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碳纖維的特點(diǎn)
發(fā)布時(shí)間：2017-08-04 15:21:43點(diǎn)擊率：
碳纖維在土木建筑中形成五大應(yīng)用熱點(diǎn) 碳纖維及其復(fù)合材料是伴隨著軍工事業(yè)的發(fā)展而成長(zhǎng)起來的新型材料，屬于高新技術(shù)產(chǎn)品，具有高比強(qiáng)度，高比模量，耐高溫，耐腐蝕，耐疲勞，抗蠕變、導(dǎo)電、傳熱和熱膨脹系數(shù)小等一系列優(yōu)異性能，它既可作為結(jié)構(gòu)材料承載負(fù)荷，又可作為功能材料發(fā)揮作用。因此其近年來發(fā)展十分迅速，在航空、航天、汽車、環(huán)境工程、化工、能源、交通、建筑、電子、運(yùn)動(dòng)器材等眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 在土木建材領(lǐng)域中，水泥的用量最大，但水泥有脆性大、抗拉強(qiáng)度低等缺點(diǎn)。為了改善這些弊端，人們利用碳纖維的力學(xué)特性，用混凝土或水泥做基體制成碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。由于碳纖維和芳綸纖維等其有強(qiáng)度高、模量大、比重小、耐堿腐蝕，對(duì)人畜無害等特點(diǎn)，在土木建筑應(yīng)用中日益受到人們的青睞。目前，形成五大應(yīng)用熱點(diǎn)。 一、碳纖維增強(qiáng)混凝土。碳纖維增強(qiáng)混凝土指的是短纖維或長(zhǎng)纖維增強(qiáng)的混凝土材料。它主要用作高層建筑的外墻墻板。碳纖維增強(qiáng)混凝土的主要特征為；具有普通增強(qiáng)型混凝土所不具備的優(yōu)良機(jī)械性能、防水滲透性能、耐自然溫差性能，在強(qiáng)堿環(huán)境下具有穩(wěn)定的化學(xué)性能、持久的機(jī)械強(qiáng)度和尺寸的穩(wěn)定性。用碳纖維取代鋼筋，可消除鋼筋混凝土的鹽水降解和劣化作用，使建筑構(gòu)件重量減輕，安裝施工方便，縮短建筑工期。碳纖維還具有震動(dòng)阻尼特性，可吸收震動(dòng)波，使防地震能力和抗彎強(qiáng)度提高十幾倍。短切碳纖維增強(qiáng)水泥所用碳纖維的長(zhǎng)度為3、6mm，細(xì)度或?qū)挾确秶?/span>7～20m，抗拉強(qiáng)度范圍在0.5～0.8GPa。
二、復(fù)合材料棒材。建材工業(yè)中最廣泛使用的結(jié)構(gòu)材料有鋼材和中碳鋼增強(qiáng)混凝土，鋼材的腐蝕會(huì)導(dǎo)致建筑物的災(zāi)難性破壞。碳纖維樹脂基復(fù)合材料棒材便成為人們開發(fā)出替代建材用鋼材的新型高性能建材的重要品種。混凝土增強(qiáng)用碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料棒材最近在美國已經(jīng)商品化。復(fù)合材料棒材不腐蝕、不導(dǎo)電，重量是鋼材的1/4，熱膨脹系數(shù)與鋼材比較更接近混凝土，價(jià)格大約比環(huán)氧涂覆保護(hù)的鋼材貴20％左右。使用復(fù)合材料棒材增強(qiáng)比使用中碳元鋼增強(qiáng)，其彎曲強(qiáng)度增加％％。復(fù)合材斜棒材和水泥的粘結(jié)強(qiáng)度比元鋼和水泥的粘結(jié)強(qiáng)度高約50~O％。因此它可以在海堤、造紙廠、化工廠、高速公路護(hù)欄、房屋地基和橋梁等易腐蝕場(chǎng)合使用。
三、纖維增強(qiáng)膠接層板。纖維增強(qiáng)膠接層板是在木板的一面或二面膠粘一層或二層纖維增強(qiáng)膠接層板，以承受拉伸或壓縮載荷。纖維增強(qiáng)膠接層板制造技術(shù)的關(guān)鍵是纖維增強(qiáng)層板和木板之問的應(yīng)變匹配。纖維增強(qiáng)膠接層板表面的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層板具有良好的阻燃性能，一般采用拉擠工藝制備。所使用的增強(qiáng)材料為混雜的碳纖維和其它纖維（玻璃纖維），基體為環(huán)氧樹脂體系。由于使用纖維增強(qiáng)膠接層板比使用鋼桁架的天花板系統(tǒng)價(jià)格低8％，比使用傳統(tǒng)木桁架價(jià)格低25％，以及可明顯減少重量和減少木材的需求，纖維增強(qiáng)膠接層板目前發(fā)展很快，應(yīng)用日趨廣泛。
