碳纖維復(fù)合材料精選(九篇)
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第1篇：碳纖維復(fù)合材料范文
[關(guān)鍵詞]碳纖維復(fù)合材料；特性；應(yīng)用
1、引言
碳纖維是50年代初應(yīng)火箭、宇航及航空等尖端科學(xué)技術(shù)的需要而產(chǎn)生的，主要作為增強材料與樹脂、金屬、陶瓷等基體復(fù)合制成結(jié)構(gòu)材料，其比強度、比模量綜合指標(biāo)在現(xiàn)有材料中是最高的，力學(xué)性能頗具優(yōu)勢，所以被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。
2、碳纖維材料的特性
碳纖維主要是由碳元素組成的一種特殊纖維，由含碳量較高、在熱處理過程中不熔融的人造化學(xué)纖維經(jīng)熱穩(wěn)定氧化處理、碳化處理及石墨化等工藝制成的，其含碳量隨種類不同而異，一般90%以上，不僅具有一般碳素材料的特性，又兼具紡織纖維的柔軟可加工性，但僅依靠碳纖維片本身并不能充分發(fā)揮其強大的力學(xué)特性及優(yōu)越的耐久性能，只有通過環(huán)氧樹脂將碳纖維片粘附于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)表面并與之緊密結(jié)合才能達到補強的目的，具體具有以下特性：
（1）沿纖維軸方向有很高的強度，碳纖維的拉伸強度為2～7GPa，約為鋼材的10倍，其樹脂復(fù)合材料抗拉強度一般都在3500Mpa以上，是鋼的7～9倍，抗拉彈性模量為230～430Gpa亦高于鋼，經(jīng)應(yīng)力疲勞數(shù)百萬次的循環(huán)試驗，其強度保留率仍有60%，而鋼材為40%，鋁材為30%，玻璃只有20%～25%，所以所取安全系數(shù)為最低，但碳纖維的徑向強度不如軸向強度，剪斷強度弱，耐沖擊性差；
（2）非氧化環(huán)境下具有突出的耐熱性能，可以耐受2000℃以上的高溫，碳纖維要溫度高于1500℃時強度才開始下降，而且溫度越高，纖維強度越大；
（3）外形有顯著的各向異性、柔軟，可加工成各種織物、氈、席、帶、紙及其他材料；
（4）熱膨脹系數(shù)小，變形量小，結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定性好；
（5）具有極好的纖度，一般僅約19g，密度約為1.5～2g/cm3，比重比鋁還要輕，重量約為鋼材的1/5，比強度卻是鐵的20倍；
（6）耐腐蝕性好，碳纖維的成分幾乎是純碳，而碳又是最穩(wěn)定的元素之一，除強氧化酸以外，能在各種有機溶劑、酸、堿中不溶不脹，不存在生銹問題；
（7）耐磨性好，與金屬對磨時，損耗很少，可制成高級的摩擦材料。
3、碳纖維在各領(lǐng)域的應(yīng)用
據(jù)報道航天飛行器的重量每減少1Kg，就可使運載火箭減輕500Kg，所以在航空航天工業(yè)中爭相采用先進復(fù)合材料，由碳纖維和環(huán)氧樹脂結(jié)合而成的復(fù)合材料，因其比重小、剛性好和強度高而成為火箭、衛(wèi)星、導(dǎo)彈、戰(zhàn)斗機和艦船等尖端武器裝備中必不可少一種先進材料。將碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用在戰(zhàn)略導(dǎo)彈的彈體和發(fā)動機殼體上，可大大減輕重量，提高導(dǎo)彈的射程和沖擊能力；碳纖維應(yīng)用在艦艇上可減輕結(jié)構(gòu)重量，增加艦艇有效負載，從而提高運送作戰(zhàn)物資的能力；在飛機上大量應(yīng)用碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料能夠減輕重量、節(jié)省燃油、降低排放、減少溫室氣體的排放；用碳纖維制作的耳機重量輕、強度好，既能減輕頭部壓力，又提高了人員佩戴的舒適性。
在土木建筑領(lǐng)域，碳纖維也應(yīng)用在工業(yè)與民用建筑物、鐵路、公路、橋梁、隧道、煙囪、塔結(jié)構(gòu)等的加固補強，具有密度小、強度高、耐久性好、應(yīng)變能力強、抗腐蝕能力強的特點，可耐酸、堿等化學(xué)品腐蝕， 柔韌性佳。用碳纖維管制作的桁梁構(gòu)架屋頂， 比鋼材輕50%左右， 使大型結(jié)構(gòu)物達到了實用化的水平，而且施工效率和抗震性能得到了大幅度提高， 碳纖維做補強混凝土結(jié)構(gòu)時， 不需要增加螺栓和鉚釘固定， 對原混凝土結(jié)構(gòu)擾動較小， 施工工藝簡便。
在運動休閑領(lǐng)域中，像球桿、釣魚竿、網(wǎng)球拍、羽毛球拍、自行車、滑雪杖、滑雪板、帆板桅桿、航海船體等運動用品都是碳纖維的主要用戶之一。體育應(yīng)用中的重要應(yīng)用為球棒和球拍框架，全世界40%的球棒都是由碳纖維制成的，全世界碳纖維釣魚桿的產(chǎn)量約為每年2000萬副，網(wǎng)球拍框架的市場容量約為每年600萬副，碳纖維還應(yīng)用在劃船、賽艇等其它海洋運動中。
日常用品中音響、浴霸、取暖器，遠紅外理療產(chǎn)品等家用電器以及手機、筆記本電腦等電子產(chǎn)品都會應(yīng)用到碳纖維。
4、結(jié)束語
由于碳纖維復(fù)合材料具有輕而強、輕而剛、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定性好、設(shè)計性好以及可大面積整體成型等諸多優(yōu)點，已在航空航天、國防軍工和民用工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。據(jù)《2013-2017年中國碳纖維行業(yè)深度調(diào)研與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報告》數(shù)據(jù)顯示我國是碳纖維需求大國，2011年碳纖維市場規(guī)模達到6811.22噸，然而受供應(yīng)不足的影響，國內(nèi)碳纖維市場發(fā)展相對較為緩慢，預(yù)計未來幾年，隨著供應(yīng)量的提升以及宏觀經(jīng)濟的整體性好，我國碳纖維行業(yè)的需求量也將保持著較快速度的增長，不過國產(chǎn)碳纖維落后的技術(shù)卻成為制約著我國碳纖維行業(yè)健康穩(wěn)健發(fā)展的“攔路虎”，這直接導(dǎo)致我國碳纖維產(chǎn)品質(zhì)量與進口產(chǎn)品之間的明顯差距，也極大地限制了國產(chǎn)碳纖維產(chǎn)品在高端領(lǐng)域的應(yīng)用，目前我國碳纖維產(chǎn)品在應(yīng)用上集中于低端領(lǐng)域，在碳纖維質(zhì)量要求較高的航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用比例僅為3%，遠遠沒達到國際上碳纖維行業(yè)在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用占比的平均水平，而在質(zhì)量要求相對較低的運動休閑用品領(lǐng)域，碳纖維的應(yīng)用比例卻高達80%左右，四倍于國際上碳纖維在運動休閑用品領(lǐng)域應(yīng)用的平均水平，隨著尖端技術(shù)對新材料技術(shù)性能的要求日益苛刻，促使科技工作者不斷努力提高碳纖維的生產(chǎn)工藝技術(shù)水平。
參考文獻
[1]Doug Smock.準備迎接碳材料革命.美國 技術(shù)專題
第2篇：碳纖維復(fù)合材料范文
【關(guān)鍵詞】復(fù)合材料 混合模式 彎曲試驗 聲發(fā)射
1 前言
隨著碳纖維復(fù)合材料在高壓容器，航空航天等領(lǐng)域應(yīng)用的逐漸深入，復(fù)合材料損傷機理分析及整體完整性檢測也在大量開展[1-3]。層合復(fù)合材料的層間結(jié)合較弱，分層敏感性成為許多先進復(fù)合材料的主要弱點[4-9]。因此，評價復(fù)合材料抵抗分層的能力問題倍受人們關(guān)注。本文研究了典型的碳/環(huán)氧復(fù)合材料的Ⅰ/ Ⅱ混合模式分層行為和層間斷裂韌性，同時采用美國PAC公司的聲發(fā)射設(shè)備進行全過程采集聲發(fā)射信號，并對如計數(shù)，能量等參量及波形進行了分析，結(jié)合材料的力學(xué)性能討論了復(fù)合材料損傷行為與AE信號特征的對應(yīng)關(guān)系，為AE技術(shù)在復(fù)合材料損傷機理研究和安全性能評估方面提供參考。
圖1？試驗裝置
2 試驗部分
2.1 混合模式彎曲試樣
試驗采用浙江大學(xué)提供的碳纖維[0/90]4s復(fù)合材料，編號為5-1-1、5-1-2，試樣尺寸150×20×3，試件一端切除長25mm的缺口，可以形成張開和剪切兩種分層形式，同時幾何中面埋入長50mm、厚0.02mm 的聚四氟乙烯薄膜，形成預(yù)制分層。
2.2 試驗設(shè)備及方法
采用MTS 810型材料試驗機對試樣進行加載，速率為1mm/min。聲發(fā)射儀為PAC的 samos-48，AE參數(shù)設(shè)置為峰值定義時間50μs，撞擊定義時間200μs，撞擊閉鎖時間300μs，門檻值40dB。耦合劑為真空脂，將R15I型傳感器纏繞固定在試樣一端，試驗裝置如圖1所示：
3 分析討論
3.1 力學(xué)性能分析
試樣在加載過程中，缺口側(cè)預(yù)制分層逐漸張開，鋪層間存在分層張力，同時由于上下鋪層間彎曲變形的不協(xié)調(diào)性，層間存在剪切應(yīng)力。
研究表明此碳纖維復(fù)合材料的分層擴展行為屬于脆性的分層斷裂，如圖2所示。加載開始，隨著位移的增加載荷直線增長，呈現(xiàn)一個很好的線性加載階段a（0-95s）；它反映了分層層間的基體和界面中微損傷的累積，分層力為層間剪切力； 當(dāng)載荷超過到層間剪切的臨界值，層間發(fā)生微觀錯動； 有一個微弱的非線性過程b（95-160s），期間分層間纖維，粘結(jié)面不斷受張開拉力，剪切力陸續(xù)斷裂，此刻宏觀觀測到層間已發(fā)生相對錯動，預(yù)制薄膜分層逐漸張開，載荷略有下降。此后發(fā)展著一個可控制的穩(wěn)定的分層擴展過程c，即位移繼續(xù)增加，分層平穩(wěn)地張開，位移停止，分層張開隨即中止，可看到分層沿著試樣彎曲切線方向逐漸張開，分層為張開拉力所致。
圖2？位移-載荷曲
3.2 聲學(xué)特性分析
圖3為試樣5-1-2的時間-能量曲線圖，可以看出0-95s（a階段）為低能量持續(xù)性信號，說明此階段層間的基體和界面中微損傷的不斷積累，釋放微弱信號。95-160s（b階段）持續(xù)產(chǎn)生中等能量的撞擊，可解釋為達到層間剪切的臨界值后分層界面開始錯動，可觀測到上下鋪層沿著預(yù)制薄膜分層逐漸張開，部分短纖維束，粘結(jié)劑受剪切力，張開拉力等因素陸續(xù)斷裂，釋放一定能量的信號。隨著試件的進一步彎曲（c階段），分層前沿不斷前移開裂，更多的短纖維被拉斷，
