碳纤维复合材料精品(七篇)

序论：写作是一种深度的自我表达。它要求我们深入探索自己的思想和情感，挖掘那些隐藏在内心深处的真相，好投稿为您带来了七篇碳纤维复合材料范文，愿它们成为您写作过程中的灵感催化剂，助力您的创作。

篇(1)

关键词：碳纤维；复合材料；井盖

中图分类号：TU531.6

1 引言

一般按照材料特性将井盖分为铸铁（包括灰口铸铁和球墨铸铁）、复合材料、水泥及菱镁等几种井盖。传统的水泥混凝土井盖具有造价低、制造方便、取材方便等优势，但其脆性大、易老化、易断裂；目前国内常用的井盖还是以铸铁的（含球墨铸铁）[1]为主。铸铁井盖最突出的优点是强度高、使用寿命长、工艺成熟。但其造价高，防盗性差。主要是因其材料可以回收利用，因而容易被盗，这不仅造成巨大的经济损失，还会引发严重的安全问题。通过安装防盗装置会进一步增加井盖的成本，因而，为解决此问题，采用没有回收利用价值的复合材料井盖就是最佳的选择。目前市政工程中的复合材料井盖存在承压能力低、易老化变形等问题，因此在传统的井盖基础上引进高强度新材料开发能够保证承载力、耐久性好且无回收利用价值的复合材料井盖是一个值得关注的研究方向。

2 碳纤维加固混凝土的国内外研究概况

2.1国外研究现状

碳纤维加固技术最初起源于德国和瑞士，接着日本也进入了碳纤维加固行业，并且迅速的推广了碳纤维加固技术，加固范围和加固领域也一直在不断扩大和延伸，而运用碳纤维材料加固的最主要对象为钢筋混凝土结构。欧美及日本的大量研究机构从上个世纪的八十年代开始就通过科研实践，对碳纤维加固技术进行深入研究，现在在全世界都在广泛的使用这项加固技术，此方法已经成为了一种常用的加固方法[2]。

2.1国外研究现状

碳纤维加固技术最初起源于德国和瑞士，接着日本也进入了碳纤维加固行业，并且迅速的推广了碳纤维加固技术，加固范围和加固领域也一直在不断扩大和延伸，而运用碳纤维材料加固的最主要对象为钢筋混凝土结构。欧美及日本的大量研究机构从上个世纪的八十年代开始就通过科研实践，对碳纤维加固技术进行深入研究，现在在全世界都在广泛的使用这项加固技术，此方法已经成为了一种常用的加固方法[2]。

Shahawy[3]在对CFRP 加固梁的疲劳性能和静力性能研究方面，通过试验结果分析研究得出了混凝土强度等级、碳纤维布加固层数和碳纤维的不通加固方式对梁的静力性能影响较大，尤其是对梁的极限承载力以及混凝土的延性性能方面影响较大。同时此文还研究了加固梁的疲劳性能，通过研究结果得出利用碳纤维加固对混凝土梁的疲劳性能也有显著影响，利用碳纤维加固能使梁具有很好的疲劳性能。得出结论如下：CFRP 加固在很大作用上能够增强梁的疲劳性能和静力性能。他还对整个试验的过程通过运用有限元软件进行了模拟，并对比试验结果，验证了利用有限元分析结构性能具有合理性。

2.2国内研究现状

我国则从1997年才开始对碳纤维复合材料加固混凝土结构进行研究。近几年来对采用粘贴碳纤维布材加固钢筋混凝土梁的抗弯受力性能研究方面较为普遍，相应的研究成果较多。

冯鹏、陆新征等通过实验研究四根不同加固形式的构件，对试验构件的受力全过程进行了分析记录，并对构件纯弯段裂缝状况、荷载挠度曲线、跨中混凝土截面应变分布、弯矩-碳纤维应变关系和同样挠度时的极限弯矩值进行了详细记录研究，并利用试验结果进行了汇总出了开裂弯矩、屈服弯矩、极限弯矩和混凝土、钢筋和碳纤维应变等具体数据，运用公式所得的结果与试验值基本符合。

赵志平等通过试验得出了不同形式加固梁的屈服荷载和极限荷载，再利用ANSYS 有限元分析软件对试验中的梁进行了有限元非线性分析的模拟，得出有限元分析的结果能够与试验所得的值较好的符合，利用ANSYS 建模分析时，只要合理选用模型单元和合理设置计算参数，模型还是较高的实用性和可靠性的。

国内外学者研究表明，碳纤维材料能够有效的加固混凝土，提高混凝土的强度和承载力。

3 复合材料井盖的研究现状

3.1国内研究现状

国内常用的复合材料井盖有以下，这些复合材料井盖各有特点，共同的优势是金属材料含量极小或没有，没有值得回收利用的价值，可以起到适当的防盗作用，能够弥补铸铁井盖最大的缺憾。

（1）钢纤维混凝土井盖

钢纤维混凝土井盖是早期的复合材料井盖，相对混凝土井盖而言，较强的抗裂性能和抗冲击性能是此类井盖的最大特点。可以承受荷载的反复碾压，表现出较好的耐久性能，且加工成本便宜，回收价值不大。但是，该类混凝井盖重量较大，施工检修较费力，井盖边缘容易破损，一般需要通过外加金属边框来改善这种崩边现象。在城市道路、居民小区和工厂的雨水口等处一定程度上取代了铸铁井盖。

