碳纤维复合材料大全11篇

碳纤维复合材料篇（1）

中图分类号：K928.78 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）30-0377-01

碳纤维复合材料具有轻质高强、耐腐蚀、抗疲劳、性能可设计等特性。碳纤维的抗拉强度为建筑钢材的10倍，弹性模量与钢材相当，高弹性碳纤维的弹性模量在钢材的2倍以上，施工性能与耐久性良好，已成为土木工程结构改造和增强的一种重要材料。据预测，到2016年我国碳纤维需求量约为13500吨，而在其能源、交通及工业应用领域约为 60%，其他航空航天、体育休闲各为20%。这说明了碳纤维复合材料在交通和工业领域的应用有着非常大的潜力。

一、碳纤维复合材料应用桥梁的原因

由于桥梁结构长期暴露在沿江沿海地区，环境腐蚀影响非常大，且承受多种活载作用（风荷载、交通荷载等）。在腐蚀和循环荷载耦合作用下，传统钢筋混凝土桥梁的耐久性能和安全性能问题突出，维护费用昂贵。中国科学院海洋研究所报道，全世界每年因海洋腐蚀导致的基础设施直接经济损失达到 7000 亿美元。同时，由于传统材料和设计施工缺陷，大跨箱梁桥的腹板开裂和跨中下挠问题，成为影响桥梁长期性能的关键因素。此外，随着桥梁跨径不断增长，传统斜拉桥钢拉索在千米级以上利用效率将明显下降，严重影响了桥梁的正常使用性能。以碳纤维为复合材料纤维布/板，碳纤维纤维复合索、网格、型材等在桥梁领域大量应用，成为结构抗震加固的重要手段。近年来，碳纤维复合材料成为解决传统钢筋混凝土桥梁结构存在的耐久性能与安全性能问题的重要途径之一。

二、碳纤维复合材料桥梁应用的途径

近年来，由于国内外碳纤维的快速发展，降低了碳纤维市场价格，这为碳纤维复合材料在基础设施领域的规模化应用奠定了基础。碳纤维增强树脂基复合材料已经在基础设施领域得到规模化的应用，如桥梁结构的加固与修复等。2012年我国碳纤维总用量为 12，000 吨，而用于桥梁结构加固修复的为总用量的 10%，达到 1，200 吨。传统的碳纤维复合材料在桥梁结构的应用主要为非预应力的碳纤维板、碳纤维布等的外粘结加固修复，而在碳纤维复合材料预应力加固及新建桥梁结构的应用尚未规模化应用。

1、碳纤维复合材料-混凝土组合桥面板的应用：这种应用可以充分发挥碳纤维复合材料的高抗拉强度与混凝土高抗压性能，并避免纯碳纤维复合材料桥面板初次投入大、刚度低、强度利用率低、易发生脆性破坏和局压破坏等缺点，被认为是最为有效的组合结构形式之一。上世纪 80 年代以来，许多专家多学者对碳纤维复合材料-混凝土组合桥面板的组合形式及其受力性能进行了大量研究，设计和分析了多种碳纤维复合材料-混凝土组合桥面板，其中一些已经在实际桥梁中得到了应用取得了较好的效果。

2、拉索桥梁中的钢拉索的应用：钢拉索比重大，在索承桥梁中拉索材料用量随跨度的平方增长，承载效率（外荷载集度/缆索自重集度）下降极快，拉索中的应力大部分用来平衡自身重量。因此，采用轻质高强的碳纤维复合材料拉索，将能有效提升拉索利用效率，提高桥梁的适用跨径，并实现高使用性能和耐久性等诸多优点。另外，对于体外预应力拉索梁桥，于传统钢拉索的耐腐蚀和疲劳问题，采用碳纤维复合材料拉索，将能从本质上缓和或彻底消除传统钢索的缺点，促进体外预应力结构体系向更大经济跨度发展。近年来，碳纤维复合材料拉索千米大跨斜拉桥的静动力、稳定性研究得到进一步发展，对于大跨悬索桥，国内外专家学者探索了不同跨度下钢拉索和碳纤维复合材料拉索悬索桥，表明 2500 米跨度以上碳纤维复合材料拉索将保持优越的经济性与实用性。

3、悬索桥/拱桥吊杆上的应用：一般情况下，吊杆设计使用寿命约为 20～30 年，在桥梁设计使用周期内需对吊杆进行多次更换，如果防腐工艺及后期维护水平不足，导致部分吊杆使用 10-15 年后即需要对腐病害严重的吊杆进行更换。钢丝锈蚀与疲劳应力的耦合作用是造成桥梁吊杆病害的直接原因；而钢丝锈蚀损伤是引起吊杆病害的罪魁祸首。而现有吊杆防腐工艺无法从根本上解决钢材腐蚀问题，极大限制了吊杆的使用寿命。如采用碳纤维复合材料代替钢材，可保证碳纤维复合材料吊杆较传统吊杆具有更长的使用寿命，可有效减少桥梁寿命周期内的吊杆更换次数，实现桥梁全寿命周期成本优化。

碳纤维复合材料吊杆由一定数量平行/半平行单向 CFRP 圆棒集束成索，其基本结构形式同钢丝吊杆相似。为确保吊杆能够真实环境中长期服役，要对碳纤维复合材料吊杆设计准则、工艺及高耐久性配套锚具研发、疲劳损伤检测技术及损伤机理、疲劳损伤监测及吊杆在不同交通荷载等级下疲劳寿命、吊杆锚固区局部弯曲引起的径向剪切疲劳应力等等方面进行深入的系统研究，然后进行实践才能达到预期的效果。

目前，我国低性能碳纤维复合材料拉伸模约为钢材 60%，无法保证桥梁在活载下的刚度要求，影响行车舒适性及主梁弯曲疲劳应力幅值大小及分布；但以等刚度设计则导致材料使用效率低下，提升吊杆造价。因此将强度、刚度设计作为碳纤维复合材料在吊杆设计的上、下限，同时考虑吊杆在不同应力水平下疲劳寿命及造价等因素。

碳纤维复合材料吊杆制索工艺及配套高耐久性锚具研发是保证吊杆正常工作的最为关键的部分。由于碳纤维复合材料各向异性的特点，导致材料在运输、集束成索及安装过程中极易发生损伤。纤维复合材料特点，使得普通锚固体系不再适用。国内外公司针对此类材料性能特点，推出多系列锚具及配套注浆设备，如，机械加持型、粘结型、握裹粘结型等等。其中，握裹粘结型锚具依靠锚杯内部环氧类填料粘结作用以及直筒内锥的锚体结构所提供的内挤效应，其锚固效率高于粘结型，且在锚固段内填料对材料横向剪压效应远低于加持摩擦型，适用于锚固多束纤维复合棒材。

研究碳纤维复合材料在桥梁结构的创新性应用，不仅能够促进国产碳纤维复合材料在交通领域的规模化应用，同时能够提高我国桥梁结构的使用寿命与性能。

参考文献

碳纤维复合材料篇（2）

1、引言

碳纤维是50年代初应火箭、宇航及航空等尖端科学技术的需要而产生的，主要作为增强材料与树脂、金属、陶瓷等基体复合制成结构材料，其比强度、比模量综合指标在现有材料中是最高的，力学性能颇具优势，所以被广泛应用于各个领域。

2、碳纤维材料的特性

碳纤维主要是由碳元素组成的一种特殊纤维，由含碳量较高、在热处理过程中不熔融的人造化学纤维经热稳定氧化处理、碳化处理及石墨化等工艺制成的，其含碳量随种类不同而异，一般90%以上，不仅具有一般碳素材料的特性，又兼具纺织纤维的柔软可加工性，但仅依靠碳纤维片本身并不能充分发挥其强大的力学特性及优越的耐久性能，只有通过环氧树脂将碳纤维片粘附于钢筋混凝土结构表面并与之紧密结合才能达到补强的目的，具体具有以下特性：

（1）沿纤维轴方向有很高的强度，碳纤维的拉伸强度为2～7GPa，约为钢材的10倍，其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230～430Gpa亦高于钢，经应力疲劳数百万次的循环试验，其强度保留率仍有60%，而钢材为40%，铝材为30%，玻璃只有20%～25%，所以所取安全系数为最低，但碳纤维的径向强度不如轴向强度，剪断强度弱，耐冲击性差；

（2）非氧化环境下具有突出的耐热性能，可以耐受2000℃以上的高温，碳纤维要温度高于1500℃时强度才开始下降，而且温度越高，纤维强度越大；

（3）外形有显著的各向异性、柔软，可加工成各种织物、毡、席、带、纸及其他材料；

（4）热膨胀系数小，变形量小，结构尺寸稳定性好；

（5）具有极好的纤度，一般仅约19g，密度约为1.5～2g/cm3，比重比铝还要轻，重量约为钢材的1/5，比强度却是铁的20倍；

（6）耐腐蚀性好，碳纤维的成分几乎是纯碳，而碳又是最稳定的元素之一，除强氧化酸以外，能在各种有机溶剂、酸、碱中不溶不胀，不存在生锈问题；

（7）耐磨性好，与金属对磨时，损耗很少，可制成高级的摩擦材料。

3、碳纤维在各领域的应用

据报道航天飞行器的重量每减少1Kg，就可使运载火箭减轻500Kg，所以在航空航天工业中争相采用先进复合材料，由碳纤维和环氧树脂结合而成的复合材料，因其比重小、刚性好和强度高而成为火箭、卫星、导弹、战斗机和舰船等尖端武器装备中必不可少一种先进材料。将碳纤维复合材料应用在战略导弹的弹体和发动机壳体上，可大大减轻重量，提高导弹的射程和冲击能力；碳纤维应用在舰艇上可减轻结构重量，增加舰艇有效负载，从而提高运送作战物资的能力；在飞机上大量应用碳纤维环氧复合材料能够减轻重量、节省燃油、降低排放、减少温室气体的排放；用碳纤维制作的耳机重量轻、强度好，既能减轻头部压力，又提高了人员佩戴的舒适性。

