時(shí)間：2023-03-13 11:25:41
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1.高溫?zé)峤夥峤夥ㄊ钱?dāng)今唯一已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)營(yíng)的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的回收方法，這種工藝是在高溫下使復(fù)合材料進(jìn)行降解，以得到表面干凈的碳纖維，同時(shí)還可以回收部分有機(jī)液體燃料。日本在福岡縣興建的中試廠，每年可處理碳纖維復(fù)合材料廢棄物60t。意大利的Karborek等開發(fā)了一種在加熱過程中碳纖維不會(huì)被碳化的工藝技術(shù)，可得到的比原始纖維長(zhǎng)度較短的碳纖維[4]。從2003年，英國(guó)的MilledCarbonFiberLtd.開始回收加工碳纖維復(fù)合材料，是全球首家商業(yè)運(yùn)營(yíng)的專業(yè)回收公司。他們利用一套長(zhǎng)達(dá)37m的熱分解設(shè)備，每年大約可處理2000t的廢棄碳纖維復(fù)合材料，所生產(chǎn)的再生碳纖維的產(chǎn)量為1200t。其處理方法是在無氧狀態(tài)下加熱碳纖維復(fù)合材料廢棄物，保持溫度在400～500℃之間，得到的清潔碳纖維可具有90%～95%原始纖維的力學(xué)性能，同時(shí)分解出的熱解氣或熱解油也可用作熱分解的加熱能量[5]。美國(guó)AdherentTechnologiesInc(ATI)發(fā)明了一種低溫、低壓的碳纖維復(fù)合材料熱分解工藝，檢測(cè)表明，用這種方法回收并處理后碳纖維的表面基本上沒有受到損傷，碳纖維強(qiáng)度比原始纖維降低約為9%左右[6]。丹麥的ReFiber公司通過在無氧環(huán)境條件下，在溫度為500℃的旋轉(zhuǎn)爐中將碳纖維復(fù)合材料氣化，成功地用高溫?zé)峤夥ɑ厥樟藦?fù)合材料風(fēng)機(jī)葉片。德國(guó)的KarlMeyer再生材料公司開發(fā)的一種在加熱爐中通入保護(hù)氣體用以隔絕氧氣的新工藝，可使碳纖維復(fù)合材料分解后碳纖維基本沒有受到損傷。在這項(xiàng)工藝的研究中，該公司得到了陶氏化學(xué)公司和眾多研究所的技術(shù)支持和幫助，目前研制成功的試驗(yàn)裝置已經(jīng)正式投入了營(yíng)運(yùn)[7]。值得注意的是，采用高溫?zé)峤夥m然可以得到比較干凈、長(zhǎng)度較短的碳纖維，同時(shí)分解的復(fù)合材料的產(chǎn)物還可用作燃料或其他用途，但是碳纖維由于受到高溫和表面氧化等作用，碳纖維的力學(xué)性能降低的幅度比較大，這將使碳纖維的再利用受到一定的影響。
2.流化床熱分解法流化床熱分解法是一種采用高溫的空氣熱流對(duì)碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行高溫?zé)岱纸獾奶祭w維回收方法，通常這種工藝還采用旋風(fēng)分離器來獲得填料顆粒和表面干凈的碳纖維。英國(guó)諾丁漢大學(xué)對(duì)于流化床熱分解工藝方法進(jìn)行了系統(tǒng)研究，結(jié)果表明這種方法特別適用于那些含有其他混合物及污染物碳纖維復(fù)合材料報(bào)廢零部件的回收和利用[8]。Jiang等研究了在流化溫度500℃、流化速率1m/s、流化時(shí)間10min試驗(yàn)條件下得到回收纖維的表面特征，表面分析表明，碳纖維原始表面上的羥基(-OH)轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸潭雀咝┑聂驶?-C=O）和羧基（-COOH)，但其表面的氧/碳不變，而且碳纖維表面這種變化不影響回收纖維和環(huán)氧樹脂之間的界面剪切強(qiáng)度[9]。Yip等用溫度450℃的流化熱流，其速率為lm/s、流化床上砂粒的平均粒度為0.85mm的條件下，對(duì)碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行熱分解試驗(yàn)，回收得到的碳纖維長(zhǎng)度為5.9～9.5mm。試驗(yàn)表明，回收纖維的拉伸強(qiáng)度約為原纖維的75%，而彈性模量基本上沒有變化，因而回收得到的碳纖維可部分或全部取代原始短切碳纖維；并且原始碳纖維長(zhǎng)度越長(zhǎng)，回收得到的碳纖維的長(zhǎng)度也越長(zhǎng)[10]。大量的試驗(yàn)研究結(jié)果表明，流化床熱分解造成碳纖維拉伸強(qiáng)度降低的主要影響因素是砂粒對(duì)纖維表面由于摩擦作用造成了一定的損傷，而且碳纖維與旋風(fēng)分離器壁的摩擦也造成了碳纖維表面的破壞。因此，雖然用流化床分解法回收可得到比較干凈的碳纖維，但由于這種工藝受高溫、砂粒磨損等影響，導(dǎo)致了碳纖維長(zhǎng)度變短和碳纖維力學(xué)性能下降，因而也將影響所回收碳纖維的實(shí)際應(yīng)用范圍。
3.超/亞臨界流體法當(dāng)液體的溫度及壓力處于臨界點(diǎn)或臨界點(diǎn)的附近時(shí)，液體的相對(duì)密度、溶解度、熱容量、介電常數(shù)及化學(xué)活性等各種性質(zhì)都將會(huì)發(fā)生急劇的變化，從而使液體具有很高的活性、極強(qiáng)的溶解性、特異的流動(dòng)性、滲透性、擴(kuò)散性等性質(zhì)，人們正是利用超/亞臨界液體的這些特性，利用它們具有對(duì)于高分子材料的獨(dú)特溶解性能來分解碳纖維復(fù)合材料，在期待能最大限度地保留碳纖維的原始性能的前提下，獲得到干凈的碳纖維。PineroHemanzR等研究了在超臨界水中碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的分解過程。試驗(yàn)表明，在673K、28MPa下經(jīng)30min反應(yīng)，環(huán)氧樹脂的分解率為79.3％，當(dāng)加入氫氧化鉀（KOH）催化劑，環(huán)氧樹脂的分解率達(dá)到95.3％，而且所得到的碳纖維的拉伸強(qiáng)度能夠保持為原始纖維的90％～98%[11]。XiuFR等在在固體與液體比例為1∶10～1∶30g/mL的條件下，經(jīng)過在溫度300～420℃時(shí)分別反應(yīng)30～120min后，研究了廢棄印刷電路板在超臨界甲醇中的分解機(jī)理。試驗(yàn)結(jié)果分析表明，上述條件下分解的主要產(chǎn)物為含苯酚和甲基苯酚衍生物，并且發(fā)現(xiàn)當(dāng)反應(yīng)的溫度提高時(shí)，甲基苯酚衍生物的含量有所增加[12]。Liu等系統(tǒng)地研究了溫度、壓力、時(shí)間、催化劑及樹脂與水的比例這些因素對(duì)于復(fù)合材料分解的影響，表明原材料與水的比例對(duì)環(huán)氧樹脂的分解影響不大，而對(duì)于分解影響比較大的因素是分解反應(yīng)的溫度、時(shí)間和壓力。同時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果還表明，當(dāng)原料比為1g復(fù)合材料∶5mL水時(shí)，在溫度為290℃、經(jīng)過75min反應(yīng)后，環(huán)氧樹脂的分解率可高達(dá)到100%[13]。Bai等研究了在30±1MPa和440±10℃條件下，氧化的超臨界水對(duì)碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂的分解過程，結(jié)果表明在樹脂的分解率為85%時(shí)，碳纖維的表面上仍然有少量的環(huán)氧樹脂存在；而當(dāng)樹脂的分解率達(dá)到96%時(shí)，在碳纖維的表面上已經(jīng)基本上沒有樹脂的殘留。所獲得的碳纖維力學(xué)性能測(cè)試表明，隨著樹脂分解率增加，碳纖維的拉伸強(qiáng)度也進(jìn)一步下降，分析認(rèn)為這是由于回收的碳纖維的表面發(fā)生了過度氧化所致[14]。日本的Okajima等在400℃、20MPa、45min的試驗(yàn)條件下，用2.5%碳酸鉀(KCO3)作催化劑，在超臨界狀態(tài)下環(huán)氧樹脂的分解率為70.9%，而且得到的碳纖維的拉伸強(qiáng)度比原始纖維下降了15%[15]。英國(guó)諾丁漢大學(xué)的Pickering研究團(tuán)隊(duì)在超臨界狀態(tài)下研究了水、二氧化碳，甲醇、乙醇、丙醇和丙酮等多種溶劑對(duì)于碳纖維復(fù)合材料的分解作用，結(jié)果表明丙醇的溶解作用最好。試驗(yàn)結(jié)果表明，用超臨界丙醇回收的碳纖維的拉伸強(qiáng)度和剛度的是原始纖維99%；同時(shí)，研究還表明，甲醇和乙醇對(duì)聚酯類樹脂的溶解效果比較好，而對(duì)環(huán)氧樹脂的溶解效果比較差，而丙醇可很好地分解環(huán)氧樹脂復(fù)合材料[16]。我國(guó)哈爾濱工業(yè)大學(xué)的白永平等在超臨界水中通過添加氧氣，使分解速度大大提高，而且回收得到的碳纖維的強(qiáng)度幾乎沒有下降[17]。
二、CFRP的回收存在的主要問題
由于熱固性塑料經(jīng)過固化處理后，其內(nèi)部交聯(lián)成一種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定狀態(tài)，因而具有了不溶于各種溶劑，在加熱過程中也不會(huì)熔化的特性，長(zhǎng)期放置或掩埋也不會(huì)分解。因此，熱固性復(fù)合材料廢棄物的回收早在20世紀(jì)90年代初就已經(jīng)受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的高度關(guān)注，然而到目前為止，雖然有一些工藝和設(shè)備已經(jīng)投入生產(chǎn)應(yīng)用，但大部分的研究還處于試驗(yàn)階段。從國(guó)內(nèi)外目前碳纖維回收技術(shù)來看，碳纖維復(fù)合材料的回收原料主要以生產(chǎn)廢料和損壞或淘汰的復(fù)合材料零部件等，因而對(duì)于不同種類的碳纖維復(fù)合材料廢料分類回收還沒有系統(tǒng)化；當(dāng)前大量采用的熱融化樹脂制取碳纖維絲束，導(dǎo)致碳纖維性能大大降低，其性能和價(jià)格在市場(chǎng)上沒有競(jìng)爭(zhēng)力；其他一些方法雖然可將碳纖維從復(fù)合材料中分離出來，但由于纖維變短和性能下降，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染，因而還有待進(jìn)一步研究與完善[18]。近年來，各工業(yè)大國(guó)都在進(jìn)行碳纖維復(fù)合材料廢棄物的回收與再利用研究，以開發(fā)出高效、經(jīng)濟(jì)和可行的碳纖維回收利用技術(shù)，主要研究集中在粉碎碳纖維增強(qiáng)塑料、熱分解碳纖維復(fù)合材料、催化分解碳纖維復(fù)合材料、流化床回收碳纖維復(fù)合材料等回收工藝技術(shù)和再利用技術(shù)。如康隆(Cannon)公司參與了歐洲一個(gè)碳纖維回收再循環(huán)利用的項(xiàng)目，用回收的碳纖維絨毛或碳纖維氈加工復(fù)合材料部件，由于這些回收再利用碳纖維大約是原生材料價(jià)格的一半左右，而且其力學(xué)性能可達(dá)到全用新碳纖維制造部件的85%，因而經(jīng)濟(jì)效益非常可觀。
最近,德國(guó)的KarlMeyer再生材料公司在特殊的加熱爐中采用保護(hù)氣體的裝置回收碳纖維，所得到的碳纖維在外觀上與新碳纖維差別不很大，但纖維的長(zhǎng)度比較短，而且強(qiáng)度也有所下降，由于其價(jià)格比新碳纖維低廉，因而可以用機(jī)內(nèi)飾或其他的復(fù)合材料部件。另據(jù)報(bào)道，波音787夢(mèng)想飛機(jī)將用50%碳纖維材料制造，寶馬2款新車型的客艙用碳纖維制成，為此2公司簽訂了碳纖維復(fù)合材料回收利用研究的技術(shù)協(xié)議。再如，美國(guó)諾丁漢大學(xué)和波音公司計(jì)劃每年投資100萬美元，共同研究所有復(fù)合材料回收利用技術(shù)，主要進(jìn)行碳纖維回收工藝研究過程、回收碳纖維重新應(yīng)用等[19]。但到目前為止，這些開發(fā)工作還沒有進(jìn)入實(shí)質(zhì)性的研制階段，因而真正實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化回收和利用還尚需時(shí)日。碳纖維復(fù)合材料的回收和再利用具有多方面的經(jīng)濟(jì)效益，碳纖維回收和再利用不僅可以實(shí)現(xiàn)高價(jià)值材料的再利用，而且碳纖維復(fù)合材料部件回收和再利用可大大減少能源消耗和環(huán)境污染。但是，目前碳纖維復(fù)合材料回收和再利用仍面臨著許多問題，如碳纖維復(fù)合材料廢棄物的收集和分類比較困難；廢棄物回收和再利用的工藝技術(shù)還不十分成熟，大多數(shù)新研制的工藝技術(shù)仍停留在實(shí)驗(yàn)室階段，最終實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)還需要做很多工作；目前雖然已建有回收碳纖維復(fù)合材料的公司并可生產(chǎn)再生碳纖維，但再生碳纖維的利用還受到各種因素的限制，如其力學(xué)性能不穩(wěn)定就難以為用戶接受，也難以在要求性能較高的零部件上應(yīng)用。