3.2国外研究现状

国外设计井盖一般会根据井盖不同部位采用增强材料各异。为保证其承载能力，通常在井盖下部受力较大处使用连续纤维增强。为提高井盖抗变形性能，在井盖中部会大量使用填料；而为保证井盖较好的耐磨性能，硬度较高、耐磨耐候性好的材料会用于井盖上部，同时设计出相应的图案、数字、文字和颜色。通过这一套工艺程序就能够满足耐磨耐候性和外观要求。玻璃钢井盖优势较明显，既能保证井盖的轻质高强和抗疲劳性能好等要求，同时还具有耐腐蚀和外表美观等优点，也可以解决铸铁井盖被盗的缺点，成为其替代产品。

综上所述，国内外学者和业内相关人士对于井盖进行了大量的研究，研究方法包括实验、模型仿真、加工工艺等多种途径，表明井盖技术在城市道路建设和规划中得到越来越广泛的关注和重视，新型材料井盖研究技术也将成为一种新型的技术领域。在不同的使用条件下，可以通过不同的复合材料井盖来代替传统的和常用的铸铁井盖。碳纤维在混凝土领域的应用已经比较广泛，但是，关于新型碳纤维在井盖中的研究非常鲜见，在井盖领域中碳纤维的应用还是空白，有极大的应用潜力和发展空间，未来将成为传统铸铁井盖和水泥混凝土井盖的理想换代产品。

参考文献

[1]邓宗才、吴寅.玻璃钢井盖的研制[J]. 玻璃钢复合材料，2010，123（23）：12-13.

[2]S.Wen， D.D.L.Chung. Seebeck effect in Carbon Fiber Reinforced Cement， Cem.Coner.Res， 1999， 26（7）：15-18.

[3]文斌等.基于界面效应的碳纤维水泥基复合材料压敏性实验研究.重庆科技学院学报，2009，11（6）：65-68.

作者简介：

篇(2)

关键词 碳纤维；复合材料；雷电防护

中图分类号V2 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）102-0097-03

0引言

飞机的防雷击设计包括全机防雷击系统和部件级防雷击系统两部分。而防雷击设计的首要环节是进行雷电区域的正确划分，从而根据不同的雷电区域采取不同的防护措施。本文主要提供一种全碳纤维复合材料飞机的全机防雷击系统设计，部件级防雷击系统的设计本文不做分析。

1 飞机雷击环境定义

1.1飞机的雷击环境

直接雷击——指开始接触到飞机表面的雷击。

扫掠雷击——指一旦飞机接触到直接雷击后，雷击持续放电的接触点不断出现顺气流方向沿飞机表面跳跃移动。

1.2飞机的雷电效应

雷电直接效应是由雷电电弧的附着及伴随着雷电流的高压冲击波和磁力所造成的燃烧、熔蚀、爆炸和结构畸形。

雷电间接效应是指在电子、电气设备和布线中雷电引起的过电压和过电流造成的设备损坏或干扰。

3 飞机雷电区域划分

3.1区域划分

按照不同的雷电附着特性或传递特性可把飞机表面划分成三个区域：

区域1：初始电击附着其上面（进口或出口）可能性很大的飞机表面。亦称初始附着区域。

区域2：电击放电被气流从区域1的初始附着点吹过来在其上面扫掠的可能性很大的飞机表面，亦称扫掠冲击区域。

区域3：除了区域1和区域2以外的所有飞机表面为区域3。在区域3，放电电弧直接附着的可能性很小，但它可能在某对初始雷电附着点或扫掠冲击附着之间传导很大的雷电流。

按照放电长时间悬停在飞机表面的可能性大小，区域1又进一步分为A区、B区和C区，区域2划分为A区和B区。A区是电弧在它上面长时间悬停可能性较小的区域。B区是电弧在它上面长时间悬停可能性较大的区域。

3.2区域的确定

飞机雷击区域的划分按照SAE ARP5414A-2005进行，采用推荐的或标准的经典规则确定。

3.2.1区域1的确定

首先，要确定可能的初始雷电附着点区域。一般传统布局的飞机，根据飞机的雷击经验，典型的雷电先导初始附着点位置为一些末端，如机头、机翼/尾翼翼尖、推进器和螺旋桨桨叶的末端、发动机舱以及其他明显的突出物。

其次，确定区域1A、1B、1C的位置，根据SAE ARP5414A-2005，在正常情况下，飞机将会往前飞行，当冲击和闪电从前端的附着点开始从头到尾的扫过，开始形成第一个回流冲击。这一时间飞机飞行距离决定了区域1A表面相对于初始附着点的延展部分，这个距离由飞行速度、飞机离地面的海拔高度（对于从云端到地面的冲击）以及先导速度决定。区域1A延展部分的起点应该是飞机初始附着区域的端点。

3.2.2区域2的确定

区域2：

1）从区域1的直接雷击接触点向后有扫掠雷击可能性的表面为区域2，在区域1的前、后边界侧向内大约0.5m范围内的表面；

2）区域1C之后机身表面为区域2A；

3）垂尾、平尾区域1以外的为区域2A；方向舵、升降舵为区域2B。

3.2.3区域1、2的横向扩张位置的确定

对于机翼和尾翼处，确定区域1的办法是确定突出的弧形部分的水平切线，然后沿着切线往里延伸大约0.5m，区域1往里延伸大约0.5m的表面区域应该放在区域2中考虑。

3.2.4区域3的确定

不属于区域1和2的表面，并且不可能有闪电附着的地方划分为区域3。

3.3飞机雷击区域划分示意图

飞机的雷击区域的位置都是由飞机的几何特性和飞机的飞行特性来确定的。飞机雷击区域的最终确定将由飞机雷击附着点试验得到。图1为某型号单发涡桨轻型公务机雷击区域的初步理论划分示意图。

4雷电防护设计

飞机结构的设计应该是在飞机遭遇雷击时能为雷电流提供低阻抗的通路。对于容易受到雷击放电损坏的飞机结构、系统和部件如飞机的机头、翼尖、螺旋桨、发动机、燃油箱、活动翼面、风挡、天线等部件，必须根据其自身重要性以及所在区域的要求采取必要的雷电防护措施，以尽可能避免或减小雷电对飞机及设备自身的损害。

