时间：2022-02-21 19:47:04
开篇：写作不仅是一种记录，更是一种创造，它让我们能够捕捉那些稍纵即逝的灵感，将它们永久地定格在纸上。下面是小编精心整理的12篇碳纤维复合材料，希望这些内容能成为您创作过程中的良师益友，陪伴您不断探索和进步。
本文以碳纤维增强热塑性树脂基复合材料为研究对象，对相关的概念和内容进行了梳理和总结。其中概括了碳纤维的性质性能，对复合材料的概念进行了阐述，最后对碳纤维增强热塑性树脂基复合材料的力学性能作了详尽的分析说明。
1.关于碳纤维增强热塑性树脂基复合材料的概述
⑴复合材料的概念：面对传统、单一组分的材料已经难以满足现在应用需要的现实状况，开发研制新材料，是解决这个问题的根本途径。运用对材料改性的方法，来改善材料的性能是可取的。而材料改性的方法中，复合是最为常见的一种。国际标准化组织对于复合材料的概念有明确的界定：复合材料是指由两种或两种以上不同化学性质和物理性质的物质组成的混合固体材料。它的突出之处在于此复合材料的特定性能优于任一单独组分的性能。⑵复合材料的分类简介：复合材料的有几种分类，这里不作一一介绍。只介绍两种与本论文相关的类别划分。如果以基体材料分类，复合材料有金属基复合材料；陶瓷基复合材料；碳基复合材料；高分子基复合材料。本文讨论的是最后一种高分子基复合材料，它是以有机化合物包括热塑性树脂、热固性树脂、橡胶为基体制备的复合材料。第二，如果按增强纤维的类别划分，就存在有机纤维复合材料、无机纤维复合材料、其他纤维复合材料。其中本文讨论的对象属于无机纤维复合材料这一类别，因为碳纤维就是无机纤维复合材料的其中一种。特别值得注意的是，当两种或两种以上的纤维同时增强一个基体，制备成的复合材料叫做混杂纤维复合材料。实质上是两种或两种以上的单一纤维材料的互相复合，就成了复合材料的“复合材料”。
2.纤维增强树脂基复合材料的性能特点
纤维增强树脂基复合材料是指以高分子聚合物为基体材料，用纤维作增强材料复合制备而成的。基体材料和增强材料必然各自发挥自己的优势作用。之所以用纤维作增强材料是因为纤维具有高强度和高模量的优点，所以是承载体的“不二人选”。而采用高分子聚合物作基体材料，是考虑其良好的粘接性能，可以将纤维和基体牢固的粘连起来。不仅仅如此，基体还需发挥均匀分散载荷的作用，通过界面层，将载荷传递到纤维，从而使纤维承受剪切和压缩的载荷。当两者存在良好的复合状态，并且使结构设计趋于最佳化，就能最大程度上发挥复合材料的综合性能。⑴抗疲劳性能好：所谓疲劳破坏指的是材料在承受交变负荷时，形成裂缝继续扩大而引起的低应力破坏。纤维增强树脂基复合材料的疲劳破坏的发生过程是，首先出现裂缝，继而裂纹向进一步扩大的趋势发展，直到被基体和纤维的界面拦阻。在此过程中，纤维的薄弱部位最先被破坏，随之逐渐扩延到结合面。因此，纤维增强树脂基复合材料在疲劳破坏前存在明显的征兆，这与金属材料的疲劳发生截然不同。这也是它的抗疲劳性能好的具体表现。⑵高温性能好：纤维增强树脂基复合材料具有很好的耐热性能。将材料置于高温中，表面分解、气化，在吸热的同时又冷却下来。材料在高温下逐渐消失的同时，表面又有很高的吸热效率。这些都是材料高温性能卓越的物理特征。⑶高比强度和比模量：纤维增强树脂基复合材料具有高比强度和高比模量的特征。甚至在和钢、铝、钛等金属材料相比，它的力学性能也十分出色。这种材料在宇航工业中，受到极大的应用。⑷安全性能好：纤维增强树脂基复合材料中分布的纤维数量巨大，并且密度强，用数据来说明的话，每平方厘米的复合材料上的纤维数量少则几千根，多则达到上万根。即便材料超负荷，发生少量纤维的断裂情况，载荷也会进行重新分配，着力在尚未断裂的纤维部分。因此，短时间内，不会影响到整个构件的承载能力。⑸设计的可操作性强：当复合材料需要符合性能和结构的设计需求时，可以通过很多方法来实现。包括改变基体和纤维的品种，调整它们的含量比例，也可以通过调整纤维的层铺结构和排列方式来实现。因此，可以说，纤维增强树脂基复合材料有很强的设计可操作性。⑹成型工艺简单易成：成型工艺过程十分简单易成，因其制品大多都是整体成型，无需使用到焊接、切割等二次加工，工艺流程简单好操作。一次性成型不仅可以减少加工的时间，同时减少了零部件、紧固件、接头的损耗，使结构更趋于轻量化。⑺减震性能好：高的自振频率可以对工作状态下的早期破坏起到规避和防范的作用。自振频率和材料比模量的平方根成正比，和材料结构也息息相关。纤维增强树脂基复合材料的基体界面和纤维因为具有吸振能力，所以能够起到很好的减震效果。
3.碳纤维增强热塑料树脂基复合材料中碳纤维的性质
⑴对纤维的分类：纤维存在有机纤维和无机纤维之分。增强纤维共有五大类别，分别是：硼纤维、碳纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维以及芳纶纤维。除最后一种芳纶纤维以外，其他四种都属于无机纤维。碳纤维是五大纤维之冠，是增强纤维中最有活力的一种。碳纤维复合材料种类很多，但是应用最广泛的还要属碳纤维增强树脂基复合材料。⑵碳纤维的性质和性能：碳纤维是纤维状的碳素材料，它的性质包括导热、导电、耐温、耐磨、比重小且耐腐蚀性等。除此之外，它的性能也相当突出，具有热膨胀系数小、抗震动衰减、自性以及防原子辐射等。因为碳纤维的纤维属性，因此可以对其编制加工，缠绕成型。利用纤维状直径细的特点，是制成复合材料杂曲面构件部件的绝佳材料。碳纤维能够成为最有活力的增强纤维，它密度低，抗拉伸强度可以和玻璃纤维比肩，而碳纤维的弹性模量却是后者的4到5倍。在惰性气氛中，碳纤维的抗拉强度随温度的升高而攀升，表现出极佳的性能。因此，不得不说碳纤维是复合材料增强纤维的首选。⑶碳纤维的力学性质：碳纤维的力学性质主要通过轴向抗拉模量来体现。当热处理温度上升，碳纤维的模量随之攀升。细直径纤维在预氧化过程中，发生碳化，产生很多排列整齐的饿表皮结构。这些结构对碳纤维模量的增加又起到推波助澜的作用，促使它的模量进一步提高。碳纤维模量的变化趋势以施加负荷的方式作为判别标准，不是随应变的增加而增加，就是随应变的增加而下降，无非是这两种情况。
4.纤维增强热塑性树脂基复合材料的力学性能研究
【关键词】复合材料 混合模式 弯曲试验 声发射
1 前言
随着碳纤维复合材料在高压容器，航空航天等领域应用的逐渐深入，复合材料损伤机理分析及整体完整性检测也在大量开展[1-3]。层合复合材料的层间结合较弱，分层敏感性成为许多先进复合材料的主要弱点[4-9]。因此，评价复合材料抵抗分层的能力问题倍受人们关注。本文研究了典型的碳/环氧复合材料的Ⅰ/ Ⅱ混合模式分层行为和层间断裂韧性，同时采用美国PAC公司的声发射设备进行全过程采集声发射信号，并对如计数，能量等参量及波形进行了分析，结合材料的力学性能讨论了复合材料损伤行为与AE信号特征的对应关系，为AE技术在复合材料损伤机理研究和安全性能评估方面提供参考。
图1？试验装置
2 试验部分
2.1 混合模式弯曲试样
试验采用浙江大学提供的碳纤维[0/90]4s复合材料，编号为5-1-1、5-1-2，试样尺寸150×20×3，试件一端切除长25mm的缺口，可以形成张开和剪切两种分层形式，同时几何中面埋入长50mm、厚0.02mm 的聚四氟乙烯薄膜，形成预制分层。
2.2 试验设备及方法
采用MTS 810型材料试验机对试样进行加载，速率为1mm/min。声发射仪为PAC的 samos-48，AE参数设置为峰值定义时间50μs，撞击定义时间200μs，撞击闭锁时间300μs，门槛值40dB。耦合剂为真空脂，将R15I型传感器缠绕固定在试样一端，试验装置如图1所示：
3 分析讨论
3.1 力学性能分析
试样在加载过程中，缺口侧预制分层逐渐张开，铺层间存在分层张力，同时由于上下铺层间弯曲变形的不协调性，层间存在剪切应力。
研究表明此碳纤维复合材料的分层扩展行为属于脆性的分层断裂，如图2所示。加载开始，随着位移的增加载荷直线增长，呈现一个很好的线性加载阶段a（0-95s）；它反映了分层层间的基体和界面中微损伤的累积，分层力为层间剪切力； 当载荷超过到层间剪切的临界值，层间发生微观错动； 有一个微弱的非线性过程b（95-160s），期间分层间纤维，粘结面不断受张开拉力，剪切力陆续断裂，此刻宏观观测到层间已发生相对错动，预制薄膜分层逐渐张开，载荷略有下降。此后发展着一个可控制的稳定的分层扩展过程c，即位移继续增加，分层平稳地张开，位移停止，分层张开随即中止，可看到分层沿着试样弯曲切线方向逐渐张开，分层为张开拉力所致。
图2？位移-载荷曲
3.2 声学特性分析
图3为试样5-1-2的时间-能量曲线图，可以看出0-95s（a阶段）为低能量持续性信号，说明此阶段层间的基体和界面中微损伤的不断积累，释放微弱信号。95-160s（b阶段）持续产生中等能量的撞击，可解释为达到层间剪切的临界值后分层界面开始错动，可观测到上下铺层沿着预制薄膜分层逐渐张开，部分短纤维束，粘结剂受剪切力，张开拉力等因素陆续断裂，释放一定能量的信号。随着试件的进一步弯曲（c阶段），分层前沿不断前移开裂，更多的短纤维被拉断，
上下铺层沿着预制薄膜处逐渐分层，张开，更多的长纤维束被拉断，258s时分层开裂至加载点，下铺层与弯曲曲线相切，这个阶段集中释放了大量高能量信号。
从两个试件的时间-计数、时间-能量关系图4中也能看出曲线存在（95s、160s）2个拐点，三个阶段与图2、3中a、b、c阶段相对应，通过拐点可判断试样的受力状态及分层内部的活动状态。
图4？时间-计数-能量曲线
复合材料混合模式分层的声发射源可简化为纤维拉伸断裂、层间剪切错动摩擦，界面脱胶三种形式。图5为试样的持续时间-能量-幅值的散点分布图，可以看出撞击信号分为两个典型的区域。Ⅰ区为小于50dB的低幅值、低能量，能量与持续时间不成比例的撞击信号，是因为层间微弱剪切错动，相互摩擦，界面脱胶所释放的声波在高频区域能量较小，幅值很低，信号单一。Ⅱ区为能量与持续时间成正比的，幅值较高且分布广泛的信号，可解释为纤维断裂所释放的高频断裂信号，信号特征较集中。
图5？持续时间--能量―幅值曲线
4 结论
（1）通过力学性能测试发现碳纤维复合材料混合模式分层阶段为剪切分层，混合分层，张力分层过程；
（2）通过对分层信号分析可有效的监测其内部活跃情况，剪切分层信号能量，幅值很低，混合分层信号幅值较大，能量与持续时间成正比，张力分层时期为典型的纤维断裂信号，信号特征教集中；