上下鋪層沿著預(yù)制薄膜處逐漸分層，張開，更多的長纖維束被拉斷，258s時分層開裂至加載點，下鋪層與彎曲曲線相切，這個階段集中釋放了大量高能量信號。
從兩個試件的時間-計數(shù)、時間-能量關(guān)系圖4中也能看出曲線存在（95s、160s）2個拐點，三個階段與圖2、3中a、b、c階段相對應(yīng)，通過拐點可判斷試樣的受力狀態(tài)及分層內(nèi)部的活動狀態(tài)。
圖4？時間-計數(shù)-能量曲線
復(fù)合材料混合模式分層的聲發(fā)射源可簡化為纖維拉伸斷裂、層間剪切錯動摩擦，界面脫膠三種形式。圖5為試樣的持續(xù)時間-能量-幅值的散點分布圖，可以看出撞擊信號分為兩個典型的區(qū)域。Ⅰ區(qū)為小于50dB的低幅值、低能量，能量與持續(xù)時間不成比例的撞擊信號，是因為層間微弱剪切錯動，相互摩擦，界面脫膠所釋放的聲波在高頻區(qū)域能量較小，幅值很低，信號單一。Ⅱ區(qū)為能量與持續(xù)時間成正比的，幅值較高且分布廣泛的信號，可解釋為纖維斷裂所釋放的高頻斷裂信號，信號特征較集中。
圖5？持續(xù)時間--能量―幅值曲線
4 結(jié)論
（1）通過力學(xué)性能測試發(fā)現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料混合模式分層階段為剪切分層，混合分層，張力分層過程；
（2）通過對分層信號分析可有效的監(jiān)測其內(nèi)部活躍情況，剪切分層信號能量，幅值很低，混合分層信號幅值較大，能量與持續(xù)時間成正比，張力分層時期為典型的纖維斷裂信號，信號特征教集中；
（3）聲發(fā)射信號曲線與力學(xué)性能曲線有一致的對應(yīng)關(guān)系和吻合，通過對撞擊信號深入分析可有效的判斷材料內(nèi)部分層的轉(zhuǎn)換拐點，內(nèi)部活躍程度，分層模式，為材料性能研究提供有力的理論支持。
參考文獻
[1] 賀福，孫微.碳纖維復(fù)合材料在大飛機上的應(yīng)用[J].高科技纖維與應(yīng)用.2007，6：5-17
[2] 林德春，等. 纖維復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用[J]. 玻璃鋼，2007，（1）：18-28
[3] Sato N，Kuraychi T，Kamigaito O. Fracture mechanisms of unidirectional carbon reinforced epoxy resin composite[J]. J. Mater. Sci. 1986，21（3）：1005-1010
[4] Benevolenski O I，Karger-Kocsis J，Czigdny T.Mode I fracture resistance of glass fiber matrenforced poly propylene composites at various degree of consolidation [J]. Composites Part A，2003，34（3）：267-273
[5] De Groot P J，Wijnen P A M，Janssen R B F. Real-time frequency determination of acoustic emission for different fracture mechanisms in carbon/epoxy composites[J]. Compos. Sci. Technol.1995，55（4）：105-412
[6] Giordano M，Calabro A，Esposito C. An acoustic emission characterization fo the failure modes in polymer composite materials [J]. compos. Sci. Technol.，1990，37（3）：411-428
[7] 許鳳旌. 聲發(fā)射技術(shù)在復(fù)合材料發(fā)展中的應(yīng)用[D] . 上海：中國科學(xué)院上海冶金研究所，2000，2-10
第3篇：碳纖維復(fù)合材料范文
關(guān)鍵詞：碳纖維；混凝土；加固
中圖分類號：TU599 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2013）08-0155-01
作為一種高性能的復(fù)合型材料，碳纖維一直用于體育、航空航天等產(chǎn)業(yè)的材料應(yīng)用，隨著經(jīng)濟和科研力度的不斷提升，近年來，碳纖維的價格不斷降低，這促使這種高性能的材料在房屋建筑、市政、道路橋梁等行業(yè)逐漸得到應(yīng)用。由于該種復(fù)合型材具有耐久性強、耐腐蝕的特點，因此在建筑等行業(yè)中主要應(yīng)用于改變構(gòu)件受力性能以及結(jié)構(gòu)補強。而混凝土作為目前使用最為廣泛的建筑原材料，它的工程力學(xué)性能一直是人們關(guān)注的問題，隨著科研技術(shù)地不斷發(fā)展，混凝土逐漸向高強度、多功能以及智能化的方向發(fā)展，碳纖維混凝土的出現(xiàn)是無機材料和有機材料的高效融合，這是一種新型的智能材料，碳纖維的使用能夠大大改良混凝土的特性。
1 碳纖維材料的物化性質(zhì)
碳纖維是含碳量高達90%的復(fù)合型材料，其具有耐高溫、高強度、抗蠕變、耐酸堿腐蝕、可傳熱以及可導(dǎo)電等優(yōu)良性質(zhì)，其密度比鋁小，但強度比鋼材的強度還要大，它的耐腐蝕性要比不銹鋼的耐腐蝕性還要優(yōu)越，其耐高溫性比耐熱鋼的還強，因此它是集力學(xué)、電學(xué)以及熱學(xué)性能為一身的化工新材料。將碳纖維運用在混凝土中，對混凝土的延展性、抗沖擊性等顯著改善，尤其是能夠顯著改善傳統(tǒng)混凝土脆性大的缺點，增強其韌性。和抗疲勞性。
2 碳纖維復(fù)合材料對混凝土的加固原理
在混凝土中加入碳纖維對混凝土進行加固，這種方法從1996年就已經(jīng)被引入到國內(nèi)，并很快受到工程界的強烈關(guān)注。其加固原理是將碳纖維復(fù)合材料通過一定的技術(shù)粘貼在混凝土結(jié)構(gòu)的表面，通過混凝土結(jié)構(gòu)和碳纖維材料之間的協(xié)同作用，最終達到對混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件加固補強，并有效改變混凝土結(jié)構(gòu)性能的目的。
3 碳纖維復(fù)合材料在混凝土加固中的應(yīng)用
加固混凝土構(gòu)件中使用的碳纖維材料通常有兩種，一種是碳纖維材料，一種是配套樹脂。正如上文提到的，碳纖維材料有高強度、自重輕、高彈性模量等優(yōu)良特點；配套樹脂包括有粘結(jié)樹脂、找平樹脂以及底層樹脂，其中粘結(jié)樹脂的作用是使混凝土和碳纖維材料形成統(tǒng)一的復(fù)合材料，而后兩種樹脂的作用則是提高混凝土構(gòu)件和碳纖維材料。混凝土通過和碳纖維復(fù)合型材料的共同作用，達到提高混凝土抗剪承載力和混凝土構(gòu)件的抗彎能力，進而達到了結(jié)構(gòu)補強和加固的目的。
按照碳纖維原絲的不同能夠?qū)⑻祭w維布分成黏膠基、PAN基以及瀝青基等三種類型的碳纖維布。在對混凝土構(gòu)件進行加固時需要對構(gòu)件的結(jié)構(gòu)施工設(shè)計、構(gòu)件腐蝕以及其實測強度等材料，利用碳纖維布對構(gòu)件或者混凝土結(jié)構(gòu)進行加固設(shè)計。加固用的膠粘材料包括三種：第一，底涂膠。將其涂在混凝土構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的表層，能夠使表層的強度得到加強，這樣就能夠有效提高碳纖維和混凝土的粘結(jié)性；第二，浸漬樹脂，其能夠使碳纖維片材相互結(jié)合在一起，并使其呈現(xiàn)出硬化的板狀物，并能夠使混凝土和碳纖維強力粘結(jié)在一起，使兩者構(gòu)成一個統(tǒng)一的復(fù)合體；第三，修補膠。該膠粘材料可以對混凝土表面進行平整，得到平整后的構(gòu)件能夠和碳纖維材料更好結(jié)合在一起。
4 碳纖維復(fù)合材料加固設(shè)計計算
用于混凝土構(gòu)件加固的碳纖維復(fù)合型材料主要是上文介紹的碳纖維布，其在實際工程中的應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)比較成熟。其優(yōu)點主要體現(xiàn)在提高混凝土結(jié)構(gòu)的受剪承載力、受彎承載力、抗震力以及抗疲勞能力等。使用碳纖維布對混凝土結(jié)構(gòu)進行加固時要堅持以下兩個基本原則：
①對那些鋼筋銹蝕程度比較小，并且外觀相對完好，并且保護層沒有開裂的混凝土結(jié)構(gòu)或構(gòu)件，對其計算承載力時，為了方便計算可以認為混凝土和鋼筋間的粘結(jié)強度以及自身強度沒有降低。針對這類構(gòu)件進行加固處理時只需要對其進行防腐蝕預(yù)防加固就能夠提高構(gòu)件的抗腐蝕性能。即對這一類型的混凝土構(gòu)件進行加固時只是結(jié)構(gòu)性加固，并不需要計算使用碳纖維布的數(shù)量。
②對于那些表面防護層已經(jīng)破裂，鋼筋銹蝕程度比較深的混凝土構(gòu)件，由于其鋼筋嚴重銹蝕，所以鋼筋截面減少嚴重，這導(dǎo)致鋼筋的強度嚴重降低，并且其和混凝土之間的粘結(jié)強度降低。因此在針對這一類型的混凝土構(gòu)件進行加強時要考慮實際的結(jié)構(gòu)銹蝕程度，計算所需的碳纖維布的數(shù)量。通過計算橫向和縱向使用的碳纖維布的數(shù)量，進而達到提高混凝土結(jié)構(gòu)的抗剪承載力和抗彎承載力。這種類型的加固是對混凝土結(jié)構(gòu)的強度的提高。
計算碳纖維布用量時，應(yīng)按照受力相等的力學(xué)原理，通過等效轉(zhuǎn)換的方法把碳纖維布的面積等效轉(zhuǎn)化成鋼筋面積，公式表達為：
其中，Ase是抵抗不足彎矩需要的鋼筋截面積，Acfs是碳纖維布的橫截面積，fcfs是碳纖維布容許拉應(yīng)力，單位取MPa，fy是鋼筋抗拉強度，令fcfs=φ×β×1800，φ在這里表示為碳纖維布利用系數(shù)，按照我國目前實際工程設(shè)計的情況，建議取其值為0.85，β是層數(shù)折減系數(shù)，取值時按照表1中的規(guī)定選擇準確的值。
取碳纖維布的凈面積，其計算公式為：
其中，tcfs表示的是碳纖維布的厚度，n是粘結(jié)層數(shù)，Bcfs表示的是碳纖維布的幅度。
5 工程實例