三、結(jié)語
關(guān)鍵詞：碳纖維；復(fù)合材料；力學(xué)性能
本文以碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基復(fù)合材料為研究對(duì)象，對(duì)相關(guān)的概念和內(nèi)容進(jìn)行了梳理和總結(jié)。其中概括了碳纖維的性質(zhì)性能，對(duì)復(fù)合材料的概念進(jìn)行了闡述，最后對(duì)碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基復(fù)合材料的力學(xué)性能作了詳盡的分析說明。
1.關(guān)于碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基復(fù)合材料的概述
⑴復(fù)合材料的概念：面對(duì)傳統(tǒng)、單一組分的材料已經(jīng)難以滿足現(xiàn)在應(yīng)用需要的現(xiàn)實(shí)狀況，開發(fā)研制新材料，是解決這個(gè)問題的根本途徑。運(yùn)用對(duì)材料改性的方法，來改善材料的性能是可取的。而材料改性的方法中，復(fù)合是最為常見的一種。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織對(duì)于復(fù)合材料的概念有明確的界定：復(fù)合材料是指由兩種或兩種以上不同化學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)的物質(zhì)組成的混合固體材料。它的突出之處在于此復(fù)合材料的特定性能優(yōu)于任一單獨(dú)組分的性能。⑵復(fù)合材料的分類簡(jiǎn)介：復(fù)合材料的有幾種分類，這里不作一一介紹。只介紹兩種與本論文相關(guān)的類別劃分。如果以基體材料分類，復(fù)合材料有金屬基復(fù)合材料；陶瓷基復(fù)合材料；碳基復(fù)合材料；高分子基復(fù)合材料。本文討論的是最后一種高分子基復(fù)合材料，它是以有機(jī)化合物包括熱塑性樹脂、熱固性樹脂、橡膠為基體制備的復(fù)合材料。第二，如果按增強(qiáng)纖維的類別劃分，就存在有機(jī)纖維復(fù)合材料、無機(jī)纖維復(fù)合材料、其他纖維復(fù)合材料。其中本文討論的對(duì)象屬于無機(jī)纖維復(fù)合材料這一類別，因?yàn)樘祭w維就是無機(jī)纖維復(fù)合材料的其中一種。特別值得注意的是，當(dāng)兩種或兩種以上的纖維同時(shí)增強(qiáng)一個(gè)基體，制備成的復(fù)合材料叫做混雜纖維復(fù)合材料。實(shí)質(zhì)上是兩種或兩種以上的單一纖維材料的互相復(fù)合，就成了復(fù)合材料的“復(fù)合材料”。
2.纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的性能特點(diǎn)
纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料是指以高分子聚合物為基體材料，用纖維作增強(qiáng)材料復(fù)合制備而成的。基體材料和增強(qiáng)材料必然各自發(fā)揮自己的優(yōu)勢(shì)作用。之所以用纖維作增強(qiáng)材料是因?yàn)槔w維具有高強(qiáng)度和高模量的優(yōu)點(diǎn)，所以是承載體的“不二人選”。而采用高分子聚合物作基體材料，是考慮其良好的粘接性能，可以將纖維和基體牢固的粘連起來。不僅僅如此，基體還需發(fā)揮均勻分散載荷的作用，通過界面層，將載荷傳遞到纖維，從而使纖維承受剪切和壓縮的載荷。當(dāng)兩者存在良好的復(fù)合狀態(tài)，并且使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)趨于最佳化，就能最大程度上發(fā)揮復(fù)合材料的綜合性能。⑴抗疲勞性能好：所謂疲勞破壞指的是材料在承受交變負(fù)荷時(shí)，形成裂縫繼續(xù)擴(kuò)大而引起的低應(yīng)力破壞。纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的疲勞破壞的發(fā)生過程是，首先出現(xiàn)裂縫，繼而裂紋向進(jìn)一步擴(kuò)大的趨勢(shì)發(fā)展，直到被基體和纖維的界面攔阻。在此過程中，纖維的薄弱部位最先被破壞，隨之逐漸擴(kuò)延到結(jié)合面。因此，纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料在疲勞破壞前存在明顯的征兆，這與金屬材料的疲勞發(fā)生截然不同。這也是它的抗疲勞性能好的具體表現(xiàn)。⑵高溫性能好：纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料具有很好的耐熱性能。將材料置于高溫中，表面分解、氣化，在吸熱的同時(shí)又冷卻下來。材料在高溫下逐漸消失的同時(shí)，表面又有很高的吸熱效率。這些都是材料高溫性能卓越的物理特征。⑶高比強(qiáng)度和比模量：纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度和高比模量的特征。甚至在和鋼、鋁、鈦等金屬材料相比，它的力學(xué)性能也十分出色。這種材料在宇航工業(yè)中，受到極大的應(yīng)用。⑷安全性能好：纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料中分布的纖維數(shù)量巨大，并且密度強(qiáng)，用數(shù)據(jù)來說明的話，每平方厘米的復(fù)合材料上的纖維數(shù)量少則幾千根，多則達(dá)到上萬根。即便材料超負(fù)荷，發(fā)生少量纖維的斷裂情況，載荷也會(huì)進(jìn)行重新分配，著力在尚未斷裂的纖維部分。因此，短時(shí)間內(nèi)，不會(huì)影響到整個(gè)構(gòu)件的承載能力。⑸設(shè)計(jì)的可操作性強(qiáng)：當(dāng)復(fù)合材料需要符合性能和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需求時(shí)，可以通過很多方法來實(shí)現(xiàn)。包括改變基體和纖維的品種，調(diào)整它們的含量比例，也可以通過調(diào)整纖維的層鋪結(jié)構(gòu)和排列方式來實(shí)現(xiàn)。因此，可以說，纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料有很強(qiáng)的設(shè)計(jì)可操作性。⑹成型工藝簡(jiǎn)單易成：成型工藝過程十分簡(jiǎn)單易成，因其制品大多都是整體成型，無需使用到焊接、切割等二次加工，工藝流程簡(jiǎn)單好操作。一次性成型不僅可以減少加工的時(shí)間，同時(shí)減少了零部件、緊固件、接頭的損耗，使結(jié)構(gòu)更趨于輕量化。⑺減震性能好：高的自振頻率可以對(duì)工作狀態(tài)下的早期破壞起到規(guī)避和防范的作用。自振頻率和材料比模量的平方根成正比，和材料結(jié)構(gòu)也息息相關(guān)。纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的基體界面和纖維因?yàn)榫哂形衲芰Γ阅軌蚱鸬胶芎玫臏p震效果。
3.碳纖維增強(qiáng)熱塑料樹脂基復(fù)合材料中碳纖維的性質(zhì)
⑴對(duì)纖維的分類：纖維存在有機(jī)纖維和無機(jī)纖維之分。增強(qiáng)纖維共有五大類別，分別是：硼纖維、碳纖維、碳化硅纖維、氧化鋁纖維以及芳綸纖維。除最后一種芳綸纖維以外，其他四種都屬于無機(jī)纖維。碳纖維是五大纖維之冠，是增強(qiáng)纖維中最有活力的一種。碳纖維復(fù)合材料種類很多，但是應(yīng)用最廣泛的還要屬碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料。⑵碳纖維的性質(zhì)和性能：碳纖維是纖維狀的碳素材料，它的性質(zhì)包括導(dǎo)熱、導(dǎo)電、耐溫、耐磨、比重小且耐腐蝕性等。除此之外，它的性能也相當(dāng)突出，具有熱膨脹系數(shù)小、抗震動(dòng)衰減、自性以及防原子輻射等。因?yàn)樘祭w維的纖維屬性，因此可以對(duì)其編制加工，纏繞成型。利用纖維狀直徑細(xì)的特點(diǎn)，是制成復(fù)合材料雜曲面構(gòu)件部件的絕佳材料。碳纖維能夠成為最有活力的增強(qiáng)纖維，它密度低，抗拉伸強(qiáng)度可以和玻璃纖維比肩，而碳纖維的彈性模量卻是后者的4到5倍。在惰性氣氛中，碳纖維的抗拉強(qiáng)度隨溫度的升高而攀升，表現(xiàn)出極佳的性能。因此，不得不說碳纖維是復(fù)合材料增強(qiáng)纖維的首選。⑶碳纖維的力學(xué)性質(zhì)：碳纖維的力學(xué)性質(zhì)主要通過軸向抗拉模量來體現(xiàn)。當(dāng)熱處理溫度上升，碳纖維的模量隨之攀升。細(xì)直徑纖維在預(yù)氧化過程中，發(fā)生碳化，產(chǎn)生很多排列整齊的餓表皮結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)對(duì)碳纖維模量的增加又起到推波助瀾的作用，促使它的模量進(jìn)一步提高。碳纖維模量的變化趨勢(shì)以施加負(fù)荷的方式作為判別標(biāo)準(zhǔn)，不是隨應(yīng)變的增加而增加，就是隨應(yīng)變的增加而下降，無非是這兩種情況。
4.纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基復(fù)合材料的力學(xué)性能研究
關(guān)鍵詞：輕量化；碳纖維復(fù)合材料；性能；汽車B柱
1 概述
近年來，我國(guó)汽車工業(yè)得到了快速的發(fā)展，汽車產(chǎn)銷量位居世界第一，汽車工業(yè)已成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)。汽車給我們的出行帶來了便利，但也造成了環(huán)境污染等問題。在全球溫室效應(yīng)、能源危機(jī)和環(huán)境污染等日益嚴(yán)重的情況下，節(jié)能與環(huán)保成為擺在世界各國(guó)面前最重要的命題[1]。目前，汽車行業(yè)面臨的挑戰(zhàn)是，為了汽車工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，必須減少環(huán)境污染、節(jié)約資源。為應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)各國(guó)都開始研究和開發(fā)新能源汽車，就現(xiàn)階段技術(shù)而言，汽車輕量化是實(shí)現(xiàn)降低油耗和減少排放的有效途徑。有試驗(yàn)表明，汽車總體重量減輕10%，可提高6%-8%的燃油效率。降低1%汽車重量可降低0.7%的油耗[2]。由此可見汽車輕量化對(duì)于節(jié)能與環(huán)保有顯著效果，使其成為我國(guó)汽車行業(yè)大力發(fā)展的趨勢(shì)。對(duì)于乘用車來說，車身占整車質(zhì)量的40%-60%[3]，對(duì)于汽車油耗來說，約70%的油耗是用在了車身質(zhì)量上，因而車身的輕量化對(duì)于整車的節(jié)能、減排具有更為顯著的作用。
2 碳纖維復(fù)合材料汽車B柱模型建立
文章采用等代設(shè)計(jì)方法建立碳纖維復(fù)合材料汽車B柱模型，通過Hypermesh對(duì)B柱模型完成幾何清理并采用四面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，網(wǎng)格大小10mm。將畫好網(wǎng)格的B柱導(dǎo)入ABAQUS進(jìn)行碰撞分析。
碳纖維復(fù)合材料B柱鋪層方式為[0/45/90/-45]，鋪層層數(shù)為18層，每層厚度0.33mm。復(fù)合材料單向?qū)雍习宓牧W(xué)性能如表1所示。其中p為密度，E1、E2分別為單向?qū)雍习宓目v向、橫向彈性模量，u12為泊松比，G12為剪切模量，Xt、Xc為縱向拉伸、壓縮強(qiáng)度，Yt、Yc為橫向拉伸、壓縮強(qiáng)度，S為剪切強(qiáng)度。
3 碳纖維復(fù)合材料汽車B柱性能分析
以碳纖維復(fù)合材料汽車B柱的質(zhì)量、入侵量、吸能為響應(yīng)分析碳纖維復(fù)合材料汽B柱的綜合性能。并與金屬材料汽車B對(duì)比分析，與金屬材料汽車B柱相比碳纖維復(fù)合材料汽車B柱重量降低約33%，最大入侵量比金屬材料汽車B柱小12%，吸能效果也比金屬材料汽車B柱好。
參考文獻(xiàn)
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【關(guān)鍵詞】碳纖維；混凝土結(jié)構(gòu)；加固
