碳纖維性能的優(yōu)缺點(diǎn)及其對(duì)策

碳纖維性能的優(yōu)缺點(diǎn)及其對(duì)策現(xiàn)面以結(jié)構(gòu)加固用的碳纖維布為例說(shuō)明碳纖維的性能：碳纖維布加固技術(shù)是利用碳素纖維布和專用結(jié)構(gòu)膠對(duì)建筑構(gòu)件進(jìn)行加固處理，該技術(shù)采用的碳素纖維布強(qiáng)度是普通二級(jí)鋼的10倍左右。具有強(qiáng)度高、重量輕、耐腐蝕性和耐久性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。厚度僅為2mm左右，基本上不增加構(gòu)件截面，能保證碳素纖維布與原構(gòu)件共同工作。1、碳纖維介紹碳纖維根據(jù)原料及生產(chǎn)方式的不同，主要分為聚丙烯腈（PAN）基碳纖維及瀝青基碳纖維。碳纖維產(chǎn)品包括PAN基碳纖維（高強(qiáng)度型）及瀝青基碳纖維（高彈性型）。2、環(huán)氧樹脂不同類型的樹脂還可以保證其對(duì)砼具有良好的滲透作用，例如底涂樹脂；以及對(duì)碳纖維片與砼結(jié)構(gòu)的粘接作用，例如環(huán)氧粘結(jié)樹脂等。（1）環(huán)氧樹脂簡(jiǎn)介僅僅依靠碳纖維片本身并不能充分發(fā)揮其強(qiáng)大的力學(xué)特性及優(yōu)越的耐久性能，只有通過(guò)環(huán)氧樹脂將碳纖維片粘附于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)表面并與之緊密地結(jié)合在一起形成整體共同工作，才能達(dá)到補(bǔ)強(qiáng)的目的。因此，環(huán)氧樹脂的性能是重要的關(guān)鍵之一。環(huán)氧樹脂因類型不同而有不同的性能，適應(yīng)于各個(gè)部位的不同要求。例如底涂樹脂對(duì)混凝土具有良好的滲透作用，能滲入到混凝土內(nèi)一定深度；粘貼碳纖維片的環(huán)氧樹脂易于"透"過(guò)碳纖維片，有很強(qiáng)的粘結(jié)力。依使用溫度的不同，樹脂還分為夏用及冬用類樹脂。2、碳纖維材料與其他加固材料對(duì)比（1） 抗拉強(qiáng)度：碳纖維的抗拉強(qiáng)度約為鋼材的10倍。（2） 彈性模量：碳纖維復(fù)合材料的拉伸彈性模量高于鋼材，但芳綸和玻璃纖維復(fù)合材料的拉伸彈性模量則僅為鋼材的一半和四分之一。（3） 疲勞強(qiáng)度：碳纖維和芳綸纖維復(fù)合材料的疲勞強(qiáng)度高于高強(qiáng)綱絲。金屬材料在交變應(yīng)力作用下，疲勞極限僅為靜荷強(qiáng)度的30%?40%。由于纖維與基體復(fù)合可緩和裂紋擴(kuò)展，以及存在纖維內(nèi)力再分配的可能性，復(fù)合材料的疲勞極限較高，約為靜荷強(qiáng)度的70%?80%，并在破壞前有變形顯著的征兆。（4） 重量：約為鋼材的五分之一。（5） 與碳纖維板的比較：碳纖維片材可以粘貼在各種形狀的結(jié)構(gòu)表面，而板材更適用于規(guī)則構(gòu)件表面。此外，由于粘貼板材時(shí)底層樹脂的用量比片材多、厚度大，與混凝土碳纖維的優(yōu)良性能碳纖維是一種碳含量超過(guò)90%的纖維狀炭材料，是以有機(jī)纖維一一聚丙烯晴（PAN）纖維、粘膠纖維、瀝青纖維等原絲經(jīng)過(guò)預(yù)氧化、碳化、石墨化等高溫固相反應(yīng)工藝過(guò)程制備而成，由有擇優(yōu)取向的石墨微晶構(gòu)成，因而具有很高的強(qiáng)度和彈性模量（剛性）。它的比重一般為1.70g/cm3?1.80g/cm3,強(qiáng)度為1200MPa?7000MPa，彈性模量為200GPa?400GPa，熱膨脹系數(shù)接近于零，甚至可為負(fù)值（?1.5X106）。碳纖維同時(shí)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。這些優(yōu)良的綜合性能使碳纖維成為先進(jìn)復(fù)合材料最重要的增強(qiáng)纖維，可以用來(lái)增強(qiáng)聚合物（熱固性、熱塑性聚合物）組成高性能聚合物基復(fù)合材料；增強(qiáng)鋁、鎂、銅等金屬組成碳/鋁、碳/鎂、碳/銅等金屬基復(fù)合材料；增強(qiáng)碳、陶瓷組成耐高溫的陶瓷基復(fù)合材料。碳纖維復(fù)合材料可以通過(guò)基體、纖維的選擇、碳纖維含量和分布的優(yōu)化設(shè)計(jì)做成性能能夠滿足多種要求的各種高性能構(gòu)件。