某實驗大樓建成時間是1988年，在2009年對該實驗大樓的質(zhì)量檢測報告中顯示大樓結(jié)構(gòu)中有部分框架梁端出現(xiàn)了明顯的裂縫，這對大樓造成了嚴重的質(zhì)量安全隱患，因此要對出現(xiàn)質(zhì)量問題的梁進行加固處理?？紤]到該實驗大樓的正常使用功能，設(shè)計人員選用具有高強度的碳纖維復(fù)合型材料對這部分梁進行加固，這樣不僅能夠方便施工，還能夠大大縮短工期。經(jīng)過對工程實際情況進行探明并對碳纖維材料進行綜合考量后，決定選用FTS-CI-20碳纖維布對梁結(jié)構(gòu)進行粘貼。
該碳纖維布的性能指標(biāo)是：纖維布厚度0.112 mm，重量為200 g/m，纖維為單方向，其彈性模量是2.33×105 MPa，抗拉強度是3 545 MPa。工程選用的膠粘性材料為FE膠、FP膠和FR膠，這幾種樹脂膠使用溫度為6～34 ℃，粘貼強度是2 MPa，抗剪強度是10 MPa，使用時間在25～120 min。由于本次加固屬于結(jié)構(gòu)性加固，因此不需要計算碳纖維布的層數(shù)，直接加固。加固采用的U型粘貼的方案直接進行梁結(jié)構(gòu)加固。經(jīng)過加固以后，梁的抗剪承載力比未加固前提高了42%～61%，施工期間沒有妨礙大樓的正常使用，工期為2 d。
通過該工程實例證明，采用碳纖維復(fù)合型材料不僅大大方便了施工，同時也顯著提高了混凝土結(jié)構(gòu)的強度。
6 結(jié) 語
總之，碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)越的物理、化學(xué)以及熱學(xué)特性，在加上其價格上逐漸顯現(xiàn)出來的優(yōu)勢，它在建筑領(lǐng)域中的應(yīng)用必將逐漸廣泛。盡管在目前建筑工程中的使用還有某些方面的不足，但是隨著科研技術(shù)的不斷發(fā)展，相信在不遠的未來，這種新型的復(fù)合型材料在實際工程中的應(yīng)用中必定會越來越廣泛。
第4篇：碳纖維復(fù)合材料范文
關(guān)鍵詞：復(fù)合材料 濕熱環(huán)境 疲勞性能
中圖分類號：V258 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）08（a）-0076-02
碳纖維復(fù)合材料是20世紀60年代崛起的一種新材料，其密度小、比強度和比模量高、耐疲勞、性能可設(shè)計和易于整體成形等許多優(yōu)異特性，一經(jīng)問世就顯示了強大的生命力。作為一種先進的航空航天材料，其越來越廣泛地應(yīng)用于航空航天等高技術(shù)領(lǐng)域[1-4]。飛機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在整個服役期間，反復(fù)作用的疲勞載荷是內(nèi)部構(gòu)件承受的主要載荷[5]。同時，濕熱環(huán)境將會影響復(fù)合材料基體的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，從而影響復(fù)合材料的力學(xué)性能。因此，在復(fù)合材料層板結(jié)構(gòu)的設(shè)計、試驗驗證中需要考慮環(huán)境的影響。本文針對復(fù)合材料層板結(jié)構(gòu)在濕熱環(huán)境的疲勞性能進行了研究。
1 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的疲勞特性
復(fù)合材料結(jié)構(gòu)疲勞特性與金屬結(jié)構(gòu)的疲勞特性有較大差別。
金屬結(jié)構(gòu)對疲勞一般比較敏感，特別是含缺口結(jié)構(gòu)受拉拉疲勞時，其疲勞強度會急劇下降，但復(fù)合材料一般都有優(yōu)良的耐疲勞性能。對于碳纖維復(fù)合材料層板，在拉-拉疲勞下，它能在最大應(yīng)力為80%極限拉伸強度的載荷下經(jīng)受106次循環(huán)。在拉-壓或壓-壓疲勞下，其疲勞強度略低一些，但106次循環(huán)對應(yīng)的疲勞強度一般約為相應(yīng)靜強度的50%。特別是壓-壓疲勞下含沖擊損傷試驗在106次循環(huán)對應(yīng)的疲勞強度，一般不低于相應(yīng)靜強度的60%[6]。由于目前復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計許用值主要取決于損傷容限許用值，在這樣的應(yīng)變水平下，通常復(fù)合材料結(jié)構(gòu)具有無限壽命，這就是“靜力覆蓋疲勞”的含義。
復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計師通常利用材料的疲勞門檻值，來簡化復(fù)合材料層板結(jié)構(gòu)的疲勞設(shè)計過程。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)通常按照疲勞損傷無擴展的概念來進行設(shè)計。
2 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的環(huán)境影響
碳纖維復(fù)合材料由基體材料和碳纖維增強材料組成。其中碳纖維增強體在復(fù)合材料中起主要作用，提供剛度和強度，基本控制其性能?；w起配合作用，支持和固定碳纖維，改善復(fù)合材料的性能。
通常情況下，除了極高的溫度，一般都不考慮濕熱對金屬強度的影響。但復(fù)合材料結(jié)構(gòu)則必須考慮濕熱環(huán)境的影響。碳纖維復(fù)合材料的樹脂基體是吸濕的，隨著吸濕擴展，會使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不同的吸濕量分布。這樣，不僅會降低碳纖維的抗腐蝕阻力，還會使基體的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度降低，從而引起由基體控制的力學(xué)性能，如壓縮、剪切等性能的下降，影響其強度和剛度。
復(fù)合材料結(jié)構(gòu)對濕熱環(huán)境敏感，濕熱環(huán)境將會影響復(fù)合材料層板的物理性能、力學(xué)性能和破壞模式[7]。因此，在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的選材、設(shè)計和驗證過程中都要考慮濕熱環(huán)境的影響。目前，在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的“積木式”試驗驗證體系中已經(jīng)明確提出要考慮濕熱環(huán)境的影響。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的疲勞驗證過程中，需要進行充足的元件或試驗試驗，來確定疲勞分散性和環(huán)境影響，本文對復(fù)合材料層板環(huán)境影響下的疲勞性能研究，正是基于這個出發(fā)點，為后續(xù)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的部件疲勞試驗環(huán)境影響提供支持。
3 環(huán)境影響下的疲勞性能試驗
選用碳纖維織物和碳纖維單向帶兩種類型的復(fù)合材料層板結(jié)構(gòu)進行疲勞性能試驗。試驗環(huán)境如表1所示，試驗件數(shù)量及試驗項目如表2所示。
碳纖維織物層板和碳纖維單向帶層板的試驗件尺寸大小相同，如圖1所示。
試驗過程中，對需要進行濕熱環(huán)境的試驗件進行預(yù)浸，預(yù)浸過程在預(yù)浸環(huán)境箱中進行。碳纖維織物層板試驗件和碳纖維單向帶層板試驗件分別進行標(biāo)準環(huán)境下拉-壓疲勞試驗和濕熱環(huán)境下的拉-壓疲勞試驗。完成106次循環(huán)后的試驗件處理成干態(tài)并冷卻至室溫后，再進行剩余強度壓縮試驗。
開孔壓縮強度按下列公式進行計算。
式中：-開孔壓縮強度，MPa；-破壞載荷，KN；-毛界面面積（忽略孔），mm2。
通過名義孔徑對壓縮強度進行修正。
式中：-修正后的壓縮強度，MPa；-實際孔徑大小，mm；D-名義孔徑大小，mm。
4 試驗結(jié)果及分析
通過試驗，最終得到碳纖維織物和單向帶層板的破壞載荷以及修正后的壓縮強度，濕熱環(huán)境和標(biāo)準環(huán)境疲勞后剩余強度的對比如表3所示。
用ABAQUS對試件進行理論分析，根據(jù)已有的幾何尺寸建立有限元模型，計算得到試驗件的失效模式。理論計算得出破壞載荷與試驗載荷基本一致，碳纖維織物和碳纖維單向帶層板試驗件的基體破壞模式分別如圖2、圖3所示。
試驗結(jié)果及分析可以表明，濕熱環(huán)境對碳纖維復(fù)合材料層板疲勞壽命的影響可以忽略。在碳纖維復(fù)合材料全尺寸疲勞試驗中，可以忽略濕熱環(huán)境對疲勞壽命的影響。
5 結(jié)語和展望
本文針對碳纖維復(fù)合材料層板濕熱環(huán)境下的疲勞性能進行了研究，給出了結(jié)論。對于金屬材料，工程上多采用DFR方法或IQF方法進行疲勞分析。然而，對于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)疲勞分析多是理論模型，缺乏有效的工程計算方法，這將會是復(fù)合材料疲勞分析的重要研究方向。
參考文獻
[1] 杜善義.先進復(fù)合材料與航空航天[J].復(fù)合材料學(xué)報，2007，24（1）：1-12.
[2] 沈軍，謝懷勤.航空用復(fù)合材料的研究與應(yīng)用進展[J].玻璃鋼/復(fù)合材料，2006，（5）：48-52.
[3] Rebecca A.Atadero，Vistasp M.Karbhari，Calibration of resistance factors for reliability based design of externally-bonded FRP composites[J]. Composites Part B，2008（6）：665-679.
[4] Marouani S，Curtil L，Hamelin posites realized by hand lay-up process in a civil engineering environment initial properties and durability[J]. Materials and structures，2008，（6）：831-851.
[5] 張阿櫻，張東興，李紅地，等.碳纖維/環(huán)氧樹脂層壓板疲勞性能研究進展[J].玻璃鋼/復(fù)合材料，2010（6）：70.
[6] 中國航空研究院.復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊[M].北京：航空工業(yè)出版社，2004，6.
