碳纤维增强镁合金层合板及其基本力学性能
Investigat ion into the T ension Propert ies of Carbon Fiber Reinforced
M agnesium A lloy Lam inates
郑长良1,朱公志1,刘文博2,王荣国2,
(1大连海事大学机电与材料工程学院,辽宁大连116026;
2哈尔滨工业大学复合材料研究所,150001)
ZH ENG Chang liang1,ZH U Gong zhi1,LIU Wen bo2,WANG Ro ng g uo2
(1Electro mechanics and Mater ials Engineering Co lleg e,
Dalian M aritime Univ er sity,DaLian116026,China;2Center fo r
Co mposite M aterials,H arbin Institute of T echnolog y,H ar bin150001,China)
摘要:对碳纤维增强镁合金金属层合板FM L(F iber M etal L aminates)进行了初步的探索和研究。在几种不同层数和体分比下,制备了碳环氧/镁合金层合板这种轻型结构材料,通过对这种新材料的初步力学性能的试验测试,给出了碳纤维增强镁合金金属层合板的应力 应变曲线,以及强度极限、弹性模量与纤维/环氧复合材料百分含量的关系。
关键词:碳纤维;层合板;镁合金;拉伸
文献标识码:A 文章编号:1001 4381(2007)Suppl 0148 03
Abstract:T he Fiber reinforced mag nesium alloy laminates are investigated Some laminates w ith dif ferent m unber of layer and different vo lum e ratio of composite are fabricated The basic m echanics pro perties such as limite streng th,mo duls and stress strain curves are tested and discussed
Key words:carbon fiber;lam inate;mag nesium alloy;tensio n
近些年来,FM L(Fibre M etal Laminates,纤维增
强金属层合板)因其具有高比强度、高比模量及优良的耐疲劳等良好的特性而越来越受到关注[1],开始应用于航空结构中,并有越来越多的趋势,由于潜力巨大,有望成为 下一代飞机结构材料[3-5]。目前,开发研制纤维增强金属层合板有ARA LL(aramid fiber/alu m inium,芳纶纤维增强铝合金层合板)、GLARE (glass fiber/alum inium玻璃纤维增强铝合金层合板)等。其中GLARE已在空中客车结构中得到应用,表明这种结构材料在性能上具有强大的竞争力和优势。目前我国已将 大飞机研制列入 十一五规划,使得FM L研发的重要性和紧迫性大幅度提高。
目前,纤维增强金属层合板,多数采用铝、锂合金。相比之下,镁合金的密度更低,只有铝合金的三分之二,是当前最轻的金属材料[2]。因此,在重量方面更具有优势,更适于FM L结构材料的开发,有望制造出比强度、比刚度更高的纤维增强金属层合板。而镁合金金属层合板的研究还很少见。
本工作将就碳纤维增强镁合金层合板及其基本力学性能进行初步探索和研究。1 材料及试件制作
图1展示了由两层碳纤维/环氧树脂铺层与三层镁合金板交替铺设的纤维增强镁合金金属层合板的结构形式。本研究制备了三种不同铺层的层合板,碳纤维/环氧复合材料铺层体积百分比变化的实现是通过增加复合材料的厚度和层数来实现的。经测定,三种层板的纤维复合材料的体分比分别为:26%,42%, 55%。文中用v f来表示复合材料占整个试件的体积百分比。试验所用镁板的厚度为0 3m m,是营口银河镁合金有限公司生产的。所用纤维为T800,胶粘剂是环氧树脂。从室温加热至120!,保温4h,再在炉内冷却至室温进行固化。
2 性能测试
每种体分比的金属层合板,我们制备了五个等截面矩形试件,试件的宽度是15mm,长度是300mm。在试件的两端粘接四个垫片,材料为铝板。试件及垫片的结构及尺寸如图2所示。
148 材料工程/2007年增刊1(China SA M P E2007)
图1 层合板铺叠结构示意图
Fig 1 Build up of carbon fiber metal lam inates
based on magnesium
alloy
图2 试件及垫片示意图Fig 2 S pecimen and shim
试验在CSS 88100电子万能试验机(长春试验机研究所)上进行,该机采用楔形剖面摩擦夹紧装置。试验时单调地给试件加载,直至试件完全破坏。加载速率为2mm/m in 。
图3显示出了26%,42%,55%三种不同碳纤维/环氧复合材料体积百分比的镁合金FM L 和M g 合金板的实测应力 应变曲线。从图中可以很明显地看出,三种FM L 的强度极限分别为348,417M Pa 和477M Pa,都显著高于镁合金板的强度极限174MPa,随着复合材料体分比的增加,镁合金金属层板的强度极限也明显提高,说明纤维增强效果明显。而且,复合材料体积含量与层合板的拉伸强度极限近似地成线性关系,见图4。而在初始弹性阶段,三种层合板与镁的弹性模量是非常接近的,没有显著差别,这也可能和纤维单向铺设有关。
图3 应力 应变曲线Fig 3 S tress s train cu rves
从图3的实验曲线可以观察到,三种不同碳纤维/环氧复合材料体积百分比FML 有着相似的拉伸破坏过程。拉伸曲线经过一小段初始线性阶段,出现轻微转折,可能的原因是在层合板内,纤维的受力是均匀等因素造成的。然后,曲线以直线方式达到应力最高点A,试验中,可以听到清脆的断裂声,表明纤维开始断
裂,曲线也急剧下降到B 点,表现出明显的的脆性断裂特征。说明镁合金金属层合板的拉伸强度特征主要
由纤维控制。以复合材料体积百分比为26%的层合板为例。
图4 拉伸强度随复合材料体积百分比变化图Fig 4 Th e variation of th e tens ile strength of magnesium FM Ls w ith composite volume fraction
3 结论和展望
对碳纤维增强镁合金层合板的初步拉伸力学性能测试结果表明:纤维/环氧复合材料可显著提高镁合金的极限破坏强度,随着复合材料体分比的提高,所制成的金属层合板的强度随之提高,且近似地成线性关系;镁合金FM L 的断裂方式与单一合金拉伸有所不同,其断裂首先从纤维开始,然后是镁合金板,显示出脆性断裂特征。纤维增强镁合金层合板具有较高的拉伸强度,具有较好的力学性质,可以预见可能具有良好的前景。目前的研究工作还只是初期尝试,还有很多方面研究工作需要开展,相信随着研究工作的展开和深入,纤维增强镁合金层合板更多优秀的性质会被发现,性能更为优异的FML 结构材料会被开发出来。
参考文献
[1] A VLOT.Fibre M etal Lam inates;An Introduction[M ].C hapt 1
(Kluw er Academic Publishers,2001)
[2] P CORTE ?S,W J CANT WE LL.Fracture properties of a fiber
m etal lamin ates b as ed on magnesium alloy [J].Journal of M ateri
149
碳纤维增强镁合金层合板及其基本力学性能
als Science,2004,39:1081-1083.
