碳纤维复合材料，碳纤维

碳纤维复合材料篇1

　　关键词：碳纤维增强 尼龙66复合材料 力学性能

　　尼龙66本身虽是性能优异的工程塑料，但吸湿性大，制品尺寸稳定性差，强度与硬度也远远不如金属，为了克服这些缺点，早在七十年代以前，人们就采用碳纤维或其它品种的纤维进行增强以改善其性能。用碳纤维增强尼龙材料近年来发展很快，因为尼龙和碳纤维都是工程塑料领域性能优异的材料，二者复合综合体现了各自的优点，强度与刚性比未增强的尼龙高很多，蠕变小，尺寸精度好，热稳定性显著提高，耐磨，阻尼性优良，与玻纤增强相比有更好的性能[1，2]。

　　碳纤维增强尼龙66复合材料制备的传统工艺一般都是将经过处理的碳纤维与尼龙66原生粒经螺杆进行挤出造粒，然后再通过二次加工型（注塑成型、层压成型等）制得所需产品[3]。传统工艺中的造粒过程都是采用分批进料（尼龙66粒子和碳纤维），批次差异无法克服，直接导致产品质量不均匀，物性指标低；又因传统工程塑料改性加工技术的原料为颗粒状，改性生产必须经过将固态转化为熔融态的再熔融过程，能耗及生产成本相对较高，同时再熔融过程为高温降解过程，产品理化性能必然会受到影响，降低产品质量。而本生产工艺是在尼龙66聚合的过程中加入碳纤维，有效降低尼龙66在二次熔融的过程高温氧化的风险，生产工序简洁，能耗少，成本低。

　　一、实验部分

　　1.实验仪器与试剂

　　尼龙66盐溶液，为工业级，自制；抗氧化剂，分析纯，科莱恩化工；光稳定剂，分析纯，科莱恩化工；碳纤维，工业级，上海英嘉特种纤维材料有限公司。

　　真空干燥箱，DZX-3型（6020B）， 上海福玛试验设备有限公司；万能试验机，CMT4204型，美特斯工业系统（中国）有限公司；万能制样机，WZY—240，承德科承试验机公司；塑料摆锤冲击试验机，ZBC1251-B型，美特斯工业系统（中国）有限公司。

　　2.工艺流程

　　在尼龙66连续聚合生产过程中，将经过真空干燥除水后的碳纤维经上料装置，连续送入螺杆挤出机喂料口，然后经造粒系统造粒，得到碳纤维增强尼龙66粒子，最后再经干燥除水，通过注塑机制备出所需样条。

　　3.力学性能测试

　　拉伸性能的测试标准按GB/T1040.2-2006进行，环境温度为23±2℃、相对湿度为50±5%，样品为哑铃状，采用电子式万能试验机检测拉伸强度，拉伸速率为5mm/min，采样5次进行测试，结果取平均值。

　　冲击强度的测试标准按ISO179进行，环境温度为23±2℃、相对湿度为50±5%，采用塑料摆锤冲击试验机进行缺口悬臂梁抗冲击测试，采样5次进行测试，结果取平均值。

　　弯曲性能的测试标准按GB/T9341-2000进行，测试环境温度为23±2℃、相对湿度为50±5%，采用万能试验机检测弯曲强度，采样5次进行测试，结果取平均值。

　　二、结果与讨论

　　三、结论

　　本文通过新工艺制得碳纤维增强尼龙66复合材料的力学性能达到传统工艺制得复合材料的力学性能，并且与传统工艺相比，此工艺简单，能耗低、生产效率高，成本低，装置运行稳定可靠，一次造粒最大限度的保持了尼龙66树脂的新鲜度。

　　参考文献

　　[1] 张淑芳。 增强增韧尼龙材料[J]。 工程塑料应用， 1991， 2：51.

　　[2] 王有槐。 聚酰胺工程塑料的发展[J]。 工程塑料应用， 1993， 2：52.

碳纤维复合材料篇2

　　关键词：接头 力学性能 金属连接 碳纤维复合材料

　　中图分类号：TB332 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）01（a）-0080-01

　　碳纤维复合材料，是指将石墨纤维或碳纤维作为增强相，将化学沉积碳或石墨化、碳化硅的树脂作为基体的一种复合性材料。此类材料具有温度升高慢、散热快、线膨胀系数低、抗烧蚀、尺寸稳定、抗腐蚀、质量轻、耐高温等优点，所以在机械制造、航空工业、核工业等领域中得到了广泛应用。碳纤维复合材料是一种非金属材料，要对其进行钎焊，难度较大，通常会采用沉积、烧结、镀敷等方法，将金属粉末处理在碳纤维复合材料的表面，再行常规钎焊。另外，也可以采用活性金属法进行钎焊。由于碳纤维复合材料的工艺复杂、制备周期长，应用范围局限性较大，其与金属连接工艺也基本上只在一些科研单位中有应用，所以关于碳纤维复合材料与金属连接的文献报道较少。该文将对碳纤维复合材料与几种常见金属的连接方法及接头力学性能测试进行研究。

　　1 碳纤维复合材料与金属的连接

　　1.1 与铜的连接

　　碳纤维复合材料（CFRP）在与铜连接后，其结构的导热性能良好，同时结构质量比铜更轻，另外，由于铜与CFRP的导热系数较为接近，所以在使用及钎焊时不易产生较大热应力。铜与CFRP的连接主要采用钎焊方式，最早的钎料选用Cu-Pb（质量分数为50%），在钎焊冷却后即可使铜、复合材料、钎料形成连接界面，但该连接界面的强度较低。随着工业技术的不断发展，发现过渡元素Zr、Ti等的化学活性较强，在液态条件下可与C发生反应，所以在传统钎料中添加一定量的活性元素，就可使复合材料表面变湿润，从而降低与金属连接的难度。该方法通常在高纯度惰性气体或真空炉环境下实施，一般钎焊连接可一次性完成。

　　Ag-Cu-Ti是常用的活性钎料，钎焊通常在真空条件下进行，T值取820 ℃，通过钎焊所获得的接头强度较高，但其在核辐射环境中，Ag可发生化学反应，变为Cd，降低接头强度，所以此类接头无法在核聚变装置中使用。钎料选用Ti，进行复合材料与铜的连接，在真空下进行共晶扩散，焊接参数t为300 s，T为1000 ℃，并对试样施加一定压力，所获得的接头则可有效避免上述问题。同时，若能使用Cu-Ti膏对复合材料表面进行预涂，所获得的接头强度最高。

　　1.2 与铝合金的连接

　　与铝合金相比，铜基、银基等活性钎料的熔点更高，所以高温钎焊法不适用于铝合金与CFRP的连接。据国外文献报道，对7075-T62铝合金和CFRP分别使用螺栓连接、胶结、螺栓+胶结3种方法进行连接，结果显示：选用FM73粘结剂时，粘结剂强度会在很大程度上决定接头强度；选用EA9394S粘结剂时，起决定性作用的是螺栓接头强度。一般情况下，在胶结强度低于螺栓连接强度时，混合连接的强度将比螺栓连接强度更大；若胶结强度高于螺栓连接强度，则混合连接强度将比螺栓连接强度更小。