碳纖維復(fù)合材料包含的方面又很多，其中主要有碳纖維、芳綸纖維以及玻璃纖維等，這些都是我們生活中經(jīng)常用到的，而且它們都具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕等特點(diǎn)。因此在80年代初，人們也將其作為主要的工程施工材料廣泛的應(yīng)用在工程施工中。碳纖維材料起初主要用于軍事、航天、船舶等工程當(dāng)中，并且取得了不錯(cuò)的效果，后來隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們?cè)谠械幕A(chǔ)之上對(duì)其進(jìn)行完善和改進(jìn)，從而擴(kuò)展到土木工程施工中來，對(duì)混凝土的修復(fù)和加固工作有著十分重要的意義。
1.碳纖維復(fù)合材料的特點(diǎn)及力學(xué)性能
碳纖維是當(dāng)前工程施工中的一種新型的施工材料。它具有良好的物理力學(xué)性能，這也是當(dāng)前用途最廣，性能最好的纖維材料。它在土木工程結(jié)構(gòu)當(dāng)中，有著極強(qiáng)的補(bǔ)強(qiáng)作用，可以對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理有效的修復(fù)和加固，從而提高土木工程的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。目前，由于我國(guó)的碳纖維生產(chǎn)技術(shù)比較落后，因此在進(jìn)行使用的時(shí)候，一般都是采用國(guó)外進(jìn)口的碳纖維片。這種碳纖維片有很多種，其中比較常見的有：?jiǎn)蜗蚱蜗蚩棽肌㈦p向織布等，這些也是我們工程施工中常用到的施工材料。
當(dāng)前，在土木工程中應(yīng)用的最為廣泛的碳纖維復(fù)合材料就是碳纖維增強(qiáng)塑料，這種材料在制作過程中，對(duì)其物理力學(xué)性能有著十分嚴(yán)格的要求，而且在施工性和耐久性方面也有著相應(yīng)的施工指標(biāo)。
碳纖維增強(qiáng)塑料的質(zhì)地比較輕，而強(qiáng)度比較高，經(jīng)相關(guān)測(cè)試，碳纖維增強(qiáng)塑料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要超過普通施工鋼材的好幾十倍。而且它本身具有的彈性模量和建筑施工鋼材相比，碳纖維增強(qiáng)彈性模量更強(qiáng)，耐久性和耐腐蝕性也比一般的建筑施工材料要強(qiáng)。由此可見，這種碳纖維復(fù)合材料，有著極強(qiáng)的物理力學(xué)性能，有利于土木工程結(jié)構(gòu)的加固與修復(fù)，極大程度上保障土木工程的質(zhì)量。
2.碳纖維增強(qiáng)塑料在土木工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀
2.1國(guó)外應(yīng)用現(xiàn)狀
目前在工程施工中，人們也開始嘗試著將碳纖維材料加入到混凝土當(dāng)中，從而制成碳纖維混凝土，應(yīng)用到工程項(xiàng)目當(dāng)中，并且取得了不錯(cuò)的效果。這種主要是將碳纖維的長(zhǎng)絲制作成和鋼筋一樣的棒材，在混凝土施工中，將其用來代替鋼筋，從而形成一種新型的結(jié)構(gòu)材料，這種碳纖維混凝土主要用在一些大型工程結(jié)構(gòu)建設(shè)當(dāng)中。而且在大型的土木工程建設(shè)的時(shí)候，人們將碳纖維材料加工成繩狀，將其作為工程施工的拉索結(jié)構(gòu)，不過這種方法并沒有對(duì)錨具連接的問題進(jìn)行很好的解決，但是在土方工程施工中，仍然在應(yīng)用。而碳纖維混凝土在混凝土工程施工建設(shè)中強(qiáng)度比較高，而且具有極強(qiáng)的耐久性和耐腐蝕性，這也對(duì)混凝土的開裂現(xiàn)象進(jìn)行了有效的控制，從而提高了土木工程的施工質(zhì)量。
在上個(gè)世紀(jì)80年代，發(fā)達(dá)國(guó)家就已經(jīng)開始將碳纖維材料應(yīng)用到混凝土結(jié)構(gòu)當(dāng)中，從而增強(qiáng)混凝土的物理力學(xué)性能，并且在90年代初期，發(fā)達(dá)國(guó)家就將其碳纖維混凝土材料廣泛的應(yīng)用到各個(gè)工程施工領(lǐng)域當(dāng)中，而且更具碳纖維優(yōu)異的物理力學(xué)性能，使的許多工程設(shè)施的結(jié)構(gòu)質(zhì)量都有著大幅度的提高。目前，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家不但將碳纖維施工技術(shù)應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，還對(duì)其施工生產(chǎn)技術(shù)掌握得十分成熟，而且現(xiàn)在有許多施工單位將這種碳纖維施工材料，應(yīng)用到了土木工程當(dāng)中，并且為社會(huì)建設(shè)提供了良好的條件。
2.2國(guó)內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀
碳纖維加固修補(bǔ)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)在我國(guó)起步較晚，但最近幾年系統(tǒng)地對(duì)碳纖維用于加固修補(bǔ)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)的研究也呈現(xiàn)不斷發(fā)展的趨勢(shì)，最初僅有國(guó)家工業(yè)建筑診斷與工程技術(shù)研究中心一個(gè)單位，相繼有清華大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、天津大學(xué)、東南大學(xué)、大連理工大學(xué)等十余家高等學(xué)校和科研設(shè)計(jì)單位嘗試地進(jìn)行過國(guó)產(chǎn)和進(jìn)口碳纖維織物加固混凝土構(gòu)件主要包括板、梁、柱等的模型實(shí)驗(yàn)、加固施工工藝及加固性能評(píng)價(jià)等方面的研究，已經(jīng)取得了實(shí)質(zhì)性成果，并在工業(yè)與民用建筑、橋梁與隧道以及公路工程中得到具體的應(yīng)用，收到了良好的效果，現(xiàn)在部分單位著手從事纖維增強(qiáng)材料加固混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)范的研究。該課題已列入建設(shè)部研究開發(fā)課題及國(guó)家科技部“九五”重點(diǎn)攻關(guān)課題。目前這項(xiàng)工作還處于剛剛起步階段。自1997年5月，國(guó)家工程中心已制作了一些試件，分為20余個(gè)工況，取得了構(gòu)件抗彎、抗剪和抗壓等一些有價(jià)值的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行了多項(xiàng)工程的試點(diǎn)與推廣。相信碳纖維增強(qiáng)材料在國(guó)內(nèi)將有廣闊的發(fā)展前景。
3.目前存在的問題
3.1力學(xué)研究方面存在的問題
碳纖維加固混凝土結(jié)構(gòu)的技術(shù)是得到國(guó)際上普遍認(rèn)同的開發(fā)熱點(diǎn)，其力學(xué)研究已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，然而，截止目前這方面工作還存在一些問題：（1）盡管對(duì)加固結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能進(jìn)行了一些試驗(yàn)研究，但是系統(tǒng)的理論分析和數(shù)值計(jì)算研究卻很有限。而這對(duì)于創(chuàng)立和發(fā)展這種嶄新的加固技術(shù)是必不可少的。（2）碳纖維加強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的破壞模式，如鋼筋屈服-碳纖維斷裂破壞、鋼筋屈服-混凝土壓碎、混凝土受壓破壞和碳纖維板于混凝土面的黏結(jié)破壞等各類破壞特性，尚需深入研究。（3）盡管對(duì)碳纖維加強(qiáng)構(gòu)件的彎曲、剪切延性、剛度能力等幾方面性能分別進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，但有關(guān)它們的綜合因素對(duì)加固材料的登記、數(shù)量以及施工工藝的影響的研究尚欠缺。（4）有關(guān)疲勞和抗震性能的研究不足，這對(duì)于評(píng)價(jià)加固結(jié)構(gòu)的綜合性能，預(yù)測(cè)其二次壽命至關(guān)重要。（5）碳纖維加強(qiáng)構(gòu)件與結(jié)構(gòu)其它部分或整體的協(xié)調(diào)性如何，荷載的重分布而引起的局部破壞可能、連接點(diǎn)的削弱程度等，尚待研究。
3.2尚待解決的技術(shù)關(guān)鍵
材料的國(guó)產(chǎn)化問題。盡管國(guó)外已有多種定型的碳纖維材料產(chǎn)品，但國(guó)內(nèi)的大規(guī)模開發(fā)應(yīng)用不能完全依賴于進(jìn)口產(chǎn)品，從降低成本及發(fā)展民族工業(yè)來講，國(guó)產(chǎn)化是必須的條件，目前國(guó)內(nèi)的PAN基碳纖維強(qiáng)度一般在2000～3000Mpa之間，彈性模量在2.1x105Mpa左右，其性能基本滿足加固要求，但在預(yù)浸料的生產(chǎn)和加工成品的質(zhì)量方面仍有較大的欠缺，均勻性也較差。因此材料的國(guó)產(chǎn)化問題是一個(gè)關(guān)鍵問題。
碳纖維加固修補(bǔ)使用的技術(shù)方面的問題，這主要體現(xiàn)在國(guó)內(nèi)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)程的制定上，盡管國(guó)外一些國(guó)家已有了較完善的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程，但并不適合我國(guó)，我們應(yīng)及早制定出自己的標(biāo)準(zhǔn)和施工指南，包括材料生產(chǎn)、使用、檢驗(yàn)、加固設(shè)計(jì)、計(jì)算、工程施工與驗(yàn)收的一系列標(biāo)準(zhǔn)化工作。
不過自碳纖維加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)研究開發(fā)成功后，給土木建筑領(lǐng)域加固改造技術(shù)帶來重大變革，采用碳纖維加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)將比以往從傳統(tǒng)的技術(shù)更優(yōu)越、更有效率和更方便經(jīng)濟(jì)，可以解決傳統(tǒng)的加固方法不能解決的技術(shù)問題，具有重大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。碳纖維加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)研究開發(fā)成功，將為碳纖維材料及其它高性能纖維材料應(yīng)用于建筑業(yè)打下深厚的基礎(chǔ)，開辟了新的產(chǎn)業(yè)途徑。
4.結(jié)束語
由此可見，碳纖維復(fù)合材料由于具有優(yōu)異的特性，在土木工程中得到的廣泛的應(yīng)用。它不但對(duì)土木工程中的混凝土結(jié)構(gòu)有著良好的加固修復(fù)功能，延長(zhǎng)了混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命，還極大程度上推動(dòng)了土木工程的發(fā)展，為是我國(guó)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)打下了扎實(shí)基礎(chǔ)。
【參考文獻(xiàn)】
關(guān)鍵詞：復(fù)合材料車體；輕量化；軌道交通；成型工藝
碳纖維復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、比剛度高、耐腐蝕、抗疲勞、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、方便整體成型等特點(diǎn)，在航空、航天等領(lǐng)域已經(jīng)獲得成熟應(yīng)用。隨著高速鐵路的快速發(fā)展，對(duì)車體輕量化的需求也越來越明顯，應(yīng)用復(fù)合材料制造的車體，具備重量輕、強(qiáng)度高、剛性大等特性，在有效地較低車體重量的同時(shí)，也提高了車體運(yùn)行的平穩(wěn)性和穩(wěn)定性。
復(fù)合材料是一種各向異性的材料，在設(shè)計(jì)過程中具有很強(qiáng)的靈活性，設(shè)計(jì)人員可以從選材、成型工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面綜合考慮，充分發(fā)揮復(fù)合材料比強(qiáng)度、比模量高的特性，在滿足強(qiáng)度要求的同時(shí)，通過結(jié)構(gòu)的優(yōu)化計(jì)算，減少材料的使用，從而達(dá)到減重、降低成本的目的，為復(fù)合材料在軌道車輛領(lǐng)域的應(yīng)用提供了可能。