在土木建筑领域，碳纤维也应用在工业与民用建筑物、铁路、公路、桥梁、隧道、烟囱、塔结构等的加固补强，具有密度小、强度高、耐久性好、应变能力强、抗腐蚀能力强的特点，可耐酸、碱等化学品腐蚀， 柔韧性佳。用碳纤维管制作的桁梁构架屋顶， 比钢材轻50%左右， 使大型结构物达到了实用化的水平，而且施工效率和抗震性能得到了大幅度提高， 碳纤维做补强混凝土结构时， 不需要增加螺栓和铆钉固定， 对原混凝土结构扰动较小， 施工工艺简便。

在运动休闲领域中，像球杆、钓鱼竿、网球拍、羽毛球拍、自行车、滑雪杖、滑雪板、帆板桅杆、航海船体等运动用品都是碳纤维的主要用户之一。体育应用中的重要应用为球棒和球拍框架，全世界40%的球棒都是由碳纤维制成的，全世界碳纤维钓鱼杆的产量约为每年2000万副，网球拍框架的市场容量约为每年600万副，碳纤维还应用在划船、赛艇等其它海洋运动中。

日常用品中音响、浴霸、取暖器，远红外理疗产品等家用电器以及手机、笔记本电脑等电子产品都会应用到碳纤维。

4、结束语

由于碳纤维复合材料具有轻而强、轻而刚、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、结构尺寸稳定性好、设计性好以及可大面积整体成型等诸多优点，已在航空航天、国防军工和民用工业领域得到广泛应用。据《2013-2017年中国碳纤维行业深度调研与投资战略规划分析报告》数据显示我国是碳纤维需求大国，2011年碳纤维市场规模达到6811.22吨，然而受供应不足的影响，国内碳纤维市场发展相对较为缓慢，预计未来几年，随着供应量的提升以及宏观经济的整体性好，我国碳纤维行业的需求量也将保持着较快速度的增长，不过国产碳纤维落后的技术却成为制约着我国碳纤维行业健康稳健发展的“拦路虎”，这直接导致我国碳纤维产品质量与进口产品之间的明显差距，也极大地限制了国产碳纤维产品在高端领域的应用，目前我国碳纤维产品在应用上集中于低端领域，在碳纤维质量要求较高的航空航天领域的应用比例仅为3%，远远没达到国际上碳纤维行业在航空航天领域应用占比的平均水平，而在质量要求相对较低的运动休闲用品领域，碳纤维的应用比例却高达80%左右，四倍于国际上碳纤维在运动休闲用品领域应用的平均水平，随着尖端技术对新材料技术性能的要求日益苛刻，促使科技工作者不断努力提高碳纤维的生产工艺技术水平。

参考文献

碳纤维复合材料篇（3）

中图分类号：TU531.6

1 引言

一般按照材料特性将井盖分为铸铁（包括灰口铸铁和球墨铸铁）、复合材料、水泥及菱镁等几种井盖。传统的水泥混凝土井盖具有造价低、制造方便、取材方便等优势，但其脆性大、易老化、易断裂；目前国内常用的井盖还是以铸铁的（含球墨铸铁）[1]为主。铸铁井盖最突出的优点是强度高、使用寿命长、工艺成熟。但其造价高，防盗性差。主要是因其材料可以回收利用，因而容易被盗，这不仅造成巨大的经济损失，还会引发严重的安全问题。通过安装防盗装置会进一步增加井盖的成本，因而，为解决此问题，采用没有回收利用价值的复合材料井盖就是最佳的选择。目前市政工程中的复合材料井盖存在承压能力低、易老化变形等问题，因此在传统的井盖基础上引进高强度新材料开发能够保证承载力、耐久性好且无回收利用价值的复合材料井盖是一个值得关注的研究方向。

2 碳纤维加固混凝土的国内外研究概况

2.1国外研究现状

碳纤维加固技术最初起源于德国和瑞士，接着日本也进入了碳纤维加固行业，并且迅速的推广了碳纤维加固技术，加固范围和加固领域也一直在不断扩大和延伸，而运用碳纤维材料加固的最主要对象为钢筋混凝土结构。欧美及日本的大量研究机构从上个世纪的八十年代开始就通过科研实践，对碳纤维加固技术进行深入研究，现在在全世界都在广泛的使用这项加固技术，此方法已经成为了一种常用的加固方法[2]。

2.1国外研究现状

碳纤维加固技术最初起源于德国和瑞士，接着日本也进入了碳纤维加固行业，并且迅速的推广了碳纤维加固技术，加固范围和加固领域也一直在不断扩大和延伸，而运用碳纤维材料加固的最主要对象为钢筋混凝土结构。欧美及日本的大量研究机构从上个世纪的八十年代开始就通过科研实践，对碳纤维加固技术进行深入研究，现在在全世界都在广泛的使用这项加固技术，此方法已经成为了一种常用的加固方法[2]。

Shahawy[3]在对CFRP 加固梁的疲劳性能和静力性能研究方面，通过试验结果分析研究得出了混凝土强度等级、碳纤维布加固层数和碳纤维的不通加固方式对梁的静力性能影响较大，尤其是对梁的极限承载力以及混凝土的延性性能方面影响较大。同时此文还研究了加固梁的疲劳性能，通过研究结果得出利用碳纤维加固对混凝土梁的疲劳性能也有显著影响，利用碳纤维加固能使梁具有很好的疲劳性能。得出结论如下：CFRP 加固在很大作用上能够增强梁的疲劳性能和静力性能。他还对整个试验的过程通过运用有限元软件进行了模拟，并对比试验结果，验证了利用有限元分析结构性能具有合理性。

2.2国内研究现状

我国则从1997年才开始对碳纤维复合材料加固混凝土结构进行研究。近几年来对采用粘贴碳纤维布材加固钢筋混凝土梁的抗弯受力性能研究方面较为普遍，相应的研究成果较多。

冯鹏、陆新征等通过实验研究四根不同加固形式的构件，对试验构件的受力全过程进行了分析记录，并对构件纯弯段裂缝状况、荷载挠度曲线、跨中混凝土截面应变分布、弯矩-碳纤维应变关系和同样挠度时的极限弯矩值进行了详细记录研究，并利用试验结果进行了汇总出了开裂弯矩、屈服弯矩、极限弯矩和混凝土、钢筋和碳纤维应变等具体数据，运用公式所得的结果与试验值基本符合。

赵志平等通过试验得出了不同形式加固梁的屈服荷载和极限荷载，再利用ANSYS 有限元分析软件对试验中的梁进行了有限元非线性分析的模拟，得出有限元分析的结果能够与试验所得的值较好的符合，利用ANSYS 建模分析时，只要合理选用模型单元和合理设置计算参数，模型还是较高的实用性和可靠性的。

国内外学者研究表明，碳纤维材料能够有效的加固混凝土，提高混凝土的强度和承载力。

3 复合材料井盖的研究现状

3.1国内研究现状

国内常用的复合材料井盖有以下，这些复合材料井盖各有特点，共同的优势是金属材料含量极小或没有，没有值得回收利用的价值，可以起到适当的防盗作用，能够弥补铸铁井盖最大的缺憾。

（1）钢纤维混凝土井盖

钢纤维混凝土井盖是早期的复合材料井盖，相对混凝土井盖而言，较强的抗裂性能和抗冲击性能是此类井盖的最大特点。可以承受荷载的反复碾压，表现出较好的耐久性能，且加工成本便宜，回收价值不大。但是，该类混凝井盖重量较大，施工检修较费力，井盖边缘容易破损，一般需要通过外加金属边框来改善这种崩边现象。在城市道路、居民小区和工厂的雨水口等处一定程度上取代了铸铁井盖。

3.2国外研究现状

国外设计井盖一般会根据井盖不同部位采用增强材料各异。为保证其承载能力，通常在井盖下部受力较大处使用连续纤维增强。为提高井盖抗变形性能，在井盖中部会大量使用填料；而为保证井盖较好的耐磨性能，硬度较高、耐磨耐候性好的材料会用于井盖上部，同时设计出相应的图案、数字、文字和颜色。通过这一套工艺程序就能够满足耐磨耐候性和外观要求。玻璃钢井盖优势较明显，既能保证井盖的轻质高强和抗疲劳性能好等要求，同时还具有耐腐蚀和外表美观等优点，也可以解决铸铁井盖被盗的缺点，成为其替代产品。

综上所述，国内外学者和业内相关人士对于井盖进行了大量的研究，研究方法包括实验、模型仿真、加工工艺等多种途径，表明井盖技术在城市道路建设和规划中得到越来越广泛的关注和重视，新型材料井盖研究技术也将成为一种新型的技术领域。在不同的使用条件下，可以通过不同的复合材料井盖来代替传统的和常用的铸铁井盖。碳纤维在混凝土领域的应用已经比较广泛，但是，关于新型碳纤维在井盖中的研究非常鲜见，在井盖领域中碳纤维的应用还是空白，有极大的应用潜力和发展空间，未来将成为传统铸铁井盖和水泥混凝土井盖的理想换代产品。

参考文献

[1]邓宗才、吴寅.玻璃钢井盖的研制[J]. 玻璃钢复合材料，2010，123（23）：12-13.

[2]S.Wen， D.D.L.Chung. Seebeck effect in Carbon Fiber Reinforced Cement， Cem.Coner.Res， 1999， 26（7）：15-18.

[3]文斌等.基于界面效应的碳纤维水泥基复合材料压敏性实验研究.重庆科技学院学报，2009，11（6）：65-68.