　　在将2024-T3铝合金与CFRP做双缺口对接时，在高温条件下使用环氧树脂进行粘结，然后固化24 h（室温），分别在250 ℃、室温条件下对此接头做双面剪切试验，发现室温条件下，接头的抗剪切强度为20 MPa，断裂发生在复合材料上；250 ℃条件下，抗剪切强度仅为3.5 MPa，断裂发生在接头部位。热循环试验显示，热应力使接口抗剪切强度大为降低，在试验中甚至会出现接头自然断开。

　　2 接头力学性能测试

　　一般来说金属与CFRP的接头所处的工作条件都较为恶劣，人们出于安全性、可靠性考虑，会在应用前，对接头做必要的力学性能测试。

　　2.1 冲击热应力

　　在工作环境中，金属与CFRP的连接结构可能发生急剧冷却或加热，此时结构内部的温差较大，产生极强的冲击热应力。通过衡量接头的热冲击断裂强度（）和抗热冲击性（Δ），可模型化加热区域。断裂强度及抗热冲击性计算遵循热传导公式：

　　Δ=

　　=

　　上式中，KIC：断裂韧性值；α：热膨胀系数；E：杨氏模量；k：热导率；σt：抗拉强度；S*：无量纲热应力；β：电弧放电热有效应因子；FIe：试样顶部裂缝释放应力的影响因子（无量纲数）；c：试样边缘裂缝长度；a：试样加热区域半径；h：试样厚度；R：试样半径。电弧放电时间设定为0.7 s。

　　2.2 抗拉强度

　　结构力学性能的一个重要参数就是抗拉强度，其是指拉断材料前的最大应力值。若母片都为薄片，可将CFRP两面与金属基板搭接，载荷与接头截面相垂直。复合材料基本与金属管连接时，将1根钢板贯穿金属管，钢棒与金属管紧密抵触，与荷载传感器相连接，施加荷载的十字滑块速度为1 mm/min。

　　2.3 热循环

　　对接头进行热循环试验的目的，是为了评价其抗热疲劳性能。比如对2024-T3铝合金与CFRP胶结接头进行热循环试验后，结果显示温度范围在50～250 ℃，热循环共包括以下几个阶段：50 ℃维持30 s；在120 s后升温至250 ℃；250 ℃维持60 s；在120 s后降温至50 ℃；50 ℃维持30 s。

　　试验标准中对试样尺寸、形状的规定，知识针对某类试验的要求，关于接头的力学性能测试方法，应根据材料使用要求来选择。比如套管对接结构中，为使接头满足工程需要，还应对其做液压强度、气密强度等性能测试。

　　[1] 章莹。连接形状对碳纤维传动轴扭转性能的影响[D]。武汉理工大学，2013.

　　[2] 洪宝剑。碳纤维复合材料传动轴的设计研究[D]。武汉理工大学，2012.

　　[3] 田英超，曲文卿，张智勇，等。碳纤维复合材料与金属的钎焊试验研究[J]。航空制造技术，2011（9）：82-84.

碳纤维复合材料篇3

　　碳纤维是一种力学性能优异的新材料，被誉为黑色黄金。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。碳纤维不仅自重轻、强度高、性能稳定，同时它易于产品设计，通过对纤维排列不同取向可以满足不同的需求，是结构类应用首选材料。环氧树脂形式多样，应用方便，固化后尺寸稳定，收缩性低，具有优良的力学性能，耐酸碱。两者结合后称为碳纤维-环氧树脂基复合材料，也就是碳素复合材料，成为当今新一代的材料之王，是各类运动器材的首选材料。

　　减重

　　自行车的功能从交通工具进入到骑行运动、休闲健身后，碳素复合材料作为首选材料完全能满足骑行运动、休闲健身所需求的自重更轻，强度更高，骑行感觉更佳的诉求。实践证明，以碳纤维复合材料替代钢或铝金属材料，减重效率可达20%～30%，应用在自行车上，自重减轻30%，相当于增加有效骑行力45%以上。据专业测算，对一辆结构相同的自行车，若重量相差四磅（约合1.8公斤），同一运动员在两公里的行程中，重的那辆要慢193英尺（约58.82米）。难怪业界人士常有自行车重量降低一克，卖价可提高一美元的说法。

　　高强

　　除了为自行车减重，碳纤维复合材料也大大提高了车身的整体刚度，增加安全性。碳纤维复合材料中基体是以连续相形式包围着大量独立存在的纤维，这种由多相组成的材料在受到冲撞时，即使有少量的纤维断裂，其载荷会迅速重新分配到未破坏的纤维上，使结构还能承载原有的重量，大大提高了骑乘的安全性。而一般金属材料的疲劳破坏是没有明显征兆的突发性破坏。研究表明，碳纤维复合材料车架耐冲撞试验可达百万次以上，远远超过了日本工业标准规定的十万次标准。

　　减震

　　碳素材料的优势还不止于此。碳素复合材料的应用还显著改进了自行车的抗震性。刚度好的车架有利于驱动力的转换，操纵性能的提高。碳纤维复合材料自行车结构坚固，不易变形，而且减震效果突出。据报道，对形状与尺寸相同的车架进行试验表明，铝合金车架需要9秒才能停止振动，而碳纤维复合材料车架只需2.5秒就可停止，复合材料良好的阻尼性减轻了自行车的颠簸。不仅如此，和金属相比，碳纤维制成的自行车还具有良好的耐锈蚀性。高分子材料的耐酸碱、工业大气下性能良好，因此使用碳纤维树脂基复合材料制成的自行车零部件有无可置疑的耐环境性能。

　　碳素纤维复合材料在自行车中的应用

　　碳素复合材料主要应用在车架及结构性部件上。车架是自行车的灵魂，一辆综合性能卓越的自行车，必然有一个高性能的车架。碳素复合材料车架具有材料本身减重效应明显，重量超轻，应用后将碳素复合材料的高模量、高强度发挥得淋漓尽致，能吸收地面的冲击力，踩踏的反拨力快，几乎没有疲劳性等特点，是理想的自行车车架素材，成为运动竞技自行车的最佳材料选项。虽然具有优异的性能，但是复合材料自行车的设计和制造也远比一般金属材料自行车要更为复杂。

　　碳纤车架，主要技术点在于应力方面的结构设计。结构工程师综合模拟并测试车架各方向的受力情况后，科学地进行碳素复合材料的叠层的排列与设计，并结合车架管形的设计，传动模拟，试验验证后最终能获取科学数据，制造出高性能的车架。