復(fù)合材料車體和金屬車體相比存在一些需要解決的問題：碳纖維復(fù)合材料成本比較高、工藝成型技術(shù)水平要求高；復(fù)合材料車體需要達(dá)到和金屬車體一樣的防火要求，泡沫、樹脂、預(yù)浸料要做防火處理；復(fù)合材料車體需要考慮車體接地和電氣設(shè)備接地問題；車體大部件之間的連接方式要考慮滿足車體強(qiáng)度、使用壽命、整體密封等要求；復(fù)合材料車體應(yīng)避免開孔，或者避免在碳纖維連續(xù)傳力的區(qū)域開孔；復(fù)合材料車體小件需要選擇合適的連接方式。
1 國(guó)內(nèi)外復(fù)合材料車體應(yīng)用概況
復(fù)合材料除廣泛用于航空航天領(lǐng)域外，在軌道車輛制造業(yè)也有一定的應(yīng)用。有些國(guó)家已將復(fù)合材料廣泛地應(yīng)用到軌道車輛上，如法國(guó)國(guó)營(yíng)鐵路公司（SNCF）使用復(fù)合材料O計(jì)出了TGV雙層掛車，對(duì)其耐火性、抗沖擊強(qiáng)度進(jìn)行了運(yùn)行試驗(yàn)，證實(shí)了復(fù)合材料車體制造工藝是有效的，實(shí)現(xiàn)了CFRP車體結(jié)構(gòu)的重大突破。韓國(guó)TTX碳纖維復(fù)合材料整體車身也于2010年投入運(yùn)營(yíng)。Schindler Waggon公司應(yīng)用玻纖或碳纖維纏繞制成的輕型承載結(jié)構(gòu)車體在聯(lián)邦鐵路線上進(jìn)行運(yùn)行試驗(yàn)，運(yùn)行速度達(dá)到140km/h，也達(dá)到了滿意的效果。德國(guó)AEG和MBB與德國(guó)聯(lián)邦鐵路合作開發(fā)的世界上第一個(gè)復(fù)合材料轉(zhuǎn)向架構(gòu)架，在運(yùn)營(yíng)了100多萬公里后未檢測(cè)出任何磨損及損壞，與原結(jié)構(gòu)相比不僅重量大大減少，同時(shí)也提高了運(yùn)行舒適度、降低了檢修成本。此外，復(fù)合材料在車廂內(nèi)飾件以及車頭前端領(lǐng)域的應(yīng)用也比較廣泛。
國(guó)內(nèi)復(fù)合材料在軌道交通中應(yīng)用還處于試驗(yàn)階段，主要應(yīng)用還受限于車頭前端和車廂內(nèi)飾件，復(fù)合材料在整車的應(yīng)用上還處于研究階段。
2 材料性能和成型工藝
碳纖維復(fù)合材料車體各部件主要采用碳纖維-芯層結(jié)構(gòu)（類似于三明治結(jié)構(gòu)），碳纖維-芯層結(jié)構(gòu)主要由兩層碳纖維蒙皮中間加入泡沫或蜂窩夾芯組成，碳纖維-芯層結(jié)構(gòu)不僅具有質(zhì)量輕、彎曲剛度和強(qiáng)度大，還具有耐疲勞性、隔音隔熱等優(yōu)點(diǎn)。在車體設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)車體結(jié)構(gòu)承載要求，在夾層內(nèi)部預(yù)埋縱、橫加強(qiáng)梁，或者在承載區(qū)域做局部加強(qiáng)，在不承力區(qū)域可以做適當(dāng)減薄處理。
復(fù)合材料成型工藝主要有手糊成型、噴射成型、拉擠成型、纏繞成型、真空熱壓罐成型及真空導(dǎo)入成型等成型工藝。手糊成型雖然工藝簡(jiǎn)單、價(jià)格相對(duì)比較便宜，但是由于生產(chǎn)效率很低、質(zhì)量不穩(wěn)定等因素不適于生產(chǎn)結(jié)構(gòu)件。噴射成型為使用短切纖維和樹脂經(jīng)過噴槍混合后，壓縮空氣噴灑在模具上，然后經(jīng)過按壓固化成型，可用于制造過程中的過渡層。拉擠成型適合于生產(chǎn)各種截面形狀的型材，如工字型、槽型等截面型材。纏繞成型可用于制造圓柱體、球體、筒形等回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)。真空熱壓罐成型工藝，需要將預(yù)浸料在磨具中按照設(shè)計(jì)要求鋪好后，送入熱壓罐中加溫加壓固化成型。這種成型工藝方法生產(chǎn)的產(chǎn)品韌性好、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、尺寸精度較高、工藝穩(wěn)定性好，但是對(duì)溫度控制、設(shè)備成本、工藝水平等要求比較高，制造成本比較昂貴，所以此種成型工藝只適用于制造車體的一些承力件，比如底架邊梁、牽枕緩結(jié)構(gòu)。真空袋壓成型工藝的特點(diǎn)是既能獲得相較于手糊工藝的高強(qiáng)度重量比和尺寸精度，同時(shí)和熱壓罐成型工藝相比制造成本相對(duì)較低，所以此種方法適合于車體大部件的設(shè)計(jì)。
以車體底架為例，車體底架整體采用復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)，選用熱壓罐成型工藝，成型步驟如下：模具準(zhǔn)備；底架上蒙皮鋪貼；底架上蒙皮固化成型；加入包裹膠膜的泡沫，同時(shí)可以加入預(yù)埋金屬件或復(fù)合材料預(yù)制件；泡沫與底架上蒙皮整體成型；在泡沫結(jié)構(gòu)上鋪貼底架下蒙皮；整體固化。
3 復(fù)合材料車體關(guān)鍵問題研究
3.1 防火要求
復(fù)合材料選用的材料，如預(yù)浸料、樹脂、粘接劑、泡沫，要滿足軌道車輛的防火要求，如果選用的樹脂、預(yù)浸料，不滿足防火要求，需要加入防火材料，滿足整體的防火要求。
3.2 接地和電磁兼容要求
金屬車體可以導(dǎo)電，所以只需要將車體上的接地設(shè)備先連接到車體上，通過車體連入轉(zhuǎn)向架輪對(duì)導(dǎo)入大地，復(fù)合材料車體為不良導(dǎo)體，需要對(duì)設(shè)備統(tǒng)一做接地處理，可以考慮在夾層內(nèi)部預(yù)埋銅板，然后在設(shè)備需要接地的位置通過螺栓連接到銅板，最后將整個(gè)銅板通過轉(zhuǎn)向架輪對(duì)導(dǎo)入大地。
電磁兼容要保證整車電磁兼容的要求，對(duì)于車下磁場(chǎng)較強(qiáng)部位，需要作隔磁處理。
3.3 剛度要求
由于碳纖維-芯層結(jié)構(gòu)為各項(xiàng)異性材料，車體剛度要保證在正常載荷和自然頻率下，車體變形不超過運(yùn)行條件所決定的極限值，需要在車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，選擇合適比重的芯層結(jié)構(gòu)，并在車體變形比較大的區(qū)域做局部加強(qiáng)。
3.4 車體大部件連接方式
碳纖維車體不能像金屬車體一樣通過焊接方式來連接車體大部件，需要考慮通過膠粘或者螺栓、鉚釘?shù)染o固件的方式進(jìn)行連接，在考慮連接強(qiáng)度的同時(shí)，還要重點(diǎn)考慮整車壽命要滿足設(shè)計(jì)要求，以及連接后整車的密封和防水要求。
3.5 開孔問題
復(fù)合材料車體在做系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)避免在承力區(qū)域開孔，否則可能導(dǎo)致碳纖維傳力的不連續(xù)。
3.6 車體小件連接方式
復(fù)合材料車體由于無法焊接，小件只能通過膠粘或者緊固件連接，小件材質(zhì)若為金屬材質(zhì)，還要在復(fù)合材料夾層中預(yù)埋金屬板，然后再通過緊固件進(jìn)行連接。
4 碳纖維復(fù)合材料車體在軌道車輛領(lǐng)域的可行性分析
碳纖維復(fù)合材料車體主要受幾方面的制約，主要包括：碳纖維材料成本比較高、成型工藝要求比較高、設(shè)計(jì)者需要具備一定的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、量產(chǎn)料件如何保證工藝穩(wěn)定性和產(chǎn)品質(zhì)量。
碳纖維復(fù)合材料車體的應(yīng)用還處于初級(jí)階段，針對(duì)復(fù)合材料的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、工藝規(guī)范、材料標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品檢驗(yàn)和試驗(yàn)驗(yàn)證等工作還沒有建立或完善，需要大量的試驗(yàn)研究和試驗(yàn)驗(yàn)證工作。這些因素也阻K了碳纖維復(fù)合材料在軌道交通領(lǐng)域的發(fā)展。
碳纖維復(fù)合材料車體如果想要在軌道交通領(lǐng)域很好的應(yīng)用，就要在以下幾個(gè)方便做考慮，首先材料選擇上可以考慮在次承力結(jié)構(gòu)上采用玻纖和碳纖混雜設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮碳纖維材料強(qiáng)度高，玻纖價(jià)格便宜的優(yōu)勢(shì)，將減重和降低成本整體考慮；其次在設(shè)計(jì)過程中，考慮結(jié)構(gòu)優(yōu)化、系統(tǒng)集成，在提高復(fù)合材料隔聲隔音前提下，就可以考慮將車體結(jié)構(gòu)、內(nèi)裝結(jié)構(gòu)集成在一起，去除防寒和隔音材料，這樣就可以大幅度較少整車重量、降低成本；最后一定要優(yōu)化工藝成型技術(shù)，簡(jiǎn)化工藝過程、提升工藝穩(wěn)定性、提高生產(chǎn)效率。
5 結(jié)束語
隨著對(duì)碳纖維復(fù)合材料研究的深入，逐步解決碳纖維復(fù)合材料車體設(shè)計(jì)中存在的問題，碳纖維復(fù)合材料在軌道車輛車體上的應(yīng)用也會(huì)越來越廣泛。
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粘貼鋼板法是混凝土結(jié)構(gòu)常用的加固方法，一般是采用環(huán)氧樹脂或?qū)ｉT結(jié)構(gòu)膠將鋼板直接粘貼在混凝土構(gòu)件表面，使之與構(gòu)件形成受力整體。土木工程中的新技術(shù)往往來自新材料的應(yīng)用。自上世紀(jì)七十年代末初期，歐洲進(jìn)行纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FRP）在土木工程應(yīng)用研究以來，具有極好的比強(qiáng)度和比剛度、優(yōu)秀耐腐蝕性的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料已廣泛用于混凝土結(jié)構(gòu)的粘貼加固工程，形成了纖維增強(qiáng)復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)加固已有混凝土橋梁的新技術(shù)，其中碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）應(yīng)用更多。本文根據(jù)國(guó)內(nèi)外關(guān)于碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)加固的工程研究，介紹這一新技術(shù)的材料特性、施工方法和技術(shù)措施。
1、材料的基本特性
碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)加固所采用的基本材料是高強(qiáng)度或高彈性模量的連續(xù)碳纖維，單向排列成束，用環(huán)氧樹脂浸漬固化的碳纖維板或未經(jīng)樹脂浸漬固化的碳纖維布，統(tǒng)稱碳纖維片材。將片材用專門配制的粘貼樹脂或浸漬樹脂粘貼在橋梁混凝土構(gòu)件需補(bǔ)強(qiáng)加固部位表面，樹脂固化后與原構(gòu)件形成新的受力復(fù)合體，共同工作。
碳纖維片材：
片材碳纖維材料的拉伸強(qiáng)度在（2400～3400）MPa之間，與普通碳素鋼板拉伸強(qiáng)度為240MPa相比，片材的拉伸強(qiáng)度很高。片材碳纖維材料的彈性模量依片材力學(xué)性能不同，碳纖維片材依力學(xué)性能分成高模量、高強(qiáng)度和中等模量三類。高模量碳纖維片材的彈性模量較高，但其伸長(zhǎng)率較低。
相比之下，碳纖維片材的單位重比鋼材低許多，說明碳纖維片材較輕。碳纖維的化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，本身不會(huì)受酸堿鹽及各類化學(xué)介質(zhì)的腐蝕，有良好的耐寒和耐熱性。
配套樹脂類粘結(jié)材料；
混凝土結(jié)構(gòu)加固修補(bǔ)配套樹脂系統(tǒng)包括底層涂料，用于滲透過混凝土表面，促進(jìn)粘結(jié)并形成長(zhǎng)期持久界面的基礎(chǔ)；油灰，用于填充整個(gè)表面空隙并形成平整表面以便使用碳纖維片材；浸漬樹脂或粘結(jié)樹脂，前者用于碳纖維布粘貼，后者用于碳纖維板粘貼。
浸漬樹脂或粘貼樹脂是將碳纖維片粘附于混凝土構(gòu)件表面并與之緊密地結(jié)合在一起形成整體共同工作的關(guān)鍵，因此，樹脂同混凝土的粘貼強(qiáng)度大于混凝土的拉伸強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度。