4.1 全碳纤维复合材料机体的雷击防护

资料显示，对复合材料机体进行模拟雷击试验，在没有雷击防护层的情况下，在经受60～100kA峰值电流和1.9C电荷量放电后就产生严重损伤，说明应用复合材料的飞机必须进行雷击防护。

据了解，目前国内外多数复合材料的飞机均使用金属丝网作为雷击防护层，可用标准纺织工艺将金属丝织成布或针织品。全碳纤维复合材料飞机使用铜网作为雷击防护层。根据模拟雷击试验结果，具体防雷击方案为：

1）对机雷击区域1，可用铜丝网做复合材料的表面防护层。铜丝网的网眼数不小于20×40孔/in2，铜丝直径至少为0.14mm；

2）对机雷击区域2，可用铜丝网做复合材料的表面防护层。铜丝网的网眼数不小于20×40孔/in2，铜丝直径至少为0.1mm。

4.1.1位于雷击区域1的全碳纤维复合材料机体的雷击防护

用于雷击区域1的复合材料雷击防护层必须能经受200kA的高电流冲击和500C电荷量的传输。处于雷击区域1的全碳纤维复合材料结构的防雷击设计可在复合材料制件的外表面上铺一层铜丝网，一次固化成制件，或将铜丝网用胶粘剂粘到复合材料制件的外表面上。铜丝网规格为：网孔数不小于20×40孔/ in2，铜丝直径至少为0.14mm。

4.1.2位于雷击区域2的全碳纤维复合材料机体的雷击防护

用于雷击区域2的复合材料雷击防护层必须能经受100kA的高电流冲击和传输200C的电荷量。处于扫掠雷击的复合材料结构雷击防护设计可采用在复合材料制件表面上粘一层铜丝网。铜丝网的规格为：网孔数不小于20×40孔/ in2，铜丝直径至少为0.1mm，若有天线安装的部位，为防止趋肤效应，铜丝直径至少为0.14mm。

4.2全碳纤维复合材料整体油箱的雷击防护

对于复合材料整体油箱，雷电防护设计是复合材料整体油箱设计中的关键技术之一。雷击过程中的高电压、大电流、大电量（持续高电流）对复合材料整体油箱危害极大。因此，在复合材料整体油箱设计之初，就应选择雷电防护系统。

4.2.1全碳纤维复合材料整体油箱防雷击设计的主要原则

1）复合材料整体油箱应布置在飞机遭受雷击概率较小的区域，如雷击区域2或3，尽量布置在3区。对机翼整体油箱来说，应布置在机翼的根部或中部；

2）在复合材料整体油箱的外表面应该为雷击电流构建通道，这些通道应与飞机的雷击电流传输通路有良好的电连接；

3）在油箱区，凡存在燃油、燃油蒸汽和空气混合气体的空间，不得因雷击产生放电火花。

4.2.2全碳纤维复合材料整体油箱外部的雷电防护设计

由于复合材料整体油箱的上、下壁板是飞机机体结构表面的一部分，因此其雷电防护的设计思路及外表面雷电防护方法与复合材料机体的雷电防护相同。

4.2.3全碳纤维复合材料整体油箱内部的雷电防护设计

1）金属紧固件尾部及连接细节雷电防护设计：当结构材料允许雷击电流通过结构骨架传导时，容易在紧固件尾部或紧固件与骨架连接处产生放电火花，为此需用密封胶覆盖、用专用防护帽的方法或其他可靠的方法保证不产生放电火花；

2）复合材料紧固件：在满足强度要求并能提供充足的紧固件品种规格和工艺保证的前提下使用。可避免将雷击电流导入油箱内部，从而避免火花的出现；

3）油箱内的金属构件：复合材料整体油箱内部应尽量避免有金属构件。对于不可避免的金属构件应通过搭接线与飞机金属结构保证良好搭接，并要防止内部导体电晕和流光。

4）油箱内部的部件和结构设计应做到：当雷击电流通过油箱时，不会在油箱内部产生任何可能点燃燃油蒸汽的火花。

4.3设备的雷电防护

对于设备，根据设备所执行的功能，要求设备厂商必须参照符合设备预期用途以及在飞机上安装要求的试验电平和波形对设备进行试验，具体要求根据RTCA /DO 160F 第22章进行。

对于安装在飞机外部的设备，还需要设备厂商进行雷电直接效应试验，用于确定外部安装设备耐受雷击直接效应的能力，施加于外部安装设备的试验类型和严酷等级取决于设备指定的类别。指定的设备试验类别应与设备安装位置所在的雷电放电区域相符合，具体要求根据RTCA /DO 160F 第23章进行。

4.4雷电间接效应防护

飞机内电子电气系统和部件（全机用电设备，包括发动机电气、操纵系统等），可能会因为雷击引起过电压和过电流造成损坏或干扰的，要进行雷电间接效应防护。由于全碳纤维复合材料飞机的屏蔽能力比金属飞机差，所以雷电间接效应的防护更加重要。