　　在制作工艺上，需要首先将碳纤维与环氧树脂结合后形成碳素复合材料的预浸材料。材料经裁剪、卷制、热固化成型等工艺制成毛胚，再经打磨、抛光工艺才能最后制成成品车架。碳纤车架需求的多样化与市场化，使得车架成型技术也经历着不断的优化创新，部件分体成型法、一体成型法、气袋内压成型法、硅胶内蕊成型法、真空外压成型法、混合工艺成型法等都是较有代表性的制造工艺。

　　1974年，美国Apex Proto公司制造了一只薄壁不锈钢接头粘合的碳纤维复合材料自行车车架，1976年Exxon公司制造了石墨纤维和铝复合的Graftek G-1车架。但由于研究、开发和销售这些复合材料的车架费用巨大，无利可图，最终只能停产。1980年，法国TVT工厂第一次出售了复合材料自行车车架。1986年CCI公司设计的复合材料车架Kestre14000由于设计独特、造型新颖在业内产生了轰动。1987年，美国Treak公司推出Trek2500型复合材料车架获得了市场成功。此后，Peugeot、Vi、R-aleigh等美国公司也积极开始了复合材料自行车的设计制造。日本、台湾也都建立起了复合材料自行车生产线，达到年产五万辆以上的规模。

　　近年来，日本、美国、西欧及中国台湾利用对飞机部件的设计制造方法，分析了车架的应力承受情况，对受力较大的部位予以增强，更符合空气动力学要求。用内部加压注塑的方法制成的整体式碳纤维车架，整个自行车的重量可控制在7.5公斤左右，较管状粘接的车架轻20%，而刚性与铬钼车架相当，可以避免粘接问题，摆脱了传统的菱形车架模式，制造更趋于流线型、多样化。通过在树脂中添加适量染料，还可使产品表面更加艳丽。

　　除了车架，车轮是复合材料在自行车产品应用中的又一项成功。日本新日铁公司开发的自行车后轮，设计为采用乙烯树脂片材中加入芳酰胺纤维结构的碟轮。还有杜邦公司的三辐轮复合材料车轮，辐条也是用复合材料制作。辐条的外形采用前缘钝，后缘薄，使车轮在运动时产生最大的空气动力效果。轮缘部位设计为翼型，使轮缘作为前缘和后缘时都具有空气动力的效果。这样设计制造的复合材料空气动力车轮不仅重量更轻，在速度、强度、刚性等测试中均较钢丝车轮有更佳的表现。设计人员在设计中队骑行者遇到的空气阻力进行分析比较，在保持载荷的同时可以将比赛速度提高1-2km/h。

　　随着自行车竞技运动的发展以及绿色骑游文化的普及，碳素复合材料在竞技自行车领域、高档通行自行车领域应用呈现普及化，也带动了技术、工艺、质量等方面的全面提升。碳素复合纤维轮胎、碳素复合纤维车把、碳素复合纤维轮毂、碳素复合纤维前叉、碳素复合纤维避震器，复合材料等组件可谓比比皆是。根据不同部件使用要求和特点开发的新型复合材料也呈爆炸式发展。相应的，复合材料的蓬勃发展也加快了自行车产品的技术革新，新材料制作的新产品如雨后春笋应运而生。德国Karbon Kinetic-sLtd。公司推出的复合材料自行车就是基于全球著名的工程热塑性材料供应商沙伯基础创新公司出品的LNP VertonRV00CE特种复合材料设计制造。该材料不仅被应用于自行车领域，在雪鞋等要求坚固耐用、质轻减震的运动用品中均有上佳表现。

　　市场前景

　　碳纤维材料在发明之初主要应用在以航空航天为首的国防军工领域中，作为重要的国防战略物资属于技术密集型和政治敏感的关键材料。碳纤维不仅价格昂贵且技术保密，成为民用普及的瓶颈。目前世界碳纤维产量达到4万吨／年以上，全世界主要是日本东丽、东邦人造丝和三菱人造丝三家公司，美国的HEXCEL、ZOLTEK、ALDILA三家公司，以及德国SGL西格里集团、韩国泰光产业和台湾省的台塑集团等少数单位掌握了碳纤维生产的核心技术，并且有规模化大生产。各大碳纤维生产公司在冷战后除了扩大产能、研发新产品外，也都致力于降低碳纤维价格。据美国岩石山研究所对碳纤维作出的研究分析，只有当碳纤维价格降至每千克16.5美元以下才与钢材相比具有竞争力。而目前日本东丽公司的T700价格较钢材贵一倍还多。

　　竞技体育更关注性能，是高新技术民用化的前哨战和试验场。目前所有的比赛用车，无论是山地车或是室内自行车都几乎是碳素材料的天下，今年亮相的环法自行车赛比赛用车也都是清一色的碳素材料产品。但国外生产研制厂家在普及碳纤维自行车应用的同时，为增强企业的高科技形象，大多都是以发展碳纤维自行车的高档化与新颖性方面为重点，很少考虑成本。以美国德耳塔运动公司2010年最新推出的碳纤维网格结构自行车为例。该车架充分利用了网格结构重量效率高、抗压及抗弯曲性能好、耐损伤程度高大、易检测与修补等优点。采用该结构制造出的轻便自行车只有2.5公斤，即使是180公斤的重量级男子坐在上面，自行车也可以轻松自如地前进。如果将车架用于折叠自行车，人们就可以轻松地拎着它上公交、挤地铁了。产品结构新颖，应该很受消费者青睐。但该车的车架成本高达6995美元，整车则要11995美元，可以说自行车卖出了汽车价，根本不能进行批量生产。

　　尽管如此，碳纤维自行车市场随着其影响力的不断扩大仍有显著增长。2000年以前，碳纤维自行车的年产量只有几万台，基本上都是供专业或半专业人士使用。而到2010年，仅台湾与中国大陆地区就生产了约三十万台。可以说在这十年里，碳纤维自行车市场经历了爆炸性的增长。而碳纤维自行车的价格也从神话般高价位走到一般大众生活中。早期一辆碳纤维自行车售价数十万元，现在随着工艺成熟，材料市场进一步扩大，生产制造商不断创新，降低成本，目前市场也已经出现了不足万元的碳纤维自行车，让大众群体也可以享受到实惠。只有让更多的消费者接受体会碳纤维自行车的好处，才能更快地推动碳纤维等新型材料在自行车上的应用。

　　全世界每年生产的自行车总量超过一亿辆，而碳纤维自行车只有七十万辆左右。性能如此优越的材料在自行车的生产总量中只占很低的比例。业内人士指出，随着工艺和成本的优化，碳纤维自行车已经能够逐步走进寻常百姓家，让更多人享受绿色健康的骑行乐趣。