重要的碳纖維建筑材料碳纖維增強(qiáng)混凝土由于水泥水泥砂漿與混凝土中存在抗拉強(qiáng)度低，干縮率大，變形能力低，脆性大和抗沖擊性能差等缺點(diǎn)，而且在某些特種條件下（酸、堿、潮濕環(huán)境中），由于鋼筋的抗腐蝕性差而面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。然而碳纖維以其高強(qiáng)、高模、質(zhì)輕、優(yōu)良的抗疲勞性、抗沖擊性、抗震性和耐腐蝕性完全彌補(bǔ)了鋼筋混凝土的不足。短切碳纖維加入新混凝土中，目前主要應(yīng)用于需要減重、防震耐腐蝕的環(huán)境中或噴射混凝土和道路工程中；將碳纖維長(zhǎng)絲支撐預(yù)應(yīng)力筋，代替鋼筋埋植于混凝土中，主要用于海洋工程、大跨度橋梁及需要電磁透過(guò)的工程結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)加固的場(chǎng)合；將碳纖維長(zhǎng)絲支撐預(yù)應(yīng)力絞繩，用于大跨度橋梁的拉鎖或大跨度空間結(jié)構(gòu)的懸索拉索等；將短切碳纖維或連續(xù)碳纖維應(yīng)用于各種公路路面及橋梁路面工程和高速公路的防護(hù)欄，以提高公路的質(zhì)量及耐久性；將碳纖維棒材與混凝土制成預(yù)制件，包括梁、板、屋架或網(wǎng)架，充分利用碳纖維的質(zhì)輕高強(qiáng)耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。短切碳纖維填充到混凝土中，不僅約束微裂縫擴(kuò)展，提高混凝土的抗裂性、抗?jié)B性和抗凍性，減少干縮變形，而且可以明顯地改善混凝土結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)特性。提高結(jié)構(gòu)的抗震性和抗疲勞特性，這是由于碳纖維具有高強(qiáng)度和高彈模的優(yōu)勢(shì)。另外，碳纖維增強(qiáng)混凝土具有良好的壓敏性，而且具有一定導(dǎo)電性，如果在混凝土中埋藏電極可有效實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)件的在線檢測(cè)（應(yīng)變）和安全監(jiān)控（損傷程度）在實(shí)際應(yīng)用中，可實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁幕墻建筑的智能化管理。因此，短切碳纖維增強(qiáng)混凝土不僅具有減重增強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，而且還是一種智能材料，將來(lái)必然具有良好的發(fā)展前景。2、 碳纖維加固材料碳纖維加固是美日等國(guó)家所研發(fā)的應(yīng)用在土木工程中的新型加固補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)。該方法采用同一方向排列的碳纖維織物，在常溫下用環(huán)氧樹脂膠粘貼于混凝土結(jié)構(gòu)表面，利用其緊密粘著于混凝土結(jié)構(gòu)表面，使二者作為一個(gè)新的整體，共同受力，是一種非常簡(jiǎn)單且優(yōu)良的加固補(bǔ)強(qiáng)方法，與傳統(tǒng)的粘鋼加固不同，碳纖維加固在不增加結(jié)構(gòu)物的荷重的前題下達(dá)到高效加固的目的。碳纖維單向布與配套樹脂材料是加固維修鋼筋砼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域中的新材料、新工藝。在北京北四環(huán)路健翔立交橋改建中，為使原鋼筋砼蓋梁設(shè)計(jì)荷載由汽車?5級(jí)提高為汽車?超20級(jí)，采用了此技術(shù)進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)。碳纖維單向布具有高強(qiáng)度、高彈性模量和耐久性好等優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用專用的樹脂和碳纖維布，按設(shè)計(jì)要求粘貼于砼表面，從而達(dá)到結(jié)構(gòu)物加固補(bǔ)強(qiáng)效果。通過(guò)對(duì)梁、板、柱等進(jìn)行加固前后大量對(duì)比試驗(yàn)，力學(xué)性能顯著得到提高，據(jù)試驗(yàn)研究統(tǒng)計(jì)粘貼一層碳纖維單向布的梁板，其抗彎性能可提高5?8%。此技術(shù)與其他粘鋼、噴射砼等加固技術(shù)相比，具有自重小、施工簡(jiǎn)便、施工周期短和耐久性好等特點(diǎn)。