碳纤维复合材料篇（4）

 

1. CFRP 增强塑料的特点与性能研究

碳纤维是一种高性能纤维，在建筑结构中的使用量最大。论文参考网。在保护气氛中的有机纤维在施加张力牵引下，经过热处理碳化而成为含碳量90%以上的碳纤维。在混凝土结构的加固补强中，碳纤维片材作为碳纤维增强塑料的一种使用较多。我国土木工程领域多使用日本生产的碳纤维片，这种材料包括单向片、单向预浸片、单向织布、双向织布等多种形式。

与普通建筑钢材相比，碳纤维增强塑料具有如下特点：顺纤维方向抗拉强度远大于普通钢筋；均匀性与钢材相比较差，各向异性；重量轻, 密度约为钢材的1/5， 便于施工安装；耐久性好；抗腐蚀性能好，除了强氧化剂外，一般如浓盐酸、30% 的硫酸、碱等对其均不起作用；热膨胀系数低；应力-应变曲线呈线性分布；减震性能好，其自振频率很高，可避免早期共振，且内阻很大，若发生激振，衰减快；材料柔软，产品形状几乎不受限制，还可以任意着色，将结构形式和材料美学统一起来；非磁性。综合以上特点，碳纤维增强塑料（CFRP）在建筑结构中具有突出的应用优势。

从以上CFRP 材料的综合特性分析，CFRP材料适合作为土木工程领域桥梁结构的受拉或预应力受弯构件，特别在应用于纯受拉构件时，材料自身的优势可以得到最大限度的发挥，这也在工程实践中得到了证明CFRP 增强塑料是指预浸料碳纤维(CF)，其物理力学性能指标包括抗拉强度、弹性模量、延伸率等，在施工性和使用耐久性方面包括密度、浸透性、均匀度、耐腐蚀性等指标要求。 (1)力学性能。利用碳纤维所具有的具有高强度(抗拉强度高达一般钢材的10余倍)、高弹性模量、密度小、延伸率小等优异特性，可有效提高混凝土结构的承载力，增强其延性、抗裂性能，达到高强、高效加固修复混凝土结构的目的。论文参考网。(2)热学性能。碳纤维的耐高低温的性能好，热导率高。(3)耐化学性能。碳纤维具有较好的耐酸碱性，一般的酸碱对其作用很小。且碳纤维的耐水性也很好。(4)电、磁性能。碳纤维沿纤维方向的导电性好，抗磁性好。

2. CFRP 增强塑料的应用研究

2.1 CFRP的国内应用现状

CFRP加固修补混凝土结构是兴起于欧美和日本等发达国家的一项新技术，在我国起步较晚，但最近几年我国对CFRP加固修补混凝土结构技术的系统研究呈现不断发展的趋势，而且已经取得了实质性成果。碳纤维增强塑料在工业与民用建筑、桥梁与隧道以及公路工程中得到了广泛的应用，目前主要用于旧桥加固时约束裂缝的开展，承受拉应力；新建桥梁中主要作为受拉的缆索或主梁的预应力筋。

我国在1996 年前后才开始对土木结构方面的CFRP 进行研究，起步相对较晚。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从事CFRP的研究课题，并在在板梁柱的模型实验和加固与修复方面取得一定成果。目前，国家已编制并颁布了《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》。现阶段我国主要集中研究CFRP片材加固和修复混凝土结构，国家工程中心已制作出20 余个工况的试件，取得了构件抗弯、抗剪和抗压等一些有价值的实验数据，进行了多项工程的试点与推广。相信碳纤维增强材料在国内将有广阔的发展前景。

2.2 CFRP的国外应用现状

CFRP材料最初应用于航天工业，这项技术在20 世纪70 年代已渐趋成熟。20 世纪60 年代，美国开始把CFRP 材料应用在土木工程领域。但当时试验结果不理想，而且试验费用很高，所以FRP 材料在土木领域的研究与应用在其后的二十多年里没有很大的进展。直到80 年代初，欧美、日本和澳大利亚等国才开始重视FRP 材料在土木工程中的相关应用研究，这时期内FRP 材料多应用于于桥梁、海工构筑物、非磁性建筑等工程，尤其集中在桥梁方面。20 世纪80 年代末及20世纪90 年代初，日本的众多大学、科研机构材料生产厂家相继大量进行了CFRP 用于结构加固修补的研究。CFRP 以其优异的力学性能、简便的施工工艺、良好的耐腐蚀和耐久性得到了普遍的赞同。特别是日本阪神地震后，用CFRP 加固修复混凝土结构,尤其是进行抗震加固，在日本、韩国、美国、欧洲等国家和地区得到迅速的发展和应用。CFRP材料应用于土木工程在日本已经有20 多年的历史。20 世纪90 年代碳纤维材料在国际土木工程应用领域得到了系统的研究，并且首先在桥梁、隧道和房建加固工程中得到了广泛应用。论文参考网。有些发达国家已编写了相关的设计、施工规程，及相关的指南和手册。鉴于美国和加拿大地区受盐害较严重，约有60万座桥梁需要加固和修复，美国混凝土协会(AC I)成立了专门委员会(AC I440) ，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。

目前，国外发达国家不仅将碳纤维材料成功地应用于新建的土木工程领域，而且其他高性能纤维材料也已成功应用于建筑业的各个领域。不仅将上述材料用于非预应力状态，而且也将其用于预应力状态。根据国外资料介绍，由于世界上各大碳纤维厂商相继大力推进CFRP 在土木工程中的应用，今后数年碳纤维材料在土木工程中的年增长率，将达到20%以上。

3. CFRP在其应用研究方面存在的问题

CFRP 加固混凝土结构的技术得到了国际上的普遍认同，并已经成为土木工程材料的开发热点，其力学性能和相关应用的研究也取得了很大的进展。然而，到目前为止，对CFRP材料的研究与应用还存在许多问题。系统的理论分析和数值计算研究对于创立和发展这种崭新的加固技术是必不可少的，但是在对加固结构的力学性能进行的试验研究中，这方面的成果却非常有限；尽管对CFRP 加强构件的弯曲、剪切延性、刚度能力等几方面性能分别进行了实验研究，但有关它们的综合因素对加固材料的登记、数量以及施工工艺的影响的研究尚欠缺； CFRP 加强构件与结构其它部分或整体的协调性如何，荷载的重分布而引起的局部破坏可能、连接点的削弱程度等，尚待研究。还有，CFRP 加固修补使用的技术方面也存在问题，这主要体现在国内相应标准与规程的制定上，尽管国外一些国家已有了较完善的标准和规程，但并不适合我国，我们应及早制定出自己的标准和施工指南，包括材料生产、使用、检验、加固设计、计算、工程施工与验收的一系列标准化工作。

参考文献

[1]吴海军, 陆萍, 周志祥. CFRP 在新建桥梁中的应用与展望[J ].重庆交通学院报, 2004, 23 (1) , 1- 5.

碳纤维复合材料篇（5）

在建筑工程中，使用碳纤维材料的主要作用在于加固结构，该材料的使用可以促使工程承载能力大大提升，或者促进工程承载功能的改善，目前在建筑施工中的有所应用。在施工中常应用到的碳纤维材料包括碳纤维网格、碳纤维板、碳纤维条带、碳纤维布等。在加固过程中，要以加固方法、加固部位、加固能力等因素为依据，对材料进行选择。若加固构件比较复杂，则需选择强度较高的碳纤维布，如果加固方法为嵌入式加固，则需选择碳纤维条带或者碳纤维板[1]。在柱加固、平板加固中，需选用柔性挪摹＝ㄖ工程结构不同，对碳纤维增强复合材料的选择也不同，在材料使用过程中，要充分考虑到施工性能、耐久性能、力学性能等因素，确保碳纤维增强复合材料复合施工要求。

一、碳纤维增强复合材料的特征

目前，在建筑工程施工中，碳纤维增强复合材料的使用逐渐增多，该材料的主要特征为纤维增强，产品形式较多，包括网格材、模压型材、拉挤型材、筋材、片材、格栅，其中片材包括纤维板、纤维布两种，应用最多的是纤维布，在结构工程加固中非常受用，在使用之前，无需浸润树脂，加固过程中，经树脂浸润后，可于结构表面进行粘贴。

（一）具备耐腐蚀性

碳纤维增强复合材料具备耐腐蚀性的特征，在潮湿、氯盐、碱、酸性环境中均可被使用，该材料在海洋工程、化工建筑等工程中适用，其腐蚀性已经被得到验证。针对近海地区、寒冷地区的建筑，可将碳纤维增强复合材料应用于其中，能够对空气内盐分腐蚀起到抵抗作用，促使结构维修费用减少，可将结构使用寿命延长[2]。

（二）拥有良好的比强度

所谓比强度较高，也就是指轻质高强，碳纤维增强复合材料可将结构自重减轻，在建筑工程施工中，若采用传统材料施工，则会降低大跨度空间结构体系理论极限跨度，另外，该材料还能够被应用于抗震结构内，因其可将结构自重减轻，从而促使地震作用减小，提升建筑结构的安全性与耐疲劳功能[3]。

（三）弹较好 可应用于特殊场合

碳纤维增强复合材料的弹较好，应力应变曲线与线弹性接近，即便因偶然超载出现变形，也可自行恢复。另外，该材料还拥有良好的隔热、绝缘等功能，在特殊场合中受用，包括医疗核磁共振设备、地磁观测站、雷达站等。

（四）设计性强

在建筑施工中，以工程所需的纤维含量、材料性质、铺设方式等为依据，需选取不同设计的材料，碳纤维增强复合材料属于人工材料，其设计性比较强，针对建筑功能的特殊要求，可采用不同的设计方法，设计比较灵活。

与传统结构材料相比，碳纤维增强复合材料主要是各向异性材料，材料的弹性模量、纤维方向强度非常高，垂直纤维弹性模量、方向强度低，会导致碳纤维增强复合材料设计难度、结构分析难度增加。该材料在弹性模量上与木材、混凝土的数量级基本一致，其设计主要为变形控制，与钢材相比，该材料的弹性模量要低，可将混凝土与碳纤维增强复合材料相组合，对结构变形进行控制，可弥补刚度不足的缺陷[4]。

碳纤维材料的层间拉伸强度、剪切强度低于抗拉强度，在结构设计过程中，需将连接减少，同时还需注重对连接进行设计。通常而言，碳纤维增强复合材料并不具备良好的防火性能，在高温情况下，树脂会渐渐软化，可降低树脂的力学性能。现阶段，可将阻燃剂加入材料中，使材料的抗火性能大大提升，除此之外，工作环境、初始缺陷会对该材料的抗疲劳性能产生较大影响。从经济的角度上而言，碳纤维材料的价格比较昂贵，不过该材料具备耐腐蚀、自重轻、可减少维修次数等特征，应用价值更高[5]。