　　碳素复合材料的优势

　　质轻坚固

　　可定向优化性能

　　可塑性强

　　为产品创新设计留有更大空间

　　碳素复合材料的弊端

　　价格较钢铁昂贵

　　制造工艺较复杂

　　接合、维护难度大

碳纤维复合材料篇4

　　关键词：碳纤维；航天；航空；应用

　　一、引言

　　碳纤维是近几十年发展起来的一种新型材料，它是碳纤维与树脂、金属、陶瓷等基体复合制成的结构材料。其直径6～8μm之内，它是一种直径极细的连续细丝材料。目前用在复合材料中的碳纤维主要有聚丙烯腈基碳纤维和沥青基碳纤维两大类，分别用聚丙烯腈原丝、沥青原丝通过专门而又复杂的碳化工艺制备而得。通过碳化工艺，使纤维中的氢、氧等元素得以排出，成为一种接近纯碳的材料，含碳量一般都在90%以上，而本身质量却大为减轻；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。它是一种轻质、高强度、高模量、化学性能稳定的高性能纤维材料。

　　二、碳纤维复合材料的性能

　　碳纤维复合材料与金属材料或其他工程材料相比，具有以下许多优良的性能：

　　（1）比强度和比模量高

　　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。

　　（2）良好的耐疲劳性能

　　当裂纹由表面向内层扩展时，到达某一纤维取向的层面时，会使裂纹扩展在该层面内呈现断裂发散，因此层压的CFRP对疲劳裂纹扩张有“抑制”作用，这种特性使得CFRP的疲劳强度大大提高。研究表明CFRP的疲劳强度是静力强度的90%。

　　（3）良好的抗腐蚀性

　　CFRP具有良好的耐酸、耐碱及耐其他化学腐蚀性介质的性能，这是因为其表面具有一层高性能的环氧树脂或其他树脂塑料。该优点使得其更具有竞争力，特别是在未来的电动汽车或其他有抗腐蚀要求的领域上。

　　三、碳纤维复合材料的应用

　　碳纤维复合材料主要是以满足航空航天对高性能材料的要求而发展起来的。随着碳纤维复合材料的优异性能越来越多地被认识和接受，其在能源、交通、汽车、海洋、建筑及其他工业部门的应用近年来在快速地发展。

　　（1）在航空领域的应用

　　为了提高和改善飞机性能，早在20世纪50年代，美国空军材料实验室就开始寻求一种新型的结构材料，碳纤维复合材料正是在这种背景下被列入发展计划。近40年来，在航空航天领域应用得到长足的发展，主要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刹车片等。

　　（2）在航天领域的应用

　　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。

　　（3）在能源、汽车及其他工业部门的应用

　　随着全球石油资源紧缺局面的加剧，新能源的开发和利用已成为当今十分重要的研究课题，其中风能的开发和利用已形成全球的共识。MW级的风机叶片长度在40m以上，10MW级的风机叶片长度达60m，采用碳纤维复合材料能满足叶片轻质、高强度和高模量的要求。因此风电市场的快速增长将极大地推动碳纤维复合材料产业的发展。

　　对于未来的汽车工业，碳纤维复合材料将成为汽车制造的主流材料。2001年宝马公司率先开发和试验高强轻质的碳纤维复合材料（CFRP）车体板和其他部件，所用碳纤维系Zoltek公司生产的大丝束产品。英国Cranfield大学的研究成果也表明，每年生产2万辆的CFRP汽车是可行的。这种轻质化材料的汽车将改进其燃料效率，轻质化材料部件的刚性比钢制部件高，在高风阻力下具有良好稳定性，这一点对赛车和运动型车而言更为重要。目前已研制出的CFRP汽车长4.3m、宽1.7m、高1.4m，重量只有570kg。CFRP材料由德国Tenax公司生产提供。

　　聚合物树脂基体以及高性能的玻璃纤维、碳纤维和芳纶增强体的复合材料在一些新的应用领域取得进展，如具有防爆功能的装甲复合材料，以天然气作动力的汽车发动机汽缸，机械驱动轴，高速路高架桥承载梁等，在基建、兵器、医疗器械、体育休闲用品等领域都存在巨大的市场潜力。

　　参考文献：

　　[1]李威，郭权锋。碳纤维复合材料在航天领域的应用。中国光学，2011，4（3）：202-209.

　　[2]贺福，孙微。碳纤维复合材料在大飞机上的应用。高科技纤维与应用2007，32（6）：5-8.

　　[3]孙浩伟，李涛。碳纤维及其复合材料在国外军民领域的应用。纤维复合材料，2005（3）：65-67.

碳纤维复合材料篇5

　　【关键词】 碳纤维 复合材料低温力学性能

　　1 碳纤维复合材料超低温环境力学性能研究背景

　　如何降低空间飞行器在发射时的成本，使空间飞行器的发射效率提高，一直以来都是各国进行研究的关键领域之一。20世纪90年代中期，美国国家航空航天局（NASA）开始了对亚轨道可重复使用飞行器（RLV）的研发试验。

　　针对这一新形势，我国在“十五”计划初期，即开展了可重复使用飞行器技术的跟踪、探索和研究。为了避免在全球竞争中出现装备跨代落后的不利局面，而加大了对可重复使用飞行器的研发力度。

　　由液氢（-253℃）、液氧（-183℃）、液氮（-196℃）、液氦（-269℃）及其蒸发气体共同组成了主要的超低温流体介质。其中，液态氢和液态氧是液体火箭发动机发射过程中，一种具备比推力大的燃料，并且不产生污染物质；液He是作为空间装置、超导装置中广泛应用的低温密封介质；液态氮具有惰性特质、价格低廉并且介于液氢和液氧之间的热力学特点，常应用于低温试验和作为预冷介质[2]。

　　在以液态燃料作为飞行器动力系统燃料供应的设计中，液氧（LO2）燃贮箱及工作系统使用温度为-183℃，液氢燃料贮箱及工作系统使用温度为-253℃，液氢燃料贮箱及供给管系统和液氧燃贮箱及供给管系统工作于低温环境。当飞行器返回时，可重复使用运载器贮箱及供给管要承受170℃的高温考验，燃料贮箱工作温度范围很大，因此在设计时必须综合考虑在此温度范围内应用复合材料贮箱的可靠性[3]。

　　上世纪80至90年代，研发复合材料液氢贮箱的课题在美国国家航天飞机（NASP）计划以及DCX计划都涉及，并取得了一些成就。X-33计划则直接计划使用复合材料液氢贮箱，但由于在实验中，热应力引起微裂纹导致液氢渗漏以及其他技术方面问题，最终决定用铝制贮箱将出问题的复合材料贮箱代替下来。相比其国外研究机构对飞行器贮箱材料方面的尝试，国内对超低温用树脂基增强复合材料的研究还处于起步阶段，出于保险考虑，贮箱一直采用金属材料，在超低温复合材料方面技术性的突破成为国内研究的重点课题。

　　2 国内外对碳纤维复合材料超低温力学性能的研究现状

　　目前，在工程中有着非常广泛应用的树脂基复合材料主要包括：连续纤维增强环氧、双马和聚酰亚胺复合材料。他们具有较高的比强度和比模量，能够有效的抗疲劳、耐腐蚀，并且可设计性较强，便于大面积整体成型，并且，他们还具有特殊电磁性能等特点。先进树脂基复合材料已经成为继铝合金、钛合金和钢之后的最重要航空结构材料之一。

