碳纤维织物/酚醛树脂

碳纤维织物/酚醛树脂（精选3篇）

碳纤维织物/酚醛树脂 篇1

摩擦材料广泛应用于交通工具的制动器和离合器摩擦片上,是非常重要的保安零件,其性能直接影响机器的稳定性和乘驾人员安全,因此对摩擦片综合性能都有严格的要求［１］。 而普通摩擦片在制动过程高转速、高压力、大扭力作用下,易分层破坏,导致机械强度下降,材料破坏失效。如何克服摩擦材料易分层破坏、结构可设计性差、机械强度低的严重缺陷, 已成为解决问题的关键。

近年来广泛应用的碳纤维增强酚醛树脂基摩擦材料具有良好的热稳定性能、机械性能和优异的摩擦磨损性能。碳纤维增强酚醛树脂基摩擦材料是由纤维增强体、增磨剂、减磨剂和摩擦性能调节剂组成的一种多相复合材料。目前的生产研究中多采用短切碳纤维或二维碳布作为其纤维增强体［２］。大量关于碳纤维酚醛树脂基摩擦材料的研究表明:短切碳纤维酚醛树脂基压制成型摩擦材料存在结构整体性差、可设计性低、易分层破坏的缺点;碳布增强酚醛树脂基摩擦材料性能明显优于短切碳纤维热压成型摩擦材料。但是二维碳布增强摩擦材料又存在厚度低,难以承受大的扭转力矩,在高转速、大压力等苛刻工况条件下易失效的缺陷,仅应用于中低能载工况［３－５］。

深交联机织结构作为2.5维(2.5D)机织物结构的重要组成部分,其最大特点是碳纤维增强体由普通经纬纱、衬垫纱和接结纱组成,其中接结经纱沿与织物厚度方向成一定角度方向排列,贯串多层［６－７］。根据设计需要,可调节接结纱方向及比例,设计的碳纤维增强摩擦材料中碳纤维体积分数为5%~ 75%,增强体层数2~15层,克服了脱层问题,增加了层间剪切强度,使得深交联结构复合材料具有优异的结构可设计性、 整体抗冲击性能和耐疲劳性能。

综上所述,将2.5D机织技术与碳纤维增强树脂基摩擦材料的制备技术相结合,设计织造深交联碳纤维预制体,优选填料组分和配方,采用特殊固化工艺,制得新型深交联结构碳纤维酚醛树脂基摩擦材料,克服了传统短切碳纤维热压成型摩擦材料易分层、强度低,以及二维碳布增强树脂基摩擦材料厚度低,在大扭力、苛刻工况条件下易失效的缺陷,结构整体性好、可设计性强,有效提升碳纤维酚醛树脂基摩擦材料的机械性能。

1实验部分

1.1原料与设备

1.1.1实验原料

东丽T-700,12K碳纤维;酚醛树脂PFMC-204;6000目沉淀硫酸钡、3000目超细氧化铝;无水乙醇;2000目人造石墨。

1.1.2实验设备

万能材料试验机(Instron 3385H型);全自动剑杆织样机(SGA598型);电热鼓风干燥箱(101A-4S型);电子精密天平(JA2003型);恒速搅拌器(S212型);自制真空辅助固化装置。

1.2深交联结构碳纤维机织物的结构设计

本研究采用的2.5D深交联结构碳纤维机织物中,碳纤维体积分数为50%,织物厚度为4mm左右。结合单胞分析和近似计算结果,设计接结纱的朝向和接结层数,并合理配置纱线粗细、织物密度、经纱张力、打纬紧度等参数,实现织物厚度和空隙的反馈调节,从而实现预制体结构的可设计性。设计1个组织循环有8根经纱与32根纬纱的深交联机织物,如图1所示,其中图1(a)为深交联碳纤维机织物的径向剖面图,图1 (b)为其织物结构的三维立体图。

[(a)2.5D深交联碳纤维机织物的径向剖面;(b)织物结构的三维立体图]

1.3深交联结构碳纤维机织物预制体的织造工艺

深交联结构采用12个完整组织循环的经纱,所有经纱都以接结纱形式沿织物厚度方向排列;穿综方法采用顺穿法,穿筘方法采用一筘一穿法(筘号为公制20＃);将2.5D机织物的纹板图输入到织样机电脑中,并输入设计出的各项织造工艺参数,在SGA598型全自动剑杆织样机上织造出碳纤维体积分数约50%,厚度约为4mm的深交联结构的2.5D碳纤维机织物预制体。采用称重法测量深交联碳布预制体的平均密度为0.84g/cm３。深交联结构碳纤维机织物的上机织造纹板图, 如图2所示。

1.4深交联结构碳纤维机织物酚醛树脂基摩擦材料的制备

1.4.1深交联结构碳纤维/酚醛树脂基摩擦材料的组分选取

深交联碳纤维机织物酚醛树脂基摩擦材料基体成分主要包括改性酚醛树脂、增摩剂、减摩剂和一些摩擦性能调节剂(如稀释剂、脱模剂等),填料组分的选取对提升深交联结构碳纤维酚醛树脂基摩擦材料的综合性能至关重要［８］。

