碳纤维复合材料范文精选

摘 要：本文概述了碳纤维复合材料的发展和性能，简要介绍了碳纤维复合材料在土木工程、航空航天、石油工业等方面的应用情况。

关键词：碳纤维；复合材料；应用

0 前言

碳纤维复合材料自20世纪50年代面世以来，以其独特的性能，主要用于火箭、航天、航空等尖端科学技术，随着碳纤维复合材料性能的不断完善和提高，目前在土木工程、航空航天、石油化工、交通运输、体育产品等领域得到广泛应用。

1 碳纤维复合材料的性能

碳纤维是由碳元素组成的特种纤维，其含碳量一般在90%以上。碳纤维材料有其独特的性能，包括：强度高，是钢铁的5倍；耐热性好，可以承受2000℃以上的高温；密度小，是钢铁的1/5；热膨胀系数低，在温差变化较大的情况下，变形量较低；抗热冲击性能也很好；耐腐蚀性能好，能耐硫酸等强酸的腐蚀；抗拉强度好，能达到钢的7～9倍。

2 碳纤维复合材料的应用

2.1 土木建筑领域的应用

摘要：从碳纤维纺丝、预氧化、碳化、复合成型和回收利用等方面概述碳纤维及复合材料产业链技术现状，分析碳纤维及复合材料市场现状以及在国防航空、交通工具、风力发电、运动休闲、土木建筑等领域的应用前景，指出中国碳纤维产业发展存在的问题及建议。

关键词：聚丙烯腈；碳纤维；复合材料

中图分类号：TQ342+.74 文献标志码：A

Current Situation of the Carbon Fiber and Related Composites Industry

Abstract： By discussing the spinning， pre-oxidation， carbonization， compounding and recycling technologies for making carbon fiber and related composites， the paper discussed the present situation of technological development in the field of carbon fiber and related composites； analyzed the market situation of such products and their application prospects in aerospace， national defense， wind turbine， sport and leisure， transportation vehicles， civil-engineering， etc. It also pointed out some problems existing in China’s carbon fiber industry and gave related solutions.

Key words： polyacrylonitrile； carbon fiber； composites

碳纤维分为PAN基碳纤维、粘胶基碳纤维和沥青基碳纤维，其中PAN基碳纤维市场占有率超过90%，其生产流程包括纤维纺丝，预氧化、碳化，复合成型和回收利用等流程。

1 碳纤维及复合材料生产技术现状

摘要：碳纤维增强热塑性树脂基复合材料的应用范围进一步扩大，不难看出，这种材料因其较好的综合性能远远超越了单一组合的材料模式。本文试图对碳纤维增强热塑性树脂基复合材料的力学性能进行深入的研究。本文使用了简单概述，也采用了重点分析的研究策略，梳理了对研究对象的概述和主要的性能特点。

关键词：碳纤维；复合材料；力学性能

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

摘要：水泥类材料因其脆性大、抗拉强度和抗弯强度低，在某些应用范围中有所限制。然而在水泥基体中加入碳纤维则可以很好的改善水泥基复合材料的力学性能。实践也证明，碳纤维本身具有强度高，模量大，导电性好等优良性能，可作为水泥基复合材料的增强体。本文主要讲述了碳纤维的发展状况、性质、力学性能的改善和增强机理，以及目前国内碳纤维研究中存在的一些问题，为碳纤维增强水泥基复合材料在实际工程中的推广应用提供参考。

关键词：碳纤维水泥性能机理

中图分类号： TV42 文献标识码： A

0 引言

增强体在复合材料中起着增加强度、改善性能的作用，对复合材料的开发有着至关重要的影响。纤维作为有效的增强材料已被实践所证明，碳纤维作为最重要的纤维增强材料，具有高强度、高比模量等优良性能。尽管在价格方面相对较高，但近年经研究改进，提高了冲击韧性及热稳定性，价格也有明显降低，引起了世界各国的高度重视[1]。通过在水泥中掺入纤维来改善水泥力学性能已经发展成为水泥科学的重要领域。水泥中可以掺加钢纤维、聚丙烯纤维、秸秆纤维等，而碳纤维则以其特殊的优良性能得以脱颖而出。本文就碳纤维增强水泥基复合材料的发展概况、力学性能及增强机理方面做了一些研究和介绍，以便于更好的在工程中大规模推广使用[2]。

