复合碳纤维（共12篇）
复合碳纤维 篇1
近年来,碳纤维复合导线在国内外大量工程中被采用,国内近80个改造增容工程采用该导线。碳纤维复合导线的应用,从降低成本、降低线损、提高输电容量、节省通道资源等方面,都有助于构造安全、环保、高效节能型输电网络,具有很大的社会效益和经济效益,其配套电力金具同样具有良好的前景[1]。
1 碳纤维复合导线配套金具产品情况
由于碳纤维复合导线结构的特殊性,常规的耐张线夹和接续管不宜使用。国内外采用一种利用楔形自锁原理的耐张线夹和接续管,其结构是将常规压接钢管改为楔形自锁式新型耐张线夹和接续管。
1.1 国外产品情况
1)基本结构形式。美国CTC公司、FCI公司、日本东北电力公司均有类似产品,利用楔形自锁原理的耐张线夹和接续管大量应用于实际工程中。两种产品其结构基本类似,均由线夹本体、套管和楔形自锁结构3部分组成(见图1、图2),而绞线握力主要靠楔形自锁结构的正压力产生摩擦力而达到握力要求。
2)其他结构形式:
(1)美国专利7019217公开了一种用于碳纤维复合导线电缆的套筒形接续管、耐张线夹装置,以及采用该种线夹将两根碳纤维复合导线连接或将一根碳纤维复合导线一端终结的方法。该装置在各自外层套筒中置以内层套管以握紧碳纤维复合导线的芯部,碳纤维复合导线芯可以从导体中剥离插入内套筒,对内筒加压后,芯部固定[2]。
(2)日本东北电力公司公开了一种通用型耐张线夹,耐张端插入有多个纵向槽的金具,金属套管部分包裹绞线导线后和金具匹配,具有很好的操作性和足够的张力,适合碳纤维加强的复合导线使用[2]。
1.2 国内产品情况
目前,国内正在研制和生产的碳纤维复合导线金具基本上是美国CTC原版仿制。
2 碳纤维复合导线配套金具存在问题及原因分析
2.1 存在问题
在国内工程中,碳纤维复合导线配套金具基本采用美国CTC公司和国内仿制美国的产品,其缺点是尺寸过大、制造成本高、施工极为不便。特别是接续管,由于长度过长,施工时很难过滑车。
2.2 存在问题的原因分析
1)楔形耐张线夹的钢锚和楔形夹主要连接部位采用外螺纹连接,接续管的双向调节紧固器与楔形夹连接也采用外螺纹连接,增长了线夹的长度和体积。
2)对铝线夹本体电气性能没有精确计算,有效压接长度成倍超长。
3)以增长楔形夹内外套长度尺寸来达到增大楔形夹的握紧力。从多次试验发现,楔形夹握紧力与内外套长度具有一定关系,但不是决定性因素。从试验和计算可知,影响握紧力大小的关键是楔形夹锥度和外套两头开口间隙尺寸及内套和碳纤维复合导线芯摩擦力及加工工艺。
从金具结构的整体受力分析可知,楔芯握紧力大小与楔外套和楔形内套之间摩擦因数、开口间隙尺寸、锥度、楔形内套以及碳纤维复合芯摩擦因数(碳纤维复合芯主要受挤压即正压力)等有关。调整物与物间的摩擦因数,合理选择楔形锥度和楔形内套开口间隙,是设计楔形线夹握紧力的关键技术,楔形长度不是决定性因素。
从楔形内外套受力分析计算,也不难看出楔形握紧力与楔形内外套长度也不是决定性因素。从楔形强度理论计算结果也证明了楔形结构握力大小与楔形长度不是关键性要素。
综上所述:单纯通过增大楔形长度来增大线夹握紧力不是一种好的选择,只增长、增大线夹的长度和体积,不仅浪费制造成本,而且给施工带来一定的不便,必须进行结构性的改进。
3 对碳纤维复合导线配套金具的改进与应用
针对原有碳纤维复合导线配套金具在工程使用中存在的问题,经认真分析和科学计算,对碳纤维复合导线配套金具作了改进。
3.1 结构性的改进
1)螺纹形式改变。将原耐张线夹钢锚与楔形夹的外螺纹连接,接续管调节器与楔形夹的外螺纹连接,全部改为内螺纹连接(见图3、图4)。
2)长度改进。通过计算和试验,将铝管有效压接长度大大缩短,仅为美国和国内同类产品的1/3,而电气性能完全达到设计要求。
3)通过强度计算和试验,改进后的楔形夹锥度、长度和内套开口间隙尺寸均小于美国及国内同类产品,但其握紧力及强度均大于美国和国内其他同类产品。
4)取消双向调节器,设计了一种简便可靠的锁紧塞来锁定楔形夹的握紧力,握紧力可靠、施工便捷(见图3、图4)。
5)为了增大碳纤维与楔形内套之间的摩擦因数,采用一种固熔植膜新工艺,即在内套、内孔表层,在一定工艺温度下,固熔一种耐高温、耐磨擦、摩擦因数大的植膜,效果十分理想,这是改进后产品的独特的创新生产工艺。
改进后,碳纤维复合导线的配套金具型号品种见表1。
3.2 改进后的金具在工程中的应用
改进后的耐张线夹和接续管,彻底改变了碳纤维复合导线原来的施工工艺,施工工艺和普通导线基本相同,无特殊要求。在国内数十个工程中应用,施工极为方便、快捷、简单。
4 结语
1)针对原有碳纤维复合导线配套金具存在的主要问题,研制出的内螺纹无调节器新型碳纤维复合导线系列耐张线夹和接续管产品,其长度、体积和常规的耐张线夹、接续管基本一致,与美国CTC公司和国内其他企业生产的系列产品相比具有长度短、体积小、各种滑车畅通无阻、造价低、性能优、施工方便等优点。
2)该技术已在国内多个工程中运用,运行实践证明其产品优良、受到用户好评,即将应用于斗笠至江林的500 kV改造线路工程,也为淮南至上海1 000 kV特高压输电线路做好了技术储备。
参考文献
[1] 严行建.ACCC导线应用和金具的研制[J].电网与水利发电进展,2008(06) :06-11．
[2] 江苏宇飞电力科技有限公司.JRLX/T碳纤维导线接续管查新报告[R].江苏宇飞电力科技有限公司,2009(01) :03-04．
[3] 江苏宇飞电力科技有限公司.JRLX/T碳纤维导线耐张线夹查新报告[R].江苏宇飞电力科技有限公司,2009(02) :02-03．
复合碳纤维 篇2
碳是一种非金属元素，位于元素周期表的第二周期IVA族。拉丁语为：Carbonium，意为“煤，木炭”。汉字的“碳”字由木炭的“炭”字加石字旁构成，从“炭”字音。
碳是一种非金属元素，无臭无味的固体?。无定形碳有焦炭?，木炭?…等，晶体碳有金刚石和石墨。冶铁和炼钢都需要焦炭。在工业上和医药上，碳和它的化合物用途极为广泛。
碳是一种很常见的元素，它以多种形式广泛地存在于大气和地壳之中。
碳的一系列化合物——有机物更是生命的根本。碳能在化学上自我结合而形成大量化合物，在生物上和商业上是重要的分子。生物体内大多数分子都含有碳元素。
碳也是生铁、熟铁和钢的成分之一。
碳单质很早就被人类认识和利用，如：金刚石、石墨（如：铅笔芯、干电池芯）…等。
碳纤维(carbon fiber)，碳纤维是由有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维的微观结构类似人造石墨，是乱层石墨结构。顾名思义，它不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼具纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。与传统的玻璃纤维(GF)相比，杨氏模量是其3 倍多；它与凯芙拉纤维(KF-49)相比，不仅杨氏模量是其2倍左右，而且在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀，耐蚀性出类拔萃。有学者在1981年将PAN基CF浸泡在强碱NaOH 溶液中，时间已过去30多年，它至今仍保持纤维形态。
碳材料主要有：碳碳复合材料、碳纳米材料、碳纤维材料、新型碳材料?…等。
低碳材料（Low Carbon Materials）：意指能够在确保使用性能的前提下降低不可再生自然原材料的使用量。制造过程低能耗、低污染、低排放, 使用寿命长，使用过程中不会产生有害物质，并可以回收再生产的新型材料。
低碳材料在生产、使用全过程实现节能减排，是可持续和面向未来的材料。
在复合材料的大家族中，纤维增强材料一直是人们关注的焦点。自玻璃纤维与有机树脂复合的玻璃钢问世以来，碳纤维、陶瓷纤维以及硼纤维增强的复合材料相继研制成功，性能不断得到改进，使其复合材料领域呈现出一派勃勃生机。下面让我们来了解一下别具特色的碳纤维复合材料。
结构
碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，其含碳量随种类不同而异，一般在90%以上。碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各向异性、柔软、可加工成各种织物，沿纤维轴方向表现出很高的强度。碳纤维比重小，因此有很高的比强度。
碳纤维是由含碳量较高，在热处理过程中不熔融的人造化学纤维，经热稳定氧化处理、碳化处理及石墨化等工艺制成的。
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23000~43000Mpa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。
碳纤维作为一种高性能纤维，因具有比强度高、比模量高、热膨胀系数小、摩擦系数低、耐低温性能良好…等特性而成为近年来树脂基复合材料最重要的增强材料。
用途
碳纤维的主要用途是与树脂、金属、陶瓷…等基体复合，制成结构材料---碳纤维增强环氧树脂复合材料（碳纤维树脂），其比强度、比模量综合指标，在现有结构材料中是最高的。在密度、刚度、重量、疲劳特性等有严格要求的领域，在要求高温、化学稳定性高的场合，碳纤维复合材料都颇具优势。
碳纤维是50年代初应火箭、宇航及航空等尖端科学技术的需要而产生的，现在还广泛应用于体育器械、纺织、化工机械及医学领域。随着尖端技术对新材料技术性能的要求日益苛刻，促使科技工作者不断努力提高。80年代初期，高性能及超高性能的碳纤维相继出现，这在技术上是又一次飞跃，同时也标志着碳纤维的研究和生产已进入一个高级阶段。
由碳纤维和环氧树脂结合而成的复合材料，由于其比重小、刚性好和强度高而成为一种先进的航空航天材料。因为航天飞行器的重量每减少1公斤，就可使运载火箭减轻500公斤。所以，在航空航天工业中争相采用先进复合材料。有一种垂直起落战斗机，它所用的碳纤维复合材料已占全机重量的1/4，占机翼重量的1/3。据报道，美国航天飞机上3只火箭推进器的关键部件以及先进的MX导弹发射管等，都是用先进的碳纤维复合材料制成的。
现在的F1（世界一级方程锦标赛）赛车，车身大部分结构都用碳纤维材料。顶级跑车的一大卖点也是周身使用碳纤维，用以提高气动性和结构强度
碳纤维可加工成织物、毡、席、带、纸及其他材料。传统使用中碳纤维除用作绝热保温材料外，一般不单独使用，多作为增强材料加入到树脂、金属、陶瓷、混凝土等材料中，构成复合材料。碳纤维增强的复合材料可用作飞机结构材料、电磁屏蔽除电材料、人工韧带等身体代用材料以及用于制造火箭外壳、机动船、工业机器人、汽车板簧和驱动轴等。
人造卫星和飞机部件都需碳纤维：据了解，碳纤维材料是一种具有很高强力和模量的耐高温纤维，是化纤的高端品种。用碳纤维制造的复合材料具有质地强而轻、耐高温、防辐射、耐水、耐腐蚀等众多优点。碳纤维复合材料中的CFRP“碳纤维增强塑料”则更是具有一般材料无法比拟的特性：它的比重是铁的五分之一，强度却是铁的10倍，刚性是铁的7倍，抗疲劳强度是铁的2倍。同时，还具有热膨胀系数小、导电性强、耐振、耐水、耐腐蚀、不易生锈、拉伸强度和抗压强度大，韧性优异等特点。
“正是因为碳纤维有这么多的优点，所以它既能用来制造航天飞机，也能用来作为iphone等高端手机的外壳。”日本超级树脂工业株式会社营业部(相当于中国企业的业务部)部长古闲森淳告诉记者。诸多优点使碳纤维复合材料被广泛应用于机械、航空航天、船舶、压力容器、医疗设备、建筑材料、机车赛车、风电叶片、油田开发、体育娱乐用品等民用以及军事领域。
在这些领域，碳纤维都可以取代金属，我们熟知的波音747客机，50%以上的材料为碳纤维，这种轻便材料的采用，可节省大量燃油。未来，汽车、赛车、摩托等零部件也将实现碳纤维材料的替换。中国科学院先进材料领域战略研究小组在就中国先进材料研究的未来方向的探讨中也提到：“2020年，高性能碳纤维主要应用于大型飞机、宇宙飞船、风力发电用叶片等领域。”
碳纤维复合材料的现实应用主要有以下几个方面：
(1)宇航工业用作导弹防热及结构材料如火箭喷管、鼻锥、大面积防热层;卫星构架、天线、太阳能翼片底板、卫星-火箭结合部件;航天飞机机头,机翼前缘和舱门等制件;哈勃太空望远镜的测量构架,太阳能电池板和无线电天线。