第5篇：碳纖維復(fù)合材料范文
1.1Light-Light椅
Light-Light椅（Light-LightChair）是來自意大利知名設(shè)計師阿爾伯特•米達（AlbertoMeda）的構(gòu)想，1984年問世，由意大利家具制造商Alias公司生產(chǎn)，并隨后被紐約當(dāng)代藝術(shù)館收藏。最初，設(shè)計者并未想過要設(shè)計一把椅子。米達的初衷是想將碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用在室內(nèi)設(shè)計上，然而卻發(fā)現(xiàn)椅子恰好是最容易測試材料強度的產(chǎn)品。在Light-Light椅的設(shè)計中，米達選擇一種人造纖維蜂窩板（Nomex）作為芯板，將碳纖維布包覆在芯板外部，并利用環(huán)氧樹脂和模具固定椅子的造型，最終產(chǎn)品的重量僅為1kg，比著名的吉奧•龐蒂(GioPonti)所設(shè)計的由木材和藤條制成的超輕椅還輕0.7kg[5]。
1.2Knotted椅
Knotted椅（KnottedChair）的設(shè)計者是如今炙手可熱的荷蘭設(shè)計師馬賽爾•萬德斯（MarcelWanders），椅子被授權(quán)給意大利家具制造商Cappellini公司從1996年生產(chǎn)至今，被美國、德國、法國以及荷蘭等眾多博物館收藏。1995年萬德斯受到荷蘭品牌DroogDesign與代爾夫特理工大學(xué)（DelftUniversityofTechnology）航空系共同發(fā)起的名為“純粹設(shè)計”的邀請——探索新型復(fù)合材料的設(shè)計可能性。萬德斯從傳統(tǒng)編結(jié)工藝中汲取靈感，先是把外裹人造纖維（Aramid）的碳芯像粗繩一樣打結(jié)，編織成柔軟松沓的網(wǎng)；然后對其進行環(huán)氧樹脂浸漬處理，再將其扯出八角懸掛在框架上構(gòu)建出椅子形態(tài)；最終在80℃下烘干固化，制作出了這把單件重量僅為5kg的座椅。
2碳纖維復(fù)合材料在家具設(shè)計中的表達優(yōu)勢
2.1傳統(tǒng)材料難以達到的超輕質(zhì)量
與傳統(tǒng)材料相比，碳纖維復(fù)合材料最大的特點就是質(zhì)量輕，它的密度僅為鋼材的1/5，鈦合金的1/3，甚至比鋁合金和玻璃鋼還要輕。使用碳纖維復(fù)合材料制造的家具，一方面具有超輕的質(zhì)量，易于組合、搬動和運輸，另一方面，在視覺上也表現(xiàn)出自然輕盈的美感。在日本設(shè)計師鈴木清巳（KiyomiSuzuki）設(shè)計的靠背椅（ChercheMidi）中，我們可以看到她對碳纖維復(fù)合材料“質(zhì)輕”這一特性的完美演繹。這把椅子的重量僅為960g，設(shè)計的靈感是源于微風(fēng)中搖曳著的海芋花的暗影，產(chǎn)品最終既在感觀上突顯了輕巧的體態(tài)，同時又可以使女性使用者保持優(yōu)雅的姿態(tài)；同樣，來自荷蘭的年輕設(shè)計師布拉姆•格南（BramGeenen）設(shè)計的高迪椅（GaudiChair）也僅有1kg的高迪椅。然而這兩件坐具都未因為超輕的質(zhì)量而失去基本的使用功能，反而是更加極致單純的將材料本身的魅力散發(fā)出來，這也許就是碳纖維復(fù)合材料不同于傳統(tǒng)材料的魅力。
2.2超薄構(gòu)件的完美呈現(xiàn)
碳纖維復(fù)合材料具有剛而強的特性，可以將家具的構(gòu)件制作的足夠薄。它的比強度（強度/密度）是高強度鋼、超硬鋁、鈦合金的4倍左右，玻璃鋼的兩倍左右；比模量（模量/密度）是它們的3倍以上。如此形式的家具構(gòu)件不僅節(jié)約用材，還減少了家具的占用空間。家具設(shè)計師特雷斯•伍德格特（TerenceWoodgate）與一級方程式跑車的設(shè)計師約翰•巴納德（JohnBarnard）共同合作，制作了具有超薄構(gòu)件的桌子（SurfaceTable）（圖9）。正如我們所看到的，采用碳纖維增強樹脂制造的桌面板僅有2mm厚，從側(cè)面水平視角我們幾乎看不到桌子的框架，但它卻足以承托長達3m的桌面；類似的，在另一件來自澳大利亞的餐桌（StealthTable）設(shè)計中，桌面邊緣的厚度也僅為6mm。從這兩張桌子中，我們可以感受到超薄構(gòu)件流暢而精致的線條所帶來的獨特的品質(zhì)感與科技感。
2.3超大尺度懸臂的輕松實現(xiàn)
碳纖維復(fù)合材料的拉伸強度、彎曲強度都遠高于普通家具材料。利用這一特性，家具的部件在一定空間內(nèi)可以大尺度的延伸而不彎折。在2009年的TokyoFiber群展上，日本現(xiàn)代建筑師青木淳（JunAoki）展示了他設(shè)計的超大尺度懸臂聚光燈（ThinBeamLamp），燈體采用日本東麗產(chǎn)碳纖維（Torayca）制作，其中懸臂的燈板全長達6米；與之類似的還有意大利OlympusFRP公司推出的書架（Aliante），同樣是由碳纖維復(fù)合材料制成，書架每一層的擱板以垂直中心為軸向兩側(cè)展開，長達2.7m。這樣的兩件家具，均通過恰到好處的材料特性表達——超大尺度懸臂，為用戶提供更大范圍的使用空間。
2.4靈動多變的曲線造型
碳纖維布是碳纖維復(fù)合材料家具制作的原材料之一，它具有布匹的柔軟特質(zhì)和極強的可設(shè)計性，在三維空間里可以任意的扭曲，所以設(shè)計者可根據(jù)自己的想法，用線或面等單純的元素賦予碳纖維布輕巧靈動的造型，再使之與樹脂膠合固化，達到預(yù)想的創(chuàng)意。獨立設(shè)計品牌AdeleCassina推出了一款獨具特色的座椅（DipintaDiBlu），椅子中靠背有著非對稱的線條輪廓，椅腿則做無規(guī)律螺旋扭曲，造型中曼妙的曲線將哥特式藝術(shù)品的設(shè)計風(fēng)格凸顯的淋漓盡致[8]；而在洛杉磯Synperia工作室推出的首款座椅（ErgonNomosChair）中，我們同樣可以看到碳纖維復(fù)合材料所展現(xiàn)的婀娜多姿的曲線，這款椅子的背部造型貼合自然的人體脊背曲線，呈現(xiàn)出輕薄流暢的體態(tài)。在上面的作品中，靈動的造型為產(chǎn)品帶來朝氣和生命力，材料也因此表達到極致，也許這就是這么多新興設(shè)計師和崇尚時尚的藝術(shù)家對碳纖維復(fù)合材料著迷的原因之一吧。
2.5柔韌可編織的單元結(jié)構(gòu)
碳纖維復(fù)合材料也能以繩束的形式表現(xiàn)在家具結(jié)構(gòu)中，其中這種類型的復(fù)合材料大多是窄的碳纖維布或是碳纖維束通過與樹脂膠合固化而制成的。因為繩束特殊的柔韌性和可編織性，使得制作的家具既現(xiàn)代又不失工藝感。有感于碳纖維布在建筑結(jié)構(gòu)補強中的應(yīng)用，日本設(shè)計師佐藤大（OkiSato）在白色泡沫板上穿插一段一段的碳纖維布，使其原本無形無強度的框架顯現(xiàn)出來，成了可以支撐的坐具（VisibleStructures）；而來自西班牙的設(shè)計師哈維爾•莫雷諾•貝奈托（JavierMorenoBeneyto）則從自然界的蠶繭汲取靈感，用碳纖維束纏繞在金屬框架上，仿生設(shè)計出清新自然的座椅（SilkChair）。從上述作品中我們可以看出，這一材料特性給予了設(shè)計者更多的創(chuàng)意空間和樂趣，同時也豐富了碳纖維復(fù)合材料家具的造型，材料的柔韌可編制的特性總是以不同的巧妙方式表現(xiàn)出來。
2.6豐富艷麗的色彩表現(xiàn)
通過與樹脂復(fù)合，碳纖維材料擺脫了傳統(tǒng)的黑色，可以擁有各種靚麗的色彩。在工業(yè)生產(chǎn)中，碳纖維材料本身為黑色，但可以與其他彩色纖維材料混紡，制造出多色的碳纖維布及其復(fù)合材料；此外，黑色的碳纖維布與彩色樹脂膠合，也可以制備出各種顏色的碳纖維復(fù)合材料。將以上兩種制備方式應(yīng)用在碳纖維家具制作上，可獲得各種不同顏色的碳纖維家具。瑞典家具品牌Lisar為GulfOilLtd公司設(shè)計了一款碳纖維座椅（GulfCH.AIR），座椅的靠背和座面以清新的天藍色和靚麗的橙色搭配，鮮亮而富有活力，很容易讓人聯(lián)想到賽車運動。碳纖維復(fù)合材料可以通過靈活的工藝獲得豐富的色彩表達，這也為材料本身在家具上更廣泛的應(yīng)用提供了可能性（圖18）。
2.7與木材結(jié)合可改善表面裝飾性能
碳纖維增強木材在建筑上應(yīng)用已久，隨后設(shè)計師們發(fā)現(xiàn)在家具的結(jié)構(gòu)中也可以用類似的形式表現(xiàn)。確切的說，木材天然的紋理用以裝飾家具的表面，碳纖維優(yōu)良的力學(xué)性能用以結(jié)構(gòu)支撐。設(shè)計師保羅•勒巴赫（PaulLoebach）所制作的沃森桌（WatsonTable）就是最好的例證。從這件家具中，我們可以看到，它既表現(xiàn)了木材自然的紋理和觸感，又同時擁有輕巧而堅固的結(jié)構(gòu)，而桌子腿部的彎曲造型是木材單板與碳纖維增強樹脂膠通過特殊的模具復(fù)合制成的[10]，最終成為我們眼前的這件家具。
3結(jié)論
第6篇：碳纖維復(fù)合材料范文
通知提到，經(jīng)過三年努力，要初步建立碳纖維及其復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)體系，碳纖維的工業(yè)應(yīng)用市場初具規(guī)模。聚丙烯腈（PAN）原絲、高強型碳纖維的產(chǎn)品質(zhì)量接近國際先進水平，高強型碳纖維單線產(chǎn)能產(chǎn)量達到千噸級并配套原絲產(chǎn)業(yè)化制備，高強中模型碳纖維實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，高模型和高強高模型碳纖維突破產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)；擴大碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用市場，基本滿足國家重點工程建設(shè)和市場需求；碳纖維知識產(chǎn)權(quán)創(chuàng)建能力顯著提升，專利布局明顯加強；碳纖維生產(chǎn)集中度進一步提高。到2020年，我國碳纖維技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)化能力和綜合競爭能力達到國際水平。碳纖維品種規(guī)格齊全，基本滿足國民經(jīng)濟和國防科技工業(yè)對各類碳纖維及其復(fù)合材料產(chǎn)品的需求；初步形成2-3家具有國際競爭力的碳纖維大型企業(yè)集團以及若干創(chuàng)新能力強、特色鮮明、產(chǎn)業(yè)鏈完善的碳纖維及其復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)。
通知還提到，拓展碳纖維行業(yè)下游應(yīng)用：
保障國家重大工程需求。圍繞航空航天、軍事裝備、重大基礎(chǔ)設(shè)施等領(lǐng)域?qū)Ω叨颂祭w維產(chǎn)品的性能要求，建立完善上下游一體化協(xié)作機制，保障供應(yīng)性能優(yōu)越、質(zhì)量穩(wěn)定的碳纖維產(chǎn)品。完成碳纖維復(fù)合材料在民用航空航天領(lǐng)域關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用驗證，達到適航要求。加快碳纖維復(fù)合材料在跨海大橋、人工島礁等重大基礎(chǔ)設(shè)施中的示范應(yīng)用。
第7篇：碳纖維復(fù)合材料范文
關(guān)鍵詞 碳纖維復(fù)合材料；輕質(zhì)人造路面；工藝設(shè)計；研制
中圖分類號U416 文獻標(biāo)識碼A 文章編號 1674-6708（2014）113-0185-03
The Development of Carbon Fiber Stiffener’s Applicationin Light Artificial Pavement
LI JIAN
NanJing Huayi Graphite Fiber Products Company
Abstract The key roles of weight-bearing and expanding of carbon fiber reinforced plastics (CFRP) compositestiffener in the artificial pavement application are addressed. Specification for design， overall planning， systemcompositions， technical parameters and key arts of CFRP stiffener are described in detail. The key points in thewhole program such as quality control， reliability， standardization as well as the scientific criterions for processesoptimization and equipment selection are also introduced. By following these guidelines， the developed CFRP stiffenerscompletely achieved the goals of design.