雷电间接效应通常以两种形式出现：

1）雷电通过天线、空速管加温线、航行灯导线、金属操纵线系及各种金属管路等，将雷电电流直接引入飞机，可能出现浪涌电压；

2）沿着机体流动的雷电电流在飞机线路中、金属操纵线系、各种金属管路中产生的感应电压和电流。

4.4.1明确设备防护的要求

关于电子电气设备的雷电间接效应防护要求：

1）不得造成物理损坏；

2）不得产生立即危及飞机及其机组人员安全的干扰，或产生严重妨碍飞机任务完成的干扰。

系统和部件的雷电关键类别取决于其自身对飞机的重要性、所在的雷电分区以及雷电的敏感性。根据飞机的机体结构、蒙皮材料、电磁“窗口”大小（如外部非金属区）设备的安装部位、导线的布置、设备接口进行分析，确定瞬态控制等级（TCL）和设备瞬态设计等级（ETDL）。关键设备、分系统根据RTCA /DO 160F 第22章进行试验。RTCA /DO 160F 第22章试验波形等同SAE ARP5412A-2005的相关试验波形。

4.4.2选择设备的最佳安装位置

设计过程中，尽量将电子设备布置在雷电产生的电磁场最弱的区域，采取的主要措施有：

1）电子设备尽量远离门、窗、口盖等开口处。对于安装在驾驶舱、起落架舱、机翼前后缘、尾段等相对敞开区域的设备，采用金属机箱屏蔽，对于含有数字电路和模拟电路的设备如靠近挡风板或窗口的，最好用壁厚大于1mm的铝合金做成电磁屏蔽盒；

2）尽可能将电子设备布置为朝向飞机结构的中心，而不布置在飞机外蒙皮；

3）设备安装的设备架上能为电子设备提供接地面且与飞机接地网有良好的搭接；

4）金属线系和管路应有良好的搭接。

4.4.3选择线路的最佳位置

电线、电缆应进行分类布设。

电缆敷设远离门、窗、口盖等开口处和曲率较小的结构或蒙皮。

线束尽可能靠近接地平面或结构件敷设，可利用成形的结构件作电缆槽，提供屏蔽。

尽可能使导于磁场强度较弱的结构角落，如避开突出的结构件顶部，尽可能敷设在“U”型件的内部。

当有机外未屏蔽或屏蔽效能不高区域的电线和电缆进入机身内部时，将机外所有电缆进行屏蔽保护，屏蔽层接地线应尽量短，并良好搭接，以避免遭受雷击或外部强电磁辐射时电线和电缆上的感应电压和电流损坏电线和电缆以及与电线和电缆连接的机内设备。

不要使燃油传感器导线的走向与通气管、导油管导向走向一致或平行。导线可以贴着蒙皮走，但应避免与雷击电流流向一致。

在非金属机翼蒙皮下的电缆，应根据导线的布设方向，用铝箔材料或良导体金属导线管，保护电缆导线。铝箔材料或金属导线管应和全机的接地网搭接，形成良好的电气通路。

雷电流通过低导电率材料的蒙皮（如钛、碳纤维）区域会产生电磁干扰，应远离这些区域布设电缆。由于空间有限，可采用电气隔离的方法：

1）可采用扭绞线作为电源线；

2）采用屏蔽电缆或屏蔽扭绞线，并将它们的两端均搭接到全机的接地网上；

3）用瞬态抑制器，以保护电网的安全；

4）电气设备和线束的安装应满足要求。

4.4.4选择良好的接地

设备应根据要求选择良好的搭接，并进行搭接电阻的检查。

对全碳纤维复合材料飞机，全机设备进行良好的搭接显得尤为重要，为方便设备的搭接，全机应构建统一的搭接网络。

5结论

雷电对飞机的飞行安全影响较大，全碳纤维材料飞机的雷击防护在飞机的研制过程中是非常重要的，对机体结构采用敷设铜网作为雷击防护层是可行的。

参考文献

[1]RTCA/DO-160F 机载设备环境条件和试验程序.

[2]SAE ARP 5414A-2005 飞机雷电区域划分.

[3]CCAR-23-R3 正常类、实用类、特技类和通勤类飞机适航规定.

篇(3)

碳纤维是一种力学性能优异的新材料，被誉为黑色黄金。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。碳纤维不仅自重轻、强度高、性能稳定，同时它易于产品设计，通过对纤维排列不同取向可以满足不同的需求，是结构类应用首选材料。环氧树脂形式多样，应用方便，固化后尺寸稳定，收缩性低，具有优良的力学性能，耐酸碱。两者结合后称为碳纤维-环氧树脂基复合材料，也就是碳素复合材料，成为当今新一代的材料之王，是各类运动器材的首选材料。

减重

自行车的功能从交通工具进入到骑行运动、休闲健身后，碳素复合材料作为首选材料完全能满足骑行运动、休闲健身所需求的自重更轻，强度更高，骑行感觉更佳的诉求。实践证明，以碳纤维复合材料替代钢或铝金属材料，减重效率可达20%～30%，应用在自行车上，自重减轻30%，相当于增加有效骑行力45%以上。据专业测算，对一辆结构相同的自行车，若重量相差四磅（约合1.8公斤），同一运动员在两公里的行程中，重的那辆要慢193英尺（约58.82米）。难怪业界人士常有自行车重量降低一克，卖价可提高一美元的说法。

高强

除了为自行车减重，碳纤维复合材料也大大提高了车身的整体刚度，增加安全性。碳纤维复合材料中基体是以连续相形式包围着大量独立存在的纤维，这种由多相组成的材料在受到冲撞时，即使有少量的纤维断裂，其载荷会迅速重新分配到未破坏的纤维上，使结构还能承载原有的重量，大大提高了骑乘的安全性。而一般金属材料的疲劳破坏是没有明显征兆的突发性破坏。研究表明，碳纤维复合材料车架耐冲撞试验可达百万次以上，远远超过了日本工业标准规定的十万次标准。