碳纤维增强酚醛树脂基制动材料中,树脂起着粘结成型的作用。本研究选用改性酚醛树脂PF-203,该树脂是一种醇溶性热塑型树脂,具有良好的耐热性能和机械性能,成型性能好,体积密度大,气孔率低,粘结力强,能与碳纤维牢固结合, 化学稳定性好,耐热性好,且硬化时收缩率小,制品尺寸稳定。 可根据需要添加乙醇、丙酮等稀释剂,调节填料胶液的流动性,并采用溶液浸渍的方式复合成型。通过大量实验和文献查阅得出,树脂的添加量在20%~30%为宜。

填料在制动材料中主要起改善材料的物理机械性能,调节摩擦性能及降低成本的作用,可分为减摩剂与增摩剂。相关研究表明,添加质量分数10%的人造石墨作为减摩剂,可以明显降低碳布复合材料的动摩擦系数,提高耐摩性,减小制动噪声,并有助于提高摩擦稳定性［９］。增摩剂主要是耐热材料粉末,用以提高材料的物理机械性能和增加摩擦系数［１０］。初步实验添加Al２O３、BaSO４作为增摩剂,所占基体材料质量分数分别为5%、10%。

综上所述,本研究选用的基体填料配方为:改性热塑性酚醛树脂中游离酚占2.55% ~3.50%,125℃ 流动18~44mm; 增摩剂为6000目超细BaSO４、Al２O３的共混物;减摩剂为3000目超细人造石磨粉;稀释剂为无水乙醇,固化剂为六亚甲基四胺(乌洛托品)。设计深交联碳纤维机织物酚醛树脂基摩擦材料配方中各组分的质量分数,如表1所示。添加体积分数约40%的稀释剂,制备出均匀分散的基体胶液。

1.4.2深交联结构碳纤维/酚醛树脂基摩擦材料的复合成型工艺

相比于传统的二维碳布结构,深交联结构碳布具有优异的性能,但厚度较高,采用传统浸渍、涂覆等工艺会出现空隙率高、致密性差、填料胶液分布不匀的问题,直接影响材料性能。因此,优选新型复合成型工艺,提升材料的致密性和界面结合性能,成为制备新型深交联结构酚醛树脂基摩擦材料的关键问题之一。本研究通过大量实验,得出深交联结构碳纤维/酚醛树脂基摩擦材料的复合成型具体步骤如下:

(1)将基体各组分均匀混合,添加体积分数约40%的无水乙醇作为稀释剂,采用机械搅拌、超声振荡和真空消泡技术, 制备出分散均匀且具有适宜流动性的胶液。

(2)将深交联碳布放入基体胶液中浸渍20min,取出碳布置于自制的真空辅助固化平台上,在碳布表层手糊基体胶液, 密封连接,启动装置,织物外部空间趋于真空,在织物内外压差作用下树脂灌注织物间隙。

(3)在50℃真空条件下保温6h,完成表层胶液与织物内部气体的置换。取出试样,刮去表层气泡,二次手糊胶液,置于真空环境60℃条件下保温2h后,以10℃/h的速率,升温至180℃,加压固化2h。缓慢降温,自然冷却,以防止材料骤冷应力集中而产生裂纹,脱模取料即得到新型深交联结构碳纤维机织物酚醛树脂基摩擦材料。

实验中,厚度较高的深交联结构碳纤维酚醛树脂基摩擦材料的制备运用了溶液浸渍、真空辅助、手糊涂覆和拉挤成型相结合的工艺,所制备的复合材料空隙率低、机械强度高。所制得的毛胚试样如图3所示,图3(a)为毛胚式样平面图,图3 (b)为毛胚式样纵向剖面图。

[(a)毛胚式样平面图;(b)毛胚式样纵向剖面图]

1.5性能测试与表征

1.5.1表观密度与孔隙率测试

材料密度和开孔孔隙率采用Archimedes原理,用排水法测得［１１］。在分析天平上测得试样质量为m０,试样排开水的质量为m水,蒸馏水的密度为ρ水,则试样的表观密度计算方法见式(1):

试样在120℃下干燥1h,用分析天平测其质量记为m０;然后将其浸入水中24h,水充分浸入到试样孔隙中,取出,迅速用滤纸将试样表面擦干,测其质量记为m湿;最后把试样烘干,用排水法测得的试样体积为V。则试样的开口孔隙率计算方法见式(2):

1.5.2微观形貌表征

用扫描电子显微镜(SEM,SU-1510型)观察2.5D碳纤维机织物酚醛树脂基摩擦材料的断面形貌。

1.5.3剪切性能

在万能材料试验机(Instron 3385H型)上,按照标准JC/T 773—2010,采用短梁法测试深交联碳纤维机织物酚醛树脂基复合材料的层间剪切强度。试样件采用长方形,尺寸为40mm× 20mm,测试加载速度为1mm/min,下夹头跨距为20mm。

