時間：2022-02-21 19:47:04
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇碳纖維復合材料，希望這些內容能成為您創作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。
本文以碳纖維增強熱塑性樹脂基復合材料為研究對象，對相關的概念和內容進行了梳理和總結。其中概括了碳纖維的性質性能，對復合材料的概念進行了闡述，最后對碳纖維增強熱塑性樹脂基復合材料的力學性能作了詳盡的分析說明。
1.關于碳纖維增強熱塑性樹脂基復合材料的概述
⑴復合材料的概念：面對傳統、單一組分的材料已經難以滿足現在應用需要的現實狀況，開發研制新材料，是解決這個問題的根本途徑。運用對材料改性的方法，來改善材料的性能是可取的。而材料改性的方法中，復合是最為常見的一種。國際標準化組織對于復合材料的概念有明確的界定：復合材料是指由兩種或兩種以上不同化學性質和物理性質的物質組成的混合固體材料。它的突出之處在于此復合材料的特定性能優于任一單獨組分的性能。⑵復合材料的分類簡介：復合材料的有幾種分類，這里不作一一介紹。只介紹兩種與本論文相關的類別劃分。如果以基體材料分類，復合材料有金屬基復合材料；陶瓷基復合材料；碳基復合材料；高分子基復合材料。本文討論的是最后一種高分子基復合材料，它是以有機化合物包括熱塑性樹脂、熱固性樹脂、橡膠為基體制備的復合材料。第二，如果按增強纖維的類別劃分，就存在有機纖維復合材料、無機纖維復合材料、其他纖維復合材料。其中本文討論的對象屬于無機纖維復合材料這一類別，因為碳纖維就是無機纖維復合材料的其中一種。特別值得注意的是，當兩種或兩種以上的纖維同時增強一個基體，制備成的復合材料叫做混雜纖維復合材料。實質上是兩種或兩種以上的單一纖維材料的互相復合，就成了復合材料的“復合材料”。
2.纖維增強樹脂基復合材料的性能特點
纖維增強樹脂基復合材料是指以高分子聚合物為基體材料，用纖維作增強材料復合制備而成的。基體材料和增強材料必然各自發揮自己的優勢作用。之所以用纖維作增強材料是因為纖維具有高強度和高模量的優點，所以是承載體的“不二人選”。而采用高分子聚合物作基體材料，是考慮其良好的粘接性能，可以將纖維和基體牢固的粘連起來。不僅僅如此，基體還需發揮均勻分散載荷的作用，通過界面層，將載荷傳遞到纖維，從而使纖維承受剪切和壓縮的載荷。當兩者存在良好的復合狀態，并且使結構設計趨于最佳化，就能最大程度上發揮復合材料的綜合性能。⑴抗疲勞性能好：所謂疲勞破壞指的是材料在承受交變負荷時，形成裂縫繼續擴大而引起的低應力破壞。纖維增強樹脂基復合材料的疲勞破壞的發生過程是，首先出現裂縫，繼而裂紋向進一步擴大的趨勢發展，直到被基體和纖維的界面攔阻。在此過程中，纖維的薄弱部位最先被破壞，隨之逐漸擴延到結合面。因此，纖維增強樹脂基復合材料在疲勞破壞前存在明顯的征兆，這與金屬材料的疲勞發生截然不同。這也是它的抗疲勞性能好的具體表現。⑵高溫性能好：纖維增強樹脂基復合材料具有很好的耐熱性能。將材料置于高溫中，表面分解、氣化，在吸熱的同時又冷卻下來。材料在高溫下逐漸消失的同時，表面又有很高的吸熱效率。這些都是材料高溫性能卓越的物理特征。⑶高比強度和比模量：纖維增強樹脂基復合材料具有高比強度和高比模量的特征。甚至在和鋼、鋁、鈦等金屬材料相比，它的力學性能也十分出色。這種材料在宇航工業中，受到極大的應用。⑷安全性能好：纖維增強樹脂基復合材料中分布的纖維數量巨大，并且密度強，用數據來說明的話，每平方厘米的復合材料上的纖維數量少則幾千根，多則達到上萬根。即便材料超負荷，發生少量纖維的斷裂情況，載荷也會進行重新分配，著力在尚未斷裂的纖維部分。因此，短時間內，不會影響到整個構件的承載能力。⑸設計的可操作性強：當復合材料需要符合性能和結構的設計需求時，可以通過很多方法來實現。包括改變基體和纖維的品種，調整它們的含量比例，也可以通過調整纖維的層鋪結構和排列方式來實現。因此，可以說，纖維增強樹脂基復合材料有很強的設計可操作性。⑹成型工藝簡單易成：成型工藝過程十分簡單易成，因其制品大多都是整體成型，無需使用到焊接、切割等二次加工，工藝流程簡單好操作。一次性成型不僅可以減少加工的時間，同時減少了零部件、緊固件、接頭的損耗，使結構更趨于輕量化。⑺減震性能好：高的自振頻率可以對工作狀態下的早期破壞起到規避和防范的作用。自振頻率和材料比模量的平方根成正比，和材料結構也息息相關。纖維增強樹脂基復合材料的基體界面和纖維因為具有吸振能力，所以能夠起到很好的減震效果。
3.碳纖維增強熱塑料樹脂基復合材料中碳纖維的性質
⑴對纖維的分類：纖維存在有機纖維和無機纖維之分。增強纖維共有五大類別，分別是：硼纖維、碳纖維、碳化硅纖維、氧化鋁纖維以及芳綸纖維。除最后一種芳綸纖維以外，其他四種都屬于無機纖維。碳纖維是五大纖維之冠，是增強纖維中最有活力的一種。碳纖維復合材料種類很多，但是應用最廣泛的還要屬碳纖維增強樹脂基復合材料。⑵碳纖維的性質和性能：碳纖維是纖維狀的碳素材料，它的性質包括導熱、導電、耐溫、耐磨、比重小且耐腐蝕性等。除此之外，它的性能也相當突出，具有熱膨脹系數小、抗震動衰減、自性以及防原子輻射等。因為碳纖維的纖維屬性，因此可以對其編制加工，纏繞成型。利用纖維狀直徑細的特點，是制成復合材料雜曲面構件部件的絕佳材料。碳纖維能夠成為最有活力的增強纖維，它密度低，抗拉伸強度可以和玻璃纖維比肩，而碳纖維的彈性模量卻是后者的4到5倍。在惰性氣氛中，碳纖維的抗拉強度隨溫度的升高而攀升，表現出極佳的性能。因此，不得不說碳纖維是復合材料增強纖維的首選。⑶碳纖維的力學性質：碳纖維的力學性質主要通過軸向抗拉模量來體現。當熱處理溫度上升，碳纖維的模量隨之攀升。細直徑纖維在預氧化過程中，發生碳化，產生很多排列整齊的餓表皮結構。這些結構對碳纖維模量的增加又起到推波助瀾的作用，促使它的模量進一步提高。碳纖維模量的變化趨勢以施加負荷的方式作為判別標準，不是隨應變的增加而增加，就是隨應變的增加而下降，無非是這兩種情況。
4.纖維增強熱塑性樹脂基復合材料的力學性能研究
【關鍵詞】復合材料 混合模式 彎曲試驗 聲發射
1 前言
隨著碳纖維復合材料在高壓容器，航空航天等領域應用的逐漸深入，復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]。層合復合材料的層間結合較弱，分層敏感性成為許多先進復合材料的主要弱點[4-9]。因此，評價復合材料抵抗分層的能力問題倍受人們關注。本文研究了典型的碳/環氧復合材料的Ⅰ/ Ⅱ混合模式分層行為和層間斷裂韌性，同時采用美國PAC公司的聲發射設備進行全過程采集聲發射信號，并對如計數，能量等參量及波形進行了分析，結合材料的力學性能討論了復合材料損傷行為與AE信號特征的對應關系，為AE技術在復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
試驗采用浙江大學提供的碳纖維[0/90]4s復合材料，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，形成預制分層。
2.2 試驗設備及方法
采用MTS 810型材料試驗機對試樣進行加載，速率為1mm/min。聲發射儀為PAC的 samos-48，AE參數設置為峰值定義時間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 力學性能分析
試樣在加載過程中，缺口側預制分層逐漸張開，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調性，層間存在剪切應力。
研究表明此碳纖維復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； 當載荷超過到層間剪切的臨界值，層間發生微觀錯動； 有一個微弱的非線性過程b（95-160s），期間分層間纖維，粘結面不斷受張開拉力，剪切力陸續斷裂，此刻宏觀觀測到層間已發生相對錯動，預制薄膜分層逐漸張開，載荷略有下降。此后發展著一個可控制的穩定的分層擴展過程c，即位移繼續增加，分層平穩地張開，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）持續產生中等能量的撞擊，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制薄膜分層逐漸張開，部分短纖維束，粘結劑受剪切力，張開拉力等因素陸續斷裂，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、時間-能量關系圖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，通過拐點可判斷試樣的受力狀態及分層內部的活動狀態。
圖4？時間-計數-能量曲線
復合材料混合模式分層的聲發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域。Ⅰ區為小于50dB的低幅值、低能量，能量與持續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域能量較小，幅值很低，信號單一。Ⅱ區為能量與持續時間成正比的，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？持續時間--能量―幅值曲線
4 結論
（1）通過力學性能測試發現碳纖維復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測其內部活躍情況，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）聲發射信號曲線與力學性能曲線有一致的對應關系和吻合，通過對撞擊信號深入分析可有效的判斷材料內部分層的轉換拐點，內部活躍程度，分層模式，為材料性能研究提供有力的理論支持。
參考文獻
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本文重點介紹了碳纖維增強鋁基復合材料及復合材料的制備方法；介紹了影響真空壓力浸滲工藝的工藝參數：溫度、浸滲壓力及真空度。最后，闡述了該復合材料的應用價值。
關鍵詞：鋁基復合材料；碳纖維；真空壓力浸滲
Abstract:
This paper introduces the carbon fibre reinforced aluminum composite materials and the preparation method of composite materials; Introduced the influence vacuum pressure alumetizing technology process parameters: the temperature, pressure and vacuum alumetizing. Finally, this paper expounds the application of the composite material value.
