碳纤维复合材料的性能与应用分析

  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。碳纤维的其它特性包括高度的X射线穿透性、较高的抗化学、抗热和抗低温能力。

  碳纤维材料抗拉强度3200-4000MPa,为同截面钢材的10倍以上,密度2.0-3.0g/cm3,单层厚度0.112-0.167mm,用粘结剂将它与结构物粘贴后形成一体,厚度仅为2mm左右,不用预加.工,施工方便,不用加压和起重,并且在提高构件静荷载、动荷载、构件刚度、构件的抗蠕变和构件的耐久性上都有突出的的效果。基本上不增加构件截面,而结构物自重的增加几乎可以忽略,能可靠地保证与原钢筋混凝土构件共同工作,获得优异的补强效果;在建筑结构加固上得到了普遍的应用。施工便捷占用场地少,不需大型机具,没有湿作业,无需动火,无需现场固定设施,施工工效高。高耐久性不会生锈,非常适合高酸、碱、盐及大气腐蚀环境中使用,还具有抗疲劳强度高,耐磨损、抗老化等特点。

  碳纤维可分别用聚丙烯腈纤维、沥青纤维、粘胶丝或酚醛纤维经碳化制得;按状态分为长丝、短纤维和短切纤维;按力学性能分为通用型和高性能型。通用型碳纤维强度为1000MPa、模量为100 GPa左右。高性能型碳纤维又分为高强型(强度2000MPa、模量250GPa)和高模量(模量300GPa以上)。强度大于4000MPa的碳纤维又称为超高强型;模量大于450GPa的称为超高模型。随着航天和航空工业的发展,还出现了高强高延伸型碳纤维,其延伸率大于2%。用量最大的是聚丙烯腈PAN基碳纤维。

  碳纤维的特性凸显也就意味着可以被应用于很多的领域,主要的应用包括体育运动,例如高尔夫大球棒和钓鱼杆;航空应用包括飞机元件和工业应用。广泛地应用于医疗设备、压力容器、土木工程和建筑材料、能源、其它新的工业应用上。碳纤维的生产成本也在逐渐降低,加工技术趋向多元化,制造商可以按照具体的应用领域提供一系列的碳纤维产品。在土木建材领域中,水泥的用量最大,但水泥有脆性大、抗拉强度低等缺点。为了克服这些弊端,人们利用碳纤维的力学特性,用混凝土或水泥做基体,制成碳纤维增强复合材料。碳纤维可加工成织物、毡、席、带、纸及其他材料。碳纤维除用作绝热保温材料外,一般不单独使用,多作为增强材料加入到树脂、金属、陶瓷、混凝土等材料中,构成复合材料。由于碳纤维有强度高、模量大、比重小、耐碱腐蚀,对人畜无害等特点,在土木建筑应用中日益,受到人们的青睐。