1 碳纤维性质及发展

碳纤维的开发历史可追溯到19世纪末，1959年美国联合碳化公司以粘胶纤维为原丝制成纤维素基碳纤维。之后，日本、英国等国家也相继研究出了新型的碳纤维，并逐渐应用于航空航天等领域。1997年至2000年，碳纤维的需求量随新应用领域的开发而成倍增长[3]，日本和美国是既是最大的碳纤维生产国也是最大的消费国。目前各国都在降低碳纤维成本、开发配套生产机制及拓展市场方面做努力，今后碳纤维及其复合材料会更加高速稳定发展。但国内的情况却不容乐观，当前碳纤维的研制与生产水平还较低，与国外差距甚大，尚须做大量的实验研究[4]。

人们很早就研究、开发了钢筋、石棉及合成纤维等增强材料，但是它们都存在各种的缺陷。而碳纤维则具有超高的抗拉强度和弹性模量、化学性质稳定、与水泥基复合材料粘结良好等优点。水泥用碳纤维均匀分散后，在承受负荷时表面不再产生肉眼可见的龟裂，其拉伸强度和弯曲强度、弯曲韧性提高了几倍，其耐冲击性也得到了改善[5]。但是碳纤维价格昂贵，最近几年开发的短切碳纤维已使它们的价格大为下降，但是其价格仍然很高，限制了其应用。

《新材料产业杂志》2014年第八期

一、碳纤维复合材料的回收方法

1.高温热解法热解法是当今唯一已经实现商业化运营的碳纤维增强复合材料的回收方法，这种工艺是在高温下使复合材料进行降解，以得到表面干净的碳纤维，同时还可以回收部分有机液体燃料。日本在福冈县兴建的中试厂，每年可处理碳纤维复合材料废弃物60t。意大利的Karborek等开发了一种在加热过程中碳纤维不会被碳化的工艺技术，可得到的比原始纤维长度较短的碳纤维[4]。从2003年，英国的MilledCarbonFiberLtd.开始回收加工碳纤维复合材料，是全球首家商业运营的专业回收公司。他们利用一套长达37m的热分解设备，每年大约可处理2000t的废弃碳纤维复合材料，所生产的再生碳纤维的产量为1200t。其处理方法是在无氧状态下加热碳纤维复合材料废弃物，保持温度在400～500℃之间，得到的清洁碳纤维可具有90%～95%原始纤维的力学性能，同时分解出的热解气或热解油也可用作热分解的加热能量[5]。美国AdherentTechnologiesInc(ATI)发明了一种低温、低压的碳纤维复合材料热分解工艺，检测表明，用这种方法回收并处理后碳纤维的表面基本上没有受到损伤，碳纤维强度比原始纤维降低约为9%左右[6]。丹麦的ReFiber公司通过在无氧环境条件下，在温度为500℃的旋转炉中将碳纤维复合材料气化，成功地用高温热解法回收了复合材料风机叶片。德国的KarlMeyer再生材料公司开发的一种在加热炉中通入保护气体用以隔绝氧气的新工艺，可使碳纤维复合材料分解后碳纤维基本没有受到损伤。在这项工艺的研究中，该公司得到了陶氏化学公司和众多研究所的技术支持和帮助，目前研制成功的试验装置已经正式投入了营运[7]。值得注意的是，采用高温热解法虽然可以得到比较干净、长度较短的碳纤维，同时分解的复合材料的产物还可用作燃料或其他用途，但是碳纤维由于受到高温和表面氧化等作用，碳纤维的力学性能降低的幅度比较大，这将使碳纤维的再利用受到一定的影响。

2.流化床热分解法流化床热分解法是一种采用高温的空气热流对碳纤维复合材料进行高温热分解的碳纤维回收方法，通常这种工艺还采用旋风分离器来获得填料颗粒和表面干净的碳纤维。英国诺丁汉大学对于流化床热分解工艺方法进行了系统研究，结果表明这种方法特别适用于那些含有其他混合物及污染物碳纤维复合材料报废零部件的回收和利用[8]。Jiang等研究了在流化温度500℃、流化速率1m/s、流化时间10min试验条件下得到回收纤维的表面特征，表面分析表明，碳纤维原始表面上的羟基(-OH)转变为氧化程度更高些的羰基(-C=O）和羧基（-COOH)，但其表面的氧/碳不变，而且碳纤维表面这种变化不影响回收纤维和环氧树脂之间的界面剪切强度[9]。Yip等用温度450℃的流化热流，其速率为lm/s、流化床上砂粒的平均粒度为0.85mm的条件下，对碳纤维复合材料进行热分解试验，回收得到的碳纤维长度为5.9～9.5mm。试验表明，回收纤维的拉伸强度约为原纤维的75%，而弹性模量基本上没有变化，因而回收得到的碳纤维可部分或全部取代原始短切碳纤维；并且原始碳纤维长度越长，回收得到的碳纤维的长度也越长[10]。大量的试验研究结果表明，流化床热分解造成碳纤维拉伸强度降低的主要影响因素是砂粒对纤维表面由于摩擦作用造成了一定的损伤，而且碳纤维与旋风分离器壁的摩擦也造成了碳纤维表面的破坏。因此，虽然用流化床分解法回收可得到比较干净的碳纤维，但由于这种工艺受高温、砂粒磨损等影响，导致了碳纤维长度变短和碳纤维力学性能下降，因而也将影响所回收碳纤维的实际应用范围。