（3）声发射信号曲线与力学性能曲线有一致的对应关系和吻合，通过对撞击信号深入分析可有效的判断材料内部分层的转换拐点，内部活跃程度，分层模式，为材料性能研究提供有力的理论支持。
参考文献
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本文重点介绍了碳纤维增强铝基复合材料及复合材料的制备方法；介绍了影响真空压力浸渗工艺的工艺参数：温度、浸渗压力及真空度。最后，阐述了该复合材料的应用价值。
关键词：铝基复合材料；碳纤维；真空压力浸渗
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
中图分类号：TU74文献标识码：A 文章编号：
一、背景
近年来，随着汽车工业、航空宇航、电子通讯技术的飞速发展，要求作为这些行业基础的材料除具有高强度、高模量、耐高温等基础性能外，还对材料的比重、韧性、耐磨、耐蚀、光电等性能提出了更多种要求。
对于单一材料来说往往不能很好的满足诸多性能的要求，就需要把不同性能的材料组合起来，制备成复合材料，使的材料间取长补短。复合材料是用经过选择的、含一定数量比的两种及两种以上组分或组元，通过人工复合，组成多相、三维结合且各相之间有明确界面的，具有特殊性能的材料[1]。复合材料的最大优点是材料的性能具有可设计性。材料的设计自由度高，所以进展迅猛。
金属基复合材料(Metal Matrix Composites，简称MMCs)除了具有高比强度、高比模量和低热膨胀系数等特点外，还有能耐更高温度、防燃、横向强度和刚度高、不吸潮、高导热与导电率，抗辐射性能好、在使用时不放出气体等优点，显示了树脂基复合材料不可比拟的特点，因此得到了国内外研究者的高度重视，尤其是受到航空航天部门的青睐[2,3]。
碳纤维增强金属基复合材料具有很高的比强度和比模量，是航空航天等对构件质量要求苛刻的高技术领域理想的结构材料[2]。近年来，伴随着高性能碳纤维的出现，以及因产量扩大而成本降低，对碳纤维增强铝基复合材料的制备及应用受到广泛重视[4]。
二、 碳纤维增强铝基复合材料
1、碳纤维
碳纤维是一种碳含量超过90%的纤维状碳材料，碳纤维同时具有高比强度、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[9]。常用的碳纤维按原丝来源可分为粘胶纤维、PAN基(聚丙烯腈)纤维和沥青纤维。粘胶纤维的强度低、杨氏模量也低，但是由于成本低，仍然用于某些复合材料的制造[7]。PAN基碳纤维性能较好，但价格较高，主要用于对性能要求极高的航空航天领域。沥青类碳纤维与PAN基碳纤维相比，具有一定的价格优势，在汽车、机械电子等领域显示出较好的应用前景[8]。
2、碳纤维增强铝基复合材料
近年来在金属基复合材料领域，铝基复合材料的发展尤为迅速。这不仅因为它具有一系列优点，而且因为在世界范围内有丰富的资源，加之可用常规设备和工艺加工成型和处理，因而制备和生产铝基复合材料比其他金属基复合材料更为经济，易于推广和应用。
目前，制备Cf/Al复合材料的基体铝合金主要选用Al-Mg-Si系和Al-Cu-Mg系等可热处理强化的合金。最新应用的防锈铝LF6，系镁含量高的Al—Mg合金，可焊性、抗蚀性良好，强度中低，冷变形可提高强度，适于制造中载构件，液体容器、管道等零件。
三、 Cf/Al复合材料的制备工艺
碳纤维增强铝基复合材料的制造方法[8]主要有:
1、 熔融浸润法
用液态铝及铝合金浸润纤维束，使每根纤维被熔融金属润湿后除去多余的金属而得到复合丝，再经挤压而制得复合材料。其缺点是熔融铝及铝合金可能会对纤维性能造成损伤。
2、 挤压铸造法
使熔融铝及铝合金强制压入内置纤维预制件的固定模腔，压力一直施加到凝固结束，使金属液态到凝固均处于高压下。挤压铸造法因高压改善了金属熔体的浸润性，所制得复合材料的增强纤维与铝及铝合金间的反应最小，没有空隙和缩孔等常规铸造缺陷。
3、扩散粘结法
铝箔与经表面处理后浸润铝液的碳纤维丝或复合丝或单层板按规定的次序叠层，在真空或惰性气体条件下经高温加压扩散粘结成型以得到铝基复合材料的制造方法。
4、 粉末冶金法
采用等离子喷溅法在排列好的增强纤维上喷涂金属铝粉，或把金属铝粉分散在丙烯酸树脂进行涂敷，制成预制板，将其交替重叠后在真空或氩气中，在接近铝熔点温度下加压烧结以获得纤维增强铝基复合材料。
5、 真空压力浸渗法
采用真空压力浸渍法时, 先将放入模具内的增强预成型体抽真空，然后施加压力将熔融的金属液体压入模具内复合，冷却后得到制件。
该方法虽然存在设备昂贵及工件尺寸有限的缺点，但对小型制件而言，却有不少可取之处，因为除了有增强体的范围大、制品质量好的优点外，还可以实现近似无余量成型，特别适合于复杂精密的制件[2]。
四、真空压力浸渗的工艺参数
Cf/Al复合材料的真空压力浸渗工艺参数主要有：
1、 浸渗温度
浸渗温度，是真空压力浸渗工艺中重要的工艺参数。整个制备过程中，对温度的选择，决定了材料成型后，纤维的界面反应情况。如果浸渗温度过高，容易造成纤维与基体的高温界面反应，生成大量的界面反应物Al4C3脆性相，基体与增强体界面结合过强;浸渗温度过低，界面反应虽然有所减缓，但是铝熔液在浸渗过程中会快速冷却到铝凝固点以下，导致材料复合失败。
2、浸渗压力
浸渗压力是真空压力浸渗工艺中另外一个重要的工艺参数，浸渗压力决定了金属浸渗纤维预制块的过程，并影响最终复合材料的致密度。
3、真空度
材料制备过程的真空度，决定了最终复合材料中增强体纤维的氧化受损程度，对复合材料的最终性能具有重要意义。
五、 Cf/Al复合材料应用前景
碳纤维增强铝基复合材料具有高强度和高模量，其密度小于铝合金，模量却比铝合金高2~4倍，因此用复合材料制成的构件具有质量轻、刚性好、可用最小的壁厚做成结构稳定的构件，提高设备容量和装载能力，可用于航天飞机、人造卫星、高性能飞机等方面。以飞机质量为例，飞机机身质量约占起飞质量的50%，燃料占25%，只有25%留作负载。如果将轻量且高强度的Cf/Al复合材料用机的制造，只要使其质量减少10%，那么有效负载就增加20%。作为最经济高效的飞机结构件减重增效的途径，Cf/Al复合材料在飞机结构件上的应用正趋扩大。
用Cf/Al复合材料制成的导航系统和航天天线，可有效地提高其精度；用碳纤维增强铝基复合材料制成的卫星抛物面天线骨架，热膨胀系数低、导热性好，可在较大温度范围内保持其尺寸稳定，使卫星抛物面天线的增益效率提高4倍，同时还显著减轻了结构的质量。
随着研究探索的深入，除了率先在宇航、航空和兵器中得到应用，在民用工业中的应用也日渐增多，广泛地应用机构件、汽车发动机零件、滑动部件、计算机集成电路的封装材料以及电子设备的基板等方面[8]。
近年来，碳纤维增强铝基复合材料的发展特别迅速，因为在世界范围有丰富的铝资源和高性能碳纤维的出现及碳纤维成本的降低，所以纤维增强铝基复合材料的制备和加工比其它金属基复合材料更为经济，易于推广和应用，受到人们的普遍重视。
Cf/Al复合材料的成本主要来自原材料和制备带来的成本，在航天飞行器中，所使用的材料每降低一公斤，发射成本就降低1万美元。因此，只要进一步地降低其研究费用、提高其价格/性能比，高比强的Cf/Al复合材料将具有非常广阔的前景。
参考文献
1郝元恺, 肖加余.高性能复合材料. 化学工业出版社. 2004:2-10
2吴人洁. 金属基复合材料的发展现状与应用前景. 第十三届国际复合材料学术会议专辑. 北京,2001:19-21
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4张乾, 谢发勤. 碳纤维的表面改性研究进展. 金属热处理. 2001, 26(8): 1-4
5贺福, 王茂章. 碳纤维及其复合材料. 科学出版社, 1995:5-10
6风仪, 许少凡, 颜世钦. 纤维增强金属基复合材料及其应用. 机械工程材料. 1995, 199(1): 9-11
关键词：碳纤维增强塑料；再生碳纤维；回收再生技术
中图分类号：TQ342+.74 文献标志码：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
所谓碳纤维复合材料废弃物的回收再生或再利用主要是针对碳纤维增强塑料（CFRP）而言，因为根据调查它已占碳纤维市场的90%以上，随着CFRP在航空航天、大型风电叶片、土木建筑、新能源和清洁能源（电池部件、压缩天然气和氢气瓶、太阳能柜架）、汽车、传统能源（油井抽油杆、海上油田平台、煤矿刮板机）、高铁和货物列车、船舶、日用电器、机械及体育用品等领域应用的迅速扩大，其废弃物的回收再利用技术的开发和产业化已迫在眉睫。其中碳纤维增强热塑性树脂（CFRTP）可通过制成切片再利用，而碳纤维增强热固性树脂的回收是有难度的。
CFRP的碳纤维回收技术始于本世纪初，要取得稳定的回收材料并不容易。目前除利用熔矿炉的热源进行热再生已实用化外，面向混凝土补强材料的碳纤维回收也进入实用化阶段。然而，为满足人们对构筑循环型社会的迫切期待，需研发出高水平的碳纤维回收技术。以下分别介绍近年来一些大学、科研院所和企业在碳纤维复合材料回收方面的技术开发现状。
2 全球主要碳纤维回收企业及其技术介绍
2.1 东丽、东邦Tenax和三菱丽阳公司
据统计，目前东丽、东邦Tenax和三菱丽阳这 3 家日本顶级的聚丙烯腈基碳纤维（PAN-CF）企业的碳纤维产量占据全球小丝束PAN-CF的70%左右，产品分别应用机、汽车等一般产业和体育休闲用品中，随着其废弃物的日益增多，必须联合开发回收技术。另一方面，在碳纤维的生产过程中，会排放出温室效应气体（CO2），需通过扩大CFRP的应用领域来实现更多的节能减排。为此，当务之急是尽快确立CFRP的回收技术。
关于碳纤维再生技术的开发，早在2006年日本通产省就通过其补助的“碳纤维再生技术的实证研究开发”课题在福冈县大牟田市内建设了中试厂，自2009年起得到了福冈县和大牟田市的资助，从而可作为碳纤维协会的活动内容，并积极从事基础技术开发。通过研究，取得了可控制所回收碳纤维长度、并可除去金属杂质和树脂残渣量低的再生碳纤维技术，从而达到了碳纤维协会的开发目标，并于2013年底终止了协会活动。为此由上述 3 家PAN-CF企业接力，设立了“碳纤维再生技术开发组合”，以进一步深化该回收技术，以期实现产业化。