四、碳纖維復(fù)合材料片。碳纖維復(fù)合材料片是采用常溫固化的熱固性樹脂（通常是環(huán)氧樹脂）將定向排列的碳纖維束粘結(jié)起來制成的薄片。把這種薄片按照設(shè)計(jì)要求，貼在結(jié)構(gòu)物被加固的部位，充分發(fā)揮碳纖維的高拉伸模量和高拉伸強(qiáng)度的作用，來修補(bǔ)加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物。日本、美國、英國將該材料用于加固震后受損的鋼筋混凝土橋板，增強(qiáng)石油平臺(tái)壁及耐沖擊性能的許多工程上，獲得了突破性進(jìn)展。碳纖維復(fù)合材料片具有輕質(zhì)（比重是鐵的1/4～1/5），拉伸模量比鋼高10倍以上，耐腐蝕性能優(yōu)異，可以手糊，工藝性好等優(yōu)點(diǎn)。因此，碳纖維復(fù)合材料片在修補(bǔ)加固已劣化的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物（約束裂紋發(fā)展、防止混凝土削落）和提高結(jié)構(gòu)物耐力以及對(duì)用舊標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)建成的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物的補(bǔ)強(qiáng)、加固應(yīng)用將越來越多。
五、其它應(yīng)用。短碳纖維還可以以下幾種形式應(yīng)用于土木建筑領(lǐng)域：①制作簾墻板（非承重墻），是一種具有優(yōu)良耐老化性和突出機(jī)械特性的輕量板，可應(yīng)用于高層建筑和海邊耐腐蝕建筑。②防水房頂涂層，將碳纖維水泥混合物用于涂覆平坦的房頂，作為耐風(fēng)化和不透水的表面，且此涂層表面外觀優(yōu)美。③電磁屏蔽板和導(dǎo)電板，由于碳纖維的高導(dǎo)電性，可消除來自大氣的放電和雷擊的靜電。④墻和防腐蝕涂層、耐磨鋪地材料、耐化學(xué)腐蝕性地板。 碳纖維在土木建筑領(lǐng)域的應(yīng)用還是一個(gè)新的技術(shù)。過去因碳纖維的價(jià)格高、產(chǎn)量少，在航空航天領(lǐng)域以外的應(yīng)用有一定難度，但近年來碳纖維的應(yīng)用越來越多，并隨產(chǎn)量的增加而使成本下降。與傳統(tǒng)方式相比，在土木建筑領(lǐng)域中應(yīng)用碳纖維，雖然纖維強(qiáng)化材料的價(jià)格較高，但綜合材料成本、施工成本、使用成本，就比較相近了；在施工結(jié)果的防腐性、輕量化方面，纖維增強(qiáng)材料更好，這樣就拓展了高性能纖維的應(yīng)用領(lǐng)域. 碳纖維的優(yōu)點(diǎn) 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、耐磨擦、導(dǎo)電、導(dǎo)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，沿纖維軸方向等表現(xiàn)出很高的強(qiáng)度。碳纖維比重小，因此有很高的比強(qiáng)度。 碳纖維是由于含碳量較高，在熱處理過程中不熔融的人造化學(xué)纖維，經(jīng)熱穩(wěn)定氧化處理、碳化處理及石墨化等工藝精制而成的。
碳纖維的主要用途是與樹脂、金屬、陶瓷等基體復(fù)合，做成結(jié)構(gòu)材料。碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，其比強(qiáng)度、比模量綜合指標(biāo)，在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)材料中是最高的。在強(qiáng)度、剛度、重量、疲勞特性等有嚴(yán)格要求的領(lǐng)域，在要求高溫、化學(xué)穩(wěn)定性高的場(chǎng)合，碳纖維復(fù)合材料都頗具優(yōu)勢(shì)。 