碳纖維布重量輕，施工時(shí)不用任何重型設(shè)備，其又很薄不需要較大的空間，尤其是在該工程加固空間緊張的情況下，更能顯示這一優(yōu)越性。加固鋼筋砼結(jié)構(gòu)，采用粘貼強(qiáng)度高和高彈性模量的碳纖維的辦法，也能取得類似于鋼板的同樣加固效果，但其結(jié)構(gòu)重量未增加，外表也輕巧美觀。有極好的耐久性，由于加固只使用碳纖維和配套樹脂，因而不會(huì)出現(xiàn)生銹，并具有耐酸、堿、鹽和大氣環(huán)境腐蝕等性能，碳纖維布有極好的抗化學(xué)作用。碳纖維加固一般只需手工操作，不受施工空間的限制，施工進(jìn)度快。不論方形、矩形、六角形及各類不規(guī)則形，加固后均可保持物體原狀，不影響表面裝飾。3、 橋梁拉索碳纖維增強(qiáng)塑料(CFRP)制成的平行絲束，具有耐腐蝕、高強(qiáng)、彈性模量與鋼相近和抗疲勞性能好等優(yōu)點(diǎn)，是制作斜拉索和吊索的理想材料。瑞士聯(lián)邦材料試驗(yàn)研究所(EMPA)用其作為瑞士WinterthernStorchenbrucke橋的斜拉索。該橋是63+61米的單塔斜拉組合加勁梁橋，橋塔為A型，高38米。該橋使用了兩根碳纖維復(fù)合材料拉索，每根拉索由241根(5毫米的CFRP筋束組成，其碳纖維型號(hào)為ToraycaT700S，強(qiáng)度4900MPa，彈性模量230GPa，破斷延伸率2.1%，比重1.8g/cm3，軸向熱膨脹系數(shù)幾近于零。采用拉擠工藝將碳纖維制成CFRP筋束，其縱向抗拉強(qiáng)度為3300MPa，彈性模量165GPa，容重1.56g/cm3,纖維體積含量68%，軸向熱膨脹系數(shù)0.2X10-6m/m/°C。用CFRP束制成的拉索，曾用三倍設(shè)計(jì)荷載進(jìn)行1000萬(wàn)次重復(fù)荷載試驗(yàn)。在橋上的CFRP拉索和鋼拉索，均設(shè)有普通傳感器和光纖傳感器進(jìn)行應(yīng)力和變形監(jiān)測(cè)。4、 纖維增強(qiáng)膠接層板這種纖維增強(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(wèn)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。5、 碳纖維復(fù)合力筋力筋由編織PAN基碳纖維紗線浸漬環(huán)氧樹脂而成，纖維體積含量為72%。靜力拉伸試驗(yàn)表明，CF-FIBRA抗拉強(qiáng)度為1960MPa，拉伸彈性模量為225GPa（等于或略高于鋼絲的值），容重為1.58g/cm2，其延伸量只為鋼的八分之一。疲勞拉伸試驗(yàn)表明，CF-FIBRA的抗拉疲勞極限為1174MPa，為鋼絲疲勞極限415MPa的近三倍。德國(guó)在路德維希港建成一座采用CFRP筋束施加部分預(yù)應(yīng)力的全長(zhǎng)80米的預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁。筋束制作程序是，把碳纖維束浸漬環(huán)氧樹脂，擰成直徑12.5毫米的索，再把19股索擠成預(yù)應(yīng)力力筋。其碳纖維的比重只為鋼的1/5，但價(jià)格為鋼的7倍。6、 碳纖玻璃馬來(lái)西亞有許多清真寺，就是利用先進(jìn)的碳纖玻璃來(lái)建造。這種建材耐久輕巧，建筑物蓋起來(lái)也更快。在馬來(lái)西亞這個(gè)回教國(guó)家，有越來(lái)越多造型優(yōu)美的清真寺，所使用的建材，不是傳統(tǒng)的水泥磚瓦和金屬，而是含有環(huán)氧成份的碳纖玻璃。一家馬來(lái)西亞與德國(guó)合資的企業(yè)，最近利用巧思，將目前大量使用在建造游艇和飛機(jī)的碳纖玻璃，拿來(lái)蓋清真寺。這種先進(jìn)的建材，不但重量只有傳統(tǒng)水泥的百分之十五，還比磚瓦水泥更耐久，除了節(jié)省施工時(shí)間，建筑師在造型設(shè)計(jì)上，也能更有彈性。廠商表示，其實(shí)除了清真寺之外，這種特殊的碳纖玻璃也適用于其它建筑，未來(lái)一旦普及，將對(duì)傳統(tǒng)建材將產(chǎn)生革命性的影響。我國(guó)碳纖維生產(chǎn)情況我國(guó)經(jīng)過(guò)20多年自行開發(fā)，碳纖維從無(wú)到有、從研制到生產(chǎn)都取得一定成績(jī)，目前可以批量生產(chǎn)低檔的碳纖維產(chǎn)品，但與國(guó)外水平相比，差距較大。具體表現(xiàn)在：碳纖維性能不穩(wěn)定；沒有高性能產(chǎn)品；產(chǎn)品規(guī)格少、品種單一；碳纖維連續(xù)長(zhǎng)度不夠、產(chǎn)品不夠規(guī)格化