Keywords CFRP;the light artificial pavement;technology design;development
0 引言
當(dāng)前，我國在現(xiàn)代工程裝備器材上，仍面臨器材少、局限性大等問題，就其當(dāng)車輛面臨沙灘、沙泥灘、淺軟地等地基時，更是缺少有效克服對車輛阻滯障礙的器材。
根據(jù)國內(nèi)外該種裝備技術(shù)狀況的實際與需求，分析現(xiàn)有路面的優(yōu)缺點，我們利用高強聚酯工業(yè)長絲、E綸長絲和芳綸纖維混合編織；碳纖維、玻璃纖維與環(huán)氧樹脂復(fù)合等工藝方式，研制出一種新型輕質(zhì)剛?cè)釓?fù)合路面裝備。該裝備中，首次采用復(fù)合材料制作的路面支撐桿，在路面體內(nèi)緩解和分散受重壓力、防止路面變形移位、車輪下沉打滑等核心問題上，起到了至關(guān)重要的作用。充分滿足了利用人工搬運、空投、舟艇和車輛等運輸方式，同時滿足可人工鋪設(shè)、機械化作業(yè)、輕便靈活的設(shè)計要求。
1 復(fù)合材料支撐桿設(shè)計指標(biāo)
1）鋪設(shè)方式：人工鋪設(shè)和機械化作業(yè)；
2）整體路面承載受重：履帶式25噸級，輪式10 噸級；
3）適應(yīng)條件：沙灘、沙泥灘、淺軟地等地基，0.6m水深內(nèi)，地基承載力≮8.9N/cm2；
4）單條路面支撐桿總重量：≤45kg；
5）整套作業(yè)可機械鋪設(shè)：≥180m；（因為每條路面兩頭均可縱向?qū)?，所以鋪設(shè)總長度可根據(jù)實際需要調(diào)整）；
6）支撐桿長度：≥4m；
7）支撐桿適應(yīng)溫度：-20℃~60 ℃；
8）支撐桿破壞彎曲半徑R：350mm；
9）支撐桿抗彎強度：≥1000Mpa；
10）支撐桿耐腐蝕能力：耐酸、堿和耐海水。
2 輕質(zhì)剛?cè)崧访嬖O(shè)計方案
碳纖維、硼纖維、凱夫拉纖維、碳化硅纖維、氧化鋁纖維是當(dāng)今公認的5大增強纖維，就其綜合性能而言，在制造纖維增強復(fù)合材料中，碳纖維位于5大增強纖維之首，是近幾十年來發(fā)展成熟；且在多項高科技領(lǐng)域里廣泛運用的一種新材料。碳纖維復(fù)合材料同時擁有著：強度和模量高；耐疲勞性能強；質(zhì)量輕等其他材料無法替代的特性，尤其做為結(jié)構(gòu)材料，復(fù)合材料的優(yōu)良特性能更得以充分體，現(xiàn)被世界許多國家廣泛使用在第四代戰(zhàn)機、隱形戰(zhàn)艦、航天飛機、火箭和大型客機。環(huán)氧樹脂是具耐腐蝕和力學(xué)性能都比較突出的熱固性塑料材料。通常以碳纖維紗和環(huán)氧樹脂為基體制成復(fù)合材料。用這種方式制成的輕質(zhì)剛?cè)崧访嬷螚U具有：抗彎強度、剛性高和質(zhì)輕等特點，使路面體既能承載受重，防止變形移位和車輪下沉打滑，又滿足了人工搬運、空投、舟艇和車輛等運輸方式。同時具備人工鋪設(shè)、機械化作業(yè)、輕便靈活的設(shè)計要求，還可以與其他復(fù)合材料混合使用，使整個由支撐桿撐起的路面體具有良好的緩沖、減震、抗履刺咬噬等破壞的能力。參照以往多次在實驗室模擬和現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)，擬定了：三層疊加結(jié)構(gòu)支撐桿和單根矩形截面支撐桿兩種結(jié)構(gòu)進行性能測試與對比。
方案1：多層疊加結(jié)構(gòu)支撐桿
支撐桿根據(jù)承載需要，承載結(jié)構(gòu)可以由2層或2層以上具備韌性與剛層材料復(fù)合而成。本結(jié)構(gòu)選用復(fù)合材料剛性層的寬度為26mm，厚度為4mm，剛性層數(shù)為3 層；韌性層復(fù)合材料厚度為5mm，柔性層數(shù)為單數(shù)。
方案2：矩形截面支撐桿結(jié)構(gòu)
矩形截面支撐桿是用單向連續(xù)碳纖維，以環(huán)氧樹脂為基體，經(jīng)過環(huán)氧樹脂浸漬后，再經(jīng)過擠拉設(shè)備，在設(shè)定的模具溫度和運行速度下固化成型。矩形支撐桿截面采用：28（寬）×14（厚） mm，柔韌層材料包覆在支撐桿外層。
包覆在支撐桿外的韌性層，可使用連續(xù)玻璃纖維氈增強聚丙烯，或性能類似的熱塑性工程塑料[6]，可以克服履刺的咬噬破壞。
剛性材料層，主要起支撐、承重的作用。即為碳纖維復(fù)合材料支撐桿片。可以設(shè)想，在松軟沙灘和泥濘環(huán)境路基條件下，車體沉降一般較大，而碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料支撐桿的破壞延伸率約為1.5%，單一截面結(jié)構(gòu)極易造成形變破壞，利用多層疊加結(jié)構(gòu)，通過層間的滑動，可以有效降低疊加結(jié)構(gòu)的層間剪切力，從而相對的提高其變形能力，使路面具有更穩(wěn)定的整體抗沉降性。支撐桿外由塑膠材料包覆，除了可以克服履刺的咬噬破壞外，在路面體縫制過程中，可使支撐桿在混合編織的路面內(nèi)腔里順暢通過，提高生產(chǎn)效率與質(zhì)量。
三兩種支撐桿性能對比：
方案比較（見表1），表中數(shù)據(jù)是上述各方案制成不同截面的支撐桿，在跨距為220mm極端受力條件下，通過力學(xué)性能測試取得的。經(jīng)過在沙灘和沙泥松軟實地通載試驗考核，多層疊加結(jié)構(gòu)支撐桿既能通過輪式車輛也能通過履帶式車輛，而矩形加支撐桿變能力較差，通載輪式車輛時迅速且連鎖發(fā)生折斷破壞。因此，我們采納方案1。
指標(biāo)對比 彎曲破壞負荷kg 彎曲破壞半徑mm 彎曲破壞延長率% 支撐性 抗履刺破壞 通載試驗結(jié)果
方案1 104 276 2.92 較好 好 支撐桿損壞較少，
通載順利
方案2 748 866 1.86 好 較好 在通載一定臺次后，發(fā)生破壞性連鎖斷裂
表1 兩種支撐桿性能比較
3 主要技術(shù)參數(shù)設(shè)定的說明
按照單片支撐桿重量
載重10噸輪式制式車輛的車輪半徑為500mm，減去車輛底盤附件距離地面最大高度，可通行的最大深度為300mm。
在路面體內(nèi)起著支撐、承載作用的復(fù)合材料支撐桿，其破壞形式主要是由彎曲形變破壞，我們通過求取和比較彎曲半徑來設(shè)定多層疊加結(jié)構(gòu)支撐桿厚度，實驗結(jié)果顯示，三層疊加結(jié)構(gòu)復(fù)合材料支撐桿承載后，車輪兩側(cè)變形距離為350mm。計算得出其彎曲半徑R2=(350)2-(R-300)2=354mm，遠大于276mm的計算破壞彎曲半徑；同時，三層疊加結(jié)構(gòu)復(fù)合材料支撐桿破壞延伸率2.92%；大于方案2矩形截面支撐桿中1.86%的延伸率測試值。因此設(shè)定三層疊加結(jié)構(gòu)支撐桿完全符合設(shè)計理念；并滿足性能要求。
4 支撐桿中剛性與柔韌性性能的解決方案
與其他工程材料相比，碳纖維復(fù)合材料支撐桿具有突出的力學(xué)強度和模量，但其延長率相對較低。作為路面體內(nèi)支撐桿，路面器材承受車輛通行的碾壓，在動態(tài)負荷下的路面體，尤其是復(fù)合材料支撐桿，必然發(fā)生一定彎曲形變。因此，怎樣有效合理兼顧剛性材料的柔韌性性能，合理提高支撐桿整體延伸率，是設(shè)計制造支撐桿首要解決的問題，也是實驗成功與否的關(guān)鍵。我們利用多層多層疊加結(jié)構(gòu)方式，通過層間的滑動，大大消除了結(jié)構(gòu)層間的剪切力，支撐桿和路面體結(jié)構(gòu)的延伸率得到變相地提高，使得車輪即使達到最大下陷深度，支撐桿也不會發(fā)生因形變過大而被破壞。完全滿足輕質(zhì)剛?cè)崧访娴闹饕阅芘c指標(biāo)。
采用方案1生產(chǎn)，我們在多年復(fù)合材料生產(chǎn)中，對該類材料的拉擠、搓卷和模壓成型技術(shù)已熟練掌握，產(chǎn)品生產(chǎn)保障安全、平穩(wěn)、可靠，這次的多層疊加結(jié)構(gòu)更具創(chuàng)新性。
5 質(zhì)量與性能的控制
產(chǎn)品質(zhì)是企業(yè)的生命，是企業(yè)永續(xù)經(jīng)營的基石。在開始設(shè)計初期，我們就嚴格按照ISO9001:2008國際質(zhì)量體系的要求，同時參照國軍標(biāo)、國部標(biāo)和行業(yè)標(biāo)準，對主輔材料的甄選測試、設(shè)計方案的反復(fù)推敲、工藝流程多種配合、文件編制層級分類、配套管理中的人員培訓(xùn)等各環(huán)節(jié)實施監(jiān)控，確保項目的研制水平、質(zhì)量性能全面達到設(shè)計要求。