[3] 霍奇金森.先进纤维增强复合材料性能测试[M].北京:化学工业
出版社,2005 9.
[4] L B Vogeles ang,A Vlot.Developm ent of fibre metal laminates
for advanced aerospace structures,Faculty of Aeros pace Engi n eering[J].Delft University of T echn ology,Kluyverw eg1,2629
H S Delft,Netherland s,J ou rnal of M aterials Proces sing Technol
ogy,2000,103:1-5.
[5] A ASU NDI,Alta Y N CH OI.Fib er M etal Laminates An Ad
vanced M ater ial for Future Aircraft[J].J ou rnal of M aterials Pro
cess ing Technology,1997,63:384-394.
作者简介:郑长良(1963#),男,博士(法国贡比涅技术大学),教授/博导,联系地址:大连海事大学机电与材料工程学院机械系(116026)。
E mail:zhengcl@new mail dlmu edu cn
?
150 材料工程/2007年增刊1(China SA M P E2007)
碳纤维材料的性能及应用 碳纤维是一种纤维状碳材料。它是一种强度比钢的大、密度比铝的小、比不锈钢还耐腐蚀、比耐热钢还耐高温、又能像铜那样导电，具有许多宝贵的电学、热学和力学性能的新型材料。 碳纤维的微观结构类似人造石墨，是乱层石墨结构。另外，碳纤维是指含碳量高于90％的无机高分子纤维。其中含碳量高于99％的称石墨纤维。 性能特点： 碳纤维的比重小，抗拉强度高，轴向强度和模量高，无蠕变，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小，耐腐蚀性好，纤维的密度低，X射线透过性好。但其耐冲击性较差，容易损伤，在强酸作用下发生氧化，与金属复合时会发生金属碳化、渗碳及电化学腐蚀现象。因此，碳纤维在使用前须进行表面处理。总之，碳纤维是一种力学性能优异的新材料。 应用领域： 用碳纤维与塑料制成的复合材料所做的飞机不但轻巧，而且消耗动力少，推力大，噪音小；用碳纤维制电子计算机的磁盘，能提高计算机的储存量和运算速度；用碳纤维增强塑料来制造卫星和火箭等宇宙飞行器，机械强度高，质量小，可节约大量的燃料。1999年发生在南联盟科索沃的战争中，北约使用石墨炸弹破坏了南联盟大部分电力供应，其原理就是产生了覆盖大范围地区的碳纤维云，这些导电性纤维使供电系统短路。 目前，人们还不能直接用碳或石墨来抽成碳纤维，只能采用一些含碳的有机纤维（如尼龙丝、腈纶丝、人造丝等）做原料，将有机纤维跟塑料树脂结合在一起，放在稀有气体的气氛中，在一定压强下强热炭化而成碳纤维是纤维状的碳材料，其化学组成中含碳量在90%以上。由于碳的单质在高温下不能熔化（在3800K以上升华），而在各种溶剂中都不溶解，所以迄今无法用碳的单质来制碳纤维。碳纤维可通过高分子有机纤维的固相碳化或低分子烃类的气相热解来制取。目前世界上产生的销售的碳纤维绝大部分都是用聚丙烯腈纤维的固相碳化制得的。其产生的步骤为A预氧化：在空气中加热，维持在200-300度数十至数百分钟。预氧化的目的为使聚丙烯腈的线型分子链转化为耐热的梯型结构，以使其在高温碳化时不熔不燃而保持纤维状态。B碳化：在惰性气氛中加热至1200-1600度，维持数分至数十分钟，就可生成产品碳纤维；所用的惰性气体可以是高纯的氮气、氩气或氦气，但一般多用高纯氮气。C石墨化：再在惰性气氛（一般为高纯氩气）加热至2000-3000度，维持数秒至数十秒钟；这样生成的碳纤维也称石墨纤维。碳纤维有极好的纤度（纤度的表示法之一是9000米长的纤维的克数），一般仅约为19克；拉力高达300KG/MM2；还有耐高温、耐腐蚀、导电、传热、彭胀系数小等一系列优异性能。目前几乎没有其他材料像碳纤维那样具有那么多的优异性能。目前，碳纤维主要是制成碳纤维增强塑料来应用。这种增强塑料比钢、玻璃钢更优越，用途非常广泛，如制造火箭、宇宙飞船等重要材料；制造喷气式发动机；制造耐腐蚀化工设备等。羽毛球：现在大部分羽毛球拍杆由碳纤维制成。【碳纤维】carbon fibre 含碳量高于90％的无机高分子纤维。其中含
聚丙烯腈碳纤维性能表征规范 聚丙烯腈碳纤维的性能主要有力学性能、热物理性能和电学性能。对于碳纤维材料来说，拉伸力学性能，包括拉伸强度、拉伸模量以及断裂伸长率是其主要力学性能指标。由于纤维材料本身的特点，很难对其压缩力学性能进行有效的表征，因此基本不考虑纤维本身的压缩性能。碳纤维的热物理性能包括热容、导热系数、线膨胀系数等，也是材料应用的重要指标。电性能主要为体积电阻率以及电磁屏蔽方面的性能。对于碳纤维的拉伸力学性能测试，各国都已经基本形成了相应的测试标准系列，这些标准系列同时包括了在力学性能测试时需要的线密度、体密度、上浆量等相关的测试。对于热物理性能，相关的测试标准较少。 5.5.1 碳纤维性能测试标准 日本从1986年开始发布了其碳纤维力学性能测试标准，有关标准见表5.30，其中JIS R7601-1986《碳纤维试验方法》涵盖了碳纤维单丝、束丝的拉伸力学性能测试方法外，还包括以及密度、上浆剂含量、线密度等测试方法及规范。JIS R7601-2006《碳纤维试验方法（修正1）》是在国际对石棉制品应用规定严格的条件下，将JIS R7601-1986中拉伸性能测试中夹持用垫片的石棉材料进行了删除。相比于JIS R7601-1986，JIS R7608-2007《碳纤维-树脂浸渍丝拉伸性能测试方法》被广泛地用于碳纤维力学性能的测试，其可操作性和规范性也更强。 表5.30 日本碳纤维测试标准 序号标准号标准名称 1 JIS R7601-1986 碳纤维试验方法 2 JIS R7602-1995 碳纤维织物试验方法 3 JIS R7603-1999 碳纤维-密度的试验方法
