( 盐城工学院 ,江苏 盐城 224003) 　　 随着工程技术与材料科学的发展 , 对材料性 能的要求越来越高 。先进复合材料由于性能优 良 ,已成为一种极其重要的工程材料 。碳纤维 ―― ― 树脂基复合材料是以碳纤维为增强材料 , 合 的一种新型结构材料 。 碳纤维是 20 世纪 60 年代初才发展起来的一 成树脂为基体材料 , 通过各种成型工艺复合而成 种新型材料 。它的强度比钢还大 , 密度比铝合金 还低 , 且还有许多宝贵的电学 、 热学和力学性能 , 在现代宇航技术发展中 , 已成为一种不可缺少的 新颖材料 。 1　 碳纤维的性能 1. 1 　 碳纤维的分类 1. 1. 1 　 按力学性能可分为四类 1. 1. 2 　按原材料可分为聚丙烯腈 ( PAN ) 碳纤 维、 沥青碳纤维和人造丝碳纤维 ,由原料纤维高温 目前结构复合材料中大多数使用 PAN 碳纤维 。 烧成 ,成分基本都是碳元素 , 其主要性能见表 1 , 1. 1. 3 　 按用途可分为 : 宇航级即小丝束碳纤维 , 以 132 K 为 中 心 ; 1 K ～ 324 K 的 长 丝 型 ( 1 K 为 1000 根长丝) ; 和工业级即 48 K 以上的大丝束碳 1. 2 　 碳纤维的主要性能 收稿日期 :2004210211 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 ,项目编号 :50378018 。 ) 作者简介 : 吕立斌 (1968 ― ,男 ,江苏建湖人 ,副教授 。 摘 　 : 文章介绍了碳纤维和碳纤维增强复合材料的性能 ,以及其在土木建筑工程中的应用 。 要 关键词 : 碳纤维 ; 增强复合材料 ; 应用 中图分类号 : TQ342 + . 74 　　　 文献标识码 :A 　　　 文章编号 :100923028 ( 2004) 0620053204 表1　 各种材质碳纤维的主要性能 聚丙烯腈 碳纤维 沥青 性能 碳纤维 1600 379 拉伸强度 ( MPa) 2500～3100 207～345 1. 7～1. 8 0. 6～1. 2 2100～2800 414～552 2. 0 0. 7 拉伸弹性模量 ( GPa) 密度 (g/ cm ) 1. 7 1 断裂伸长率 ( %) 为了利用碳纤维 ,需要先认识碳纤维的特性 , 以便在生产实际中更好地应用这种新材料 。碳纤 维的主要特性 : ①碳纤维的强度高 , 其抗拉强度可达 3 000 ②弹性模量高 。 ～4 000 M Pa ,比钢大 4 倍多 ; 比铝高 6～7 倍 。 ③密度小 ,比强度高 。碳纤维的质量是钢的 ① 超高模量 ( U HM) 碳纤维 ; ② 高模量 ( HM) 碳纤维 ; ③ 超高强度 ( U HS) 碳纤维 ; ④ 高强度 ( HS) 碳纤维 。 1/ 4 ,是铝合金的 1/ 2 , 比强度比钢大 16 倍 , 比铝 合金大 12 倍 。 ④能耐超高温 。碳纤维可在 2 000 ℃ 使用 , ⑤耐低温性能好 。在 - 180 ℃ 低温下 , 钢铁 ⑥ 耐酸性能好 。能耐浓盐酸 、 磷酸 、 硫酸 、 在 3 000 ℃ 非氧化气氛的高温下不融化 ,不软化 。 变得比玻璃脆 ,而碳纤维依旧很柔软 。 苯、 丙酮等介质侵蚀 。将碳纤维放在浓度为 50 % 的盐酸 、 硫酸和磷酸中 ,200 天后其弹性模量 、 强 度和直径基本没有变化 ; 在 50 %浓度的硝酸中只 是稍有膨胀 , 其耐腐蚀性能超过黄金和铂金 。耐 油、 耐腐蚀性能好 ; ⑦热膨胀系数小 ,导热系数大 。可以耐急冷 急热 ,即使从 3 000 ℃ 的高温突然降到室温也不 会炸裂 。 ⑧防原子辐射 ,能使中子减速 。 Ω ⑨导电性性能好 ( 5～17 μ m) 。 ? 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 　 ?54 ? 　　　　　　　　　　 山东纺织科技 　 　　　　　　　　　　2004 年第 6 期 　 ⑩轴向剪切模量较低 , 断裂伸长率小 , 使耐 冲击差 ,并且后加工较为困难 。 键合 ,复合材料的剪切性能提高 。同时其表面能 增加 ,显著改善了碳纤维与基体之间的润湿性 ,接 触角减小 ,表面呈现出亲液性 。另外 ,经表面处理 后 ,其表面出现了大量的羟基 、 羧基 、 醌类等官能 团 ,提高了碳纤维表面的极性 ,增强体与基体之间 的润湿性和粘接程度 。 2　 碳纤维增强复合材料( CFRP) 的性能 碳纤维的主要用途是与树脂 、 、 金属 陶瓷等基 体复合 ,做成结构材料 。碳纤维增强环氧树脂复 合材料 , 其比强度 、 比模量综合指标 , 在现有结构 材料中是最高的 。在强度 、 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 。 CFRP 是目前最先进的复合材料之一 , 它以 轻质高强 、 耐高温 、 抗腐蚀 、 热力学性能优良等特 点广泛用作结构材料及耐高温抗烧蚀材料 。 CFRP 的力学性能主要取决于基体 ( 常用环 氧树脂) 的力学性质 、 碳纤维的表面性状以及纤维 与键合界面的性质 , 而基体的性能及纤维的表面 性状直接关系到界面的键合和粘接性能 。 2. 1 　 基体 CFRP 常用环氧树脂作为基体 , 它的粘接性 好 , 机械性能优异 , 但是通用型的环氧树脂固化 后 ,质地脆硬 ,抗冲击性能较差 ,耐热性不好 ,必须 进行增韧改性 。目前 , 较为成熟的增韧方法是将 固化前能和环氧树脂相容的橡胶溶解在树脂里 , 固化时 ,橡胶能顺利析出 ,呈两相结构 。目前一般 使用 的 都 是 RL P 型 橡 胶 , 分 子 量 小 ( 1 000 ～ 10 000) ,并带有能与环氧树脂反应的官能团 , 以 便产生牢固的化学交联点 。我们可以通过使环氧 树脂基体结构含有芳香环以及增加交联密度等方 法 ,来提高环氧树脂的使用温度和热稳定性 ,同时 改善其与碳纤维的粘接性能 。 2. 2 　 碳纤维的表面性状 未经表面处理的碳纤维表面光滑 , 摩擦系数 小 ,表面呈现出憎液性 ,从而导致与基体的润湿性 差 ,粘结力低 ,复合材料的层间剪切强度 ( IL SS) , 界面剪切强度 ( IFSS) 均较低 , 达不到实际要求 。 常用的表面处理方法有氧化和涂层处理 、 电聚合 与电沉积处理 、 等离子体处理等 。利用电化学氧 化 ( 阳极氧化) 表面处理法 , 反应缓和 , 易于控制 , 处理效果好 。经过表面处理的碳纤维利用有效的 扫描隧道电镜 ( STM ) 表面分析技术发现 , 其表面 石墨层面边缘较大面积氧化 , 边缘活性点数量大 量增加 ,致使凹凸不平的表面更有利于与基体的 3　 应用 碳纤维及其复合材料是伴随着军工事业的发 展而成长起来的新型材料 ,属于高新技术产品 ,具 有高比强度 、 高比模量 、 耐高温 、 耐腐蚀 、 耐疲劳 、 抗蠕变 、 、 导电 传热和热膨胀系数小等一系列优异 性能 ,它既可作为结构材料承载负荷 ,又可作为功 能材料发挥作用 。因此其近年来发展十分迅速 , 在航空 、 、 航天 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了广泛的应 用 。由于碳纤维的应用很广泛 , 本文仅结合所研 究的课题 ,重点谈一谈在土木建筑工程中的应用 。 