTFE复合材料,比填充单种纤维效果更显著。这是由于混杂纤维产生了良好的协同效应。杜军等[20]研究了A12O3纤维及碳纤维增强ZL109混杂复合材料的高温摩擦磨损性能,结果表明:混杂碳纤维的复合材料具有优异的高温耐磨性能;由于12%A12O3和4%碳纤维的协同作用,复合材料从轻微磨损向急剧磨损转变的临界温度比基体合金的提高了1倍,混杂复合材料的摩擦系数和磨损率随着碳纤维体积分数的升高而不断减小,这在较高温度(300℃)下更加明显。在较低温度下,基体及复合材料的磨损机制主要为犁沟磨损和轻微粘着磨损,当温度超过临界温度后,磨损机制转变为严重粘着磨损。 Krey等[21]考察了CF和AF增强尼龙复合材料与45钢对磨的性能, 其纤维排列方式为CF和滑动方向平行,而AF与滑动方向垂直。 结果表明, CF 体积分数为2种纤维含量60%左右时磨损率最小。但目前对纤维混杂协同效应的研究还不多。
2.4 碳纤维的表面处理
研究认为,聚合物相与纤维相之间的亲合力来源于纤维表面的孔隙浸入树脂而形成的机械作用力、物理吸附力,以及纤维表面的化学基团与树脂相中的活性基团反应形成的化学键[22]。由于树脂基体与碳纤维的分子结构不同,两者的界面相容性较差,因此需要对碳纤维进行表面处理,以增加碳纤维与基体的反应活性,进一步提高复合材料综合性能指标。表面处理一般采用物理或化学方法进行,在填料表面包覆一层类似于表面活性剂的过渡层,起“分子桥”的作用,使填料与树脂基体间形成良好的粘结界面。王军祥等[23]采用空气氧化法对碳纤维进行表面处理,以注塑成型法制备碳纤维增强尼龙1010复合材料。研究发现,表面处理碳纤维可明显提高增强尼龙复合材料的拉伸强度和摩擦学性能,其中摩擦系数较未处理碳纤维增强降低了30%~50% ,而耐磨性提高了2~3倍。这是因为表面处理可显著改善碳纤维和尼龙基体间的界面结合性能。包丹丹等[24]分别用氧化法、稀土处理法、氧化后稀土处理法对碳纤维进行表面处理,然后开展拉伸试验来对不同方法处理的碳纤维填充聚四氟乙烯复合材料进行界面粘着研究,并在UMT.2MT型摩擦磨损试验机上对水润滑条件下聚四氟乙烯复合材料摩擦学性能进行研究。结果表明,稀土处理方法在提高复合材料摩擦学性能上优于氧化方法,稀土处理碳纤维填充的聚四氟乙烯复合材料优良的摩擦学性能来自于碳纤维增强体与聚四氟乙烯基体间强的界面粘着力。目前,国内外已研制出各种性能的纤维表面处理剂,可有效地改善纤维增强复合材料的力学和摩擦学性能[25]。
2.5 环境因素
朱波等[18]研究了环境温度对碳纤维增强复合材料的摩擦系数的影响,结果发现,随着环境温度的升高,摩擦系数上升,这可能是聚合物表面在剪切应力及高温的同时影响下,分子链断裂,造成松弛现象,使损耗因子增加而造成的结果,碳纤维含量增加有助于减小摩擦系数对温度的敏感性。
程继贵[26]研究了不同润滑状态下碳纤维对锡青铜摩擦磨损性能的影响,发现在干摩擦时碳纤维的加入可以起到固体润滑剂的作用,同时提高锡青铜抵抗粘着磨损、因塑性变形导致的硬化层剥落磨损的能力,因此提高锡青铜的减摩耐磨性能;而油润滑状态下,碳纤维的加入不仅没有改善反而降低了材料的摩擦学性能,这是由于有油润状态下, 碳/锡青铜复合材料与对磨材料对磨时,暴露于磨面处的碳纤维较难被压入基体中,因此与锡青铜相比,其磨面较为粗糙,不利于连续润滑油膜的建立。Bramham等[27]则认为, 液体渗入表面的裂缝或空洞内并通过静压作用破坏转移膜, 从而加速磨损。
3 结 语
利用碳纤维的一些优异性能去改性复合材料,尤其是提高它们的减摩耐磨性,展现出诱人的应用前景。尽管近年来对其研究较多,并取得了较大进展,但是还存在一些需要今后进一步研究的问题。
(1)未经处理CF表面呈惰性,与树脂基体的界面结合性较差,因此需要对CF进行表面处理,以增加CF与基体的反应活性,进一步提高复合材料综合性能指标。关于碳纤维表面处理的进一步研究工作主要包括以下三个方面:①碳纤维的表面处理工艺;②聚合物、碳纤维及偶联剂的界面结构和性能;③界面反应机理。
(2)碳纤维的加入使得复合材料的磨损过程变得更加复杂,关于其磨损机理的研究和磨损模型的建立还有待深入和完善。
碳纤维增强复合材料 篇9