Keywords: aluminum composite materials; Carbon fiber; Vacuum pressure alumetizing
中圖分類號：TU74文獻標識碼：A 文章編號：
一、背景
近年來，隨著汽車工業、航空宇航、電子通訊技術的飛速發展，要求作為這些行業基礎的材料除具有高強度、高模量、耐高溫等基礎性能外，還對材料的比重、韌性、耐磨、耐蝕、光電等性能提出了更多種要求。
對于單一材料來說往往不能很好的滿足諸多性能的要求，就需要把不同性能的材料組合起來，制備成復合材料，使的材料間取長補短。復合材料是用經過選擇的、含一定數量比的兩種及兩種以上組分或組元，通過人工復合，組成多相、三維結合且各相之間有明確界面的，具有特殊性能的材料[1]。復合材料的最大優點是材料的性能具有可設計性。材料的設計自由度高，所以進展迅猛。
金屬基復合材料(Metal Matrix Composites，簡稱MMCs)除了具有高比強度、高比模量和低熱膨脹系數等特點外，還有能耐更高溫度、防燃、橫向強度和剛度高、不吸潮、高導熱與導電率，抗輻射性能好、在使用時不放出氣體等優點，顯示了樹脂基復合材料不可比擬的特點，因此得到了國內外研究者的高度重視，尤其是受到航空航天部門的青睞[2,3]。
碳纖維增強金屬基復合材料具有很高的比強度和比模量，是航空航天等對構件質量要求苛刻的高技術領域理想的結構材料[2]。近年來，伴隨著高性能碳纖維的出現，以及因產量擴大而成本降低，對碳纖維增強鋁基復合材料的制備及應用受到廣泛重視[4]。
二、 碳纖維增強鋁基復合材料
1、碳纖維
碳纖維是一種碳含量超過90%的纖維狀碳材料，碳纖維同時具有高比強度、高比模量、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、抗蠕變、導電、傳熱和熱膨脹系數小等一系列優異性能[9]。常用的碳纖維按原絲來源可分為粘膠纖維、PAN基(聚丙烯腈)纖維和瀝青纖維。粘膠纖維的強度低、楊氏模量也低，但是由于成本低，仍然用于某些復合材料的制造[7]。PAN基碳纖維性能較好，但價格較高，主要用于對性能要求極高的航空航天領域。瀝青類碳纖維與PAN基碳纖維相比，具有一定的價格優勢，在汽車、機械電子等領域顯示出較好的應用前景[8]。
2、碳纖維增強鋁基復合材料
近年來在金屬基復合材料領域，鋁基復合材料的發展尤為迅速。這不僅因為它具有一系列優點，而且因為在世界范圍內有豐富的資源，加之可用常規設備和工藝加工成型和處理，因而制備和生產鋁基復合材料比其他金屬基復合材料更為經濟，易于推廣和應用。
目前，制備Cf/Al復合材料的基體鋁合金主要選用Al-Mg-Si系和Al-Cu-Mg系等可熱處理強化的合金。最新應用的防銹鋁LF6，系鎂含量高的Al—Mg合金，可焊性、抗蝕性良好，強度中低，冷變形可提高強度，適于制造中載構件，液體容器、管道等零件。
三、 Cf/Al復合材料的制備工藝
碳纖維增強鋁基復合材料的制造方法[8]主要有:
1、 熔融浸潤法
用液態鋁及鋁合金浸潤纖維束，使每根纖維被熔融金屬潤濕后除去多余的金屬而得到復合絲，再經擠壓而制得復合材料。其缺點是熔融鋁及鋁合金可能會對纖維性能造成損傷。
2、 擠壓鑄造法
使熔融鋁及鋁合金強制壓入內置纖維預制件的固定模腔，壓力一直施加到凝固結束，使金屬液態到凝固均處于高壓下。擠壓鑄造法因高壓改善了金屬熔體的浸潤性，所制得復合材料的增強纖維與鋁及鋁合金間的反應最小，沒有空隙和縮孔等常規鑄造缺陷。
3、擴散粘結法
鋁箔與經表面處理后浸潤鋁液的碳纖維絲或復合絲或單層板按規定的次序疊層，在真空或惰性氣體條件下經高溫加壓擴散粘結成型以得到鋁基復合材料的制造方法。
4、 粉末冶金法
采用等離子噴濺法在排列好的增強纖維上噴涂金屬鋁粉，或把金屬鋁粉分散在丙烯酸樹脂進行涂敷，制成預制板，將其交替重疊后在真空或氬氣中，在接近鋁熔點溫度下加壓燒結以獲得纖維增強鋁基復合材料。
5、 真空壓力浸滲法
采用真空壓力浸漬法時, 先將放入模具內的增強預成型體抽真空，然后施加壓力將熔融的金屬液體壓入模具內復合，冷卻后得到制件。
該方法雖然存在設備昂貴及工件尺寸有限的缺點，但對小型制件而言，卻有不少可取之處，因為除了有增強體的范圍大、制品質量好的優點外，還可以實現近似無余量成型，特別適合于復雜精密的制件[2]。
四、真空壓力浸滲的工藝參數
Cf/Al復合材料的真空壓力浸滲工藝參數主要有：
1、 浸滲溫度
浸滲溫度，是真空壓力浸滲工藝中重要的工藝參數。整個制備過程中，對溫度的選擇，決定了材料成型后，纖維的界面反應情況。如果浸滲溫度過高，容易造成纖維與基體的高溫界面反應，生成大量的界面反應物Al4C3脆性相，基體與增強體界面結合過強;浸滲溫度過低，界面反應雖然有所減緩，但是鋁熔液在浸滲過程中會快速冷卻到鋁凝固點以下，導致材料復合失敗。
2、浸滲壓力
浸滲壓力是真空壓力浸滲工藝中另外一個重要的工藝參數，浸滲壓力決定了金屬浸滲纖維預制塊的過程，并影響最終復合材料的致密度。
3、真空度
材料制備過程的真空度，決定了最終復合材料中增強體纖維的氧化受損程度，對復合材料的最終性能具有重要意義。
五、 Cf/Al復合材料應用前景
碳纖維增強鋁基復合材料具有高強度和高模量，其密度小于鋁合金，模量卻比鋁合金高2~4倍，因此用復合材料制成的構件具有質量輕、剛性好、可用最小的壁厚做成結構穩定的構件，提高設備容量和裝載能力，可用于航天飛機、人造衛星、高性能飛機等方面。以飛機質量為例，飛機機身質量約占起飛質量的50%，燃料占25%，只有25%留作負載。如果將輕量且高強度的Cf/Al復合材料用機的制造，只要使其質量減少10%，那么有效負載就增加20%。作為最經濟高效的飛機結構件減重增效的途徑，Cf/Al復合材料在飛機結構件上的應用正趨擴大。
用Cf/Al復合材料制成的導航系統和航天天線，可有效地提高其精度；用碳纖維增強鋁基復合材料制成的衛星拋物面天線骨架，熱膨脹系數低、導熱性好，可在較大溫度范圍內保持其尺寸穩定，使衛星拋物面天線的增益效率提高4倍，同時還顯著減輕了結構的質量。
隨著研究探索的深入，除了率先在宇航、航空和兵器中得到應用，在民用工業中的應用也日漸增多，廣泛地應用機構件、汽車發動機零件、滑動部件、計算機集成電路的封裝材料以及電子設備的基板等方面[8]。
近年來，碳纖維增強鋁基復合材料的發展特別迅速，因為在世界范圍有豐富的鋁資源和高性能碳纖維的出現及碳纖維成本的降低，所以纖維增強鋁基復合材料的制備和加工比其它金屬基復合材料更為經濟，易于推廣和應用，受到人們的普遍重視。
Cf/Al復合材料的成本主要來自原材料和制備帶來的成本，在航天飛行器中，所使用的材料每降低一公斤，發射成本就降低1萬美元。因此，只要進一步地降低其研究費用、提高其價格/性能比，高比強的Cf/Al復合材料將具有非常廣闊的前景。
參考文獻
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關鍵詞：碳纖維增強塑料；再生碳纖維；回收再生技術
中圖分類號：TQ342+.74 文獻標志碼：A
Technology Development of Recovery & Reuse of Carbon Fiber Composite
Abstract： The current R&D situation of recycling carbon fiber reinforced plastic （CFRP） wastes was illustrated in this article， in terms of several relative technologies and processes introduced by universities； research institutes and companies abroad. Furthermore， some suggestions on how to develop domestic technologies of recycling carbon fibers from CFRP wastes and reuse them were put forward.
Key words： carbon fiber reinforced plastic （CFRP）； reused carbon fiber； recycling technology
1 前言
所謂碳纖維復合材料廢棄物的回收再生或再利用主要是針對碳纖維增強塑料（CFRP）而言，因為根據調查它已占碳纖維市場的90%以上，隨著CFRP在航空航天、大型風電葉片、土木建筑、新能源和清潔能源（電池部件、壓縮天然氣和氫氣瓶、太陽能柜架）、汽車、傳統能源（油井抽油桿、海上油田平臺、煤礦刮板機）、高鐵和貨物列車、船舶、日用電器、機械及體育用品等領域應用的迅速擴大，其廢棄物的回收再利用技術的開發和產業化已迫在眉睫。其中碳纖維增強熱塑性樹脂（CFRTP）可通過制成切片再利用，而碳纖維增強熱固性樹脂的回收是有難度的。
CFRP的碳纖維回收技術始于本世紀初，要取得穩定的回收材料并不容易。目前除利用熔礦爐的熱源進行熱再生已實用化外，面向混凝土補強材料的碳纖維回收也進入實用化階段。然而，為滿足人們對構筑循環型社會的迫切期待，需研發出高水平的碳纖維回收技術。以下分別介紹近年來一些大學、科研院所和企業在碳纖維復合材料回收方面的技術開發現狀。
2 全球主要碳纖維回收企業及其技術介紹
2.1 東麗、東邦Tenax和三菱麗陽公司
據統計，目前東麗、東邦Tenax和三菱麗陽這 3 家日本頂級的聚丙烯腈基碳纖維（PAN-CF）企業的碳纖維產量占據全球小絲束PAN-CF的70%左右，產品分別應用機、汽車等一般產業和體育休閑用品中，隨著其廢棄物的日益增多，必須聯合開發回收技術。另一方面，在碳纖維的生產過程中，會排放出溫室效應氣體（CO2），需通過擴大CFRP的應用領域來實現更多的節能減排。為此，當務之急是盡快確立CFRP的回收技術。
關于碳纖維再生技術的開發，早在2006年日本通產省就通過其補助的“碳纖維再生技術的實證研究開發”課題在福岡縣大牟田市內建設了中試廠，自2009年起得到了福岡縣和大牟田市的資助，從而可作為碳纖維協會的活動內容，并積極從事基礎技術開發。通過研究，取得了可控制所回收碳纖維長度、并可除去金屬雜質和樹脂殘渣量低的再生碳纖維技術，從而達到了碳纖維協會的開發目標，并于2013年底終止了協會活動。為此由上述 3 家PAN-CF企業接力，設立了“碳纖維再生技術開發組合”，以進一步深化該回收技術，以期實現產業化。
JFCC與大同大學等的共同研究組合，找到了由CFRP廢材回收碳纖維并可大幅提高與樹脂粘合性的再生技術，無需使用上漿劑，從而實現了高效和低成本的回收再生。