　　先进树脂基复合材料在飞行器材料应用上表现出色，目前已经在部分机型上实现减重效益，这是使用其它材料所不能比拟的。因此，先进树脂基复合材料的用量比例已经成为航空结构先进性的重要标志之一。

　　2.1 超低温复合材料用基体

　　据了解，应用在超低温环境下的树脂基体主要有：

　　（1）热固性树脂包括：环氧树脂，氰酸酯树脂，聚酰亚胺等；

　　（2）热塑性树脂包括：聚醚酰亚胺，聚醚醚酮，聚四氟乙烯，聚醚砜，聚苯硫醚，聚砜，液晶聚合物等。

　　配方的设计对于树脂基体制备非常重要。对于环氧树脂材料，经常会碰到脆性过高、容易开裂的问题。解决这一问题行之有效的方法是使环氧树脂柔性化，或是使整个配方体系柔性化。而这也是我们在该试验中在选取材料方面提前做好的准备。经过柔化的环氧树脂脆性降低，不易开裂，在工程应用中表现更加出色。

　　可重复加工的特点是高性能热塑性树脂具备的特点之一，在低温复合材料中的具有很大的潜在应用价值。比如说，碳纤维增强聚醚醚酮复合材料力学性能，虽然在超低温破坏强度方面表现良好，但由于成型困难以及巨大的加工成本，限制了热塑性基体在低温领域下的应用。

　　在本次试验中所应用到的便是改性后的环氧树脂，改性后使其在常温和低温下均具备稳定的力学性能。

　　2.2 超低温复合材料用增强材料

　　纤维增强复合材料是由增强纤维，如玻璃纤维、芳纶纤维、碳纤维等材料与基体经过模压、缠绕或拉挤等工艺而形成的复合材料。

　　在一些低温工程中，由于纤维增强复合材料具有如下特点：

　　（1）比模量大，比强度高；（2）材料具有可设计性；（3）抗腐蚀性和耐久性能良好；（4）热膨胀系数与混凝土材料形似。根据他们特性及制备加工工艺方面的综合考虑，应用最广泛的增强纤维是碳纤维和玻璃纤维。

　　对于玻璃纤维，研究表明，低温下纤维的拉伸强度和拉伸模量均有不同程度的增加，玻璃纤维Weibull分布尺度参数有很大的提升。玻璃纤维，E-glass从室温到4K，它的杨氏模量提高15%，S-g lass从295K到4K其杨氏模量提高10%。

　　碳纤维增强树脂基复合材料，由于它在航空航天军事等领域应用较多，因而也成为科研工作者研究的热点。试验发现，将模高强碳纤维作为超低温复合材料的增强材料，强度和模量与室温时相比变化很小，是比较理想的超低温增强材料。

　　2.3 树脂基复合材料制造工艺

　　依据不同类型的复合材料、不同形状的构件以及对构件质量和性能的不同要求，先进树脂基复合材料可采用不同的成型工艺。目前航空航天领域先进树脂基复合材料主要成型工艺包括：热压罐成型工艺、RTM成形工艺、缠绕成型工艺、拉挤成型工艺、热压成型工艺、自动铺放工艺等。

　　通过对上世纪六十年代至九十年代不同组织及个人对各类常用纤维复合材料常、低温力学性能测试的结果做出总结与比较。R。P。Reed、M。Golda、J。B。Schutz等人发现：低温状态下，芳族聚酰胺纤维复合材料的低温拉伸强度与常温时比较变化较小，而其他各类纤维复合材料的低温拉伸强度均比常温状态时有所提高。

　　[1]王嵘，郝春功，杨娇萍，张雄军，付绍云，王继辉。超低温复合材料的研究进展。化工新型材料，2007.

碳纤维复合材料篇6

　　关键词：碳纤维 材料特性 土木工程

　　1、碳纤维复合材料（CFRP）的发展历程

　　纤维增强聚合物复合材料FRP（Fiber Reinforced Polymer）问世于20世纪40年代。CFRP最开始由美国制造。1950年，美国空军基地在2 000℃高温下牵引人造丝得到CFRP。1959年美国联合碳化公司以粘胶纤维为原丝制成纤维素基CFRP；1962年，日本碳素公司实现低模量聚丙烯腈基CFRP的工业化生产；1963年英国航空材料研究所开发出高模量聚丙烯腈基CFRP；1965年日本群马大学试制造出沥青或木质素为原料的通用型CFRP； 1969年，日本大谷杉郎从特殊的共聚PAN中生产出高强、高弹模的芳香族聚酰胺纤维；1970年，日本吴羽化学公司实现沥青基纤维的工业规模生产；1972年，美国杜邦公司生产出密度1.2～1.5 t/m3强度达3 000 MPa的Aramid（阿拉米德） CFRP；1980年美国金刚砂公司研制出酚醛纤维为原丝的活性碳纤维并投放市场；1996年全世界碳纤维总生产量已达17 000 t，其中聚丙烯腈基纤维占85%，其余是沥青基纤维。2002年世界聚丙烯腈基碳纤维的生产能力约为3.1万t，其中75%是小丝束碳纤维，25%是大丝束碳纤维。碳纤维材料主要由日本生产，美国其次。其他国家产量很少。

　　2、碳纤维在土木工程中的应用研究现状

　　2.1 国外的应用研究状况

　　CFRP材料首先应用于航天工业，这项技术在20世纪70年代已趋于成熟。在土木工程中的应用始于20世纪60年代的美国。但当时试验结果不理想，而且价格很高，所以在其后的二十多年里，FRP材料在土木领域的研究与应用没有得到很大的发展。在土木工程中的应用研究直到80年代初才开始重视，但相关的研究主要集中在欧美、日本和澳大利亚等国。应用范围多集中于桥梁、海工构筑物、非磁性建筑等工程，其中桥梁方面应用较多。

　　1991年7月，瑞士联邦材料测试研究所首次在总长228 m的多跨连续箱型梁桥（Ibach桥）进行了碳纤维加固试验并获得了成功。20世纪90年代国际上对碳纤维材料在土木工程中的应用进行了广泛和系统的研究，尤其在桥梁、隧道和房建加固工程中首先得到了广泛应用。有些发达国家已编写了相关的设计，施工规程，指南和手册。1997年英国至少在30座桥梁和结构物中采用CFRP加固和修补技术。美国和加拿大的盐害较严重，约有60万座桥梁受害，需要加固和修复。美国混凝土协会（ACI）已经成立了专门委员会（ACI440），在美国很多机构开始CFRP的应用研究；加拿大也已经建立了相关的研究开发基地，并且编制CFRP的规程。日本在土木工程中应用CFRP已经有20多年的历史。