就混凝土結(jié)構(gòu)用碳纖維片材加固技術(shù)而言，環(huán)氧樹脂在不同施工環(huán)境溫度下固化性能有十分重要的意義，因?yàn)檫@涉及到粘貼工作質(zhì)量與如何盡量減少構(gòu)件正常使用中斷時(shí)間緊密相關(guān)。采用專配的環(huán)氧樹脂材料，在混凝土施工表面溫度（10～40）攝氏度時(shí)，粘貼環(huán)氧樹脂固化時(shí)間約15小時(shí)以上，但粘貼后就可以使用的時(shí)間為45分鐘以上，專配的環(huán)氧樹脂材料的這一性能是完全適合混凝土構(gòu)件的加固工作。
2、碳纖維片材加固混凝土構(gòu)件的形式
碳纖維片材主要用于混凝土的基本構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)的加固補(bǔ)強(qiáng)，其加固的效果主要是提高構(gòu)件的抗彎承載力、抗剪承載力以及受壓構(gòu)件的軸向抗壓承載力；提高構(gòu)件的剛度以及延性。除此之外，許多室內(nèi)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明，碳纖維片材加固的混凝土構(gòu)件裂縫寬度發(fā)展可以得到控制。
由于碳纖維片材，特別是碳纖維布質(zhì)量輕且厚度薄，具有一定柔度，在混凝土構(gòu)件的有關(guān)部位加固較靈活。碳纖維片材因碳纖維排列方向不同而使各方向拉伸強(qiáng)度不相同，碳纖維片材的纖維向與受力向相同時(shí)，其拉伸強(qiáng)度最高，反之，纖維方向與受力方向垂直時(shí)，其強(qiáng)度最低。因此，在采用碳纖維片材進(jìn)行加固設(shè)計(jì)中，必須正確掌握纖維的布置方向。根據(jù)混凝土構(gòu)件加固計(jì)算，可以采用連續(xù)式粘貼或條帶間隔粘貼碳纖維片材的方式。研究表明，分條加固的效果要優(yōu)于整條布的加固效果。
3、粘貼碳纖維片材加固施工技術(shù)
面層處理；
混凝土表面的劣化層（例如風(fēng)化、游離石灰、脫模劑、剝離的砂漿、粉刷層、污物等）必須用砂輪機(jī)去除并研磨。用空氣噴嘴、砂輪機(jī)與毛刷將待補(bǔ)強(qiáng)區(qū)的粉塵及松動(dòng)物質(zhì)會(huì)除，用水洗凈后，必須使其充分干燥。
斷面修復(fù)；
將混凝土面層的不良部分（例如剝落、孔隙、蜂窩、腐蝕等）清除。若有鋼筋外露情形，必須先做好防蝕處理，再以強(qiáng)度相等或大于混凝土的環(huán)氧樹脂砂漿材料修補(bǔ)。裂縫以環(huán)氧樹脂灌注。裂縫或打除部分若有漏水情形時(shí)，應(yīng)先做好止水、導(dǎo)水處理。
表面修正；
表面平整度凸出部分（小突起等）以切割機(jī)或砂輪機(jī)將其鏟除并使其平滑。凹陷部分（打除部分）以環(huán)氧樹脂或樹脂砂漿填補(bǔ)。轉(zhuǎn)角處需研磨至凸角R=20毫米（R一曲率半徑）以上，凹角則以樹脂砂漿填補(bǔ)。
底層涂料；
氣溫在5攝氏度以下，雨天或RH>95%時(shí)，不可施工。施工范圍的溫度、濕度確認(rèn)后，選用適當(dāng)?shù)牡讓油苛稀Ｊ┕がF(xiàn)場(chǎng)空氣應(yīng)十分流通，嚴(yán)禁煙火。施工時(shí)必須要穿帶保護(hù)裝備（口罩、護(hù)目鏡及橡皮手套）。
碳纖維片材的粘貼；
纖維貼片預(yù)先以剪刀、刀子依所設(shè)計(jì)的尺寸大小裁好。依使用量剪裁尺寸、長(zhǎng)度在2米以內(nèi)最適當(dāng)。為防止保管期間的破損，裁剪數(shù)量只裁所需使用的數(shù)量。施工面底漆的干燥程度可以指觸確認(rèn)。底漆施工超過1星期以上時(shí)，應(yīng)以砂輪機(jī)磨平。
將環(huán)氧樹脂的主劑（A劑）和硬化劑（B劑）依所規(guī)定的配比放置于拌合桶中，使用電動(dòng)攪拌機(jī)，使其均勻的混合（約2分鐘）。一次的拌合量為在可使用時(shí)間的施工量，超過可使用時(shí)間的材料，不可使用。
環(huán)氧樹脂用毛刷滾輪平均涂布（涂布底漆上）。涂布量隨施工面的表面粗糙程度會(huì)有所變化，轉(zhuǎn)角部分要多涂。強(qiáng)化纖維粘貼于樹脂涂布面后，以毛刷滾輪和橡皮刮刀順著纖維方向用力推平，使樹脂浸透并去除氣泡，纖維（長(zhǎng)向）方向的搭接長(zhǎng)度至少要留10厘米，短向則不用留。粘貼后放置30分鐘，若纖維有浮出或脫線情形發(fā)生時(shí)，以滾輪或橡皮刮刀壓平修正。
兩層以上的強(qiáng)化纖維相疊貼時(shí)，重復(fù)步驟。施工現(xiàn)場(chǎng)空氣應(yīng)十分流通，嚴(yán)禁煙火。施工時(shí)必須要穿戴保護(hù)裝備（口罩、護(hù)目鏡及橡皮手套）。
4、有關(guān)混凝土橋梁技術(shù)應(yīng)用問題
粘貼碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)在歐洲、美國(guó)、加拿大和日本已經(jīng)廣泛應(yīng)用，并且進(jìn)行了深入的研究。我國(guó)在這方面的工程實(shí)踐也是在二十世紀(jì)九十年代中期才開始，就我國(guó)公路混凝土橋梁有關(guān)粘貼碳纖維片材加固新技術(shù)應(yīng)用推廣的問題做如下討論。
粘貼碳纖維片材加固混凝土橋梁是一項(xiàng)新技術(shù)，使得粘貼加固法成為公路橋梁快速加固方法，適合公路橋梁加固期間盡量不影響橋梁正常營(yíng)運(yùn)的要求。碳纖維片材輕、現(xiàn)場(chǎng)粘貼無需重型設(shè)備、施工便利，便于橋下的高空作業(yè)，可在公路橋梁上推廣應(yīng)用。
對(duì)于公路舊混凝土橋梁的加固方法，在工程上應(yīng)用效果較好的是綜合法，即以某種加固方法為主，輔以其它方法，這必須依照橋梁現(xiàn)場(chǎng)的外觀檢查和技術(shù)狀況評(píng)定，加固設(shè)計(jì)要求而定。目前，粘貼碳纖維片材加固方法往往輔以裂縫灌漿、裂縫封閉等方法。
我國(guó)目前在工程中采用的碳纖維片材材料及配套樹脂類粘結(jié)材料，是以國(guó)外進(jìn)口材料為主，國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品較少，且產(chǎn)品的勻質(zhì)性及低樹脂含量等技術(shù)指標(biāo)上還有差距。這樣，進(jìn)口的材料單價(jià)就顯高，這往往影響技術(shù)的經(jīng)濟(jì)決策。因此，除了應(yīng)盡快采取先進(jìn)技術(shù)及措施使國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品提高質(zhì)量外，在碳纖維片材加固技術(shù)應(yīng)用中，應(yīng)當(dāng)更多從加固效果，耐久方面來考慮橋梁加固后正常運(yùn)營(yíng)效益與經(jīng)濟(jì)性。
在國(guó)外先進(jìn)國(guó)家的科學(xué)研究工程實(shí)踐基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)公路舊橋的加固維修特點(diǎn)與經(jīng)驗(yàn)，盡快編制碳纖維片材加固技術(shù)的指南，以指導(dǎo)工程應(yīng)用。？碳纖維片材加固補(bǔ)強(qiáng)公路混凝土橋梁是粘貼加固新技術(shù)，需要結(jié)合我國(guó)的工程特點(diǎn)進(jìn)行深入研究和不斷提高，使我國(guó)公路舊橋加固維修技術(shù)達(dá)到新的水平。
參考文獻(xiàn)
【關(guān)鍵詞】碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料；建筑工程；施工
在建筑工程中，使用碳纖維材料的主要作用在于加固結(jié)構(gòu)，該材料的使用可以促使工程承載能力大大提升，或者促進(jìn)工程承載功能的改善，目前在建筑施工中的有所應(yīng)用。在施工中常應(yīng)用到的碳纖維材料包括碳纖維網(wǎng)格、碳纖維板、碳纖維條帶、碳纖維布等。在加固過程中，要以加固方法、加固部位、加固能力等因素為依據(jù)，對(duì)材料進(jìn)行選擇。若加固構(gòu)件比較復(fù)雜，則需選擇強(qiáng)度較高的碳纖維布，如果加固方法為嵌入式加固，則需選擇碳纖維條帶或者碳纖維板[1]。在柱加固、平板加固中，需選用柔性挪摹＝ㄖ工程結(jié)構(gòu)不同，對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的選擇也不同，在材料使用過程中，要充分考慮到施工性能、耐久性能、力學(xué)性能等因素，確保碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料復(fù)合施工要求。
一、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的特征
目前，在建筑工程施工中，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的使用逐漸增多，該材料的主要特征為纖維增強(qiáng)，產(chǎn)品形式較多，包括網(wǎng)格材、模壓型材、拉擠型材、筋材、片材、格柵，其中片材包括纖維板、纖維布兩種，應(yīng)用最多的是纖維布，在結(jié)構(gòu)工程加固中非常受用，在使用之前，無需浸潤(rùn)樹脂，加固過程中，經(jīng)樹脂浸潤(rùn)后，可于結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行粘貼。
（一）具備耐腐蝕性
碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具備耐腐蝕性的特征，在潮濕、氯鹽、堿、酸性環(huán)境中均可被使用，該材料在海洋工程、化工建筑等工程中適用，其腐蝕性已經(jīng)被得到驗(yàn)證。針對(duì)近海地區(qū)、寒冷地區(qū)的建筑，可將碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料應(yīng)用于其中，能夠?qū)諝鈨?nèi)鹽分腐蝕起到抵抗作用，促使結(jié)構(gòu)維修費(fèi)用減少，可將結(jié)構(gòu)使用壽命延長(zhǎng)[2]。
（二）擁有良好的比強(qiáng)度
所謂比強(qiáng)度較高，也就是指輕質(zhì)高強(qiáng)，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料可將結(jié)構(gòu)自重減輕，在建筑工程施工中，若采用傳統(tǒng)材料施工，則會(huì)降低大跨度空間結(jié)構(gòu)體系理論極限跨度，另外，該材料還能夠被應(yīng)用于抗震結(jié)構(gòu)內(nèi)，因其可將結(jié)構(gòu)自重減輕，從而促使地震作用減小，提升建筑結(jié)構(gòu)的安全性與耐疲勞功能[3]。
（三）彈較好 可應(yīng)用于特殊場(chǎng)合
碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的彈較好，應(yīng)力應(yīng)變曲線與線彈性接近，即便因偶然超載出現(xiàn)變形，也可自行恢復(fù)。另外，該材料還擁有良好的隔熱、絕緣等功能，在特殊場(chǎng)合中受用，包括醫(yī)療核磁共振設(shè)備、地磁觀測(cè)站、雷達(dá)站等。
（四）設(shè)計(jì)性強(qiáng)
在建筑施工中，以工程所需的纖維含量、材料性質(zhì)、鋪設(shè)方式等為依據(jù)，需選取不同設(shè)計(jì)的材料，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料屬于人工材料，其設(shè)計(jì)性比較強(qiáng)，針對(duì)建筑功能的特殊要求，可采用不同的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)比較靈活。
與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料相比，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料主要是各向異性材料，材料的彈性模量、纖維方向強(qiáng)度非常高，垂直纖維彈性模量、方向強(qiáng)度低，會(huì)導(dǎo)致碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料設(shè)計(jì)難度、結(jié)構(gòu)分析難度增加。該材料在彈性模量上與木材、混凝土的數(shù)量級(jí)基本一致，其設(shè)計(jì)主要為變形控制，與鋼材相比，該材料的彈性模量要低，可將混凝土與碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料相組合，對(duì)結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行控制，可彌補(bǔ)剛度不足的缺陷[4]。