减震

碳素材料的优势还不止于此。碳素复合材料的应用还显著改进了自行车的抗震性。刚度好的车架有利于驱动力的转换，操纵性能的提高。碳纤维复合材料自行车结构坚固，不易变形，而且减震效果突出。据报道，对形状与尺寸相同的车架进行试验表明，铝合金车架需要9秒才能停止振动，而碳纤维复合材料车架只需2.5秒就可停止，复合材料良好的阻尼性减轻了自行车的颠簸。不仅如此，和金属相比，碳纤维制成的自行车还具有良好的耐锈蚀性。高分子材料的耐酸碱、工业大气下性能良好，因此使用碳纤维树脂基复合材料制成的自行车零部件有无可置疑的耐环境性能。

碳素纤维复合材料在自行车中的应用

碳素复合材料主要应用在车架及结构性部件上。车架是自行车的灵魂，一辆综合性能卓越的自行车，必然有一个高性能的车架。碳素复合材料车架具有材料本身减重效应明显，重量超轻，应用后将碳素复合材料的高模量、高强度发挥得淋漓尽致，能吸收地面的冲击力，踩踏的反拨力快，几乎没有疲劳性等特点，是理想的自行车车架素材，成为运动竞技自行车的最佳材料选项。虽然具有优异的性能，但是复合材料自行车的设计和制造也远比一般金属材料自行车要更为复杂。

碳纤车架，主要技术点在于应力方面的结构设计。结构工程师综合模拟并测试车架各方向的受力情况后，科学地进行碳素复合材料的叠层的排列与设计，并结合车架管形的设计，传动模拟，试验验证后最终能获取科学数据，制造出高性能的车架。

在制作工艺上，需要首先将碳纤维与环氧树脂结合后形成碳素复合材料的预浸材料。材料经裁剪、卷制、热固化成型等工艺制成毛胚，再经打磨、抛光工艺才能最后制成成品车架。碳纤车架需求的多样化与市场化，使得车架成型技术也经历着不断的优化创新，部件分体成型法、一体成型法、气袋内压成型法、硅胶内蕊成型法、真空外压成型法、混合工艺成型法等都是较有代表性的制造工艺。

1974年，美国Apex Proto公司制造了一只薄壁不锈钢接头粘合的碳纤维复合材料自行车车架，1976年Exxon公司制造了石墨纤维和铝复合的Graftek G-1车架。但由于研究、开发和销售这些复合材料的车架费用巨大，无利可图，最终只能停产。1980年，法国TVT工厂第一次出售了复合材料自行车车架。1986年CCI公司设计的复合材料车架Kestre14000由于设计独特、造型新颖在业内产生了轰动。1987年，美国Treak公司推出Trek2500型复合材料车架获得了市场成功。此后，Peugeot、Vi、R-aleigh等美国公司也积极开始了复合材料自行车的设计制造。日本、台湾也都建立起了复合材料自行车生产线，达到年产五万辆以上的规模。

近年来，日本、美国、西欧及中国台湾利用对飞机部件的设计制造方法，分析了车架的应力承受情况，对受力较大的部位予以增强，更符合空气动力学要求。用内部加压注塑的方法制成的整体式碳纤维车架，整个自行车的重量可控制在7.5公斤左右，较管状粘接的车架轻20%，而刚性与铬钼车架相当，可以避免粘接问题，摆脱了传统的菱形车架模式，制造更趋于流线型、多样化。通过在树脂中添加适量染料，还可使产品表面更加艳丽。

除了车架，车轮是复合材料在自行车产品应用中的又一项成功。日本新日铁公司开发的自行车后轮，设计为采用乙烯树脂片材中加入芳酰胺纤维结构的碟轮。还有杜邦公司的三辐轮复合材料车轮，辐条也是用复合材料制作。辐条的外形采用前缘钝，后缘薄，使车轮在运动时产生最大的空气动力效果。轮缘部位设计为翼型，使轮缘作为前缘和后缘时都具有空气动力的效果。这样设计制造的复合材料空气动力车轮不仅重量更轻，在速度、强度、刚性等测试中均较钢丝车轮有更佳的表现。设计人员在设计中队骑行者遇到的空气阻力进行分析比较，在保持载荷的同时可以将比赛速度提高1-2km/h。

随着自行车竞技运动的发展以及绿色骑游文化的普及，碳素复合材料在竞技自行车领域、高档通行自行车领域应用呈现普及化，也带动了技术、工艺、质量等方面的全面提升。碳素复合纤维轮胎、碳素复合纤维车把、碳素复合纤维轮毂、碳素复合纤维前叉、碳素复合纤维避震器，复合材料等组件可谓比比皆是。根据不同部件使用要求和特点开发的新型复合材料也呈爆炸式发展。相应的，复合材料的蓬勃发展也加快了自行车产品的技术革新，新材料制作的新产品如雨后春笋应运而生。德国Karbon Kinetic-sLtd.公司推出的复合材料自行车就是基于全球著名的工程热塑性材料供应商沙伯基础创新公司出品的LNP VertonRV00CE特种复合材料设计制造。该材料不仅被应用于自行车领域，在雪鞋等要求坚固耐用、质轻减震的运动用品中均有上佳表现。

市场前景

碳纤维材料在发明之初主要应用在以航空航天为首的国防军工领域中，作为重要的国防战略物资属于技术密集型和政治敏感的关键材料。碳纤维不仅价格昂贵且技术保密，成为民用普及的瓶颈。目前世界碳纤维产量达到4万吨／年以上，全世界主要是日本东丽、东邦人造丝和三菱人造丝三家公司，美国的HEXCEL、ZOLTEK、ALDILA三家公司，以及德国SGL西格里集团、韩国泰光产业和台湾省的台塑集团等少数单位掌握了碳纤维生产的核心技术，并且有规模化大生产。各大碳纤维生产公司在冷战后除了扩大产能、研发新产品外，也都致力于降低碳纤维价格。据美国岩石山研究所对碳纤维作出的研究分析，只有当碳纤维价格降至每千克16.5美元以下才与钢材相比具有竞争力。而目前日本东丽公司的T700价格较钢材贵一倍还多。