優(yōu)點(diǎn)： 1.材料質(zhì)輕高強(qiáng)：抗拉強(qiáng)度3200～4000MPa，為同截面鋼材的10倍以上，比重2.0~3.0g/cm3，單層厚度0.112～0.167mm，用粘結(jié)劑將它與結(jié)構(gòu)物粘貼后形成一體，厚度僅為2mm左右，不用預(yù)加工，施工方便，不用加壓和起重，并且在提高構(gòu)件靜荷載、動(dòng)荷載、構(gòu)件剛度、構(gòu)件的抗蠕變和構(gòu)件的耐久性上都有突出的的效果。基本上不增加構(gòu)件截面，而結(jié)構(gòu)物自重的增加幾乎可以忽略，能可靠地保證與原鋼筋混凝土構(gòu)件共同工作，獲得優(yōu)異的補(bǔ)強(qiáng)效果；在建筑結(jié)構(gòu)加固上得到了普遍的應(yīng)用。 2.施工便捷：占用場(chǎng)地少，不需大型機(jī)具，沒有濕作業(yè)，無需動(dòng)火，無需現(xiàn)場(chǎng)固定設(shè)施，施工工效高。 3.高耐久性：不會(huì)生銹，非常適合高酸、堿、鹽及大氣腐蝕環(huán)境中使用，還具有抗疲勞強(qiáng)度高，耐磨損、抗老化等優(yōu)點(diǎn)。
二、復(fù)合材料棒材。建材工業(yè)中最廣泛使用的結(jié)構(gòu)材料有鋼材和中碳鋼增強(qiáng)混凝土，鋼材的腐蝕會(huì)導(dǎo)致建筑物的災(zāi)難性破壞。碳纖維樹脂基復(fù)合材料棒材便成為人們開發(fā)出替代建材用鋼材的新型高性能建材的重要品種。混凝土增強(qiáng)用碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料棒材最近在美國已經(jīng)商品化。復(fù)合材料棒材不腐蝕、不導(dǎo)電，重量是鋼材的1/4，熱膨脹系數(shù)與鋼材比較更接近混凝土，價(jià)格大約比環(huán)氧涂覆保護(hù)的鋼材貴20％左右。使用復(fù)合材料棒材增強(qiáng)比使用中碳元鋼增強(qiáng)，其彎曲強(qiáng)度增加％％。復(fù)合材斜棒材和水泥的粘結(jié)強(qiáng)度比元鋼和水泥的粘結(jié)強(qiáng)度高約50~O％。因此它可以在海堤、造紙廠、化工廠、高速公路護(hù)欄、房屋地基和橋梁等易腐蝕場(chǎng)合使用。
三、纖維增強(qiáng)膠接層板。纖維增強(qiáng)膠接層板是在木板的一面或二面膠粘一層或二層纖維增強(qiáng)膠接層板，以承受拉伸或壓縮載荷。纖維增強(qiáng)膠接層板制造技術(shù)的關(guān)鍵是纖維增強(qiáng)層板和木板之問的應(yīng)變匹配。纖維增強(qiáng)膠接層板表面的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層板具有良好的阻燃性能，一般采用拉擠工藝制備。所使用的增強(qiáng)材料為混雜的碳纖維和其它纖維（玻璃纖維），基體為環(huán)氧樹脂體系。由于使用纖維增強(qiáng)膠接層板比使用鋼桁架的天花板系統(tǒng)價(jià)格低8％，比使用傳統(tǒng)木桁架價(jià)格低25％，以及可明顯減少重量和減少木材的需求，纖維增強(qiáng)膠接層板目前發(fā)展很快，應(yīng)用日趨廣泛。
四、碳纖維復(fù)合材料片。碳纖維復(fù)合材料片是采用常溫固化的熱固性樹脂（通常是環(huán)氧樹脂）將定向排列的碳纖維束粘結(jié)起來制成的薄片。把這種薄片按照設(shè)計(jì)要求，貼在結(jié)構(gòu)物被加固的部位，充分發(fā)揮碳纖維的高拉伸模量和高拉伸強(qiáng)度的作用，來修補(bǔ)加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物。日本、美國、英國將該材料用于加固震后受損的鋼筋混凝土橋板，增強(qiáng)石油平臺(tái)壁及耐沖擊性能的許多工程上，獲得了突破性進(jìn)展。碳纖維復(fù)合材料片具有輕質(zhì)（比重是鐵的1/4～1/5），拉伸模量比鋼高10倍以上，耐腐蝕性能優(yōu)異，可以手糊，工藝性好等優(yōu)點(diǎn)。因此，碳纖維復(fù)合材料片在修補(bǔ)加固已劣化的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物（約束裂紋發(fā)展、防止混凝土削落）和提高結(jié)構(gòu)物耐力以及對(duì)用舊標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)建成的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物的補(bǔ)強(qiáng)、加固應(yīng)用將越來越多。