3.超/亚临界流体法当液体的温度及压力处于临界点或临界点的附近时，液体的相对密度、溶解度、热容量、介电常数及化学活性等各种性质都将会发生急剧的变化，从而使液体具有很高的活性、极强的溶解性、特异的流动性、渗透性、扩散性等性质，人们正是利用超/亚临界液体的这些特性，利用它们具有对于高分子材料的独特溶解性能来分解碳纤维复合材料，在期待能最大限度地保留碳纤维的原始性能的前提下，获得到干净的碳纤维。PineroHemanzR等研究了在超临界水中碳纤维增强环氧树脂复合材料的分解过程。试验表明，在673K、28MPa下经30min反应，环氧树脂的分解率为79.3％，当加入氢氧化钾（KOH）催化剂，环氧树脂的分解率达到95.3％，而且所得到的碳纤维的拉伸强度能够保持为原始纤维的90％～98%[11]。XiuFR等在在固体与液体比例为1∶10～1∶30g/mL的条件下，经过在温度300～420℃时分别反应30～120min后，研究了废弃印刷电路板在超临界甲醇中的分解机理。试验结果分析表明，上述条件下分解的主要产物为含苯酚和甲基苯酚衍生物，并且发现当反应的温度提高时，甲基苯酚衍生物的含量有所增加[12]。Liu等系统地研究了温度、压力、时间、催化剂及树脂与水的比例这些因素对于复合材料分解的影响，表明原材料与水的比例对环氧树脂的分解影响不大，而对于分解影响比较大的因素是分解反应的温度、时间和压力。同时，试验结果还表明，当原料比为1g复合材料∶5mL水时，在温度为290℃、经过75min反应后，环氧树脂的分解率可高达到100%[13]。Bai等研究了在30±1MPa和440±10℃条件下，氧化的超临界水对碳纤维增强环氧树脂的分解过程，结果表明在树脂的分解率为85%时，碳纤维的表面上仍然有少量的环氧树脂存在；而当树脂的分解率达到96%时，在碳纤维的表面上已经基本上没有树脂的残留。所获得的碳纤维力学性能测试表明，随着树脂分解率增加，碳纤维的拉伸强度也进一步下降，分析认为这是由于回收的碳纤维的表面发生了过度氧化所致[14]。日本的Okajima等在400℃、20MPa、45min的试验条件下，用2.5%碳酸钾(KCO3)作催化剂，在超临界状态下环氧树脂的分解率为70.9%，而且得到的碳纤维的拉伸强度比原始纤维下降了15%[15]。英国诺丁汉大学的Pickering研究团队在超临界状态下研究了水、二氧化碳，甲醇、乙醇、丙醇和丙酮等多种溶剂对于碳纤维复合材料的分解作用，结果表明丙醇的溶解作用最好。试验结果表明，用超临界丙醇回收的碳纤维的拉伸强度和刚度的是原始纤维99%；同时，研究还表明，甲醇和乙醇对聚酯类树脂的溶解效果比较好，而对环氧树脂的溶解效果比较差，而丙醇可很好地分解环氧树脂复合材料[16]。我国哈尔滨工业大学的白永平等在超临界水中通过添加氧气，使分解速度大大提高，而且回收得到的碳纤维的强度几乎没有下降[17]。