以往由于碳纖維與樹脂的粘合性差，通常需要通過氧化劑刻蝕處理后，再于碳纖維表面涂覆上漿劑（集束劑）方能使用，而其他由廢CFRP回收碳纖維的技術，也需要進行再生碳纖維的表面處理，造成成本較高。而JFCC的方法由于經過含氮氣的過熱蒸汽處理，得到了雙重效果，即過熱蒸汽處理使碳纖維表面的酸度增加了，且表面增加了氫氧基，使之與樹脂的吸附活性點增加，而添加氮氣使碳纖維表面的堿度上升，使之與樹脂的粘合性大增，而且隨著處理溫度的上升，碳纖維與樹脂的粘合性也提高，在700 ℃以上進行處理時，可以達到與市售的經上漿劑處理的碳纖維同等的粘合水平。目前JFCC已銷售該熱處理設備。
2.3 碳纖維再生工業公司
位于日本岐阜縣美濃加茂市的碳纖維再生工業公司（CFRI）創立了熱解法由廢CFRP回收碳纖維的獨有技術，其特點是以廢料燃燒時所產生的熱分解氣作為碳纖維回收工程的熱源，從而可比以往的方法節約 6 成的能源，而所回收的碳纖維強度可達原生碳纖維的80%以上。目前該回收產品已應用于汽車部件，可實現整車減重20%以上。
再生過程是通過碳化爐和燒成爐兩段燒成而得，可原封不動地回收長纖維，該回收系統所回收的碳纖維產能約為60 t/a。
在碳化工程中，將CFRP廢料加入密閉容器中，并將容器外側加熱，使廢材分解。最初用燈油燃燒加熱，到400 ℃前后塑料發生氣化，通過配管將該氣導出，在燃燒器中與氧混合燃燒，利用產生的氣體加熱產生氣體的循環，達到用廢材自身的能量進行加熱設計，而且當混合燃燒開始時，燈油燃燒器隨即停止，如圖 1 所示。
一般來說，CFRP中碳纖維與樹脂的比例約為1∶1，碳纖維再生工業公司注意到樹脂燃燒釋放的卡路里較高，從而開發了利用廢材自身所持有的能量進行碳纖維再生的節能技術。最初碳化工程所需的能量為每回收 1 kg碳纖維需15.3 MJ（非焦耳），而通過使用熱蒸汽使密閉容器內的溫度均勻等手段，現已使能耗下降至6.71 MJ。
CFRP廢材燃燒時，可得到表面覆有殘留碳的碳纖維，在隨后的燒成工序中，需將溫度調高至碳纖維表面上僅殘留適度的碳，這樣所得碳纖維的強度較高。若燒成溫度再高一些，就可完全除去殘留碳，目前以480 ℃燒成 3 h最為合適。
2.4 西門子中央研究院
西門子中央研究院采用溶劑分解回收的方法，由廢CFRP部件中回收碳纖維。據介紹，所用溶劑不會破壞環境，所需能量比制造新的碳纖維要少得多，而且能回收CFRP中的碳纖維織物或纖維等原形，以便進一步加工成新的CFRP制品，并幾乎保留原有的力學性能。具體方法是在200 ℃和水的存在下對CFRP廢材施壓并進行加熱，使其中的樹脂轉化成低相對分子質量的水溶性醇類。
2.5 德國寶馬和美國波音公司
2012年德國寶馬（BMW）汽車公司和美國波音飛機公司達成了共同研發碳纖維回收再生技術的協議，內容包括制造技術秘密共享等，并致力于自動化過程的研究。
如所周知，這兩家公司都在積極從事CFRP制品的生產，其中波音公司采用約50%CFRP的B-787飛機已經實現商業化運行，目前月產 7 架，而BMW公司于2013年下半年開始銷售兩款使用了CFRP部件已批量生產的車型 —— BMW i3和BMW i8。因此，對這兩公司而言，研發可連續化的碳纖維回收技術和方法，成了不可回避的課題。
2.6 華東理工大學和波音公司
華東理工大學和波音公司最近簽署了利用太陽能從熱固型CFRP廢材中回收碳纖維的合作開發協議，旨在研發出一條低能耗并能由大尺寸CFRP廢材部件高效回收碳纖維的方法，以改進現有回收技術普遍存在能耗大、二次污染以及難以或無法得到連續有序的再生碳纖維的方法。
2.7 德國RWTH Aachen大學紡織技術研究所
德國RWTH Aachen大學紡織技術研究所利用碳粗紗（6 ～ 24 K，單絲直徑 7 μm）生產過程產生的廢絲以及卷曲或非卷曲碳纖維織物切割時產生的邊角料，研發出了 3種碳廢絲的切割裝置（圖 2）及其空氣動力學非織造布的生產技術，由它可連續生產再生碳纖維非織造布。
該所同時還對上述 3 種不同切割裝置所生產的短切碳纖維（圖 3，纖維長度>15 mm）提出了碳纖維長度的測定和表征方法。其中切割機（圖2（a））法中，在切割機的轉子上裝有易替換的刀片和外罩，可以15 m/s的高速度運行，這些葉片相互略有傾斜，以達到斜向切割，可制成30 mm和60 mm等長度；單軸切碎機（圖2（b））法中，切割機以 5 ～ 10 m/s的速度中速運行，由一個活塞推動進口廢絲朝轉子方向行進，轉子上裝有易替換的切割齒，當超載時轉子會自動反轉，可制成60 mm等長度的纖維；旋轉剪切機（圖2（c））法中，切割機以0.3 ～ 0.8 m/s的速度低速運行，其兩軸相連，因此靠本身的旋轉剪切力就可供入原料，每個軸上裝有幾個切割盤，再生碳纖維在兩個相對的切盤間被切割，當出現超載時，雙軸會自動反轉。
試驗結果表明，單軸切碎機和旋轉剪切機都適于生產較短的短切纖維，但會產生大量粉塵；而切割機法適合生產較長的纖維，且粉塵量少。圖 4 所示為采用切割機所生產的碳纖維長度的表征結果。通過比較可以發現，纖維的平均長度和標準偏差值取決于所使用的測試方法和切割進程。這兩種方法均顯示出有所差別和較高的標準偏差及離散系數，而人工法（DIN）卻顯示出較大的纖維平均長度及較小的長度偏差。實驗證明，經第一切割周期后，不同纖維樣品的平均長度變化較大（樣品 1 ～ 3），但經切割 3 ～ 5次后（樣品 4 ～ 11）則趨于均勻，但標準偏差仍居高位。
總之，切割機法最適于由碳纖維粗紗的廢品制取短纖維。
2.8 德國薩克森紡織研究所（STFI）等
STFI從事對碳纖維和CFRP生產過程中所產生的多種廢料等的再利用研究，并將回收的碳纖維應用于加工非織造布。其研究的再生碳纖維可充分保持原有特性，并以長度50 ～ 100 mm的形式加以利用。同時該所還開展用碳纖維正品與再生碳纖維形成共混網材的技術研發，以提高綜合使用性能、耐變形性能和耐破裂強度等。
德國Thuringen纖維塑料研究所（TITK）則研發將切碎的碳纖維加工形成網材的技術。
CFK Valley Stade Recycling公司也表示，將熱處理后的再生碳纖維切割成10 mm后就可用梳棉機制成網材。試驗結果表明，還可使用長度100 mm的碳纖維正品與30 mm的再生碳纖維加工形成共混網材。
Bonding工程公司曾報道，采用該公司的Maliwatt針刺結合法也可有效形成短切碳纖維網，即在梳棉工序就可形成由100%長50 ～ 100 mm的碳纖維正品與30 mm長的再生碳纖維制成的共混網材，它可作為CFRP的基礎材料。由該工序所形成的再生碳纖維所制成的CFRP，已確認可應用于以往的多個領域，但在汽車領域，考慮到安全因素，只限于內裝的坐席和轎車車尾的行李廂中。
2.9 其他
日立化成開發了采用常壓溶解法由CFRP廢料回收再生碳纖維的技術，信州大學開發了利用氧化物半導體的熱活性回收碳纖維的技術，而靜岡大學則利用超臨界或亞臨界流體回收再生碳纖維的技術，據說我國的上海交通大學也在研發相關技術。
3 結語
目前，我國某些大學和科研院所也在開展由廢CFRP回收碳纖維的技術，但要實現產業化尚需時日。在國外，隨著一些CFRP汽車產品進入報廢期，當務之急便是開發大規模回收碳纖維的連續化、低成本和低能耗的回收生產線，以避免這些廢材在將來堆積如山。
另外，碳纖維生產過程中所產生的廢絲或是深加工過程及CFRP制備過程中所產生的廢品，將隨著產量的迅速增加而不斷增多。對于生產過程中所產生的廢絲，目前國內外生產廠家都已將其加工成短切或研磨碳纖維出售，而CFRP廢品仍需針對產品的具體特點，通過適用的回收技術加以利用。
據了解，目前我國已有30多家規模不一的碳纖維生產廠以及數百家下游CFRP生產廠，而且據預測到2017年前后，我國有望變成全球最大的碳纖維消費國，因此及早研發出具有自主知識產權的CFRP廢材回收技術已是相關行業刻不容緩的責任，國家有關部門應予以政策和資金上的大力支持。
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【關鍵詞】碳纖維；復合材料；橋梁施工；加固工程
隨著我國橋梁道路工程建設的不斷發展，橋梁工程施工技術也得到了很大的提高。同時在科技的推動下，建設施工的新型材料也在不斷研發應用，這些都是我國橋梁道路施工水平提高的體現。其中碳纖維復合材料就是其中一個具有很大優越性的現代新型橋梁施工材料，在當前的橋梁道路施工中有著極為廣泛的應用。尤其是近年來，社會的發展使得車輛對橋梁的通行能力提出更高的要求，并對橋梁的荷載能力、抗壓能力、耐腐蝕能力等基本性能也提出了更高的要求。為了滿足這一需求，新型施工工藝和施工材料的應用就顯得非常有必要。本文中主要探討了碳纖維復合材料這種新型材料的應用工藝和發展前景，指出了在新時代的發展下，利用碳纖維復合材料進行橋梁施工是未來橋梁建設施工中的一個主要發展方向。
1.碳纖維復合材料的基本性能
碳纖維復合材料是一種具有高強度和高彈性模量的新型復合材料，其基本構成是由基體材料與增強材料相互結合而形成的，與其具有同種特點的復合材料還有玻璃纖維復合材料和芳綸纖維復合材料。這三種復合材料都是通過物理組合而實現材料性能的提升，比普通的材料要具備更大的優越性。而其中碳纖維復合材料是其中物理力學性能最好的一種復合型材料，因為在很多建設施工中都有著廣泛的應用。其主要的應用方法是以替代鋼筋作為結構材料的形式，目前在橋梁的張拉施工以及加固施工中也都是較為常用的施工材料。那么碳纖維復合材料的優越性能有哪些呢？現筆者將其優越性總結為下述幾點：
1.1碳纖維復合材料具有比鋼材高出十幾倍的抗拉強度和相當鋼材1～2倍的強行模量。
1.2碳纖維復合材料減震性能好，其自振頻率很高，可避免早期共振，同時內阻也很大，一旦激震起來，衰減也快。
1.3碳纖維復合材料具有良好的耐久性、耐油、耐酸、耐腐蝕性能好，與生物有很好的相容性。除了強氧化劑外，一般如濃鹽酸、30%的硫酸、堿等對其均不起作用。
1.4碳纖維復合材料材料是柔軟的，樹脂是可以流動的，其產品的形狀幾乎不受限制，還可以任意著色，從而達到結構形狀和材料美學的高度統一。
1.5碳纖維復合材料材料施工便捷，在結構加固中，碳纖維布易成型，能夠粘貼在曲面或不規則的結構表面上，考慮到其方向性，設計者可以進行裁減，使其在特定方向上達到預期的設計強度。
2.在橋梁結構施工中的應用
碳纖維復合材料在被研發成功后，是經過了一段時間方才被使用到橋梁的建設施工中的。直到上世紀的80年代，碳纖維復合材料才被應用在橋梁工程的設計施工中，并在后來的橋梁建設中迅速得到廣泛應用，這是由其優良的特性來決定的。目前，在橋梁工程，尤其是在大跨度的橋梁工程中，碳纖維復合材料是最具有物理性能優勢的建筑材料，在國內外的橋梁施工中都有應用碳纖維復合材料作為預應力筋的案例。
日本是第一個在混凝土橋梁中采用碳纖維復合材料絞線作為橋梁預應力筋的國家。從1988年～1992年，日本應用碳纖維復合材料材料作為預應力筋修建了一系列橋梁，為探求采用碳纖維復合材料力筋的預應力混凝土構件的承載力和耐久性，做了靜載和疲勞試驗。
3.在橋梁加固中的應用
為恢復和提高既有橋梁的承載能力，采用在橋梁結構受拉側用環氧樹脂粘貼碳纖維復合材料材料的加固方法，具有施工簡便、加固費用低（代替鋼板加固可節約資金25%）、不減少橋下凈空、加固材料帶來恒載增加不多等優點，并且加固施工能在不影響或少影響結構使用的情況下進行，同時可克服粘貼鋼板受運輸的限制、鋼板銹蝕引起鋼板與混凝土梁之間粘貼層損壞之不足。
