碳纤维及其复合材料性能与应用

1、碳纤维及其复合材料性能与应用吕立斌,荀勇(盐城工学院,江苏盐城224003摘要: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。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(20040620053204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,合成树脂为基体材料,通过各种成型工艺复合而成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种新型材料。它的强度比钢还大,密度比铝合金还低,且还

2、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超高模量(U HM碳纤维;高模量(HM碳纤维;超高强度(U HS碳纤维;高强度(HS碳纤维。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,由原料纤维高温烧成,成分基本都是碳元素,其主要性能见表1,目前结构复合材料中大多数使用PAN碳纤维。1.1.3按用途可分为:宇航级即小丝束碳纤维,以132K为中心;1K324K的长丝型(1K为1000根长丝;和工业级即48K以上的大丝束碳纤维。1.2碳纤维的主要性能收稿日期:20042

3、10211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。表1各种材质碳纤维的主要性能性能聚丙烯腈碳纤维沥青碳纤维粘胶碳纤维拉伸强度(MPa25003100160021002800拉伸弹性模量(GPa207345379414552密度(g/cm3 1.71.8 1.7 2.0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:碳纤维的强度高,其抗拉强度可达3000 4000MPa,比钢大4倍多;比铝高67倍。弹性模量高。密度小,比强度高。碳纤维的质量

4、是钢的1/4,是铝合金的1/2,比强度比钢大16倍,比铝合金大12倍。能耐超高温。碳纤维可在2000使用,在3000非氧化气氛的高温下不融化,不软化。耐低温性能好。在-180低温下,钢铁变得比玻璃脆,而碳纤维依旧很柔软。耐酸性能好。能耐浓盐酸、磷酸、硫酸、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;热膨胀系数小,导热系数大。可以耐急冷急热,即使从3000的高温突然降到室温也不会炸裂。防原子辐射,能使中子减速。导电性性能好(517m。轴向剪切模量较

5、低,断裂伸长率小,使耐冲击差,并且后加工较为困难。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

6、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(1000 10000,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

7、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

8、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。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

9、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

10、,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36mm,细度或宽度范围在720m,抗拉强度范围在015018GPa。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

11、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

12、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、

13、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: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。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。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。墙和防腐蚀涂层、耐磨铺地材料、耐化学腐蚀性地板。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

14、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典型件制造工艺汽车车身、传动轴、板形构件等铺层、缠绕、模压、注射成型等电子外壳、支架、底版等热塑性树脂注射成型等土木建筑增强水泥、钢筋、桥墩、层压板等拉挤、手工铺层等能源风力发电叶片、燃烧电池等纤维缠绕、铺层、模压等航海桅杆、缆绳、甲板、船身等手工铺层、纤

15、维缠绕等离岸石油链绳、浮标、螺旋管、吸入杆、防火装置等拉挤、纤维缠绕等其他工业应用压力气罐、棍子、轴类件、飞轮等纤维缠绕体育休闲用品高尔夫球杆、网球拍、冰球拍、滑雪板等纤维缠绕、拉挤、铺层等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

16、。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

17、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(3:258260.2储长流等.碳纤维的性能与应用J.北京纺织,2001,27(6:3941.3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(3:1822.4周明英,碳纤维及其应用J.山东纺织科技,2000,41(3:4849.Properties and Applications of C a

18、rbon Fiber and Composite MaterialLL i2bi n,X U N Yong(Y ancheng Institute of Technology,Y ancheng224003,ChinaAbstract:The Properties of carbon fiber,CFRP and applications in construction engineering are intro2 duced.K ey w ords:carbon fiber;CFRP;application2005年山东纺织科技征订启事山东纺织科技是山东省纺织工业唯一的综合性科技期刊(国内统一刊号CN3721127/TS,国际标准刊号ISSN100923028,邮发代号242132,大16开本、双月刊、公开发行。主要刊登纺织、印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、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