碳纤维增强复合材料具有非常优异的比强度、比模量等综合指标, 并且耐高温、抗疲劳及抗腐蚀性能好, 因此广泛地应用于航天、航空、国防等领域[1,2,3]。但是, 碳纤维增强复合材料层合板在低速冲击作用下, 复合材料层合板的表面损伤通常目视难以观察到, 但是复合材料内部已产生基体裂纹、分层及纤维断裂等冲击损伤, 导致复合材料力学性能显著下降[4,5]。为了保证受到冲击的复合材料层合板不发生突发性的破坏, 对复合材料层合板的冲击损伤进行研究具有重要意义。
2 试验
2.1 CFRP层合板制备
试验原材料采用碳纤维增强环氧树脂 (T300/914) 层合板, 试样采用手工铺层, 层合板厚度分别为5.7mm, 7.6mm, 9.5mm。层合板试样Ⅰ的铺层方式为[+45/-45/0/90/0/-45/0/90/0/+45/0/0/-45/0/+45]s, 层合板试样Ⅱ的铺层方式为
层合板试样Ⅲ的铺层方式为
2.2 冲击试验
根据ASTMD 7136《纤维增强聚合物基复合材料落锤冲击损伤阻抗测量标准试验方法》对层合板的进行冲击试验。初始冲击能量设定为5J, 冲击后进行凹坑深度及裂纹测量, 以5J为递增步长逐级进行冲击试验, 直至达到最大冲击能量值 (6.75×板厚) 。
2.3 冲击损伤检测方法
采用游标卡尺测量基体裂纹长度及凹坑深度, 游标卡尺精度为0.02mm。
3 结果与讨论
3.1 冲击凹坑深度
冲击能量为5J时, 所有试样均无明显冲击痕迹;随冲击能量增加, 冲击凹坑深度增加;随冲击能量增加, 在冲击点位置出现内部分层现象, 向板内部呈发散状扩展。各类试样凹坑在24小时内回弹值较大, 24小时后, 回弹值降低趋于平缓。随冲击能量增加, 回弹值增加。在相同能量冲击作用下, 随试样厚度增加, 凹坑深度减小;凹坑回弹值降低;试样反面冲击痕迹减弱。
3.2 基体裂纹长度
试验结果表明, 当冲击能量超过20J时, 凹坑周围出现裂纹, Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类试样反面可见凸起但没有出现裂纹, 随着冲击能量增加, 凹坑周围裂纹数量增加、尺寸变大;凹坑底部中心位置有明显凸起, 凹坑断面呈W型, Ⅲ类试样冲击能量55J、60J、65J时, 凹坑底部出现裂痕。在相同能量冲击作用下, 随层合板试样厚度增加, 凹坑周围裂痕数量减少、长度减小。
由表1及图1可知, 随着冲击能量的增加, 层合板试样的基体裂纹长度均呈线性增加趋势;相同冲击能量作用下, 随着层合板试样厚度的增加, 基体裂纹长度呈减小趋势。
4 结论
本文研究了层合板厚度和冲击能量对碳纤维增强复合材料层合板冲击损伤的影响规律, 得到以下结论:随着冲击能量的增加, 碳纤维增强复合材料层合板的冲击凹坑深度和基体裂纹长度均呈增加趋势;相同冲击能量作用下, 随着碳纤维增强复合材料层合板试样厚度的增加, 冲击凹坑深度和基体裂纹长度呈减小趋势。层合板的冲击凹坑深度在24小时内回弹值较大, 24小时后, 回弹值降低趋于平缓。随着冲击能量增加, 冲击凹坑深度回弹值增加。在相同能量冲击作用下, 随试样厚度增加, 凹坑回弹值降低;试样反面冲击痕迹减弱。
摘要：为了研究冲击能量和几何尺寸对碳纤维增强复合材料层合板冲击损伤的影响规律, 对三种不同厚度、几何尺寸为600 mm×700 mm的碳纤维增强复合材料层合板试样分别进行5J-65J能量的冲击试验, 并采用游标卡尺对层合板试样的冲击凹坑深度和基体裂纹长度进行检测。试验结果表明:随着冲击能量的增加, 碳纤维增强复合材料层合板的冲击凹坑深度和基体裂纹长度均呈增加趋势;相同冲击能量作用下, 随着碳纤维增强复合材料层合板试样厚度的增加, 冲击凹坑深度和基体裂纹长度呈减小趋势。
关键词：碳纤维,复合材料,层合板,冲击损伤
参考文献
[1]AOKI Y, YAMADA K, ISHIKAWA T.Effect of hygrothermal condition on compression after impact strength of CFRP laminates[J].Composites Science and Technology, 2008, 68 (6) :1376-1383.