首先，在材料的甄選標(biāo)準上，按照國際標(biāo)準、國標(biāo)、國軍標(biāo)、部標(biāo)和行業(yè)標(biāo)準依次執(zhí)行。碳纖維是主要用來制作剛性材料，碳纖維紗的抗拉強度≥3200MPa。支撐桿外包覆柔性材質(zhì)為：熱塑性連續(xù)玻璃纖維氈增強聚丙烯緩沖片，該產(chǎn)品密度低、總量輕、比強度高、耐腐蝕、抗沖擊；已被廣泛用于汽車、艦船、建筑等多個機械工程領(lǐng)域，質(zhì)量穩(wěn)定可靠。提供原料和產(chǎn)品的生產(chǎn)廠家，不但需具有國際質(zhì)量體系標(biāo)準保證的企業(yè)，同時我們又參照路面性能設(shè)計要求，逐一制定了更為細致嚴格的檢驗和驗收標(biāo)準。
在技術(shù)參數(shù)與資料的選擇使用上，明確圖樣細則；編號程序；分類標(biāo)準。采用我們已使用掌握且可控的生產(chǎn)技術(shù)與工藝，可以充分提高產(chǎn)品的可靠性。特別是在抗彎強度上，給予了一定的調(diào)整控制范圍。
支撐桿作為輕質(zhì)剛?cè)崧访嫫鞑牡囊粋€主要部件，是由碳纖維復(fù)合材料制成，一旦發(fā)生斷裂，一般不可維修只可更換。
6 質(zhì)量與可靠性的控制
支撐桿試制和生產(chǎn)中，需要制訂詳細的工藝方式；生產(chǎn)流程和質(zhì)量保證等詳細標(biāo)準，尤其對人員培訓(xùn)，要求全體員工掌握相應(yīng)的工作技能、職業(yè)道德，采用全方位監(jiān)控，從而確保產(chǎn)品質(zhì)量和性能。
每當(dāng)各種原料采購和入庫時，需按廠家提供和我們特定的標(biāo)準，進行認真對比篩選和檢驗驗收。對確需更換或替代的材料，以及需變動的工藝設(shè)定參數(shù)，必須與設(shè)計、配套單位一起，反復(fù)論證和比對，每一次變動都由專人作好記錄，并留樣保存。
工廠嚴格按照設(shè)計規(guī)定的工藝文件、工藝流程進行生產(chǎn)，對于生產(chǎn)過程和產(chǎn)品質(zhì)量做到：可操作、可控制、可追尋。
主要拉擠設(shè)備的性能測試，采用國標(biāo)所規(guī)定的測試方法。生產(chǎn)和測試設(shè)備，須經(jīng)工廠、設(shè)備制造商和第三方相關(guān)專業(yè)機構(gòu)檢定合格后方可使用。
7 工藝方案的確定
以碳纖維紗和環(huán)氧樹脂為基體，一次性高溫復(fù)合擠拉成型所制成的復(fù)合材料支撐桿，涉及高分子化學(xué)、復(fù)合材料學(xué)、機械設(shè)計等領(lǐng)域。制成碳纖維復(fù)合材料單片，再將數(shù)個單片與緩沖材料固定疊加；捆扎打磨，組成一組完整的復(fù)合材料支撐桿。
單片支撐桿工藝流程為：導(dǎo)紗、配膠、浸漬、預(yù)熱、預(yù)成型、分段成型、拉伸牽引、檢驗、備用。參照《關(guān)重件、特種崗位設(shè)制細則》及現(xiàn)場工藝要求，將浸漬配膠和加熱成型為2個關(guān)鍵工序。整束浸膠、牽引拉擠、切割打磨為3個重要特種崗位和質(zhì)量控制點。
同于復(fù)合材料拉擠成型的一般形式，碳纖維支撐桿單片是在成型模具內(nèi)經(jīng)過分段加熱固化成型的，要保證樹脂充分反應(yīng)；使之完全固化成型，在模具溫度設(shè)定時，一要避免分段加熱區(qū)域和過度區(qū)域溫度設(shè)制不合理、不穩(wěn)定，反應(yīng)過速造成粘模死機；或者反應(yīng)不充分、固化不完全，造成碳纖維單片強度過低等現(xiàn)象。二要控制調(diào)整好擠拉速度，使碳纖維紗束進入模腔后，樹脂充分反應(yīng)正好在反應(yīng)區(qū)域內(nèi)完成。擠拉速度過快，會造成反應(yīng)不完全充分；產(chǎn)品強度低的現(xiàn)象；速度過慢又會造成卡模死機。
復(fù)合材料擠拉成型時，我們一般將紗束、膠槽、模具分成六個不同的溫控區(qū)域：抽濕干燥區(qū)、保溫區(qū)、預(yù)熱區(qū)、加熱區(qū)、凝膠區(qū)、固化區(qū)。
抽濕干燥區(qū)、對碳纖維紗架區(qū)域一般控制在20℃~40℃；濕度保持在40%~55%，濕度過大對產(chǎn)品成型有影響。
保溫區(qū)：是對樹脂膠槽根據(jù)不同環(huán)境溫度予以溫度調(diào)控，保證樹脂浸漬效果最充分完全。
預(yù)熱區(qū)：根據(jù)不同季節(jié)，生產(chǎn)所在環(huán)境溫度和濕度調(diào)整，一般設(shè)定在55℃~85℃范圍內(nèi)。起到減少紗束進入模具的溫度差；降低紗束表面樹脂的粘度而加速浸漬；進入加熱區(qū)入口處，可將束間空氣隨多余樹脂擠出。
1）加熱階段溫度設(shè)定為：110℃±1℃，環(huán)氧樹脂在該溫度下開始進入加速化學(xué)反應(yīng)；
2）反應(yīng)階段溫度設(shè)定為：135℃±3℃，環(huán)氧樹脂凝膠化反應(yīng)在此階段完成，并開始加速固化；
3）固化階段溫度設(shè)定為：120℃±5℃，環(huán)氧樹脂得以充分固化。
加強桿件是由3 層碳纖維單片和1 層緩沖片，疊加組合、捆扎固定而成。碳纖維單片之間，有著很好的滑動性。當(dāng)加強桿受到外來壓力時，可以通過單片之間滑動，有效地消除和降低剪切破壞。這種具有層間滑動的結(jié)構(gòu)，是通過對不同截面、不同組合的碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料棒、管、片的大量受力試驗中選優(yōu)而來的。不但體現(xiàn)了碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料質(zhì)量輕、強度高、耐腐蝕等特點，同時避免了碳纖維加強桿在外力作用下的剛性破壞。
8 拉擠成型的設(shè)備選型
生產(chǎn)碳纖維復(fù)合材料片的設(shè)備，主要考慮在行業(yè)中已成熟的技術(shù)。熱處理臺，長900mm~1000mm，寬400mm~560mm，內(nèi)設(shè)6 組2kW的加熱電路板，用于環(huán)氧樹脂在磨具里的固化成型。加熱臺溫控區(qū)域一般分成3個部分，每個區(qū)域的溫度需穩(wěn)定在設(shè)定值±2℃范圍內(nèi)。投入生產(chǎn)之前，需對加熱電路板、機械運行機構(gòu)進行全面的檢驗，確保設(shè)備運行能力滿足碳纖維片的生產(chǎn)技術(shù)要求。
浸膠槽。又稱膠槽，是根據(jù)生產(chǎn)過程而專門量身定制的。既滿足碳纖維束能在樹脂中充分浸漬，又能滿足膠槽內(nèi)樹脂使用完的時間，同時要考慮在特殊情況下，可不停機的便捷更換與清洗，防止樹脂在浸膠槽內(nèi)沉積、凝膠而造成成型失敗。
成型模具應(yīng)在規(guī)定的使用周期內(nèi)，經(jīng)常檢查保養(yǎng)，尤其注意檢查模具內(nèi)腔磨損、損傷情況。測量截面尺寸是否在產(chǎn)品設(shè)計允許范圍內(nèi)。
計量、檢驗器具應(yīng)是檢驗合格產(chǎn)品，主要是：稱重、長度、寬度、平直度和直線度的計量。
9 結(jié)論
我們對碳纖維復(fù)合材料輕質(zhì)人造路面經(jīng)過多種地基承載和車輛負載等條件設(shè)定，輪式和履帶車輛做了大量混合通載試驗，掌握了設(shè)計要求；生產(chǎn)過程中，嚴格遵守各項工藝制度，遵循細節(jié)決定成敗的理念，不放過任何一點細小的變化與變動，使碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料加強桿完全達到預(yù)定指標(biāo)，加之其他配套工廠的共同努力，輕質(zhì)人造路面整體研制項目順利通過鑒定，并獲得多項技術(shù)專利，榮獲軍隊科技進步二等獎。我國工程器材裝備中首次使用如此大量的碳纖維復(fù)合材料，受到復(fù)合材料領(lǐng)域人們的廣泛關(guān)注，這種新裝備器材的研制成功，填補了我國在該領(lǐng)域的一項空白，它將在國防軍事、搶險賑災(zāi)、車輛自救等特定條件下發(fā)揮重要作用。
參考文獻
[1]葛曷一.聚丙烯腈原絲與碳纖維結(jié)構(gòu)相關(guān)研究[D].山東：山東大學(xué)，2007.