1.5.4弯曲性能

运用万能材料试验机(Instron 3385H型),参照国家标准GB/T 1449—2005,对材料进行三点弯曲性能测试。试样件采用长方形,尺寸为80mm×15mm,测试加载速度为2mm/min, 下夹头跨距为60mm。

2结果与讨论

2.1密度和孔隙率的测试

采用排水法测得的材料密度和孔隙率结果如表2所示。 采用称重法测得的深交联碳布平均密度为0.84g/cm３,由表2可知,实验制得的深交联结构碳纤维增强酚醛树脂基摩擦材料具有适宜的密度和孔隙率,满足实际应用需求。这是由于深交联预制体中,接结经纱沿织物通厚度方向排列且贯穿各层,织物中包缠、弯角部分少,连续伸直的长纤维具有引流作用,水分和基体胶液较易进入,预制体浸渍更充分;调控溶液浸渍与真空辅助的工艺时间,优选手糊成型次数,调节拉挤成型工艺的时间与压力,综合运用各工艺手段在材料成型不同阶段发挥的独特作用,使得材料制备工艺更合理,致密性更好。

2.2扫描电镜测试

深交联结构碳纤维酚醛树脂基摩擦材料的断面形貌图, 如图4所示,表明所制备的材料中各组分结合紧密,分布均匀,复合工艺具备可行性。其中图4(a)是材料纬向断面图,可以观察到材料中,酚醛树脂作为粘结剂,碳纤维丝束与基体材料紧密结合,碳纤维长丝间填料与树脂均匀分布;图4(b)是材料经向断面图,在机械力破坏过程中,树脂与碳纤维脱粘,基体开裂、破碎,填料散落,碳纤维抽拔、断裂,材料结构变形直至破坏失效。

[(a)纬向断面形貌图;(b)经向断面形貌图]

2.3力学性能测试

材料的弯曲和剪切性能对摩擦材料制品的机械稳定性和使用寿命有重要影响,分别对制得的深交联结构摩擦材料进行弯曲性能和剪切性能的测试分析,测试结果如表3所示。

2.3.1剪切性能

深交联结构碳纤维增强酚醛树脂基摩擦材料的剪切性能测试结果如表3所示。结果表明,深交联结构摩擦材料的剪切强度约262MPa,弹性模量达到4.9GPa,具备优异的层间剪切性能和强度。这是因为在2.5D深交联机织结构纤维增强体中,经、纬向纱线的屈曲,以震动的方式将吸收的能量扩散,纱线的屈曲越大,其吸收能量越多。深交联结构中接结经纱贯通各层,其受力的均匀性好,经纱屈曲小,且在经纬纱交织点处,经纱受到的纬纱剪切力作用小,使其相对于传统短切纤维压制成型和二维织物结构的复合材料,具有较高的剪切强度。

[(a)径向断面形貌图(×1000);(b)经向断面形貌图(×5000)]

深交联结构碳纤维酚醛树脂基摩擦材料剪切破坏后径向断面形貌图,如图5所示。由图5(a)可明显观察到,经纱断裂破坏,纬纱脱黏并部分断裂,导致材料分层破环;图5(b)是断面局部放大图,观察得出,基体材料密实填充在碳纤维束间隙内,在剪切载荷作用下,产生明显裂纹,碳纤维与基体材料脱黏,基体材料破碎。由此可知,随着剪切载荷的增加,材料逐渐发生破坏,基体材料与碳纤维增强体的界面出现裂纹,基体与碳纤维脱黏,而后剪切载荷继续增大,接结经纱中的碳纤维抽拔、断裂,材料由两端至中间发生层间开裂与滑移,直至分层破环。

2.3.2弯曲性能

深交联结构碳纤维机织物酚醛树脂基摩擦材料弯曲性能测试结果如表3所示,其弯曲测试弹性模量为52.0GPa,最大弯曲应力约729MPa,具备较高的抗弯强度。这归因于2.5D机织物结构中纬纱大体呈直线分布,构造形式主要由经纱决定,织物的经纬交织点的多少、织物的经向取向角、经纱屈曲率、经纱贯穿的层数都会对材料的弯曲性能产生重要影响。 深交联结构碳纤维增强体中纤维沿与织物厚度方向成一定角度的方向配置,并贯穿各层,提高了材料的结构整体性和抗弯强度。此外,深交联结构中的纱线屈曲和经纱包围角,使得材料的结构伸缩性更好,在破坏过程中经纱受到的剪切阻尼和吸收的能量,能够快速有效的传递并提升破坏过程一致性、平稳性增强。

[(a)纬向断面形貌图(×1000);(b)纬向断面形貌图(×5000)]