(2)航空工业用作主承力结构材料,如主翼、尾翼和机体;次承力构件,如方向舵、起落架、副翼、扰流板、发动机舱、整流罩及座板等,此外还有C/C刹车片。
(3)交通运输用作汽车传动轴、板簧、构架和刹车片等制件;船舶和海洋工程用作制造渔船、鱼雷快艇、快艇和巡逻艇,以及赛艇的桅杆、航杆、壳体及划水浆;海底电缆、潜水艇、雷达罩、深海油田的升降器和管道。
(4)运动器材用作网球、羽毛球和壁球拍及杆、棒球、曲棍球和高尔夫球杆、自行车、赛艇、钓杆、滑雪板、雪车等。
(5)土木建筑幕墙、嵌板、间隔壁板、桥梁、架设跨度大的管线、海水和水轮结构的增强筋、地板、窗框、管道、海洋浮杆、面状发热嵌板、抗震救灾用补强材料。
(6)其它工业化工用的防腐泵、阀、槽、罐;催化剂,吸附剂和密封制品等。生体和医疗器材如人造骨骼、牙齿、韧带、X光机的床板和胶卷盒。编织机用的剑竿头和剑竿防静电刷。其它还有电磁屏蔽、电极度、音响、减磨、储能及防静电等材料也已获得广泛应用。
优势
1、高强度（是钢铁的5倍）
2、出色的耐热性(可以耐受2000℃以上的高温)
3、出色的抗热冲击性，抗热冲击和热摩擦的性能优异。
4、低热膨胀系数(变形量小)
5、热容量小（节能），比热容高，能储存大量的热能，导热率低。
6、比重小（钢的1/5，密度1.7g/cm3左右），在承受高温的结构中，它是最轻的材料；高温的强度好，在2200℃时可保留室温强度；有较高的断裂韧性，抗疲劳性和抗蠕变性；而且拉伸强度和弹性模量高于一般的碳素材料，纤维取向明显影响材料的强度，在受力时其应力-应变曲线呈现“假塑性效应”即在施加载荷初期呈线性关系，后来变成双线性关系，卸载后再加载，曲线仍为线性并可达到原来的载荷水平。
7、优秀的抗腐蚀与辐射性能，8、耐热烧蚀的性能好，热烧蚀性能是在热流作用下，由于热化学和机械过程中引起的固体材料表面损失的现象,通过表层材料的烧蚀带走大量的热量,可阻止热流入材料内部, C-C材料是一种升华-辐射型材料。
目前世界上最轻的固体材料——碳海绵
2013年3月，浙江大学高分子系高超教授的课题组制造出一种超轻物质，取名“碳海绵”，这是一种气凝胶，世界上最轻的一类物质，它的内部有很多孔隙，充满空气。
“碳海绵”可任意调节形状，弹性也很好，被压缩80%后仍可恢复原状。它对有机溶剂有超快、超高的吸附力，是已被报道的吸油力最强的材料。
2011年，美国科学家合作制造了一种镍构成的气凝胶，密度为0.9毫克/立方厘米，是当时最轻的固体材料。把这种材料放在蒲公英花朵上，蒲公英茸毛几乎没变形。高超课题组这些年一直从事石墨烯宏观材料的研发。他们用石墨烯制造出了气凝胶——“碳海绵”。“碳海绵”每立方厘米重0.16毫克，比氦气还要轻，约是同体积大小氢气重量的两倍。从当时公开的报道看，“碳海绵”是世界上最轻的固体。
这种“碳海绵”是用石墨烯制造的，研究称它可以用来处理海上原油泄漏事件，还可能成为理想的储能保温材料、催化剂载体及高效复合材料，有广阔前景。
“碳海绵”可任意调节形状，弹性也很好，被压缩80%后仍可恢复原状。它对有机溶剂有超快、超高的吸附力，是已被报道的吸油力最强的材料。现有吸油产品一般只能吸自身质量10倍左右的液体，而“碳海绵”能吸收250倍左右，最高可达900倍，而且只吸油不吸水。
“碳海绵”这一特性可用来处理海上原油泄漏事件——把“碳海绵”撒在海面上，就能把漏油迅速吸进来，因为有弹性，吸进的油又挤出来回收，碳海绵也可以重新使用。
另外，“碳海绵”还可能成为理想的储能保温材料、催化剂载体及高效复合材料，有广阔前景。
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参考网址：
碳纤维世界
中国碳素材料网
中国碳纤维网
复材在线
复合碳纤维 篇3
【关键词】碳纤维复合材料；废弃物；回收；再利用
碳纤维复合材料具有重量轻，强度高，模量高，耐腐蚀等优点，被广泛应用于航空航天、体育休闲、汽车、建筑及桥梁加固等领域。2014年全球碳纤维产量约为10万吨，我国碳纤维产量约3200吨，2015年国内碳纤维需求量将达到1.5万吨[1]。未来中国四大产业——大飞机项目、海上风力发电、汽车轻量化发展及高速铁路，无疑还将带动碳纤维需求的强势增长，然而飞机制件一般寿命为25-28年，风机叶片为20-25年，汽车制件为10-15年，这些产品寿命终结后，其回收再利用将成为非常重要的问题。目前我国碳纤维复合材料仍以热固性树脂基为主，市场占有量90%以上，而热固性树脂基复合材料在自然条件下不可以降解，随着应用量的增加，其污染问题也会日趋严重，当务之急是要开发出大规模、连续化、低成本、低能耗的回收和再利用技术，同时开发可降解的生物基复合材料以及热塑性复合材料，以实现产业的可持续、绿色、低碳发展。
1、碳纤维复合材料回收与再利用的必要性
碳纤维增强热固性复合材料其树脂基体固化后形成三维交联网状结构，常规条件下不溶于溶剂，也无法自然降解，如果不进行回收处理，将会造成环境污染，并且随着碳纤维用量增加，污染将会越来越严重。欧盟成员国2003年11月通过的废弃车辆（EEEV）指令要求，2015年1月之后生产的每辆汽车的95%必须被再利用或回收。空客公司计划到2020-2025年，制造过程中95%的废弃物能够进入回收渠道，5%的废弃产品能够回收再利用于航空部件[2]。
碳纤维生产过程中需要消耗很多能源，因此价格比较昂贵，对其进行回收再利用，一方面可以减少生产新碳纤维所需要的能源消耗，另一方面回收之后的碳纤维仍有很好的力学性能和利用价值，可以利用于要求相对较低的部件。据日本报道生产制造再生短CF能耗仅为新CF的17%，而CO2排放量仅为新CF的14%[3]。回收处理的碳纤维与新碳纤维相比，生产成本相对较低，可以以相对地的价格推向市场，扩大碳纤维的应用领域。因此，碳纤维的回收与再利用有着非常重要的现实意义。
2、碳纤维复合材料废弃物回收再利用技术及应用现状
碳纤维复合材料废弃物主要来源有两类，一类为生产及成型加工过程中的废弃物，如预浸料不合格品、过期料、边角料、部件不合格品、飞边、测试报废品等，另一类为寿命结束类制品。一些发达国家如德国、英国、美国、日本等等，非常重视碳纤维复合材料回收技术的开发，纷纷组建了专门的研究机构解决这一问题，并进行了一些工业化尝试，取得了不少的成果。例如，如英国Milled Carbon Ltd厂已和波音、空客等建立合作关系，帮他们处理废料。欧洲已组建复合材料回收服务公司（UCRU），解决欧洲复合材料回收和可持续发展问题。英国的回收碳纤维公司（RCF）有2000吨/年的处理能力，已和英国GKN航空公司签订合同回收其废品，近期100吨/年，以后会有30%的年增长率[4]。
波音公司与宝马集团近日签署一项合作协议，旨在联合开展关于碳纤维回收的研究，并共享碳纤维材料和制造知识。波音和宝马都是在各自产品上应用碳纤维的先锋。波音787梦想飞机机体的50%由碳纤维材料制成，而宝马则将于2013年在两款车型上采用碳纤维制造乘客舱。对于两家公司而言，复合材料在使用过程中和产品寿命结束后的回收至关重要。
碳纤维复合材料回收方法可分为填埋、焚烧、粉碎、分离四种，目前虽然填埋是最便宜的处理选择，但由于碳纤维复合材料不能生物降解，填埋会对环境产生负面影响，因此最终将会被禁止使用。欧盟多数成员国2004年都颁布了法律，禁止复合材料的填埋处理。焚烧作为过去常用的处理方法，其回收方法及设备简单，投入成本少，通过焚烧可以获得能量，但焚烧过程中会释放有毒气体，造成二次污染。为了避免填埋和焚烧等处理方法的缺点，目前开发了一些新的技术，其中通过热分解、溶剂分解以及超临界流体分解等技术进行CF与树脂分离的材料回收方法最具有吸引力。
2.1高温热解
热裂解是利用高温将复合材料中的树脂分解成有机小分子从而回收碳纤维的方法。该方法易于进行工业化放大，是目前成功实现商业化运营的方法。英国的Milled Carbon公司在无氧环境下加热碳纤维复合材料至400-500℃，使得树脂分解，其于2003年开始利用热裂解装置回收碳纤维，并形成了年处理2000t碳纤维复合材料的能力，可再生在1200吨/年[5]。
2.2微波热分解
美国、英国以及德国的一些公司及大学正在开发微波热分解技术，通过碳纤维吸收微波能量从内部加热树脂。这样能够更快地分解树脂以复原碳纤维，缩短整体的处理时间，并且相比于其他热分解技术设备要求更少。位于美国北卡罗来纳州罗利的火鸟先进材料公司（Firebird Advanced Materials Inc）在过去的几年里建造了一个小型的装置以测试其微波回收工艺，已经开始实现其商用计划。火鸟公司得到了美国空军和国家科学基金的资助以及北卡罗来纳州大学的协作，已经利用其装置演示了世界首条碳纤维复合材料连续微波回收处理工艺[6]。
2.3亚超临界流体
美国ATI公司开发了一种回收技术，结合了低温湿法工艺和真空高温分解工艺，首先低温化学处理去除树脂以及一些污染物，然后通过真空高温分解剩余的树脂，获得99%纯度的纤维。这种处理工艺可以处理碳纤维复合材料的混合物，无需耗时和用昂贵的人工挑选。ATI公司利用这种工艺处理了波音787飞机的测试碎片，这种碎片由碳纤维、环氧树脂以及热塑性增韧剂组成。ATI公司首先利用低温湿法工艺完全溶解了环氧树脂，然后在525℃温度下真空热分解增韧剂及其他物质。
西班牙巴利亚多利德大学和英国诺丁汉大学的一个研究小组研究了甲醇、乙醇、丙醇、丙酮作为超临界流体对碳纤维复合材料的化学回收能力。并研究了温度、压力、流速、碱性催化剂等对树脂分解的影响。研究表明，流体体系及碱性催化剂促进了降解过程，提高了整体反应速率。通过改变流体速率和碱性催化剂比例可以在15分钟内降解95%以上的树脂，所回收纤维可以达到原纤维85-99%的强度[7]。
英国利兹大学Eyup Yildirir， Jude A. Onwudili等人研究了乙二醇以及乙二醇水溶液对于树脂的分解能力，研究表明，纯的乙二醇溶液在400℃条件下最高可以分解92.1%的树脂；将水加入乙二醇可以提高树脂分解比例，当乙二醇与水比例达到5时，400℃温度下树脂分解率达到97.6%，而其强度与初始纤维仅有细微差别。剩下的树脂降解溶液，分别采用NaOH和Ru/Al2O3作为催化剂在500℃和24MPa条件下超临界水气化，NaOH作为催化剂时可以产出60mol.%的H2，Ru/Al2O3作为催化剂时可以产出53.7.mol%的CH4[8]。
2.4电化学方法
我国深圳大学孙红芳等人采用电化学方法成功回收了碳纤维复合材料，研究了不同溶液浓度和电流对碳纤维回收效率及强度的影响。研究表明，回收碳纤维的强度随着溶液浓度和电流的增加而降低，3%NaCl溶液，25mA条件下，所回收碳纤维强度为原碳纤维的80%，接近热解方法，但低于化学方法。考虑回收碳纤维的质量，3%溶液浓度和4mA电流为最佳参数[9]。
3、展望
随着碳纤维的大量使用，碳纤维复合材料的回收再利用已成为一个迫切需要解决的问题。欧美及日本等发达国家和地区早就开始重视碳纤维复合材料的回收问题，并进行了相关研究，采取了一系列措施并初步取得成效。目前我国虽然有部分科研院所开始了相关研究，但整体水平与国外仍有不小差距，且尚未实现商业化运作。对此，本文作者提出几点建议，以下：
（1）我国政府应加大碳纤维复合材料回收与再利用的政策及资金扶持，引导并鼓励科研院所及相关企业进行研究并产业化，促进行业的良性发展。（2）建立碳纤维复合材料废弃物分级、分类方法及回收后碳纤维相关测试标准，并监督碳纤维及制品相关企业严格执行。（3）热塑性复合材料相对于热固性复合材料更易于回收再利用，我国应大力发展碳纤维增强热塑性复合材料，提高热塑性复合材料的使用比例，以减少热固性复合材料废弃物来源，降低碳纤维复合材料回收成本。
参考文献
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[2]Amanda Jacob. Airbus sets out carbon fibre waste recycling plans http：//www.materialstoday. com/ carbon-fiber/news/airbus-sets-out-carbon-fibre-waste-recycling-plans/. 13 May 2014.