JFCC与大同大学等的共同研究组合，找到了由CFRP废材回收碳纤维并可大幅提高与树脂粘合性的再生技术，无需使用上浆剂，从而实现了高效和低成本的回收再生。
以往由于碳纤维与树脂的粘合性差，通常需要通过氧化剂刻蚀处理后，再于碳纤维表面涂覆上浆剂（集束剂）方能使用，而其他由废CFRP回收碳纤维的技术，也需要进行再生碳纤维的表面处理，造成成本较高。而JFCC的方法由于经过含氮气的过热蒸汽处理，得到了双重效果，即过热蒸汽处理使碳纤维表面的酸度增加了，且表面增加了氢氧基，使之与树脂的吸附活性点增加，而添加氮气使碳纤维表面的碱度上升，使之与树脂的粘合性大增，而且随着处理温度的上升，碳纤维与树脂的粘合性也提高，在700 ℃以上进行处理时，可以达到与市售的经上浆剂处理的碳纤维同等的粘合水平。目前JFCC已销售该热处理设备。
2.3 碳纤维再生工业公司
位于日本岐阜县美浓加茂市的碳纤维再生工业公司（CFRI）创立了热解法由废CFRP回收碳纤维的独有技术，其特点是以废料燃烧时所产生的热分解气作为碳纤维回收工程的热源，从而可比以往的方法节约 6 成的能源，而所回收的碳纤维强度可达原生碳纤维的80%以上。目前该回收产品已应用于汽车部件，可实现整车减重20%以上。
再生过程是通过碳化炉和烧成炉两段烧成而得，可原封不动地回收长纤维，该回收系统所回收的碳纤维产能约为60 t/a。
在碳化工程中，将CFRP废料加入密闭容器中，并将容器外侧加热，使废材分解。最初用灯油燃烧加热，到400 ℃前后塑料发生气化，通过配管将该气导出，在燃烧器中与氧混合燃烧，利用产生的气体加热产生气体的循环，达到用废材自身的能量进行加热设计，而且当混合燃烧开始时，灯油燃烧器随即停止，如图 1 所示。
一般来说，CFRP中碳纤维与树脂的比例约为1∶1，碳纤维再生工业公司注意到树脂燃烧释放的卡路里较高，从而开发了利用废材自身所持有的能量进行碳纤维再生的节能技术。最初碳化工程所需的能量为每回收 1 kg碳纤维需15.3 MJ（非焦耳），而通过使用热蒸汽使密闭容器内的温度均匀等手段，现已使能耗下降至6.71 MJ。
CFRP废材燃烧时，可得到表面覆有残留碳的碳纤维，在随后的烧成工序中，需将温度调高至碳纤维表面上仅残留适度的碳，这样所得碳纤维的强度较高。若烧成温度再高一些，就可完全除去残留碳，目前以480 ℃烧成 3 h最为合适。
2.4 西门子中央研究院
西门子中央研究院采用溶剂分解回收的方法，由废CFRP部件中回收碳纤维。据介绍，所用溶剂不会破坏环境，所需能量比制造新的碳纤维要少得多，而且能回收CFRP中的碳纤维织物或纤维等原形，以便进一步加工成新的CFRP制品，并几乎保留原有的力学性能。具体方法是在200 ℃和水的存在下对CFRP废材施压并进行加热，使其中的树脂转化成低相对分子质量的水溶性醇类。
2.5 德国宝马和美国波音公司
2012年德国宝马（BMW）汽车公司和美国波音飞机公司达成了共同研发碳纤维回收再生技术的协议，内容包括制造技术秘密共享等，并致力于自动化过程的研究。
如所周知，这两家公司都在积极从事CFRP制品的生产，其中波音公司采用约50%CFRP的B-787飞机已经实现商业化运行，目前月产 7 架，而BMW公司于2013年下半年开始销售两款使用了CFRP部件已批量生产的车型 —— BMW i3和BMW i8。因此，对这两公司而言，研发可连续化的碳纤维回收技术和方法，成了不可回避的课题。
2.6 华东理工大学和波音公司
华东理工大学和波音公司最近签署了利用太阳能从热固型CFRP废材中回收碳纤维的合作开发协议，旨在研发出一条低能耗并能由大尺寸CFRP废材部件高效回收碳纤维的方法，以改进现有回收技术普遍存在能耗大、二次污染以及难以或无法得到连续有序的再生碳纤维的方法。
2.7 德国RWTH Aachen大学纺织技术研究所
德国RWTH Aachen大学纺织技术研究所利用碳粗纱（6 ～ 24 K，单丝直径 7 μm）生产过程产生的废丝以及卷曲或非卷曲碳纤维织物切割时产生的边角料，研发出了 3种碳废丝的切割装置（图 2）及其空气动力学非织造布的生产技术，由它可连续生产再生碳纤维非织造布。
该所同时还对上述 3 种不同切割装置所生产的短切碳纤维（图 3，纤维长度>15 mm）提出了碳纤维长度的测定和表征方法。其中切割机（图2（a））法中，在切割机的转子上装有易替换的刀片和外罩，可以15 m/s的高速度运行，这些叶片相互略有倾斜，以达到斜向切割，可制成30 mm和60 mm等长度；单轴切碎机（图2（b））法中，切割机以 5 ～ 10 m/s的速度中速运行，由一个活塞推动进口废丝朝转子方向行进，转子上装有易替换的切割齿，当超载时转子会自动反转，可制成60 mm等长度的纤维；旋转剪切机（图2（c））法中，切割机以0.3 ～ 0.8 m/s的速度低速运行，其两轴相连，因此靠本身的旋转剪切力就可供入原料，每个轴上装有几个切割盘，再生碳纤维在两个相对的切盘间被切割，当出现超载时，双轴会自动反转。
试验结果表明，单轴切碎机和旋转剪切机都适于生产较短的短切纤维，但会产生大量粉尘；而切割机法适合生产较长的纤维，且粉尘量少。图 4 所示为采用切割机所生产的碳纤维长度的表征结果。通过比较可以发现，纤维的平均长度和标准偏差值取决于所使用的测试方法和切割进程。这两种方法均显示出有所差别和较高的标准偏差及离散系数，而人工法（DIN）却显示出较大的纤维平均长度及较小的长度偏差。实验证明，经第一切割周期后，不同纤维样品的平均长度变化较大（样品 1 ～ 3），但经切割 3 ～ 5次后（样品 4 ～ 11）则趋于均匀，但标准偏差仍居高位。
总之，切割机法最适于由碳纤维粗纱的废品制取短纤维。
2.8 德国萨克森纺织研究所（STFI）等
STFI从事对碳纤维和CFRP生产过程中所产生的多种废料等的再利用研究，并将回收的碳纤维应用于加工非织造布。其研究的再生碳纤维可充分保持原有特性，并以长度50 ～ 100 mm的形式加以利用。同时该所还开展用碳纤维正品与再生碳纤维形成共混网材的技术研发，以提高综合使用性能、耐变形性能和耐破裂强度等。
德国Thuringen纤维塑料研究所（TITK）则研发将切碎的碳纤维加工形成网材的技术。
CFK Valley Stade Recycling公司也表示，将热处理后的再生碳纤维切割成10 mm后就可用梳棉机制成网材。试验结果表明，还可使用长度100 mm的碳纤维正品与30 mm的再生碳纤维加工形成共混网材。
Bonding工程公司曾报道，采用该公司的Maliwatt针刺结合法也可有效形成短切碳纤维网，即在梳棉工序就可形成由100%长50 ～ 100 mm的碳纤维正品与30 mm长的再生碳纤维制成的共混网材，它可作为CFRP的基础材料。由该工序所形成的再生碳纤维所制成的CFRP，已确认可应用于以往的多个领域，但在汽车领域，考虑到安全因素，只限于内装的坐席和轿车车尾的行李厢中。
2.9 其他
日立化成开发了采用常压溶解法由CFRP废料回收再生碳纤维的技术，信州大学开发了利用氧化物半导体的热活性回收碳纤维的技术，而静冈大学则利用超临界或亚临界流体回收再生碳纤维的技术，据说我国的上海交通大学也在研发相关技术。
3 结语
目前，我国某些大学和科研院所也在开展由废CFRP回收碳纤维的技术，但要实现产业化尚需时日。在国外，随着一些CFRP汽车产品进入报废期，当务之急便是开发大规模回收碳纤维的连续化、低成本和低能耗的回收生产线，以避免这些废材在将来堆积如山。
另外，碳纤维生产过程中所产生的废丝或是深加工过程及CFRP制备过程中所产生的废品，将随着产量的迅速增加而不断增多。对于生产过程中所产生的废丝，目前国内外生产厂家都已将其加工成短切或研磨碳纤维出售，而CFRP废品仍需针对产品的具体特点，通过适用的回收技术加以利用。
据了解，目前我国已有30多家规模不一的碳纤维生产厂以及数百家下游CFRP生产厂，而且据预测到2017年前后，我国有望变成全球最大的碳纤维消费国，因此及早研发出具有自主知识产权的CFRP废材回收技术已是相关行业刻不容缓的责任，国家有关部门应予以政策和资金上的大力支持。
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【关键词】碳纤维；复合材料；桥梁施工；加固工程
随着我国桥梁道路工程建设的不断发展，桥梁工程施工技术也得到了很大的提高。同时在科技的推动下，建设施工的新型材料也在不断研发应用，这些都是我国桥梁道路施工水平提高的体现。其中碳纤维复合材料就是其中一个具有很大优越性的现代新型桥梁施工材料，在当前的桥梁道路施工中有着极为广泛的应用。尤其是近年来，社会的发展使得车辆对桥梁的通行能力提出更高的要求，并对桥梁的荷载能力、抗压能力、耐腐蚀能力等基本性能也提出了更高的要求。为了满足这一需求，新型施工工艺和施工材料的应用就显得非常有必要。本文中主要探讨了碳纤维复合材料这种新型材料的应用工艺和发展前景，指出了在新时代的发展下，利用碳纤维复合材料进行桥梁施工是未来桥梁建设施工中的一个主要发展方向。
1.碳纤维复合材料的基本性能
碳纤维复合材料是一种具有高强度和高弹性模量的新型复合材料，其基本构成是由基体材料与增强材料相互结合而形成的，与其具有同种特点的复合材料还有玻璃纤维复合材料和芳纶纤维复合材料。这三种复合材料都是通过物理组合而实现材料性能的提升，比普通的材料要具备更大的优越性。而其中碳纤维复合材料是其中物理力学性能最好的一种复合型材料，因为在很多建设施工中都有着广泛的应用。其主要的应用方法是以替代钢筋作为结构材料的形式，目前在桥梁的张拉施工以及加固施工中也都是较为常用的施工材料。那么碳纤维复合材料的优越性能有哪些呢？现笔者将其优越性总结为下述几点：
1.1碳纤维复合材料具有比钢材高出十几倍的抗拉强度和相当钢材1～2倍的强行模量。
1.2碳纤维复合材料减震性能好，其自振频率很高，可避免早期共振，同时内阻也很大，一旦激震起来，衰减也快。
1.3碳纤维复合材料具有良好的耐久性、耐油、耐酸、耐腐蚀性能好，与生物有很好的相容性。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。
1.4碳纤维复合材料材料是柔软的，树脂是可以流动的，其产品的形状几乎不受限制，还可以任意着色，从而达到结构形状和材料美学的高度统一。