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[4]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.
碳纤维增强复合材料 篇10
混凝土与碳纤维两种材料的热膨胀系数大不相同,混凝土的热膨胀系数为(1.0~1.5)×10-5/℃,而碳纤维的热膨胀系数为(22~32)×10-6/℃(垂直于纤维方向)和(-0.72~-1.4)×10-6/℃(平行于纤维方向)。在低温情况下,碳纤维有膨胀的趋势,但混凝土抑制了其膨胀,对碳纤维产生压力;同时,混凝土有收缩的趋势,而碳纤维抑制了其收缩,这就导致了混凝土产生拉应力。在温差作用下,混凝土和碳纤维两种材料各自的自由变形受到约束,从而产生了温度应力[1]。
ANSYS软件广泛应用于土木工程等诸多领域,本文应用ANSYS软件分别对在降温温差30℃、40℃、50℃、60℃作用下的碳纤维约束混凝土棱柱体进行了温度应力分析,求解出了最大温度应力。本研究的目的是在寒冷地区用碳纤维增强复合材料加固混凝土结构时,对温度应力的控制有所帮助。
1 热分析步骤及单元类型的选择
采用间接耦合法对碳纤维约束混凝土棱柱体进行热分析,得到节点温度,然后重新进入前处理器,将热单元转换为相应的结构单元,把热分析得到的温度作为载荷施加在结构单元上,最后对试件的应力和变形进行求解[2]。
对混凝土材料进行热分析时选用Solid70单元,该单元为8节点六面体单元,只有一个自由度(温度),适用于三维瞬态和稳态热分析,与它对应的结构分析单元为Solid45,该单元为8节点实体单元,每个节点有三个方向的平动自由度,具有蠕变、塑性、徐变、应力刚化等性能。两种单元的几何形状及节点位置如图1和图2所示。
对于碳纤维材料,热分析时采用四节点四边形单元Shell57,只有一个自由度(温度),适用于三维稳态和瞬态分析,与其对应的结构分析单元为Shell63。Shell63为四节点四边形单元,有六个自由度(三个平动自由度,三个转动自由度),而且具有薄膜弯曲功能,支持应力刚化,大变形。两种单元的几何形状及节点位置如图3和图4所示。
2 温度应力分析
碳纤维布和混凝土的有限元分析模型如图5(a)和(b)所示。
2.1 截面温度
试验设计模拟实际情况,试验模型初始温度20℃,温差分别为30℃、40℃、50℃、60℃时对应的最低温度分别为-10℃、-20℃、-30℃、-40℃,恒温时间选择为9h。以降温60℃为例,由图6~图9可知,恒温9h后,碳纤维约束混凝土棱柱体内外温度基本一致,达到预定的降温要求[3~4]。
2.2 von Mises应力分析
建模分析时考虑较不利的情况,即混凝土的热膨胀系数取1.5×10-5/℃,碳纤维增强复合材料热膨胀系数取-1.4×10-6/℃,混凝土强度等级按照C30计算。在降温温差分别为30℃、40℃、50℃、60℃时对模型进行热分析,将热分析结果作为载荷施加在相应的结构单元上,再对模型进行结构分析,利用结构的对称性,取一半试件进行温度应力分析,混凝土和碳纤维的von Mises应力如图10~图13所示。
由图10~图13可知见,随着降温温差的增大,混凝土和碳纤维的温度应力不断增大。但降温使得混凝土产生的温度应力相对较小,而碳纤维产生的温度应力较大。
2.3 z向温度应力分析
降温情况下,有限元分析的z向温度应力可以更直接的反应出混凝土和碳纤维两种材料因热膨胀系数的差别产生的温度应力。由图14~图17可知,降温作用使得混凝土和碳纤维的接触面产生不同的温度应力,混凝土表面产生了拉应力,而碳纤维产生了压应力,并且随着降温温差的增大,混凝土表面的拉应力和碳纤维的压应力也逐渐增大。