竞技体育更关注性能，是高新技术民用化的前哨战和试验场。目前所有的比赛用车，无论是山地车或是室内自行车都几乎是碳素材料的天下，今年亮相的环法自行车赛比赛用车也都是清一色的碳素材料产品。但国外生产研制厂家在普及碳纤维自行车应用的同时，为增强企业的高科技形象，大多都是以发展碳纤维自行车的高档化与新颖性方面为重点，很少考虑成本。以美国德耳塔运动公司2010年最新推出的碳纤维网格结构自行车为例。该车架充分利用了网格结构重量效率高、抗压及抗弯曲性能好、耐损伤程度高大、易检测与修补等优点。采用该结构制造出的轻便自行车只有2.5公斤，即使是180公斤的重量级男子坐在上面，自行车也可以轻松自如地前进。如果将车架用于折叠自行车，人们就可以轻松地拎着它上公交、挤地铁了。产品结构新颖，应该很受消费者青睐。但该车的车架成本高达6995美元，整车则要11995美元，可以说自行车卖出了汽车价，根本不能进行批量生产。

尽管如此，碳纤维自行车市场随着其影响力的不断扩大仍有显著增长。2000年以前，碳纤维自行车的年产量只有几万台，基本上都是供专业或半专业人士使用。而到2010年，仅台湾与中国大陆地区就生产了约三十万台。可以说在这十年里，碳纤维自行车市场经历了爆炸性的增长。而碳纤维自行车的价格也从神话般高价位走到一般大众生活中。早期一辆碳纤维自行车售价数十万元，现在随着工艺成熟，材料市场进一步扩大，生产制造商不断创新，降低成本，目前市场也已经出现了不足万元的碳纤维自行车，让大众群体也可以享受到实惠。只有让更多的消费者接受体会碳纤维自行车的好处，才能更快地推动碳纤维等新型材料在自行车上的应用。

全世界每年生产的自行车总量超过一亿辆，而碳纤维自行车只有七十万辆左右。性能如此优越的材料在自行车的生产总量中只占很低的比例。业内人士指出，随着工艺和成本的优化，碳纤维自行车已经能够逐步走进寻常百姓家，让更多人享受绿色健康的骑行乐趣。

碳素复合材料的优势

质轻坚固

可定向优化性能

可塑性强

为产品创新设计留有更大空间

碳素复合材料的弊端

价格较钢铁昂贵

制造工艺较复杂

接合、维护难度大

篇(4)

关键词： 碳纤维增强复合材料； B基准值； 统计学分析； Matlab

中图分类号： TP319 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）16?0087?05

Matlab?based algorithm for B reference value of carbon fiber reinforced polymer

DONG Ben?zheng1， LI Wei1， GAO Li?hong2， GUO Chao?long1， ZHA Meng2， JI Ai?hong1， DAI Zhen?dong1

（1. Institute of Bio?inspired Structure and Surface Engineering， NUAA， Nanjing 210016， China； 2. The First Aircraft Institute， AVIC， Xi’an 710089， China）

Abstract： B reference value is an important parameter to evaluate carbon fiber reinforced polymer （CRFRP）， thus the efficient and accurate computation for B reference value of CFRP is helpful to evaluate its properties. According to the aviation industry standard of HB7618?2009， the B reference value algorithm based on Matlab GUI module is developed， which can realize the functions of specimen inspection， abnormal data check， statistical distribution test， discrete coefficient correction and test， B reference value calculation. The calculated result of B reference value is exported in the Word format. In comparison with calculation results from the Aviation Industry Standard of HB7618?2009， the algorithm is accurate and reliable. It improved the calculation efficient of B reference value significantly.

Keywords： carbon fiber reinforced polymer； B reference value； statistical analysis； Matlab

0 引 言

碳纤维复合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRP）是以树脂为基体，碳纤维为增强体的复合材料，作为一种先进的复合材料具有高比强度、高比模量、抗疲劳性等优点，正是这些独特的特性使CFRP成为与铝合金、钛合金、钢合金并列的四大航空材料之一[1?3]。飞机在服役的过程中会遇到各种各样极端情况，例如低温、高温、潮湿环境，这都会影响CFRP的性能[4?6]。航空工业一般采用B基准值来评价CFRP的性能。为了得到CFRP在这些环境下的B基准值，就需要进行大量的实验；根据航空工业标准HB7618?2009《聚合基复合材料性能数据表达准则》提供的计算步骤 [7]， B基准值的计算方法比较繁琐。因而面对大量的实验数据如何高效准确地计算B基准值对于实验人员来说是急需解决的问题。现在对于B基准值计算方法仍然是借助Excel的手动计算为主，这种方式无疑计算耗时长，并且容易出错，无法满足快速处理大量实验数据的要求。为了提高B基准值的计算效率，本文根据Matlab在矩阵运算、图像处理和数值处理效率方面的优势[8]，将B基准值的计算和Matlab相结合，利用其GUI（Graphical User Interface）模块开发B基准值计算算法。

1 基准值计算原理

1.1 B基准值

为了保证材料的结构的可靠性和安全性，就需要用到一些高级的统计学方法来确定其合理的设计许用值，一般采用B基准值[7]。B基准值是建立在统计学上的衡量材料性能的参数，在95%的置信度下，90%性能数值群的值高于此值[9]。航空工业标准HB7618?2009关于B基准值的流程复杂，本文将着重从批次相容性检验、检查异常数据、分布函数检验、离散系数修正与检验、B基准值计算及导出结果几方面进行说明。