　　2.2 国内的应用研究状况

　　我国对土木结构方面的CFRP研究起步比较晚，在1996年前后才开始[28]。目前的研究主要集中在CFRP片材加固和修复混凝土结构。最初只有国家工业建筑诊断与工程技术研究中心进行相关研究，后来清华大学、同济大学、湖南大学、哈尔滨工业大学等十余所高校相继开始，并在在板梁柱的模型实验和加固与修复方面取得实质性成果。直到1998年才有少量的工程开始应用。2000年 6月召开了“首届FRP混凝土结构学术交流会”。我国已编制并颁布了《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》，《结构加固修复用碳纤维片材产品标准》和《结构加固修复用粘贴树脂产品标准》。FRP国家规范正在编制中。

　　近年来，FRP的应用研究发展很快，我国已有部分企业开始生产GFRP和CFFP筋。在修复和加固混凝土结构方面，理论上已经比较成熟，技术上也日趋完善。

　　3、碳纤维作为结构材料的应用

　　（1）碳纤维筋。它是由多股连续纤维长丝，浸渍树脂基材料，经专用涂层敷设机制成线性预坯料，然后加捻合股制成坯绳，经特制的模具拉挤成型的复合材料。碳纤维筋的加工属于连续加工工艺，机械化程度较高，性能稳定。碳纤维筋的强度比低碳钢高约90%，而重量仅为后者的1/5左右；碳纤维与混凝土的附着强度高达713MPa，高于钢绞线与混凝土2197MPa的附着强度；碳纤维筋具有良好的拉伸疲劳性能及耐腐蚀、抗冲击、柔性高和易于操作的性能，因此在桥梁、码头等易受腐蚀的结构中应用较多。碳纤维筋在80年代末开始应用于土木工程，目前在美国已经商品化。我国在这方面的研究较晚，但研究速度较快，已经做了大量试验，并正在制定相关的规范和标准。1996年美国建成了世界上第一座复合材料棒材增强混凝土桥。如泰勒大桥及Dintelhaven大桥等都采用了碳纤维筋，或是用于增强混凝土，或是用作预应力筋、预应力拉索等，使用至今效果很好。

　　（2）碳纤维增强水泥（CFRC）。在水泥及其制品中掺和一定量高性能碳纤维和高效外加剂，以有效控制水泥及其制品塑性收缩及早期裂纹，提高水泥及其制品的密实性，增加水泥及其制品后期强度。碳纤维增强砂浆和混凝土是研究的主要方向。增强水泥用碳纤维主要是短切碳纤维。按水泥制品的用途不同，同样可以将其分为结构材料和功能材料两类：①作为结构材料，碳纤维提高了水泥制品的抗拉、抗弯和抗冲击强度，改善了水泥制品的韧性及抗震性能，减缓了水泥制品损伤的发展，主要用于结构中的节点部位、桩的两端及大体积混凝土；②作为功能材料，碳纤维提高了混凝土的抗裂、防渗、耐温差、耐磨等性能，可用于恶劣环境下的防水及防腐蚀层。另外，碳纤维还可使水泥制品具有导电、防磁功能，制作成电磁屏蔽板及防静电地板等各种水泥纤维板。碳纤维增强水泥的研究始于20世纪80年代初，应用于80年代末。由于玻璃纤维和合成纤维的价格便宜，纤维增强水泥制品中碳纤维应用得还不多。广州新中国大厦、张家口煤气管道沟和国家黄金局地下金库工程的地下室底板大体积混凝土采用碳纤维混凝土，抗裂性取得了很好的效果。

　　（3）碳纤维增强木材。用碳纤维包裹木材或将碳纤维片材铺设于木材的某个侧面或中间而形成的一种新型结构材料。无论是普通木材还是胶合木材都可以使用碳纤维进行增强。这种复合结构的形式灵活，并可以做成梁、板、柱等各种构件。利用速生木材和回收的木材重新加工，大幅度提高木材的结构性能，从而节约森林资源。碳纤维的加入使木材的抗拉强度、防腐防火等性能大为提高，使其应用领域更为广泛。碳纤维增强木材的研究始于20世纪90年代，由于木结构的抗拉强度较低，限制了其使用跨度和应用范围。美国、日本、澳大利亚等国家在这方面进行了大量的研究和应用。英国皇家研究中心（RAE）用CFRP增强木材，使极限负荷增加267%。这种增强木材重量轻、能承受较大的负荷，可用于高级礼堂和体育馆的屋顶，增强木材所制成的框架比一般木材轻20%左右。

　　4、展望

　　碳纤维在土木工程应用的最大障碍是它的价格，因此如何降低碳纤维的成本，增大碳纤维的使用数量是急需解决的关键课题，这主要涉及到原材料和生产技术两个方面。碳纤维突出优点是它的比强度和比模量都很高，将其制成轻质高强的结构形式是未来发展的主要方向。碳纤维的综合性能优异，使其同时作为结构材料和功能材料的应用研究也相当重要，它可以解决许多场合其它材料无法解决的问题。

　　[1]贺福，王茂章。碳纤维及其复合材料[M]。北京：科学出版社， 1997.

碳纤维复合材料篇7

　　关键词：纤维增强材料、加固

　　中图分类号：K928.78 文献标识码：A 文章编号：

　　纤维增强复合材料（FRP）

　　简介：

　　FRP （纤维增强复合材料）是近年来在土木工程中应用日益广泛的一种新型的结构材料。它具有高强、轻质、耐腐蚀等显著优点，已经在结构的加固补强、围护防腐等方面得到了很好的应用。随着FRP材料的优越性能逐渐为工程界所认可，国外许多工程开始将它应用于新建的桥梁中，甚至是大跨度桥梁中。目前结构工程中常用的FRP材料主要是树脂基 体的玻璃纤维（GFRP）、碳纤维（CFRP）和芳纶纤维（AFRP）等。

　　2、纤维增强复合材料在国内外的发展：

　　从上世纪70 年代开始，FRP 材料就开始在桥梁工程中尝试应用。英国、美国和以色列最先应用这种新型材料作为建筑结构和桥梁结构中的主要构件，当时大多采用的是GFRP（玻璃纤维增强复合材料，即玻璃钢）。

　　1992 年，英国苏格兰的 Aberfeldy 高尔夫俱乐部的球场中，建成了一座全 FRP结构的斜拉人行天桥。

　　1996 年，在瑞士建成了世界上第一座使用了FRP 斜拉索的公路桥——Stork Bridge。

　　1996 年，美国Kansas 州Russell 附近的无名沟壑上架起了第一座采用FRP 桥面板公路桥。

　　我国是研究应用玻璃纤维复合材料建筑桥梁较早的国家之一，1982年在北京密云建成的世界上第一座玻璃纤维复合材料公路桥为单跨简支箱梁桥，双车道，跨径20.7m，桥宽11.8m，由6根蜂窝箱梁组成，可通行汽一15级、挂一80级荷载；重庆的观音桥也是用玻璃纤维复合材料建造的，桥梁跨径72.8m，全长 167m。