3 温差计算结构分析
温度应力有限元分析如表1所示。
由表1可知,随着温差的增大,温度应力也随之增大,当降温温差60℃时,碳纤维布的最大von Mises温度应力达到188.0MPa,碳纤维布的最大z向应力达到-186.0MPa,其值可以达到高弹模碳纤维设计强度(设计强度为2000MPa左右)的9%左右。因此,在进行结构构件的加固过程中考虑温度应力对其加固可靠性的影响是非常必要的,建议粘贴碳纤维的时间宜选在春秋温度较适中的季节进行。在一年内温差达到60℃以上的寒冷地区,进行碳纤维约束混凝土结构构件时,应充分考虑温度应力问题。
4 结论
碳纤维增强复合材料由于具有优异的力学性能,在结构加固领域应用广泛,但在应用时普遍对温度应力的问题考虑较少。通常,在降温温差作用下,碳纤维增强复合材料受压,而界面处混凝土受拉,因此,在寒冷地区用碳纤维增强复合材料加固混凝土结构时,应对温度应力予以充分的重视。如果忽视温度应力的影响,在外荷载及温度次内力的共同作用下,会影响混凝土结构的安全性,甚至影响其使用寿命。特别是在我国北方地区,由于温差较大,用碳纤维增强复合材料加固混凝土结构时,应尤其注意温度问题,以免造成生命和财产损失。
摘要：混凝土与碳纤维的热膨胀系数不同,在温差作用下,两种材料各自的自由变形受到约束,从而产生了温度应力。通常,温度应力随着温差增大而增大。应用ANSYS软件分别对降温温差30℃、40℃、50℃、60℃时碳纤维布约束混凝土的温度应力进行了分析,以期对寒冷地区用碳纤维增强复合材料加固混凝土结构时,对温度应力的控制有所帮助。
关键词：碳纤维增强复合材料,温度应力,约束混凝土
参考文献
[1]Homam S M.Fibre reinforced polymers(FRP)and FRP-concretecomposites subjected to various loads and environmental exposures[D].Canada:University of Toronto,2005.
[2]龚曙光.ANSYS基础应用及规范解析[M].北京:机械工业出版社,2003.
[3]刘华新,王丹丹,孙荣书.碳纤维布加固量对混凝土柱体约束效果的试验研究[J].混凝土与水泥制品.2008(5):40-43.
碳纤维增强复合材料 篇11
【关键词】正交试验；水灰比；体积掺量；长径比
（3）从实验结果可以看出，随着玄武岩纤维体积率的增加，混凝土初裂次数、终裂次数、初裂后破坏冲击能与全过程破坏能少，且掺入超细粉，基本上无泌水，其水泥浆的粘性大，很少产生离析的现象。
2.3力学性能。
由于混凝土是一种非均质材料，强度受诸多因素的影响，水灰比是影响混凝土强度的主要因素，对于普通混凝土，随着水灰比的降低，混凝土的抗压强度增大，高性能混凝土中的高效减水剂对水泥的分散能力强、减水率高，可大幅度降低混凝土单方用水量。在高性能混凝土中掺入矿物超细粉可以填充水泥颗粒之间的空隙，改善界面结构，提高混凝土的密实度，提高强度。
2.4体积稳定性。
与普通混凝土相比，高性能混凝土具有高体积稳定性，硬化早期水化热程度很高。
2.5经济性。
高性能混凝土较高的强度、良好的耐久性和工艺性都能使其具有良好的经济性。高性能混凝土良好的耐久性可以减少结构的维修费用，延长结构的使用寿命，收到良好的经济效益； 高性能混凝土的高强度可以减少构件尺寸，减小自重，增加使用空间；HPC 良好的工作性可以减少工人工作强度，加快施工速度，减少成本。
3. 高性能混凝土技术的应用
3.1在道路工程中的应用。