深交联结构碳纤维酚醛树脂基摩擦材料弯曲破坏后纬向断面形貌图,如图6所示。图6(a)表明碳纤维与基体材料界面结合良好,材料在破坏过程后期,基体开裂、破碎,经向纤维抽拔、断裂,纬向纤维与基体材料脱黏,材料弯曲破坏,因预制体结构纬密大,受力的纤维集合体大,使得材料纬向力学性能较好;图6(b)表明材料弯曲破坏后,碳纤维与基体材料脱黏, 部分纬纱断裂。由弯曲测试的应力-应变曲线图(图7)可知: 测试的初始阶段,材料的弯曲应力随弯曲载荷的增加而逐渐上升;然后,弯曲载荷继续增加,材料弯曲变形,缓慢破坏,弯曲应力达到最大值。由于基体材料较脆,弹性模量较低,因此材料基体先产生裂纹,裂纹迅速扩展至基体与纤维的界面并转向沿着纤维的方向继续扩展。当弯曲载荷继续增加时,加剧材料中碳纤维与基体脱黏,基体材料撕裂破碎,碳纤维抽拔,滑脱直至断裂,最终使材料破坏失效。

3结论

本研究将三维机织技术应用于摩擦材料结构设计中,通过合理设计结构参数与织造工艺参数,制备出深交联结构碳纤维预制体,采用机械搅拌、超声振荡和真空消泡制备出分散均匀且具有适宜流动性的填料树脂混合胶液,采用溶液浸渍、 真空辅助相结合的成型工艺,在自制固化平台上将基体填料胶液与深交联结构碳布复合固化,制备出新型深交联结构碳纤维机织物酚醛树脂基摩擦材料。测试得出材料弯曲应力达到729MPa,剪切强度262MPa,界面结合良好,孔隙率达到标准要求,材料抗分层性能优异且具有良好的结构可设计性。

深交联结构碳纤维机织物酚醛树脂基摩擦材料作为一种新型预制体结构的摩擦材料,能够有效克服传统制动材料层间强度低、易分层破坏、结构设计性差的缺点,提升了材料的结构可设计性和整体性能,具有广阔的应用前景。

碳纤维织物/酚醛树脂 篇2

现代社会中,钢筋混凝土建筑物和构筑物在其正常使用年限内,常常由于结构的耐久性问题、化学腐蚀、使用荷载的增加,以及设计与施工上的缺陷等一些原因,要求对混凝土结构进行补强加固。工程实践表明,开展建筑物补强加固新技术的研究开发是非常必要的。

近些年来,随着人们对补强加固这一研究领域资金投入的增多,取得的研究成果越来越多。目前,建筑工程中使用的钢筋混凝土结构补强加固方法主要有:粘钢加固、预应力加固、钢筋混凝土外套加固和外包钢加固等等。然而,这些补强加固方法不同程度存在一些缺陷,除了常见的化学腐蚀问题外,象粘钢加固法,还具有增加构件自重、节点不易处理、施工困难等不足。为此,建筑市场需要新兴的科技含量较高的补强加固技术。随着碳纤维材料被逐渐应用于民用行业,碳纤维织物加固混凝土结构技术随之出现。

相对于己有的混凝土结构补强加固方法,碳纤维材料加固修补技术具有明显的优点:高强高效、施工便捷、耐腐蚀、自重轻、不增加结构构件尺寸。因此,对此项技术的研究开发具有重要的工程应用价值。本文将介绍国内外在碳纤维织物补强加固技术方面的研究成果。

2 试验研究与理论分析

2.1 碳纤维织物力学性能的测定

碳纤维织物种类繁多,其力学性能差别较大,在碳纤维织物用于实际工程之前,如何对他们的质量等级进行评定?这就要求有一套合理的方法,用以测定碳纤维织物的抗拉强度及弹性模量等有关的性能指标。经对国内外碳纤维织物和粘接剂进行试验,得到如下结论:

1)当碳纤维由单丝织成织物(布)时,其弹性模量变化不大,但抗拉强度有所降低。抗拉强度有所降低的原因是,在碳纤维织物中各碳纤维单丝很难完全同时工作,因而在施加荷载时,一部分应力水平较高的碳纤维丝首先达到其抗拉强度,发生断裂并退出工作。这部分碳纤维丝退出工作后,必将使未断裂的碳纤维丝的应力水平增加,从而不断地有碳纤维丝断裂并退出工作,最终造成整个试件破坏。从试验现象中也可以看到,正是由于试件边缘碳纤维丝的断裂才造成了试件的整体破坏。

2)通过多组试验结果的比较,发现粘接剂的作用是很明显的。在实验过程中,未涂抹粘接剂的试件在应力水平很低的情况下,首先出现不均匀受拉现象,各碳纤维单丝不能很好地共同工作。因而,在实际工程中必须使粘接剂充分地掺入碳纤维织物内部,以使各碳纤维单丝能够共同工作。

3)由实测的试件应力-应变曲线可以看到,所有试件的应力-应变曲线都近视于一条直线。这说明碳纤维织物在破坏之前保持着很好的线弹性变化,在碳纤维织物补强加固钢筋混凝土结构的计算分析中,可以认为其应力、应变为线性关系。