二、碳纤维增强复合材料在建筑工程中的具体应用

本文以某建筑施工情况为例，分析碳纤维增强复合材料在建筑工程中的具体应用。在该施工工程中，碳纤维增强复合材料的主要作用为加固，在混凝土结构加固、钢结构加固修复中发挥了重要作用。

（一）材料在加固混凝土结构中的应用

①混凝土缠绕。利用碳纤维布，对加固混凝土进行缠绕，可达到混凝土加固的目的。对混凝土进行约束，能够促使其变形能力、强度的提升，还可将混凝土柱的抗剪能力提升。截面形状与碳纤维增强复合材料对混凝土柱的约束效应两者间存在较大关联，针对矩形截面柱，其承压能力非常有限，提高幅度不大，不过可提高其抗剪能力、变形能力。在加固过程中，通过处理截面形状，使其有一定弧度，能够促使结构受压能力提升[6]。碳纤维增强复合材料将混凝土柱缠绕起来，能够改善结构延性。

②将碳纤维增强复合材料粘贴于受拉面。将该材料粘贴于板、梁的受拉面，有利于促进受拉承载力的提升，不过值得注意的是，当受拉钢筋屈服后，该材料才能够充分发挥受拉作用，然而在这一阶段，板、梁挠度已经非常大，因此，碳纤维片材只可作为安全储备。碳纤维增强复合材料片材受到受弯加固作用的影响后，可能会发生剥离破坏现象，为此，可将碳纤维条带粘贴于梁侧面，便于对梁腹配筋不足从而引起的缝隙进行控制，在板、梁加固中均可被应用。目前，碳纤维增强复合材料在混凝土结构中的应用较多，不过其中也存在一些问题尚未解决，例如疲劳性能、环境影响、粘接性能、防火问题等。

（二）材料在钢结构加固修复中的应用

在钢结构加固修复过程中，可利用碳纤维增强复合材料，取得较好的加固修复效果。选取钢结构损伤部位，将纤维板粘贴于该部位，对钢结构受力性能具有改善作用，把纤维板粘贴于梁受拉面，可促使结构的抗弯刚度、承载力大大提升，这种方法非常有效。将片材粘贴于梁腹板部位，可使抗剪承载力提升，若钢结构发生疲劳损伤，利用碳纤维材料进行加固，可使剩余疲劳寿命提升，可将纤维布于钢管柱上缠绕，有利于防止局部失稳的现象发生，对抗压承载能力的提升非常有利。

①加固受拉构件

利用碳纤维增强复合材料对受拉构件进行加固，可促使钢构件极限荷载能力提升，脱胶程度、脱胶位置不同，极限承载力也存在差异，在受拉构件中，需充分发挥粘胶剂的作用，在粘贴过程中，沿着柱子环向粘贴，可取得较好的粘贴效果，能够提高极限承载力，提高幅度在15%至18%间，且不会出现剥离现象，材料也不会发生断裂。碳纤维增强复合材料的使用能够延长钢结构剩余疲劳寿命，加固效果非常显著。经材料加固后，钢结构原来的受力状态会产生一定变化。钢结构、碳纤维材料间胶层存在正应力或者剪应力，针对不连续区域，可能会出现漏胶、损伤裂纹等情况，胶层正应力、剪应力均有应力集中，可破坏胶层。要想防止胶层出现剥离破坏的情况，则需将碳纤维板材料两端做成45度角，可将胶层应力减少。

②加固受弯构件

针对不存在初始损伤的钢梁而言，采用碳纤维增强复合材料给予加固，不会对其刚度造成太大影响，不过可提高承载能力。利用碳纤维材料采取加固措施，钢梁、材料受损部位出现剥离破坏后，会导致损伤变得更加严重，剥离破坏现象会加重，因此，要对材料合理使用，充分利用与发挥该材料的高强性能，提高极限承载力，预防剥离破坏的发生。

（三）碳纤维增强复合材料的空间结构

碳纤维增强复合材料具备耐腐蚀、轻质等特征，在大跨度空间结构中可被应用，可将该材料制作为杆件，在网壳、网架结构中应用，不过碳纤维材料在应用过程中，节点处理难度较大、弹性模量低，为此，其优势难以发挥。现阶段，带有铝合金结构的碳纤维材料被开发，在空间网架结构中的应用效果较好，该材料的使用可将施工周期缩短，具有良好的耐腐蚀性，不会增加维护费用，在环境恶劣、超大跨度的工程中受用。

碳纤维增强复合材料可制作为夹芯板、波纹板、空心板，组成不同形状的空间结构，在娱乐设施、雷达天线罩、厂房等建筑结构中可被应用，建筑施工难度不大，易成形，具备良好的保温效果。

三、建筑施工对碳纤维增强复合材料性能的要求

针对建筑施工的特征而言，在碳纤维增强复合材料的选择中，要注重材料性质符合施工特征，碳纤维增强复合材料必须具备三个特征，分别为施工性能、耐久性能、力学性能。就材料的力学性能而言，碳纤维材料必须要有足够强度，不易受到外界作用的影响，因碳纤维材料具备高强性能的特征，一般而言，能够满足建筑施工的要求。另外，从耐久性能上看，碳纤维复合材料对自然界因素可起到良好的抵抗作用，且在使用期间，结构设计也不会产生变化。使其设计能力得以保持。从施工性能上看，在现代建筑施工中，将碳纤维复合材料应用于其中，可使结构材料的耦合效应、适配效应相结合，确保施工工艺的提升。

碳纤维复合材料在提高建筑结构承载能力、建筑结构加固中均可充分发挥作用，能够促使承载性能得以改善，值得注意的是，加固方法、加固位置不同，其加固效果也存在差异，若建筑承载力需提升，则需选择强度较高的材料（碳纤维布），若建筑刚性需提升，则选用碳纤维板。新的建筑工程会根据施工要求选择材料。针对面临腐蚀风险的建筑，可选用碳纤维筋，达到控制钢筋结构损害的目的，提升钢结构的可靠性、稳定性，促使结构使用寿命延长。碳纤维增强复合材料的使用能够使钢筋使用数量减少，将操作流程简化，提升结构抗拉力功能。

碳纤维材料的抗疲劳、耐腐蚀、低松弛特征显著，选取预先制作的碳纤维管，将混凝土浇筑于该构建中，能够促使混凝土变形能力、强度提升，预防碳纤维材料管发生屈曲破坏的现象，增强结构的受力性，在建筑工程中非常受用。

结束语：

碳纤维增强复合材料具有较多的优势，例如抗腐蚀、施工性能良好、力学性能稳定，不过从目前总体使用情况上看，该材料在建筑工程中的使用并不多，究其原因，主要在于价格昂贵，购买需要较多的资金。伴随科学技术的不断进步与发展，复合材料技术会逐渐提升，碳纤维材料价格也会有所降低，该材料在建筑工程中有着较高的应用价值，在未来还将出现更多相关的应用，例如复合材料棒、碳纤维增强混凝土等，上述材料的使用能够大大提高建筑工程的稳定性与安全性，充分发挥建筑材料的作用，提高建筑质量。

参考文献：

[1]朱显巨，钱国芬，茹建中.浅析碳纤维增强复合材料在建筑工程中的应用[J].中华民居（下旬刊），2014（05）：148.

[2]彭惠芬，王程，王鹏.温度对碳纤维增强复合材料力学性能的影响[J].承德石油高等专科学校学报，2014（03）：12-15.

[3]杨勇新，岳清瑞.建筑工程应用的碳纤维增强复合材料[J].新材料产业，2012（02）：30-32.

碳纤维复合材料篇（6）

中图分类号：TU599 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）08-0155-01

作为一种高性能的复合型材料，碳纤维一直用于体育、航空航天等产业的材料应用，随着经济和科研力度的不断提升，近年来，碳纤维的价格不断降低，这促使这种高性能的材料在房屋建筑、市政、道路桥梁等行业逐渐得到应用。由于该种复合型材具有耐久性强、耐腐蚀的特点，因此在建筑等行业中主要应用于改变构件受力性能以及结构补强。而混凝土作为目前使用最为广泛的建筑原材料，它的工程力学性能一直是人们关注的问题，随着科研技术地不断发展，混凝土逐渐向高强度、多功能以及智能化的方向发展，碳纤维混凝土的出现是无机材料和有机材料的高效融合，这是一种新型的智能材料，碳纤维的使用能够大大改良混凝土的特性。

1 碳纤维材料的物化性质

碳纤维是含碳量高达90%的复合型材料，其具有耐高温、高强度、抗蠕变、耐酸碱腐蚀、可传热以及可导电等优良性质，其密度比铝小，但强度比钢材的强度还要大，它的耐腐蚀性要比不锈钢的耐腐蚀性还要优越，其耐高温性比耐热钢的还强，因此它是集力学、电学以及热学性能为一身的化工新材料。将碳纤维运用在混凝土中，对混凝土的延展性、抗冲击性等显著改善，尤其是能够显著改善传统混凝土脆性大的缺点，增强其韧性。和抗疲劳性。

2 碳纤维复合材料对混凝土的加固原理

在混凝土中加入碳纤维对混凝土进行加固，这种方法从1996年就已经被引入到国内，并很快受到工程界的强烈关注。其加固原理是将碳纤维复合材料通过一定的技术粘贴在混凝土结构的表面，通过混凝土结构和碳纤维材料之间的协同作用，最终达到对混凝土结构构件加固补强，并有效改变混凝土结构性能的目的。

3 碳纤维复合材料在混凝土加固中的应用

加固混凝土构件中使用的碳纤维材料通常有两种，一种是碳纤维材料，一种是配套树脂。正如上文提到的，碳纤维材料有高强度、自重轻、高弹性模量等优良特点；配套树脂包括有粘结树脂、找平树脂以及底层树脂，其中粘结树脂的作用是使混凝土和碳纤维材料形成统一的复合材料，而后两种树脂的作用则是提高混凝土构件和碳纤维材料。混凝土通过和碳纤维复合型材料的共同作用，达到提高混凝土抗剪承载力和混凝土构件的抗弯能力，进而达到了结构补强和加固的目的。