与传统混凝土相比，高性能混凝土具有良好的稳定性与耐久性，因而在人们的生产生活中得到了广泛的应用。将高性能混凝土技术应用于道路工程中，不仅能够合理地缩减道路地面的厚度，有效延长道路的使用寿命。此外，高性能混凝土具有良好的透水性能，可以有效缓解道路热岛效应的发生。随着现代化城市进程的不断推进，道路覆盖率也逐年增加，加快了整个城市的建设。在城市不断建设的过程中，其道路建设的水平及质量至关重要。将高性能混凝土技术应用在道路工程中，既能适应我国高速发展的交通行业，又能满足现代化、城市化建设的需要，因此值得大力推广。
3.2在桥梁工程中的应用。
（1）桥梁工程中，大跨度桥梁的自重往往占总荷载的大部分。将高性能混凝技术应用于桥梁工程中，可以合理降低桥梁的自重和截面高度，使桥梁工程的耐久度得到提高。同时，由于高性能混凝土具有较高的早期强度，因而可以加快桥梁工程的整体施工进度。
（2）与传统的混凝土相比，高性能混凝土具有较好的强度、耐久度以及抗拉力，使得高性能混凝土铸造的桥梁无论是在使用寿命还是整体性能上都有了很大的提升。当前，高性能混凝土技术还被应用于海岸与河堤的加固工程中。将高性能混凝土应用于堤防的筑造，可以有效避免海岸塌陷等问题。高性能混凝土的耐久性，使得海岸线得到了合理的开拓，大部分沿海城市的面积相应地得到了增加，各类水生生物的适应性也得到了满足，海洋中丰富多样的资源得到了切实的保护。
参考文献
[1]王人和. 高性能混凝土矿物掺合料及其性能研究[D].武汉理工大学，2012.
碳纤维增强摩擦材料的设计与研究 篇12
摩擦材料是汽车制动系统和摩擦传动装置的关键部件,其性能的好坏直接 关系到系 统运行的 可靠性和 稳定性[1]。摩擦材料是由基体、增强纤维、摩擦性能调节剂和填料混合压制而成的高分子复合材料,其中增强纤维构成摩擦材料的主体,对摩擦材料的力学性能和摩擦性能起到至关重要的作用[2,3],使摩擦材料在使用过程中能承受制动和传动所产生的冲击力、压力等而不发生破坏和破裂。
石棉纤维由于具有致癌作用,已逐步退出摩擦材料领域[4]。目前应用较多的石棉纤维替代纤维主要分为无机纤维和有机纤维两大类,包括碳纤维、芳纶纤维、麻纤维、玻璃纤维、金属纤维、陶瓷纤维等。其中,碳纤维由许多层状石墨组成[5],具有很好的自润滑作用,同时还拥有很好的稳定性,不与摩擦材料中的其他成分反应,而且高温时不易碳化、融化,机械强度高,导热性能好,因而作为增强体已被广泛应用于各类摩擦材料中[6]。
目前有关碳纤维增强摩擦材料的研究主要集中在产品材质、制造工艺和设备的改进上[7],且长期以来摩擦材料纤维配比的研究主要以经验和大量实验数据为依据来进行尝试,而基于黄金分割法配比碳纤维增强摩擦材料的设计与研究较少。因此,本工作制备了无碳纤维和3种不同碳纤维含量的摩擦材料,对比研究了无碳纤维和3种碳纤维摩擦材料的摩擦磨损行为,观察了4种摩擦材 料磨损表 面的微观 形貌,同时探讨了摩擦材料的磨损机理以及黄金分割法对摩擦材料性能的影响。相关实验结论能为这种黄金分割法配比的摩擦材料的实际应用提供理论依据和指导。
1实验
1.1主要原料和配方设计
试样的增强纤维包括碳纤维和复合矿物纤维。其中,碳纤维选用中国恒天沈阳中恒公司生产的PAN基短切碳纤维,直径为Ф7μm,长度2.5~7.5mm;复合矿物纤维由石家庄硕茂摩擦材料科技有限公司生产,纤维直径Ф3.5~6μm。其他原料均为市购,样品基本配方见表1。