2.2 碳纤维织物约束混凝土的受压应力-应变全曲线试验研究

在得出碳纤维织物的基本力学性能指标后,另一个值得研究的课题就是碳纤维织物约束混凝土的受压应力-应变全曲线方程,它对于以后的进一步研究分析是十分重要的。同时,通过实验还应研究碳纤维织物与混凝土的协同工作问题,影响约束混凝土受压应力-应变全曲线的有关参数,碳纤维织物对提高混凝土承载力和改善其变形性能的实际效果,以及碳纤维织物的作用与钢筋的区别和联系。

通过实验研究和分析,得到如下结论:

由于碳纤维织物可以对棱柱体试件提供有效的横向约束,所以包裹碳纤维织物后试件的抗压强度有所提高,同时混凝土的变形性能得到了较大程度的改善,其效果随碳纤维织物用量的增加而更加显著。

实验研究发现,在碳纤维织物用量相同的情况下,窄条碳纤维织物的加固效果要优于宽条织物的加固效果,这说明碳纤维织物在使用时存在宽度效应影响,在实际工程应用中,也有有效利用率的问题。

2.3 碳纤维织物加固钢筋混凝土梁的受弯承载力试验研究

主要对碳纤维织物加固钢筋混凝土梁的受弯性能进行试验和理论研究,具体内容包括:碳纤维织物作为替代纵筋的抗弯作用及加固后钢筋混凝土梁受弯承载力的提高程度;碳纤维织物粘贴面积对加固效果影响;碳纤维织物宽度对加固效果的影响;加固后梁刚度的变化;混凝土强度及配筋率的不同对碳纤维织物加固效果的影响等。

试验研究证实,使用碳纤维织物来提高钢筋混凝土受弯构件承载力的补强加固方法是十分有效的。粘贴碳纤维织物后,试验梁的抗弯刚度和受弯承载力明显提高。而且,碳纤维织物的使用,还延迟了混凝土的开裂和裂缝的发展,在正常使用阶段,梁受弯裂缝的数量增加,裂缝宽度减小。

在提高试验梁受弯承载力的同时,碳纤维织物还可能影响受弯构件的破坏形态。当碳纤维织物用量过多时,构件的破坏形态将由碳纤维被拉断引起的破坏转变为混凝土被突然压碎。与此同时,由于碳纤维为完全弹性的材料,它与钢筋的共同工作会减弱钢筋塑性性能对构件延性的影响。碳纤维织物用量过多,构件延性将有所降低。因此,碳纤维织物用于钢筋混凝土梁的补强加固时,应根据实际工程的不同情况合理使用。

在试验过程中,还证实了碳纤维织物使用中的效率问题。试验发现,同样的碳纤维织物用量,分条粘贴比整条粘贴的加固效果略好。同时,随着碳纤维织物粘贴层数的增加,其使用效率也将有所降低。

在试验过程中,还发现碳纤维织物补强加固钢筋混凝土梁时,在纯弯曲段内就截面平均应变来说,仍然是符合平截面假定的。因此在计算分析中,可将其作为一个基本假定。

2.4 碳纤维织物加固钢筋混凝土梁的受剪承载力试验研究

对碳纤维织物补强加固后钢筋混凝土梁的抗剪性能进行试验研究和理论分析,具体内容包括:验证碳纤维织物对钢筋混凝土梁抗剪性能的改善作用;研究碳纤维织物幅宽和加固间距、碳纤维织物粘贴层数、剪跨比、配箍率和混凝土强度等试验参数对加固效果的影响;在有关试验研究的基础上,寻求较合理的计算模型,并提出简化的设计计算公式。

试验研究证实,碳纤维织物提高梁抗剪承载力的作用机理与箍筋类似。用碳纤维织物包裹剪跨区的试验梁,其极限抗剪强度一般提高20%～40%,而当加固方案愈保守时,这种提高幅度将更大。碳纤维条的宽度越大,间距越小,粘贴层数越多,其增强作用也越明显,梁的抗剪承载力提高得越多。但在碳纤维织物用量相同的情况下,碳纤维条间距较小者加固效果好。

碳纤维织物对钢筋混凝土梁抗剪承载力贡献的大小取决于剪跨比、混凝土强度和配箍率等试验参数。剪跨比越大,补强加固效果越好;混凝土强度越高,补强加固效果越好;配箍率越低,补强加固效果越好。

碳纤维织物加固方法在提高钢筋混凝土梁抗剪承载力的同时,还可以明显地改善构件的变形性能,增强构件的变形能力。试验现象表明,斜裂缝由一条主斜裂缝转变为分布于碳纤维条包裹带之间的众多微裂缝。用碳纤维织物加固后的钢筋混凝土梁,在斜截面破坏之前都有碳纤维条的撕裂、起鼓和起皱等破坏先兆,能给人们以警告,从而改善了原有钢筋混凝土梁剪切破坏的脆性缺陷。

2.5 碳纤维织物增强钢筋混凝土柱抗震能力的试验研究

我国是个多地震国家,大多数地区都处于地震区。在这些地区,对建筑结构进行抗震加固,以及对震损结构的修补常常是结构工程师的主要工作内容。在抗震设计中,也要求对钢筋混凝土柱(尤其是短柱)这一主要承重构件进行局部加强,使其满足有关的延性要求,这就需要有一些行之有效的抗震加固措施。