碳纖維材料的層間拉伸強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度低于抗拉強(qiáng)度，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，需將連接減少，同時(shí)還需注重對(duì)連接進(jìn)行設(shè)計(jì)。通常而言，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料并不具備良好的防火性能，在高溫情況下，樹脂會(huì)漸漸軟化，可降低樹脂的力學(xué)性能。現(xiàn)階段，可將阻燃劑加入材料中，使材料的抗火性能大大提升，除此之外，工作環(huán)境、初始缺陷會(huì)對(duì)該材料的抗疲勞性能產(chǎn)生較大影響。從經(jīng)濟(jì)的角度上而言，碳纖維材料的價(jià)格比較昂貴，不過該材料具備耐腐蝕、自重輕、可減少維修次數(shù)等特征，應(yīng)用價(jià)值更高[5]。
二、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在建筑工程中的具體應(yīng)用
本文以某建筑施工情況為例，分析碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在建筑工程中的具體應(yīng)用。在該施工工程中，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的主要作用為加固，在混凝土結(jié)構(gòu)加固、鋼結(jié)構(gòu)加固修復(fù)中發(fā)揮了重要作用。
（一）材料在加固混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用
①混凝土纏繞。利用碳纖維布，對(duì)加固混凝土進(jìn)行纏繞，可達(dá)到混凝土加固的目的。對(duì)混凝土進(jìn)行約束，能夠促使其變形能力、強(qiáng)度的提升，還可將混凝土柱的抗剪能力提升。截面形狀與碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料對(duì)混凝土柱的約束效應(yīng)兩者間存在較大關(guān)聯(lián)，針對(duì)矩形截面柱，其承壓能力非常有限，提高幅度不大，不過可提高其抗剪能力、變形能力。在加固過程中，通過處理截面形狀，使其有一定弧度，能夠促使結(jié)構(gòu)受壓能力提升[6]。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料將混凝土柱纏繞起來，能夠改善結(jié)構(gòu)延性。
②將碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料粘貼于受拉面。將該材料粘貼于板、梁的受拉面，有利于促進(jìn)受拉承載力的提升，不過值得注意的是，當(dāng)受拉鋼筋屈服后，該材料才能夠充分發(fā)揮受拉作用，然而在這一階段，板、梁撓度已經(jīng)非常大，因此，碳纖維片材只可作為安全儲(chǔ)備。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料片材受到受彎加固作用的影響后，可能會(huì)發(fā)生剝離破壞現(xiàn)象，為此，可將碳纖維條帶粘貼于梁側(cè)面，便于對(duì)梁腹配筋不足從而引起的縫隙進(jìn)行控制，在板、梁加固中均可被應(yīng)用。目前，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用較多，不過其中也存在一些問題尚未解決，例如疲勞性能、環(huán)境影響、粘接性能、防火問題等。
（二）材料在鋼結(jié)構(gòu)加固修復(fù)中的應(yīng)用
在鋼結(jié)構(gòu)加固修復(fù)過程中，可利用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，取得較好的加固修復(fù)效果。選取鋼結(jié)構(gòu)損傷部位，將纖維板粘貼于該部位，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)受力性能具有改善作用，把纖維板粘貼于梁受拉面，可促使結(jié)構(gòu)的抗彎剛度、承載力大大提升，這種方法非常有效。將片材粘貼于梁腹板部位，可使抗剪承載力提升，若鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞損傷，利用碳纖維材料進(jìn)行加固，可使剩余疲勞壽命提升，可將纖維布于鋼管柱上纏繞，有利于防止局部失穩(wěn)的現(xiàn)象發(fā)生，對(duì)抗壓承載能力的提升非常有利。
①加固受拉構(gòu)件
利用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料對(duì)受拉構(gòu)件進(jìn)行加固，可促使鋼構(gòu)件極限荷載能力提升，脫膠程度、脫膠位置不同，極限承載力也存在差異，在受拉構(gòu)件中，需充分發(fā)揮粘膠劑的作用，在粘貼過程中，沿著柱子環(huán)向粘貼，可取得較好的粘貼效果，能夠提高極限承載力，提高幅度在15%至18%間，且不會(huì)出現(xiàn)剝離現(xiàn)象，材料也不會(huì)發(fā)生斷裂。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的使用能夠延長(zhǎng)鋼結(jié)構(gòu)剩余疲勞壽命，加固效果非常顯著。經(jīng)材料加固后，鋼結(jié)構(gòu)原來的受力狀態(tài)會(huì)產(chǎn)生一定變化。鋼結(jié)構(gòu)、碳纖維材料間膠層存在正應(yīng)力或者剪應(yīng)力，針對(duì)不連續(xù)區(qū)域，可能會(huì)出現(xiàn)漏膠、損傷裂紋等情況，膠層正應(yīng)力、剪應(yīng)力均有應(yīng)力集中，可破壞膠層。要想防止膠層出現(xiàn)剝離破壞的情況，則需將碳纖維板材料兩端做成45度角，可將膠層應(yīng)力減少。
②加固受彎構(gòu)件
針對(duì)不存在初始損傷的鋼梁而言，采用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料給予加固，不會(huì)對(duì)其剛度造成太大影響，不過可提高承載能力。利用碳纖維材料采取加固措施，鋼梁、材料受損部位出現(xiàn)剝離破壞后，會(huì)導(dǎo)致?lián)p傷變得更加嚴(yán)重，剝離破壞現(xiàn)象會(huì)加重，因此，要對(duì)材料合理使用，充分利用與發(fā)揮該材料的高強(qiáng)性能，提高極限承載力，預(yù)防剝離破壞的發(fā)生。
（三）碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的空間結(jié)構(gòu)
碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具備耐腐蝕、輕質(zhì)等特征，在大跨度空間結(jié)構(gòu)中可被應(yīng)用，可將該材料制作為桿件，在網(wǎng)殼、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中應(yīng)用，不過碳纖維材料在應(yīng)用過程中，節(jié)點(diǎn)處理難度較大、彈性模量低，為此，其優(yōu)勢(shì)難以發(fā)揮。現(xiàn)階段，帶有鋁合金結(jié)構(gòu)的碳纖維材料被開發(fā)，在空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用效果較好，該材料的使用可將施工周期縮短，具有良好的耐腐蝕性，不會(huì)增加維護(hù)費(fèi)用，在環(huán)境惡劣、超大跨度的工程中受用。
碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料可制作為夾芯板、波紋板、空心板，組成不同形狀的空間結(jié)構(gòu)，在娛樂設(shè)施、雷達(dá)天線罩、廠房等建筑結(jié)構(gòu)中可被應(yīng)用，建筑施工難度不大，易成形，具備良好的保溫效果。
三、建筑施工對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料性能的要求
針對(duì)建筑施工的特征而言，在碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的選擇中，要注重材料性質(zhì)符合施工特征，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料必須具備三個(gè)特征，分別為施工性能、耐久性能、力學(xué)性能。就材料的力學(xué)性能而言，碳纖維材料必須要有足夠強(qiáng)度，不易受到外界作用的影響，因碳纖維材料具備高強(qiáng)性能的特征，一般而言，能夠滿足建筑施工的要求。另外，從耐久性能上看，碳纖維復(fù)合材料對(duì)自然界因素可起到良好的抵抗作用，且在使用期間，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也不會(huì)產(chǎn)生變化。使其設(shè)計(jì)能力得以保持。從施工性能上看，在現(xiàn)代建筑施工中，將碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于其中，可使結(jié)構(gòu)材料的耦合效應(yīng)、適配效應(yīng)相結(jié)合，確保施工工藝的提升。
碳纖維復(fù)合材料在提高建筑結(jié)構(gòu)承載能力、建筑結(jié)構(gòu)加固中均可充分發(fā)揮作用，能夠促使承載性能得以改善，值得注意的是，加固方法、加固位置不同，其加固效果也存在差異，若建筑承載力需提升，則需選擇強(qiáng)度較高的材料（碳纖維布），若建筑剛性需提升，則選用碳纖維板。新的建筑工程會(huì)根據(jù)施工要求選擇材料。針對(duì)面臨腐蝕風(fēng)險(xiǎn)的建筑，可選用碳纖維筋，達(dá)到控制鋼筋結(jié)構(gòu)損害的目的，提升鋼結(jié)構(gòu)的可靠性、穩(wěn)定性，促使結(jié)構(gòu)使用壽命延長(zhǎng)。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的使用能夠使鋼筋使用數(shù)量減少，將操作流程簡(jiǎn)化，提升結(jié)構(gòu)抗拉力功能。
碳纖維材料的抗疲勞、耐腐蝕、低松弛特征顯著，選取預(yù)先制作的碳纖維管，將混凝土澆筑于該構(gòu)建中，能夠促使混凝土變形能力、強(qiáng)度提升，預(yù)防碳纖維材料管發(fā)生屈曲破壞的現(xiàn)象，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的受力性，在建筑工程中非常受用。
結(jié)束語：
碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有較多的優(yōu)勢(shì)，例如抗腐蝕、施工性能良好、力學(xué)性能穩(wěn)定，不過從目前總體使用情況上看，該材料在建筑工程中的使用并不多，究其原因，主要在于價(jià)格昂貴，購買需要較多的資金。伴隨科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步與發(fā)展，復(fù)合材料技術(shù)會(huì)逐漸提升，碳纖維材料價(jià)格也會(huì)有所降低，該材料在建筑工程中有著較高的應(yīng)用價(jià)值，在未來還將出現(xiàn)更多相關(guān)的應(yīng)用，例如復(fù)合材料棒、碳纖維增強(qiáng)混凝土等，上述材料的使用能夠大大提高建筑工程的穩(wěn)定性與安全性，充分發(fā)揮建筑材料的作用，提高建筑質(zhì)量。
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關(guān)鍵詞：汽車輕量化；碳纖維復(fù)合材料；高性能纖維
中圖分類號(hào)：TB33 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A
Current Situations of Carbon Fiber Reinforced Composites Used for Lightweighting of Automobile at Home and Abroad
Abstract： To meet the requirements of energy-saving， emission reduction and developing new energy vehicles， lightweighting of automotive materials is one of the most important targets for technological R&D in global auto industry. In this article， recent progress on using carbon fiber reinforced composites for automobile lightweighting has been systematically reviewed based on case study of leading auto manufacturers from home and abroad. Finally， the choke points for the development of automobile lightweihting in China are summarized.