按照碳纤维原丝的不同能够将碳纤维布分成黏胶基、PAN基以及沥青基等三种类型的碳纤维布。在对混凝土构件进行加固时需要对构件的结构施工设计、构件腐蚀以及其实测强度等材料，利用碳纤维布对构件或者混凝土结构进行加固设计。加固用的胶粘材料包括三种：第一，底涂胶。将其涂在混凝土构件或结构的表层，能够使表层的强度得到加强，这样就能够有效提高碳纤维和混凝土的粘结性；第二，浸渍树脂，其能够使碳纤维片材相互结合在一起，并使其呈现出硬化的板状物，并能够使混凝土和碳纤维强力粘结在一起，使两者构成一个统一的复合体；第三，修补胶。该胶粘材料可以对混凝土表面进行平整，得到平整后的构件能够和碳纤维材料更好结合在一起。

4 碳纤维复合材料加固设计计算

用于混凝土构件加固的碳纤维复合型材料主要是上文介绍的碳纤维布，其在实际工程中的应用技术已经比较成熟。其优点主要体现在提高混凝土结构的受剪承载力、受弯承载力、抗震力以及抗疲劳能力等。使用碳纤维布对混凝土结构进行加固时要坚持以下两个基本原则：

①对那些钢筋锈蚀程度比较小，并且外观相对完好，并且保护层没有开裂的混凝土结构或构件，对其计算承载力时，为了方便计算可以认为混凝土和钢筋间的粘结强度以及自身强度没有降低。针对这类构件进行加固处理时只需要对其进行防腐蚀预防加固就能够提高构件的抗腐蚀性能。即对这一类型的混凝土构件进行加固时只是结构性加固，并不需要计算使用碳纤维布的数量。

②对于那些表面防护层已经破裂，钢筋锈蚀程度比较深的混凝土构件，由于其钢筋严重锈蚀，所以钢筋截面减少严重，这导致钢筋的强度严重降低，并且其和混凝土之间的粘结强度降低。因此在针对这一类型的混凝土构件进行加强时要考虑实际的结构锈蚀程度，计算所需的碳纤维布的数量。通过计算横向和纵向使用的碳纤维布的数量，进而达到提高混凝土结构的抗剪承载力和抗弯承载力。这种类型的加固是对混凝土结构的强度的提高。

计算碳纤维布用量时，应按照受力相等的力学原理，通过等效转换的方法把碳纤维布的面积等效转化成钢筋面积，公式表达为：

其中，Ase是抵抗不足弯矩需要的钢筋截面积，Acfs是碳纤维布的横截面积，fcfs是碳纤维布容许拉应力，单位取MPa，fy是钢筋抗拉强度，令fcfs=φ×β×1800，φ在这里表示为碳纤维布利用系数，按照我国目前实际工程设计的情况，建议取其值为0.85，β是层数折减系数，取值时按照表1中的规定选择准确的值。

取碳纤维布的净面积，其计算公式为：

其中，tcfs表示的是碳纤维布的厚度，n是粘结层数，Bcfs表示的是碳纤维布的幅度。

5 工程实例

某实验大楼建成时间是1988年，在2009年对该实验大楼的质量检测报告中显示大楼结构中有部分框架梁端出现了明显的裂缝，这对大楼造成了严重的质量安全隐患，因此要对出现质量问题的梁进行加固处理。考虑到该实验大楼的正常使用功能，设计人员选用具有高强度的碳纤维复合型材料对这部分梁进行加固，这样不仅能够方便施工，还能够大大缩短工期。经过对工程实际情况进行探明并对碳纤维材料进行综合考量后，决定选用FTS-CI-20碳纤维布对梁结构进行粘贴。

该碳纤维布的性能指标是：纤维布厚度0.112 mm，重量为200 g/m，纤维为单方向，其弹性模量是2.33×105 MPa，抗拉强度是3 545 MPa。工程选用的胶粘性材料为FE胶、FP胶和FR胶，这几种树脂胶使用温度为6～34 ℃，粘贴强度是2 MPa，抗剪强度是10 MPa，使用时间在25～120 min。由于本次加固属于结构性加固，因此不需要计算碳纤维布的层数，直接加固。加固采用的U型粘贴的方案直接进行梁结构加固。经过加固以后，梁的抗剪承载力比未加固前提高了42%～61%，施工期间没有妨碍大楼的正常使用，工期为2 d。

通过该工程实例证明，采用碳纤维复合型材料不仅大大方便了施工，同时也显著提高了混凝土结构的强度。

6 结 语

碳纤维复合材料篇（7）

1、碳纤维复合材料加固原理

碳纤维加固混凝土结构是一种新型的混凝土结构加固方法，其研究始于20世纪80年代，自1996年引入我国，立即受到了工程界的关注，成为了研究和应用的热点。碳纤维加固修复混凝土结构是将碳纤维材料粘贴于混凝土结构表面，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。

2、碳纤维复合材料

混凝土结构构件加固修复所用碳纤维材料主要有两种：碳纤维材料和配套树脂。碳纤维材料具有高强度、高弹性模量、重量轻及耐腐蚀性好等特点，其抗拉强度是普通钢筋的十倍左右，弹性模量略高于普通钢筋的弹性模量；配套树指则包括底层树脂、找平树脂及粘结树脂，前两者的作用是为了提高碳纤维的粘结质量，而后者的作用则是使碳纤维与混凝土能够形成一个复合材料体，并且共同工作，提高结构构件的抗弯、抗剪承载能力，达到对结构构件进行加固、补强的目的。

2.1碳纤维布

碳纤维布按碳纤维原丝不同主要可以分为:PAN基碳纤维布；黏胶基碳纤维布；沥青基碳纤维布。

碳纤维布按碳纤维规格不同主要可以分为:1K碳纤维布、3K碳纤维布、6K碳纤维布、12K碳纤维布、24K及以上大丝束碳纤维布。 碳纤维布按碳纤维炭化不同主要可以分为:石墨化碳纤维布、碳纤维布、预氧化碳纤维布。 碳纤维布按织造方式的不同主要可以分为:机织碳纤维布、针织碳纤维布、编织碳纤维布、碳纤维预浸布等等。

碳纤维布加固依据结构施工图、构件的腐蚀情况、结构或构件的实际检测强度、《混凝土结构加固技术规程》等资料，考虑提高结构或构件的抗弯（抗压、抗拉）强度等级，对结构或构件进行加固设计。

2.2加固粘结材料

碳纤维片材加固胶粘材料一般包括三种胶，按用途分它们各自的作用分别是：1、底涂胶（又称底层树脂）：涂刷于混凝土基层上，强化混凝土表面强度，从而使混凝土与碳纤维之间的粘结性得到提高。2、修补胶（又称整平材料或腻子）：整平混凝土表面，便于碳纤维片材的粘贴。3、浸渍树脂（又称浸渍树脂）：将碳纤维片材结合在一起，使之呈板状硬化物；同时将碳纤维与混凝土粘接在一起，也形成一个复合整体，共抵抗外力。三种胶粘剂之中，浸渍树脂最为重要，它的性能直接决定碳纤维片材能否有效地加固补强混凝土结构。

3、碳纤维复合材料加固混凝土结构的优良性能

（1）高强度高弹性模量。碳纤维的强度高，极限抗拉强度约为钢材的10 倍，弹性模量和钢材相近。

（2）抗腐蚀能力强、耐久性好。碳纤维材料化学性质稳定，不与酸、碱、盐等化学物质发生反应，因而碳纤维加固后的钢筋混凝土结构具有良好的抗腐蚀性和耐久性。

（3）热膨胀系数小。碳纤维材料的热膨胀系数非常小，其在纤维方向的热膨胀系数几乎等于零。

（4）施工简便，工作效率高。碳纤维布加固不需要大型施工机械和重型设备，施工占用场地少，无湿作业，碳纤维布柔性好，可以任意裁剪，操作简单，施工速度快。

（5）施工质量易于保证。碳纤维布是柔性材料，即使被加固构件的表面不是非常平整，经过修补后，有效粘贴率可达到95%以上。

（6）对结构影响小。碳纤维材料重量轻，厚度薄，经加固修补后的构件，基本上不增加原结构的自重及尺寸，不影响结构的使用空间。

（7）适用范围广。可用于不同结构类型、不同结构形状、不同材料的构件加固，也可用于构件的不同部位及不同薄弱因素的加固。

4、碳纤维复合材料加固混凝土结构的应用

在实际工程中，用来加固的碳纤维材料主要是碳纤维布。碳纤维布加固技术在混凝土结构中的应用已较成熟，主要集中在以下几个方面。

（1）提高受剪承载力

碳纤维布对构件抗剪的贡献类似于箍筋的作用，与混凝同承受剪力。另外，碳纤维布具有对核心混凝土的约束作用，并能承担拉应力，防止主筋过早屈服，抑制剪切裂缝的出现和发展。因此，碳纤维布可以明显提高钢筋混凝土构件的受剪承载力，增强构件的变形能力。

（2）提高受弯承载力

由于碳纤维布具有抗拉强度高的特性，可以将碳纤维布粘贴在构件的受拉表层，使之与混凝同承担拉应力，以提高构件的受弯承载力，达到加固补强的目的。粘贴碳纤维布后，受弯构件的受弯承载能力明显提高，有效的抑制了裂缝的开展，构件的变形能力和延性性能得到显著改善。

（3）提高抗震能力

由于碳纤维布能够约束构件的开裂，提高构件的刚度和抵抗变形的能力，当需要提高构件的抗震能力时，亦可用碳纤维布进行增强和增韧。尤其对于钢筋混凝土梁柱节点和受轴向力作用的钢筋混凝土柱，往往要求进行构件的抗震设计。采用碳纤维布粘贴于梁柱节点范围，或对钢筋混凝土柱进行包裹，可以明显改善结构中混凝土构件的延性，增加耗能能力，具有良好的抗震加固效果。