[3]杨斌.日本东邦等三家公司成立碳纤维回收技术联合研发小组http：//www.frponline.com/ news/show.php？itemid=39068.2013-05-20.
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[8]Eyup Yildirir， et al. Recovery of carbon ?bres and production of high quality fuel gas from the chemical recycling of carbon ?bre reinforced plastic wastes [J]. Supercritical Fluids 92（2014） 107–114.
[9]Hongfang Sun et al. Recycling of carbon fibers from carbon fiber reinforced polymer using electrochemical method[J].Composites. Part A 78（2015）10-17.
作者简介
复合碳纤维 篇4
碳纤维复合材料 (CFRP) 具备极佳的综合性能, 诸如高比强、高比模、耐高温、耐磨、耐疲劳、热膨胀系数小、尺寸稳定性好等优良的综合性能, 目前在航空航天、军工、汽车等领域中得到了广泛的应用[1,2]。预计2015年我国大飞机碳纤维复合材料用量达到25%, 对碳纤维的需求量约2 500 t[3]。目前, 碳纤维复合材料大多采用多向铺层的叠层工艺方式制造成型[4], 在钻孔加工过程中, 由于切削力、切削温度及材料本身性能影响, 加工后孔表面质量不易保证, 经常会出现分层、撕裂、毛刺等加工缺陷, 并且使用传统刀具材料时, 刀具易磨损, 寿命低, 而使用PCD刀具钻削加工碳纤维复合材料时, 不但能够获得良好的加工质量, 而且刀具寿命长。
本研究提出的钻削试验采用DM2500M金相显微镜、KEYENCE VHX-1000三维显微系统以及DECK-EL MAHO DMU 50 evo linear五轴加工中心, 加工中心的刀具夹持系统为HSK-A63, 试验材料为碳纤维增强双马树脂基复合材料 (T300) , 外形尺寸长200 mm×宽80 mm×厚3.5 mm长方型板材。试验主要分析碳纤维复合材料钻孔加工的主要缺陷分类及原因, 以及切削参数对加工质量的影响。
1 碳纤维复合材料孔加工主要缺陷
1.1 孔加工的主要缺陷分类
碳纤维复合材料在钻削过程中会出现各种加工缺陷, 其示意图如图1所示。
这些缺陷主要可分为两类缺陷: (1) 孔的尺寸精度、位置精度不合格, 圆度超差等几何缺陷, 如孔形不圆、孔的尺寸收缩, 这些缺陷在金属材料制孔中也会存在; (2) 孔出、入口处的纤维劈裂或撕裂, 孔内壁周围材料分层以及孔壁表面的微裂纹等碳纤维复合材料制孔时存在的特有缺陷, 这也是碳纤维复合材料制件连接和装配中导致报废的主要原因。
孔口处是这些缺陷出现的主要部位, 一般来说钻孔入口的撕裂、毛刺现象较出口处的撕裂毛刺程度小, 碳纤维复合材料钻孔出口缺陷主要由撕裂和毛边两部分组成;其中撕裂一般比毛边的尺寸大, 而且在构件实际使用中的负面影响也比较大, 所以对孔口缺陷的研究以撕裂为主。撕裂的形成过程包括两个作用阶段, 即横刃作用阶段和主切削刃作用阶段, 其中横刃作用在撕裂形成中占主导成分[5]。毛边缺陷是指在孔边缘部分存在的未完全切断的表层纤维, 通常出现在材料表层纤维被切削的孔边缘部分。
通过钻削试验的观察可见, 毛刺缺陷分布呈现一定的区域性, 毛刺、撕裂缺陷照片如图2所示。根据碳纤维复合材料的切削机理可知, 这种区域性特征是由于切削时纤维角的不同造成的。从图2得出, 毛刺、撕裂出现的区域与纤维的角度有很大关系。碳纤维复合材料钻削过程中, 假设“顺剪”时纤维角为锐角, “逆剪”时纤维角为钝角, 则钻头旋转一周, 钻头主切削刃处于“顺剪切”→“逆剪切”→“顺剪切”→“逆剪切”的周期性变化。所以“顺剪”切削时, 纤维不容易被切断形成毛刺撕裂缺陷, “逆剪”切削时, 材料容易被切断, 无毛刺或较小毛刺撕裂缺陷产生。
1.2 钻孔缺陷的原因分析
1.2.1 钻削力
在制孔过程中, 当钻头切入复合材料时, 主切削刃首先使纤维剥开, 然后把它切断, 这种剥离对孔的入口端最外层材料的影响最大, 当纤维被剥离开时, 钻头的切削刃必须同时切断纤维, 假如不能全部切断或者所要求的切削力超过基体树脂的强度, 就会产生开裂并沿着表面层纤维的取向扩展, 这正是孔的入口处出现劈裂的原因[6]。
由于钻削过程中轴向力始终施加在材料表面上, 使得复合材料层压板各层沿厚度方向依次受到一种拉力, 从而在孔壁周围材料层中产生一定的层间应力, 这种层间应力过大, 则易出现分层。同时在碳纤维复合材料的钻削过程中, 钻削力是周期性变化的, 周期性变化的轴向力必然使得孔壁周围材料承受交变应力, 进而增加分层的可能性, 一般作用在层合板上的轴向力越大, 层间法向拉伸正应力就越大, 因此出现分层的可能性也就越大。对碳纤维复合材料钻孔在钻出过程中, 随着待切削材料层不断减少, 钻孔处刚性不断下降。当钻头横刃首先接触到外层纤维时, 即相当于给这一层材料施加了一个与其他纤维层分开的推力。由于横刃具有负前角而不锋利, 孔出口端最外层纤维不是立即被切断, 而是在轴向力作用下向外退让, 此时最外层纤维可能与基体撕开, 造成出口撕裂[7]。
1.2.2. 刀具的锋利性
毛刺主要是由于钻头的切削刃锋利性差决定的。切削刃锋利性差在造成钻头切削性能下降的同时, 也会导致钻削力的增大, 所以切削刃的锋利性差也是造成毛刺、撕裂、劈裂缺陷的主要原因之一。
因此刀具切削刃的锋利性成为钻削高质量孔主要影响因素;由于PCD刀具的切削刃可以刃磨的很锋利, 很适合加工复合材料[8,9]。分析试验加工孔的孔壁质量大都符合复合材料的加工质量要求, 主要缺陷出现在孔出口处, 特别在较低转速下孔口毛刺撕裂现象较为严重。
1.2.3 钻削温度
钻削碳纤维复合材料时, 随着刀具与工件接触部位的温度产生并增高, 由于纤维、基体两种组分的热膨胀系数不同, 在切削过程中产生热应力, 受到热效应的几何边界层将会产生应力集中, 产生局部应变, 从而引起分层撕裂等缺陷, 导致刀具的快速磨损, 并可能损伤复合材料的性能[10,11]。
从以上分析可知, 钻削力是影响碳纤维复合材料制孔质量的重要因素, 是引起分层缺陷和孔口缺陷的主要原因。在钻削过程中, 钻削力越大, 分层与撕裂的可能性及破坏的范围越大。
2 切削参数对加工质量的影响
2.1 钻削速度对孔口缺陷的影响
在使用PCD钻头钻削碳纤维复合材料时, 主轴转速与孔的出口撕裂、毛刺因子的关系图如图3所示。可以看出, 随着主轴转速的提高, 加工孔出口的撕裂与毛刺因子呈下降趋势;并可以看出, 试验中孔口质量在n=10 000 r/min时出口毛刺、撕裂程度最小;在较低转速下, 孔口处的撕裂、毛刺缺陷较大, 故用PCD钻头加工复合材料时宜在中、高速转速下进行, 高转速下钻头切削刃更易切断纤维, 可以得到更高质量的钻孔。
2.2 进给速度对加工质量的影响
在转速为8 000 r/min的情况下, 进给速度不同时, 研究者使用PCD钻头加工的碳纤维复合材料孔口形貌图片如图4所示。
(vf=200 mm/min)
从图4中可以看出, 随着进给速度的增加, 孔口的毛刺现象有明显增大的趋势。进给速度是影响钻削轴向力的大小的主要因素, 这就说明钻削轴向力对钻孔出口质量有较大的影响。通过进一步观察可以发现, 进给速度的变化与加工孔口的毛刺大小变化基本呈正比例关系。并且通过对比钻孔的进口与出口形貌可以发现, 钻孔的入口处几乎没有毛刺、撕裂等缺陷, 毛刺、撕裂缺陷主要集中在出口部位。
为了进一步分析不同加工参数下孔口的加工质量, 本研究利用VHX-1000型超景深显微镜对不同加工参数的制孔出口表面进行观测, 其结果如图5所示。
可以看出, 随着进给速度增大, 孔口处的毛边现象越来越严重, 不同的加工参数, 加工后的出口表面质量亦不同。孔口的加工质量与切削参数有着密切的关系。
3 结束语
本研究通过试验主要分析了碳纤维复合材料孔加工的主要缺陷分类与原因, 以及切削参数对加工质量的影响, 研究结果表明, 孔口处是碳纤维复合材料钻孔加工缺陷出现的主要部位, 并呈现一定的区域性;钻孔毛刺、撕裂缺陷主要集中在出口部位, 入口处几乎没有毛刺、撕裂等缺陷;钻孔孔口处的毛刺、撕裂缺陷受进给速度Vf和主轴转速n影响, Vf越大, 撕裂、毛刺程度增大;在较低主轴转速下, 钻孔出口质量较差, 故用PCD钻头加工复合材料宜在中、高转速下进行, 高转速下钻头切削刃更易切断纤维, 可以得到质量更好的钻孔;高速下毛刺、撕裂现象明显减少。
参考文献
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复合碳纤维 篇5
咱们分航空和航天两个方面，对CFRP的应用，略加介绍。这篇的很多技术术语，都在前文中介绍过。您有了那些铺垫，再读下去，会觉得没那么生涩。还会因为知道了前因后果，感悟得更多一点所谓外行看热闹，内行看门道。说到应用，国外的料大家尽管爆，国内产品公开的信息不多，因此兵器迷所知有限，只能给大家上个小菜——所有国内资料都来自互联网官方报道和公开出版物，并注明了相关来源。额来坛子的目的，第一是学习，第二是分享，第三是科普。
一、航空方面的CFRP应用
业内一般认为，碳纤维复合材料在军用航空方面的应用大体上可以分为三个阶段（也有按四个阶段分的，差异不大）。民机对安全性、经济性、可靠性要求高于军机，因此在应用上更加保守和延后，但也大体追随了军机的步伐。在此一并介绍。
第一阶段——非承力结构：20世纪60-70年代：由于1公斤CFRP可以大体替代3公斤铝合金，性能满足要求，因此开始用于非承力结构，如舱门、前缘、口盖、整流罩等尺寸较小的部件。对于民机，除了上述应用外，机舱大量的内饰也会用到复合材料，但其中有很多是芳纶或者玻璃纤维复材，这里不赘述。
国内方面：从难度上说，非承力结构是航空复材的小case，但是应用面却最广泛。国内在技术上已无大的障碍，基本达到了国外类似的水平，需要的是大规模普及。相信ARJ21,C919和运20等大平台和众多无人机小平台定型运营后，能够为此提供广阔的应用空间。
这些一般应用，大多用便宜的大丝束产品就够了；而T300以上的产品，贵得离谱，好钢用在刀刃上，于是大多用在承力结构上。
第二阶段——次承力结构：20世纪70-80年代：随着力学性能的改善与前期应用的效果提高了人们的信心，CFRP逐步扩展到飞机的次承力结构，即垂尾、平尾、鸭翼、副襟翼舵面等受力较大、尺寸较大的部件。
其中，1971年美国F-14战斗机把纤维增强的环氧树脂复合材料成功应用在平尾上，是复合材料史上的一个里程碑事件。波音B777也将CFRP应用于垂尾、平尾等多处部件，共用复合材料9.9吨，占结构总重的11%。
国内方面:
中国将CFRP用于军机的舵面和翼面，也已经开始成熟。
根据《玻璃钢》等杂志的公开报道,早在“六五”期间，沈阳飞机设计所、航空材料研究院和沈阳飞机厂共同研制歼击机复合材料垂尾壁板，比原铝合金结构轻21kg，减重30％。北京航空工艺研究所研制并生产的QY8911／HT3双马来酰亚胺单向碳纤维预浸料及其复合材料已用于飞机前机身段、垂直尾翼安定面、机翼外翼、阻力板、整流壁板等构件。歼轰7-A战机采用了CFRP平尾。
2009年建国60周年国防成就展上，报道了歼10在鸭翼、垂尾、襟副翼、腹鳍等所有7个舵面和腹鳍采用了CFRP材料，这与国外这一阶段的发展水平基本相当。
2011年通用航空大会上披露，即将定型的猎鹰L15高教机也采用了复材的机头罩、方向舵和垂尾，其中舵面是CFRP。
在民机方面，ARJ21新支线飞机的复合材料技术水平大体达到了这样一个水平，算是开了个头，但大规模应用尚需时日。
图1 国内某机型基于“π”形接头盒段结构成型的CFRP垂直安定面