1.5碳纤维复合材料材料施工便捷，在结构加固中，碳纤维布易成型，能够粘贴在曲面或不规则的结构表面上，考虑到其方向性，设计者可以进行裁减，使其在特定方向上达到预期的设计强度。
2.在桥梁结构施工中的应用
碳纤维复合材料在被研发成功后，是经过了一段时间方才被使用到桥梁的建设施工中的。直到上世纪的80年代，碳纤维复合材料才被应用在桥梁工程的设计施工中，并在后来的桥梁建设中迅速得到广泛应用，这是由其优良的特性来决定的。目前，在桥梁工程，尤其是在大跨度的桥梁工程中，碳纤维复合材料是最具有物理性能优势的建筑材料，在国内外的桥梁施工中都有应用碳纤维复合材料作为预应力筋的案例。
日本是第一个在混凝土桥梁中采用碳纤维复合材料绞线作为桥梁预应力筋的国家。从1988年～1992年，日本应用碳纤维复合材料材料作为预应力筋修建了一系列桥梁，为探求采用碳纤维复合材料力筋的预应力混凝土构件的承载力和耐久性，做了静载和疲劳试验。
3.在桥梁加固中的应用
为恢复和提高既有桥梁的承载能力，采用在桥梁结构受拉侧用环氧树脂粘贴碳纤维复合材料材料的加固方法，具有施工简便、加固费用低（代替钢板加固可节约资金25%）、不减少桥下净空、加固材料带来恒载增加不多等优点，并且加固施工能在不影响或少影响结构使用的情况下进行，同时可克服粘贴钢板受运输的限制、钢板锈蚀引起钢板与混凝土梁之间粘贴层损坏之不足。
在日本，碳纤维复合材料被广泛用于公路桥梁、铁路桥梁、隧道、码头、房屋建筑等结构物的加固，特别是在大地震维修工程及震后桥梁修复工程中都大量采用了碳纤维加固技术，并取得了显著的经济效益。
我国是在1997年以后正式开始对碳纤维复合材料加固修复上木建筑结构进行研究的，并在1998年以后开始了实际应用。如在某桥梁的加固工程中需重加固修复出现裂纹的T梁。在加固旧T梁工程中，共加固20m长的T梁130片，实际粘贴碳纤维240m2，共用15d完成全部加固施工，其他加固修复方法都无法在这么短的时间内完成的。T梁加固完成后，桥面开始施工，T梁受力，半年后观察加固节点，碳纤维布与T梁表面粘贴完好，无空鼓，无裂纹，取得了较满意的效果。
4.碳纤维复合材料的发展前景
碳纤维复合材料材料用于桥梁工程中也是国际土木工程界的一个热点，由于其优异的材料及使用性能，其应用范围与应用量正以惊人的速度在增长。碳纤维复合材料在我国处于科研及实用初级阶段，大规模使用还存在许多问题，如价格太高、强度不高、缺少设计规范及施工规程还很不完善等，为充分发展碳纤维复合材料在我国桥梁工程中的作用，应做好以下几个方面的工作：
4.1加快国产碳纤维复合材料大过摸生产的步伐并降低造价，提高国产碳纤维复合材料质量的稳定性，实现产品国产化。我国目前应用的粘贴树脂已实现了国产化，而碳纤维复合材料材料却依赖进口。扩大生产规模是降低成本的有效途径之一。国外一条碳纤维生产线的年生产能力均在200t以上，而我国至今还没有一条百吨级碳纤维生产线。
4.2尽快制定便于材料品质管理及品质保证的标准化试验方法，并尽快制定完善的设计与施工规范。标准化工作是一项新技术，是新材料得以健康、快速发展的基础，它不仅仅是指碳纤维复合材料材料的技术标准，而是包括材料生产、使用、检验、加固设计、计算、工程施工与验收等一系列标准化工作。否则，该项技术会有在商业利益驱动下遭夭折的危险。在这个问题上，今后几年内，国内将有更多的学校及研究单位加入到碳纤维复合材料材料研究开发中来，从而使我国在该项技术领域得到更快速的发展。
4.3加强与国际间的学术交流和技术合作。尽量避免在研究上的低水平生产与应用上的重复研究，共同促进该项技术的应用研究及发展，成立行业性或学术性组织。只有这样，才能促进该项技术的健康、快速发展。
5.结语
总之，在当代新型桥梁工程的施工中，采用碳纤维复合材料作为结构施工的重要材料是我国桥梁建设水平的一大提升，碳纤维复合材料的应用极大的提高了桥梁的强度、抗拉能力和抗腐蚀性能力，缩短了桥梁施工的时间，简化了施工技术工艺，提高了施工效率，因而碳纤维复合材料是一个值得大力推广应用的新型桥梁工程建设材料。
【参考文献】
摘要：本文基于微光夜视仪的使用特点，对比多种常用材料，提出对所有的机械零件选择使用同一种材料的大胆设想，为保证微光夜视仪光学系统的更好的工作。
关键词：微光夜视仪；结构设计；材料选择
微光夜视仪是一种应用于军事作战中的精密光学仪器，其中光学系统中光学元件的安装定位精度、杂光的干扰等，会直接影响光学系统的成像质量。机械系统是微光夜视仪的重要组成部分，由于该夜视仪是军事作战中用于头盔上的微光夜视成像系统，对重量、体积指标要求非常严格，所以在进行机械结构设计时，要在保证夜视仪性能的前提下，应尽力使其整个结构简单，重量轻。为提高我军作战能力，所以有必要对微光夜视仪做结构优化。因此，微光夜视仪结构设计的任务是按照光学系统设计的轴向要求、光学元件的间隔以及同心度要求，使微光夜视仪光学系统各部分组成一个稳定的整体，并保证光学系统的性能指标要求。同时镜筒结构设计应满足：不影响光学系统性能、光学元件的安装无应力、镜筒与光学元件的接口、消杂光、重量和体积等总体要求。但是由于质量和体积的限制，野战中严酷的高低温环境影响，使用传统的机械设计理念很难满足系统的要求。
本文对所有的机械零件选择使用同一种材料，以保证恶劣环境下机械零件均匀地膨胀和收缩，避免不同的膨胀会造成卡环松脱，并且保证微光夜视仪光学系统的正常工作。结构设计的最直接目标就是选择使用一种热膨胀系数近似于零的材料进行构架。微光夜视仪镜座和镜筒是保证微光夜视仪光学系统性能的关键部件，所以镜座及镜筒的材料选择、镜座的结构形式以及镜筒的设计对光学系统成像质量起着关键的作用；在满足微光夜视仪结构力学性能要求的前提下，还要尽量降低系统结构的质量，并且能适用于野战中严酷的高低温环境，所以镜座及镜筒材料的选择必须保证机械系统的精度及稳定性。（1）机械性能稳定性。一方面为了减轻结构质量，应该选择低密度的材料；另一方面，为了提高结构的刚性，应该采用高弹性模量的材料。所以，高比刚度是选择微光夜视仪结构材料的关键指标。并且为了在加工后能保证高精度，所选材料的尺寸稳定性应该良好。（2）热性能稳定性。应该选用低热膨胀系数的材料作结构材料，并考虑结构之间的热补偿，以使光学系统在野战恶劣的高低温环境下仍能保证良好的性能。另一方面，热导率高还可以使结构中的温度梯度较小，并使结构内部热平衡容易在短时间内达到。基于以上分析，本文微光夜视仪结构零件选择使用机械性能和强度可以和金属材料相媲美的复合材料。复合材料通过组元材料的协调作用，可以在很大程度上改善和提高单一常规材料的机械性能、物理性能和化学性能。非金属复合材料具有可设计性及密度小的显著特点，因此使用非金属复合材料不仅可以满足夜视仪机械性能和强度要求，而且可以减轻整个夜视仪的重量。几种典型复合材料和常用材料性能对比如表1。碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，其含碳量随种类不同而异，一般在90%以上。碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各向异性、柔软、可加工成各种织物，沿纤维轴方向表现出很高的强度。碳纤维比重小，因此有很高的比强度。碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，碳纤维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23000～43000Mpa亦高于钢。碳纤维的主要用途是与树脂、金属、陶瓷等基体复合，制成结构材料。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。在密度、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。碳纤维是20世纪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，现在还广泛应用于体育器械、纺织、化工机械及医学领域。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。20世纪80年代初期，高性能及超高性能的碳纤维相继出现，这在技术上是又一次飞跃，同时也标志着碳纤维的研究和生产已进入一个高级阶段。由碳纤维和环氧树脂结合而成的复合材料，由于其比重小、刚性好和强度高而成为一种先进的航空航天材料。因为航天飞行器的重量每减少1公斤，就可使运载火箭减轻500公斤。所以，在航空航天工业中争相采用先进复合材料。有一种垂直起落战斗机，它所用的碳纤维复合材料已占全机重量的1/4，占机翼重量的1/3。
据报道，美国航天飞机上3只火箭推进器的关键部件以及先进的MX导弹发射管等，都是用先进的碳纤维复合材料制成的。碳纤维增强的复合材料这样的优异性能可以满足光学精密仪器高尺寸稳定性以及高结构精度的要求。采用碳纤维复合材料制造微光夜视仪可实现自身减重的目的。该复合材料已经在航空航天和战略武器等方面得到广泛应用，是不可取代的高级复合材料。几种材料的比刚度和热稳定性比较如图1所示。由表1和图1可知，碳纤维增强环氧树脂基复合材料具有如下特点:（1）密度小。碳纤维环氧树脂基复合材料的密度不及钢密度的五分之一，仅是钛合金密度的0.47倍，所以可知，尺寸相同的的结构件用碳纤维环氧树脂基复合材料制作，要比用钢制作轻80％，比用钛合金制作轻53％。（2）比刚度高。碳纤维环氧树脂基复合材料的比刚度约为钛合金材料的2倍，所以可知，在相同质量的前提下，碳纤维复合材料结构刚度要比钛合金的结构刚度提高一倍，因此适用于结构轻量化设计。（3）线膨胀系数小。碳纤维环氧树脂基复合材料的线膨胀系数比钛合金的线膨胀系数小一个数量级甚至更多。在微光夜视仪结构中，要求在严酷高低温环境下变形极小，所以只有采用碳纤维复合材料才能满足。并且其与透镜材料的线膨胀系数相近，这样就可以避免在温度升高或降低时，结构内部产生较大的温度梯度。从微光夜视仪的设计要求出发，考虑其特殊的军事作战环境，提出并详细地总结了微光夜视仪的结构设计中材料的选择，为以后的总体结构设计做了准备。
作者:张博 单位:黑龙江东方学院
参考文献