在土木建材领域中 ,水泥的用量最大 ,但水泥 有脆性大 、 抗拉强度低等缺点 。为了改善这些弊 端 ,人们利用碳纤维的力学特性 ,用混凝土或水泥 做基体制成碳纤维增强复合材料 。由于碳纤维和 芳纶纤维等具有强度高 、 模量大 、 比重小 、 耐碱腐 蚀、 对人畜无害等特点 ,在土木建筑应用中日益受 到人们的青睐 。目前 ,形成五大应用热点 : 3. 1 　 碳纤维增强混凝土 碳纤维增强混凝土指的是短纤维或长纤维增 强的混凝土材料 。它主要用作高层建筑的外墙墙 板 。碳纤维增强混凝土的主要特征为 : 具有普通 增强型混凝土所不具备的优良机械性能 、 防水渗 透性能 、 耐自然温差性能 ,在强碱环境下具有稳定 的化学性能 、 持久的机械强度和尺寸的稳定性 。 用碳纤维取代钢筋 , 可消除钢筋混凝土的盐水降 解和裂化作用 ,使建筑构件重量减轻 ,安装施工方 便 ,缩短建筑工期 。碳纤维还具有震动阻尼特性 , 可吸收震动波 , 使防地震能力和抗弯强度提高十 几倍 。短切碳纤维增强水泥所用碳纤维的长度为 3～ 6 mm , 细度或宽度范围在 7 ～ 20 μm , 抗拉强 度范围在 015～018 GPa 。 3. 2 　 复合材料棒材 建材工业中最广泛使用的结构材料有钢材和 中碳钢增强混凝土 , 钢材的腐蚀会导致建筑物的 http://www.cnki.net ? 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 　 2004 年第 6 期 　　　　　　　　　　 　 ? 山东纺织科技 　 　　　　　　　　　　 55 ? 灾难性破坏 。碳纤维树脂基复合材料棒材便成为 人们开发出替代建材用钢材的新型高性能建材的 重要品种 。混凝土增强用碳纤维增强树脂基复合 材料棒材最近在美国已经商品化 。复合材料棒材 不腐蚀 、 不导电 , 重量是钢材的 1/ 4 , 热膨胀系数 与钢材比较更接近混凝土 , 价格大约比环氧涂覆 保护的钢材高 20 %左右 。使用复合材料棒材增 强比使用中碳元钢增强 , 其弯曲强度得到很大提 高 。复合材斜棒材和水泥的粘结强度比元钢和水 泥的粘结强度高约 50 %～ 70 % 。因此它可以在 海堤 、 造纸厂 、 化工厂 、 高速公路护栏 、 房屋地基和 桥梁等易腐蚀场合使用 。 3. 3 　 纤维增强胶接层板 及耐冲击性能的许多工程上 ,获得了突破性进展 。 碳纤维复合材料片具有轻质 ( 比重是铁的 1/ 4 ～ 1/ 5) , 拉伸模量比钢高 10 倍以上 , 耐腐蚀性能优 异 ,可以手糊 , 工艺性好等优点 。因此 , 碳纤维复 合材料片在修补加固已劣化的钢筋混凝土结构物 (约束裂纹发展 、 防止混凝土削落 ) 和提高结构物 耐力以及对用旧标准设计建成的钢筋混凝土结构 物的补强 、 加固应用将越来越多 。 3. 5 　 其它应用 短碳纤维还可以以下几种形式应用于土木建 筑领域 : ① 制作帘墙板 ( 非承重墙) ,是一种具有优 良耐老化性和突出机械特性的轻量板 , 可应用于 高层建筑和海边耐腐蚀建筑 。 ② 防水房顶涂层 , 将碳纤维水泥混合物用于涂覆平坦的房顶 , 作为 耐风化和不透水的表面 ,且此涂层表面外观优美 。 ③ 电磁屏蔽板和导电板 ,由于碳纤维的高导电性 , 可消除来自大气的放电和雷击的静电 。 ④ 墙和防 腐蚀涂层 、 耐磨铺地材料 、 耐化学腐蚀性地板 。 纤维增强胶接层板是在木板的一面或二面胶 粘一层或二层纤维增强胶接层板 , 以承受拉伸或 压缩载荷 。纤维增强胶接层板制造技术的关键是 纤维增强层板和木板之间的应变匹配 。纤维增强 胶接层板表面的纤维增强复合材料层板具有良好 的阻燃性能 , 一般采用拉挤工艺制备 。