图2：猎鹰L15采用了T300CFRP材料制作的尾翼舵面
国内CFRP次承力构件的广泛应用，与T300生产进程密切相关。材料的国产化，产量的扩大化和价格的低廉化，分别为CFRP次承力构件的应用提供可能性、适用性和经济性。从而最终推动CFRP次承力构件成为国产军民航空器的标配。
这一阶段的材料和工艺，都是我们用T300和手工铺叠工艺能够达到的，因此未来的发展相对有把握。但如果制件再大些，承力再大些，就会涉及主承力结构了。
第三阶段，从上世纪80年代至今，随着高性能碳纤维和预浸料-热压罐整体成型工艺的成熟，CFRP逐步进入机翼、机身等受力大、尺寸大的主承力结构中。
美国原麦道飞机公司于1976年率先研制了F/A-18的复合材料机翼，把复合材料的用量提高到了13%，成为复合材料史上的又一个重要里程碑。后期更采用自动铺丝技术为FA-18E/F制造CFRP的12块机身蒙皮，10块进气管蒙皮，4块水平尾翼蒙皮。F16战斗机BLOCK50之后也开始采用CRPR复合材料机翼。F22战机的复合材料用量已经提高到结构重量的22%。目前西方国家军机上复合材料用量约占全机结构重量的 20%～50%不等。
民机方面，波音777采用全复合材料尾翼，其翼面及翼盒构件，均采用自动铺带技术制造。空客A330/A340飞机长9m，宽2m，重200kg的大型蒙皮壁板。A380的后机身所有蒙皮壁板19段，22%的机身重量是CFRP。尤其是A380的8*7*2.4米中央翼盒，重8.8吨，CFRP就用了5.5吨，比金属材料减重达1.5吨，其燃料经济性相当可观。
这方面的先行者，是波音公司的B787“梦想”飞机，复合材料应用率50%。CFRP广泛应用在机翼、机身、垂尾、平尾、机身地板梁、后承压框等部位，同时是第一个同时采用CFRP复合材料机翼和机身的大型商用客机，其23% 的机身均使用了自动铺丝机制成的CFRP材料。
最值得关注的，是其机身：787机身工艺采用直径5.8m 的成型模胎安装在一旋转夹具上沿长轴转动，先铺长桁然后铺皮，形成外表光滑的变厚度的壳体以及共固化的桁条组成的机身段，经过热压罐固化后，取下模胎。这一工艺可以代替由上百块蒙皮壁板、加强筋及长桁、上千个紧固件组成机身的工艺，见下图。
图3：波音787直径5.8米整体成型CFRP框段
在研机方面，波音公司X-45系列飞机复合材料用量达90%以上，诺斯罗普·格鲁门公司的X-47系列飞机也基本上为全复合材料飞机。
看完波音的系列CFRP主承力结构产品，兵器迷想问问某些网友，凭哪条说美国是产业空心化，只剩下金融和房地产了？人家居安思危，几句谦虚的自拙之语，被刚进入工业化不久的我们如获至宝般的照单全收，再加以主观放大，作为沾沾自喜的根据，实在不足为取啊。
国内方面
根据中广网的公开报道，2012年12月，中航工业西飞公司向中国商用飞机有限责任公司(简称中国商飞)交付了C919大型客机中央翼、襟翼及运动机构部段，这是C919大型客机七大部段中难度最大、工作量最大的两个部分。这两个部段尺寸大、结构复杂、外形公差要求高，尤其是国内民机最长尺寸、长达15米的襟翼缘条加工，技术难度非常大。西飞突破了复合材料大型成型模具设计制造技术、复合材料构件预装配变形控制技术等多项技术难关，整个研制过程全部采用先进的三维数字化设计、传递与制造，中央翼部段除1号肋是金属件外，全部采用了先进的中模高强碳纤维/增韧环氧树脂复合材料制造。这是国内首次在固定翼飞机最重要的主承力结构件上使用复合材料，代表了中国制造的碳纤维航空复合材料应用的最高水平。
图4 国内基于T 形接头共固化/胶接一体成型工艺研制的盒段件。
图5国内采用CFRP生产的某机型纵横向加筋机身壁板。
注意，图5的产品仍然面积较小，需要通过机械加工多块拼接形成大型壁板。而波音787可以整体成型超长超宽的壁板，覆盖在两个大型工艺分离面（核心主框段）之间，如5.8m×7m 的47 段和 4.3m×4.6m的 48段CFRP壁板。
我们能做出来786这么大的壁板吗？回答是：能。
这位眼睛瞪圆了——那为什么不用呢？
其实，国内C919大飞在一开始，也曾雄心勃勃，想做类似波音787这样的大型整体壁板.但我们的工艺水平不成熟，虽然能做出来，却无法控制批次质量的稳定性.废品率高，成本自然下不来。C919是商飞啊，不是技术验证机，安全性和经济性都是一票否决，所以琢磨了很久，还是放弃了。仍然采用分块成型拼接吧。
差强人意,亦属无奈。
为了学习CFRP大型构件整体成型的新技术、新工艺，哈飞复合材料公司与外方合作伙伴一起，共同进行C919的部件开发。下图6展示的，就是哈飞复材公司参与制造的C919机尾框段——在2.4米的长度内，直径从2米平滑过渡到1.2米，一次整体成型，是目前公开所见国内合作制作的最大体积整体成型CFRP制件。见图6
图6：C919机尾76-81框的CFRP整体成型框段
CFRP主承力结构件，对T700,T800等高性能军用碳纤维生产，以及大型复材整体成型技术提出了更高需求。国内在这两方面又都存在短板甚至空白。因此大多数应用是探索性，合作性和阶段性的。在短期内，我们尚无法做到主承力结构CFRP的大规模应用。
对此，正确的态度应当是：学而时习之。中国人有差距，不可怕。咱学，咱追，一定有一天咱超——就像空警2000一样。可怕的是妄自菲薄和夜郎自大两种极端心态。这样的心态，距离事实很远;距离成功，那是无限远。
CFRP三个阶段的应用介绍完了，咱们再看看——
直升机、旋翼机、风扇叶片等其他方面
包括CFRP在内的先进复合材料的用量甚至更大。如V-22鱼鹰倾转旋翼机，其结构的50%由复合材料制成，包括机身、机翼、尾翼、旋转机构等，共用复合材料3000多千克，其中很大一部分是CFRP。V-22的整体后机身，原由9块手工铺叠的壁板装配构成，后改为自动铺丝工艺整体成型，减少了34％的紧固件，53％的工时，降低了90％废料率。自动铺丝技术同时应用于储油箱、旋翼整流罩、主起落架舱门。已经下马的“科曼奇”(RAH-66)共使用复合材料50%，欧洲最新批次的“虎”式武装直升机结构部件的复合材料用量高达80%，接近全复材结构。
国内方面：
2011年国际通用航空大会披露，我国与法国、新加坡合作研制的轻型直升机 EC120的机身、垂尾、水平安定面、尾翼、前舱等结构均由CFRP等复合材料制成。在军机方面，近年来所有的国产直升机旋翼都是多维编制的CFRP复材叶片，金属旋翼叶片已经完全淘汰。报载：复材叶片和先进旋翼机构，已经成为中国直升机整体短板下不可多得的优势点，水平基本与国外看齐——歼20、武直
10、辽宁号这些平台类的突破固然可喜，而直升机叶片这样长期困境中的点滴进步，也同样令人感动。
既然说起叶片，再唠叨两句航空涡扇发动机。
大家知道，航发的风扇叶片，大多采用钛合金。金属叶片有一个弱点，就是振动阻尼性能较差，高速旋转时容易震颤，而且不易衰减。而且如果叶片本身已经有微小裂纹，就会在这种持续震颤中，引发裂纹由内向外快速扩张，在极短时间内造成叶片断裂。这是一种比共振更加危险的振动现象。
因此，有些风扇就在每个叶片的两侧加一个凸台，专业术语称为“凸肩”。建国60周年空军成就展上披露，在歼11系列的AL31FN和WS-10A发动机进气口，都有这样的凸肩（见下图）。这样，叶片全部高速旋转时，各凸肩形连起来成了一个加强环，增加了叶片刚度。而且，叶片是依次叠加的，每个凸肩“顶”着前面一个叶片，有效降低了阻尼震颤。但这样做的后果，是凸肩增加了叶片厚度和重量，同时增加了叶片数量，降低了发动机的推重比。
图7：歼10发动机进气口的凸肩（红圈处）
而CFRP材料制成的风扇叶片，由于纤维多层交叉铺贴，材料本身“各向异性”性能优越，裂纹生长缓慢，再加上振动衰减率比钛合金快5-6倍，因此可以取消叶片凸肩。2010年珠海航展披露，GE和法国斯奈克玛为C919大飞联合研制的发动机LEAP-X，就采用了CFRP三维碳纤维编织物整体成型的风扇叶片，不但重量减轻了50%，叶片数也减少了一半。
国内发动机风扇叶片，目前只看到涡桨发动机的复合叶片，尚未见到实装涡扇发动机使用CFRP的报道。2012年珠海航展上的CJ-1000A发动机是我国第一款商用涡扇航空发动机在研产品，据称采用了CFRP宽弦复合大弯掠风扇叶片。让我们假以时日，拭目以待吧。
在2011年中国国际通用航空大会上，“天弩”、“风刃”等无人机采用了全机结构CFRP材料，V750无人直升机、小型通用航空双座飞机，也都大范围采用了CFPR蒙皮，可以看作是国内碳纤维复材在通用航空领域的有益尝试。
航空说完了，咱吧眼光再放远点，看看航天吧。
二、航天方面的CFRP应用
鼻锥和翼面：洲际导弹、宇航飞船高速再入大气层时，由于绝热压缩空气的阻力，飞行器表面的温度非常高。美国阿波罗飞船指挥舱表面的最高温度达2740℃。利用CFRP系列中的分支——碳纤维碳增强复合材料CFRC（也称碳/碳复合材料）制成烧蚀材料，热力学性能优异，防热效果好。如美国碳/碳复合材料在3837℃高温持续255秒的过程中，线烧蚀率只有0.005毫米/秒，保证了航天飞机在1650℃的环境中连续工作40分钟安然无恙。而且，碳/碳复合材料用来制造洲际弹道导弹的鼻锥和翼尖，在烧蚀过程中烧蚀率低、烧蚀均匀和烧蚀对称。这保持了航空器的良好气动外形，有利于减少非制导误差，美国的民兵-III导弹，就采用了碳/碳复材鼻锥。
喷管喉衬：固体火箭发动机推进剂燃烧时产生的高温高压和高能粒子从喷管以3.0～4.5马赫的超音速喷出，喷管承受3 500℃高温、5～15 MPa的压力和高温冲刷。美国的民兵-III导弹，第三极火箭喷管喉称采用了碳布浸渍树脂，满足3260℃工作60秒的需求。MX弹道导弹第三级发动机的喷管关键部位如外头帽前段、整体喉衬入口段和喉部下游段采用了CFRC。固定体和柔性接头绝热层采用了碳纤维填充三元乙丙橡胶(EPOM)；海军三叉戟Ⅱ型(D-5)的第一、第二级发动机采用了CFRC。
发动机壳体：导弹发动机壳体的减重，有利于提高导弹射程。美国“北极星”导弹的固体发动机壳体由金属材料到CFRP材料制造，射程提高了1倍左右。例如，“北极星”AⅠ型的两级壳体都用钢，射程仅为2 200 km；AⅡ型第一级为钢，第二级用GFRP，射程提高到2 800 km；AⅢ两级都用GFRP，射程提高到4 600 km。三叉戟Ⅱ型(Trident-Ⅱ，D-5)，固体发动机壳体采用了CFRP，射程由Ⅰ型的7 400 km提高到12 000 km，命中精度为90 m，成为当前潜射洲际弹道导弹的主要型号。而且，美国目前的新型火箭，基本连壳体都是CFRP复材制成，重量轻、体积小、射程远。
再入弹头：洲际弹道导弹的头部大面积防热材料大多采用粘胶基碳纤维增强酚醛树脂。美国Amoco、Hitco公司和白俄罗斯的斯威特朗冈斯克(СВЕТЛОГОРСК)是世界上生产粘胶基碳纤维的主要大厂。不但防热效果好，而且粘胶基碳纤维和酚醛树脂的纯度高，碱、碱土金属的含量相当低，重返大气层过程中形成的烧蚀尾流含金属离子少，不易跟踪，加强了导弹的突防和生存能力。
级间联接：美国GE公司为“阿特拉斯”导弹设计的高2.34米的联接器，除口盖之外全部采用碳纤维环氧树脂复合材料，比铝合金减重44%。
卫星结构材料：美国康维尔公司为双元“OV-I”卫星制作了CFRP的四根大梁结构，减重68%。美国”ATS”卫星的地球观测舱CFRP连接支架，长4.4米，仅重3.6公斤，可承受9顿负荷。比最好的金属支架减重50%以上，而且高低温度下的变形很小。
有鉴于此，分析了一下印度烈火-5导弹的公开报道（17.5米的长度，50吨的重量，1吨的弹头，长细尖锐的弹头外形„..）, 估计其尚不具备火箭发动机CFRP壳体，或者火箭CFRP外壳，且缺乏长程洲际导弹高弹道再入大气层所需要的粘胶基碳纤维的独立生产能力。果真如此，那么面对其航天大国和洲际导弹强国的炫耀，只能说，印度的进步是显著的，差距也同样显著。
这位说了，说人家阿三，咱自己中不中啊？呵呵，咱往下看。
国内方面：
据《合成纤维》等杂志和网上的公开报道，我国在战略武器方面的碳纤维应用情况如下：