在日本，碳纖維復合材料被廣泛用于公路橋梁、鐵路橋梁、隧道、碼頭、房屋建筑等結構物的加固，特別是在大地震維修工程及震后橋梁修復工程中都大量采用了碳纖維加固技術，并取得了顯著的經濟效益。
我國是在1997年以后正式開始對碳纖維復合材料加固修復上木建筑結構進行研究的，并在1998年以后開始了實際應用。如在某橋梁的加固工程中需重加固修復出現裂紋的T梁。在加固舊T梁工程中，共加固20m長的T梁130片，實際粘貼碳纖維240m2，共用15d完成全部加固施工，其他加固修復方法都無法在這么短的時間內完成的。T梁加固完成后，橋面開始施工，T梁受力，半年后觀察加固節點，碳纖維布與T梁表面粘貼完好，無空鼓，無裂紋，取得了較滿意的效果。
4.碳纖維復合材料的發展前景
碳纖維復合材料材料用于橋梁工程中也是國際土木工程界的一個熱點，由于其優異的材料及使用性能，其應用范圍與應用量正以驚人的速度在增長。碳纖維復合材料在我國處于科研及實用初級階段，大規模使用還存在許多問題，如價格太高、強度不高、缺少設計規范及施工規程還很不完善等，為充分發展碳纖維復合材料在我國橋梁工程中的作用，應做好以下幾個方面的工作：
4.1加快國產碳纖維復合材料大過摸生產的步伐并降低造價，提高國產碳纖維復合材料質量的穩定性，實現產品國產化。我國目前應用的粘貼樹脂已實現了國產化，而碳纖維復合材料材料卻依賴進口。擴大生產規模是降低成本的有效途徑之一。國外一條碳纖維生產線的年生產能力均在200t以上，而我國至今還沒有一條百噸級碳纖維生產線。
4.2盡快制定便于材料品質管理及品質保證的標準化試驗方法，并盡快制定完善的設計與施工規范。標準化工作是一項新技術，是新材料得以健康、快速發展的基礎，它不僅僅是指碳纖維復合材料材料的技術標準，而是包括材料生產、使用、檢驗、加固設計、計算、工程施工與驗收等一系列標準化工作。否則，該項技術會有在商業利益驅動下遭夭折的危險。在這個問題上，今后幾年內，國內將有更多的學校及研究單位加入到碳纖維復合材料材料研究開發中來，從而使我國在該項技術領域得到更快速的發展。
4.3加強與國際間的學術交流和技術合作。盡量避免在研究上的低水平生產與應用上的重復研究，共同促進該項技術的應用研究及發展，成立行業性或學術性組織。只有這樣，才能促進該項技術的健康、快速發展。
5.結語
總之，在當代新型橋梁工程的施工中，采用碳纖維復合材料作為結構施工的重要材料是我國橋梁建設水平的一大提升，碳纖維復合材料的應用極大的提高了橋梁的強度、抗拉能力和抗腐蝕性能力，縮短了橋梁施工的時間，簡化了施工技術工藝，提高了施工效率，因而碳纖維復合材料是一個值得大力推廣應用的新型橋梁工程建設材料。
【參考文獻】
摘要：本文基于微光夜視儀的使用特點，對比多種常用材料，提出對所有的機械零件選擇使用同一種材料的大膽設想，為保證微光夜視儀光學系統的更好的工作。
關鍵詞：微光夜視儀；結構設計；材料選擇
微光夜視儀是一種應用于軍事作戰中的精密光學儀器，其中光學系統中光學元件的安裝定位精度、雜光的干擾等，會直接影響光學系統的成像質量。機械系統是微光夜視儀的重要組成部分，由于該夜視儀是軍事作戰中用于頭盔上的微光夜視成像系統，對重量、體積指標要求非常嚴格，所以在進行機械結構設計時，要在保證夜視儀性能的前提下，應盡力使其整個結構簡單，重量輕。為提高我軍作戰能力，所以有必要對微光夜視儀做結構優化。因此，微光夜視儀結構設計的任務是按照光學系統設計的軸向要求、光學元件的間隔以及同心度要求，使微光夜視儀光學系統各部分組成一個穩定的整體，并保證光學系統的性能指標要求。同時鏡筒結構設計應滿足：不影響光學系統性能、光學元件的安裝無應力、鏡筒與光學元件的接口、消雜光、重量和體積等總體要求。但是由于質量和體積的限制，野戰中嚴酷的高低溫環境影響，使用傳統的機械設計理念很難滿足系統的要求。
本文對所有的機械零件選擇使用同一種材料，以保證惡劣環境下機械零件均勻地膨脹和收縮，避免不同的膨脹會造成卡環松脫，并且保證微光夜視儀光學系統的正常工作。結構設計的最直接目標就是選擇使用一種熱膨脹系數近似于零的材料進行構架。微光夜視儀鏡座和鏡筒是保證微光夜視儀光學系統性能的關鍵部件，所以鏡座及鏡筒的材料選擇、鏡座的結構形式以及鏡筒的設計對光學系統成像質量起著關鍵的作用；在滿足微光夜視儀結構力學性能要求的前提下，還要盡量降低系統結構的質量，并且能適用于野戰中嚴酷的高低溫環境，所以鏡座及鏡筒材料的選擇必須保證機械系統的精度及穩定性。（1）機械性能穩定性。一方面為了減輕結構質量，應該選擇低密度的材料；另一方面，為了提高結構的剛性，應該采用高彈性模量的材料。所以，高比剛度是選擇微光夜視儀結構材料的關鍵指標。并且為了在加工后能保證高精度，所選材料的尺寸穩定性應該良好。（2）熱性能穩定性。應該選用低熱膨脹系數的材料作結構材料，并考慮結構之間的熱補償，以使光學系統在野戰惡劣的高低溫環境下仍能保證良好的性能。另一方面，熱導率高還可以使結構中的溫度梯度較小，并使結構內部熱平衡容易在短時間內達到。基于以上分析，本文微光夜視儀結構零件選擇使用機械性能和強度可以和金屬材料相媲美的復合材料。復合材料通過組元材料的協調作用，可以在很大程度上改善和提高單一常規材料的機械性能、物理性能和化學性能。非金屬復合材料具有可設計性及密度小的顯著特點，因此使用非金屬復合材料不僅可以滿足夜視儀機械性能和強度要求，而且可以減輕整個夜視儀的重量。幾種典型復合材料和常用材料性能對比如表1。碳纖維主要是由碳元素組成的一種特種纖維，其含碳量隨種類不同而異，一般在90%以上。碳纖維具有一般碳素材料的特性，如耐高溫、耐摩擦、導電、導熱及耐腐蝕等，但與一般碳素材料不同的是，其外形有顯著的各向異性、柔軟、可加工成各種織物，沿纖維軸方向表現出很高的強度。碳纖維比重小，因此有很高的比強度。碳纖維是一種力學性能優異的新材料，它的比重不到鋼的1/4，碳纖維樹脂復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23000～43000Mpa亦高于鋼。碳纖維的主要用途是與樹脂、金屬、陶瓷等基體復合，制成結構材料。碳纖維增強環氧樹脂復合材料，其比強度、比模量綜合指標，在現有結構材料中是最高的。在密度、剛度、重量、疲勞特性等有嚴格要求的領域，在要求高溫、化學穩定性高的場合，碳纖維復合材料都頗具優勢。碳纖維是20世紀50年代初應火箭、宇航及航空等尖端科學技術的需要而產生的，現在還廣泛應用于體育器械、紡織、化工機械及醫學領域。隨著尖端技術對新材料技術性能的要求日益苛刻，促使科技工作者不斷努力提高。20世紀80年代初期，高性能及超高性能的碳纖維相繼出現，這在技術上是又一次飛躍，同時也標志著碳纖維的研究和生產已進入一個高級階段。由碳纖維和環氧樹脂結合而成的復合材料，由于其比重小、剛性好和強度高而成為一種先進的航空航天材料。因為航天飛行器的重量每減少1公斤，就可使運載火箭減輕500公斤。所以，在航空航天工業中爭相采用先進復合材料。有一種垂直起落戰斗機，它所用的碳纖維復合材料已占全機重量的1/4，占機翼重量的1/3。
據報道，美國航天飛機上3只火箭推進器的關鍵部件以及先進的MX導彈發射管等，都是用先進的碳纖維復合材料制成的。碳纖維增強的復合材料這樣的優異性能可以滿足光學精密儀器高尺寸穩定性以及高結構精度的要求。采用碳纖維復合材料制造微光夜視儀可實現自身減重的目的。該復合材料已經在航空航天和戰略武器等方面得到廣泛應用，是不可取代的高級復合材料。幾種材料的比剛度和熱穩定性比較如圖1所示。由表1和圖1可知，碳纖維增強環氧樹脂基復合材料具有如下特點:（1）密度小。碳纖維環氧樹脂基復合材料的密度不及鋼密度的五分之一，僅是鈦合金密度的0.47倍，所以可知，尺寸相同的的結構件用碳纖維環氧樹脂基復合材料制作，要比用鋼制作輕80％，比用鈦合金制作輕53％。（2）比剛度高。碳纖維環氧樹脂基復合材料的比剛度約為鈦合金材料的2倍，所以可知，在相同質量的前提下，碳纖維復合材料結構剛度要比鈦合金的結構剛度提高一倍，因此適用于結構輕量化設計。（3）線膨脹系數小。碳纖維環氧樹脂基復合材料的線膨脹系數比鈦合金的線膨脹系數小一個數量級甚至更多。在微光夜視儀結構中，要求在嚴酷高低溫環境下變形極小，所以只有采用碳纖維復合材料才能滿足。并且其與透鏡材料的線膨脹系數相近，這樣就可以避免在溫度升高或降低時，結構內部產生較大的溫度梯度。從微光夜視儀的設計要求出發，考慮其特殊的軍事作戰環境，提出并詳細地總結了微光夜視儀的結構設計中材料的選擇，為以后的總體結構設計做了準備。
作者:張博 單位:黑龍江東方學院
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復合材料是指由兩種或兩種以上不同物質以不同方式組合而成的材料，它可以發揮各種材料的優點，克服單一材料的缺陷，擴大材料的應用范圍。由于復合材料具有重量輕、強度高、加工成型方便、彈性優良、耐化學腐蝕和耐候性好等特點，已逐步取代木材及金屬合金，廣泛應用于航空航天、汽車、電子電氣、建筑、健身器材等領域，在近幾年更是得到了飛速發展。
隨著科技的發展，樹脂與玻璃纖維在技術上不斷進步，生產廠家的制造能力普遍提高，使得玻纖增強復合材料的價格成本已被許多行業接受，但玻纖增強復合材料的強度尚不足以和金屬匹敵。因此，碳纖維、硼纖維等增強復合材料相繼問世，使高分子復合材料家族更加完備，已經成為眾多產業的必備材料。目前全世界復合材料的年產量已達550多萬噸，年產值達1300億美元以上，若將歐、美的軍事航空航天的高價值產品計入，其產值將更為驚人。從全球范圍看，世界復合材料的生產主要集中在歐美和東亞地區。近幾年歐美復合材料產需均持續增長，而亞洲的日本則因經濟不景氣，發展較為緩慢，但中國尤其是中國內地的市場發展迅速。據世界主要復合材料生產商PPG公司統計，2000年歐洲的復合材料全球占有率約為32%，年產量約200萬噸。與此同時，美國復合材料在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，美國復合材料的年產量達170萬噸左右。特別是汽車用復合材料的迅速增加使得美國汽車在全球市場上重新崛起。亞洲近幾年復合材料的發展情況與政治經濟的整體變化密切相關，各國的占有率變化很大。總體而言，亞洲的復合材料仍將繼續增長，2000年的總產量約為145萬噸，預計2005年總產量將達180萬噸。
從應用上看，復合材料在美國和歐洲主要用于航空航天、汽車等行業。2000年美國汽車零件的復合材料用量達14.8萬噸，歐洲汽車復合材料用量到2003年估計可達10.5萬噸。而在日本，復合材料主要用于住宅建設，如衛浴設備等，此類產品在2000年的用量達7.5萬噸，汽車等領域的用量僅為2.4萬噸。不過從全球范圍看，汽車工業是復合材料最大的用戶，今后發展潛力仍十分巨大，目前還有許多新技術正在開發中。例如，為降低發動機噪聲，增加轎車的舒適性，正著力開發兩層冷軋板間粘附熱塑性樹脂的減振鋼板；為滿足發動機向高速、增壓、高負荷方向發展的要求，發動機活塞、連桿、軸瓦已開始應用金屬基復合材料。為滿足汽車輕量化要求，必將會有越來越多的新型復合材料將被應用到汽車制造業中。與此同時，隨著近年來人們對環保問題的日益重視，高分子復合材料取代木材方面的應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，用以替代木制產品；而可降解復合材料也成為國內外開發研究的重點。