（4）提高抗疲劳能力

用碳纤维布进行钢筋混凝土梁和预应力钢筋混凝土梁的加固，经200 万次重复荷载作用后，加固构件的强度和刚度不会降低，也不会发生剥落和脆断现象。如果采用预应力碳纤维布加固的形式，预应力碳纤维布的存在，使构件中纵筋的应力幅值有所降低，减少了发生疲劳破坏的可能。而始终处于高应力状态的碳纤维布具有良好的抗疲劳性能。其综合效应使所加固构件的疲劳寿命大大提高，疲劳变形有所减小，构件的疲劳抗裂性能得到较大提高，从而延长构件的使用寿命。

5、碳纤维复合材料加固混凝土结构的不足

（1）碳纤维是一种线弹性脆性材料，只有当构件发生较大变形时，才能充分发挥其高强高弹模的性能。而混凝土结构对变形有比较严格的控制，在一定程度上限制了碳纤维复合材料能力的发挥。

（2）碳纤维布加固混凝土结构后，容易发生粘贴剥离破坏，使加固后混凝土结构呈现明显的脆性破坏形态，对结构的可靠度水平有所影响。

（3）目前对碳纤维复合材料加固混凝土结构在长期荷载、冲击荷载作用下受力性能的研究较少，在类似方面应用时缺少专门研究。

（4）对于碳纤维材料加固混凝土梁、柱的抗剪及抗弯加固机理和计算方法已有了成熟的研究和应用成果，但对碳纤维材料加固剪力墙等方面的研究理论还较缺乏。

总之，碳纤维材料加固技术具有良好的经济效益、社会效益和环境效益，随着碳纤维材料的发展、生产成本的降低及国内外碳纤维材料加固技术研究的不断深入，该项技术在混凝土结构加固领域中的应用会越来越广泛，具有广阔的发展前景。

参考文献：

[1].《混凝土结构加固技术规范》 CECS25：90

[2].《建筑抗震加固技术规程》 JGJ116-98

碳纤维复合材料篇（8）

1、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。

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。

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。

就混凝土结构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构件正常使用中断时间紧密相关。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构件的加固工作。

2、碳纤维片材加固混凝土构件的形式

碳纤维片材主要用于混凝土的基本构件和节点的加固补强，其加固的效果主要是提高构件的抗弯承载力、抗剪承载力以及受压构件的轴向抗压承载力；提高构件的刚度以及延性。除此之外，许多室内及现场试验证明，碳纤维片材加固的混凝土构件裂缝宽度发展可以得到控制。

由于碳纤维片材，特别是碳纤维布质量轻且厚度薄，具有一定柔度，在混凝土构件的有关部位加固较灵活。碳纤维片材因碳纤维排列方向不同而使各方向拉伸强度不相同，碳纤维片材的纤维向与受力向相同时，其拉伸强度最高，反之，纤维方向与受力方向垂直时，其强度最低。因此，在采用碳纤维片材进行加固设计中，必须正确掌握纤维的布置方向。根据混凝土构件加固计算，可以采用连续式粘贴或条带间隔粘贴碳纤维片材的方式。研究表明，分条加固的效果要优于整条布的加固效果。

3、粘贴碳纤维片材加固施工技术

面层处理；

混凝土表面的劣化层（例如风化、游离石灰、脱模剂、剥离的砂浆、粉刷层、污物等）必须用砂轮机去除并研磨。用空气喷嘴、砂轮机与毛刷将待补强区的粉尘及松动物质会除，用水洗净后，必须使其充分干燥。

断面修复；

将混凝土面层的不良部分（例如剥落、孔隙、蜂窝、腐蚀等）清除。若有钢筋外露情形，必须先做好防蚀处理，再以强度相等或大于混凝土的环氧树脂砂浆材料修补。裂缝以环氧树脂灌注。裂缝或打除部分若有漏水情形时，应先做好止水、导水处理。

表面修正；

表面平整度凸出部分（小突起等）以切割机或砂轮机将其铲除并使其平滑。凹陷部分（打除部分）以环氧树脂或树脂砂浆填补。转角处需研磨至凸角R=20毫米（R一曲率半径）以上，凹角则以树脂砂浆填补。

底层涂料；

气温在5摄氏度以下，雨天或RH>95%时，不可施工。施工范围的温度、湿度确认后，选用适当的底层涂料。施工现场空气应十分流通，严禁烟火。施工时必须要穿带保护装备（口罩、护目镜及橡皮手套）。

碳纤维片材的粘贴；

纤维贴片预先以剪刀、刀子依所设计的尺寸大小裁好。依使用量剪裁尺寸、长度在2米以内最适当。为防止保管期间的破损，裁剪数量只裁所需使用的数量。施工面底漆的干燥程度可以指触确认。底漆施工超过1星期以上时，应以砂轮机磨平。

将环氧树脂的主剂（A剂）和硬化剂（B剂）依所规定的配比放置于拌合桶中，使用电动搅拌机，使其均匀的混合（约2分钟）。一次的拌合量为在可使用时间的施工量，超过可使用时间的材料，不可使用。

环氧树脂用毛刷滚轮平均涂布（涂布底漆上）。涂布量随施工面的表面粗糙程度会有所变化，转角部分要多涂。强化纤维粘贴于树脂涂布面后，以毛刷滚轮和橡皮刮刀顺着纤维方向用力推平，使树脂浸透并去除气泡，纤维（长向）方向的搭接长度至少要留10厘米，短向则不用留。粘贴后放置30分钟，若纤维有浮出或脱线情形发生时，以滚轮或橡皮刮刀压平修正。

两层以上的强化纤维相叠贴时，重复步骤。施工现场空气应十分流通，严禁烟火。施工时必须要穿戴保护装备（口罩、护目镜及橡皮手套）。

4、有关混凝土桥梁技术应用问题

粘贴碳纤维片材加固混凝土结构技术在欧洲、美国、加拿大和日本已经广泛应用，并且进行了深入的研究。我国在这方面的工程实践也是在二十世纪九十年代中期才开始，就我国公路混凝土桥梁有关粘贴碳纤维片材加固新技术应用推广的问题做如下讨论。

粘贴碳纤维片材加固混凝土桥梁是一项新技术，使得粘贴加固法成为公路桥梁快速加固方法，适合公路桥梁加固期间尽量不影响桥梁正常营运的要求。碳纤维片材轻、现场粘贴无需重型设备、施工便利，便于桥下的高空作业，可在公路桥梁上推广应用。

对于公路旧混凝土桥梁的加固方法，在工程上应用效果较好的是综合法，即以某种加固方法为主，辅以其它方法，这必须依照桥梁现场的外观检查和技术状况评定，加固设计要求而定。目前，粘贴碳纤维片材加固方法往往辅以裂缝灌浆、裂缝封闭等方法。

我国目前在工程中采用的碳纤维片材材料及配套树脂类粘结材料，是以国外进口材料为主，国产产品较少，且产品的匀质性及低树脂含量等技术指标上还有差距。这样，进口的材料单价就显高，这往往影响技术的经济决策。因此，除了应尽快采取先进技术及措施使国产产品提高质量外，在碳纤维片材加固技术应用中，应当更多从加固效果，耐久方面来考虑桥梁加固后正常运营效益与经济性。

在国外先进国家的科学研究工程实践基础上，结合我国公路旧桥的加固维修特点与经验，尽快编制碳纤维片材加固技术的指南，以指导工程应用。？碳纤维片材加固补强公路混凝土桥梁是粘贴加固新技术，需要结合我国的工程特点进行深入研究和不断提高，使我国公路旧桥加固维修技术达到新的水平。

碳纤维复合材料篇（9）

碳纤维复合材料具有比强度高、比刚度高、耐腐蚀、抗疲劳、可设计性强、方便整体成型等特点，在航空、航天等领域已经获得成熟应用。随着高速铁路的快速发展，对车体轻量化的需求也越来越明显，应用复合材料制造的车体，具备重量轻、强度高、刚性大等特性，在有效地较低车体重量的同时，也提高了车体运行的平稳性和稳定性。

复合材料是一种各向异性的材料，在设计过程中具有很强的灵活性，设计人员可以从选材、成型工艺、结构设计等方面综合考虑，充分发挥复合材料比强度、比模量高的特性，在满足强度要求的同时，通过结构的优化计算，减少材料的使用，从而达到减重、降低成本的目的，为复合材料在轨道车辆领域的应用提供了可能。

复合材料车体和金属车体相比存在一些需要解决的问题：碳纤维复合材料成本比较高、工艺成型技术水平要求高；复合材料车体需要达到和金属车体一样的防火要求，泡沫、树脂、预浸料要做防火处理；复合材料车体需要考虑车体接地和电气设备接地问题；车体大部件之间的连接方式要考虑满足车体强度、使用寿命、整体密封等要求；复合材料车体应避免开孔，或者避免在碳纤维连续传力的区域开孔；复合材料车体小件需要选择合适的连接方式。

1 国内外复合材料车体应用概况

复合材料除广泛用于航空航天领域外，在轨道车辆制造业也有一定的应用。有些国家已将复合材料广泛地应用到轨道车辆上，如法国国营铁路公司（SNCF）使用复合材料O计出了TGV双层挂车，对其耐火性、抗冲击强度进行了运行试验，证实了复合材料车体制造工艺是有效的，实现了CFRP车体结构的重大突破。韩国TTX碳纤维复合材料整体车身也于2010年投入运营。Schindler Waggon公司应用玻纤或碳纤维缠绕制成的轻型承载结构车体在联邦铁路线上进行运行试验，运行速度达到140km/h，也达到了满意的效果。德国AEG和MBB与德国联邦铁路合作开发的世界上第一个复合材料转向架构架，在运营了100多万公里后未检测出任何磨损及损坏，与原结构相比不仅重量大大减少，同时也提高了运行舒适度、降低了检修成本。此外，复合材料在车厢内饰件以及车头前端领域的应用也比较广泛。