火箭发动机壳体：中国的GFRP固体发动机壳体始于20世纪80年代，并已取得成功。“东方红-2”通讯卫星运地点发动机、“风云-2”气象卫星运地点发动机和“长征-2E”发动机的壳体都采用了GFRP来制造。我国研制成功的大型(壳体直径1 402 mm，长2 058 mm)SPTM-14发动机与长二捆火箭配套，成功地将模拟卫星送入轨道，标志着我国大型GFRP壳体进入实用阶段。之后，我国研制成功的EPKM-17上面级发动机壳体(直径1700 mm，长1 874 mm)与长二捆大推力火箭配套，于1995年末成功地将“亚洲二号”卫星和“艾克斯达一号”卫星送入36 000 km的太空。
火箭导弹壳体：我国研制CFRP壳体也取得了长足进步。1990年代后期，进行了T300固体火箭发动机壳体的基础试验、壳体结构强度试验、点火试车等全程考核，完成了12K T700 CFRP壳体结构强度试验。第一个用在型号上的是“开拓者一号”固体小运载发动机的第四级(直径640 mm)，并于2003年9月飞行成功。实现了CFRP壳体的历史性跨越。目前，T800 CFRP壳体预研试验已经展开。
喷管喉衬：我国研制的C／CFRP喷管于1989年点火成功，出口壁厚最薄处仅为0.9 mm的大尺寸(Ф500～2 000 mm左右)喷管显示出优异的综合性能。
再入弹头：根据《东华校友》“创制国防尖端材料的科研先锋——记上海市劳动模范潘鼎教授”一文报道，2001-2003上海劳动模范，东华大学材料学教授、博士生导师潘鼎教授，主持了“300Kg/年粘胶基碳纤维扩试线”这一国家级重大军工科研项目，用不同于国外原料的国产棉纤维素原丝制成了填补国内空白、产品质量达到国际先进水平的高纯度航天级粘胶基碳纤维，成果无偿转给中科院山西煤化所，进行放大生产。课题组还制定了“ＧＪＢ３８３９－２０００”国家标准，形成了具有独立知识产权、世界上独一无二的，用棉纤维素粘胶帘子线制备碳纤维的技术及应用设备。该技术和产品荣获2003国家科学技术进步二等奖，解决了DF-31导弹的定型难题，并使我国已成为美俄之外，能够独自掌握这一产品及其生产技术的世界第三大国。
卫星结构
据中国质量新闻网报道，我国2011年发射的嫦娥二号探月卫星，其定向天线的重要支撑部分，定向天线展开臂，是由哈尔滨玻璃钢研究院研发的CFRP复材，总重量仅500余克，较使用铝合金材质减轻近300克，但承重能力毫不逊色。
有朋友说，300克算什么啊？呵呵，要知道，卫星的减重，是以克计的，少1克，能节约500克燃料。少300克，卫星就可以多带一个相机或望远镜，多完成一些任务。再看看减重比例：40%，还是很有效的，呵呵。
总结
至此，关于碳纤维及其复合材料在航空航天领域的发展浅析系列文章，就此打住了。
有朋友问：你说了这么多，那么在碳纤维复材的航空航天应用上，中国在世界上究竟处于什么位置呢？
这个问题，兵器迷可回答不了，咱们借用中国材料大师师昌绪老先生在2010年的评论：目前中国的CFRT应用，大约处于西方发达国家1980年代的水平。
从上面的介绍可以看出，中国的碳纤维复材，在军用领域紧追慢赶，亮点不少。但在民用航空领域的发展，一直大幅度落后于美欧日等国家，直接原因是成本太高，比要替代的铝合金贵的多，甚至比钛合金还要贵。
这其中的间接原因是多方面的。
首先，战略军用小丝束产品，得益于两代“核心”领导的重视，T300军用碳纤维的完全国产化，使得次承力结构军用构件有较快的发展。而民用大丝束领域的政策扶持相对滞后许多。实际上，国家当年资源人力都有限，为了救急，集中精力搞军用小丝束，是完全合理的。但是，从长远来看，通用、民用产品的市场空间更大，是碳纤维行业持久发展、持续创新的厚土沉基。在军品已经打开突破口，经济发展、国力增强的今天，不要说大丝束，即便是小丝束产品，也应当更多的从市场和民用角度，拓宽其行业基础，以军带民、以民养军、分苗嫁接、开枝散叶，形成军用技术和民用产业的良性互动。这是政策层面的原因。
第二，国内十数家碳纤维生产厂家，群雄并起，看似热闹，实际上有很大一部分并没有掌握核心技术。要么是关键设备、关键材料需要进口，要么是工艺参数和质量控制没有吃透。甚至，很多企业到现在，PAN原丝生产还要高价进口东丽公司的DMSO溶剂，属于照猫画虎形的“自主生产”。多数厂家的产品质量批次差异性较大，缠结、断丝时有发生，合格的PAN原丝生产量不过100吨/年，达不到基本规模经济水平。产业布局和关键技术的把握，都有很大的提升空间。这是PAN原丝和碳纤维生产层面的原因。
第三，在预浸料自动铺叠技术和整体成型工艺，已经成为发达国家成熟制造技术，但对于中国航空航天碳纤维复合材料领域，依然是工业化生产中最大的一块短板，甚至空白。即便有了引进设备，我们对复材的物理性质，力学性能研究不透，对加工参数掌握不足，知其然不知其所以然，直接用国外的软件设计复材方案，导致CFRP复材的产量低、价格高、质量不稳定和创新能力低下。军用部件不计成本，也就罢了，而对商业化批量生产和应用，这就是一个重大的阻碍，很多厂家为此畏难而退，裹足不前，干脆直接用已经摸透的金属材料做更有把握和更经济。这是复材生产层面的原因。
第四，航空航天器的设计，需要结合复材性能特性，加强整体设计的思想，而不是简单的替换原金属部件。举一个简单的例子，国内某型军机的平尾改用CFRP复材后，确实轻了不少，但却因此改变了全机力矩平衡，需要通过配重进行调整，结果整机减重效果并不理想。当然，逐项替代也是一种有效的验证步骤，但有一种理念需要强调：局部优化不代表整体优化。在复合材料应用愈加广泛的今天，顶层设计，全局优化，才能最大化的发挥复材的最大功能效用和经济效用。这是设计思想层面的原因。
写至此处，兵器迷觉得笔端异常沉重——回顾碳纤维复材的发展历程，我们再一次感受到美国的强大和日本的扎实。这种强大是深入骨髓的，这种扎实是无所不在的。在碳纤维这个领域，他们傲然前行，卓越领先。
这里面有着深层次的原因。如果不能正视这种真正的领先，反而意淫着多少年GDP赶上美国就扬眉吐气了，那么GDP第一长达上百年的大清朝颓然崩坍的历史，就可能重演。如果不能从长效机制和基础研究上练真功夫，那么我们今天的进步就可能是局部甚至短暂的。
当然，承认现实不代表低头认输。中国强大过数千年，也落后过数百年，并且已经追赶过数十年。虽然领跑者的数量和差距正在缩小，但学习和追赶仍将是我们这个民族今后很长一段时间的常态。怀着这样的心态来看问题，美日的领先和强大，就能够成为中国崛起成型过程中最好的热压罐——我们今天的挫折和困难，就像碳纤维和复材形成过程中的高温和预浸料。忍辱负重、脚踏实地、科学精心地调制这一痛苦和严苛的过程，是中国军工，乃至中华民族走向真正强大的必经之途。
期盼着中国制造碳纤维的千丝万缕，胜金克铁；
复合碳纤维 篇6
1.抽油杆防腐
1.1抽油杆腐蚀机理
抽油杆采油是常见的采油生产方式，在我国各大油田的生产井中占约80%。在有杆泵采油生产系统中，抽油杆的腐蚀以及与油管之间的偏磨，造成抽油杆及油管的损坏，影响油井的正常生产。因此，抽油杆的保护与防腐，对油田生产有着重要作用。
腐蚀疲劳失效是抽油杆的主要失效形式，抽油杆腐蚀疲劳是抽油杆在抽拉交变应力以及腐蚀介质的共同作用下产生的[1]。腐蚀疲劳的断裂源一般在抽油杆的表面上形成，在拉应力的作用下，会使得抽油杆覆盖的保护层破裂；同时由于受到腐蚀环境影响，破裂的局部发生电化学腐蚀形成腐蚀坑。因此可知抽油杆腐蚀是抽油杆发生疲劳断裂的发生源头。抽油杆安装环境中的氧、硫化氢、二氧化碳等腐蚀剂的存在，会加剧抽油杆的腐蚀。
常有的抽油杆腐蚀有以下几种形式：
（1）溶解二氧化碳腐蚀：
二氧化碳主要是局部腐蚀，在含有二氧化碳的环境中，钢铁表面与地层物质反应生成的腐蚀产物膜FeCO3，CaCO3等的不均一性以及破损，造成局部的二氧化碳腐蚀，甚至导致严重穿孔。溶于水的二氧化碳对钢铁的腐蚀比盐酸还要严重。
（2）氧腐蚀：
氧腐蚀是由于阴极上氧去极化反应的进行，促使作为阳极的金属不断被腐蚀。溶解氧对金属的腐蚀，主要是靠氧通过溶液向金属表面的传递来实现的，腐蚀产物是氧的氧化物FeO，Fe2O3，Fe3O4，及其氧化物的水化物FeO（OH）等。
（3）硫化氢腐蚀：
油气中含有的硫化氢和抽油杆的铁能够反应生成硫化铁，硫化铁在抽油杆表面积垢后作为阴极，抽油杆作为阳极，形成微电池，使抽油杆表面出现蚀斑。硫化氢与抽油杆钢发生作用，释放出氢原子，渗入钢的结晶边界，形成氢分子或与碳化合产生气泡，使抽油杆出现氢脆。
（4）硫酸盐还原菌腐蚀等。
硫酸盐还原菌是一种厌氧微生物，能够在还原水中的硫酸盐时产生硫化氢，造成抽油杆的硫化氢腐蚀，还原菌的腐蚀产物是黑色的硫化铁，其中有大量的硫酸盐还原菌。
1.2抽油杆防腐技术
目前国内外主要的抽油杆防腐技术有以下几种[2]：
（1）应用具有抗腐蚀能力的抽油杆：
抽油杆腐蚀严重的井可应用防腐杆，防腐杆是特殊抽油杆，具有良好的防腐效果，适用于各种不同腐蚀介质的油井。此方法已经成为主要的抽油杆防腐手段之一。
（2）牺牲阳极防腐装置：
根据电化学腐蚀原理，在抽油井腐蚀井段安装适当量的牺牲阳极金属以充当电化学腐蚀中的阳极来接受腐蚀，以保护管杆。具体防腐装置有牺牲阳极防腐油管短节和牺牲阳极防腐抽油杆接箍式扶正器，其内安装了锌铝合金块。
（3）井口加缓蚀剂技术：
通过在井口加入缓蚀剂从而在管、杆表面形成致密的吸附膜或沉淀膜，一方面可以把金属本体与腐蚀介质隔离开来以防治腐蚀，另一方面可以起到润滑的作用以减少磨损。
（4）应用固体缓蚀器（剂）：
固体缓蚀器是一根内装固相缓蚀剂的油管短节，将之安装于泵下筛管上，当液流经过固体缓蚀器时，固相缓蚀剂缓慢、均匀地溶解于其中，并起到与液相缓蚀剂相同的防腐作用，具有施工简便、省时省力、作用持久的优点。
2.碳纤维复合材料连续抽油杆的应用
2.1碳纤维复合材料连续抽油杆
碳纤维复合材料抽油杆是一种新型抽油杆，目前已广泛应用在石油开采方面，碳纤维连续柔性抽油杆克服了传统的钢制抽油杆诸如易腐蚀、自重大、易出现疲劳断裂、接头断脱、活塞效应等缺点，为日趋复杂的油藏开发提供了技术支持，有效地提高了油田的抽油杆防腐水平。
碳纤维抽油杆最早应用于美国，Delmonte等人对碳纤维抽油杆进行了一系列的疲劳性能试验研究，与其他材料抽油杆对比发现：玻璃纤维抽油杆剩余强度为20%；钢制抽油杆为40%；而碳纤维复合材料为90%。
碳纤维抽油杆按照基体树脂不同可以分为（1）酚醛树脂基/碳纤维复合材料抽油杆；（2）乙烯基酯/碳纤维复合材料抽油杆；（3）环氧树脂基/碳纤维复合材料抽油杆。
2.2碳纤维复合材料连续抽油杆[3]在深层砂砾岩油藏的应用
砂砾岩油藏是近年来常见的储藏类型，此类沉积体被生油凹陷和凸起所环绕，勘探潜力巨大。砂砾岩体储层的非均质性较强，内幕复杂，油气成藏的影响因素众多，对砂砾岩体的成藏规律影响较大。且对于深层砂砾岩油藏来说，通常地层流体的腐蚀性较强，其有杆泵生产开发中对抽油杆的腐蚀较严重。
本文分析常规各种抽油杆的防腐性能，同时介绍一种新型碳纤维复合材料连续抽油杆，具有密度小、弹性较好、耐腐蚀、抗疲劳性能好、活塞效应小、起下作业速度快等优点，可应用于深层砂砾岩油藏的有杆泵开发。
此种碳纤维抽油杆由耐腐蚀金属制成的两个金属端接头和碳纤维复合材料制成的杆体通过特殊的连续方式连接而成，结构图见下图1。
某油田开发一砂砾岩油藏，其埋深较深，储层流体腐蚀性较强，采用碳纤维有杆泵开采方案，先后有四口井采用了碳纤维抽油杆，与使用钢抽油杆柱相比，平均日增产液3.75t/d，平均增产率为95%。
3.结论
抽油杆采油是常见的采油生产方式，抽油杆的保护与防腐，对油田生产有着重要作用。
目前国内外主要的抽油杆防腐技术有应用具有抗腐蚀能力的抽油杆、牺牲阳极防腐装置、井口加缓蚀剂技术、硫酸盐还原菌腐蚀等。
本文介绍一种新型碳纤维复合材料连续抽油杆，具有密度小、弹性较好、耐腐蚀、抗疲劳性能好、活塞效应小、起下作业速度快等优点，并分析其实际应用情况，其与使用钢抽油杆柱相比，平均日增产液3.75t/d，平均增产率为95%，带来明显的经济效益，建议在油田推广使用。
【参考文献】
[1]吴则中，田丰，张海宴等.碳纤维复合材料连续抽油杆的特点及应用前景.石油机械，2002，30（2）：53，56.