另外，納米技術逐漸引起人們的關注，納米復合材料的研究開發也成為新的熱點。以納米改性塑料，可使塑料的聚集態及結晶形態發生改變，從而使之具有新的性能，在克服傳統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。
樹脂基復合材料的增強材料
樹脂基復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。高強度玻璃纖維復合材料不僅應用在軍用方面，近年來民用產品也有廣泛應用，如防彈頭盔、防彈服、直升飛機機翼、預警機雷達罩、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構的耐高溫、耐燒蝕的復合材料部件，大量應用于火箭、導彈的防熱材料。迄今為止，我國已經實用化的高性能樹脂基復合材料用的碳纖維、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，且擁有自主知識產權，形成了小規模的產業，現階段年產可達500噸。
2、碳纖維
碳纖維具有強度高、模量高、耐高溫、導電等一系列性能，首先在航空航天領域得到廣泛應用，近年來在運動器具和體育用品方面也廣泛采用。據預測，土木建筑、交通運輸、汽車、能源等領域將會大規模采用工業級碳纖維。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，相當于國外七十年代中、末期水平，與國外差距達20年左右。國產碳纖維的主要問題是性能不太穩定且離散系數大、無高性能碳纖維、品種單一、規格不全、連續長度不夠、未經表面處理、價格偏高等。
3、芳綸纖維
20世紀80年代以來，荷蘭、日本、前蘇聯也先后開展了芳綸纖維的研制開發工作。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，因此被廣泛應用于航空航天領域的高性能復合材料零部件（如火箭發動機殼體、飛機發動機艙、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，尤其是它的抗化學試劑侵蝕性能和抗老化性能優良。它還具有優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流罩，大大提高了艦艇的探雷、掃雷能力。除在軍事領域，在汽車制造、船舶制造、醫療器械、體育運動器材等領域超高分子量聚乙烯纖維也有廣闊的應用前景。該纖維一經問世就引起了世界發達國家的極大興趣和重視。
5、熱固性樹脂基復合材料
熱固性樹脂基復合材料是指以熱固性樹脂如不飽和聚酯樹脂、環氧樹脂、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合材料。環氧樹脂的特點是具有優良的化學穩定性、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域。1993年世界環氧樹脂生產能力為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年開始研究環氧樹脂，據不完全統計，目前我國環氧樹脂生產企業約有170多家，總生產能力為50多萬噸，設備利用率為80%左右。酚醛樹脂具有耐熱性、耐磨擦性、機械強度高、電絕緣性優異、低發煙性和耐酸性優異等特點，因而在復合材料產業的各個領域得到廣泛的應用。1997年全球酚醛樹脂的產量為300萬噸，其中美國為164萬噸。我國的產量為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乙烯基酯樹脂。1971年以前我國的熱固性樹脂基復合材料工業主要是軍工產品，70年代后開始轉向民用。從1987年起，各地大量引進國外先進技術如池窯拉絲、短切氈、表面氈生產線及各種牌號的聚酯樹脂（美、德、荷、英、意、日）和環氧樹脂（日、德）生產技術；在成型工藝方面，引進了纏繞管、罐生產線、拉擠工藝生產線、SMC生產線、連續制板機組、樹脂傳遞模塑(RTM)成型機、噴射成型技術、樹脂注射成型技術及漁竿生產線等，形成了從研究、設計、生產及原材料配套的完整的工業體系，截止2000年底，我國熱固性樹脂基復合材料生產企業達3000多家，已有51家通過ISO9000質量體系認證，產品品種3000多種，總產量達73萬噸/年，居世界第二位。產品主要用于建筑、防腐、輕工、交通運輸、造船等工業領域。在建筑方面，有內外墻板、透明瓦、冷卻塔、空調罩、風機、玻璃鋼水箱、衛生潔具、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；在機械及電器領域如屋頂風機、軸流風機、電纜橋架、絕緣棒、集成電路板等產品都具有相當的規模；在航空航天及軍事領域，輕型飛機、尾翼、衛星天線、火箭噴管、防彈板、防彈衣、魚雷等都取得了重大突破。
熱塑性樹脂基復合材料
熱塑性樹脂基復合材料是20世紀80年展起來的，主要有長纖維增強粒料(LFP)、連續纖維增強預浸帶(MITT)和玻璃纖維氈增強型熱塑性復合材料(GMT)。根據使用要求不同，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合材料技術的不斷成熟以及可回收利用的優勢，該品種的復合材料發展較快，歐美發達國家熱塑性樹脂基復合材料已經占到樹脂基復合材料總量的30%以上。
高性能熱塑性樹脂基復合材料以注射件居多，基體以PP、PA為主。產品有管件（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用包括通風和供暖系統、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。滑石粉增強PP在車內裝飾方面有著重要的應用，如用作通風系統零部件，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制成的蜂窩狀結構的吸音天花板和轎車的搖窗升降器卷繩筒外殼。
云母復合材料具有高剛性、高熱變形溫度、低收縮率、低撓曲性、尺寸穩定以及低密度、低價格等特點，利用云母/聚丙烯復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展，2000年產量達到12萬噸，約占樹脂基復合材料總產量的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，在熱塑性復合材料方面未能有重大突破，與發達國家尚有差距。
我國復合材料的發展潛力和熱點
我國復合材料發展潛力很大，但須處理好以下熱點問題。
1、復合材料創新
復合材料創新包括復合材料的技術發展、復合材料的工藝發展、復合材料的產品發展和復合材料的應用，具體要抓住樹脂基體發展創新、增強材料發展創新、生產工藝發展創新和產品應用發展創新。到2007年，亞洲占世界復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，亞洲地區具有極大的增長潛力。
2、聚丙烯腈基纖維發展
我國碳纖維工業發展緩慢，從CF發展回顧、特點、國內碳纖維發展過程、中國PAN基CF市場概況、特點、“十五”科技攻關情況看，發展聚丙烯腈基纖維既有需要也有可能。
3、玻璃纖維結構調整
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勢，但在品種規格和質量上與先進國家尚有差距，必須改進和發展紗類、機織物、無紡氈、編織物、縫編織物、復合氈，推進玻纖與玻鋼兩行業密切合作，促進玻璃纖維增強材料的新發展。
4、開發能源、交通用復合材料市場
一是清潔、可再生能源用復合材料，包括風力發電用復合材料、煙氣脫硫裝置用復合材料、輸變電設備用復合材料和天然氣、氫氣高壓容器；二是汽車、城市軌道交通用復合材料，包括汽車車身、構架和車體外覆蓋件，軌道交通車體、車門、座椅、電纜槽、電纜架、格柵、電器箱等；三是民航客機用復合材料，主要為碳纖維復合材料。熱塑性復合材料約占10%，主要產品為機翼部件、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業，復合材料可建成新產業與之相配套；四是船艇用復合材料，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、漁船雖發展緩慢，但復合材料特有的優點仍有發展的空間。
5、纖維復合材料基礎設施應用
國內外復合材料在橋梁、房屋、道路中的基礎應用廣泛，與傳統材料相比有很多優點，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、復合材料綜合處理與再生
聚丙烯腈基碳纖維是一種力學性能優異的新材料,在航空、航天、建筑、體育、汽車、醫療等領域得到廣泛的應用。本文簡要介紹了國內外PAN基碳纖維的發展歷程和現狀,PAN基碳纖維的制備、結構、性能及碳纖維的應用領域,詳細介紹了PAN基碳纖維相關標準及檢測,并對未來發展進行了展望。
關鍵詞:碳纖維;聚丙烯腈;標準
Abstract: PAN-based Carbon fiber is a new material with exceptional mechanical property. It has been extensively applied in aviation, space flight, construct, sports, automobile, medical treatment, etc. fields. A brief review of the evolution and current situation of the PAN-based Carbon fiber at home and abroad were included. Furthermore, the preparation, structure, performance and the application area of the PAN-based Carbon fiber were also introduced. Interrelated standards and test methods were specifically expressed. The development in the future was prospected.