[2]呂紅紅.PAN基碳纖維預(yù)氧化過程中的結(jié)構(gòu)演變和動力分析[D].北京：北京化工大學(xué)，2010.
[3]賀福.碳纖維及其應(yīng)用技術(shù)[M].北京：化工工業(yè)出版社，2010.
[4]賀福.碳纖維及石墨纖維[M].北京：化工工業(yè)出版社，2010.
第8篇：碳纖維復(fù)合材料范文
復(fù)合材料是指由兩種或兩種以上不同物質(zhì)以不同方式組合而成的材料，它可以發(fā)揮各種材料的優(yōu)點，克服單一材料的缺陷，擴大材料的應(yīng)用范圍。由于復(fù)合材料具有重量輕、強度高、加工成型方便、彈性優(yōu)良、耐化學(xué)腐蝕和耐候性好等特點，已逐步取代木材及金屬合金，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、電子電氣、建筑、健身器材等領(lǐng)域，在近幾年更是得到了飛速發(fā)展。
隨著科技的發(fā)展，樹脂與玻璃纖維在技術(shù)上不斷進步，生產(chǎn)廠家的制造能力普遍提高，使得玻纖增強復(fù)合材料的價格成本已被許多行業(yè)接受，但玻纖增強復(fù)合材料的強度尚不足以和金屬匹敵。因此，碳纖維、硼纖維等增強復(fù)合材料相繼問世，使高分子復(fù)合材料家族更加完備，已經(jīng)成為眾多產(chǎn)業(yè)的必備材料。目前全世界復(fù)合材料的年產(chǎn)量已達550多萬噸，年產(chǎn)值達1300億美元以上，若將歐、美的軍事航空航天的高價值產(chǎn)品計入，其產(chǎn)值將更為驚人。從全球范圍看，世界復(fù)合材料的生產(chǎn)主要集中在歐美和東亞地區(qū)。近幾年歐美復(fù)合材料產(chǎn)需均持續(xù)增長，而亞洲的日本則因經(jīng)濟不景氣，發(fā)展較為緩慢，但中國尤其是中國內(nèi)地的市場發(fā)展迅速。據(jù)世界主要復(fù)合材料生產(chǎn)商PPG公司統(tǒng)計，2000年歐洲的復(fù)合材料全球占有率約為32%，年產(chǎn)量約200萬噸。與此同時，美國復(fù)合材料在20世紀90年代年均增長率約為美國GDP增長率的2倍，達到4%~6%。2000年，美國復(fù)合材料的年產(chǎn)量達170萬噸左右。特別是汽車用復(fù)合材料的迅速增加使得美國汽車在全球市場上重新崛起。亞洲近幾年復(fù)合材料的發(fā)展情況與政治經(jīng)濟的整體變化密切相關(guān)，各國的占有率變化很大?？傮w而言，亞洲的復(fù)合材料仍將繼續(xù)增長，2000年的總產(chǎn)量約為145萬噸，預(yù)計2005年總產(chǎn)量將達180萬噸。
從應(yīng)用上看，復(fù)合材料在美國和歐洲主要用于航空航天、汽車等行業(yè)。2000年美國汽車零件的復(fù)合材料用量達14.8萬噸，歐洲汽車復(fù)合材料用量到2003年估計可達10.5萬噸。而在日本，復(fù)合材料主要用于住宅建設(shè)，如衛(wèi)浴設(shè)備等，此類產(chǎn)品在2000年的用量達7.5萬噸，汽車等領(lǐng)域的用量僅為2.4萬噸。不過從全球范圍看，汽車工業(yè)是復(fù)合材料最大的用戶，今后發(fā)展?jié)摿θ允志薮螅壳斑€有許多新技術(shù)正在開發(fā)中。例如，為降低發(fā)動機噪聲，增加轎車的舒適性，正著力開發(fā)兩層冷軋板間粘附熱塑性樹脂的減振鋼板；為滿足發(fā)動機向高速、增壓、高負荷方向發(fā)展的要求，發(fā)動機活塞、連桿、軸瓦已開始應(yīng)用金屬基復(fù)合材料。為滿足汽車輕量化要求，必將會有越來越多的新型復(fù)合材料將被應(yīng)用到汽車制造業(yè)中。與此同時，隨著近年來人們對環(huán)保問題的日益重視，高分子復(fù)合材料取代木材方面的應(yīng)用也得到了進一步推廣。例如，用植物纖維與廢塑料加工而成的復(fù)合材料，在北美已被大量用作托盤和包裝箱，用以替代木制產(chǎn)品；而可降解復(fù)合材料也成為國內(nèi)外開發(fā)研究的重點。
另外，納米技術(shù)逐漸引起人們的關(guān)注，納米復(fù)合材料的研究開發(fā)也成為新的熱點。以納米改性塑料，可使塑料的聚集態(tài)及結(jié)晶形態(tài)發(fā)生改變，從而使之具有新的性能，在克服傳統(tǒng)材料剛性與韌性難以相容的矛盾的同時，大大提高了材料的綜合性能。
樹脂基復(fù)合材料的增強材料
樹脂基復(fù)合材料采用的增強材料主要有玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維等。
1、玻璃纖維
目前用于高性能復(fù)合材料的玻璃纖維主要有高強度玻璃纖維、石英玻璃纖維和高硅氧玻璃纖維等。由于高強度玻璃纖維性價比較高，因此增長率也比較快，年增長率達到10%以上。高強度玻璃纖維復(fù)合材料不僅應(yīng)用在軍用方面，近年來民用產(chǎn)品也有廣泛應(yīng)用，如防彈頭盔、防彈服、直升飛機機翼、預(yù)警機雷達罩、各種高壓壓力容器、民用飛機直板、體育用品、各類耐高溫制品以及近期報道的性能優(yōu)異的輪胎簾子線等。石英玻璃纖維及高硅氧玻璃纖維屬于耐高溫的玻璃纖維，是比較理想的耐熱防火材料，用其增強酚醛樹脂可制成各種結(jié)構(gòu)的耐高溫、耐燒蝕的復(fù)合材料部件，大量應(yīng)用于火箭、導(dǎo)彈的防熱材料。迄今為止，我國已經(jīng)實用化的高性能樹脂基復(fù)合材料用的碳纖維、芳綸纖維、高強度玻璃纖維三大增強纖維中，只有高強度玻璃纖維已達到國際先進水平，且擁有自主知識產(chǎn)權(quán)，形成了小規(guī)模的產(chǎn)業(yè)，現(xiàn)階段年產(chǎn)可達500噸。
2、碳纖維
碳纖維具有強度高、模量高、耐高溫、導(dǎo)電等一系列性能，首先在航空航天領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，近年來在運動器具和體育用品方面也廣泛采用。據(jù)預(yù)測，土木建筑、交通運輸、汽車、能源等領(lǐng)域?qū)笠?guī)模采用工業(yè)級碳纖維。1997~2000年間，宇航用碳纖維的年增長率估計為31%，而工業(yè)用碳纖維的年增長率估計會達到130%。我國的碳纖維總體水平還比較低，相當(dāng)于國外七十年代中、末期水平，與國外差距達20年左右。國產(chǎn)碳纖維的主要問題是性能不太穩(wěn)定且離散系數(shù)大、無高性能碳纖維、品種單一、規(guī)格不全、連續(xù)長度不夠、未經(jīng)表面處理、價格偏高等。
3、芳綸纖維
20世紀80年代以來，荷蘭、日本、前蘇聯(lián)也先后開展了芳綸纖維的研制開發(fā)工作。日本及俄羅斯的芳綸纖維已投入市場，年增長速度也達到20%左右。芳綸纖維比強度、比模量較高，因此被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域的高性能復(fù)合材料零部件（如火箭發(fā)動機殼體、飛機發(fā)動機艙、整流罩、方向舵等）、艦船（如航空母艦、核潛艇、游艇、救生艇等）、汽車（如輪胎簾子線、高壓軟管、摩擦材料、高壓氣瓶等）以及耐熱運輸帶、體育運動器材等。
4、超高分子量聚乙烯纖維
超高分子量聚乙烯纖維的比強度在各種纖維中位居第一，尤其是它的抗化學(xué)試劑侵蝕性能和抗老化性能優(yōu)良。它還具有優(yōu)良的高頻聲納透過性和耐海水腐蝕性，許多國家已用它來制造艦艇的高頻聲納導(dǎo)流罩，大大提高了艦艇的探雷、掃雷能力。除在軍事領(lǐng)域，在汽車制造、船舶制造、醫(yī)療器械、體育運動器材等領(lǐng)域超高分子量聚乙烯纖維也有廣闊的應(yīng)用前景。該纖維一經(jīng)問世就引起了世界發(fā)達國家的極大興趣和重視。
5、熱固性樹脂基復(fù)合材料
熱固性樹脂基復(fù)合材料是指以熱固性樹脂如不飽和聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、乙烯基酯樹脂等為基體，以玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維等為增強材料制成的復(fù)合材料。環(huán)氧樹脂的特點是具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、電絕緣性、耐腐蝕性、良好的粘接性能和較高的機械強度，廣泛應(yīng)用于化工、輕工、機械、電子、水利、交通、汽車、家電和宇航等各個領(lǐng)域。1993年世界環(huán)氧樹脂生產(chǎn)能力為130萬噸，1996年遞增到143萬噸，1997年為148萬噸，1999年150萬噸，2003年達到180萬噸左右。我國從1975年開始研究環(huán)氧樹脂，據(jù)不完全統(tǒng)計，目前我國環(huán)氧樹脂生產(chǎn)企業(yè)約有170多家，總生產(chǎn)能力為50多萬噸，設(shè)備利用率為80%左右。酚醛樹脂具有耐熱性、耐磨擦性、機械強度高、電絕緣性優(yōu)異、低發(fā)煙性和耐酸性優(yōu)異等特點，因而在復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)的各個領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。1997年全球酚醛樹脂的產(chǎn)量為300萬噸，其中美國為164萬噸。我國的產(chǎn)量為18萬噸，進口4萬噸。乙烯基酯樹脂是20世紀60年展起來的一類新型熱固性樹脂，其特點是耐腐蝕性好，耐溶劑性好，機械強度高，延伸率大，與金屬、塑料、混凝土等材料的粘結(jié)性能好，耐疲勞性能好，電性能佳，耐熱老化，固化收縮率低，可常溫固化也可加熱固化。南京金陵帝斯曼樹脂有限公司引進荷蘭Atlac系列強耐腐蝕性乙烯基酯樹脂，已廣泛用于貯罐、容器、管道等，有的品種還能用于防水和熱壓成型。南京聚隆復(fù)合材料有限公司、上海新華樹脂廠、南通明佳聚合物有限公司等廠家也生產(chǎn)乙烯基酯樹脂。