为了研究碳纤维织物加固钢筋混凝土柱的抗震性能,对钢筋混凝土长柱和短柱在低周反复荷载作用下的受力性能进行了试验研究。试件用碳纤维织物横向环包的方式进行加固,试验参数包括:剪跨比、轴压比、混凝土强度、碳纤维织物的包裹范围及包裹层数。

通过试验研究证实,沿构件横向外包碳纤维织物对内部混凝土起到很好的约束作用,提高了混凝土的极限压应变值,因而推迟了受压区混凝土的破碎,充分发挥了钢筋的塑性变形性能,改善了构件的延性。而且外包碳纤维织物对混凝土的约束作用比箍筋更为直接、更加有效。包裹3层碳纤维织物时,长柱和短柱的位移延性分别比未加固的对比柱提高78%和98%。可见,使用碳纤维织物在柱端一定范围内横向包裹钢筋混凝土柱来提高其延性这种加固方法是非常有效的。

通过对试验数据的分析整理发现,随着碳纤维织物包裹层数的增加,构件的延性系数均有较大的提高,都比对比柱提高了近1倍,但彼此间相差不大。这与碳纤维约束作用的发挥效率有关,即层数越多,其工作效率越低。

2.6 碳纤维织物加固钢筋混凝土柱的正截面承载力试验研究

为了进一步研究碳纤维织物对钢筋混凝土柱正截面承载力的补强加固效果,通过对试验柱的研究,分析了碳纤维织物不同的粘贴方式和粘贴层数对钢筋混凝土加固的效果,试验参数涉及纵筋配筋率、混凝土强度和轴压比。

通过试验研究,得到以下结论:

1)粘贴碳纤维织物补强加固方法对受弯破坏的钢筋混凝土柱承载力的提高是十分有效的。沿柱轴线方向粘贴两层碳纤维织物时,承载力最多可提高45%。

2)碳纤维织物的使用存在尺寸效应,随着碳纤维织物宽度的增加,其抗拉强度的使用效率有所降低。两条10cm的碳纤维条的加固效果要优于一条20cm碳纤维条的加固效果。

3)一般情况下,随碳纤维织物粘贴层数的增加,补强加固的效果将更明显,但最大承载力的增长值与粘贴层数并不呈线性增长关系。

4)与未加固的柱相比,碳纤维织物加固的钢筋混凝土柱裂缝出现相对较晚,且发展缓慢,裂缝数量多,但裂缝宽度大大小于未加固柱。

5)纵筋配筋率越低,混凝土强度越低,轴压比越低,柱的补强加固效果越明显。

3 结语

本文对近几年国内外碳纤维织物补强加固混凝土结构这一领域的研究工作进行了简要介绍。

从目前国内外的发展情况看,碳纤维材料用于建筑业的研究开发及应用活动正呈积极活跃的态势。中国拥有巨大的建筑市场,大量的钢筋混凝土结构急需补强与加固,碳纤维加固技术作为一种新兴的技术含量高的加固方法,具有很大的研究推广价值和巨大的社会经济效益。随着研究工作的不断深入,这种加固方法在我国也将得到广泛的应用,它将对我国的社会主义建设事业产生积极的推动作用。

摘要：碳纤维织物补强加固混凝土结构技术是一种新兴的科技含量较高的建筑物加固技术,得到了工木工程界及科研单位的广泛重视。论文针对国内外近几年来在碳纤维织物基本力学性能、碳纤维织物约束混凝土受压应力-应变全曲线、碳纤维织物补强加固钢筋混凝土梁正截面及斜截面承载力、碳纤维织物补强加固钢筋混凝土柱(包括长柱和短柱)承载力和增强抗震性能等方面进行的大量试验研究和理论分析,作了简要的介绍。

关键词：碳纤维织物,补强加固,梁,柱

参考文献

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[3]Hota V.S.Ganga Rao,Fellow,ASCE,and P.V.Vijay,BendingBehavior of Concrete Beams Wrapped with Carbon Fabric,[J]Structural Engineering,January 1998.

碳纤维织物/酚醛树脂 篇3

能源的枯竭和消耗所导致的环境污染, 让人类不断去寻找一种“取之不尽, 用之不竭”的能源, 太阳能光伏就随之产生了。太阳能源是一种取之不尽, 用之不碣的绿色环保新能源, 安全、清洁和无污染。在能源枯竭与能源污染越来越严重的当今, 人们希望能用可再生能源来替代那些有限的、会给环境带来污染的常规能源[1]。太阳能是一种清洁的、环保的绿色能源。在不断发展的21世纪, 大量的能源被用于制造工业产品、交通运输以及家庭。在很多的高纬度天气寒冷的国家比如美国与欧洲多国, 有30%的能源是消耗在取暖上的, 由于地理环境位置的影响, 这个数字在北方的国家会更高[2]。从服装专业角度上看, 如果能够通过以服装取暖的方面来代替在某些较为传统消耗能源大的取暖方式的话, 这将是服装对节能做出的最好的贡献。发热服装与常规的衣服不一样, 保暖的衣服是通过环境控制来减少人体热量散失而保持温暖, 而发热服装是通过将其他形式的能来进行转化变成热, 是服装能够提供热量并主动保暖[3]。经济不断发展的现在, 作为御寒保暖的服装的设计也在不断地变化着、进步着[4]。在服装上运用碳纤维原件, 给予了服装发热的特性, 可以让服装有发热高效、安全和舒适等特点, 具有很好的发展前景。