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复合材料是指由两种或两种以上不同物质以不同方式组合而成的材料，它可以发挥各种材料的优点，克服单一材料的缺陷，扩大材料的应用范围。由于复合材料具有重量轻、强度高、加工成型方便、弹性优良、耐化学腐蚀和耐候性好等特点，已逐步取代木材及金属合金，广泛应用于航空航天、汽车、电子电气、建筑、健身器材等领域，在近几年更是得到了飞速发展。
随着科技的发展，树脂与玻璃纤维在技术上不断进步，生产厂家的制造能力普遍提高，使得玻纤增强复合材料的价格成本已被许多行业接受，但玻纤增强复合材料的强度尚不足以和金属匹敌。因此，碳纤维、硼纤维等增强复合材料相继问世，使高分子复合材料家族更加完备，已经成为众多产业的必备材料。目前全世界复合材料的年产量已达550多万吨，年产值达1300亿美元以上，若将欧、美的军事航空航天的高价值产品计入，其产值将更为惊人。从全球范围看，世界复合材料的生产主要集中在欧美和东亚地区。近几年欧美复合材料产需均持续增长，而亚洲的日本则因经济不景气，发展较为缓慢，但中国尤其是中国内地的市场发展迅速。据世界主要复合材料生产商PPG公司统计，2000年欧洲的复合材料全球占有率约为32%，年产量约200万吨。与此同时，美国复合材料在20世纪90年代年均增长率约为美国GDP增长率的2倍，达到4%~6%。2000年，美国复合材料的年产量达170万吨左右。特别是汽车用复合材料的迅速增加使得美国汽车在全球市场上重新崛起。亚洲近几年复合材料的发展情况与政治经济的整体变化密切相关，各国的占有率变化很大。总体而言，亚洲的复合材料仍将继续增长，2000年的总产量约为145万吨，预计2005年总产量将达180万吨。
从应用上看，复合材料在美国和欧洲主要用于航空航天、汽车等行业。2000年美国汽车零件的复合材料用量达14.8万吨，欧洲汽车复合材料用量到2003年估计可达10.5万吨。而在日本，复合材料主要用于住宅建设，如卫浴设备等，此类产品在2000年的用量达7.5万吨，汽车等领域的用量仅为2.4万吨。不过从全球范围看，汽车工业是复合材料最大的用户，今后发展潜力仍十分巨大，目前还有许多新技术正在开发中。例如，为降低发动机噪声，增加轿车的舒适性，正着力开发两层冷轧板间粘附热塑性树脂的减振钢板；为满足发动机向高速、增压、高负荷方向发展的要求，发动机活塞、连杆、轴瓦已开始应用金属基复合材料。为满足汽车轻量化要求，必将会有越来越多的新型复合材料将被应用到汽车制造业中。与此同时，随着近年来人们对环保问题的日益重视，高分子复合材料取代木材方面的应用也得到了进一步推广。例如，用植物纤维与废塑料加工而成的复合材料，在北美已被大量用作托盘和包装箱，用以替代木制产品；而可降解复合材料也成为国内外开发研究的重点。
另外，纳米技术逐渐引起人们的关注，纳米复合材料的研究开发也成为新的热点。以纳米改性塑料，可使塑料的聚集态及结晶形态发生改变，从而使之具有新的性能，在克服传统材料刚性与韧性难以相容的矛盾的同时，大大提高了材料的综合性能。
树脂基复合材料的增强材料
树脂基复合材料采用的增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维等。
1、玻璃纤维
目前用于高性能复合材料的玻璃纤维主要有高强度玻璃纤维、石英玻璃纤维和高硅氧玻璃纤维等。由于高强度玻璃纤维性价比较高，因此增长率也比较快，年增长率达到10%以上。高强度玻璃纤维复合材料不仅应用在军用方面，近年来民用产品也有广泛应用，如防弹头盔、防弹服、直升飞机机翼、预警机雷达罩、各种高压压力容器、民用飞机直板、体育用品、各类耐高温制品以及近期报道的性能优异的轮胎帘子线等。石英玻璃纤维及高硅氧玻璃纤维属于耐高温的玻璃纤维，是比较理想的耐热防火材料，用其增强酚醛树脂可制成各种结构的耐高温、耐烧蚀的复合材料部件，大量应用于火箭、导弹的防热材料。迄今为止，我国已经实用化的高性能树脂基复合材料用的碳纤维、芳纶纤维、高强度玻璃纤维三大增强纤维中，只有高强度玻璃纤维已达到国际先进水平，且拥有自主知识产权，形成了小规模的产业，现阶段年产可达500吨。
2、碳纤维
碳纤维具有强度高、模量高、耐高温、导电等一系列性能，首先在航空航天领域得到广泛应用，近年来在运动器具和体育用品方面也广泛采用。据预测，土木建筑、交通运输、汽车、能源等领域将会大规模采用工业级碳纤维。1997~2000年间，宇航用碳纤维的年增长率估计为31%，而工业用碳纤维的年增长率估计会达到130%。我国的碳纤维总体水平还比较低，相当于国外七十年代中、末期水平，与国外差距达20年左右。国产碳纤维的主要问题是性能不太稳定且离散系数大、无高性能碳纤维、品种单一、规格不全、连续长度不够、未经表面处理、价格偏高等。
3、芳纶纤维
20世纪80年代以来，荷兰、日本、前苏联也先后开展了芳纶纤维的研制开发工作。日本及俄罗斯的芳纶纤维已投入市场，年增长速度也达到20%左右。芳纶纤维比强度、比模量较高，因此被广泛应用于航空航天领域的高性能复合材料零部件（如火箭发动机壳体、飞机发动机舱、整流罩、方向舵等）、舰船（如航空母舰、核潜艇、游艇、救生艇等）、汽车（如轮胎帘子线、高压软管、摩擦材料、高压气瓶等）以及耐热运输带、体育运动器材等。
4、超高分子量聚乙烯纤维
超高分子量聚乙烯纤维的比强度在各种纤维中位居第一，尤其是它的抗化学试剂侵蚀性能和抗老化性能优良。它还具有优良的高频声纳透过性和耐海水腐蚀性，许多国家已用它来制造舰艇的高频声纳导流罩，大大提高了舰艇的探雷、扫雷能力。除在军事领域，在汽车制造、船舶制造、医疗器械、体育运动器材等领域超高分子量聚乙烯纤维也有广阔的应用前景。该纤维一经问世就引起了世界发达国家的极大兴趣和重视。
5、热固性树脂基复合材料
热固性树脂基复合材料是指以热固性树脂如不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、乙烯基酯树脂等为基体，以玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维等为增强材料制成的复合材料。环氧树脂的特点是具有优良的化学稳定性、电绝缘性、耐腐蚀性、良好的粘接性能和较高的机械强度，广泛应用于化工、轻工、机械、电子、水利、交通、汽车、家电和宇航等各个领域。1993年世界环氧树脂生产能力为130万吨，1996年递增到143万吨，1997年为148万吨，1999年150万吨，2003年达到180万吨左右。我国从1975年开始研究环氧树脂，据不完全统计，目前我国环氧树脂生产企业约有170多家，总生产能力为50多万吨，设备利用率为80%左右。酚醛树脂具有耐热性、耐磨擦性、机械强度高、电绝缘性优异、低发烟性和耐酸性优异等特点，因而在复合材料产业的各个领域得到广泛的应用。1997年全球酚醛树脂的产量为300万吨，其中美国为164万吨。我国的产量为18万吨，进口4万吨。乙烯基酯树脂是20世纪60年展起来的一类新型热固性树脂，其特点是耐腐蚀性好，耐溶剂性好，机械强度高，延伸率大，与金属、塑料、混凝土等材料的粘结性能好，耐疲劳性能好，电性能佳，耐热老化，固化收缩率低，可常温固化也可加热固化。南京金陵帝斯曼树脂有限公司引进荷兰Atlac系列强耐腐蚀性乙烯基酯树脂，已广泛用于贮罐、容器、管道等，有的品种还能用于防水和热压成型。南京聚隆复合材料有限公司、上海新华树脂厂、南通明佳聚合物有限公司等厂家也生产乙烯基酯树脂。1971年以前我国的热固性树脂基复合材料工业主要是军工产品，70年代后开始转向民用。从1987年起，各地大量引进国外先进技术如池窑拉丝、短切毡、表面毡生产线及各种牌号的聚酯树脂（美、德、荷、英、意、日）和环氧树脂（日、德）生产技术；在成型工艺方面，引进了缠绕管、罐生产线、拉挤工艺生产线、SMC生产线、连续制板机组、树脂传递模塑(RTM)成型机、喷射成型技术、树脂注射成型技术及渔竿生产线等，形成了从研究、设计、生产及原材料配套的完整的工业体系，截止2000年底，我国热固性树脂基复合材料生产企业达3000多家，已有51家通过ISO9000质量体系认证，产品品种3000多种，总产量达73万吨/年，居世界第二位。产品主要用于建筑、防腐、轻工、交通运输、造船等工业领域。在建筑方面，有内外墙板、透明瓦、冷却塔、空调罩、风机、玻璃钢水箱、卫生洁具、净化槽等；在石油化工方面，主要用于管道及贮罐；在交通运输方面，汽车上主要有车身、引擎盖、保险杠等配件，火车上有车厢板、门窗、座椅等，船艇方面主要有气垫船、救生艇、侦察艇、渔船等；在机械及电器领域如屋顶风机、轴流风机、电缆桥架、绝缘棒、集成电路板等产品都具有相当的规模；在航空航天及军事领域，轻型飞机、尾翼、卫星天线、火箭喷管、防弹板、防弹衣、鱼雷等都取得了重大突破。
热塑性树脂基复合材料
热塑性树脂基复合材料是20世纪80年展起来的，主要有长纤维增强粒料(LFP)、连续纤维增强预浸带(MITT)和玻璃纤维毡增强型热塑性复合材料(GMT)。根据使用要求不同，树脂基体主要有PP、PE、PA、PBT、PEI、PC、PES、PEEK、PI、PAI等热塑性工程塑料，纤维种类包括玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维和硼纤维等一切可能的纤维品种。随着热塑性树脂基复合材料技术的不断成熟以及可回收利用的优势，该品种的复合材料发展较快，欧美发达国家热塑性树脂基复合材料已经占到树脂基复合材料总量的30%以上。
高性能热塑性树脂基复合材料以注射件居多，基体以PP、PA为主。产品有管件（弯头、三通、法兰）、阀门、叶轮、轴承、电器及汽车零件、挤出成型管道、GMT模压制品（如吉普车座椅支架）、汽车踏板、座椅等。玻璃纤维增强聚丙烯在汽车中的应用包括通风和供暖系统、空气过滤器外壳、变速箱盖、座椅架、挡泥板垫片、传动皮带保护罩等。
滑石粉填充的PP具有高刚性、高强度、极好的耐热老化性能及耐寒性。滑石粉增强PP在车内装饰方面有着重要的应用，如用作通风系统零部件，仪表盘和自动刹车控制杠等，例如美国HPM公司用20%滑石粉填充PP制成的蜂窝状结构的吸音天花板和轿车的摇窗升降器卷绳筒外壳。
云母复合材料具有高刚性、高热变形温度、低收缩率、低挠曲性、尺寸稳定以及低密度、低价格等特点，利用云母/聚丙烯复合材料可制作汽车仪表盘、前灯保护圈、挡板罩、车门护栏、电机风扇、百叶窗等部件，利用该材料的阻尼性可制作音响零件，利用其屏蔽性可制作蓄电池箱等。