1971年以前我國的熱固性樹脂基復(fù)合材料工業(yè)主要是軍工產(chǎn)品，70年代后開始轉(zhuǎn)向民用。從1987年起，各地大量引進國外先進技術(shù)如池窯拉絲、短切氈、表面氈生產(chǎn)線及各種牌號的聚酯樹脂（美、德、荷、英、意、日）和環(huán)氧樹脂（日、德）生產(chǎn)技術(shù)；在成型工藝方面，引進了纏繞管、罐生產(chǎn)線、拉擠工藝生產(chǎn)線、SMC生產(chǎn)線、連續(xù)制板機組、樹脂傳遞模塑(RTM)成型機、噴射成型技術(shù)、樹脂注射成型技術(shù)及漁竿生產(chǎn)線等，形成了從研究、設(shè)計、生產(chǎn)及原材料配套的完整的工業(yè)體系，截止2000年底，我國熱固性樹脂基復(fù)合材料生產(chǎn)企業(yè)達3000多家，已有51家通過ISO9000質(zhì)量體系認證，產(chǎn)品品種3000多種，總產(chǎn)量達73萬噸/年，居世界第二位。產(chǎn)品主要用于建筑、防腐、輕工、交通運輸、造船等工業(yè)領(lǐng)域。在建筑方面，有內(nèi)外墻板、透明瓦、冷卻塔、空調(diào)罩、風(fēng)機、玻璃鋼水箱、衛(wèi)生潔具、凈化槽等；在石油化工方面，主要用于管道及貯罐；在交通運輸方面，汽車上主要有車身、引擎蓋、保險杠等配件，火車上有車廂板、門窗、座椅等，船艇方面主要有氣墊船、救生艇、偵察艇、漁船等；在機械及電器領(lǐng)域如屋頂風(fēng)機、軸流風(fēng)機、電纜橋架、絕緣棒、集成電路板等產(chǎn)品都具有相當(dāng)?shù)囊?guī)模；在航空航天及軍事領(lǐng)域，輕型飛機、尾翼、衛(wèi)星天線、火箭噴管、防彈板、防彈衣、魚雷等都取得了重大突破。
熱塑性樹脂基復(fù)合材料
熱塑性樹脂基復(fù)合材料是20世紀80年展起來的，主要有長纖維增強粒料(LFP)、連續(xù)纖維增強預(yù)浸帶(MITT)和玻璃纖維氈增強型熱塑性復(fù)合材料(GMT)。根據(jù)使用要求不同，樹脂基體主要有PP、PE、PA、PBT、PEI、PC、PES、PEEK、PI、PAI等熱塑性工程塑料，纖維種類包括玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維和硼纖維等一切可能的纖維品種。隨著熱塑性樹脂基復(fù)合材料技術(shù)的不斷成熟以及可回收利用的優(yōu)勢，該品種的復(fù)合材料發(fā)展較快，歐美發(fā)達國家熱塑性樹脂基復(fù)合材料已經(jīng)占到樹脂基復(fù)合材料總量的30%以上。
高性能熱塑性樹脂基復(fù)合材料以注射件居多，基體以PP、PA為主。產(chǎn)品有管件（彎頭、三通、法蘭）、閥門、葉輪、軸承、電器及汽車零件、擠出成型管道、GMT模壓制品（如吉普車座椅支架）、汽車踏板、座椅等。玻璃纖維增強聚丙烯在汽車中的應(yīng)用包括通風(fēng)和供暖系統(tǒng)、空氣過濾器外殼、變速箱蓋、座椅架、擋泥板墊片、傳動皮帶保護罩等。
滑石粉填充的PP具有高剛性、高強度、極好的耐熱老化性能及耐寒性?；墼鰪奝P在車內(nèi)裝飾方面有著重要的應(yīng)用，如用作通風(fēng)系統(tǒng)零部件，儀表盤和自動剎車控制杠等，例如美國HPM公司用20%滑石粉填充PP制成的蜂窩狀結(jié)構(gòu)的吸音天花板和轎車的搖窗升降器卷繩筒外殼。
云母復(fù)合材料具有高剛性、高熱變形溫度、低收縮率、低撓曲性、尺寸穩(wěn)定以及低密度、低價格等特點，利用云母/聚丙烯復(fù)合材料可制作汽車儀表盤、前燈保護圈、擋板罩、車門護欄、電機風(fēng)扇、百葉窗等部件，利用該材料的阻尼性可制作音響零件，利用其屏蔽性可制作蓄電池箱等。
我國的熱塑性樹脂基復(fù)合材料的研究開始于20世紀80年代末期，近十年來取得了快速發(fā)展，2000年產(chǎn)量達到12萬噸，約占樹脂基復(fù)合材料總產(chǎn)量的17%，，所用的基體材料仍以PP、PA為主，增強材料以玻璃纖維為主，少量為碳纖維，在熱塑性復(fù)合材料方面未能有重大突破，與發(fā)達國家尚有差距。
我國復(fù)合材料的發(fā)展?jié)摿蜔狳c
我國復(fù)合材料發(fā)展?jié)摿艽?，但須處理好以下熱點問題。
1、復(fù)合材料創(chuàng)新
復(fù)合材料創(chuàng)新包括復(fù)合材料的技術(shù)發(fā)展、復(fù)合材料的工藝發(fā)展、復(fù)合材料的產(chǎn)品發(fā)展和復(fù)合材料的應(yīng)用，具體要抓住樹脂基體發(fā)展創(chuàng)新、增強材料發(fā)展創(chuàng)新、生產(chǎn)工藝發(fā)展創(chuàng)新和產(chǎn)品應(yīng)用發(fā)展創(chuàng)新。到2007年，亞洲占世界復(fù)合材料總銷售量的比例將從18%增加到25%，目前亞洲人均消費量僅為0.29kg，而美國為6.8kg，亞洲地區(qū)具有極大的增長潛力。
2、聚丙烯腈基纖維發(fā)展
我國碳纖維工業(yè)發(fā)展緩慢，從CF發(fā)展回顧、特點、國內(nèi)碳纖維發(fā)展過程、中國PAN基CF市場概況、特點、“十五”科技攻關(guān)情況看，發(fā)展聚丙烯腈基纖維既有需要也有可能。
3、玻璃纖維結(jié)構(gòu)調(diào)整
我國玻璃纖維70%以上用于增強基材，在國際市場上具有成本優(yōu)勢，但在品種規(guī)格和質(zhì)量上與先進國家尚有差距，必須改進和發(fā)展紗類、機織物、無紡氈、編織物、縫編織物、復(fù)合氈，推進玻纖與玻鋼兩行業(yè)密切合作，促進玻璃纖維增強材料的新發(fā)展。
4、開發(fā)能源、交通用復(fù)合材料市場
一是清潔、可再生能源用復(fù)合材料，包括風(fēng)力發(fā)電用復(fù)合材料、煙氣脫硫裝置用復(fù)合材料、輸變電設(shè)備用復(fù)合材料和天然氣、氫氣高壓容器；二是汽車、城市軌道交通用復(fù)合材料，包括汽車車身、構(gòu)架和車體外覆蓋件，軌道交通車體、車門、座椅、電纜槽、電纜架、格柵、電器箱等；三是民航客機用復(fù)合材料，主要為碳纖維復(fù)合材料。熱塑性復(fù)合材料約占10%，主要產(chǎn)品為機翼部件、垂直尾翼、機頭罩等。我國未來20年間需新增支線飛機661架，將形成民航客機的大產(chǎn)業(yè)，復(fù)合材料可建成新產(chǎn)業(yè)與之相配套；四是船艇用復(fù)合材料，主要為游艇和漁船，游艇作為高級娛樂耐用消費品在歐美有很大市場，由于我國魚類資源的減少、漁船雖發(fā)展緩慢，但復(fù)合材料特有的優(yōu)點仍有發(fā)展的空間。
5、纖維復(fù)合材料基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用
國內(nèi)外復(fù)合材料在橋梁、房屋、道路中的基礎(chǔ)應(yīng)用廣泛，與傳統(tǒng)材料相比有很多優(yōu)點，特別是在橋梁上和在房屋補強、隧道工程以及大型儲倉修補和加固中市場廣闊。
6、復(fù)合材料綜合處理與再生
第9篇：碳纖維復(fù)合材料范文
計劃要求在產(chǎn)業(yè)推進發(fā)展進程中不忘轉(zhuǎn)型升級，并鼓勵骨干企業(yè)開展跨地區(qū)、跨所有制的聯(lián)合重組，力爭到2020年前5家生產(chǎn)集中度提高至70%以上。
鼓勵發(fā)展高技術(shù)碳纖維材料。加快高強型GQ4522級碳纖維產(chǎn)業(yè)化建設(shè)步伐，掌握碳纖維預(yù)浸料制備、復(fù)合材料構(gòu)件設(shè)計與制造、產(chǎn)品性能評價等關(guān)鍵技術(shù)；有效集成單體聚合、纖維成型、氧化碳化、表面處理等關(guān)鍵工藝技術(shù)，逐步實現(xiàn)高強中模型、高模型、高強高模型等系列品種產(chǎn)業(yè)化。
抑制低水平重復(fù)建設(shè)。原則上不鼓勵新建高強型GQ3522級碳纖維生產(chǎn)線，新建高強型GQ4522級碳纖維產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)裝置單套能力應(yīng)不低于1000噸/年。噸聚丙烯腈原絲產(chǎn)品消耗丙烯腈不高于1.1噸，噸碳纖維產(chǎn)品消耗聚丙烯腈原絲不高于2.1噸。
計劃提出，圍繞航空航天、軍事裝備、重大基礎(chǔ)設(shè)施等領(lǐng)域?qū)Ω叨颂祭w維產(chǎn)品的性能要求，建立完善上下游一體化協(xié)作機制，保障供應(yīng)性能優(yōu)越、質(zhì)量穩(wěn)定的碳纖維產(chǎn)品。完成碳纖維復(fù)合材料在民用航空航天領(lǐng)域關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用驗證，達到適航要求。加快碳纖維復(fù)合材料在跨海大橋、人工島礁等重大基礎(chǔ)設(shè)施中的示范應(yīng)用。