五、其它應(yīng)用。短碳纖維還可以以下幾種形式應(yīng)用于土木建筑領(lǐng)域：①制作簾墻板（非承重墻），是一種具有優(yōu)良耐老化性和突出機(jī)械特性的輕量板，可應(yīng)用于高層建筑和海邊耐腐蝕建筑。②防水房頂涂層，將碳纖維水泥混合物用于涂覆平坦的房頂，作為耐風(fēng)化和不透水的表面，且此涂層表面外觀優(yōu)美。③電磁屏蔽板和導(dǎo)電板，由于碳纖維的高導(dǎo)電性，可消除來自大氣的放電和雷擊的靜電。④墻和防腐蝕涂層、耐磨鋪地材料、耐化學(xué)腐蝕性地板。 碳纖維在土木建筑領(lǐng)域的應(yīng)用還是一個(gè)新的技術(shù)。過去因碳纖維的價(jià)格高、產(chǎn)量少，在航空航天領(lǐng)域以外的應(yīng)用有一定難度，但近年來碳纖維的應(yīng)用越來越多，并隨產(chǎn)量的增加而使成本下降。與傳統(tǒng)方式相比，在土木建筑領(lǐng)域中應(yīng)用碳纖維，雖然纖維強(qiáng)化材料的價(jià)格較高，但綜合材料成本、施工成本、使用成本，就比較相近了；在施工結(jié)果的防腐性、輕量化方面，纖維增強(qiáng)材料更好，這樣就拓展了高性能纖維的應(yīng)用領(lǐng)域. 碳纖維的優(yōu)點(diǎn) 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、耐磨擦、導(dǎo)電、導(dǎo)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，沿纖維軸方向等表現(xiàn)出很高的強(qiáng)度。碳纖維比重小，因此有很高的比強(qiáng)度。 碳纖維是由于含碳量較高，在熱處理過程中不熔融的人造化學(xué)纖維，經(jīng)熱穩(wěn)定氧化處理、碳化處理及石墨化等工藝精制而成的。
碳纖維的主要用途是與樹脂、金屬、陶瓷等基體復(fù)合，做成結(jié)構(gòu)材料。碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，其比強(qiáng)度、比模量綜合指標(biāo)，在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)材料中是最高的。在強(qiáng)度、剛度、重量、疲勞特性等有嚴(yán)格要求的領(lǐng)域，在要求高溫、化學(xué)穩(wěn)定性高的場(chǎng)合，碳纖維復(fù)合材料都頗具優(yōu)勢(shì)。 優(yōu)點(diǎn)： 1.材料質(zhì)輕高強(qiáng)：抗拉強(qiáng)度3200～4000MPa，為同截面鋼材的10倍以上，比重2.0~3.0g/cm3，單層厚度0.112～0.167mm，用粘結(jié)劑將它與結(jié)構(gòu)物粘貼后形成一體，厚度僅為2mm左右，不用預(yù)加工，施工方便，不用加壓和起重，并且在提高構(gòu)件靜荷載、動(dòng)荷載、構(gòu)件剛度、構(gòu)件的抗蠕變和構(gòu)件的耐久性上都有突出的的效果。基本上不增加構(gòu)件截面，而結(jié)構(gòu)物自重的增加幾乎可以忽略，能可靠地保證與原鋼筋混凝土構(gòu)件共同工作，獲得優(yōu)異的補(bǔ)強(qiáng)效果；在建筑結(jié)構(gòu)加固上得到了普遍的應(yīng)用。 2.施工便捷：占用場(chǎng)地少，不需大型機(jī)具，沒有濕作業(yè)，無需動(dòng)火，無需現(xiàn)場(chǎng)固定設(shè)施，施工工效高。 3.高耐久性：不會(huì)生銹，非常適合高酸、堿、鹽及大氣腐蝕環(huán)境中使用，還具有抗疲勞強(qiáng)度高，耐磨損、抗老化等優(yōu)點(diǎn)。
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