碳纤维板力学性能 一、卡本碳纤维板加固技术优点 1、抗拉强度高，是同等截面钢材的7-10倍; 2、自重轻、易使用，作业轻松且不需大型机械设备; 3、在平板下端如有配管交错放置或受空间限制的情况，便于直接作业; 4、粘贴碳纤维板时，碳板胶不流淌，减少对作业周边环境的影响; 5、补强后基本不改变构件的形状及重量和使用空间; 6、粘贴1层碳纤维板的补强效果相当于4～8层碳纤维布，从而可以更大程度的提高结构性能; 7、在遇有中间梁或壁的平板时，只要能凿穿使碳纤维板能够通过的孔洞即可，无需截断，更加提高补强效果; 8、施工后很容易进行目视或锤击法检查。 二、卡本碳纤维板力学性能 1、碳纤维板原材料力学指标 纤维类别性能项目抗拉强度（MPa）弹性模量（GPa）伸长率（%） 碳纤维 高强度Ⅰ级≥4900≥240≥2.0 高强度Ⅱ级≥4100≥210≥1.8 2、碳纤维板性能指标 产品型号 纤维 方向 厚度 （mm） 幅宽 （mm） 长度 （m） 抗拉强度 （MPa） 弹性模量 （GPa） 纤维体 积含量 （%） 伸长率 （%） CFP-I-512/514 单向 1.2/1.4 50 50/100 ≥2400≥160≥65≥1.70 CFP-I-1012/1014 单向 1.2/1.4 100 50/100 ≥2400≥160≥65≥1.70 CFP-II-512/514 单向 1.2/1.4 50 50/100 ≥2000≥140≥55≥1.50 CFP-II-1012/1014 单向 1.2/1.4 100 50/100 ≥2000≥140≥55≥1.50 3、碳纤维板设计计算指标 性能项目单向织物（布）
强度与刚度 既然是结构部件，那么设计者首先要考虑的是强度和刚度。部件在外力载荷的作用下，有抵 抗变形与破坏的能力，但是这个能力又是有限度的。 如何4定部件的使用载荷，不会超出部件的能力极限，是通过材料力学计算得出。而部件的 这个能力极限，就是碳纤维复合材料结构设计者需要考虑的问题。 通过合理的搭配纤维和树脂，优化纤维排布，用最少的材料，满足设计需求，体现了复合材 料设计者精湛的技巧。不过决定复合材料强度与刚度的因素，不但与纤维和树脂的种类有关，还与碳纤维的铺层方向以及层与层之间结合搭配有关。 所以，设计者在设计碳纤维复合材料结构部件时，需要考虑三个层级结构的力学性能。 由基体和增强材料复合而成的单层材料，其力学性能决定于组分材料的力学性能、相几何(各 相材料的形状、分布、含量)和界面区的性能。 由单层材料层合而成的层合体，其力学性能决定于单层材料的力学性能和铺层几何(各单层的 厚度、铺设方向、铺层序列) 。 最顶层结构是指通常所说的工程结构或产品结构，其力学性能决定于层合体的力学性能和结 构几何。 稳定性 除了强度与刚度要求，设计者还需考虑复合材料部件的失稳，尤其是对一些细长杆结构，在 受压时，应该能够保证其原有的直线平衡状态。对于一些框架结构部件，如果铺层不均匀， 也会产生翘曲失稳，所以在制造过程中尤其注意。最好采用对称铺层，以防变形不均匀。 一般情况下，在部件没有达到极限载荷之下，不允许产生失稳现象。但是如果对于一些特殊 要求，可以产生失稳现象，那么设计过程中，要考虑失稳过程不会因此影响极限载荷。 铺层结构 铺层结构是碳纤维复合材料结构设计的关键，如何把单层结构的优异性能传递到复合材料结 构部件上，铺层结构起到承上启下的作用。关于复合材料铺层应注意以下几点： 1. 树脂是碳纤维复合材料力学性能的短板，所以尽量避免将载荷直接加到层间或者树脂之间。也就是说，0°、±45°、90°的纤维都要有，否则载荷会将部件从没有纤维排布的方向撕裂。 2. 为了防止层合板边缘开裂，尽量避免重复单一方向的铺层，设计时最多不超过5层。 3. 为了防止最外层铺层的剥离，在部件的主载荷方向，应铺放±45°纤维，而不能铺放0°和90°纤维。另外，避免最外层铺层间断或不完整。 4. 若使用非对称铺层，每层因同方向上热膨胀系数不同会出现翘曲，因此，一般要采用对称 铺层。 5. 当增加补强铺层时，每层阶梯最少要3.8- 6.4mm，附加铺层也应尽量采用对称铺层。
碳纤维是一种力学性能优异的新材料。他的比重不到钢的1/4，比铝还要轻，比强度是铁的20倍。同钛、钢、铝等金属材料相比，碳纤维在物理性能上具有强度大、模量高、密度低、线膨胀系数小等特点，可以称为新材料之王。因此，可以应用于飞机制造等军工领域、风力发电叶片等工业领域、GOLF球棒等体育休闲领域。 由于使用碳纤维材料可以大幅降低结构重量，因而可显著提高燃料效率。采用碳纤维与塑料制成的复合材料制造的飞机以及卫星、火箭等宇宙飞行器，噪音小，而且因质量小而动力消耗少，可节约大量燃料。据报道，航天飞行器的质量每减少1kg，就可使运载火箭减轻500kg。 碳纤维除了具有一般碳素材料的特性：耐高温, 耐磨擦, 导电, 导热及耐腐蚀等, 其外形有显著的各向异性, 柔软, 可加工成各种织物, 又由于比重小, 沿纤维轴方向表现出很高的强度, 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。碳纤维还具有极好的纤度〔纤度的表示法之一是9000米长纤维的克数〕，一般仅约为19克, 拉力高达300kg/mm2。目前几乎没有其他材料像碳纤维那样具有那么多一系列的优异性能, 因此在旨度、刚度、重度、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，碳纤维复合材料具备不可替代的仇势。 碳纤维的物理性质如下： (1)碳纤维的密度在1.5—2.0g/cm3之间，这除与原丝结构有关外，主要决定于炭化处理的温度。一般经过高温(3000℃)石墨化处理，密度可达2.0g/cm3。 (2)碳纤维的热膨胀系数与其它纤维不同，它有各向异性的特点。平行于纤维方向是负值(-0.72×10-6～-0.90×10-6 K-1)，而垂直于纤维方向是正值(32×10-6～22×10-6 K-1)。 (3)碳纤维的比热容一般为7.12×10-1KJ/(kg·K)。热导率随温度升高而下降。 (4)碳纤维的比电阻与纤维的类型有关，在25℃时，高模量为775ìù/cm，高强度碳纤维为1500ìù/cm。碳纤维的电动势为正值，而铝合金的电动势为负值。因此当碳纤维复合材料与铝合金组合应用时会发生化学腐蚀。 碳纤维的物理性质如下： 碳纤维的化学性质与碳相识，它除能被强氧化剂氧化外，对一般碱性是惰性的。在空气中，温度高于400℃时则出现明显的氧化，生成CO与CO2。在不接触空气和氧化剂时，碳纤维具有突出的耐热性能，与其他材料相比，碳纤维要温度高于1500℃时强度才开始下降，而其他材料的晶须性能也早已大大的下降。另外碳纤维还具有良好的耐低温性能，如在液氮温度下也不脆化，它还有耐油、抗辐射、抗放射、吸收有毒气体和减速中子等特性。 表1 不同种类碳纤维的力学性能