Key words: Carbon Fiber;Polyacrylonitrile;Standard
碳纖維是一種力學性能優異的新材料,它不僅具有碳材料的固有特性,又兼備紡織纖維的柔軟可加工性,是新一代增強纖維。它的比重不到鋼的1/4,碳纖維樹脂復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23000Mpa~43000Mpa,亦高于鋼。材料的比強度愈高,則構件自重愈小;比模量愈高,則構件的剛度愈大,從這個意義上已預示了碳纖維在工程領域的廣闊應用前景。
碳纖維是一種以聚丙烯腈(PAN)、瀝青、粘膠纖維等為原料,經預氧化、碳化、石墨化工藝而制得的含碳量大于90%的特種纖維。碳纖維具有高強度、高模量、低密度、耐高溫、耐腐蝕、耐摩擦、導電、導熱、膨脹系數小、減震等優異性能,是航空航天、國防軍事工業不可缺少的工程材料,同時在體育用品、交通運輸、醫療器械和土木建筑等民用領域也有著廣泛應用。PAN基碳纖維生產工藝簡單、產品綜合性能好,因而發展很快,產量占到90%以上,成為最主要的品種。
1國內外聚丙烯腈基碳纖維的發展現狀
1.1國外發展現狀
1959年,媒體報道了日本的進藤昭南由聚丙烯腈長絲經預氧化、碳化而制成性能優良的碳纖維工藝專利,由于該工藝簡單,產品力學性能優良,因此發展較快,開創了碳纖維的新時代。
世界上聚丙烯腈基碳纖維的生產,現在已分化為以美國為代表的大絲束碳纖維和以日本為代表的小絲束兩大類。日本和美國所產的碳纖維約占全球總供應量的80%[1]。日本三家以腈綸纖維為主要產品的公司(東麗Toray、東邦Toho及三菱人造絲公司Mitsubishi)依靠其先進紡絲科學技術,形成高性能原絲生產的優勢,大量生產高性能碳纖維,使日本成為碳纖維大國,無論質量還是數量均處于世界前三位,占據了世界78%左右的產量。日本Toray公司是世界上最大的PAN基碳纖維廠商,2003年生產能力為7350t/a,其中在日本國內生產能力4700t/a,在美國擁有產能1800t/a,另外在法國與Atofia合資的Soficar產能為850t/a。公司以生產小絲束PAN基碳纖維為主,在日本國內大絲束PAN基碳纖維的產能僅為300t/a。東邦人造絲是第二大碳纖維生產商,其碳纖維的生產能力為5800t/a,全是小絲束品種。三菱人造絲在日本國內產能為2700t/a,在海外美國Grafil的產能為700t/a,2001年三菱人造絲率先將設備投資增加27.5%,達到190億元,將本國的產能提高500t/a,再將美國子公司Grafil的產能增加800t/a,這樣兩地的總產能達到4700t/a。世界主要PAN基碳纖維生產企業的產能見表1[2]。
國外PAN基碳纖維的主要消費地是美國、西歐地區和日本。2002年上述國家和地區共消費PAN基碳纖維約12000t,其中美國消費量4600t,西歐地區消費量為5200t(一般工業應用2800t,航空航天1710t,體育器材690t),日本消費量約2200t。在2006～2011年,世界的碳纖維平均年需求增長率約為11.7%,高于平均年增長率的是西歐及亞洲的一些國家,世界碳纖維消費量見表2[3]。
1.2國內發展現狀
我國對碳纖維的研究開始于20世紀60年代,幾乎與世界同步開始碳纖維研究工作。80年代開始研究高強型碳纖維,多年來進展緩慢,但也取得了一定成績。已經研制出接近日本東麗公司T-300水平的碳纖維產品,但產量和品質都遠不能滿足國內需要,與國外相比差距甚大,國內PAN基碳纖維總生產能力僅600t/a左右(包括正在籌建廠),實際生產量約僅為30~40t/a。進入21世紀以來發展較快,安徽華皖碳纖維公司率先引進了500t/a原絲、200t/aPAN基碳纖維(只有東麗碳纖維T-300水平),使我國碳纖維工業進入了產業化。隨后,一些廠家相繼加入碳纖維生產行列。據不完全統計,目前,我國已有12家生產規模大小不一(5～800t/a)的PAN基碳纖維生產廠家,合計生產能力為1310t/a。值得一提的是我國臺灣地區的臺塑集團,在20世紀80年代中期從美國Hitco公司引進百噸級碳纖維生產線,經消化、吸收和配套后得到迅速發展,臺塑產量增加很快,但碳纖維質量的提高幅度并不大。
我國一些研究單位和高校都投入相當力量進行研究,并根據實驗室研究成果建立一些中試裝置;也嘗試從國外引進專利技術與小規模生產設備,我國碳纖維現在仍處于艱難起步階段,碳纖維的研制生產發展較慢,與國際先進水平相比,國產碳纖維突出問題是強度低、均勻性差、穩定性差、毛絲多、實際生產量低,其根本的原因是我國的原絲質量不過關[4-5],影響了我國碳纖維的發展。解決碳纖維用聚丙烯腈原絲生產這一技術關鍵,不能依賴技術引進,而應集中力量,匯集國內從事與此領域有關各方人力,選擇國內經濟實力和客觀條件較好企業作為實施基地,進行高起點技術攻關。目前我國碳纖維90%以上依賴進口,極大地制約了我國相關產業的發展。
2PAN基碳纖維的制備、結構、性能
2.1PAN基碳纖維的制備
聚丙烯腈基碳纖維是以聚丙烯腈纖維為原料制成的碳纖維,主要做復合材料用增強體。無論均聚或共聚的聚丙烯腈纖維都能制備出碳纖維。為了制造出高性能碳纖維并提高生產率,工業上常采用共聚聚丙烯腈纖維為原料。對原料的要求是:雜質、缺陷少;細度均勻,并越細越好;強度高,毛絲少;纖維中鏈狀分子沿纖維軸取向度越高越好,通常大于80%;熱轉化性能好。
生產中制取聚丙烯腈纖維的過程是:先由丙烯腈和其他少量第二、第三單體(丙烯酸甲醋、甲叉丁二酯等)共聚生成共聚聚丙烯腈樹脂(分子量高于 6～8萬),然后樹脂經溶劑(硫氰酸鈉、二甲基亞礬、硝酸和氯化鋅等)溶解,形成粘度適宜的紡絲液,經濕法、干法或干-濕法進行紡絲,再經水洗、牽伸、干燥和熱定型即制成聚丙烯腈纖維。若將聚丙烯腈纖維直接加熱易熔化,不能保持其原來的纖維狀態。因此,制備碳纖維時,首先要將聚丙烯腈纖維放在空氣中或其他氧化性氣氛中進行低溫熱處理,即預氧化處理[6]。預氧化處理是纖維碳化的預備階段。一般將纖維在空氣下加熱至約270℃,保溫0.5h～3h,聚丙烯腈纖維的顏色由白色逐漸變成黃色、棕色,最后形成黑色的預氧化纖維。這是聚丙烯腈線性高分子受熱氧化后,發生氧化、熱解、交聯、環化等一系列化學反應形成耐熱梯形高分子的結果。再將預氧化纖維在氮氣中進行高溫處理(l600℃),即碳化處理,則纖維進一步產生交聯環化、芳構化及縮聚等反應,并脫除氫、氮、氧原子,最后形成二維碳環平面網狀結構和層片粗糙平行的亂層石墨結構的碳纖維。
由PAN原絲制備碳纖維的工藝流程如下:PAN原絲預氧化碳化石墨化表面處理卷取碳纖維。
2.2結構
碳纖維是由片狀石墨微晶沿纖維軸向方向堆砌而成的所謂“亂層”結構,通常也把碳纖維的結構看成由兩維有序的結晶和孔洞組成,其中孔洞的含量、大小和分布對碳纖維的性能影響較大[7]。碳纖維各層面間的間距約為3.39～3.42Å,各平行層面間的各個碳原子,排列不如石墨那樣規整,層與層之間借范德華力連接在一起。
2.3性能特征
碳纖維的化學性能與碳十分相似,在空氣中當溫度高于400℃時即發生明顯的氧化,氧化產物CO2、CO在纖維表面散失,所以其在空氣中的使用溫度不能太高,一般在360℃以下。但在隔絕氧的情況下,使用溫度可大大提高到1500℃～2000℃,而且溫度越高,纖維強度越大。碳纖維的徑向強度不如軸向強度,因而碳纖維忌徑向強力(即不能打結)[8]。
碳纖維有通用型(GP)、高強型(HT)、高模型(HM)、高強高模(HP)等多種規格,其性能指標見表3。
碳纖維有如下的優良特性:① 比重輕、密度小;② 超高強力與模量;③ 纖維細而柔軟;④ 耐磨、耐疲勞、減震吸能等物理機械性能優異;⑤ 耐酸、堿和鹽腐蝕,可形成多孔、表面活性、吸附性強的活性炭纖維;⑥ 熱膨脹系數小,導熱率高,不出現蓄能和過熱;高溫下尺寸穩定性好,不燃,熱分解溫度800℃,極限氧指數55;⑦ 導電性、X射線透過性及電磁波遮蔽性良好;⑧ 具有性,不沾潤在熔融金屬中,可使其復合材料磨損率降低;⑨ 生物相容性好,生理適應性強。
碳纖維力學性能主要是抗張強度、彈性模量和斷裂伸長等3個參數,變異系數即CV值= 標準偏差/平均值×100(%) ,碳纖維的CV值是設計構建的一項重要指標,如果碳纖維的CV值較小,涉及碳纖維拉伸強度等利用率高,可充分發揮其增強效果。在使用碳纖維時,大多制造成復合材料的結構件。對于同一性能的結構件,碳纖維的CV值越小,用量少,增強效果好;如果CV值較大,用量較多,構件笨重,增強效果差。表4為民用碳纖維的力學性能[9]。
由表4可看出,所生產的碳纖維具有較高的強度和模量,而伸長率較低,表明該材料具有較大的剛性;同時材料的拉伸強度和彈性模量的CV值都較低,表明材料的均一性較好。
3PAN基碳纖維的應用
碳纖維復合材料是為滿足航天、航空等軍事部門的需要而發展起來的新型材料,但因一般工業部門對產品的質量和可靠性要求不及上述部門嚴格,故開發應用的周期較短,推廣應用得很快,被廣泛應用于各種民用工業領域。碳纖維除用于高溫絕熱材料及除電刷子之外,一般并不單獨使用,常加入到樹脂(以環氧、酚醛為主)、金屬或陶瓷、碳、水泥等基體中,構成碳纖維增強復合材料,是一種極為有用的結構材料。它不僅質輕、耐高溫,而且有很高的抗拉強度和彈性模量。
3.1航空航天
碳纖維復合材料具有高比強度、高比剛度(比模量)、耐高溫、可設計性強等一系列獨特優點,是導彈、運載火箭、人造衛星、宇宙飛船、雷達[10]等結構上不可或缺的戰略材料。航空則以客機、直升機、軍用機為主要應用對象。
3.2文體和醫療用品
文體休閑用品是碳纖維復合材料應用的重要領域,高爾夫球桿、網球拍和釣魚竿是三大支柱產品,其次是自行車、賽車、賽艇、弓箭、滑雪板、撐桿和樂器外殼等。醫療領域包括醫學上用的移植物、縫合線、假肢、人造骨骼、韌帶、關節以及X光透視機等。
3.3一般工業
碳纖維復合材料在汽車工業用于汽車骨架、活塞、傳動軸、剎車裝置等;在能源領域應用于風力發電葉片、新型儲能電池、壓縮天然氣貯罐、采油平臺等;碳纖維因其質輕高強和極好的導電性及非磁性而在電子工業中用于制備電子儀器儀表、衛星天線[11]、雷達等;碳纖維增強材料(CFRC)與鋼筋混凝土相比,抗張強度與抗彎強度高5到10倍,彎曲韌度和伸長應變能力高20~30倍,重量卻只有l/2,已被廣泛應用于房屋、橋梁、隧道等基礎設施的混凝土結構增強工程中[12-13]。
4PAN基碳纖維相關標準
目前,我國針對碳纖維的性能及其在復合材料中的應用,制定了相關標準,現行碳纖維相關標準有:
GB/T 3362―2005碳纖維復絲拉伸性能試驗方法,適用于1K～12K碳纖維復絲浸膠后測定其拉伸強度、拉伸彈性模量和斷裂伸長率。
GB 3362―1982碳纖維復絲纖維根數檢驗方法(顯微鏡法),是適用于測定碳纖維復絲中的纖維根數。