二、CFRP的回收存在的主要问题

由于热固性塑料经过固化处理后，其内部交联成一种网状结构的稳定状态，因而具有了不溶于各种溶剂，在加热过程中也不会熔化的特性，长期放置或掩埋也不会分解。因此，热固性复合材料废弃物的回收早在20世纪90年代初就已经受到学术界和工业界的高度关注，然而到目前为止，虽然有一些工艺和设备已经投入生产应用，但大部分的研究还处于试验阶段。从国内外目前碳纤维回收技术来看，碳纤维复合材料的回收原料主要以生产废料和损坏或淘汰的复合材料零部件等，因而对于不同种类的碳纤维复合材料废料分类回收还没有系统化；当前大量采用的热融化树脂制取碳纤维丝束，导致碳纤维性能大大降低，其性能和价格在市场上没有竞争力；其他一些方法虽然可将碳纤维从复合材料中分离出来，但由于纤维变短和性能下降，同时还会产生环境污染，因而还有待进一步研究与完善[18]。近年来，各工业大国都在进行碳纤维复合材料废弃物的回收与再利用研究，以开发出高效、经济和可行的碳纤维回收利用技术，主要研究集中在粉碎碳纤维增强塑料、热分解碳纤维复合材料、催化分解碳纤维复合材料、流化床回收碳纤维复合材料等回收工艺技术和再利用技术。如康隆(Cannon)公司参与了欧洲一个碳纤维回收再循环利用的项目，用回收的碳纤维绒毛或碳纤维毡加工复合材料部件，由于这些回收再利用碳纤维大约是原生材料价格的一半左右，而且其力学性能可达到全用新碳纤维制造部件的85%，因而经济效益非常可观。

最近,德国的KarlMeyer再生材料公司在特殊的加热炉中采用保护气体的装置回收碳纤维，所得到的碳纤维在外观上与新碳纤维差别不很大，但纤维的长度比较短，而且强度也有所下降，由于其价格比新碳纤维低廉，因而可以用机内饰或其他的复合材料部件。另据报道，波音787梦想飞机将用50%碳纤维材料制造，宝马2款新车型的客舱用碳纤维制成，为此2公司签订了碳纤维复合材料回收利用研究的技术协议。再如，美国诺丁汉大学和波音公司计划每年投资100万美元，共同研究所有复合材料回收利用技术，主要进行碳纤维回收工艺研究过程、回收碳纤维重新应用等[19]。但到目前为止，这些开发工作还没有进入实质性的研制阶段，因而真正实现产业化回收和利用还尚需时日。碳纤维复合材料的回收和再利用具有多方面的经济效益，碳纤维回收和再利用不仅可以实现高价值材料的再利用，而且碳纤维复合材料部件回收和再利用可大大减少能源消耗和环境污染。但是，目前碳纤维复合材料回收和再利用仍面临着许多问题，如碳纤维复合材料废弃物的收集和分类比较困难；废弃物回收和再利用的工艺技术还不十分成熟，大多数新研制的工艺技术仍停留在实验室阶段，最终实现商业化生产还需要做很多工作；目前虽然已建有回收碳纤维复合材料的公司并可生产再生碳纤维，但再生碳纤维的利用还受到各种因素的限制，如其力学性能不稳定就难以为用户接受，也难以在要求性能较高的零部件上应用。

[摘要]本文着重介绍了碳纤维复合材料的显著特性，基于其强度高重量轻等优越特性而发展迅速，被广泛应用于航空航天、土木建筑，体育及生活等领域。

[关键词]碳纤维复合材料；特性；应用

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；

[摘 要]碳纤维复合材料是一种新型复合材料，具有十分广泛应用领域，作为加固增强材料在桥梁上的使用能大大延长桥梁使用寿命，节省资金。本文通过对碳纤维复合材料在桥梁上的应用原因及途径的探讨，推动碳纤维复合材料在桥梁结构中的规模化应用，为我国碳纤维复合材料产业持续健康发展和交通工业的转型升级做出有益的实践。

[关键词]碳纤维复合材料 桥梁 应用

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。

摘 要：本文针对国内井盖研究发展情况和市政道路中常出现的城市“黑洞”问题，阐述了井盖的发展现状，结合碳纤维混凝土加固的国内外发展和使用情况，提出碳纤维复合材料的新型井盖研发思路，具有一定研发推广价值，此技术可以从根本上杜绝井盖被盗的问题。

关键词：碳纤维；复合材料；井盖

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]。

【摘要】制孔质量是导致碳纤维复合材料产品报废的重要因素。本文从机械加工的角度，论述了碳纤维复材产品制孔工艺过程中的主要缺陷及其形成机理。为解决这些缺陷，根据其形成机理，设计了相关对比工艺试验。在试验验证的基础上，提出了碳纤维复合材料高质量制孔的工艺参数。