纤维含量对摩擦材料的摩擦性能影响显著,但是长期以来,摩擦材料配方的研究主要是以经验和大量实验数据为依据来进行尝试,为了更好地优化摩擦材料配方,在研究过程中笔者按照黄金分割原理[8],在样品基本配方的基础上设计碳纤维在试样中的质量分数。黄金分割法是优化计算中的经典算法,广泛应用于实际的科学技术及工程问题,是解决经验尝试法研究增强纤维配比的盲目性的一条有效途径,能显著提高试验的效率,缩短实验 周期。本研究 以基本配 方(FM)为基础设计出3个配方FM-1、FM-2、FM-3,其中碳纤维的质量分数从 基本配方 中的0% (质量分数)依次变为7.0%(质量分数)、11.3%(质量分数)、29.6%(质量分数)。
1.2试样的压制、热处理
用精确电子天平称取原料,将量取的原料放入吉林大学机电设备研究所JF805R型浆式混料机中充分混合3min、间歇1min,反复3次。然后利用 吉林大学 机电设备 研究所JFY50型热压机压制成型,压制温度为160℃,压制压力为30MPa,总压制时间为30min。为了使碳纤维在制品中均匀分布,采用逐层填装原料的方法。最后对热压后的试样进行热处理以消除树脂固化应力及消除残余应力,并除去残留挥发物。将制品放在热处理干燥箱内,从室温升到140℃保温1h,再升温到160℃保温3h,之后升温到180℃保温6h,最后降温到室温。
1.3实验方法
按GB5763-2008中的规定,用吉林大学机电设备研究所JF150D-Ⅱ型定速摩擦磨损试验机分别测定4种碳纤维增强摩擦材料的摩 擦磨损性 能。对偶摩擦 盘的材质 为灰铸铁(HT250),硬度为HB180~220,其转速恒为7.45m/s,恒定载荷为0.98MPa。摩擦磨损原理图见图1。将试样加工成25mm×25mm×6mm的试块,每次实验用的2块试块均取自同一块摩擦材料 试样,以满足实 验要求。在正 式实验之前,先将试块进行磨合,然后分别 在摩擦盘 温度为100℃、150℃、200℃、250℃、300℃和350℃下实验。在每个设定温度下,摩擦盘旋 转5000转。然后从300℃分别降 温至250℃、200℃、150℃和100℃,在每个温度点摩擦盘转动1500转测定制动摩擦材料的降温摩擦系数,重复实验3次。摩擦力F由传感器测出并由计算机记录,通过测量试样在各个温度下磨损前后的厚度计算磨损率V(t)。
摩擦系数μ可以通过测定摩擦力计算得出,公式为:
式中:f为总的平均摩擦力(N);f1为载荷压力(N)。
磨损量选用体积摩擦率来表征,其由试样磨前磨后的厚度作差值运算得出,公式为:
式中:V(t)为磨损率(10-7cm3/(N·m));A为试样截面面积(625mm2);h1为摩擦前试样平均厚度(mm);h2为摩擦后试样平均厚度 (mm);f为总的平 均摩擦力 (N);n为转速(5000r/min);R为试样截面外接圆半径(15cm)。
摩擦系数的抗热衰退性能和恢复性能是评价摩擦材料优劣性的重要评价因素,它们直接影响到摩擦材料制动过程中的制动有效性[9]。本研究引用衰退率F和恢复率R来评价摩擦材料摩擦系数的抗热衰退性能和恢复性能[10],即:
式中:μF100℃和μF350℃分别为实验温度在100℃和350℃时的摩擦系数,μR100℃为实验温度降至100℃时的摩擦系数。当衰退率值F较小以及恢复率值R较大时,摩擦材料具有较好的抗热衰退性能和恢复性能。
按照国家标 准GB/T5766-1996摩擦材料 洛氏硬度(Rockwellhardness)实验方法,利用洛氏硬度计进行硬度测量;采用液体渗透法来测量摩擦材料的孔隙率;采用Archimedes排水法测量摩擦材料的密度;采用ZEISSEVO-18型扫描电子显微镜(SEM)观察试样磨损表面的微观形貌。
2结果与讨论
2.1碳纤维含量对摩擦材料力学性能的影响