GB 3364―1982碳纖維直徑和當量直徑檢驗方法(顯微鏡法),適用于測定圓形截面碳纖維的直徑和異形截面碳纖維的當量直徑。GB 3365―1982碳纖維增強塑料孔隙含量檢驗方法(顯微鏡法)用于測定單向、正交及多向鋪層的碳纖維增強塑料的孔隙含量。
GB/T 3355―2005碳纖維增強塑料樹脂含量試驗方法,適用于硫酸在一定條件下能使樹脂基體完全分解又不過分地腐蝕纖維的碳纖維增強塑料。
GB 3366―1996碳纖維增強塑料纖維體積含量試驗方法,適用于測定單向、正交及多向鋪層的碳纖維增強塑料的纖維體積含量。
QJ 3074―1998碳纖維及其復合材料電阻率測試方法,適用于航天產品用碳纖維及碳纖維復合材料電阻率的測試。
目前,碳纖維產業正處于上升期,隨著碳纖維工業的發展和技術的進步,我國碳纖維的產量會增加,質量會提高,品種也會有所增多,碳纖維性能也必將進一步提高,工業要求也將越來越高,為確保材料、產品、過程能夠符合需要,也必須制定更新、更跟得上時代要求的標準。
5展望
人類在材料應用上正從鋼鐵時代進入到一個復合材料廣泛應用的時代。碳纖維產業在發達國家支柱產業升級乃至國民經濟整體素質的提高方面正在發揮越來越重要的作用,對我國產業結構的調整和許多傳統材料的更新換代有重要意義。碳纖維是一種重要的高技術材料,不但事關國防建設,民用市場也前景廣闊。但我國研究了幾十年,由于這樣那樣的原因,一直沒有搞上去,關鍵設備技術突不破,性能上不去,成本下不來,碳纖維及其制品難以產業化,從而大大制約了我國相關高新技術領域的發展[14]。要正確、科學、實事求是地總結過去,在總結經驗教訓的基礎上,注重將基礎性研究成果或者單元研究結果及時應用到中試線和工業生產線上,尋找一條切合國情的健康發展之路,實現我國高性能PAN基碳纖維的跨越式發展。
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關鍵詞：風力發電機；葉片；碳纖維
Abstract: The extensive use of traditional energy resources bring environmental problems and many social problems, and its storage is greatly reduced, so the wind energy as a clean and renewable energy, more and more attention all over the world. The blade is the most basic wind turbines and components of the key, the good design, reliable quality and superior performance is to guarantee the normal and stable operation of unit determinant. This paper mainly analyzes the application of carbon fiber in the blade of the wind-driven generator, in order to reduce the cost.
Key words: wind turbine; blade; carbon fiber
中圖分類號：TB857+.3
1.碳纖維在風機葉片中的應用葉片材料的發展經歷了由木制、鋁合金的應用，到進入了纖維復合材料時代。纖維材料比重輕，疲勞強度和機械性能好，能夠承載惡劣環境條件和隨機負荷，目前最普遍采用的是玻璃纖維增強聚酯（環氧）樹脂。但隨著大功率發電機組的發展，葉片長度不斷增加，為了防止葉尖在極端風載下碰到塔架，就要求葉片具有更高的剛度。國外專家認為，玻璃纖維復合材料的性能已經趨于極限，不能滿足大型葉片的要求，因此有效的辦法是采用性能更佳的碳纖維復合材料。
由于碳纖維比玻纖昂貴，采用百分之百的碳纖維制造葉片從成本上來說是不合算的。目前國外碳纖維主要是和玻纖混和使用，碳纖維只是用到一些關鍵的部分。碳纖維在葉片中應用的主要部位有：(1)橫梁(Spar)，尤其是橫梁蓋(Spar Caps)。(2)前后邊緣，除了提高剛度和降低質量外，還起到避免雷擊對葉片造成的損傷(專利 US6457943BI)。(3)葉片的表面，采用具有高強度特性的碳纖維片材(日本專利JP2003214322)。
2. 碳纖維在風機葉片中應用的優勢
2.1提高葉片剛度，減輕葉片重量。碳纖維的密度比玻璃纖維小約30%，強度大40%，尤其是模量高3至8倍。大型葉片采用碳纖維增強可充分發揮其高彈輕質的優點。荷蘭戴爾弗理工大學研究表明，一個旋轉直徑為120米的風機的葉片，由于梁的質量超過葉片總質量的一半，梁結構采用碳纖維，和采用全玻纖的相比，重量可減輕40%左右；碳纖維復合材料葉片剛度是玻璃纖維復合材料葉片的兩倍。據分析，采用碳/玻混雜增強方案，葉片可減重20%～30%。Vesta Wind System公司的V90 3 MW發電機的葉片長44m，采用碳纖維代替玻璃纖維的構件，葉片質量與該公司V80 2 MW發電機且為39米長的葉片質量相同。同樣是34m長的葉片，采用玻璃纖維增強聚脂樹脂時質量5800kg，采用玻璃纖維增強環氧樹脂時質量5200kg，而采用碳纖維增強環氧樹脂時質量只有3800kg。其他的研究也表明，添加碳纖維所制得的風機葉片質量比玻璃纖維的輕約32%，而且成本下降約16%。
2.2提高葉片抗疲勞性能。風機總是處在條件惡劣的環境中，并且24小時的處于工作狀態。這就使材料易于受到損害。相關研究表明，碳纖維合成材料具有出眾的抗疲勞特性，當與樹脂材料混合時，則成為了風力機適應惡劣氣候條件的最佳材料之一。
2.3使風機的輸出功率更平滑更均衡，提高風能利用效率。使用碳纖維后，葉片重量的降低和剛度的增加改善了葉片的空氣動力學性能，減少對塔和輪軸的負載，從而使風機的輸出功率更平滑和更均衡，提高能量效率。同時，碳纖維葉片更薄，外形設計更有效，葉片更細長，可提高能量的輸出效率。
2.4可制造低風速葉片。碳纖維的應用可以減少負載和增加葉片長度，從而制造適合于低風速地區的大直徑風葉，使風能成本下降。
2.5可制造自適應葉片。葉片裝在發電機的輪上，葉片的角度可調。目前主動型調節風機(active utility-size wind turhines)的設計風速為13 to15m/sec(29 to 33mph)，當風速超過時，則調節風葉斜度來分散超過的風力，防止對風機的損害。斜度控制系統對逐步改變的風速是有效的。但對狂風的反應太慢了，自適應的各向異性葉片可幫助斜度控用系統(thepitch control system)，在突然的、瞬間的和局部的風速改變時保持電流的穩定。自適應葉片充分利用了纖維增強材料的特性，能產生非對稱性和各向異性的材料，采用彎曲/扭曲葉片設計，使葉片在強風中旋轉時可減少瞬時負載。
2.6利用導電性能避免雷擊。利用碳纖維的導電性能，通過特殊的結構設計，可有效地避免雷擊對葉片造成的損傷。
2.7降低風力機葉片的制造和運輸成本。由于減少了材料的應用，所以纖維和樹脂的應用都減少了，葉片變得輕巧，制造和運輸成本都會下降。可縮小工廠的規模和運輸設備。
2.8具有振動阻尼特性。碳纖維的振動阻尼特性可避免葉片自然頻率與塔暫短頻率間發生任何共振的可能性。
3.碳纖維應用的主要問題和解決途徑
3.1碳纖維應用的缺陷：（1）碳纖維是一種昂貴纖維材料，在碳纖維應用過程中，價格是主要障礙，另外，性價比影響了它在風力發電上的大范圍應用。必須當葉片超過一定尺寸后，因為材料用量下降，才能比玻纖葉片便宜。目前采用碳纖維和玻璃纖維共混結構是一種比較好的辦法，而且還綜合了兩種材料的性能。另外一種方法是采用從瀝青制造的成本較低的碳纖維，這種碳纖維的價格可以降到5美元/磅的心理價位。（2）CFRP比GFRP更具脆性，一般被認為更趨于疲勞，但是研究表明，只要注意生產質量的控制以及材料和結構的幾何條件，就可足以保證長期的耐疲勞。（3）直徑較小的碳纖維表面積較大，復合材料成型加工浸潤比較困難。由于碳纖維葉片一般采川環氧樹脂制造，要通過降低環氧樹脂制造的熟度而不降低它的力學性能是比較困難的，這也是一些廠家采用預浸料工藝的原因。此外碳纖維復合材料的性能受工藝眼影響敏感(如鋪層方向)，對工藝要求較高。（4）碳纖維復合材料透明性差，難以進行內部檢查。但碳纖維在大型葉片中的應用已成為一種不可改變的趨勢。目前，全球各大葉片制造商正在從原材料、工藝技術、質量控制等各方面進行深入研究，以求降低成本，使碳纖維能在風力發電上得到更多的應用。
1、在滿足強度和剛度要求的情況下減輕重量。根據成分的不同，用復合材料代替金屬可使重量減輕10－40％。
2、與傳統金屬部件相比，疲勞和腐蝕的影響較小。
復合材料種類：
1、玻璃纖維
目前用于高性能復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。高強度玻璃纖維復合材料不僅應用在軍用方面，近年來民用產品也有廣泛應用，如防彈頭盔、防彈服、直升飛機機翼、預警機雷達罩、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構的耐高溫、耐燒蝕的復合材料部件，大量應用于火箭、導彈的防熱材料。迄今為止，我國已經實用化的高性能樹脂基復合材料用的碳纖維、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，且擁有自主知識產權，形成了小規模的產業，現階段年產可達500噸。
2、碳纖維
碳纖維具有強度高、模量高、耐高溫、導電等一系列性能，首先在航空航天領域得到廣泛應用，近年來在運動器具和體育用品方面也廣泛采用。據預測，土木建筑、交通運輸、汽車、能源等領域將會大規模采用工業級碳纖維。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，相當于國外七十年代中、末期水平，與國外差距達20年左右。國產碳纖維的主要問題是性能不太穩定且離散系數大、無高性能碳纖維、品種單一、規格不全、連續長度不夠、未經表面處理、價格偏高等。
3、芳綸纖維
20世紀80年代以來，荷蘭、日本、前蘇聯也先后開展了芳綸纖維的研制開發工作。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，因此被廣泛應用于航空航天領域的高性能復合材料零部件（如火箭發動機殼體、飛機發動機艙、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。