碳纤维增强镁合金层合板及其基本力学性能 Investigat ion into the T ension Propert ies of Carbon Fiber Reinforced M agnesium A lloy Lam inates 郑长良1,朱公志1,刘文博2,王荣国2, (1大连海事大学机电与材料工程学院,辽宁大连116026; 2哈尔滨工业大学复合材料研究所,150001) ZH ENG Chang liang1,ZH U Gong zhi1,LIU Wen bo2,WANG Ro ng g uo2 (1Electro mechanics and Mater ials Engineering Co lleg e, Dalian M aritime Univ er sity,DaLian116026,China;2Center fo r Co mposite M aterials,H arbin Institute of T echnolog y,H ar bin150001,China) 摘要:对碳纤维增强镁合金金属层合板FM L(F iber M etal L aminates)进行了初步的探索和研究。在几种不同层数和体分比下,制备了碳环氧/镁合金层合板这种轻型结构材料,通过对这种新材料的初步力学性能的试验测试,给出了碳纤维增强镁合金金属层合板的应力 应变曲线,以及强度极限、弹性模量与纤维/环氧复合材料百分含量的关系。 关键词:碳纤维;层合板;镁合金;拉伸 文献标识码:A 文章编号:1001 4381(2007)Suppl 0148 03 Abstract:T he Fiber reinforced mag nesium alloy laminates are investigated Some laminates w ith dif ferent m unber of layer and different vo lum e ratio of composite are fabricated The basic m echanics pro perties such as limite streng th,mo duls and stress strain curves are tested and discussed Key words:carbon fiber;lam inate;mag nesium alloy;tensio n 近些年来,FM L(Fibre M etal Laminates,纤维增 强金属层合板)因其具有高比强度、高比模量及优良的耐疲劳等良好的特性而越来越受到关注[1],开始应用于航空结构中,并有越来越多的趋势,由于潜力巨大,有望成为 下一代飞机结构材料[3-5]。目前,开发研制纤维增强金属层合板有ARA LL(aramid fiber/alu m inium,芳纶纤维增强铝合金层合板)、GLARE (glass fiber/alum inium玻璃纤维增强铝合金层合板)等。其中GLARE已在空中客车结构中得到应用,表明这种结构材料在性能上具有强大的竞争力和优势。目前我国已将 大飞机研制列入 十一五规划,使得FM L研发的重要性和紧迫性大幅度提高。 目前,纤维增强金属层合板,多数采用铝、锂合金。相比之下,镁合金的密度更低,只有铝合金的三分之二,是当前最轻的金属材料[2]。因此,在重量方面更具有优势,更适于FM L结构材料的开发,有望制造出比强度、比刚度更高的纤维增强金属层合板。而镁合金金属层合板的研究还很少见。 本工作将就碳纤维增强镁合金层合板及其基本力学性能进行初步探索和研究。1 材料及试件制作 图1展示了由两层碳纤维/环氧树脂铺层与三层镁合金板交替铺设的纤维增强镁合金金属层合板的结构形式。本研究制备了三种不同铺层的层合板,碳纤维/环氧复合材料铺层体积百分比变化的实现是通过增加复合材料的厚度和层数来实现的。经测定,三种层板的纤维复合材料的体分比分别为:26%,42%, 55%。文中用v f来表示复合材料占整个试件的体积百分比。试验所用镁板的厚度为0 3m m,是营口银河镁合金有限公司生产的。所用纤维为T800,胶粘剂是环氧树脂。从室温加热至120!,保温4h,再在炉内冷却至室温进行固化。 2 性能测试 每种体分比的金属层合板,我们制备了五个等截面矩形试件,试件的宽度是15mm,长度是300mm。在试件的两端粘接四个垫片,材料为铝板。试件及垫片的结构及尺寸如图2所示。 148 材料工程/2007年增刊1(China SA M P E2007)
碳纤维布加固技术 一、特点 1、高强高效：抗拉强度2500～3550MPA，弹性模量2.35×105～5.0×105 MPA 。 2、重量轻，厚度薄：比重1.8g/cm3，每层后0.1～0.2MM，基本不增加加固 构件自重及截面尺寸。 3、适用面广：广泛适用于建筑物桥梁隧道等各种结构类型、结构形状的加固修 复荷抗震加固及节点的结构加固。 4、施工便捷：不需大型机具，没有湿作业，无需动火，无需现场固定设施，施 工占用场地少，施工工效高。 5、高耐久性：由于不会生绣，非常适合高酸、碱、盐及大气腐蚀环境中使用。 二、适用范围 1、适用于各种结构类型，各种结构部位的加固修补，如梁、板、柱、屋架、桥 墩、桥梁、筒体，壳体等结构。 2、适用于港口工程和水利水电等工程中混凝土结构、砌体结构、木结构的补强 荷抗震加固，特别适合于曲面及节点等复杂形式的结构加固。 3、基层混凝土的强度要求不低于C15。 4、施工环境温度在5～35℃范围内，相对湿度不大于70％。 三、工艺原理
加固机理是将碳纤维布采用高性能的碳纤维配套树脂粘结于混凝土构件的表面，利用碳纤维材料良好的抗拉强度达到增强构件承载能力及刚度的目的。 四、工艺流程及操作要点 1、工艺流程：卸荷→基底处理→涂底胶→找平→粘贴→保护 2、操作要点： ①卸荷 加固前对于承受二次荷载的构件不需卸荷，不承受二次荷载的构件必需卸荷，卸荷方式如下： a.对老建筑采用拆除原有的吊顶、墙面装饰、地面面层、设备等方法，以达 到卸静荷的目的。 b.对一些不能卸静荷的构件，可采用千斤顶顶升的方式卸荷；对于承受均布 荷载的梁，应采用多点均匀顶升；对于有次梁作用的主梁，每根次梁下需设1 台千斤顶顶升，顶升吨位由设计计算确定。 c.卸活荷载 ②基底处理 a.混凝土表层出现剥落、空鼓、蜂窝、腐蚀等劣化现象的部位应予以凿除， 对于较大面积的劣质层在凿除后应用环氧砂浆进行修复。 b.裂缝部分如有必要应首先进行封闭或灌浆处理。 c.用混凝土角磨机、砂纸等工具除去混凝土表面的浮浆、油污等杂质，构件 基面的混凝土要打磨平整，尤其是表面的凸起部位要磨平，转角粘贴处要进行倒角处理并打磨成圆弧状（R≥10mm）。
复合材料层合板 MA 02139，剑桥 麻省理工学院 材料科学与工程系 David Roylance 2000年2月10日 引言 本模块旨在概略介绍纤维增强复合材料层合板的力学知识；并推导一种计算方法，以建 立层合板的平面内应变和曲率与横截面上内力和内力偶之间的关系。虽然这只是纤维增强复 合材料整个领域、甚至层合板理论的很小一部分，但却是所有的复合材料工程师都应掌握的 重要技术。 在下文中，我们将回顾各向同性材料矩阵形式的本构关系，然后直截了当地推广到横观 各向同性复合材料层合板。因为层合板中每一层的取向是任意的，我们随后将说明，如何将 每个单层的弹性性能都变换到一个共用的方向上。最后，令单层的应力与其横截面上的内力 和内力偶相对应，从而导出控制整块层合板内力和变形关系的矩阵。 层合板的力学计算最好由计算机来完成。本文简略介绍了几种算法，这些算法分别适用 于弹性层合板、呈现热膨胀效应的层合板和呈现粘弹性响应的层合板。 各向同性线弹性材料 如初等材料力学教材（参见罗兰奈斯（Roylance ）所著、1996年出版的教材1）中所述， 在直角坐标系中，由平面应力状态（0===yz xz z ττσ）导致的应变为 由于泊松效应，在平面应力状态中还有沿轴方向的应变：z )(y x z σσνε+?=，此应 变分量在下文中将忽略不计。在上述关系式中，有三个弹性常量：杨氏模量E 、泊松比ν和 切变模量。但对各向同性材料，只有两个独立的弹性常量，例如，G 可从G E 和ν得到 上述应力应变关系可用矩阵记号写成 1 参见本模块末尾所列的参考资料。