所使用的 增强材料为混杂的碳纤维和其它纤维 ( 玻璃纤 维) ,基体为环氧树脂体系 。由于使用纤维增强胶 接层板比使用钢桁架的天花板系统价格低 8 % , 比使用传统木桁架价格低 25 % ,以及可明显减少 重量和减少木材的需求 , 纤维增强胶接层板目前 发展很快 ,应用日趋广泛 。 3. 4 　 碳纤维复合材料片 碳纤维复合材料片是采用常温固化的热固性 树脂 ( 通常是环氧树脂) 将定向排列的碳纤维束粘 结起来制成的薄片 。把这种薄片按照设计要求 , 贴在结构物被加固的部位 , 充分发挥碳纤维的高 拉伸模量和高拉伸强度的作用 , 来修补加固钢筋 混凝土结构物 。日本 、 、 美国 英国将该材料用于加 固震后受损的钢筋混凝土桥板 , 增强石油平台壁 4　 展望 4. 1 　 为了进一步开发 、 扩大碳纤维及其复合材料 的用途 ,必须降低碳纤维的价格 ,才可以大规模取 代现在使用的其他工程材料 。而降低碳纤维的价 格取决于降低原丝价格 , 即碳纤维原丝价格降到 纺丝用原丝的价格 ,才能实现进一步开发 、 扩大碳 纤维的应用范围 。 4. 2 　 美国桌尔泰克公司认为碳纤维最有前景的 应用领域应在汽车 、 电子 、 土木建筑和能源等 , 必 须对这些应用领域进行大量研究开发工作 , 才能 不断扩大碳纤维的应用领域 。表 2 为碳纤维的重 点开发应用领域 。 表2　 碳纤维的重点开发应用领域 应用领域 　　 汽车 电子 土木建筑 能源 航海 离岸石油 其他工业应用 体育休闲用品 典型件 车身 、 传动轴 、 板形构件等 外壳 、 、 支架 底版等 增强水泥 、 、 、 钢筋 桥墩 层压板等 风力发电叶片 、 燃烧电池等 桅杆 、 、 、 缆绳 甲板 船身等 链绳 、 、 浮标 螺旋管 、 吸入杆 、 防火装置等 压力气罐 、 、 棍子 轴类件 、 飞轮等 高尔夫球杆 、 网球拍 、 冰球拍 、 滑雪板等 制造工艺 铺层 、 、 、 缠绕 模压 注射成型等 热塑性树脂注射成型等 拉挤 、 手工铺层等 纤维缠绕 、 、 铺层 模压等 手工铺层 、 纤维缠绕等 拉挤 、 纤维缠绕等 纤维缠绕 纤维缠绕 、 、 拉挤 铺层等 ? 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 　 ?56 ? 　　　　　　　　　　 山东纺织科技 　 　　　　　　　　　　2004 年第 6 期 　 4. 3 　 碳纤维在土木建筑领域的应用还是一个新 的技术 。据中国环氧树脂行业协会专家介绍 , 过 去因碳纤维的价格高 、 产量少 ,在航空航天领域以 外的应用有一定难度 , 但近年来碳纤维的应用越 来越多 ,并随产量的增加而使成本下降 。与传统 方式相比 ,在土木建筑领域中应用碳纤维 ,虽然纤 维强化材料的价格较高 ,但综合材料成本 、 施工成 本、 使用成本 , 就比较相近了 ; 在施工结果的防腐 性、 轻量化方面 , 纤维增强材料更好 , 这样就拓展 了高性能纤维的应用领域 。 4. 4 　 我们获得资助的项目名称是 “预应力碳纤维 织物增强混凝土薄板的研究” 。采用预应力织物 增强混凝土薄板制作永久性模板或加固已有建 筑 ,将使钢筋混凝土结构的表层更加密实 ,抗裂性 能更好 ,并且更有利于高性能纤维在薄板开裂前 , 充分发挥高强度高弹模作用 。预应力方法使薄板 刚度提高 ,有利于薄板和钢筋混凝土结构协同工 作 。采用预应力织物增强混凝土薄板作为钢筋混 凝土结构的永久性模板 ,不仅薄板便于切割 ,而且 不重复使用 ,使现场施工更加简便 ; 薄板也可以作 为结构的一部分和钢筋混凝土结构一起承担载 荷 ,因此 ,采用预应力织物增强混凝土薄板作为钢 筋混凝土结构的永久性模板所形成的叠合结构是 一种新型的结构体系 。