　　3、纤维增强复合材料的优点：

　　1：轻质高强。FRP材料最突出的优点在于它有很高的比强度（极限强度/相对容重），即通常所说的轻质高强。

　　2：良好的耐腐蚀性。可以在酸、碱、氯盐和潮湿的环境中抵抗化学腐蚀，这是传统结构材料特别是钢材所难以比拟的。

　　3：良好的可设计性。与传统结构材料相比，这是FRP 所独有的。工程师可以通过使用不同纤维种类、控制纤维的含量和铺陈不同方向的纤维设计出各种强度和弹性模量的FRP产品。

　　4：FRP 产品非常适合于在工厂生产、运送到工地、现场安装的工业化施工过程，有利于保证工程质量，有利于提高劳动效率，有利于工程建设的工业化。

　　5：FRP 产品还有一些其它优势，如透电磁波、绝缘、隔热、热胀系数小等等，这使得FRP结构和FRP组合结构在一些特殊场合能够发挥难以取代的作用。

　　碳纤维加固技术在混凝土结构加固中的应用

　　1、碳纤维加固技术简介

　　碳纤维复合材料(CFRP)加固修复混凝土结构技术是近年来兴起的一项新型加固技术，该项技术是将碳素纤维这种高性能纤维应用于土木工程，利用树脂类材料把碳纤维粘贴于结构或构件表面，形成复合材料体，通过其与结构或构件的协同工作，达到对结构构件补强加固及改善受力性能的目的。

　　碳纤维加固技术特点

　　（1)、 施工简便迅速

　　用碳纤维布修复补强混凝土结构只需将被修补部位的混凝土表面修补打磨平整，表面洁净，刷涂特定的环氧树脂，然后粘贴碳纤维布，最后再涂一层环氧树脂自然固化养护即可。不需任何夹具、模板和支撑，施工既简便又迅速。

　　（2)、 不增加结构自重

　　碳纤维布的重量仅200～300g/m2，设计厚度0.111～0.167mm，加上环氧树脂的重量也仍然很轻，对结构自重的影响甚微，可忽略不计。

　　（3)、 能适应各种结构外型的补强

　　碳纤维布的厚度很薄，可以裁剪成所需形状，顺应结构的外形(如变截面梁、曲线梁)粘贴在混凝土表面，粘贴亦较方便。

　　（4)、能多层粘贴

　　根据补强设计的要求，碳纤维布可以在一个部位重叠粘贴，即贴上一层后上面再贴一层，连续贴很多层，充分满足补强要求。

　　（5)、能有效地封闭混凝土裂缝

　　碳纤维布粘贴在混凝土表面，不仅封闭了混凝土的裂缝，碳纤维布高强高模量的特点还约束了混凝土结构裂缝的生成与扩展，改变了裂缝的形态，使宽而深的裂缝变成分散的细微裂缝，从而提高了混凝土构件的整体刚度。

　　（1）、抗弯加固

　　通过将碳纤维布粘贴于构件受拉区，代替或补充钢筋的受拉性能，来提高构件的抗弯承载力。粘贴碳纤维后，在构件受拉区混凝土开裂前，碳纤维的应变很小；在混凝土开裂后，碳纤维布逐渐参与共同工作，应变增长加快；而在钢筋屈服后，碳纤维布充分发挥作用，应变增长迅速加快，其高强高效的性能得以充分体现。

　　（2）、抗剪加固

　　钢筋混凝土的抗剪加固，是将碳纤维粘贴于构件的受剪区，这里碳纤维的作用类似于箍筋。在构件屈服前，碳纤维的应变发展缓慢，所达到的最大应变值也较小；在构件屈服后，箍筋的作用逐渐被碳纤维代替，碳纤维的应变发展加快，应变值要高于箍筋的应变值，而箍筋所起的约束作用减小，其应变发展缓慢。

　　（3）、抗震加固

　　应用碳纤维对混凝土柱进行抗震加固，是通过用碳纤维布横向包裹钢筋混凝土柱来提高其延性而实现的。碳纤维的主要作用是对其内部混凝土起到了约束作用，这种约束是一种被动约束，随着混凝土柱轴向压力的增大，横向膨胀促使外包碳纤维布产生环向伸长，从而提高侧向约束力。

　　FRP尚存问题以及今后的研究方向

　　虽然碳纤维片材加固桥梁有着广泛前景，但目前仍有很多问题有待于解决。为使这种加固技术得到更广泛的应用，还应进行以下内容的研究：

　　（1）、进一步开展预应力FRP加固梁的抗震性能，长期受力性能(老化，松弛，徐变)，耐久性能，疲劳性能，疲劳寿命的研究。并对实际工程进行跟踪研究。

　　（2）、完善对预应力FRP片材加固受弯构件的设计计算理论，包括预应力损失的估算，FRP片材极限应力的合理取值，允许极限应变的确定，加固梁抗弯承载力的提高限值等。

　　结语

　　随着我国国民经济水平的发展，我国的基础设施的建设仍将大规模开展。2020年前国家将投资5万亿建设铁路，这些为复合材料在桥梁工程中的应用提供了广阔的市场。FRP是现有桥梁结构材料的补充。从复合材料工业发展的角度来看，桥梁是一个巨大潜在市场，FRP这种具有独特优势的材料具有广阔的应用前景。

　　1 预应力碳纤维片材在桥梁加固中的发展现状与展望。彭全敏，王海良，陈培奇。铁道建筑。2008年第7期

　　2 碳纤维布在桥梁维修加固中的应用。刘涛。华东公路。第三期

　　3 玻璃纤维复合材料用于桥梁的可行性。王伟力，宋里宏等。工程塑料的应用。2002年10期

碳纤维复合材料篇8

　　论文摘要：桥梁工程在使用过程中会由于种种原因产生病害 ，为了达到安全、经济和适用的目的，必须对产生的病害进行结构补强。介绍用碳纤维布和碳纤维棒材对桥梁结构进行补强加固的一种方法，包括碳纤维布和碳纤维棒材的特点和用于加固桥梁的技术特点、补强适用范围、补强施工要点等。本文试图从碳纤维的特性分析出发，论述了碳纤维加固技术在桥梁结构建设中的应用。

　　自上世纪七十年代末初期，欧洲进行纤维增强复合材料（FRP）在土木工程应用研究以来，具有极好的比强度和比刚度、优秀耐腐蚀性的纤维增强复合材料已广泛用于混凝土结构的粘贴加固工程，形成了纤维增强复合材料补强加固已有混凝土桥梁的新技术，其中碳纤维增强复合材料（CFRP）应用更多。混凝土桥梁结构的粘贴碳纤维板技术在加固中具有不中断交通，且工期短，人工少的优点。所以扩展该项技术开展了配有大偏心CFRP体外束预应力混凝土连续梁桥体系应用研究，是本世纪新型桥梁建设方向之一。