摩擦材料的物理和力学性能直接影响其摩擦磨损性能。表2列出了4种不同碳纤维增强摩擦材料的物理和力学性能。由表2可见,在选定的碳纤维含量范围内,摩擦材料的密度随碳纤维含量的增加而显著减小,相比碳纤维含量为零的试样FM,试样FM-3的密度增加了16%;随着碳纤维含量的增加,摩擦材料的硬度也逐渐减小,这可能是因为碳纤维含量的增多使得粘结剂的粘结能力下降;摩擦材料的气孔率随着碳纤维含量的增加而增加,其原因是碳纤维在摩擦材料中结成网状结构,随着碳纤维含量的增加,这种网状结构增多[10]。
2.2碳纤维含量对摩擦材料热衰退性能和恢复性能的影响
表2列出了4种碳纤维增强摩擦材料的衰退率和恢复率。从表2可知,4种摩擦材料的衰退率随碳纤维含量的增加先减小后增大,而其恢复率则随碳纤维含量的增加先增大后减小,说明随着碳纤维含量的增加,摩擦材料的抗热衰退性能和恢复性能并非随碳纤维含量的增加单调升高而是先升高后降低。试样FM-2的热衰退率仅为9%,恢复率则达到98%,表明碳纤维质量分数为11.3%的碳纤维增强摩擦材料在4种摩擦材料中抗热衰退性能和恢复性能最优异。
2.3摩擦材料的摩擦磨损性能
2.3.1碳纤维含量对摩擦系数的影响
图2为4种摩擦材料所对应的摩擦系数随温度变化的关系曲线。由图2可见,试样FM的摩擦系数在整个摩擦过程中随温度 的升高一 直在减小,对温度的 变化较敏 感,由0.49降到0.40,表明没有添加碳纤维的摩擦材料出现了严重的热衰退现象;FM-2试样的摩擦系数在整个摩擦过程中变化相对平缓,其受温度变化的影响相对较小,最大仅为0.47;试样FM-1和FM-3的摩擦系数在整个实验过程中波动较大,尤其在250℃时出现较大的波动,最小值分别为0.39和0.38,主要是因为在此温度下酚醛树脂开始发出流动或者高温分解,出现严重的高温衰退现象。综合以上分析可知,碳纤维含量对摩擦材料的摩擦系数有一定的影响;碳纤维质量分数为11.3%的碳纤维增强摩擦材料在100~350℃时的摩擦系数在0.40~0.48之间波动,摩擦系数较稳定。
2.3.2碳纤维含量对摩擦材料磨损性能的影响
图3为碳纤维含量对摩擦材料磨损性能的影响。由图3可以看出,摩擦材料试样的磨损率与碳纤维含量密切相关。4种配方的碳纤维增强摩擦材料的磨损率均随温度的升高而逐渐增加。在整个摩擦 过程中,试样FM-1、FM-2和FM-3的磨损率均低于试样FM,这是由于碳纤维具有石墨微晶结构,表现出良好的自润滑和减磨性能。低温(100~200℃)时试样FM-1、FM-2和FM-3的磨损率变化不是很明显,试样FM-3的磨损率略小于 试样FM-1和FM-2;而高温 (250~300℃)时试样FM-1、FM-2和FM-3的磨损率相差较大,试样FM-2的磨损率明显小于试样FM-1和FM-3。这表明低温时试样的磨损率随碳纤维含量的增加而减小,而高温时适宜的碳纤维含量(11.3%)可以减小试样的磨损率。
摩擦材料经摩擦后的磨损表面形貌能直接反映出该材料的磨损特 征行为,是判定磨 损机制最 直接且主 要的依据[11]。
图4为试样FM磨损表面形貌的SEM照片,其摩擦表面粗糙不平且有较多平行于摩擦方向的机械磨损犁沟痕迹。在摩擦过程中,随着实验温度的升高,摩擦材料基体软化,同时由于缺少纤维的增强作用,使得凸出于摩擦表面的摩擦材料基体容易在摩擦力的作用下破碎、黏着脱落(图4(a))。脱落的硬质颗粒存在于摩擦材料表面和摩擦盘之间,在摩擦力的作用下刻划摩擦材料表面,加剧磨粒磨损的发生,引起严重的磨损,使得其磨损率升高(见图3)。
图5为3种碳纤维 增强摩擦 材料试样FM-1、FM-2和FM-3在实验温度为350℃时的磨损表面形貌图。