Key words： automobile lightweighting； CFRP； high performance fiber
目前，全球生產(chǎn)石油的70% ～ 80%被用作汽車燃油，減少汽車燃油用量是改善全球氣候問題的重要組成部分。世界多個(gè)國(guó)家和地區(qū)已經(jīng)對(duì)汽車二氧化碳排放量進(jìn)行了嚴(yán)格限制，我國(guó)也已頒布《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012 ― 2020年）》，要求到2020年乘用車平均燃料消耗量降至5.0 L/百公里，節(jié)能型乘用車燃料消耗量降至4.5 L/百公里以下。
輕量化技術(shù)是汽車降低油耗、減少排放、提高新能源汽車?yán)m(xù)航里程最有效工程途徑之一。采用高性能纖維增強(qiáng)復(fù)合材料部分代替?zhèn)鹘y(tǒng)金屬材料是目前汽車實(shí)現(xiàn)輕量化最有效的途徑。德國(guó)寶馬率先在i3、i8電動(dòng)車、7系、5系等量產(chǎn)車中大量使用碳纖維復(fù)合材料（CFRP），輕量化效果顯著，掀起了一場(chǎng)汽車產(chǎn)業(yè)材料革新的浪潮。目前全球幾乎所有的汽車企業(yè)都制定了CFRP輕量化發(fā)展計(jì)劃。CFRP用于汽車輕量化的優(yōu)勢(shì)主要在于：密度小，比強(qiáng)度、比模量高，輕量化效果明顯；集成度高，減少零部件數(shù)量；可設(shè)計(jì)、造型自由，實(shí)現(xiàn)流線型曲面的成本低；吸收沖擊性能是金屬的 5倍，提高碰撞過程人員安全性；減震性能好；顛覆汽車生產(chǎn)流程，采用模壓和粘結(jié)工藝代替沖壓和焊接。目前CFRP作為汽車輕量化結(jié)構(gòu)材料替代金屬材料，其在性能上完全可以滿足要求，關(guān)鍵是批量生產(chǎn)技術(shù)和成本。基于最新的行業(yè)報(bào)告數(shù)據(jù)及實(shí)踐調(diào)研，本文將對(duì)國(guó)內(nèi)外汽車輕量化用CFRP的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行概述。
1 國(guó)外汽車輕量化用碳纖維復(fù)合材料發(fā)展現(xiàn)狀
自1953年世界第 1 臺(tái)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料汽車 ――GM Corvette制造成功以后，復(fù)合材料正式在汽車工業(yè)生產(chǎn)中登上歷史舞臺(tái)。發(fā)展至今，CFRP成為目前公認(rèn)的汽車用復(fù)合材料未來發(fā)展趨勢(shì)。歐美日等發(fā)達(dá)國(guó)家汽車生產(chǎn)巨頭們一直是汽車輕量化用CFRP的引領(lǐng)者和推動(dòng)者，下文將針對(duì)國(guó)外主要汽車生產(chǎn)商在CFRP應(yīng)用技術(shù)方面的進(jìn)展進(jìn)行介紹。
德國(guó)寶馬公司是CFRP在汽車領(lǐng)域應(yīng)用的先驅(qū)，其在2008年宣布把CFRP帶入汽車主流材料；2011年，法蘭克福車展首次i3電動(dòng)概念車和i8混動(dòng)概念跑車；2014年，批量化生產(chǎn)i3和i8系列純電動(dòng)車在全球正式上市，為碳纖維產(chǎn)品在通用汽車領(lǐng)域的商業(yè)化普及應(yīng)用邁出了重要的一步。i3和i8創(chuàng)新的車體架構(gòu)由 2 部分構(gòu)成：一部分是由鋁合金材料制成、驅(qū)動(dòng)車輛的Drive模塊，集成了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、底盤、蓄電池、結(jié)構(gòu)功能組件和防碰撞功能組件，另一部分是由CFRP制成、構(gòu)成車廂主體的Life模塊（圖 1）。2015年7月1日，全新第六代BMW 7系汽車在丁格芬工廠正式投產(chǎn)，該車型所有創(chuàng)新都始終貫穿著車輛整體輕量化的概念，是寶馬核心產(chǎn)品中第一款實(shí)現(xiàn)將工業(yè)制造的碳纖維材料、高強(qiáng)度鋼材和鋁材完美組合應(yīng)用到車身的車型。這種獨(dú)樹一幟的車身結(jié)構(gòu)被稱為“Carbon Core高強(qiáng)度碳纖維內(nèi)核”，不僅優(yōu)化了車身重量，增強(qiáng)了車身的強(qiáng)度和抗扭剛度，還具有舒適的駕駛體檢。
寶馬公司還率先開啟了CFRP在汽車領(lǐng)域的全方位應(yīng)用模式，包括：車身、底盤、車頂、車門、頭蓋、引擎蓋、尾翼、壓尾翼、中控臺(tái)、裝飾條、儀表盤、傳動(dòng)軸、特殊動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、座椅、座椅套墊、前擴(kuò)散器、尾擾流板、后擴(kuò)散器、后視鏡外殼、懸掛臂、前唇、側(cè)裙、側(cè)格柵、車用箱包、導(dǎo)流罩、A柱、遮陽罩、散熱器面罩、側(cè)護(hù)板、低位踏板、副保險(xiǎn)杠等外部和車身、內(nèi)飾和外飾配件等系統(tǒng)。寶馬公司或?qū)⒃谖磥?1 ～ 2 年內(nèi)為旗下車型配備大量的碳纖維部件，特別是碳纖維輪轂，這將大幅度降低汽車的重量。寶馬公司的CFRP輪轂是與i系列汽車同時(shí)開發(fā)的，包括全碳纖維輪轂和碳纖維輪輞+合金輪輻的輪轂。全碳纖維輪轂的重量比鍛造合金輪轂輕35%，而合金+碳纖維輪轂比鍛造合金輪轂輕25%，這將顯著降低整車的重量，寶馬公司有望在 2 年內(nèi)把這種輪轂推向市場(chǎng)。此外，全碳纖維制造的傳動(dòng)軸還將作為單獨(dú)配件配備新寶馬M3和M4系汽車。寶馬還在大力宣揚(yáng)他們的碳纖維材料二次利用，例如i3和i8汽車的邊角料可以用來取代傳統(tǒng)鋁鎂合金材料制作儀表板支撐結(jié)構(gòu)、座架以及備用車輪。
在生產(chǎn)工藝方面，為降低CFRP零部件的生產(chǎn)成本以及提高生產(chǎn)效率，寶馬采用針對(duì)熱固性CFRP快速制造開發(fā)了高壓樹脂轉(zhuǎn)移模塑（HP-RTM）工藝（圖 2）。該工藝首先將碳纖維織物進(jìn)行初步的預(yù)成型，然后將碳纖維預(yù)制件放入到模具當(dāng)中，在高壓狀態(tài)下將環(huán)氧樹脂注入模具當(dāng)中，通過精準(zhǔn)的溫度、壓力和時(shí)間控制，使碳纖維和環(huán)氧樹脂結(jié)合，并進(jìn)行固化，最終形成具備優(yōu)秀剛性的碳纖維板材。這個(gè)加工過程可以全程自動(dòng)化進(jìn)行，而高壓、高溫的處理過程僅需大約 5 min，傳統(tǒng)制造工藝則往往需要幾個(gè)小時(shí)。車身的組裝工藝采取模塊化連接，碳纖維部件的結(jié)合像堆砌模型一樣采用膠水連接（圖 3）。為了縮短固化時(shí)間，寶馬專門研發(fā)了特種粘合劑，在涂敷到車身部件之后僅90 s就可以接受加工，然后產(chǎn)生粘性，在經(jīng)過1.5 h后就已經(jīng)固化。這使得車身組件具有完全的剛性，制造速度比普通工藝提升10倍。整個(gè)過程全部為自動(dòng)化操作，包括粘合劑的涂抹、部件的對(duì)接等，除了節(jié)約人力之外，也減少了粘合劑中的化學(xué)成分對(duì)工人健康的危害。
縱觀寶馬幾款碳纖維車身的生產(chǎn)過程，有幾個(gè)明顯的特點(diǎn)可謂貫穿始終。首先是顛覆傳統(tǒng)汽車生產(chǎn)流程，如果說福特創(chuàng)建流水線生產(chǎn)是汽車行業(yè)的第一次革命，那么“碳纖維+新能源”可能是第二次汽車革命，碳纖維生產(chǎn)的車身不需要傳統(tǒng)的沖壓、焊接、涂裝，變成了模壓成型、粘結(jié)、涂裝或塑料外殼；其次是高度的機(jī)械化，在整個(gè)生產(chǎn)過程當(dāng)中，機(jī)器人的大量使用已經(jīng)讓生產(chǎn)過程基本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，人工操作僅局限在最低程度，不僅明顯提高生產(chǎn)效率，減小制造誤差，人力成本也得以大幅降低；最后是環(huán)保與可持續(xù)發(fā)展的理念，寶馬大量使用可回收材料制造汽車部件，同時(shí)全面采用水電和風(fēng)電等可再生能源。
除了寶馬，豐田、大眾、奔馳、現(xiàn)代等多家汽車制造商也都在開發(fā)汽車輕量化用CFRP，并應(yīng)用于車身、輪轂、座椅、氫氣瓶、前艙蓋、底盤結(jié)構(gòu)件、傳動(dòng)軸等部件。美國(guó)Morison公司為Dcna公司生產(chǎn)的CFRP汽車傳動(dòng)軸（圖 4（左）），供通用汽車公司載重汽車用。福特1999 ― 2004野馬載重車汽車也采用了CFRP傳動(dòng)軸（圖 4（右））。采用CFRP可使原來 2 件簡(jiǎn)化合并成 1個(gè)傳動(dòng)軸，且與鋼材料相比，可減重60% ～ 70%。英國(guó)GKN技術(shù)公司也開發(fā)了CFRP傳動(dòng)軸，重量減輕50% ～60%，抗扭性比鋼大10倍，彎曲剛度大15倍。
2008年，日本W(wǎng)eds Sports公司在推出的概念車上第一次使用了碳纖維輪轂，但當(dāng)時(shí)還是停留在概念階段。2009年，澳大利亞Carbon Revolution公司開發(fā)出了CR9“一體式”全CFRP輪轂，相比鋁合金輪轂，其重量減輕了40% ～ 50%，并且首次應(yīng)用在Shelby Ultimate Aero跑車上。2012年該公司生產(chǎn)的CFRP輪轂成功地在保時(shí)捷911上使用。目前Carbon Revolution公司在籌備為蘭博基尼、奧迪R8推出碳纖維輪轂。2015年初，美國(guó)福特了全新一代野馬Shelby GT350R汽車，其采用的碳纖維輪轂再一次引起了關(guān)注。以福特Shelby GT350R Mustang所裝備的碳纖維輪圈為例，將原本每個(gè)輪轂重14.98 kg的鋁合金材質(zhì)換為8.17 kg的碳纖維輪圈后，全車減重27.24 kg，這將顯著地改善車輛的操控性能。另外，由于輪圈減重45%，輪圈+輪胎的轉(zhuǎn)動(dòng)角動(dòng)量能約降低40%，也改善了加速和剎車的效能。
2011年4月，比利時(shí)Solvay公司開發(fā)了一種全新輕巧的CFRP Polimotor四缸發(fā)動(dòng)機(jī)缸體（圖 5）。被澆注的復(fù)合材料缸體是最終凈形狀，消除了二次加工的麻煩，且振動(dòng)噪聲顯著減少，耐腐蝕。此外，和壓鑄工藝相比，模具工具成本減少50%。CFRP缸體比合金缸體重量輕20磅。第二代Polimotor全碳纖維發(fā)動(dòng)機(jī)缸體項(xiàng)目在2015年有了新的進(jìn)展，預(yù)計(jì)該發(fā)動(dòng)機(jī)將于2016年預(yù)先應(yīng)用于賽車、OEM汽車和卡車。該項(xiàng)目有望推動(dòng)未來汽車領(lǐng)域的重大革新，使碳纖維發(fā)動(dòng)機(jī)缸體有可能廣泛地應(yīng)用于商用車。
日產(chǎn)汽車株式會(huì)社旗下的2014款GT-R跑車采用了三菱麗陽生產(chǎn)的碳纖維后備箱車蓋，該量產(chǎn)化車蓋以碳纖維和固化時(shí)間為 2 ～ 5 min的熱固性環(huán)氧樹脂為原料，利用三菱麗陽開發(fā)的預(yù)浸料模壓成型工藝生產(chǎn)。三菱麗陽稱該工藝將單個(gè)部件的生產(chǎn)時(shí)間縮短了10 min，更適合汽車部件的規(guī)模化量產(chǎn)，而且模壓成型的部件表面平滑，易于涂漆裝飾。
日本東麗與豐田合作開發(fā)的碳纖維增強(qiáng)熱塑性聚合物復(fù)合材料，可用作制造燃料電池反應(yīng)堆框架（圖6），目前已應(yīng)用于豐田燃料電池汽車Mirai中，這是世界上第一次將熱塑性碳纖維復(fù)合材料用于量產(chǎn)汽車結(jié)構(gòu)部件。碳纖維增強(qiáng)熱塑性聚合物具有成型時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn)，與熱固性聚合物相比，生產(chǎn)效率更高，更適合大規(guī)模生產(chǎn)。
2015年東京車展上，雅馬哈展出了僅重750 kg的全新概念跑車SportsRideConcept（圖 7），該車身長(zhǎng)3 900 mm，寬1 720 mm，高1 170 mm，超輕的車身得益于其iStream CFRP底盤。iStream碳纖維底盤由英國(guó)Gordon Murray Design公司開發(fā)，歷經(jīng) 2 年時(shí)間，材質(zhì)由最初的玻璃纖維轉(zhuǎn)變?yōu)樘祭w維。iSteam采用了創(chuàng)新的“三明治”結(jié)構(gòu)，蜂窩狀的內(nèi)核被 2 片碳纖維板夾在中間。相比超跑所采用的碳纖維單體殼結(jié)構(gòu)，iStream碳纖維底盤的生產(chǎn)周期更短，生產(chǎn)過程可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化，周轉(zhuǎn)時(shí)間僅為100 s，年產(chǎn)量可達(dá)1 000 ～ 350 000件。iStream碳纖維底盤同樣具有輕量化、高剛性的特點(diǎn)，相比寶馬7系僅關(guān)鍵部件為碳纖維材質(zhì)，iStream碳纖維底盤的減重效果更加明顯。這項(xiàng)技術(shù)的出現(xiàn)，或?qū)⒊蔀槿腴T級(jí)跑車愛好者的福音。
韓國(guó)現(xiàn)代最新推出的Intrado燃料電池概念車同樣秉承了輕量化的設(shè)計(jì)理念，該車全車架、引擎蓋以及側(cè)板均采用CFRP制造，質(zhì)量比傳統(tǒng)鋼板制造的汽車輕60%，大大提高了燃油效率，一次補(bǔ)充燃料可行駛644 km，百公里加速時(shí)間低于12 s。
2 國(guó)內(nèi)汽車輕量化用碳纖維復(fù)合材料發(fā)展現(xiàn)狀