方括号内的量称为材料的柔度矩阵，记作S 或。 弄清楚矩阵中各项的物理意义十分重要。从矩阵乘法的规则可知，中第i 行第列的元素表示第个应力对第i 个应变的影响。例 如，在位置1,2上的元素表示方向的应力对j i S j i S j j y x 方向应变的影响：将E 1乘以y σ即得由y σ引起的方向的应变，再将此值乘以y ν?，得到y σ在x 方向引起的泊松应变。而矩阵中的 零元素则表示法向分量和切向分量之间无耦合，即互不影响。 如果我们想用应变来表示应力，则式（1）可改写为： 式中，已用G )1(2ν+E 代替。该式可进一步简写为： 式中，是刚度矩阵。注意：柔度矩阵S 中1,1元素的倒数即为杨氏模量，但是 刚度矩阵中的1,11 S D ?=D 元素还包括泊松效应、因此并不等于E 。 各向异性材料 如木材、或者如图1所示的单向纤维增强复合材料，其典型特征是：沿 纤维方向的弹性模量有纹理的材料，1E 将大于沿横向的弹性模量和。当2E 3E 321E E E ≠≠时，该材料称 为其力学性能是各向同性的，即为正交各向异性材料。不过常见的情况是：在垂直于纤维方向的平面内，可以足够精确地认 32E E =，这样的材料称为横观各向同性材料。这类各向异 同性材料的推广： 性材料的弹性本构关系必须加以修正， 下式就是各向同性弹性体通常的本构方程对横观各向 式中，参数12ν是主泊松比，如图1所示，沿方向1的应变将引起沿方向2的应变，后者与 前者之比的绝对值就是12ν。此参数值不象在各向同性材料中那样，限制其必须小于0.5。反 过来，沿方向2的应变将引起沿方向1的应变，后者与前者之比的绝对值就是21ν。因为方
碳纤维布 碳纤维布又称碳素纤维布、碳纤布、碳纤维编织布、碳纤维预浸布、碳纤维加固布、碳布、碳纤维织物、碳纤维带、碳纤维片材（预浸布）等。碳纤维加固布是一种单向碳纤维加固产品，通常采用12K碳纤维丝织造。[1] 可提供两种厚度：0.111mm（200g）和0.167mm（300g）。多种宽度：100mm、150mm、200mm、300mm、500mm及其他工程所需的特殊宽度。随着碳纤维布行业的不断发展，越来越多的行业和企业运用到了碳纤维布，也有部门企业进入到了碳纤维布行业并发展。 碳纤维布用于结构构件的抗拉、抗剪和抗震加固，该材料与配套浸渍胶共同使用成为碳纤维复合材料，可构成完整的性能卓越的碳纤维布片材增强体系，适用于处理建筑物使用荷载增加、工程使用功能改变、材料老化、混凝土强度等级低于设计值、结构裂缝处理、恶劣环境服役构件修缮、防护的加固工程。 产品特点： 强度高，密度小，厚度薄，基本不增加加固构件自重及截面尺寸。适用面广，广泛适用于建筑物桥梁隧道等各种结构类型、结构形状的加固修复和抗震加固及节点的结构加固。施工便捷，无需大型机具设备，没有湿作业，无需动火，无需现场固定设施，施工占用场地少，施工工效高。高耐久性，由于不会生锈，非常适合高酸、碱、盐及大气腐蚀环境中使用。 高性能碳纤维布 适用于各种结构类型，各种结构部位的加固修补，如梁、板、柱、屋架、桥墩、桥梁、筒体、壳体等结构。适用于港口工程和水利水电等工程中混凝土结构、砌体结构、木结构的补强和抗震加固，特别适合于曲面及节点等复杂形式的结构加固。基层混凝土的强度要求不低于C15。施工环境温度在5～35℃范围内，相对湿度不大于70%。
第２８卷第６期２００３年１２月高斟拉纤维与应用 Ｈｊ妇ｈ Ｆｉｂｅｒ＆ＡｐｐＪｉｃ州ｏｎ Ｖ０１．２８．Ｎｏ．６ Ｄｅｃ。２００３ 大丝束碳纤维复合材料力学性能研究 刘宝锋１，陈绍杰‘，李佩兰１ （１．北京航空材料研究院，北京１０００９６；２．沈阳飞机设计研究所，辽宁沈阳ｌｌ００３５） 摘要：本文研究了大丝柬碳纤维（４８Ｋ）复合材料的常规力学性能及耐湿热性能，并与小韭束碳纤维（髓００。３Ｋ）复合材料进行了对比，研究结果可为太丝束复合材料在航空器的次承力件或非承力件的应用提供技术基础．关键词：大丝束碳纤维（４８Ｋ）：复合材料；力争】生能 中图分类号：Ｔ０３”３文献标识码：Ａ文章编号：１００７－９８１５（２００３）０６删８．０４ 刖舌 由于大丝束碳纤维（≥４８Ｋ）具有价格低、来源容易、性能与１２Ｋ碳纤维相当等优点，其复合材料在钓鱼竿、高尔夫球杆、建筑补强、天然气储罐、医疗器械等方面应用广泛”…，随着大丝束碳纤维价格的进一步降低，其应用领域将不断扩大。 目前，航空航天领域所用复合材料主要使用３Ｋ—１２Ｋ碳纤维，还未见有大丝束碳纤维在此领域应用的报道。它能否在航空航天领域应用的关键决定于其复合材料的力学性能及其稳定性。 本文结合实际科研工作，利用自行研制的高温固化（１８０℃）树脂体系５２２２Ｂ和国外进口的４８Ｋ碳纤维制成预浸料，并对复合材料层合板力学性能进行了研究。测试了大丝束复合材料单向板和多向板的拉伸、压缩、弯曲、剪切性能及湿热老化性能，并与小丝束碳纤维（Ｔ３００—３Ｋ）复合材料的相应性能进行了对比，将为大丝束碳纤维复合材料在航空航天领域的应用提供技术依据。 １实验部分 １．１主要原材料 ５２２２Ｂ高温固化改性环氧树脂体系，浅黄色粘稠体，靠为２２２℃，北京航空材料研究院自行 研制。 ＰＡＮＥｘ３３．４８Ｋ碳纤维，性能见表ｌ，美国ｚｏＬＴＥＫ公司制造。 １．２试验方法 （１）预浸料树胎含量或面密度，按ＧＢ厂ｒ７１９２．１９８２进行。 （２）拉伸性能，按ＧＢ厂ｒ３３５４—１９８２进行。 （３）压缩性能，按ＧＢ／Ｔ３８５６－１９８３进行。 “）面内剪切强度、模量，按ＧＢ厂ｒ３３５５．１９８２进行。 （５）弯曲性能，按ＧＢ厂ｒ３３５６．１９８２进行。 （６）层问剪切强度，按ＪＣ厂ｒ７７３．１９８２（１９９６）进行。 １．３制备大丝束碳纤维预浸料 先用１．２２ｍ热熔胶膜机制备３２０ｍｍ幅宽、外观均匀平整的５２２２Ｂ树脂胶膜，然后将胶膜再与４８Ｋ碳纤维在１．２２ｍ热熔预浸机上进行复合浸渍，通过调整预浸温度、压力、速度、纤维张力等工艺参数，制出幅宽３００ｍｍ的４８Ｋ碳纤维预浸料，其纤维面密度为（１３０±５）ｇ，秆，预浸料树脂质量分数。为（３８±３）％，预浸料外观均匀、平整、无干纱。 １．４制备大丝束复合材料层压板 将１６层的４８Ｋ碳纤维预浸料按Ｏ。方向铺贴成单向板；将２０层４８Ｋ碳纤维预浸料按ｆ４５。／Ｏ。＾４５。／９０。／４５。／０。／－４５。／０。／４５。／－４５。ｌ。铺贴成多向板后，分别在热压机上模压成型。所制 收稿日期：２００３－ｌｌ—１２；修定日期：２∞３－１２一０５ 作者简介：刘宝锋【１９６７一），男，高级工程师，主要从事复合材料树脂基体及预浸料研制开发工作．