1.2 主要计算步骤

（1） 检验不同批次的实验数据是否来自同一母体；检验方法是K样本的Anderson ?Darling检验， 其统计公式如下[7]：

[ADK=n-1n2（k-1）i=1k1nij=1lhjnFij-njHjHj（n-Hj）-nhj4] （1）

如果ADK小于错判临界值ADC（5%错判风险），则不同批次的实验数据来自不同母体。如果相容性检验不通过的，为了增加样本数据来自同一母体的可能性，采用1%错判风险继续判断是否来自同一母体。

（1） 检查异常数据。采用最大赋范残差的方法定量的检查异常数据：

[MNR=maxxi-xs] （2）

（2） 分布函数检验。根据经验威布尔计算的B基值过于保守，因此优先检验样本数据是否符合正态分布，如果不符合正态分布，再依次检验样本数据是否服从威布尔分布和对数正态分布。

（3） 离散系数修正与检验：当离散系数低于4%时，容易忽略材料差异、实验方法等方面的实际差异性，因此要对离散系数进行修正[10]，修正方法为：

[x*i=xi-α（xi）Δ] （3）

离散系数修正结束后，对不同环境下的样本数据进行离散系数检验，离散系数的检验公式为：

[F=i=1k（wi-w）（k-1）i=1kj=1niwij-wi（n-k）] （4）

（4） 将不同环境下的数据归一化，根据归一化后的实验数据的平均值和标准差计算B基准值。求出对应的折减系数，再与不同环境下样本的平均值相乘，从而得到B基准值，折减系数的公式为：

[Bj=x-（kj）*s] （5）

2 程序实现

2.1 基准值算法的渐进流程图和程序界面

图1是根据航标HB7618?2009给出的计算步骤编制的程序流程图，该程序流程图包括了批次相容性检验、检查异常数据、分布函数检验、离散系数修正与检验、B基准值计算及导出结果等功能。

图1 B基准值算法的渐进流程图

2.2 变量传递

B基准值的算法程序包含几个不同的模块（见图1），而每一个模块又包含了多个程序和子程序。为了实现变量在不同模块和函数间进行传递，本文采用handles结构体和guidata函数来实现这个功能。在B基准值的算法程序界面中的所有控件使用同一个handles结构体，handles结构体中不仅保存了图形窗口中所有对象的句柄，而且还可以获取或设置某个对象的属性。在程序的计算过程中需要将每一个模块计算后的结果赋给handles结构体，以便于将这个变量传递到下一个计算模块。而每次handles结构体添加了新的元素，guidata函数便会更新handles结构体，使handle结构体中的新添加元素可以传递到下一个模块。guidata函数用法guidata（hObject，handles），其中，hObject是执行回调的控件对象的句柄，handle为结构体。handles结构体和guidata函数的用法如下所示：

function pushbutton13_Bvalue_Callback（hObject， eventdata， handles）

…

handles.Bvalue（j）=roundn（mean（nn_data（：））*Bj（j），?3）；

…

guidata（hObject，handles）

2.3 设置实验环境

B基准值的算法界面程序首先要检验相同环境下不同批次的样本数据是否来自同一母体。程序界面中包括四种实验环境：低温干态（CTD）、常温干态（RTD）、高温干态（ETD）、高温湿态（ETW）， 为了避免母体检验的过程中不同环境下的样本数据相互干扰，需要对程序界面中代表着不同实验环境的复选框（Check Box）进行设置。当其中的一种环境的复选框处于选中状态时，其他的三种环境的复选框需要设置成未选中状态，这样就可以避免相互干扰。下面是当CTD处于选中状态，其他的三种实验环境处于未选中状态时的代码：

if get（handles.checkbox1_CTD，′Value′）

set（handles.checkbox2_RTD，′value′，0）；

set（handles.checkbox3_ETD，′value′，0）；

set（handles.checkbox4_ETW，′value′，0）；

set（handles.checkbox5_hebing，′value′，0）；

end

当复选框处于选中状态时，其Value值等于1；当复选框处于未选中状态时，其Value值等于0。

2.4 分布函数检验

对于样本数据的分布函数检验，本文采用Matlab本身的内置函数normplot（）和weibplot（）函数进行判断。若样本数据服从正态分布和威布尔分布，样本数据点分布成一条直线，否则成一条曲线。至于样本数据的对数正态分布检验，程序首先对样本数据取对数将对数分布转化为正态分布后，再用normplot（）函数检验是否服从正态分布。

在B基准值的计算过程中首先检验的是正态分布，可见样本数据的正态分布对于B基准值计算的重要性。为了增加正态分布检验的准确性，本文除了采用normplot（）函数对样本数据进行直观的目视正态分布检验外，还借助函数H=jbtest（）对样本数据进行进一步的正态分布检验。若H=0，则认X服从正态分布；若H=1，则否定X服从正态分布。对CTD环境下样本数据进行正态分布检验的程序代码如下，检测结果如图2所示。

…

normplot（handles.tdata（：））； %正态分布概率图

handles.H=jbtest（handles.tdata（：））； %拟合优度检验

…

图2 CTD环境下样本数据进行正态分布检验图

图2中CTD环境下的样本数据点分布大致成一条直线，并且检验结果H=0，表示接受正态分布假设。可见CTD样本数据服从正态分布。

2.5 生成实验报告

面对大量的实验数据，书写报告往往是重复性劳动工作，此时可以利用Matlab生成一表格模板，每次自动导入数据生成报告，这就可以节约大量的时间。Matlab作为一种面向对象的语言，它支持COM技术，利用它的COM编译器可以把Matlab开发的程序转换成方便使用的COM组件。而ActiveX控件技术是建立在COM技术之上，由微软公司推出的共享程序数据和功能的技术。因此，Matlab可以利用ActiveX控件技术，在Matlab中调用Microsoft Word 程序插入表格，此时的Word是组件，是服务程序，而Matlab是控制器程序。下面是生成报告的部分程序代码：