1 发热保暖的机理

保暖作为服装的基本功能之一, 是运用控制热量的传导、对流、辐射的技术来减少服装与人体间的静态空气的流动来减少热量的散失[5]。服装保暖的方式可分为两种:消极阻热式保暖和积极产热式保暖。在我们日常生活中消极阻热式保暖的服装较为常见, 即是将人体正常生理活动过程中散发的热量保持在服装与皮肤表面之间, 从而给人体保持恒定的温度补给的方式;积极保暖则是一种通过利用外界可以提高热量或是能将其他形式的能转换为热能的装置, 对人体主动加热而达到保暖的效果。

发热服装的保暖热源可分为:吸湿发热;太阳能转化为热能;电能转化为热能;化学能转化为热能[6]。

太阳能光伏是半导体的光电效应原理的应用。太阳能电池实际上是当太阳光照射到电池表面时一部分被反射, 其余部分被吸收, 吸收的光电子与内部等价电子相撞形成空穴, 再在内部电场的作用下形成新相反光生电场[7]。光伏连接负载的两端, 在连续光照条件下, 外电路电流流动, 从而形成一个电池符号, 经过串并联, 就能产生一定的电压和电流, 输出电能, 从而实现光电转换[1]。太阳能电池就是运用光伏特效应而将太阳能转换为电能的原件, 太阳能电池具有环保型和可多次使用的优点, 不会引起环境污染[8]。图1为太阳能光伏发电原理分析图。

太阳能电池连接发热线, 可以将电能转化为热能, 在某些特殊的场合可以使用, 比如贴近皮肤对特定的部位发热可以缓解疼痛或提供舒适的温度。在某些高寒地区可以利用高辐射的太阳能发热为登高运动员提供暖源, 或通过发热线发热缓慢释放某些药物达到医疗的作用。

2 国内外研究进展

2.1 柔性太阳能电池技术发展

太阳能作为国际公认的理想替代能源, 在世界范围内不断地影响着人们对能源利用的方式。太阳能类的相关产品的产量也是逐年在增加, 我国的光伏发电产业正在不断地加快着发展的步伐。我国的能源消费结构正在发生变化, 石油和其他污染的能源的使用逐步减少, 光伏发电正在迅速上升。我国拥有丰富太阳能资源和良好的开发技术, 据统计, 我国由于地理优势, 陆地表面每年都可以接收到大量的太阳能辐射, 全国各地的辐射总量可多达3350~8370MJ/cm[9]。近年来, 随着太阳能技术的全面发展, 政府方面也在不断地加大资金投入和政策的支持, 科学家们也在不断地加大科技的研发进程。世界上从事柔性衬底薄膜太阳能电池的研制生产的主要有美国的联合太阳能公司 (United Solar) 、欧洲的VHF-technologies公司、日本的Sharp公司和Sanyo公司。美国Toledo大学在柔性衬底非晶硅太阳电池领域的研究处于世界领先地位, 其单结非晶硅锗电池实验室初始效率达到了13%, 他们的技术团队参与组建了MWOE和Xunlight公司, 并在积极筹划更大的产能[1]。

目前我国的柔性衬底薄膜电池的研究也在进行当中。哈尔滨chrona公司在20世纪90年代中期曾研制出柔性聚酰亚胺衬底上的非晶硅单结薄膜电池, 电池初始效率为4.63%, 功率重量比为231.5W/kg, 但此后进展不大。近年来南开大学在柔性衬底非晶硅薄膜电池方面的研究取得了一定的进展。柔性薄膜太阳能电池是相对于常规太阳能电池来区分的。柔性太阳能电池, 是薄膜太阳能电池的一种, 而且技术先进、性能优良、成本低廉、用途广泛。它可以应用于太阳能背包、太阳能敞篷、太阳能手电筒、太阳能汽车、太阳能帆船甚至太阳能飞机上。柔性太阳能的一个重要应用领域是BIPV (Building Integrated Photovoltaic, 光伏建筑一体化) , 它可以集成在窗户或屋顶、外墙或内墙上。

薄膜太阳能电池具有低成本、低耗材的优点, 从20世纪80年代至今一直是国际学术界、产业界研发重点, 并已取得巨大发展, 当前大规模投入生产的薄膜电池主要是非晶硅薄膜电池。因此, 非晶硅薄膜太阳能电池有着巨大的发展潜力和空间。