4.2构件混凝土缺陷(破损、缺失)的修补工程 1.主要材料：环氧砂浆; 3.作业条件 (1)熟悉图纸：对修补施工工艺、技术条款、现场情况进行全面了解及熟悉。 (2)根据修补特点和施工工艺要求，结合现场实际条件，认真做好环氧砂浆修补施工方案。并对施工人员进行安全、质量、技术交底。 4.施工工艺 (1)施工工艺流程 (2)基面处理 (3)对混凝土蜂窝、麻面、松散、空洞以及破碎、剥落等损伤部位及钢筋外露区域，采用人工凿除将松散污损部分清除，使该部位露出坚硬密实部分，并确保表面无油污、油脂、蜡状物、灰尘以及附着物等影响修补效果的物质。用角磨机、手钎或其他工具将混凝土面疏松部分凿除后，再用插尺或其他工具检查需要修补的区域，分析判断需修补的厚度是否大于5mm,如不够5mm则需对其进 行凿除，使该区域的修补厚度达到5mm。同时对修补区域的边缘进行凿槽处理, 避免在修补区边缘形成浅薄的边口。用角磨机将需修补的、凿除处理好的基面的污染物、松散颗粒清除干净，直至露出新鲜、密实的骨料。
4）用压缩空气吹去表面砂粒、灰尘，再用高压水冲洗混凝土基底，使基 面干净无灰尘，最后再用风干、压缩空气冲吹或采用其他干燥措施使基面充分干 燥。 5）配制环氧砂浆 在专用调制器具内进行配制，以人工或电动工具将其完全调匀，注意翻看环 氧砂浆的颜色，确保配好的修补砂浆色泽一致、搅拌均匀、和易性良好。 6）修补 ①用灰刀抹砂浆进行破损修补，涂抹时必须用力挤压，使其与混凝土粘结 密实。如遇有气泡则应刺破压紧，保证表面密实。当修补厚度较大时则应分层涂 抹，每层厚度不能超过1cm，边涂抹边压实找平，表面提浆。 ②涂抹的修复砂浆应连接平滑、流畅，且应严格控制修补区的高程及其与 未修补区的平顺过渡。 ③在树脂型修补砂浆初凝前，用灰刀将其表面抹平收光，表面平整且表面 不应有连接缝和下滑现象。 7）养护 环氧砂浆的养护在空气中干燥养护即可，对温度在25C以上时，养护时间 达到72小时后即可，若温度较低时（低于25C）可以适当延长养护时间或进行 保温养护。 8）应注意的质量问题 底板基面应处理好并做好隐蔽验收记录；环氧砂浆的厚度、表面平整度控制在设计范 围以内；设专人配制树脂型修补砂浆，并做好记录；树脂型修补砂浆固化期间不得对 其有任何扰动并不得用水湿润；
复合材料层合板强度计算现状 作者：李炳田 1．简介 复合材料是指由两种或者两种以上不同性能的材料在宏观尺度上组成的多相材料。一般复合材料的性能优于其组分材料的性能，它改善了组分材料的刚度、强度、热学等性能。复合材料从应用的性质可分为功能复合材料和结构复合材料两大类。功能复合材料主要具有特殊的功能，例如:导电复合材料，它是用聚合物与各种导电物质通过分散、层压或通过表面导 电膜等方法构成的复合材料；烧灼复合材料，它由各种无机纤维增强树脂或非金属基体构成，可用于高速飞行器头部热防护；摩阻复合材料，它是用石棉等纤维和树脂制成的有较高摩擦系数的复合材料，应用于航空器、汽车等运转部件的制动。功能复合材料由于其涉及的学科比较广泛，已不是单纯的力学问题，需要借助电磁学，化学工艺、功能学等众多学科的研究方法来研究。结构复合材料一般由基体料和增强材料复合而成。基体材料主要是各种树脂或金属材料；增强材料一般采用各种纤维和颗粒等材料。其中增强材料在复合材料中起主要作用，用来提供刚度和强度，而基体材料用来支持和固定纤维材料，传递纤维间的载荷。结构复合材料在工农业及人们的日常生活中得到广泛的应用，也是复合材料力学研究的主要对象，是固体力学学科中一个新的分支。在结构复合材料中按增强材料的几何形状及结构形式又可划分为以下三类： 1．颗粒增强复合材料，它由基体材料和悬浮在基体材料中的一种或多种金属或非金属颗 粒材料组合而成。 2．纤维增强复合材料，它由纤维和基体两种组分材料组成。按照纤维的不同种类和形状 又可划分定义多种复合材料。图1.1为长纤维复合材料的主要形式。 图1.1 3．复合材料层合板，它由以上两种复合材料的形式组成的单层板，以不同的方式叠合在 一起形成层合板。层合板是目前复合材料实际应用的主要形式。本论文的主要研究对象就是长纤维增强复合材料层合板的强度问题。长纤维复合材料层合板主要形式如图1.2所示。 图1.2 一般来说，强度是指材料在承载时抵抗破坏的能力。对于各向同性材料，在各个方向上强度均相等，即强度没有方向性，常用极限应力来表示材料的强度。对于复合材料，其强度的显著的特点是具有方向性。因此复合材料单层板的基本强度指标主要有沿铺层主方向（即纤维方向）的拉伸强度Xt和压缩强度Xc；垂直于铺层主方向的拉伸强度Yt和压缩强度Yc以及平面内剪切强度S等5个强度指标。对于复合材料层合板而言，由于它是由若干个单层
相对于当今最常见的混凝土结构，钢结构具备明显的优势。钢结构自重轻，抗震性能好，资源回收价值高，被称为可重复利用型与环保型绿色建筑。如今，钢结构的数量，更标志着一个国家或地区的经济实力，自我国提出在建筑中“积极、合理的用钢”后，我国钢结构的数量也在逐年呈上升趋势。 与混凝土结构类似，钢结构在外界环境与荷载的长期作用下，同样会不可避免的出现各种损伤与缺陷。钢结构损伤的长期累积，会导致结构力学性能劣化，甚至导致结构失效，为保证结构安全与节约资源就必须对钢结构进行加固处理。 一、钢结构传统加固方法 钢结构加固中，最传统的方式要属焊接加固。焊接加固即在结构受损部位焊接金属盖板或型钢，对钢结构起到加固补强的作用。焊接加固应用时间长，技术成熟度高，但存在焊接后材料性能变差、受操作人员影响程度高的风险。
另外，钢结构加固还可通过在原有钢结构上开孔，采用铆接与螺接的形式对钢结构进行加固。此种方式削弱了开孔处截面，产生新的应力集中，且受材料影响过大，加固效果不易保证。 二、碳纤维布在钢结构中的应用 碳纤维布在混凝土加固中取得的良好效果，令其在钢结构加固中也得到了关注。与钢结构中传统的修复方法相比，碳纤维布加固具有明显的优势。碳纤维布加固基本不增加原结构的重量与尺寸，最重要的是碳纤维布加固无需开孔、焊接，不会对钢结构造成损伤，保证原结构强度与整体性。 根据大量碳纤维布加固钢结构的试验与工程实例，已经证明了碳纤维布能够对钢结构起到有效加固，尤其是对受损结构与疲劳结构，能够有效提高结构承载