[2]朱波，蔡华苏，孙乃武.碳纤维复合材料柔性连续抽油杆开发及应用.石油机械，2003，31（1）：29-31.
碳纤维复合材料在航空领域的应用 篇7
1 碳纤维复合材料的优势
在航天领域中需要的就是要求飞行器的质量轻盈, 碳纤维复合材料的应用解决了这个难题, 在飞行器上每使用一公斤的碳纤维复合材料, 就会减轻五百公斤的重量, 这对于飞行器向更好更高的飞行空域提供了方便, 在航天器材上使用碳纤复合材料有助于减轻航天飞船以及航天飞机的重量, 可以大大的减少飞行中的燃料消耗。碳纤维复合材料由于具有很高的抗高温性能, 所以对于航天航空飞行器的外围保护起到了很大的作用。
碳纤维复合材料具有高强度的特点是钢材强度的五倍以上, 所以在航天航空领域使用上可以使飞行器更加结实坚固。在飞行器飞行初期, 有较强的初速度, 在较强初速的影响下, 空气摩擦, 在高摩擦的影响下要求飞行器必须具有抗高温的外层保护, 而碳纤维复合材料出色的耐热性可以承受两千摄氏度以上的高温, 减少高热带来的冲击。在航天飞机进入对流层时由于气温下降, 受热胀冷缩的影响较大, 这对于航天飞机的零件使用寿命会大大影响, 碳纤维复合材料有较好的低热膨胀性能, 在零部件外层涂抹会减轻零部件的变形。飞机等飞行器在高空中飞行时, 由于环境复杂, 受腐蚀和辐射性加强, 碳纤维复合材料在抗腐蚀与辐射上具有很好地性能, 大大的保护了飞行的安全。
2 碳纤维的发展
研制大型飞机要突破许多关键技术, 其中一项是“先进复合材料结构设计技术”, 这项技术离不开碳纤维。世界碳纤维的需求在各用途领域都不断增长, 特别是急速增长的航空航天领域拉动了碳纤维全体的增长。
碳纤维的主要用途是与树脂、金属、陶瓷等基体复合, 制成结构材料。自玻璃纤维与有机树脂复合得到的玻璃钢问世以来, 碳纤维、陶瓷纤维以及硼纤维增强的复合材料相继研制成功, 而且性能不断得到改进, 使复合材料领域呈现出一派勃勃生机。碳纤维复合材料与铝合金、钛合金、合金钢一起成为飞机机体的四大先进结构材料。
3 碳纤维复合材料在航空领域的具体应用
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%。
3.1 碳纤维复合材料
碳纤维复合材料以其独特、卓越的理化性能, 广泛应用在火箭、导弹和高速飞行器等航空航天业。例如采用碳纤维与塑料制成的复合材料制造的飞机、卫星、火箭等宇宙飞行器, 不但推力大, 噪音小;而且由于其质量较轻, 所以动力消耗少, 可节约大量燃料。据报道, 航天飞行器的质量每减少lkg, 就可使运载火箭减轻500kg。2007年面世的超大型飞机A380, 复合材料的密度已达23%。预计于2010年问世的A350超宽客机, 其高性能轻质结构所占比例将达62%, 成为空客公司第一架全复合材料机翼飞机。轻质“外衣”不仅能有效克服质量与安全之间固有的矛盾, 还能大幅降低飞机能耗。以A380为例, 其首架飞机每位乘客的百千米油耗不到3L, 而A350的百千米油耗预计只有2.5L/人, 几乎可以跟现在的小汽车媲美。
3.2 碳/碳复合材料
碳/碳复合材料是以碳纤维及其制品 (碳毡或碳布) 作为增强材料的复合材料。因为它的组成元素只有一个 (即碳元素) , 因而碳/碳复合材料具有许多碳和石墨材料的优点, 如密度低 (石墨的理论密度为2.3g/cm3) 和优异的热性能, 即高的热导率、低热膨胀系数, 能承受极高的温度和极大的热加速率, 有极强的抗热冲击, 在高温和超高温环境下具有高强度、高模量和高化学惰性。凭借着轻质难熔的优良特性, 碳纤维增强基体的 (C/C) 复合摩擦材料在航空航天工业中得到了广泛应用。航天飞机轨道的鼻锥和机翼前缘材料, 都会选用碳/碳复合材料。另外还大量用作高超音速飞机的刹车片, 目前, 国际上大多数军用和民用干线飞机采均用碳纤维增强基体的复合材料刹车副。
4 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。
随着新兴产业的发展和我国航天航空的不断进步, 对于碳纤维复合材料的使用将会更加的广泛, 作为世界上第一人口大国, 拥有着广阔的国内市场, 随着我国经济不断走向世界, 我国的国际竞争力也在不断地增强, 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。
结束语
在全球化经济不断加速的今天, 国与国之间的联系日益紧密, 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, 因此在日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。
摘要：随着我国经济的不断发展, 科学技术也在不断的进步, 对于传统原材料的更新也在不断加速, 随着我国神十的成功飞行, 让我们看到了在航天领域我国取得的瞩目成就, 在成功的背后离不开我国航天工作者的辛勤劳动, 更重要的是科研工作者对于新型材料的研究, 碳纤维复合材料在航空航天中发挥了不可替代的作用, 碳纤维复合材料广泛地应用于航天航空领域, 具有无可比拟的优势, 但是在发展中也经历了相当漫长的发展过程, 本文将介绍碳纤维技术的发展、在航天航空领域的应用以及它的发展现状, 加深人们对于碳纤维复合材料技术的了解有一定的作用。
关键词：碳纤维复合材料,发展,航空航天,应用
参考文献
[1]特约记者.顾定槐;院士寄望碳纤维复合材料有突破[N].中国化工报, 2010.[1]特约记者.顾定槐;院士寄望碳纤维复合材料有突破[N].中国化工报, 2010.
[2]美联社/吴汉兴译.美国研制出单人电动隐形飞机[N].北京科技报, 2010.[2]美联社/吴汉兴译.美国研制出单人电动隐形飞机[N].北京科技报, 2010.
碳纤维复合材料在航空领域的应用 篇8
1 碳纤维复合材料在航空领域中的应用
碳纤维复合材料因具有比重轻以及刚性强的特点, 较为适宜在航空领域应用。由于这种材料属于一种新型的材料种类, 因此, 在目前的航空领域中, 这种材料主要应用于小型商务飞机以及直升飞机的研制和开发中, 虽然这种材料也应用于航空领域中的其他机型上, 但是目前应用的规模较小。
1.1 碳纤维复合材料
碳纤维复合材料在实际的应用中, 具有独特的理化性能, 较为适合应用于航空领域中。在航空领域中, 利用这种材料对飞机以及卫星等飞行器进行组装, 可以有效的增加这些飞行器的推力, 同时也能够降低飞行器在飞行时所产生的噪音。碳纤维复合材料本身的比重较轻, 因此, 其所能够消耗的动力也相应的较少, 采用这种材料对航空领域中的各种飞行器进行研制, 可以有效的降低飞行器耗费的燃料, 从而达到节约能耗的目的。根据相关的调查报告可知, 航天飞行器自身的重量减少1kg, 其相应的运载火箭自身的重量也会相应的减少500kg, 这样就降低能源和资源的消耗, 从而降低成本的投入。我国目前在新型的大型客机研制中, 也开始采用这种材料, 相信改材料所具有的高性能, 可以在很大程度上提升客机的运载能力及在空中运行的稳定性。同时节约资源、降低能耗, 实现客机经济效益的最大化。
目前, 在客机整机材料的使用方面, 碳纤维复合材料所占有的应用比例已达到了60%以上。正因为这种材料所具有的较高的比强度, 从而能够有效解决客机大质量与安全性能之间的矛盾关系, 进一步的保障飞机行驶的安全。
1.2 碳/碳复合材料
碳/碳复合材料从本质上来说, 其是属于一种增强材料, 这种材料在实际使用的过程中, 主要以利用碳纤维以及碳布等作为增强材料来实现其性能的提升。在这种复合材料中, 唯一的构成元素就是碳元素, 使得这种材料具有明显的碳材料的特点及优势。密度相对来说较低, 热性能较为优越, 而且在导热性方面也表现优异, 提了材料的热膨胀系数。碳/碳复合材料在高温下具有良好的使用性能, 能够抵抗较高的温度, 增加了材料的使用温度上限。这种材料本身的比重也较轻, 因此这种材料在航空领域中也得获得了极大的利用。在目前的航天飞行器中, 这种材料主要应用于轨道的鼻锥部位以及机翼的前缘部位。除此之外, 在高超音速飞机中这种材料也有应用, 在高超音速飞机中, 这种材料主要是用在刹车片的制造中, 现阶段, 世界上很多的军用飞机和民用飞机都采用这种材料来增强飞机自身机体的性能, 从而保障飞机飞行的安全性和平稳性。
2 我国碳纤维复合材料发展现状
碳纤维这种材料从诞生以来就开始应用于航空航天领域中, 可以说航天领域是碳纤维材料的传统应用领域, 而碳纤维复合材料在航天飞行器中也应用了数年, 由于这种材料的优越性能, 在航空航天领域的使用量在逐年提升, 在最初应用时, 碳纤维复合材料的应用数量只有8200吨, 而随着这种材料应用优势的迅速凸显, 在2015年, 这种材料的应用总量将达到2万吨。在目前的客机中, 碳纤维复合材料主要应用于中央翼盒以及机尾组件等部位的研制, 而在波音型号的机型中, 这种材料有将近50%的应用量。这种材料的应用, 有效的提高了飞行器的飞行性能, 而碳纤维复合材料主要应用于波音型号机型的主机翼以及机身当中。碳纤维复合材料取代了原有的金属结构材料, 碳纤维复合材料的应用, 不仅使得飞行器的自身重量得以有效的减轻, 同时还有效保证了飞机的刚度以及强度, 大大节省了燃油的消耗量, 达到了节约能源的目的, 从而最大限度地保障了飞行器的经济效益。在未来航空航天领域的发展过程中, 碳纤维复合材料的制备技术及性能水平必将得到进一步的提升, 并且会广泛的应用到新一代飞行器的研制中。
我国在近年来不断进行新型飞行器的研制, 以推动我国航天领域的发展, 而我国航天领域在发展的过程中, 对碳纤维复合材料的应用也提出了更高的要求。我国属于人口大国, 经济市场也相对广阔, 随着我国经济的不断发展, 我国已开始和世界进行接轨, 在国际市场的竞争力也在逐渐的提升。然而, 由于我国实际发展状况的限制以及我国国情上的制约, 碳纤维复合材料的发展还远远不能满足我国社会发展的实际需要。我国还需要对碳纤维复合材料进行深入研究和不断创新, 结合我国社会发展的实际情况, 从而促进并扩大对碳纤维复合材料的应用。碳纤维复合材料可以说是航空领域发展的基础, 如果碳纤维复合材料的应用无法满足社会发展的需求, 那么将会对我国航空领域的发展带来极大影响, 使得我国在该领域的技术水平要远远落后于世界各国。因此, 我国应加大力度扶持碳纤维复合材料产品技术的研发并拓展在航空航天领域的应用。不仅仅是要在资金上给予支持, 在政策上给予帮助, 更重要的是为该领域创造良好的发展环境和健康的发展空间, 培育一批具有超强竞争力的兼具研发、生产及销售能力企业。只有这样我国的碳纤维复合材料科技水平才能在国际上占有重要地位, 方能在日后的国际竞争中跻身优势行列, 这对于我国航天航空事业的发展有着极其重要的意义。
结束语
在全球化经济不断加速的今天, 国与国之间的联系日益紧密, 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取得了举世瞩目的成就, 但是在发展中同样存在着一些问题, 如产品质量处于中低层次, 生产成本过高, 生产能耗较大, 环境污染严重等。因此, 在日后的发展过程中一定要做到高瞻远瞩, 制定好长期的发展规划, 把握好健康的发展策略, 明确并锁定发展方向, 只有这样才能更好地促进产品更新与产业进步。
摘要：随着我国经济的不断发展, 科学技术的不断进步, 材料科学技术的更新也不断加速, 在各项重大工程项目中, 始终离不开关键材料的应用。材料性能的好坏能够直接影响到工程项目的整体质量。因此, 材料体系的创新与材料性能的优化对于有效提高工业产品的质量起到至关重要的作用。碳纤维复合材料是一种新型材料, 由于这种材料在诸多应用上体现明显优势, 使其在各个尖端领域中都获得了重要应用, 尤其是在航空领域中, 碳纤维复合材料的应用尤为广泛。本文就碳纤维复合材料在航空领域的应用及发展现状进行了简要的探究, 仅供参考。
关键词：碳纤维复合材料,航空领域,应用
参考文献
[1]特约记者顾定槐.院士寄望碳纤维复合材料有突破[N].中国化工报, 2010 (2) .