国内复合材料在轨道交通中应用还处于试验阶段，主要应用还受限于车头前端和车厢内饰件，复合材料在整车的应用上还处于研究阶段。

2 材料性能和成型工艺

碳纤维复合材料车体各部件主要采用碳纤维-芯层结构（类似于三明治结构），碳纤维-芯层结构主要由两层碳纤维蒙皮中间加入泡沫或蜂窝夹芯组成，碳纤维-芯层结构不仅具有质量轻、弯曲刚度和强度大，还具有耐疲劳性、隔音隔热等优点。在车体设计时，需要根据车体结构承载要求，在夹层内部预埋纵、横加强梁，或者在承载区域做局部加强，在不承力区域可以做适当减薄处理。

复合材料成型工艺主要有手糊成型、喷射成型、拉挤成型、缠绕成型、真空热压罐成型及真空导入成型等成型工艺。手糊成型虽然工艺简单、价格相对比较便宜，但是由于生产效率很低、质量不稳定等因素不适于生产结构件。喷射成型为使用短切纤维和树脂经过喷枪混合后，压缩空气喷洒在模具上，然后经过按压固化成型，可用于制造过程中的过渡层。拉挤成型适合于生产各种截面形状的型材，如工字型、槽型等截面型材。缠绕成型可用于制造圆柱体、球体、筒形等回转体结构。真空热压罐成型工艺，需要将预浸料在磨具中按照设计要求铺好后，送入热压罐中加温加压固化成型。这种成型工艺方法生产的产品韧性好、结构强度高、尺寸精度较高、工艺稳定性好，但是对温度控制、设备成本、工艺水平等要求比较高，制造成本比较昂贵，所以此种成型工艺只适用于制造车体的一些承力件，比如底架边梁、牵枕缓结构。真空袋压成型工艺的特点是既能获得相较于手糊工艺的高强度重量比和尺寸精度，同时和热压罐成型工艺相比制造成本相对较低，所以此种方法适合于车体大部件的设计。

以车体底架为例，车体底架整体采用复合材料夹层结构，选用热压罐成型工艺，成型步骤如下：模具准备；底架上蒙皮铺贴；底架上蒙皮固化成型；加入包裹胶膜的泡沫，同时可以加入预埋金属件或复合材料预制件；泡沫与底架上蒙皮整体成型；在泡沫结构上铺贴底架下蒙皮；整体固化。

3 复合材料车体关键问题研究

3.1 防火要求

复合材料选用的材料，如预浸料、树脂、粘接剂、泡沫，要满足轨道车辆的防火要求，如果选用的树脂、预浸料，不满足防火要求，需要加入防火材料，满足整体的防火要求。

3.2 接地和电磁兼容要求

金属车体可以导电，所以只需要将车体上的接地设备先连接到车体上，通过车体连入转向架轮对导入大地，复合材料车体为不良导体，需要对设备统一做接地处理，可以考虑在夹层内部预埋铜板，然后在设备需要接地的位置通过螺栓连接到铜板，最后将整个铜板通过转向架轮对导入大地。

电磁兼容要保证整车电磁兼容的要求，对于车下磁场较强部位，需要作隔磁处理。

3.3 刚度要求

由于碳纤维-芯层结构为各项异性材料，车体刚度要保证在正常载荷和自然频率下，车体变形不超过运行条件所决定的极限值，需要在车体结构设计时，选择合适比重的芯层结构，并在车体变形比较大的区域做局部加强。

3.4 车体大部件连接方式

碳纤维车体不能像金属车体一样通过焊接方式来连接车体大部件，需要考虑通过胶粘或者螺栓、铆钉等紧固件的方式进行连接，在考虑连接强度的同时，还要重点考虑整车寿命要满足设计要求，以及连接后整车的密封和防水要求。

3.5 开孔问题

复合材料车体在做系统设计时，应避免在承力区域开孔，否则可能导致碳纤维传力的不连续。

3.6 车体小件连接方式

复合材料车体由于无法焊接，小件只能通过胶粘或者紧固件连接，小件材质若为金属材质，还要在复合材料夹层中预埋金属板，然后再通过紧固件进行连接。

4 碳纤维复合材料车体在轨道车辆领域的可行性分析

碳纤维复合材料车体主要受几方面的制约，主要包括：碳纤维材料成本比较高、成型工艺要求比较高、设计者需要具备一定的设计经验、量产料件如何保证工艺稳定性和产品质量。

碳纤维复合材料车体的应用还处于初级阶段，针对复合材料的设计准则、工艺规范、材料标准、产品检验和试验验证等工作还没有建立或完善，需要大量的试验研究和试验验证工作。这些因素也阻K了碳纤维复合材料在轨道交通领域的发展。

碳纤维复合材料车体如果想要在轨道交通领域很好的应用，就要在以下几个方便做考虑，首先材料选择上可以考虑在次承力结构上采用玻纤和碳纤混杂设计，充分发挥碳纤维材料强度高，玻纤价格便宜的优势，将减重和降低成本整体考虑；其次在设计过程中，考虑结构优化、系统集成，在提高复合材料隔声隔音前提下，就可以考虑将车体结构、内装结构集成在一起，去除防寒和隔音材料，这样就可以大幅度较少整车重量、降低成本；最后一定要优化工艺成型技术，简化工艺过程、提升工艺稳定性、提高生产效率。

5 结束语

随着对碳纤维复合材料研究的深入，逐步解决碳纤维复合材料车体设计中存在的问题，碳纤维复合材料在轨道车辆车体上的应用也会越来越广泛。

参考文献

[1]Kim J S，Jeong J C. Natural frequency evaluation of a composite train carbody with length of 23m[J].Composites Science and Techbology，2006，66（13）.

[2]丁叁叁，田爱琴，王建军，等.高速动车组碳纤维复合材料应用研究[J].电力机车与城轨车辆，2015（38）.

碳纤维复合材料篇（10）

中图分类号：TB332 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）05-0043-02

CFRP全名为碳纤维增强树脂基复合材料，其中碳纤维作为增强相，树脂基作为基体。与金属材料相比，CFRP有更好的比强度、比刚度、抗疲劳性、抗腐蚀性和减震性。因为其优良的特性被广泛应用于航空航天、体育及休闲用品和建筑等领域。然而CFRP在使用或制造的过程中会出现表面裂纹和纤维弯曲等损伤，比如使用时遭遇冲击或被尖锐物体划过表面就会造成表面裂纹，制造过程中快速固化引起残余应力提高便会造成纤维弯曲。这些损伤可以对结构造成致命威胁，引发重大事故，因此对CFRP结构进行无损检测显得意义重大。CFRP是各向异性材料，这使得对CFRP材料表面裂纹与纤维弯曲等损伤的无损检测研究变得更为棘手。

目前对CFRP进行无损检测的方法主要有超声检测、红外检测、涡流检测、太赫兹时域光谱检测、声发射检测以及微波检测等，每种方法有其擅长检测的缺陷类型。本文就国内外研究人员针对CFRP表面裂纹与纤维弯曲这两类损伤的检测进行的研究展开介绍，并对今后的研究提出一些看法。

1 CFRP表面裂纹检测的研究现状

超声技术是目前针对CFRP表面裂纹的一种主要无损检测方法，不断有学者在这方面做出创新，激光超声检测便是一种新兴技术。1963年，R.M.White发现激光超声现象，即用激光束照射到物体时，物体表面10～100μm厚度内会激发出超声波。对激发出的超声波信号进行分析就可以得到物体表面的轮廓信息[1]。自1980年开始，美国学者开始了将激光超声应用于无损检测的研究，由此产生了激光超声检测技术[2]。20世纪90年代开始将激光超声技术用于复合材料的检测[3]。后来此项技术被洛克希德・马丁空间系统公司获得，在美国军方联合攻击机JSF目的竞争以及开发F22与F35型战斗机的过程中，该技术获得了极大地发展，在检测CFRP表面裂纹的能力方面也取得了重大进步[4]。

涡流检测技术也是检测CFRP表面裂纹的一种重要方法。电涡流遇到缺陷时发生扰动，其在CFRP表面产生的磁场亦发生变化，通过分析CFRP样品表面的磁场信号可以得到样品表面的轮廓信息，检测出缺陷。2003年，C.Carr等利用基于超导量子干涉仪（HTS SQUID）磁力计的涡流检测系统对CFRP样品进行检测，根据样品板表面的磁场分布，检测出了样品板表面的裂纹[5]。2005年，R.Grimberg等利用涡流微聚焦传感器对CFRP板表面进行扫描，利用全息信号处理法处理信号的相位信息，得到了聚焦的较为清晰的图像，重构了碳纤维的分布情况，从而检测出了表面裂纹[6]。

2015年，中国计量学院的廖晓玲等利用反射式太赫兹时域光谱（THz-TDS）成像技术对CFRP缺陷进行了无损检测实验，获得了含不同缺陷碳纤维样品的成像结果及数据。发射探头两侧有多个接收探头，通过处理接收探头获得的反射信号便可重构缺陷信息。结果表明，反射式THz-TDS成像技术在0.1～3.5THz波段对CFRP中热损伤、划伤缺陷、磨损缺陷及孔洞缺陷成像清晰，分辨率较高[7]。

2016年，国防科技大学何S泽等通过电磁感应加热与红外热成像测温相结合的技术成功地对冲击后的CFRP样品进行了表征和损伤检查，识别了破碎的碳纤维，检测出了CFRP表面裂纹缺陷[8]。

2 CFRP纤维弯曲检测的研究现状

国内外对CFRP纤维弯曲检测的研究起步较晚，2015年，杨玉娥等研究微波信号在复合材料中的传播特性，使用N5225A网络分析仪对碳纤维的方向和纤维弯曲进行了微波无损检测研究，用微波信号反射系数的相位和幅值来表征纤维方向和纤维弯曲缺陷。结果表明，在频率为38GHz时可以用反射系数幅值表征纤维弯曲缺陷，反射系数幅值最大变化为0.004[9]。