力，延长结构寿命。 三、钢结构加固中碳纤维材料的要求 既然钢结构可以像混凝土结构一样采用碳纤维布进行加固，是否意味着二者对于材料有着相同的需求呢？我们都知道，碳纤维布加固是通过配套浸渍胶，将碳纤维布与基材形成整体来共同受力，也就是说，碳纤维布与基材之间，能否形成整体将是影响加固效果的重要因素。而钢结构与混凝土结构属于不同种类基材，对材料的要求，自然会存在不同。 在GB 50728-2011安全性鉴定中，对钢结构中用到的浸渍胶进行了特殊的要求。相对于混凝土结构，钢结构对浸渍胶的各项指标要求有很大的提升。钢结构对胶体的高要求，导致大量在混凝土结构加固中采用的浸渍胶，在钢结构中变为不合格产品，在选择碳纤维布对钢结构进行加固时，应当尤为注意。
复合材料学报第35卷 第12期 12月 2018年Acta Materiae Com p ositae Sinica Vol .35No .12Dec 2018 DOI :10.13801/j .cnki.fhclxb.20180115.008收稿日期:2017-11-23;录用日期:2018-01-04;网络出版时间:2018-01-17 16:36网络出版地址:htt p s ://doi.or g /10.13801/j .cnki.fhclxb.20180115.008基金项目:国家 十三四五 重点研发项目(2017YFB0103705)通讯作者:莫凡,博士,研究员,硕士研究生导师,研究方向为车辆轻量化及异质材料连接技术 E -mail :mofan61@https://www.doczj.com/doc/3d16102714.html, 引用格式:毛才文,莫凡,彭亚南,等.碳纤维增强环氧树脂复合材料层合板结构及间隙尺寸对铆接性能的影响[J ].复合材料学报,2018,35(12):3280-3287.MAO C W ,MO F ,PENG Y N ,et al.Carbon fiber com p osite laminate structure and effect of clearance on rivetin g p ro p erties [J ].Acta Materiae Com p ositae Sinica ,2018,35(12):3280-3287(in Chinese ).碳纤维增强环氧树脂复合材料层合板结构 及间隙尺寸对铆接性能的影响 毛才文,莫凡*,彭亚南,邴明程 (同济大学材料科学与工程学院,上海201804) 摘 要: 通过对不同纺织结构的碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP )层合板与铝合金(AlM g 3)异质材料连接结构进行单剪切拉伸研究,分析间隙尺寸对不同纺织结构CFRP 层合板与AlM g 3连接结构性能的影响三试验结果表明,当CFRP 层合板铺层数目相同时,对于纺织结构不同二间隙配合尺寸相同的CFRP -AlM g 3单铆钉单剪切连接结构,编织结构碳纤维增强树脂基复合材料(WO -CFRP )层合板所受挤压应力比非编织结构碳纤维增强复合材料(UD -CFRP )层合板所受挤压应力大25%左右;对于纺织结构相同二间隙配合尺寸不同的CFRP -AlM g 3单铆钉单剪切连接结构,其各自铆钉所受剪切应力和连接CFRP 层合板所受挤压应力相差不大三同时对相同间隙尺寸二不同纺织结构的CFRP -AlM g 3单铆钉单剪切连接结构各个阶段挤压应力分析得知:其他条件一定,各个阶段中WO -CFRP 的挤压应力比UD -CFRP 的挤压应力高20%左右三最后研究间隙尺寸对CFRP -AlM g 3单铆钉单剪切连接结构性能的影响,发现铆钉与孔壁间隙尺寸对位移为铆钉直径大小的4%时的CFRP 层合板受到的挤压应力影响较大,铆钉与孔壁间隙大小增加0.1mm ,位移为铆钉直径大小的4%时的CFRP 层合板受到的挤压应力降低约17%,而对CFRP 层合板的初始损伤应力和破坏应力几乎没有影响,对铆钉所受剪切作用力和AlM g 3板材所受挤压应力也几乎没有影响三 关键词: CFRP 层合板;异质材料连接;单剪切拉伸;间隙尺寸;挤压应力中图分类号: TB302 文献标志码: A 文章编号: 1000-3851(2018)12-3280-08 Carbon fiber com p osite laminate structure and effect of clearance on rivetin g p ro p erties MAO Caiwen ,MO Fan *,PENG Ya nan ,BING Min g chen g (School of Materials Science and En g ineerin g ,Ton gj i Universit y ,Shan g hai 201804,China ) Abstract : The sin g le -shear tensile tests on carbon fiber reinforced p lastic (CFRP )laminates and aluminum allo y (AlM g 3)dissimilar materials with different textile structures were carried out to stud y the im p act of clearance on the j oinin g between CFRP laminates and AlM g 3.The test results show that the CFRP -AlM g 3sin g le -shear connec -tion structure with the same clearance and dissimilar textile structure when the la y ers of CFRP laminates are g iven ,the com p ressive stress of the woven fabric CFRP (WO -CFRP )laminates is about 25%hi g her than that of the unidi -rectional CFRP (UD -CFRP )laminates.Little difference occurs between the shear stress of their rivets and that of the CFRP laminate for CFRP -AlM g 3sin g le -shear j oinin g structures with the same textile structure and different clearance.At the same time ,the extrusion stress anal y sis of CFRP -AlM g 3sin g le -shear j oinin g structure of the same clearance and different