　　一、碳纤维材料的基本特性

　　碳纤维增强复合材料补强加固所采用的基本材料是高强度或高弹性模量的连续碳纤维，单向排列成束，用环氧树脂浸渍固化的碳纤维板或未经树脂浸渍固化的碳纤维布，统称碳纤维片材。将片材用专门配制的粘贴树脂或浸渍树脂粘贴在桥梁混凝土构件需补强加固部位表面，树脂固化后与原构件形成新的受力复合体，共同工作。

　　1、碳纤维片材。

　　片材碳纤维材料的拉伸强度在（2400～3400）MPa之间，与普通碳素钢板拉伸强度为240MPa相比，片材的拉伸强度很高。

　　片材碳纤维材料的弹性模量依片材力学性能不同，碳纤维片材依力学性能分成高模量、高强度和中等模量三类。高模量碳纤维片材的弹性模量较高，但其伸长率较低。

　　相比之下，碳纤维片材的单位重比钢材低许多，说明碳纤维片材较轻。碳纤维的化学结构稳定，本身不会受酸碱盐及各类化学介质的腐蚀，有良好的耐寒和耐热性。

　　2、配套树脂类粘结材料。

　　混凝土结构加固修补配套树脂系统包括底层涂料，用于渗透过混凝土表面，促进粘结并形成长期持久界面的基础；油灰，用于填充整个表面空隙并形成平整表面以便使用碳纤维片材；浸渍树脂或粘结树脂，前者用于碳纤维布粘贴，后者用于碳纤维板粘贴。

　　浸渍树脂或粘贴树脂是将碳纤维片粘附于混凝土构件表面并与之紧密地结合在一起形成整体共同工作的关键，因此，树脂同混凝土的粘贴强度大于混凝土的拉伸强度和剪切强度。

　　就公路混凝土桥梁用碳纤维片材加固技术而言，环氧树脂在不同施工环境温度下固化性能有十分重要的意义，因为这涉及到粘贴工作质量与如何尽量减少桥上正常交通中断时间紧密相关。采用专配的环氧树脂材料，在混凝土施工表面温度（10～40）摄氏度时，粘贴环氧树脂固化时间约15小时以上，但粘贴后就可以使用的时间为45分钟以上，专配的环氧树脂材料的这一性能是完全适合混凝土桥梁的加固工作。

　　二、碳纤维加固补强的施工工艺

　　1、根据设计确定粘贴碳纤维的范围进行基底处理

　　a）将砼构件表面的残缺、破损及碳化层部分清除干净，达到结构密实部位。检查外露钢筋是否有锈蚀，并进行必要的处理。对经过剔凿、清理和露筋的构件残缺部分进行修补复原；

　　b）裂缝修补。缝宽小于0.2mm的裂缝，用环氧树脂进行表面涂刷密封；大于0.2mm的裂缝用环氧树脂灌缝；

　　c）将构件表面凸出部分（模板的段差等）打磨平整，修复后的段差尽量平顺。用磨光机把棱角磨成半径大于30mm的圆角；

　　d）清洗打磨过的构件表面，并使其充分干燥。

　　2、底层涂刷（底层涂料具有较强的渗透性，可渗入砼表面内）。

　　a）把底层涂料的主剂和固化剂按规定比例称量准确后放人容器内，用搅拌器拌均匀，一次调和量应在可使用时间内用完为准；

　　b）用滚筒刷均匀的涂刷底层涂料；

　　C）底层涂料固化后，表面有凸起部分时要用砂纸磨光；

　　d）注意在气温小于5C，相对湿度大于85，砼表面含水率在8以上，有结露可能而无可靠保证措施时，均不得施工。

　　3、环氧腻子对构件表面残缺的修补。

　　a）构件表面凹陷部位应用环氧腻子填平，修复至表面平整；

　　b）内角（段差、起拱等）要用环氧腻子填补使之平顺。

　　4、贴碳纤维片。

　　a）为了防止碳纤维受损，在碳纤维片运输、储存、裁切和粘贴过程中，严禁受弯折。贴片前应用钢直尺与壁纸刀按规定尺寸切断纤维片，每段长度一般不超过6rn；。

　　b）碳纤维接头必须搭接10cm以上，横向不需搭接；

　　c）按规定比例掺配树脂主剂和固化剂，用滚筒刷均匀地涂刷黏结树脂，称为下涂；

　　d）贴片时，在碳纤维片和树脂之间尽量不要有空气，可用罗拉沿着纤维方向在碳纤维片上对此滚压，使树脂渗入碳纤维中。

　　5、养护。

　　粘贴碳纤维片后，需自然养护24h达到初期固化，并保证固化期间不受干扰。

　　6、涂装。

　　根据需要可在树脂固化后加固补强构件表面，涂刷耐火涂层和色彩。

　　三、碳纤维（片材）加固处理要点

　　在进行结构加固处理前，先对梁板采取有效地卸载和支顶措施，然后按以下施工工序进行加固施工。

　　（1）破损面混凝土表面处理：清除被加固构件表面的剥落、疏松、蜂窝、腐蚀等劣化混凝土，露出混凝土结构层。

　　（2）按设计要求对破损面钢筋处理后用M45的环氧树脂砂浆进行灌缝或封闭处理，并保证钢筋保护层厚度不小于15mm。利用打磨机将其表面打磨平整，并用钢刷将其表面的粉尘、油污等不洁物清除干净，使构件加固表面平整、干燥无粉尘。另外，如碳纤维需沿基纤维方向绕构件转角处粘贴时，转角粘贴处要进行倒角处理并打磨成圆弧状，圆弧半径不应小于20mm。

　　（3）涂刷底层树脂：用专用滚筒刷将底层树脂均匀涂抹于混凝土表面，待树脂表面指触干燥时即进行下一道工序施工。

　　（4）找平处理：表面凹陷部位用找平材料填补平整，且不应有菱角。

　　（5）粘贴碳纤维片材：将配制好的浸渍树脂均匀涂抹于所要粘贴的部位，并用橡胶滚筒沿纤维方向多次滚压，挤除气泡，使浸渍树脂充分浸透碳纤维布，滚压时不得损伤碳纤维布。多层粘贴重复上述步骤，待纤维表面接触干燥时即可进行下一层的粘贴。如超过60min，则应等12h后，再行涂刷粘结剂粘贴下一层。

　　（6）在最后一层的碳纤维布的表面均匀涂抹浸渍树脂。

　　四、对碳纤维加固补强技术的展望

　　碳纤维用于砼结构的修复补强虽然时间不长，但发展很快，其主要原因在于碳纤维片加固存在较多优点：

　　a）施工简便迅速，无需模板、夹具、支撑等；

　　b）不增加结构重量，碳纤维片重量200g/m。～300g/m，设计厚度0.1l1mm～0.167mm，加上环氧树脂的重量也很轻，对结构自重影响可忽略不计；