我国的热塑性树脂基复合材料的研究开始于20世纪80年代末期，近十年来取得了快速发展，2000年产量达到12万吨，约占树脂基复合材料总产量的17%，，所用的基体材料仍以PP、PA为主，增强材料以玻璃纤维为主，少量为碳纤维，在热塑性复合材料方面未能有重大突破，与发达国家尚有差距。
我国复合材料的发展潜力和热点
我国复合材料发展潜力很大，但须处理好以下热点问题。
1、复合材料创新
复合材料创新包括复合材料的技术发展、复合材料的工艺发展、复合材料的产品发展和复合材料的应用，具体要抓住树脂基体发展创新、增强材料发展创新、生产工艺发展创新和产品应用发展创新。到2007年，亚洲占世界复合材料总销售量的比例将从18%增加到25%，目前亚洲人均消费量仅为0.29kg，而美国为6.8kg，亚洲地区具有极大的增长潜力。
2、聚丙烯腈基纤维发展
我国碳纤维工业发展缓慢，从CF发展回顾、特点、国内碳纤维发展过程、中国PAN基CF市场概况、特点、“十五”科技攻关情况看，发展聚丙烯腈基纤维既有需要也有可能。
3、玻璃纤维结构调整
我国玻璃纤维70%以上用于增强基材，在国际市场上具有成本优势，但在品种规格和质量上与先进国家尚有差距，必须改进和发展纱类、机织物、无纺毡、编织物、缝编织物、复合毡，推进玻纤与玻钢两行业密切合作，促进玻璃纤维增强材料的新发展。
4、开发能源、交通用复合材料市场
一是清洁、可再生能源用复合材料，包括风力发电用复合材料、烟气脱硫装置用复合材料、输变电设备用复合材料和天然气、氢气高压容器；二是汽车、城市轨道交通用复合材料，包括汽车车身、构架和车体外覆盖件，轨道交通车体、车门、座椅、电缆槽、电缆架、格栅、电器箱等；三是民航客机用复合材料，主要为碳纤维复合材料。热塑性复合材料约占10%，主要产品为机翼部件、垂直尾翼、机头罩等。我国未来20年间需新增支线飞机661架，将形成民航客机的大产业，复合材料可建成新产业与之相配套；四是船艇用复合材料，主要为游艇和渔船，游艇作为高级娱乐耐用消费品在欧美有很大市场，由于我国鱼类资源的减少、渔船虽发展缓慢，但复合材料特有的优点仍有发展的空间。
5、纤维复合材料基础设施应用
国内外复合材料在桥梁、房屋、道路中的基础应用广泛，与传统材料相比有很多优点，特别是在桥梁上和在房屋补强、隧道工程以及大型储仓修补和加固中市场广阔。
6、复合材料综合处理与再生
聚丙烯腈基碳纤维是一种力学性能优异的新材料,在航空、航天、建筑、体育、汽车、医疗等领域得到广泛的应用。本文简要介绍了国内外PAN基碳纤维的发展历程和现状,PAN基碳纤维的制备、结构、性能及碳纤维的应用领域,详细介绍了PAN基碳纤维相关标准及检测,并对未来发展进行了展望。
关键词:碳纤维;聚丙烯腈;标准
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
碳纤维是一种力学性能优异的新材料,它不仅具有碳材料的固有特性,又兼备纺织纤维的柔软可加工性,是新一代增强纤维。它的比重不到钢的1/4,碳纤维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23000Mpa~43000Mpa,亦高于钢。材料的比强度愈高,则构件自重愈小;比模量愈高,则构件的刚度愈大,从这个意义上已预示了碳纤维在工程领域的广阔应用前景。
碳纤维是一种以聚丙烯腈(PAN)、沥青、粘胶纤维等为原料,经预氧化、碳化、石墨化工艺而制得的含碳量大于90%的特种纤维。碳纤维具有高强度、高模量、低密度、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、导电、导热、膨胀系数小、减震等优异性能,是航空航天、国防军事工业不可缺少的工程材料,同时在体育用品、交通运输、医疗器械和土木建筑等民用领域也有着广泛应用。PAN基碳纤维生产工艺简单、产品综合性能好,因而发展很快,产量占到90%以上,成为最主要的品种。
1国内外聚丙烯腈基碳纤维的发展现状
1.1国外发展现状
1959年,媒体报道了日本的进藤昭南由聚丙烯腈长丝经预氧化、碳化而制成性能优良的碳纤维工艺专利,由于该工艺简单,产品力学性能优良,因此发展较快,开创了碳纤维的新时代。
世界上聚丙烯腈基碳纤维的生产,现在已分化为以美国为代表的大丝束碳纤维和以日本为代表的小丝束两大类。日本和美国所产的碳纤维约占全球总供应量的80%[1]。日本三家以腈纶纤维为主要产品的公司(东丽Toray、东邦Toho及三菱人造丝公司Mitsubishi)依靠其先进纺丝科学技术,形成高性能原丝生产的优势,大量生产高性能碳纤维,使日本成为碳纤维大国,无论质量还是数量均处于世界前三位,占据了世界78%左右的产量。日本Toray公司是世界上最大的PAN基碳纤维厂商,2003年生产能力为7350t/a,其中在日本国内生产能力4700t/a,在美国拥有产能1800t/a,另外在法国与Atofia合资的Soficar产能为850t/a。公司以生产小丝束PAN基碳纤维为主,在日本国内大丝束PAN基碳纤维的产能仅为300t/a。东邦人造丝是第二大碳纤维生产商,其碳纤维的生产能力为5800t/a,全是小丝束品种。三菱人造丝在日本国内产能为2700t/a,在海外美国Grafil的产能为700t/a,2001年三菱人造丝率先将设备投资增加27.5%,达到190亿元,将本国的产能提高500t/a,再将美国子公司Grafil的产能增加800t/a,这样两地的总产能达到4700t/a。世界主要PAN基碳纤维生产企业的产能见表1[2]。
国外PAN基碳纤维的主要消费地是美国、西欧地区和日本。2002年上述国家和地区共消费PAN基碳纤维约12000t,其中美国消费量4600t,西欧地区消费量为5200t(一般工业应用2800t,航空航天1710t,体育器材690t),日本消费量约2200t。在2006～2011年,世界的碳纤维平均年需求增长率约为11.7%,高于平均年增长率的是西欧及亚洲的一些国家,世界碳纤维消费量见表2[3]。
1.2国内发展现状
我国对碳纤维的研究开始于20世纪60年代,几乎与世界同步开始碳纤维研究工作。80年代开始研究高强型碳纤维,多年来进展缓慢,但也取得了一定成绩。已经研制出接近日本东丽公司T-300水平的碳纤维产品,但产量和品质都远不能满足国内需要,与国外相比差距甚大,国内PAN基碳纤维总生产能力仅600t/a左右(包括正在筹建厂),实际生产量约仅为30~40t/a。进入21世纪以来发展较快,安徽华皖碳纤维公司率先引进了500t/a原丝、200t/aPAN基碳纤维(只有东丽碳纤维T-300水平),使我国碳纤维工业进入了产业化。随后,一些厂家相继加入碳纤维生产行列。据不完全统计,目前,我国已有12家生产规模大小不一(5～800t/a)的PAN基碳纤维生产厂家,合计生产能力为1310t/a。值得一提的是我国台湾地区的台塑集团,在20世纪80年代中期从美国Hitco公司引进百吨级碳纤维生产线,经消化、吸收和配套后得到迅速发展,台塑产量增加很快,但碳纤维质量的提高幅度并不大。
我国一些研究单位和高校都投入相当力量进行研究,并根据实验室研究成果建立一些中试装置;也尝试从国外引进专利技术与小规模生产设备,我国碳纤维现在仍处于艰难起步阶段,碳纤维的研制生产发展较慢,与国际先进水平相比,国产碳纤维突出问题是强度低、均匀性差、稳定性差、毛丝多、实际生产量低,其根本的原因是我国的原丝质量不过关[4-5],影响了我国碳纤维的发展。解决碳纤维用聚丙烯腈原丝生产这一技术关键,不能依赖技术引进,而应集中力量,汇集国内从事与此领域有关各方人力,选择国内经济实力和客观条件较好企业作为实施基地,进行高起点技术攻关。目前我国碳纤维90%以上依赖进口,极大地制约了我国相关产业的发展。
2PAN基碳纤维的制备、结构、性能
2.1PAN基碳纤维的制备
聚丙烯腈基碳纤维是以聚丙烯腈纤维为原料制成的碳纤维,主要做复合材料用增强体。无论均聚或共聚的聚丙烯腈纤维都能制备出碳纤维。为了制造出高性能碳纤维并提高生产率,工业上常采用共聚聚丙烯腈纤维为原料。对原料的要求是:杂质、缺陷少;细度均匀,并越细越好;强度高,毛丝少;纤维中链状分子沿纤维轴取向度越高越好,通常大于80%;热转化性能好。
生产中制取聚丙烯腈纤维的过程是:先由丙烯腈和其他少量第二、第三单体(丙烯酸甲醋、甲叉丁二酯等)共聚生成共聚聚丙烯腈树脂(分子量高于 6～8万),然后树脂经溶剂(硫氰酸钠、二甲基亚矾、硝酸和氯化锌等)溶解,形成粘度适宜的纺丝液,经湿法、干法或干-湿法进行纺丝,再经水洗、牵伸、干燥和热定型即制成聚丙烯腈纤维。若将聚丙烯腈纤维直接加热易熔化,不能保持其原来的纤维状态。因此,制备碳纤维时,首先要将聚丙烯腈纤维放在空气中或其他氧化性气氛中进行低温热处理,即预氧化处理[6]。预氧化处理是纤维碳化的预备阶段。一般将纤维在空气下加热至约270℃,保温0.5h～3h,聚丙烯腈纤维的颜色由白色逐渐变成黄色、棕色,最后形成黑色的预氧化纤维。这是聚丙烯腈线性高分子受热氧化后,发生氧化、热解、交联、环化等一系列化学反应形成耐热梯形高分子的结果。再将预氧化纤维在氮气中进行高温处理(l600℃),即碳化处理,则纤维进一步产生交联环化、芳构化及缩聚等反应,并脱除氢、氮、氧原子,最后形成二维碳环平面网状结构和层片粗糙平行的乱层石墨结构的碳纤维。
由PAN原丝制备碳纤维的工艺流程如下:PAN原丝预氧化碳化石墨化表面处理卷取碳纤维。
2.2结构
碳纤维是由片状石墨微晶沿纤维轴向方向堆砌而成的所谓“乱层”结构,通常也把碳纤维的结构看成由两维有序的结晶和孔洞组成,其中孔洞的含量、大小和分布对碳纤维的性能影响较大[7]。碳纤维各层面间的间距约为3.39～3.42Å,各平行层面间的各个碳原子,排列不如石墨那样规整,层与层之间借范德华力连接在一起。
2.3性能特征
碳纤维的化学性能与碳十分相似,在空气中当温度高于400℃时即发生明显的氧化,氧化产物CO2、CO在纤维表面散失,所以其在空气中的使用温度不能太高,一般在360℃以下。但在隔绝氧的情况下,使用温度可大大提高到1500℃～2000℃,而且温度越高,纤维强度越大。碳纤维的径向强度不如轴向强度,因而碳纤维忌径向强力(即不能打结)[8]。
碳纤维有通用型(GP)、高强型(HT)、高模型(HM)、高强高模(HP)等多种规格,其性能指标见表3。