【关键词】碳纤维复合材料;钻孔;孔缺陷;工艺参数

由于复合材料具有比强度高、比刚度大、可设计性强及良好的抗疲劳性能和耐腐蚀性等其他传统材料不可比拟的优越性质，因此在航空领域得到广泛应用。复合材料在飞机上的用量和应用部位已成为衡量飞机结构先进性的重要指标之一。图1为国外复合材料在大飞机的应用状况，从中可以看出复合材料在飞机上的应用与日俱增，以波音787为例，其复合材料构件重量约占全机结构重量的50%。目前复合材料不仅在大飞机制造上得到广泛应用，而且在各型号无人机制造上的应用也呈快速增长趋势。

图1 国外大飞机复合材料用量示意图

复合材料成型后，多数情况下尚须进行一定的机械加工，以满足装配、连接等要求。可以认为，机械加工是复合材料制件的最后工序。其质量的好坏，直接关系到复合材料制件，以致整个飞机的质量。连接孔的加工质量直接关系到飞机的装配质量和飞机寿命。且通常孔的加工数量庞大，例如一架F-16战斗机有24万多个连接孔，一架波音747飞机有300多万个连接孔。美国最先进的F-22战斗机在研制过程中就将复合材料制孔作为一项关键性制造技术进行攻关。

由于复合材料与传统材料的特点不同，它是由纤维和基体组成的二相或多相结构，是非均质和各向异性的，且碳纤维的硬度很高，所以复合材料的机械加工与金属材料有着本质的区别，因此不能将加工传统材料的经验和知识直接应用于复合材料的加工，如在复合材料制孔时采用传统的钻削金属的方法将产生较多的问题。

碳纤维复合材料的孔加工质量是生产中一个极其重要的问题，制孔时任何质量问题都会形成产品的缺陷，导致零件报废。据统计，飞机在最后组装时，制孔不合格率要占全部复合材料零件报废率的60%以上。

本文从机械加工的工艺角度，论述了碳纤维复合材料孔加工过程中的主要缺陷，针对这些缺陷，作者设计了相关工艺实验方案，并进行了对比试验，在此基础上提出基于碳纤维复合材料高质量制孔的工艺参数。

摘 要：节能、环保和安全是汽车工业的发展方向，汽车轻量化是实现节能减排的重要手段。碳纤维复合材料的比强度和比模量高，密度仅为钢的1/5左右，在等刚度和或等强度下，碳纤维复合材料比钢可减重50%以上，比镁铝合金可减重30%左右，具有独特的轻量化效果，是实现汽车轻量化的理想材料。以汽车B柱为研究对象，基于经典层合板理论，采用 ABAQUS分析研究了碳纤维复合材料B柱的碰撞性能。研究结果表明，与金属材料汽车B柱相比碳纤维复合材料汽车B柱重量降低约33%，达到了较好的轻量化效果。同时碳纤维复合材料汽车B柱入侵量与吸能比金属材料小。

关键词：轻量化；碳纤维复合材料；性能；汽车B柱

1 概述

近年来，我国汽车工业得到了快速的发展，汽车产销量位居世界第一，汽车工业已成为我国经济发展的支柱产业。汽车给我们的出行带来了便利，但也造成了环境污染等问题。在全球温室效应、能源危机和环境污染等日益严重的情况下，节能与环保成为摆在世界各国面前最重要的命题[1]。目前，汽车行业面临的挑战是，为了汽车工业的可持续发展，必须减少环境污染、节约资源。为应对挑战各国都开始研究和开发新能源汽车，就现阶段技术而言，汽车轻量化是实现降低油耗和减少排放的有效途径。有试验表明，汽车总体重量减轻10%，可提高6%-8%的燃油效率。降低1%汽车重量可降低0.7%的油耗[2]。由此可见汽车轻量化对于节能与环保有显著效果，使其成为我国汽车行业大力发展的趋势。对于乘用车来说，车身占整车质量的40%-60%[3]，对于汽车油耗来说，约70%的油耗是用在了车身质量上，因而车身的轻量化对于整车的节能、减排具有更为显著的作用。

2 碳纤维复合材料汽车B柱模型建立

文章采用等代设计方法建立碳纤维复合材料汽车B柱模型，通过Hypermesh对B柱模型完成几何清理并采用四面体单元划分网格，网格大小10mm。将画好网格的B柱导入ABAQUS进行碰撞分析。

碳纤维复合材料B柱铺层方式为[0/45/90/-45]，铺层层数为18层，每层厚度0.33mm。复合材料单向层合板的力学性能如表1所示。其中p为密度，E1、E2分别为单向层合板的纵向、横向弹性模量，u12为泊松比，G12为剪切模量，Xt、Xc为纵向拉伸、压缩强度，Yt、Yc为横向拉伸、压缩强度，S为剪切强度。

3 碳纤维复合材料汽车B柱性能分析