2015年，日本的K.Mizukami等提出了一种探测器来检测单向CFRP平面内和平面外纤维弯曲，基于涡流的非破坏性技术来表征纤维取向。这种探测器由三个矩形线圈组成，其中两个相同的线圈共面放置作为激励，正中间一个接收线圈与两激励线圈所在平面垂直放置。通过变换探测器放置的方式，可以测量面内纤维波纹度（即纤维弯曲程度）、面外纤维波纹度以及纤维方向角。实验研究表明，他们所提出的探测器可以检测出薄的单向CFRP中长度为15.9mm，最大偏移量为1.1mm的面内纤维波纹度，也可以检测出厚的单向CFRP中最大偏移量为3.5mm的面外纤维波度。他们发现扫描具有平面外波纹的材料获得的复平面中的输出信号变成环形图，环形图可用于识别平面外纤维波度的存在和位置[10]。

2016年，他们又提出了一种可视化多向CFRP纤维波纹度检测方法。由于由驱动线圈感应的涡流沿着碳纤维流动，所以如果涡流路径可视化，纤维波动就可以可视化。他们提出了一种新的复平面分析方法来将涡流路径可视化。该方法的有效性通过有限元分析得到了验证。对多向CFRP试样进行实验，在样品中人工诱导具有6.9°至24.9°的失准角的面内波纹。从磁场数据可视化涡流路径，得到了波纹的形状。将波状涡流路径的尺寸与通过X射线计算机层析成像测量的波纹尺寸和光学图像进行比较，结果表明，涡流法可以准确地估计表面波度尺寸，但低估了内部波动尺寸[11]。

3 展望

国内外关于CFRP表面裂纹与纤维弯曲的无损检测研究取得了可喜的进步。未来可以在如下方面展开进一步的研究。

（1）目前很少有专门针对CFRP表层裂纹的研究报告，裂纹造成的纤维断裂对CFRP结构的危害是不容小觑的，希望有擅长检测裂纹的无损检测专家对此多加关注，给CFRP表面裂纹检测研究提供更多可供参考的文献。

（2）涡流检测中用于检测CFRP表层裂纹的器件主要是HTS SQUID，但是HTS SQUID工作频率低，此时CFRP中涡流密度很小，信噪比低，并且HTS SQUID体积大，不利于现场检测操作。因此有必要研究使用方便，可在较高频率下工作的探头。

（3）关于CFRP纤维弯曲的无损检测研究还非常少，还有很多工作可以做，鼓励无损检测各个领域的专家对此展开研究。

致x：感谢福建省传感技术重点实验室和厦门市传感器技术重点实验室经费的支持。

参考文献

[1]R. M. White. Generation of elastic waves by transient surface heating[J]. Journal of Applied Physics， 1963， 34： 3559-3567.

[2]B. C. Moss， C. B. Scruby. Investigation of ultrasonic transducers using optical techniques[J]. Ultransonics， 1988，26： 179-188.

[3]B. R. Tittmann， R. S. Linebarger， R. C. Addison. Laser-based ultrasonic on epoxy composite interferometric detection[J]. Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation， 1990， 9： 479-486.

[4]张昭，肖迎春，李闵行.激光超声技术在航空碳纤维复合材料无损检测中的应用[J].航空工程进程，2014，5：269-273.

[5]C. Carr， D. Graham， J. C. Macfarlane， and G. B. Donaldson. SQUID-based non-destructive evaluation of carbon fiber reinforced polymer[J]. IEEE Transaction on Magnetics，2003，13：196-199.

[6]R.Grimberg， A. Savin， R Steigmann， and A. Bruma. Eddy current examination of carbon fibers in carbon-epoxy composites and kevlar[J]. IEEE Transaction on Magnetics，2005，58：738-743.

[7]廖晓玲，王强，谷小红，陈锡爱.基于THz-TDS的碳纤维复合材料无损检测[J].激光与红外，2015，45：1255-1260.

[8]R. Yang， Y. He. Polymer-matrix composites carbon fibre characterisation and damage inspection using selectively heating thermography （SeHT） through electromagnetic induction[J]. Composite Structures，2016，140：590-601.

碳纤维复合材料篇（11）

    为推进我市碳纤维产业链与创新链深度融合，做大做强我市碳纤维及复合材料产业，围绕吉林市建设国际碳纤维及复合材料产业基地，根据市委市政府《吉林市产业链链长制工作方案》《全市产业链招商引资攻坚专项行动方案》《2022年吉林市科技创新发展计划指南》文件精神，设立本专项指南，具体如下：

一、项目类别

（一）战略研究软科学专项

1.吉林市碳纤维及复合材料检验检测中心可行性研究和方案设计；

2.吉林市碳纤维产业知识产权战略布局研究；

3.碳纤维及复合材料技术标准研究；

4.利用大数据分析基于丙烯腈价格的下游产品定价机制研究；

（二）中国（吉林化纤杯）碳纤维复合材料设计与应用创新创业大赛为促进吉林市大丝束碳纤维的推广应用，吸引国内外高校、科研院所以及中小企业充分了解和利用大丝束碳纤维进行产品开发与应用创新，支持由中国化纤协会等单位主办，吉林化纤集团公司等单位承办的“中国（吉林化纤杯）碳纤维复合材料设计与应用创新创业大赛。由大赛承办单位吉林化纤集团公司定向申报。

（三）碳纤维及复合材料产业科技创新专项

1.建立碳纤维试验线

解决聚合、纺丝、碳化的试验线，具备配方调整，湿法、干法纺丝，蒸汽牵伸、油剂、上浆剂调配、碳化表征等功能。满足1k-50k碳化需要，且强度能够稳定达到T700级以上，碳化温度不低于1800℃。

申报要求：申请资金额度不超过600万元，且需要申报单位提供1:1配套资金。

2.新型碳纤维开发

（1）PAN基中空碳纤维原丝技术研发。技术指标：原丝纤度在1dtex左右，空心直径在100nm以下。

（2）沥青基碳纤维原料技术研发。技术指标:标模型拉伸弹性模量220～260GPa,拉伸强度1000～2000MPa,直径11μm。

3.大丝束碳纤维上浆剂树脂体系研发及产业化

（1）拉挤型材大丝束碳纤维专用树脂的浸润及固化优化研究。针对拉型材产品要求，给出拉挤速度（≥0.4m/min）、树脂配比、浸润温度、固化温度最佳工艺参数。

（2）拉挤型材大丝束碳纤维专用上浆剂技术优化研究。技术指标：大丝束碳纤维复材制品层间剪切强度平均值≥60MPa，90°拉伸强度平均值≥50MPa，上浆后的碳丝表面能≥30J/m^2。

（3）碳纤维用聚双环戊二烯（DCPD）上浆剂研发。技术指标：T400级碳纤维/聚双环戊二烯（DCPD）复合材料层间剪切强度≥50MPa；抗拉强度>1000MPa，弹性模量>100GPa，弯曲强度>800MPa。

4.碳纤维原丝及碳丝质量提升攻关

提高大丝束碳纤维强度并缩短预氧化时间的生产技术研发。预氧化时间可控制在40分钟内制得均质碳纤维，均质化后48K大丝束碳纤维的力学性能技术指标：体密度≥1.78±0.02g/cm³，拉伸强度≥4.50GPa,拉伸模量≥230.00GPa，断裂拉长率≥1.80%。

5.碳纤维应用领域技术研发及产业化

（1）速钻碳纤维短纤桥塞技术研发。技术指标：耐井下温度150℃，耐承载压力70MPa。

（2）非金属内胆25K及以上碳纤维缠绕Ⅳ型氢气瓶关键技术研发。技术指标：气瓶的公称工作压力≥35MPa，结构减重30%以上。

（3）下一代动车组转向架碳纤维板弹簧技术研发。技术指标：刚度达到1000N/mm，满足空车载荷52.4kN，定员载荷61.4kN，空车载荷高165mm。

（4）碳纤维直升机防砂滤组件的研发及产业化。技术指标:气体流量:5g/S，压力损失:105mm水柱，分离效率:90%。

（5）碳纤维二维编织复合材料义肢技术研发。技术指标：拉伸强度≥55.2Mpa，弯曲强度≥89Mpa，冲击强度≥12x104J/m2，弹性模量≥980Mpa。

（6）碳纤维箱包制造新工艺研究。

6.PAN基碳纤维生产环节工业废气无害化处理研究。技术指标：满足《大气污染物综合排放标准》（GB16297-1996）、《恶臭污染物排放标准》（GB14554-93）。

7.其它方面

利用人工智能、大数据、云计算、互联网等技术建设智能工厂，开展碳纤维产业链装备关键技术攻关；为降低企业用电成本，支持碳纤维产业能源优化系统技术研发。

（四）碳纤维产业链发展支撑

围绕吉林市建设国际碳纤维及复合材料产业基地，支持《吉林国际碳纤维及复合材料产业基地发展规划》编制，吉林碳纤维产业链招商云平台建设，吉林碳纤维产业链招商项目策划包装。本部分项目将根据有关规定公开招标，项目资金数额根据招标结果确定。

二、申报要求

1.驻吉高校、吉林市城区（开发区）企业均可申报，支持高校和企业联合申报，配套资金不低于项目资金50%；

2.申报项目属合作开发的，各方须签订相关技术合同（协议），优先支持上下游产业链和产学研合作项目；

3.项目负责人一般应具备副高级（含副高级）以上专业技术职称；

4.其他申报要求参照《2022年吉林市科技创新发展计划指南》规定执行。

三、资助额度

战略研究软科学专项不超过10万元/项；中国（吉林化纤杯）碳纤维复合材料设计与应用创新创业大赛20万/年；碳纤维产业科技创新专项中行业探索项目不超过20万元/项，产业化中试项目不超过50万元/项。

四、资助方式

一次性给予无偿资金支持。

五、项目执行周期

战略研究软科学专项执行周期1年，中国（吉林化纤杯）碳纤维复合材料设计与应用创新创业大赛执行周期1年，碳纤维产业科技创新专项执行周期2年。

六、申报材料

1.吉林市科技创新发展计划项目申报书；

2.项目可研报告；

3.提供产学研合作有关协议；

4.中国（吉林化纤杯）碳纤维复合材料设计与应用创新创业大赛提供组织方案。

七、申报截止时间

2021年5月30日；中国（吉林化纤杯）碳纤维复合材料设计与应用创新创业大赛参赛项目申报要求另行发文件通知。

八、受理与咨询电话

碳纤维产业推进处 联系人：任秋丽  电话：62048989