碳纤维有如下的优良特性:① 比重轻、密度小;② 超高强力与模量;③ 纤维细而柔软;④ 耐磨、耐疲劳、减震吸能等物理机械性能优异;⑤ 耐酸、碱和盐腐蚀,可形成多孔、表面活性、吸附性强的活性炭纤维;⑥ 热膨胀系数小,导热率高,不出现蓄能和过热;高温下尺寸稳定性好,不燃,热分解温度800℃,极限氧指数55;⑦ 导电性、X射线透过性及电磁波遮蔽性良好;⑧ 具有性,不沾润在熔融金属中,可使其复合材料磨损率降低;⑨ 生物相容性好,生理适应性强。
碳纤维力学性能主要是抗张强度、弹性模量和断裂伸长等3个参数,变异系数即CV值= 标准偏差/平均值×100(%) ,碳纤维的CV值是设计构建的一项重要指标,如果碳纤维的CV值较小,涉及碳纤维拉伸强度等利用率高,可充分发挥其增强效果。在使用碳纤维时,大多制造成复合材料的结构件。对于同一性能的结构件,碳纤维的CV值越小,用量少,增强效果好;如果CV值较大,用量较多,构件笨重,增强效果差。表4为民用碳纤维的力学性能[9]。
由表4可看出,所生产的碳纤维具有较高的强度和模量,而伸长率较低,表明该材料具有较大的刚性;同时材料的拉伸强度和弹性模量的CV值都较低,表明材料的均一性较好。
3PAN基碳纤维的应用
碳纤维复合材料是为满足航天、航空等军事部门的需要而发展起来的新型材料,但因一般工业部门对产品的质量和可靠性要求不及上述部门严格,故开发应用的周期较短,推广应用得很快,被广泛应用于各种民用工业领域。碳纤维除用于高温绝热材料及除电刷子之外,一般并不单独使用,常加入到树脂(以环氧、酚醛为主)、金属或陶瓷、碳、水泥等基体中,构成碳纤维增强复合材料,是一种极为有用的结构材料。它不仅质轻、耐高温,而且有很高的抗拉强度和弹性模量。
3.1航空航天
碳纤维复合材料具有高比强度、高比刚度(比模量)、耐高温、可设计性强等一系列独特优点,是导弹、运载火箭、人造卫星、宇宙飞船、雷达[10]等结构上不可或缺的战略材料。航空则以客机、直升机、军用机为主要应用对象。
3.2文体和医疗用品
文体休闲用品是碳纤维复合材料应用的重要领域,高尔夫球杆、网球拍和钓鱼竿是三大支柱产品,其次是自行车、赛车、赛艇、弓箭、滑雪板、撑杆和乐器外壳等。医疗领域包括医学上用的移植物、缝合线、假肢、人造骨骼、韧带、关节以及X光透视机等。
3.3一般工业
碳纤维复合材料在汽车工业用于汽车骨架、活塞、传动轴、刹车装置等;在能源领域应用于风力发电叶片、新型储能电池、压缩天然气贮罐、采油平台等;碳纤维因其质轻高强和极好的导电性及非磁性而在电子工业中用于制备电子仪器仪表、卫星天线[11]、雷达等;碳纤维增强材料(CFRC)与钢筋混凝土相比,抗张强度与抗弯强度高5到10倍,弯曲韧度和伸长应变能力高20~30倍,重量却只有l/2,已被广泛应用于房屋、桥梁、隧道等基础设施的混凝土结构增强工程中[12-13]。
4PAN基碳纤维相关标准
目前,我国针对碳纤维的性能及其在复合材料中的应用,制定了相关标准,现行碳纤维相关标准有:
GB/T 3362―2005碳纤维复丝拉伸性能试验方法,适用于1K～12K碳纤维复丝浸胶后测定其拉伸强度、拉伸弹性模量和断裂伸长率。
GB 3362―1982碳纤维复丝纤维根数检验方法(显微镜法),是适用于测定碳纤维复丝中的纤维根数。
GB 3364―1982碳纤维直径和当量直径检验方法(显微镜法),适用于测定圆形截面碳纤维的直径和异形截面碳纤维的当量直径。GB 3365―1982碳纤维增强塑料孔隙含量检验方法(显微镜法)用于测定单向、正交及多向铺层的碳纤维增强塑料的孔隙含量。
GB/T 3355―2005碳纤维增强塑料树脂含量试验方法,适用于硫酸在一定条件下能使树脂基体完全分解又不过分地腐蚀纤维的碳纤维增强塑料。
GB 3366―1996碳纤维增强塑料纤维体积含量试验方法,适用于测定单向、正交及多向铺层的碳纤维增强塑料的纤维体积含量。
QJ 3074―1998碳纤维及其复合材料电阻率测试方法,适用于航天产品用碳纤维及碳纤维复合材料电阻率的测试。
目前,碳纤维产业正处于上升期,随着碳纤维工业的发展和技术的进步,我国碳纤维的产量会增加,质量会提高,品种也会有所增多,碳纤维性能也必将进一步提高,工业要求也将越来越高,为确保材料、产品、过程能够符合需要,也必须制定更新、更跟得上时代要求的标准。
5展望
人类在材料应用上正从钢铁时代进入到一个复合材料广泛应用的时代。碳纤维产业在发达国家支柱产业升级乃至国民经济整体素质的提高方面正在发挥越来越重要的作用,对我国产业结构的调整和许多传统材料的更新换代有重要意义。碳纤维是一种重要的高技术材料,不但事关国防建设,民用市场也前景广阔。但我国研究了几十年,由于这样那样的原因,一直没有搞上去,关键设备技术突不破,性能上不去,成本下不来,碳纤维及其制品难以产业化,从而大大制约了我国相关高新技术领域的发展[14]。要正确、科学、实事求是地总结过去,在总结经验教训的基础上,注重将基础性研究成果或者单元研究结果及时应用到中试线和工业生产线上,寻找一条切合国情的健康发展之路,实现我国高性能PAN基碳纤维的跨越式发展。
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关键词：风力发电机；叶片；碳纤维
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
中图分类号：TB857+.3
1.碳纤维在风机叶片中的应用叶片材料的发展经历了由木制、铝合金的应用，到进入了纤维复合材料时代。纤维材料比重轻，疲劳强度和机械性能好，能够承载恶劣环境条件和随机负荷，目前最普遍采用的是玻璃纤维增强聚酯（环氧）树脂。但随着大功率发电机组的发展，叶片长度不断增加，为了防止叶尖在极端风载下碰到塔架，就要求叶片具有更高的刚度。国外专家认为，玻璃纤维复合材料的性能已经趋于极限，不能满足大型叶片的要求，因此有效的办法是采用性能更佳的碳纤维复合材料。
由于碳纤维比玻纤昂贵，采用百分之百的碳纤维制造叶片从成本上来说是不合算的。目前国外碳纤维主要是和玻纤混和使用，碳纤维只是用到一些关键的部分。碳纤维在叶片中应用的主要部位有：(1)横梁(Spar)，尤其是横梁盖(Spar Caps)。(2)前后边缘，除了提高刚度和降低质量外，还起到避免雷击对叶片造成的损伤(专利 US6457943BI)。(3)叶片的表面，采用具有高强度特性的碳纤维片材(日本专利JP2003214322)。
2. 碳纤维在风机叶片中应用的优势
2.1提高叶片刚度，减轻叶片重量。碳纤维的密度比玻璃纤维小约30%，强度大40%，尤其是模量高3至8倍。大型叶片采用碳纤维增强可充分发挥其高弹轻质的优点。荷兰戴尔弗理工大学研究表明，一个旋转直径为120米的风机的叶片，由于梁的质量超过叶片总质量的一半，梁结构采用碳纤维，和采用全玻纤的相比，重量可减轻40%左右；碳纤维复合材料叶片刚度是玻璃纤维复合材料叶片的两倍。据分析，采用碳/玻混杂增强方案，叶片可减重20%～30%。Vesta Wind System公司的V90 3 MW发电机的叶片长44m，采用碳纤维代替玻璃纤维的构件，叶片质量与该公司V80 2 MW发电机且为39米长的叶片质量相同。同样是34m长的叶片，采用玻璃纤维增强聚脂树脂时质量5800kg，采用玻璃纤维增强环氧树脂时质量5200kg，而采用碳纤维增强环氧树脂时质量只有3800kg。其他的研究也表明，添加碳纤维所制得的风机叶片质量比玻璃纤维的轻约32%，而且成本下降约16%。
2.2提高叶片抗疲劳性能。风机总是处在条件恶劣的环境中，并且24小时的处于工作状态。这就使材料易于受到损害。相关研究表明，碳纤维合成材料具有出众的抗疲劳特性，当与树脂材料混合时，则成为了风力机适应恶劣气候条件的最佳材料之一。
2.3使风机的输出功率更平滑更均衡，提高风能利用效率。使用碳纤维后，叶片重量的降低和刚度的增加改善了叶片的空气动力学性能，减少对塔和轮轴的负载，从而使风机的输出功率更平滑和更均衡，提高能量效率。同时，碳纤维叶片更薄，外形设计更有效，叶片更细长，可提高能量的输出效率。
2.4可制造低风速叶片。碳纤维的应用可以减少负载和增加叶片长度，从而制造适合于低风速地区的大直径风叶，使风能成本下降。
2.5可制造自适应叶片。叶片装在发电机的轮上，叶片的角度可调。目前主动型调节风机(active utility-size wind turhines)的设计风速为13 to15m/sec(29 to 33mph)，当风速超过时，则调节风叶斜度来分散超过的风力，防止对风机的损害。斜度控制系统对逐步改变的风速是有效的。但对狂风的反应太慢了，自适应的各向异性叶片可帮助斜度控用系统(thepitch control system)，在突然的、瞬间的和局部的风速改变时保持电流的稳定。自适应叶片充分利用了纤维增强材料的特性，能产生非对称性和各向异性的材料，采用弯曲/扭曲叶片设计，使叶片在强风中旋转时可减少瞬时负载。
2.6利用导电性能避免雷击。利用碳纤维的导电性能，通过特殊的结构设计，可有效地避免雷击对叶片造成的损伤。
2.7降低风力机叶片的制造和运输成本。由于减少了材料的应用，所以纤维和树脂的应用都减少了，叶片变得轻巧，制造和运输成本都会下降。可缩小工厂的规模和运输设备。
2.8具有振动阻尼特性。碳纤维的振动阻尼特性可避免叶片自然频率与塔暂短频率间发生任何共振的可能性。
3.碳纤维应用的主要问题和解决途径
3.1碳纤维应用的缺陷：（1）碳纤维是一种昂贵纤维材料，在碳纤维应用过程中，价格是主要障碍，另外，性价比影响了它在风力发电上的大范围应用。必须当叶片超过一定尺寸后，因为材料用量下降，才能比玻纤叶片便宜。目前采用碳纤维和玻璃纤维共混结构是一种比较好的办法，而且还综合了两种材料的性能。另外一种方法是采用从沥青制造的成本较低的碳纤维，这种碳纤维的价格可以降到5美元/磅的心理价位。（2）CFRP比GFRP更具脆性，一般被认为更趋于疲劳，但是研究表明，只要注意生产质量的控制以及材料和结构的几何条件，就可足以保证长期的耐疲劳。（3）直径较小的碳纤维表面积较大，复合材料成型加工浸润比较困难。由于碳纤维叶片一般采川环氧树脂制造，要通过降低环氧树脂制造的熟度而不降低它的力学性能是比较困难的，这也是一些厂家采用预浸料工艺的原因。此外碳纤维复合材料的性能受工艺眼影响敏感(如铺层方向)，对工艺要求较高。（4）碳纤维复合材料透明性差，难以进行内部检查。但碳纤维在大型叶片中的应用已成为一种不可改变的趋势。目前，全球各大叶片制造商正在从原材料、工艺技术、质量控制等各方面进行深入研究，以求降低成本，使碳纤维能在风力发电上得到更多的应用。