对比图4、图5可以看出,试样FM-1和FM-2磨损表面与试样FM磨损表面有明显差别,碳纤维增强摩擦材料试样表面平整光滑,有较少的犁沟以及疲劳脱落,试样FM-2尤其明显(图5(b))。这是由于碳纤维具有石墨微晶结构,使得剥离出摩擦材料基体的碳纤维在磨损表面压制并铺展在表面上,起到润滑和减磨的 作用,从而减少 磨损现象 的发生,同时,碳纤维的高导热性和优异的储热能力也对摩擦材料的摩擦表面层温度有重要影响,这有利于减轻摩擦热对摩擦表面层结构的影响,降低试样和对偶的磨损。然而,试样FM-3磨损表面与试样FM-1和FM-2磨损表面也有比较大的差异,试样FM-3磨损表面有较多碳纤维被拉拔出摩擦材料基体表面。这是由于碳纤维增强作用达到最大值,继续增加碳纤维的含量到29.6%(质量分数)时,碳纤维含量过多,碳纤维和摩擦调节剂的结合较差,纤维与基体的界面结合力减弱,温度较高时,在摩擦力的作用下,碳纤维更容易剥落和拉拔,但是碳纤维自身优异的物理特性使得其表面不至于像试样FM磨损表面那样出现大面积脱落和严重磨损,因而磨损率相对试样FM升高较缓慢。
综合摩擦材料 的摩擦和 磨损性能,碳纤维添 加量为11.3%(质量分数)的碳纤维增强摩擦材料,热稳定性和耐磨性能得到提升,具有优异的摩擦学性能,作为耐高温、减磨耐磨摩擦材料具有较好的应用前景。
2.4碳纤维在摩擦材料中的存在形式
碳纤维在摩擦材料中存在3种不同的形式:(1)在实验温度较低时,碳纤维与基体结合良好且具有一定的拉伸强度和弯曲强度,使得试样的摩擦系数较稳定、磨损率较小。(2)在摩擦力和挤压力的作用下,碳纤维形成碳颗粒,一部分在磨损表面压制并铺展在表面上,起到润滑和减磨的作用,一部分和其他磨屑混合在一起,具体的形态和位置未知。(3)在摩擦力的作用下,碳纤维断裂(图6(a))并被拔出,形成凹槽或者孔隙,横向的碳纤维形成了凹槽,其可以吸收摩擦产生的一些硬质颗粒(图6(b)),从而减少了摩擦材料表面的划痕,降低了磨损率;纵向的碳纤维被拔出以后形成孔隙,可以在一定程度上吸收、减小摩擦噪音。
3结论
(1)用黄金分割法优化摩擦材料增强纤维的配比是解决经验的尝试法研究增强纤维配比的一种有效途径,能减少实验配方的盲目性,显著提高实验效率,缩短实验周期。
(2)碳纤维质量分数为11.3%时,碳纤维增强摩擦材料具有良好的抗热衰退性能和恢复性能,衰退率仅为9%,恢复率可达到98%,并且减磨耐磨性能提高显著;而碳纤维质量分数为0%、7.0%和29.6%时,抗热衰退性能和恢复性能均较差,减摩耐磨性能提高并不显著。
(3)碳纤维质量分数为11.3%的碳纤维增强摩擦材料的摩擦系数比较稳定,对温度的变化不敏感,没有出现严重的高温热衰退现象。
(4)4种摩擦材料的磨损率均随摩擦温度的升高而增加;添加质量分数为11.3%碳纤维的摩擦材料具有较好的耐磨性能,其次为加入29.6%碳纤维的摩擦材料,无碳纤维摩擦材料表现出最差的耐磨性能,其磨损表面粗糙不平,有黏着脱落现象。
摘要：按照黄金分割法来配比碳纤维在摩擦材料中的含量,制备出4种不同碳纤维含量的增强摩擦材料,用JF150D-Ⅱ型定速摩擦磨损试验机对比研究了碳纤维含量对摩擦材料的热衰退性能、恢复性能及摩擦磨损性能的影响,利用扫描电子显微镜(SEM)观察4种摩擦材料磨损表面的微观形貌,并探讨了其磨损机理。研究结果表明:添加了碳纤维的摩擦材料相对于无碳纤维的摩擦材料,耐磨性能有所提高,其中碳纤维含量为11.3%(质量分数)的摩擦材料表现出较好的抗热衰退性能和恢复性能,其热衰退率仅为9%,恢复率却达到了98%;随着摩擦温度的升高,4种摩擦材料的磨损率均增加,碳纤维含量为11.3%的摩擦材料的磨损率在整个摩擦过程中均较小,其磨损表面较光滑,而不含碳纤维的摩擦材料的磨损率在各个温度均较大,其磨损表面粗糙不平且有磨粒磨损和黏着磨损,表现出最差的减磨耐磨性能。