非预应力三维织物增强混 凝土薄板作为大面积墙板的新型房屋体系在国外 已有应用 ; 预应力织物增强混凝土薄板的研究工 作在全球范围内才刚刚起步 , 在国内仍处于空白 状态 ,因此 ,本项目的研究具有重要的科学意义合 广阔的应用前景 。 参考文献 : [1] 　 刘春城等 . CFRP 复合材料在土木工程中的应用现状 [J ] . 北华大学学报 ,2003 ,4 (3) :258 ― 260. [2 ] 　 储长流等 . 碳纤维的性能与应用 [ J ] . 北京纺织 , 2001 , 27 (6) :39 ― 41. [3] 　 赵稼祥 . 世界高性能碳纤维的生产 、 市场与应用 [J ] . 新材料 产业 ,2003 ,112 (3) :18 ― 22. 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Properties and Appl ications of Carbon Fiber and Composite Material L α L i2bi n , X U N Yong E2mail : ( Yancheng Institute of Technology , Yancheng 224003 ,China) duced. 　　 《山东纺织科技》 是山东省纺织工业唯一的综合性科技期刊 《CAJ2CD 规范》 执行优秀期刊 。 发代号 242132) ,大 16 开本 、 双月刊 、 公开发行 。主要刊登纺织 、 印 学术论文 、 生产实践及管理经验等文章 , 还介绍国外纺织科技信 息 。主要栏目有 “经纬论坛” 研究探讨” 产品开发” 生产实 、 “ 、 “ 、 “ 践” 革新改造” 仪器与检测” 服装服饰” 计算机应用” 企 、 “ 、 “ 、 “ 、 “ 、 “ 业纵横” 综述” 科技博览” 。本刊已被 、 “ 、 “ 等 《中国纺织文摘》 中 《 、 欢迎广大新老读者到当地邮局订阅 , 邮发代号 242132 , 亦可 染及相关专业的纺织新产品 、 新技术 、 新工艺 、 新设备的研究报告 、 国学术期刊 ( 光盘版) 》 《中国万方数字化期刊群》 和 数据库收入 ,是 ( 国内统一刊号 CN3721127/ TS ,国际标准刊号 ISSN100923028 , 邮 Abstract :The Properties of carbon fiber , CFRP and applications in const ruction engineering are int ro2 Key words : carbon fiber ;CFRP ;application 2005 年 《山东纺织科技》 征订启事 期 8 元 ,全年定价 48 元 ( 含邮费) 。 向编辑部直接办理订阅手续 , 订单函索即寄 。 《山东纺织科技》 每 汇款地址 : 青岛市山东路 195 号 邮 　　 :266032 编 山东省纺织科学研究院 《山东纺织科技》 编辑部 银行信汇 : 青岛市工商银行市北区第一支行 帐 　　 :3803023009008905301 号 联系电话 : (0532) 5641981 传 　　 : (0532) 5648088 真 sdtc8088 @public. qd. sd. cn sdfzkj @163. com ? 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. 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