（來源：文章屋網 ）
關鍵詞：復合材料異型件；碳纖維預浸布；弦桿；腹桿
中圖分類號：TB332 文獻標識碼：A DOI：10.15913/ki.kjycx.2016.02.088
真空輔助成形（VARI）是一種新型的低成本、高性能的成形工藝，已被應用到了船舶工程中。
1模型結構及其成形方案
1.1模型結構的試驗方法
模型的結構形式為“米”字形異型件，弦桿和腹桿均為復合材方管，在方管內填充了Balsa木，弦桿壁厚4mm，腹桿壁厚3mm。選用的復合材料為威海光威生產的碳纖維預浸布，Balsa木的規格為B150，密度為0.15g/cm3。
1.2真空輔助成形的基本原理
真空輔助成形工藝的基本原理為：在真空狀態下，排除纖維增強體中的氣體，利用樹脂的流動、滲透浸漬纖維及其織物，并使其在室溫或高溫下固化；固化成形后，通過真空氣壓差對纖維施加一定的正壓力，從而形成具有一定比例的復合材料構件。
2真空輔助異型件成形過程中的技術
復合材料異型件結構整體成形過程中主要用到異型件結構整體成形法、弦桿接頭成形法、桿件預浸布鋪設法和真空輔助成形流道鋪設、固化法。
2.1整體成形法
針對復合材料異型件結構特殊的結構形式，提出了分步制作、整體成形的模型制作方法：在木模具上鋪設碳纖維預浸布，抽真空固化制作得到U形異型件；在U形異型件內填充Balsa木和預埋金屬內芯，Balsa木、接頭內芯與U形異型件管壁用結構膠黏結；在成形的U形異型件的桿件和弦桿接頭上纏繞碳纖維預浸布，對桿件進行局部補強和整體纏繞加強，并進行預埋接頭與桿件的整體固化成形，從而得到模型樣件。
2.2接頭整體成形法
通過計算得到弦桿接頭需要承受的拉壓荷載，針對結構、受力的特點設計T形預埋接頭內芯。接頭的成形方法為：先將接頭內芯預埋到弦桿和腹桿中，用木塊壓實預埋接頭，保證預埋接頭的內芯與桿件整體呈平面、保持豎直；使用碳纖維預浸布沿弦桿受力方向包裹內芯，使接頭內芯與復合材料弦桿整體固化為一體。采用該方案可將預埋接頭內芯與桿件連為一體，使各受力部分協同受力，從而提供較大的拉壓力。
2.3鋪設、纏繞預浸布
整體采用交叉鋪設的方法，即一層預浸布全部鋪設、纏繞、搭接完成后，再鋪設下一層預浸布，并使各層預浸布交叉搭接。在初成形的異型件結構上纏繞、包裹碳纖維預浸布的方法為：將預浸布平鋪在異型件表面，預浸布中心線與桿件中心線對齊，順勢將預浸布向兩側腹板平鋪，施加一定的張力，并保持表面平整。
2.4真空輔助成形流道鋪設、固化法
由于復合材料異型件結構復雜、鋪層不規則，為了保證樹脂對纖維的充分浸潤，并吸走預浸布高溫固化時多余的樹脂和氣泡，按照樹脂在纖維中的流動規律、遵循Darcy定律布設了導流網和導流管。Darcy定律為：θ=S•A•P/μ•L.（1）式（1）中：θ為通過恒定面積試件的體積流動速率；S為滲透率，與長度的平方相關的常數；A為試件的橫截面積；P為試件的壓力梯度；μ為樹脂黏度；L為試件液體流動的長度。最終確定的導流設施布置方法為：在纏繞成形的樣件前部包裹脫模布和導流網，真空袋包裹所有桿件，并在樣件端部布置了1個出膠口，從而吸出多余的樹脂；抽真空，壓實各折角處的導流網和真空袋，待真空度達到0.08MPa時，緩慢升溫至80℃，固化1h后升溫至100℃，再固化1h后升溫至120℃，并在120℃的環境下保持2h；在固化過程中，應不斷地觀察固化效果，待樹脂完全固化完后緩慢降溫，最后脫模得到模型樣件。
3外觀檢測
脫模后應及時觀測，成形后桿件的尺寸與設計尺寸基本相符。檢測試件外觀后發現，樣件整體成形效果較好，桿件鋪層較密實，但其表面存在一些問題：①弦桿接頭處存在纖維褶皺現象；②桿件厚度不一，表面不是平面。這些問題在后期制作實物樣件時均會改進。
4結論
本文通過采用真空輔助成形工藝整體制備碳纖維復合材料異型件樣件，得出了以下2點結論：①本文提出的分步制作、整體成形、整體制備復合材料異型件模型樣件方案經濟、方便、可行，證明了真空輔助成形工藝用于制備異型件結構是合理、先進的，為解決軍用復合材料異型件結構減重問題提供了低成本的制造方法和技術方案；②從構造和工藝方面出發，本文提出的整體制備拉壓接頭具有一定的創新性，T形預埋接頭內芯構造合理，接頭承載效果良好。一些需要改進之處為：①繞桿件纏繞的纖維在真空吸附受壓時，纖維會有褶皺、翹曲的現象，這會對桿件和接頭性能造成一定的影響。因此，在工藝上應優化纖維的纏繞方法，避免此類問題的發生。②需要對異型件進行加載試驗，驗證異型件的力學性能，從而有針對性地優化工藝。
參考文獻
［1］劉建成，林鑄明.復合材料在渡河橋梁中的應用和發展［J］.工兵裝備研究，2004（1）.
關鍵詞：復合材料飛機；靜電放電；輻射電場；放電能量
中圖分類號：TN41,TP33 文獻標識碼：A 文章編號：1004373X(2008)1601503
Research on Electrostatic Discharge Characteristics in Composite Airplane
ZHANG Jun.1,XIE Yongjun.1,FU Huanzhan.1,LIU Zhigang.2
(1.National Laboratory of Antennas and Microwave Technology,Xidian University,Xi′an,710071,China;2.No.783 Factory,Mianyang,621000,China)
Abstract：In order to analyze the Electrostatic Discharge(ESD)characteristics in composite airplane,theory of ESD generated in composite airplane is first presented in this paper,then the model of ESD in composite airplane is established according to ESD current pulse form to simulate the electrostatic accumulation in carbon fiber composite airplane and to emulate the fields E radiated by ESD current.Finally numerical results by the FEM method are given to calculate the capacitance of composite airplane,and to estimate the energy of ESD.Dramatically different from general metal airplane,it should be emphasized that the impacts of electrostatic discharge and its radiation fields on the airborne antenna in this paper are all totally in the composite material environment of the aircraft throughout the analysis.
Keywords：composite airplane;electrostatic discharge;radiation electric fields;discharge energy
1 引 言
為保證飛機飛行安全，在20世紀20年代就開始了對飛機靜電放電的研究。飛機在飛過云層的過程中，飛機表面和空間粒子摩擦而在飛機表面積累一定量的電荷。隨著電荷在飛機表面的積累，機上表面電壓將持續升高，當達到機上靜電放電起始電壓值時便產生靜電放電。飛機上主要以電暈放電的形式將機上電荷釋放出去。隨著這一課題的深入，人們發現電暈放電產生在飛機表面電場強度大的結構尖端，如機翼末端，尾翼尖端等。飛機在飛行中產生靜電放電，會對航空航天飛行器及其飛行系統的效能會產生直接影響。
本文主要研究了碳纖維復合材料飛機上靜電放電產生的原理，對建立好的復合材料飛機數值模型，運用有限元方法進行數值計算，得出靜電放電在飛機表面感應的輻射場。在此基礎上，計算出復合材料飛機的電容，估算靜電放電的能量，給出機上靜電放電能量分布圖。這對復合材料飛機的外形設計以及減少靜電放電帶來的危害具有很大的指導意義。
2 復合材料飛機上ESD的產生
摩擦起電是飛機上最主要的靜電積累方式。摩擦靜電的積累，與飛機所處的靜電摩擦環境和飛機材料的電阻系數有關。當飛機處在飛行時的摩擦環 境中，電荷積累到材料的擊穿強度需要很長的一段時間，對于高電阻系數的材料可以積累相當大的電荷。電阻系數越大，電荷積累到一定量值所需的時間就越短。碳纖維復合材料飛機上的靜電積累比一般金屬飛機上的靜電積累要快的多，并且碳纖維復合材料也可以像金屬一樣保證積累電荷的移動，因此，靜電累積在飛機的什么部位與材料無關，靜電的積累主要決定于尖端原理。
靜電在復合材料飛機表面的積累呈現不均勻分布，主要集中在飛機表面曲率大的部位，如機頭位置、機翼尖端和后緣、尾翼尖端部位后緣等結構尖端，這一特性與金屬材料類似。與金屬材料相比，碳纖維復合材料更容易積累電荷，在指定時間內積累的電量比金屬材料要大得多，復合材料飛機上電荷積累到靜電放電的時間就越短。所以當飛機結構尖端發生電暈放電時，放電之間的周期要短，各放電電流脈沖之間的時間比金屬小。在碳纖維復合材料飛機上，積累的靜電荷也可以轉移到放電刷放置的位置，以電暈放電的形式釋放出去。
復合材料飛機在空中飛行時，與周圍空間環境的粒子摩擦，飛機表面帶上大量的負電荷。電荷積累到一定程度，帶負電的介質飛機上將發生電暈放電。在放電時，電暈針附近的空氣中將產生電子和離子電流，促進空氣的電離，產生電暈放電電流脈沖。電暈放電期間產生的時變電暈電流脈沖具有雙指數形式［1］，可用式（1）表示：I(0,t)=KIp(e.－α t－e.－β t)， t≥0(1)其中K,α和β為常數I為電暈電流；Ip為峰值電流值。
與金屬相比，復合材料上電暈放電脈沖的上升時間要短，一個放電周期內的脈沖電流上升沿約只有15 ns,脈沖寬度約為180 ns，峰值電流值Ip比金屬介質時的Ip要大。頻譜范圍小于30 MHz,主要集中在10 MHz以內,屬寬帶干擾，不同極性的電暈脈沖具有相同的頻域范圍。復合材料飛機電暈放電時的放電電流時域脈沖波形和頻域波形分別如圖1和圖2所示。
圖1 電暈放電電流時域脈沖波形圖2 電暈放電電流頻域波形3 復合材料飛機上ESD數值模型的建立及計算
3.1 復合材料飛機ESD建模