2.2 国内外关于发热服装研究的现状

在吸湿发热保暖的纤维上, 日本东洋纺公司研发了eks纤维, 即太阳能发热保暖纤维;三菱人造丝公司于在20世纪90年代末开发了具有吸收红外线功能的Thermocatch;此外帝人、钟纺和富士纺等公司也相继开发了类似的阳光蓄热纤维Ceramino、Inserared等。在导电发热保暖材料碳纤维被广泛运用的有德国, warm X公司于2004年开发了此类的发热服装[10]。化学发热保暖是在纤维中加入化学物质将化学能转化为热能保暖。如将铁粉混入聚合物中纺丝, 利用铁粉在空气中氧化放热达到保暖目的。

现在我国的服装市场上发热服装是服装开发领域的一个“新星之子”。这几年来在市场上得到了很好的运用。华哥尔、美津侬都是先后研制发热保暖内衣和发热防寒服等。在国内也不断出现各种服装公司进行研发发热服装, 例如宁波斯纳格力服饰有限公司2010推出一款能随时充电发热的衣服;暖洋洋服饰, 在2012年也推出一系列自发热服饰等。这些新的发热服装的出现正预示着发热服装正在市场上不断地壮大。

2.3 发热纤维的国内外的研究状况

碳纤维发热保暖是导电发热保暖中的一种方式, 是利用导电纤维通电使纱线发热, 以达到保暖的效果。碳纤维是一种强度比钢大, 密度比铝小, 比不锈钢还耐腐蚀, 比耐热钢还耐高温, 又能像铜那样导电。它具有许多电学、热学和力学性能的新型材料。碳纤维具有电热转化率高、安全性好、使用寿命长、升温速度快的特点, 此外还具备发热时产生红外线的性能, 因此碳纤维发热的方式运用在服装上市广受欢迎。目前有很多公司正在研发此类的产品, 广泛地运用在保健垫、床垫和地毯等产品中。

碳纤维电热丝的优异性能体现如下。

升温迅速, 能产生人体需要的生命之光远红外线8~15μm;电热转换效率高, 节省电能, 碳纤维电热体是一种全黑体材料, 电热转化效率比金属发热提高30%, 电热效率可达100%;

抗拉强度高, 在相同的允许的电流负荷面积下, 碳纤维的强度比金属丝高6~10倍, 在使用过程中不会发生折断, 因此在电热过程中抗拉强度没有什么改变;

断线不起弧, 有效杜绝火灾的发生;

重量轻, 有效减轻构件重量, 从而提高了构件技术性能;

化学性能稳定 (耐腐蚀, 不易被氧化) 。

它也是一种节能型电热线, 采用进口高级碳纤维为发热体, 具有很高的机械强度和极长的使用寿命, 电热线重量轻、柔软, 可弯成各种形状, 易制成多种电热元件组合模块, 能方便地适用各种加热场合的需求。

2004年, 德国的Warm X公司还利用极微细的银纤维和供应电力的小型充电电池开发出内衣系列产品, 这种在外界温度非常低时也可以达到较好保温效果[7]。此外, 日本还使用聚乙烯炭黑混粉生产导热纤维。

我国从20世纪60年代后期开始研制碳纤维, 已有40余年了[10]。近年来, 碳纤维的生产技术和工艺上有了很大的突破, 而且已经有一定量的碳纤维生产, 例如中科院山西煤化所成功开发连续氧化碳化技术, 此外中科院北京化学所、中科院长春应用化学研究所、安徽大学、东华大学、兰州化纤和辽宁石化等科研单位和企业也先后开展了碳纤维的研究工作[11]。在“十五”期间在国家“863”项目的推动下, 国内以北京化工大学、中科院西山煤化所、山东大学作为碳纤维工程化技术研究的研发基地[12]。

3 结语

太阳能电池板吸收太阳光后集成电能经过转化后, 成为热能借助电热丝发热, 达到人们取暖、保暖、保健的目地。功能性太阳能服装不同于传统太阳能产品, 人性化程度高, 人机关系良好。随着太阳能资源的不断开发与利用, 功能性太阳能服装以其独特的性能和优势迅速地打入了市场, 是服装产业的新亮点。在此基础上, 研究利用太阳能发热的纺织面料服装有着广阔的产品市场, 既舒适又环保, 具有很好的穿着性和功能性。

摘要：太阳能是一种清洁能源, 柔性太阳能电池具有较好的柔性, 使之能使用在服装上, 利用太阳能使服装发热是一种新的尝试, 本课题组为此已经成功试制出机织和针织小样并使之成功发热。现主要阐述使用柔性太阳能电池板结合发热织物制作保暖服装的国内外研究进展情况。

关键词：柔性太阳能电池,发热碳纤维,织物

参考文献

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[8]来源 (互联网) .百度百科[EB/OL].http://baike.so.com/doc/5353783.html

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[10]袁小康, 谷晓平, 王济.中国太阳能资源评估研究进展[J].贵州气象, 2011, 35 (5) :1-4.

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