[2]美联社/吴汉兴译.美国研制出单人电动隐形飞机[N].北京科技报, 2010 (9) .
[3]李辉.力争下游——记上海2012“科技创新行动计划”的碳纤维复合材料项目[J].世界科学, 2013 (11) .
复合碳纤维 篇9
1 实验部分
1.1 原料
尼龙-6(PA-6,1013B),日本宇部;碳纤维(T300),北京化工大学;硝酸,市售;硅烷偶联剂,市售。
1.2 设备
双螺杆挤出机(TSSJ25/40型),南京科瑞隆机电设备有限公司;注射机(JN88E型),宁波通用塑料机械制造有限公司;简支梁冲击试验机(XJJ-50型),承德大华试验机有限公司;台式微机控制电子万能试验机(CMT6000型),美国MTS公司;熔融指数仪(MFI400A型),承德金建检测仪器有限公司;扫描电镜(SEM,LTDx-650型),日本日立集团公司。
1.3 材料制备
将碳纤维放入60%HNO3中,在60~80℃下处理1~2h,然后用去离子水洗涤至pH=7,再用含硅烷偶联剂3%的乙醇溶液涂覆处理过的碳纤维,最后将碳纤维自然晾干,待用。
将PA-6和碳纤维按配方预混,再于挤出机中造粒,最后将粒料注塑成试样。
1.4 性能测试
熔融指数(MFR)按GB/T 3682—2000测试,条件:载荷2.160kg,温度230℃;弯曲模量按GB/T 9341—2000测试;拉伸强度按ASTM D638—81测试;冲击强度按GB/T 1043—1993测试;利用SEM研究PA-6/碳纤维复合材料的断面形貌。
2 结果与讨论
2.1 碳纤维对PA-6MFR的影响
碳纤维用量对PA-6 MFR的影响见图1。由图可知,PA-6的MFR随碳纤维的加入不断下降。碳纤维用量从0增加到4%(wt,质量分数,下同)时,MFR降低程度较大,为30.30%(未加碳纤维时的MFR与碳纤维用量4%时的MFR的差除以未加碳纤维时的MFR);之后,MFR降低速度变缓,碳纤维用量从4%增加到8%时,MFR仅下降了8.14%(碳纤维用量4%时的MFR与碳纤维用量8%时的MFR的差除以碳纤维用量4%时的MFR)。MFR是衡量材料加工性能好坏的重要指标,实验结果表明,碳纤维的加入会对PA-6的加工性能产生不利的影响。出现上述实验结果的原因在于:体系中碳纤维加入量较少时,PA-6和碳纤维之间会产生物理缠结点,阻碍PA-6分子间的相对移动,使PA-6的流动性降低;另外,PA-6与经过处理的碳纤维间存在比较稳定的粘结力,这也会降低PA-6分子间的相对移动能力,对PA-6的流动性产生不利影响,这两方面的综合作用使得PA-6的MFR下降幅度较大。复合材料中碳纤维的比例较大时,PA-6和碳纤维间缠结点的数目变大,对PA-6分子间相对移动的束缚作用变强,PA-6的流动性变差;另一方面,复合材料中碳纤维比例的增加将使一些碳纤维间出现团聚,影响PA-6与碳纤维间的粘结力,减弱对PA-6流动性的不利影响,综合这两方面的影响,PA-6的MFR下降幅度变缓。
2.2 碳纤维对PA-6力学性能的影响
图2为碳纤维用量对PA-6冲击强度的影响。由图可知,随着碳纤维在复合材料中所占比例的增加,复合材料的冲击强度先增加再降低。当碳纤维在复合材料中所占的比例从0增加到6%时,冲击强度增加3.87kJ/m2,增幅25.34%;之后,复合材料的冲击强度呈现出下降态势,当碳纤维的用量增加到8%时,冲击强度降低0.93kJ/m2,降幅4.86%。当体系中碳纤维所占的比例较低时,PA-6与处理过的碳纤维间有比较稳定的粘结力,复合材料受到的冲击力可以在PA-6基体树脂和碳纤维间得到较好的分散,冲击强度较高;随着体系中碳纤维所占比例的增加,碳纤维间开始出现团聚现象,PA-6与碳纤维间的粘结力减弱,复合材料分散冲击力的能力变差,冲击强度下降。
碳纤维用量对PA-6拉伸强度的影响见图3。实验结果显示,随着碳纤维在复合材料中所占比例的增加,复合材料的拉伸强度持续变大。当碳纤维在复合材料中所占的比例从0增加到8%时,拉伸强度增加22.18MPa,增幅36.75%。这是因为碳纤维自身强度极高,可以承受很大的拉伸应力,它加入到PA-6的体系中以后,借助PA-6基体的塑性及其与碳纤维间的粘结力将相当一部分拉伸应力传递给碳纤维,使碳纤维成为PA-6体系受力时的关键承载体。随着复合材料中碳纤维比例的持续变大,这种拉伸应力承载体的数目也在增多,使得PA-6体系可以承受的拉伸应力也越大。
碳纤维用量对PA-6弯曲模量的影响见图4。实验结果表明,碳纤维的加入可以显著提高PA-6的弯曲模量。当碳纤维在复合材料中所占的比例从0增加到8%时,弯曲模量持续增加707MPa,增幅43.37%。这是因为碳纤维属于高刚性材料,有很强的抵抗弯曲应力的能力,且PA-6与处理过的碳纤维间有较好的界面粘结力,随着碳纤维的加入,当体系受到弯曲载荷作用时,可以将相当一部分弯曲应力传递给碳纤维,使PA-6体系承受弯曲载荷的能力持续增强。
2.3 碳纤维对PA-6力学性能稳定性的影响
碳纤维对PA-6力学性能稳定性的影响见图5-7。实验结果显示,刚开始的一段时间内,PA-6和PA-6/碳纤维复合材料的冲击强度、拉伸强度和弯曲模量随时间的延续下降较显著;在自然环境中放置一段时间后,PA-6和PA-6/碳纤维复合材料的力学性能随时间的延续下降速度减慢,逐渐趋于稳定。在自然环境中放置90d后,PA-6的冲击强度、拉伸强度和弯曲模量分别降低2.15kJ/m2、4.51MPa和268MPa,降幅分别为14.08%、7.47%和16.44%;PA-6/碳纤维复合材料的冲击强度、拉伸强度和弯曲模量分别降低0.85kJ/m2、1.22MPa和113MPa,降幅分别为4.44%、1.56%和5.10%。可见,碳纤维的加入对PA-6力学性能稳定性的提升作用十分显著。这是因为处理过的碳纤维与PA-6基体间有较好的界面粘结力,它加入到PA-6基体中以后,可以增加PA-6基体结构的完整性,降低PA-6基体中的微裂纹,从而减弱外界因素如水分、氧气等对PA-6基体的渗透破坏作用,增强PA-6在自然条件下力学性能的稳定性。
2.4 水浸泡对PA-6和PA-6/碳纤维复合材料力学性能的影响
表1所示为PA-6和PA-6/碳纤维复合材料在水中浸泡后力学性能的变化情况。从表中的实验数据可知,在水中浸泡48h后,PA-6的冲击强度明显增加,增加值为2.14kJ/m2,增幅为14.01%;PA-6的拉伸强度和弯曲模量均显著下降,下降值分别为12.86MPa和278MPa,降幅分别为21.31%和17.06%。PA-6/碳纤维复合材料的冲击强度略有增加,增加值为0.79kJ/m2,增幅为4.13%;PA-6/碳纤维复合材料的拉伸强度和弯曲模量均有所降低,降低值分别为6.08MPa和122MPa,降幅分别为7.76%和5.51%。可见,水浸泡对PA-6/碳纤维复合材料力学性能产生的影响较PA-6小得多。原因在于:PA-6吸水后,水分子进入到PA-6分子间,减弱了PA-6分子间的作用力,增加了PA-6分子的活动能力,起到了增塑的作用,使得PA-6和PA-6/碳纤维复合材料的冲击强度出现了不同程度的增加,而PA-6和PA-6/碳纤维复合材料的拉伸强度和弯曲模量则出现了不同程度的降低;另外,处理过的碳纤维与PA-6基体间浸润性良好,使得复合材料内部的微裂纹明显减少,有效降低了水分子进入复合材料中的几率,减弱了对复合材料力学性能的影响。
注:部分测试试样在20℃水中浸泡48h。
2.5 PA-6/碳纤维复合材料的断面形貌
PA-6/碳纤维复合材料的断面形貌见图8。可以看出,未经处理的碳纤维与PA-6形成的复合材料断面上有大量因为碳纤维的抽出而形成的小孔。分析认为:未经处理的碳纤维表面光滑,活性差,与PA-6基体间的粘结能力低,主要借助机械物理作用达到与PA-6基体间的结合,因此当复合材料受到足够外力作用而发生断裂时,碳纤维就很容易从PA-6中被拔出。从处理过的碳纤维与PA-6形成的复合材料断面SEM照片中不难发现,绝大部分碳纤维与PA-6紧紧地粘结在一起而没有被拔脱。其原因在于:碳纤维先后经过硝酸及硅烷偶联剂处理后,它的比表面积大幅度增加,且它的表面上出现了大量极性官能团,增强了与PA-6间的界面反应能力,使得碳纤维与PA-6基体间的界面粘结作用力大幅度增加,所以复合材料发生断裂时碳纤维不易被拔脱。
[(a)未经处理的碳纤维;(b)处理过的碳纤维]
3 结论
在PA-6中加入碳纤维后,PA-6的加工性能变差;由于处理过的碳纤维与PA-6间可以形成比较稳固的粘结力,使得PA-6的韧性有所增加,拉伸性能、弯曲性能及在自然条件下力学性能的稳定性则显著提升,吸水性明显降低。
摘要：采用熔融共混法制备出了PA-6/碳纤维复合材料,研究了碳纤维对复合材料性能的影响;利用扫描电镜(SEM)分析了PA-6/碳纤维复合材料的断面形貌。结果表明:加入碳纤维后,PA-6的熔融指数降低;处理过的碳纤维与PA-6基体间界面粘结性较好,使得PA-6的冲击强度有所增加,拉伸强度、弯曲模量及力学性能的稳定性显著提升,吸水性明显降低。
关键词：PA-6,碳纤维,复合材料,性能
参考文献
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复合碳纤维 篇10
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
复合碳纤维 篇11
【关键词】铝箔；玻璃纤维；风管
1.超级风管的历史
玻璃纤维具有良好的保温隔热、吸声、强力和化学稳定性等特性，是制作复合材料的首选原料。由于复合铝箔离心玻璃纤维属不燃型材料，符合GBJ16-87《建筑设计防火规范》的要求，用镀锌钢板和角钢法兰制作风管，复合铝箔玻璃纤维毡做外层的保温和保护层，已成为空调工程中一种传统做法。由于玻璃纤维对人体有害，因此，很少有人尝试单独用玻璃纤维制作风管。
80年代，美国西雅图的许多搂字改变用途，需要增设空调设备，但传统的铁皮风管受到了一些楼宇层高和吊顶承重能力的限制。于是美国Johlls Manville公司创造性地用吸声的玻璃纤维复合材料制作风管，并采用了一定的密封措施，使用效果很好，受到用户的欢迎。而后，该公司又对其进行进一步开发研究，形成了今天的超级风管系统。
2.超级风管材料的构成
2.1结构。
超级风管是由复合铝箔和离心玻璃纤维制成的，由外向内共有4层。
外层：由铝箔一布（玻璃纤维网）一纸（阻燃）所组成的复合铝箔，作为风管的外围保护层；敬内层：低密度玻璃纤维毡。
内层：高密度玻璃纤维毡，主要用于提高风管的低频吸声性能。
最内层：黑色聚丙烯吸声防菌涂料（阻燃）。该层将玻璃纤维凝聚在一起，防止其脱离后随风进入室内，同时提高了高额吸声性能。
2.2主材对样品进行显徽镜测量，测得超级风管的玻璃纤维直径为5-275，μm，属普通离心玻璃纤维，质脆易断，虽然内表面踪有聚丙烯，但在加工过程中不可避免地会对风管形成污染。如果散落的玻璃纤维随风飘落到室内，对人体会产生危害。因此，我国空调界对使用超级风管尚有异议。所以在加工的过程中，每道折缝和接头处均应加胶粘接牢固，以防玻璃纤维脱落，加工安装后需将玻璃纤维碎屑严格清理干净。