1、在满足强度和刚度要求的情况下减轻重量。根据成分的不同，用复合材料代替金属可使重量减轻10－40％。
2、与传统金属部件相比，疲劳和腐蚀的影响较小。
复合材料种类：
1、玻璃纤维
目前用于高性能复合材料的玻璃纤维主要有高强度玻璃纤维、石英玻璃纤维和高硅氧玻璃纤维等。由于高强度玻璃纤维性价比较高，因此增长率也比较快，年增长率达到10％以上。高强度玻璃纤维复合材料不仅应用在军用方面，近年来民用产品也有广泛应用，如防弹头盔、防弹服、直升飞机机翼、预警机雷达罩、各种高压压力容器、民用飞机直板、体育用品、各类耐高温制品以及近期报道的性能优异的轮胎帘子线等。石英玻璃纤维及高硅氧玻璃纤维属于耐高温的玻璃纤维，是比较理想的耐热防火材料，用其增强酚醛树脂可制成各种结构的耐高温、耐烧蚀的复合材料部件，大量应用于火箭、导弹的防热材料。迄今为止，我国已经实用化的高性能树脂基复合材料用的碳纤维、芳纶纤维、高强度玻璃纤维三大增强纤维中，只有高强度玻璃纤维已达到国际先进水平，且拥有自主知识产权，形成了小规模的产业，现阶段年产可达500吨。
2、碳纤维
碳纤维具有强度高、模量高、耐高温、导电等一系列性能，首先在航空航天领域得到广泛应用，近年来在运动器具和体育用品方面也广泛采用。据预测，土木建筑、交通运输、汽车、能源等领域将会大规模采用工业级碳纤维。1997～2000年间，宇航用碳纤维的年增长率估计为31％，而工业用碳纤维的年增长率估计会达到130％。我国的碳纤维总体水平还比较低，相当于国外七十年代中、末期水平，与国外差距达20年左右。国产碳纤维的主要问题是性能不太稳定且离散系数大、无高性能碳纤维、品种单一、规格不全、连续长度不够、未经表面处理、价格偏高等。
3、芳纶纤维
20世纪80年代以来，荷兰、日本、前苏联也先后开展了芳纶纤维的研制开发工作。日本及俄罗斯的芳纶纤维已投入市场，年增长速度也达到20％左右。芳纶纤维比强度、比模量较高，因此被广泛应用于航空航天领域的高性能复合材料零部件（如火箭发动机壳体、飞机发动机舱、整流罩、方向舵等）、舰船（如航空母舰、核潜艇、游艇、救生艇等）、汽车（如轮胎帘子线、高压软管、摩擦材料、高压气瓶等）以及耐热运输带、体育运动器材等。
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关键词：复合材料异型件；碳纤维预浸布；弦杆；腹杆
中图分类号：TB332 文献标识码：A DOI：10.15913/ki.kjycx.2016.02.088
真空辅助成形（VARI）是一种新型的低成本、高性能的成形工艺，已被应用到了船舶工程中。
1模型结构及其成形方案
1.1模型结构的试验方法
模型的结构形式为“米”字形异型件，弦杆和腹杆均为复合材方管，在方管内填充了Balsa木，弦杆壁厚4mm，腹杆壁厚3mm。选用的复合材料为威海光威生产的碳纤维预浸布，Balsa木的规格为B150，密度为0.15g/cm3。
1.2真空辅助成形的基本原理
真空辅助成形工艺的基本原理为：在真空状态下，排除纤维增强体中的气体，利用树脂的流动、渗透浸渍纤维及其织物，并使其在室温或高温下固化；固化成形后，通过真空气压差对纤维施加一定的正压力，从而形成具有一定比例的复合材料构件。
2真空辅助异型件成形过程中的技术
复合材料异型件结构整体成形过程中主要用到异型件结构整体成形法、弦杆接头成形法、杆件预浸布铺设法和真空辅助成形流道铺设、固化法。
2.1整体成形法
针对复合材料异型件结构特殊的结构形式，提出了分步制作、整体成形的模型制作方法：在木模具上铺设碳纤维预浸布，抽真空固化制作得到U形异型件；在U形异型件内填充Balsa木和预埋金属内芯，Balsa木、接头内芯与U形异型件管壁用结构胶黏结；在成形的U形异型件的杆件和弦杆接头上缠绕碳纤维预浸布，对杆件进行局部补强和整体缠绕加强，并进行预埋接头与杆件的整体固化成形，从而得到模型样件。
2.2接头整体成形法
通过计算得到弦杆接头需要承受的拉压荷载，针对结构、受力的特点设计T形预埋接头内芯。接头的成形方法为：先将接头内芯预埋到弦杆和腹杆中，用木块压实预埋接头，保证预埋接头的内芯与杆件整体呈平面、保持竖直；使用碳纤维预浸布沿弦杆受力方向包裹内芯，使接头内芯与复合材料弦杆整体固化为一体。采用该方案可将预埋接头内芯与杆件连为一体，使各受力部分协同受力，从而提供较大的拉压力。
2.3铺设、缠绕预浸布
整体采用交叉铺设的方法，即一层预浸布全部铺设、缠绕、搭接完成后，再铺设下一层预浸布，并使各层预浸布交叉搭接。在初成形的异型件结构上缠绕、包裹碳纤维预浸布的方法为：将预浸布平铺在异型件表面，预浸布中心线与杆件中心线对齐，顺势将预浸布向两侧腹板平铺，施加一定的张力，并保持表面平整。
2.4真空辅助成形流道铺设、固化法
由于复合材料异型件结构复杂、铺层不规则，为了保证树脂对纤维的充分浸润，并吸走预浸布高温固化时多余的树脂和气泡，按照树脂在纤维中的流动规律、遵循Darcy定律布设了导流网和导流管。Darcy定律为：θ=S•A•P/μ•L.（1）式（1）中：θ为通过恒定面积试件的体积流动速率；S为渗透率，与长度的平方相关的常数；A为试件的横截面积；P为试件的压力梯度；μ为树脂黏度；L为试件液体流动的长度。最终确定的导流设施布置方法为：在缠绕成形的样件前部包裹脱模布和导流网，真空袋包裹所有杆件，并在样件端部布置了1个出胶口，从而吸出多余的树脂；抽真空，压实各折角处的导流网和真空袋，待真空度达到0.08MPa时，缓慢升温至80℃，固化1h后升温至100℃，再固化1h后升温至120℃，并在120℃的环境下保持2h；在固化过程中，应不断地观察固化效果，待树脂完全固化完后缓慢降温，最后脱模得到模型样件。
3外观检测
脱模后应及时观测，成形后杆件的尺寸与设计尺寸基本相符。检测试件外观后发现，样件整体成形效果较好，杆件铺层较密实，但其表面存在一些问题：①弦杆接头处存在纤维褶皱现象；②杆件厚度不一，表面不是平面。这些问题在后期制作实物样件时均会改进。
4结论
本文通过采用真空辅助成形工艺整体制备碳纤维复合材料异型件样件，得出了以下2点结论：①本文提出的分步制作、整体成形、整体制备复合材料异型件模型样件方案经济、方便、可行，证明了真空辅助成形工艺用于制备异型件结构是合理、先进的，为解决军用复合材料异型件结构减重问题提供了低成本的制造方法和技术方案；②从构造和工艺方面出发，本文提出的整体制备拉压接头具有一定的创新性，T形预埋接头内芯构造合理，接头承载效果良好。一些需要改进之处为：①绕杆件缠绕的纤维在真空吸附受压时，纤维会有褶皱、翘曲的现象，这会对杆件和接头性能造成一定的影响。因此，在工艺上应优化纤维的缠绕方法，避免此类问题的发生。②需要对异型件进行加载试验，验证异型件的力学性能，从而有针对性地优化工艺。
参考文献
［1］刘建成，林铸明.复合材料在渡河桥梁中的应用和发展［J］.工兵装备研究，2004（1）.
关键词：复合材料飞机；静电放电；辐射电场；放电能量
中图分类号：TN41,TP33 文献标识码：A 文章编号：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
为保证飞机飞行安全，在20世纪20年代就开始了对飞机静电放电的研究。飞机在飞过云层的过程中，飞机表面和空间粒子摩擦而在飞机表面积累一定量的电荷。随着电荷在飞机表面的积累，机上表面电压将持续升高，当达到机上静电放电起始电压值时便产生静电放电。飞机上主要以电晕放电的形式将机上电荷释放出去。随着这一课题的深入，人们发现电晕放电产生在飞机表面电场强度大的结构尖端，如机翼末端，尾翼尖端等。飞机在飞行中产生静电放电，会对航空航天飞行器及其飞行系统的效能会产生直接影响。
本文主要研究了碳纤维复合材料飞机上静电放电产生的原理，对建立好的复合材料飞机数值模型，运用有限元方法进行数值计算，得出静电放电在飞机表面感应的辐射场。在此基础上，计算出复合材料飞机的电容，估算静电放电的能量，给出机上静电放电能量分布图。这对复合材料飞机的外形设计以及减少静电放电带来的危害具有很大的指导意义。
2 复合材料飞机上ESD的产生
摩擦起电是飞机上最主要的静电积累方式。摩擦静电的积累，与飞机所处的静电摩擦环境和飞机材料的电阻系数有关。当飞机处在飞行时的摩擦环 境中，电荷积累到材料的击穿强度需要很长的一段时间，对于高电阻系数的材料可以积累相当大的电荷。电阻系数越大，电荷积累到一定量值所需的时间就越短。碳纤维复合材料飞机上的静电积累比一般金属飞机上的静电积累要快的多，并且碳纤维复合材料也可以像金属一样保证积累电荷的移动，因此，静电累积在飞机的什么部位与材料无关，静电的积累主要决定于尖端原理。
静电在复合材料飞机表面的积累呈现不均匀分布，主要集中在飞机表面曲率大的部位，如机头位置、机翼尖端和后缘、尾翼尖端部位后缘等结构尖端，这一特性与金属材料类似。与金属材料相比，碳纤维复合材料更容易积累电荷，在指定时间内积累的电量比金属材料要大得多，复合材料飞机上电荷积累到静电放电的时间就越短。所以当飞机结构尖端发生电晕放电时，放电之间的周期要短，各放电电流脉冲之间的时间比金属小。在碳纤维复合材料飞机上，积累的静电荷也可以转移到放电刷放置的位置，以电晕放电的形式释放出去。
复合材料飞机在空中飞行时，与周围空间环境的粒子摩擦，飞机表面带上大量的负电荷。电荷积累到一定程度，带负电的介质飞机上将发生电晕放电。在放电时，电晕针附近的空气中将产生电子和离子电流，促进空气的电离，产生电晕放电电流脉冲。电晕放电期间产生的时变电晕电流脉冲具有双指数形式［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为常数I为电晕电流；Ip为峰值电流值。
与金属相比，复合材料上电晕放电脉冲的上升时间要短，一个放电周期内的脉冲电流上升沿约只有15 ns,脉冲宽度约为180 ns，峰值电流值Ip比金属介质时的Ip要大。频谱范围小于30 MHz,主要集中在10 MHz以内,属宽带干扰，不同极性的电晕脉冲具有相同的频域范围。复合材料飞机电晕放电时的放电电流时域脉冲波形和频域波形分别如图1和图2所示。
图1 电晕放电电流时域脉冲波形图2 电晕放电电流频域波形3 复合材料飞机上ESD数值模型的建立及计算
3.1 复合材料飞机ESD建模