得益于國(guó)家“十五”和“十一五”863計(jì)劃碳纖維專項(xiàng)支持，我國(guó)碳纖維的產(chǎn)業(yè)化取得重大進(jìn)展，通用型高強(qiáng)T300級(jí)碳纖維實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，T700級(jí)碳纖維實(shí)現(xiàn)了工程化，T800級(jí)碳纖維突破了關(guān)鍵技術(shù)，開始批量生產(chǎn)，高模型（M40）碳纖維也實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵制備技術(shù)的突破。國(guó)內(nèi)相關(guān)碳纖維生產(chǎn)企業(yè)的大規(guī)模建設(shè)為汽車用CFRP的國(guó)產(chǎn)化和低成本化奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，一大批企業(yè)開展了碳纖維在汽車輕量化方面的應(yīng)用研究。
江蘇奧新新能源汽車有限公司于2015年1月成功研發(fā)了我國(guó)首輛碳纖維新能源汽車（圖 8），并于2016年3月獲得中國(guó)汽車生產(chǎn)許可證。奧新e25緊湊型A級(jí)車，具有核心技術(shù)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，采用CFRP車身（圖 9），輕量化效果明顯：百公里耗能低于10 kW?h，續(xù)航能力強(qiáng)，充一次電最長(zhǎng)可行駛440 km，0 ～ 50 km/h加速僅需4.7 s。目前奧新建立了完整的CFRP車身及其零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造與評(píng)價(jià)體系，創(chuàng)造了第一個(gè) 2 萬輛碳纖維純電動(dòng)汽車制造工廠、第一條電動(dòng)汽車鋁合金底盤機(jī)器人焊接線、第一條高溫高壓真空輔助碳纖維成型生產(chǎn)線 3 項(xiàng)中國(guó)第一。奧新正與東華大學(xué)等國(guó)內(nèi)高校緊密合作，進(jìn)一步優(yōu)化零部件結(jié)構(gòu)以及提高制造效率，研發(fā)自動(dòng)化量產(chǎn)技術(shù)與裝備。
北京汽車在推動(dòng)汽車輕量化用CFRP方面，成功研發(fā)了用于碳纖維發(fā)動(dòng)機(jī)蓋覆蓋件及車身功能件的一系列CFRP部件。在2016年其新型SUV車型上，將會(huì)搭載碳纖維發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋（圖 10），相比鋼質(zhì)前機(jī)艙蓋可減重17 kg（50%）。BJ40車型使用了玻纖、碳纖混雜復(fù)合材料車頂蓋，較鋼制頂蓋減重48%。紳寶D60則采用了CFRP前格柵和尾翼，彰顯運(yùn)動(dòng)和時(shí)尚特性。
奇瑞汽車開發(fā)了一款CFRP電動(dòng)汽車（圖11），該電動(dòng)車是奇瑞首款采用PHEV（插電進(jìn)行充電的混合動(dòng)力汽車）的車型。其優(yōu)勢(shì)在于采用CFRP部件后的車身僅重218 kg，相比金屬車身418 kg，車身減重48%。另外，CFRP部件的應(yīng)用也顯著提高了汽車的抗沖撞性能和操控性。奇瑞汽車目前正努力解決該車型實(shí)現(xiàn)低成本、批量化生產(chǎn)所面臨著的諸多技術(shù)難題。
北京長(zhǎng)城華冠汽車技術(shù)開發(fā)有限公司開發(fā)了一款名為前途（EVENT）的純電動(dòng)跑車概念車。該電動(dòng)跑車以節(jié)能、環(huán)保為設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)，產(chǎn)品集成了眾多汽車行業(yè)的前沿科技。長(zhǎng)城華冠EVENT車體內(nèi)外覆蓋件整體采用CFRP，在大幅度減輕車體重量的同時(shí)，產(chǎn)品的力學(xué)及安全性能也優(yōu)于傳統(tǒng)金屬鈑金部件。該款車型目前已經(jīng)在蘇州建設(shè)生產(chǎn)車間，預(yù)計(jì)2017年開始生產(chǎn)。
上海汽車公司自2008年起，先后承擔(dān)了多項(xiàng)國(guó)家級(jí)、上海市和地方的汽車輕量化項(xiàng)目，包括上海市科委科技創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目“新能源汽車CFRP典型部件的開發(fā)與應(yīng)用”、上海市科委重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目“新能源汽車輕量化技術(shù)開發(fā)”、上汽 ― 科委專項(xiàng)創(chuàng)新項(xiàng)目“輕量化技術(shù)在榮威E50純電動(dòng)轎車上的應(yīng)用研究”，為汽車輕量化技術(shù)方面的研究與開發(fā)積累了良好的基礎(chǔ)。
長(zhǎng)安汽車開展了大量CFRP在汽車輕量化應(yīng)用的探索工作，研發(fā)了準(zhǔn)備在量產(chǎn)車應(yīng)用的碳纖維傳動(dòng)軸和后舉門。中國(guó)第一汽車集團(tuán)公司開展了復(fù)合材料板簧、傳動(dòng)軸和CFRP前后蓋的研究。復(fù)合材料傳動(dòng)軸采用碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂預(yù)浸料，經(jīng)由卷搓/熱壓罐成型工藝制造，相比傳統(tǒng)金屬傳動(dòng)軸，碳纖維傳動(dòng)軸可減重40%，采用CFRP還可使原來由 2 件合并成 1 個(gè)單件傳動(dòng)軸。CFRP前后蓋，采用T300碳纖維和環(huán)氧樹脂，經(jīng)由RTM工藝制造，相比金屬材料可減重64%。
3 結(jié)語
關(guān)鍵詞：碳纖維復(fù)合材料；加固；施工；應(yīng)用；分析
橋梁加固工程需要尋找高性能、重量輕、具有長(zhǎng)時(shí)間的耐久性的加固材料。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材具有這樣的功能，是一種具有發(fā)展?jié)摿Φ膹?fù)合材料。
1 橋梁加固方式
1.1 粘貼鋼板加固法。粘貼鋼板加固法是一種傳統(tǒng)的加固方法，如果橋梁的承載能力不足或者主鋼筋出現(xiàn)嚴(yán)重腐蝕的現(xiàn)象，主梁就會(huì)產(chǎn)生橫向的裂縫，這就需要采用錨栓及粘結(jié)劑，把鋼板錨固定在混凝土結(jié)構(gòu)中承受拉力很弱的地方，把鋼板和橋梁結(jié)構(gòu)粘合在一起，形成一個(gè)統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)，達(dá)到共同受力的目標(biāo)，增強(qiáng)橋梁的承載能力。
1.2 增大截面加固方法。增大界面的加固方法也是一種傳統(tǒng)的加固方法，主要應(yīng)用在梁柱的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性和抗裂性的性能不足的情況，需要增加構(gòu)建的截面增加鋼筋的配備，提高鋼筋的利用效率，這種方法能夠加大鋼筋混凝土截面增加的了配主筋，柱的截面也同樣能夠增大，柱子的承載力也都相應(yīng)的增加。這種方式應(yīng)用的非常廣泛。
1.3 體外預(yù)應(yīng)力加固法。體外預(yù)應(yīng)力的加固方式，是針對(duì)鋼筋混凝土或預(yù)應(yīng)力混凝土梁或板出現(xiàn)預(yù)應(yīng)力不足的情況下，采用的一種體外預(yù)加力的方式進(jìn)行加固，采用這種方式能夠消除一部分的橋梁的自重力，起到直接卸載的作用，提高了橋梁的承載力度。這種加固的方式具有一定的優(yōu)點(diǎn)。首先在橋梁的自重力很小的情況下，能夠改善原始結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，提高的結(jié)構(gòu)的剛度和承重性能。其次在橋梁的承重能力比較小的情況，節(jié)省了墩臺(tái)及基礎(chǔ)的加固施工。最后，對(duì)于那些預(yù)應(yīng)力的加固的方法，可以做為橋梁的臨時(shí)加固的手段，能夠提高橋的的承載力。
2 碳纖維加固技術(shù)分析
碳纖維是一種高性能的復(fù)合材料，采用這種方式進(jìn)行加工，是把碳纖維片材浸含在樹脂系粘貼劑中，粘貼在混凝土構(gòu)件的表面，表面的拉力變大，混凝土本身的承載力也達(dá)到了要求，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)和承載力的加強(qiáng)。
2.1 碳纖維的性能。對(duì)碳纖維進(jìn)行分析，按照力學(xué)的性能進(jìn)行分析，包括：高模量（I型）碳纖維，這種材料的拉伸模量很高，同時(shí)具有很長(zhǎng)的伸縮效率。高強(qiáng)度（II型）碳纖維這種材料的拉伸強(qiáng)度能夠達(dá)到3000MPa，可以拉伸到4000MPa以上。中等模量（III）材料能夠在200-300GPa之間，極限伸長(zhǎng)率在1.5%-2.0%，在橋梁加固中是一種常用的材料。此外，按照材料進(jìn)行分類，包括：碳纖維（CFRP），玻璃纖維（GFRP），芳綸纖維（AFRP），這三種。還可以按照排列的方式進(jìn)行分類，包括：?jiǎn)蜗蚶w維片材和雙向纖維片材。
2.2 加固用碳纖維的力學(xué)性能指標(biāo)。對(duì)橋梁加固中應(yīng)用的碳纖維片材需要按照國(guó)家的指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定，各種性能需要滿足下表的力學(xué)性指標(biāo)。
表1 碳纖維片材主要力學(xué)性能指標(biāo)
很多碳纖維的性能不同，但是采用的纖維復(fù)合材料的應(yīng)力關(guān)系式相容的，受到拉力的性能呈現(xiàn)一種上升的趨勢(shì)，這是這種材料具有的重要性能。各種纖維材料的性能見圖1。
在圖1中，能夠看出，很多纖維復(fù)合材料都屬于復(fù)合型的材料，鋼筋本身也是一種延性材料，對(duì)鋼筋混凝土進(jìn)行加固的時(shí)候，要考慮到脆性對(duì)建筑的影響。主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：（1）纖維復(fù)合材不具有延性，具有脆性，這種性能會(huì)限制混凝土橋梁的加固施工。（2）FRP材料的脆性性能夠限制應(yīng)力的分布，這些因素影響了外貼的FRP材料的加固設(shè)計(jì)，不能夠采用鋼筋進(jìn)行替換，要研究FRP材料的脆性性能，采用正確的方式進(jìn)行施工。
圖1 各種纖維材料應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系圖
2.3 粘結(jié)劑等粘結(jié)材料的性能。碳纖維加固橋梁的時(shí)候，采用的粘結(jié)材料主要包括了底層樹脂、整平材料及浸漬或粘貼樹脂。這些材料的性能必須要滿足要，關(guān)于底層樹脂的作用是增強(qiáng)混凝土表面層，提高混凝土與材料的粘合程度，關(guān)于浸漬樹脂是粘貼碳纖維布的主要粘結(jié)材料，主要作用是使碳纖維絲束之間和混凝土充分粘結(jié)，以便到共同承載的效果。另外，樹脂是一種FRP復(fù)合材料，也是和混凝土進(jìn)行粘合的材料，是非常值得關(guān)注的。
3 碳纖維復(fù)合材料加固的施工工藝
采用碳纖維復(fù)合材料對(duì)橋梁進(jìn)行加固，施工的工藝是非常重重要的，施工的環(huán)節(jié)需要仔細(xì)。因?yàn)槭┕さ馁|(zhì)量直接關(guān)系到加固的效果，體現(xiàn)出材料的參數(shù)是否能夠達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，纖維復(fù)合材料跟混凝土表面是否粘結(jié)牢固，變形是否協(xié)調(diào)，邊界條件的差異大小，對(duì)加固的效果影響非常大。一般施工工藝流程如下：（1）關(guān)于施工準(zhǔn)備階段，需要認(rèn)真的閱讀施工的土質(zhì)，按照要求和混凝土的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)出施工方案，做好碳纖維和樹脂材料施工前期的準(zhǔn)備。（2）對(duì)橋梁表面進(jìn)行處理，清除橋梁表面疏松、蜂窩、腐蝕物質(zhì)，露出橋梁表面的混凝土構(gòu)造層，并把這個(gè)構(gòu)造層修復(fù)平整，按照要求對(duì)橋梁產(chǎn)生的裂縫進(jìn)行封閉的處理，其中被粘貼的混凝土都需要除去表面的浮漿、油污等，完全凝結(jié)之后才能夠進(jìn)行施工。（3）涂刷底層樹脂及找平處理，在這方面需要按照規(guī)定配置樹脂，采用滾筒刷把樹脂均勻的涂抹在底部，待干燥以后才能夠進(jìn)行下一道工序的施工。對(duì)于混凝土表面的那些凹凸位置要進(jìn)行抹平的操作。（4）粘貼碳纖維布材，需要按照尺寸進(jìn)行裁剪，按照要求配置相關(guān)的樹脂，在橋梁包面涂抹均勻才能夠進(jìn)行粘貼。粘貼的時(shí)候，需要把碳纖維布用手輕壓貼于需粘貼的位置，用滾筒進(jìn)行滾壓，擠除氣泡，注意纖維布不能夠損壞。粘貼結(jié)束后，要在表面涂抹浸漬樹脂，要求必須要均勻。（5）進(jìn)行表面防護(hù)，需要按照相關(guān)的規(guī)定進(jìn)行表面防護(hù)處理，保證各個(gè)部分都要全部黏貼。
4 施工工藝注意問題
進(jìn)行碳纖維加固施工的時(shí)候要求施工的溫度在5℃以下、濕度RH>85%、混凝土表面的含水量要在8%以上，出現(xiàn)結(jié)露的時(shí)候不要進(jìn)行施工。在施工的過程中，要遠(yuǎn)離電源，明火、避免陽光直接照射。另外施工人員要帶口罩手套等，做好自我防護(hù)。要求現(xiàn)場(chǎng)施工通風(fēng)狀況要好。