3.复台铝箔玻纤超级风管材料的性能
3.1一般使用性能
3.2声学性能
由于超级风管板材是吸声材料，因而吸声性能优良，根据声学原理，吸声性能好的材料往往隔声性能较差，但不能据此否定超级风管，关键在于空调系统设计师的灵活处理运用。
3.2.1吸声性能
由于超级风管去除了传统风管的镀锌铁皮，玻璃纤维层能够与气流直接接触，使得玻璃纤维的吸声性能得以施展发挥。该产品与国产超细玻璃棉的吸声性能。可见，该风管材料厚度小于国产风管材料，但吸声系数却较高，相应地单位长度风管消声量也较大。
3.2.2隔声性能
根据声学原理，吸声材料要求表面具有孔隙，结构松软，而隔声材料要求密度大、厚重，因此一般的吸声材料的隔声性能均不佳。可见，虽然超级风管管板材料的吸声性能优异，但隔声性能较差。行业内有些人士错误地认为超级风管可以代替消声器，殊不知消声器陈了吸声作用外，隔声也是一个不可忽视的指标。如用该产品代替消声器，则噪声会穿透管壁传人室内，影响室内的噪声指标。
3.2.3流体力学性能
根据Johns Manville公司提供的资料，以内径d=400rnm，长f=6100m1，管内风速u=10.16m/s的风管为例，进口超级风管与国产风管对比。
超级风管阻力比传统镀锌铁皮风管大1/4。阻力增大的原因是因其表面粗糙，凹凸不平，阻力特性不同于镀锌铁皮风管，在设计时需根据具体情况计算。
3.2.4防漏风性能由资料摘录风管泄漏系数
可见，其泄漏量很小，达到SMACNA泄漏量6级。原因在于风管同的接头采用承插接口，而且该风管采用整块材料折合，接缝少，结台处采用专用密封胶和热力密封胶带封固。
3.2.5机械强度
超级风管材料由于特殊的加工工艺，其刚性比国产保温用复合铝箔离心玻璃纤维毡好，但该公司在产品样本和设计手册中均未提供其抗弯曲、抗拉伸等常规的机棱性能参数。而传统风管的相应数据就较齐备，设计选用方便。不同风压下不加强风管的最大制作尺寸，大于该尺寸的风管应接402mm模数间隔加强，施工工作量增加。当就此问题询问该公司时，该公司的回答是当需要时，可在铁皮风管内加超级风管内衬材料（无铝箔层），或选择定购中压型超级风管产品（增加壁厚），但造价将大大上升。由此可见，超级风管系统的开发工作还远未达到传统风管的水平，国内空调界有必要加紧投入研究，填补其空白。
3.2.6防积尘和抗苗性能
超级风管产品样本上介绍该产品内表面涂有一种阻燃抑制微生物生长的聚丙烯涂料，具有较强的防苗性能。但我们收到的样品内表面的涂料层是粗糙的开孔透气结构，实际使用的过程中易产生积尘现象。正如资料中指出的：“给予一定的条件，微生物还是会在积累的灰尘中生长”。根据我国空词系统的实际使用经验，风管内部积累的灰尘是不易也较少有机会清理的，而我国目前的大气品质与美国相比差距较大，采用超级风管产品时，应为空调系统配置性能较好的过滤器（系统风压、耗电、造价等均会增加）。
超级风管板材在消声、密封性、重量等方面优于传统风管，在防火性能上稍低于传统风管（考虑到超级风管内层滁科等为高分子有机材料），在保温性能上接近国产复合铝箔离心玻璃棉毡。但在隔声、机槭强度、耐高湿抗水性和抗积尘等方面大大不如传统风管。在价格方面，目前超级风管成品（包括安装费）大约在16e元/m2左右，并不比传统风管占优势（因其主材进口价格高），在加工制作大尺寸风管时，还可能高于传统风管。其实，超级风管的目前的真正优势，在于其加工性能和对建筑的适应性等方面。
4.超级风管的优势
4.1加工安装方便
超级风管材质轻，连接简单，工序短，安装时工效高。由于风管在工厂化加工时，就已加工好接口，安装时只需施腔，贴密封铝箔。现场和图纸尺寸有差异时，因风管在加工时已留有余量，现场切割也很方便。吊装时，所需吊架简单，数量少，几乎不用机械，安装周期短，睬受业主欢迎。在与水、电、气等专业管道交错时，风管可以适当压扁，回避交叉。由于对支架要求低，在建筑承重情况不利时，更有其优越性。风管没有法兰，风管表面平整美观，优于传统风管。
4.2运输方便
由于材料韧性好，可抵抗运输和安装过程中的碰撞，减少损坏。运输时，风管长度一致，小风管可以套在大风管内.实在不行还可以将风管压扁或展开捆扎运输，不用担心其损坏。
4.3产品规范化
超级风管系列所有产品，从管板材料、加工设备到密封材料都有证书和注册，有严格的规格标准和标记。有符合IS09000（ANSIfAS（～90）的品质标准证书，符合美国和国际上的有关标准，如ULl81一级风管，ASHRAE62 89.ASTM（21和G22等）。因此，其产品制作质量稳定，外形美观。
5.结论
综上所述，从技术角度讲，该风管从机槭强度、防火性能、使用温度（如不能用于防火排烟管道）和压力范围（特别是负压），防潮防水和净化等级等指标方面目前还不能取代传统风管。但是，从安装、标准化、产品外观、对建筑的适应性方面来讲，明显优于传统风管。由于隔声性能不佳，该产品不能取代消声器，其吸声性能的优势得不到发挥，但用于末端风管可以起到防止相邻房阐串音的作用。该产品属于新型节能复合材料，在我国尚无有关规范可引用，在进一步开发和完善方面尚有较大的问题和潜力。在经济性方面，目前该产品的进13价格约为同等厚度国产复合铝箔离心玻璃棉保温毡的4-5倍，实际市场价格，完全取决于该公司的营销价格政策。超级风管虽有其不足之处，但其拥有的种种优点足以打动业主们，特别是在买方市场条件下，极具竞争力。
复合碳纤维 篇12
1 水工闸门现状
现代水工建筑物中,大多含有钢材,属于有金属结构,且水工建筑中也越来越多地使用了钢材。在水工闸门中,普遍存在着钢铁材料腐蚀、寿命短、维修费用高等问题。由于水位变化,在经常处于湿、干交替环境中,而空气或水中各种化学介质易产生电化学作用,因此闸门锈蚀很严重。现代无金属水工闸门就是研究在水工建筑中,采用复合碳纤维材料(非金属材料)替代现代结构中的钢材或增强非金属结构,制成纤维混凝土水工闸门,取代水工钢闸门或水工铸铁闸门,以及钢筋混凝土闸门,并在不增加造价的前提下明显提高结构综合防灾能力。同时,可以充分发挥复合纤维材料受拉强度高和混凝土受压强度高、价格低的优点,组成具有重大技术经济潜力的新型复合结构,进而将其在水利行业中推广。
2 复合碳纤维筋混凝土闸门的可行性[1,2,3]
通过调研,发现纤维筋混凝土结构闸门是可行的。①钢丝网混凝土水工闸门已工作十几年,这说明钢筋混凝土闸门的应用是有先例的,只不过我们要完成碳纤维材料替换钢材的功能,使该闸门更具耐腐蚀能力,并能够把闸门的尺寸做大,大到优于钢闸门。②钢筋(丝网)混凝土闸门本身存在很多局限性。如笨重、不适合反复启闭;平时不能再作钢筋的防腐处理,闸门使用过程中的安全度很难保证,而钢闸门可随时作除锈防腐处理,尽管除锈防腐处理工作量很大,但能保证闸门使用过程中的安全度。而且,我国目前还没有钢筋(丝网)混凝土闸门设计规范的技术标准。虽然钢筋(丝网)混凝土闸门设计建造研究是可行的,但没有安全保障。而复合碳纤维筋混凝土结构闸门的设计、建造研究也是可行的,而且有可能形成国家有关部门的技术标准。
复合碳纤维筋混凝土结构闸门的合理性主要在于:①钢闸门在使用期内需要做大量的除锈防腐维护工作,纤维混凝土结构闸门从理论上说是可以终生免维护的。②野外使用的钢闸门面临着被偷盗的问题,而纤维筋混凝土结构闸门可以避免类似问题发生。
3 复合碳纤维筋混凝土水工闸门试制及设计承载力试验检测[4,5]
(1)选择复合碳纤维筋混凝土结构闸门的试制地点时,主要考虑闸门混凝土浇筑及和闸门成品运输安装的方便。
(2)严格控制闸门采用的陶粒混凝土配方,邀请混凝土专家指导,精心养护,切实保证混凝土质量。
(3)碳纤维筋需附有原材料生产厂家提供的具体材料性能检测报告和环境保护方面的报告。测试碳纤维筋材料时,要充分参考和应用过去同类试制研究的试验结果。
(4)碳纤维筋的制作可以采用一定的预应力技术,以保证碳纤维筋制作的质量,也有利于纤维筋与混凝土之间的变形协调。
(5)试制工作对碳纤维筋的布设采用内力大处多配置的优化技术,使碳纤维材料能够更好地发挥出应有的作用。
(6)继承以往成功的经验,复合碳纤维筋混凝土内也配置了短纤维(即美国的杜拉纤维),这明显提高了混凝土的抗微裂能力和抗冻融能力。
(7)闸门制作完成后,在出厂使用前需要进行试验检测,可采用最直观的堆载方法。检测单位必须具有相应的资质,检测设备必须要经过正确标定,检测的计量手段参照国家有关技术标准规定。
(8)为了完成新试制闸门的检测工作,必须精心设计检测方案,保证工作中的安全,取得科学的、实事求是的检测结果。
4 采用现代无金属结构的工程实例[4]
现代无金属结构水工闸门一般采用复合碳纤维筋混凝土结构形式,但对特殊需要的特大闸门,也可以采用纤维仿木结构形式。设计建造复合碳纤维筋混凝土结构闸门替代钢闸门,首先要明确2种闸门的设计技术参数应该保持一致,且复合碳纤维筋混凝土结构闸门的造价一定不高于钢闸门,否则就失去了优越性。以天津市津南区双桥河闸为例,拟新建造的替换闸门高为3.15 m、宽为3.3 m,设计水头为4 m。钢闸门替代方案中定型产品的有关技术参数如表1。
归纳起来,复合碳纤维筋混凝土结构闸门具有如下特征,且具有明显的技术和经济优势。
(1)采用陶粒混凝土,能使2种闸门的重量基本保持一致,使原启闭机能够继续得到使用。
(2)采用空心板形式,保证在不增加重量的前提下,具有足够的闸门厚度,满足抗弯需要。
(3)采用双面配筋形式,提高为双向使用功能,优于单向钢闸门。
(4)采用混凝土内配置纤维筋,混凝土表面粘贴纤维布的方式,2种抗拉形式材料配置量基本相等,但其中每一种的配置强度都不低于钢闸门,即在设计上至少有2倍的安全系数。
(5)新型闸门的造价不高于单向钢闸门。
这次全新研制的现代无金属水工闸门,采用了复合碳纤维筋混凝土结构形式,复合纤维布和纤维筋选用美国赫氏公司和台湾地区塑料工业公司的原材料进行制作,材料拉伸强度在4 000 MPa左右。混凝土选用陶粒混凝土,试验检测强度为C25以上。闸门为宽330 cm、高315 cm、厚25 cm的空心板,总重量约3 t,设计荷载为4 m高水头,左、右和高三边边距15 cm处简支,因此荷载面积为9 m2,平均2.5 t/m2,最大受力位置在闸门底部中点。
闸门堆载检测试验采用了5级均匀加载,总荷载为22.5 t,加载重物3/4为标准砝码块,1/4为规整石条。试验测点为9个应变观测点和1组挠曲变形观测点。试验计量设备为计算机自动数据采集静态电阻应变仪、千分表和百分表。试验从早上7:30开始至晚上18:00结束。检测试验结果表明,该闸门强度和刚度技术指标均符合我国有关技术法规的要求,闸门研制获得了成功。
参考文献
[1]李大华.现代无金属水工闸门问世[J].高科技纤维与应用,2003, 28(5).
[2]天津市水利局.现代无金属结构水工闸门的研究[R].2003.
[3]李大华.现代无金属水工闸门问世[J].高科技纤维与应用,2003, 28(5):8.
[4]李大华,丁谦,徐晓颖.论现代无金属水工闸门[EB/OL].http: //www.paper999.com/paper_da7q5g/,2004-11-29.