textile structure was also studied.The extrusion stress of WO -CFRP in each sta g e is hi g her than that of UD -CFRP hi g h stress about 20%when the other conditions are g iven.Finall y ,the effect of clearance on the sin g le -shear j oinin g structure of CFRP -AlM g 3sin g le rivet was studied.The results show that the CFRP lam -inate has a g reater influence on the shear stress when the clearance is 4%of the rivet diameter.When the clearance 万方数据
碳纤维复合材料 编辑本段概况 在复合材料大家族中，纤维增强材料一直是人们关注的焦点。自玻璃纤维与有机树脂复合的玻璃钢问世以来，碳纤维、陶瓷纤维以及硼纤维增强的复合材料相继研制成功，性能不断得到改进，使其复合材料领域呈现出一派勃勃生机。下面让我们来了解一下别具特色的碳纤维复合材料。 编辑本段结构 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。 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。因此CFRP的比强度即材料的强度与其密度之比可达到2000Mpa/(g/cm3)以上，而A3钢的比强度仅为59Mpa/(g/cm3)左右，其比模量也比钢高。 编辑本段用途 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。
本科毕业论文 论文题目：PAN基碳纤维碳酸氢铵电解氧化表面处理研究 姓名：翟姣姣 学号：20140073110 院（系、部）：化学工程与生物技术学院 专业：化学 班级：2014级化接本 指导教师：臧红霞副教授 完成时间：2016 年 4 月
摘要 PAN基碳纤维是指化学组成中碳元素质量分数在90%以上的纤维材料，是利用各种有机纤维在惰性气体中，经过低温氧化、低温碳化及高温碳化而制的。为了得到高性能碳纤维需进行表面处理，表面处理是高性能碳纤维制备的重要环节之一。本文主要以5%的碳酸氢铵溶液为电解液，采用阳极氧化对PAN基碳纤维表面进行氧化处理，通过对碳纤维改性前后层间剪切强度、拉伸强度等力学性能进行对比分析，分别探讨了在恒流模式下调节电解电压和恒压模式下调节电解温度对PAN基碳纤维力学性能的影响。结果表明：在阳极氧化过程中随着电压强度的提高，碳纤维的拉伸强度、层间剪切强度呈现先上升后下降的趋势。随着温度的不断提高，碳纤维的拉伸强度呈现先下降后上升再下降的趋势、层间剪切强度呈逐步增大的趋势。 关键词：PAN基碳纤维；表面处理；电化学氧化；力学分析
Abstract PAN based carbon fiber is a fiber material in more than 90% of the mass fraction of carbon in the chemical composition,it is the use of various kind of organic fibers in an inert gas, after oxidation at low temperature, low temperature and high temperature carbonization and system.In order to get high-performance carbon fiber need to surface treatment, surface treatment is one of the important links of the preparation of high carbon fiber. In this paper, with5% of the ammonium bicarbonate solution as the electrolyte,oxidation on the surface of PAN based carbon fibers and oxidation treatment, through carries on the contrast analysis of carbon fiber before and after modification interlaminar shear strength, tensile strength and other mechanical properties were analyzed,in the constant, discussed under the mode of constant current and constant voltage electrolysis voltage mode electrolytic temperature on mechanical properties of PAN based carbon fiber effect.The results showed that with the increase of the voltage in the process of anodic oxidation,carbon fiber tensile strength,shear strength between the layers of first after rising downward trend.With the constant improvement of the temperature,the tensile strength of carbon fiber,showed a trend of rise and fall after the first drop,interlayer shear strength have been gradually increasing trend.With the increase of temperature,the tensile strength of carbon fibers showed a trend solid content properly. Keywords: pan-based carbon fiber；surface treatment；electrochemical oxidation；Mechanics analysis