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碳纤维材料及应用
摘要:简要介绍了碳纤维的发展,从航空航天与军事领域、体
育领域、一般工业制造业领域以及土木工程建筑及新能源开发领
域,总结了碳纤维材料的应用状况,并在此基础上对于我国的碳纤
维应用前景进行了展望。
关键词:碳纤维及复合材料;特性;应用
中图分类号:tq342+.74文献标识码:a文章编号:
碳纤维是一种新型非金属材料。碳纤维既可作为结构材料承载
负荷,又可作为功能材料碳纤维主要是由碳元素组成的一种特殊纤
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。近年来,在航天、航空、汽车、环境工程、
化工、能源、交通、建筑、电子、运动器材等众多领域得到广泛的
应用。
1碳纤维及复合材料的产品形式
碳纤维材料的产品有四种形式:丝束、布料、预浸料坯和短纤
维。布料是有碳纤维制成的织物。预浸料坯是将碳纤维按照一个方
向一致排列,并将碳纤维或布料用树脂浸泡使其转化成片状。碳纤
维的主要用途是与塑料、金属、陶瓷等基体复合,制成碳纤维复合
材料。根据用途不同,按照不同的配比,将不同的碳纤维产品和树
脂一起应用将形成碳纤维强化塑料,其加工方法有缠绕成型法、树
脂转注成型法(rtm)、薄片缠绕法。碳纤维与最合适的树脂及预制
工艺的结合使得碳纤维的应用更加具有吸引力。
2碳纤维的特性
碳纤维与钻石一样,是主要由碳元素组成,具有以下特性:轻
质高强,其比重为铁的四分之一,强度为铁的10倍,尤其是高弹
模量碳纤维,其抗拉强度比钢材大68倍,弹性模量比钢材大1.8~2.6
倍,如日本东丽已开发出高强型t1000系列碳纤维,其抗拉模量为
295gpa,拉伸强度达7.05gpa,而高强高模量m5j型碳纤维,抗拉
模量达640gpa,化学性能非常稳定,耐高温和低温以及耐腐蚀性
高,在600℃高温下其性能保持不变,在-180℃低温下仍很柔软,
不与恶劣环境下酸、碱、盐发生腐蚀性反应;可加工性能好。例如:
由于碳纤维布质轻又可折弯,可适应不同构件形状,成型很方便,
可根据受力需要粘粘若干层,而且施工时不需要大型设备,也不需
要采用临时固定,对原结构无新的损伤。此外,碳纤维的其他特性
还包括高强度的x穿透性、高抗热性、导电性及抗腐蚀性能等。
3碳纤维材料的应用
3.1航空航天领域
由于碳纤维性能优越,其复合材料具有高比强度、设计性好、
结构尺寸稳定、抗疲劳断裂性好和可大面积整体成型,以及特殊的
电磁性能和吸波隐身的特点,鉴于其在工业化生产初期,成本非常
高的高科技航空航天及军事领域,如用于生产军用、民用飞机以及
战略导弹和运载火箭等。在航空领域,碳纤维用于包括水平和垂直
机尾,地板梁等材料,它们被称为基础结构材料,除了基础结构材
料外,碳纤维还用于副翼、螺旋桨、升降机、引擎和其他部件。在
20世纪80年代早期,碳纤维作为结构材料开始被广泛的用在客机
和航空飞行器,80年代中期,欧洲空客公司开始将碳纤维增强塑料
(cfrp)作为首要的结构材料应用在它们的飞机上。2005年随着新
型空中客机a350和波音787科技dreamliner(也被称之为7e7)的
投产,给碳纤维工业产生显著的推进作用。空中客机a350中复合
材料用量已接近总质量40%,波音787的机翼和机身上使用的复合
材料超过了50%。
碳纤维也大量用于航天器的制造材料,如在人造卫星中它们被
用作构建、太阳能板、天线和其他部件等。
3.2土木建筑领域
20世纪80年代末90年代初在发达国家兴起了一种以碳纤维布
加固修复钢筋混凝土的结构补强加固技术。我国从20世纪90年代
也开始研究和应用,现在已经取得一定的研究成果。例如,位于深
圳市建设路的博悦大厦,主体由abc三栋建筑物构成。ab两栋为写
字楼,c栋为酒店式公寓,由于深圳地区抗震设防烈度由原来的6
度提高到了7度,造成原设计的主楼框支梁上部分楼层剪力墙水平
钢筋配比率低于现行抗震规范要求,因此,决定采用剪力墙表面粘
贴碳纤维进行加固处理。施工流程与现场施工方法为:混凝土基底
修补、打磨处理→涂底层hcj碳纤维胶粘结剂→用
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