…

try

Word = actxGetRunningServer（′Word.Application′）；

%若Word服务器已经打开，返回其句柄Word

catch

Word = actxserver（′Word.Application′）；

%创建一个Microsoft Word服务器，返回句柄Word

…

Tables=Document.Tables.Add（Selection.Range，21，5）；

%插入一个21行5列的表格

…

Document.Save %保存文档3 计算实例

本文根据航标HB7618?2009提供的范例数据来详细说明B基准值的计算流程，并验证程序界面计算的可靠性，如图3所示。范例包含了所有实验环境下的样本数据，见表1。

图3 B基准值程序界面

（1） 通过Anderson?Darling方法检验不同环境下的不同批次的实验数据是否来自同一母体（依次勾选对应的实验环境），检验后发现ETW（高温湿态）环境下的三批样本数据的ADK大于临界值（ADK=2.258 2>ADC=1.917 4），可见该环境下三批数据来自不同母体，如图4（a）所示。如果放大为1%错判风险下， ADK小于临界值（ADK=2.258 2

（2） 相容性检验检验结束后，根据公式（2）计算每一试样的MNR值（单击异常数据检查），如果MNR值大于临界值，那么就可以判断该试样为异常值。对于能够反映材料、工艺参数和实验环境的差异性的异常数据需要保留。而当异常数据是由不合格的试样、实验设备和夹具的缺陷造成时，异常数据要删除（单击删除异常数据，见图3），否则就会导致统计结果的失真。

图4 母体检验

（3） 对不同环境下实验数据进行正态分布假设检验，如果不符合正态分布再依次检验是否服从威布尔分布和对数正态分布。

（4） 检验相同环境下样本数据的离散系数是否小于4%（单击离散系数）。由于较低的离散系数容易忽略材料和实验方法等方面的差异性，因此对于小于4%的情况，程序会根据式（3）将离散系数修正为4%。修正后的数据平均值保持不变，原来小于平均值的数据变得更小，原来大于平均值的数据变得更大（见图5）。然后，再检查不同环境下离散系数是否相等，根据公式（4）计算F值小于临界值（F=2.38

图5 离散系数修正图

（5） 合并不同环境下的实验数据再一次进行正态分布检验（勾选合并，见图3）。在第（3）步中已经验证每种环境下的实验数据的是否符合正态分布，如图6（a）所示，由图6（b）可见合并后的实验数据依然符合正态分布。然后，用每种环境下的样本均值对数据进行归一化，求出归一化后合并数据的平均值、标准差和离散系数见表1。

根据公式（5）可以求出相应的环境下的折减系数Bj，并与不同环境下的样本数据平均值相乘，从而获得B基准值。

图6 数据的正态分布检验

为了验证程序的可靠性，采用标准中提供的范例中的计算结果进行对比说明。表2中列出了在四种不同实验环境下的程序计算结果和航标HB7618?2009提供的结果。从表中的数据对比可以发现误差在+0.3%以内，误差主要由容限系数和折减系数的近似计算造成。可见程序计算的结果符合工程精度（误差±5%）的要求，此外相比于借助Excel的手动计算法方法，效率显著提高。

4 结 语

本文根据航空工业标准HB7618?2009给出的B基准值的计算步骤，将Matlab的GUI模块与B基准值的计算相结合开发出B基准值的计算程序。相比于借助Excle的手动计算方法，该程序界面具有以下优点：

（1） 程序可以判断样本是否来自同一母体，还具有异常数据处理、统计分布检验、离散系数检验与修正等功能，最后实验结果以Word格式导出。

（2） 使用该程序进行B基准值的计算方便快捷、效率高，并且具有良好的人机界面，显著提高了B基准值的计算效率。

表2 不同环境下计算结果对比

参考文献

[1] 张骏华，盛祖铭，孙继同.复合材料结构设计指南[M].北京：北京宇航出版社，1999.

[2] 李威，郭权锋.碳纤维复合材料在航天领域的应用[J].中国光学，2011，4（3）：201?212.

[3] 陈绍杰.复合材料设计手册[M].北京：航空工业出版社，1990.

[4] 刘建华，曹东，张晓云，等.树脂基复合材料T300/5405的吸湿性能及湿热环境对力学性能的影响[J].航空材料学报，2010，30（4）：75?80.

[5] 吕小军，张琦，马兆庆，等.湿热老化对碳纤维/环氧树脂基复合材料力学性能影响研究[J].材料工程，2005（11）：50?53.

[6] 郑锡涛，李野，刘海燕，等.湿热谱老化对复合材料层压板强度的影响[J].航空学报，1998，19（4）：462?465.

[7] 中国航空工业总公司.HB 7618?2009 聚合物基复合材料力学性能数据表达准则[S].北京：中国航空工业总公司，2009：50?85.

[8] 陈子为.基于 Matlab GUI 扫雷游戏的设计与实现[J].现代电子技术，2009，32（24）：85?88.

篇(5)

关键词：粉末冶金 碳纤维铜基复合材料 摩擦性能 强度 电导率

引 言

随着现代科学技术的迅速发展，特别是航天航空技术的发展以及微电子工业的发展，对材料提出了日益增高的性能要求。如在宇航的动力构件中，必须用比强度，比模量高的材料制造；又如宇航飞行器在温度变化很大的环境中工作等，这些都给构件材料提出了更高的性能要求。而单一金属材料已很难满足这些要求，因此，人们越来越多地借助于复合材料来克服单一材料性能上的局限性，获得各种特殊的综合性能。

碳纤维增强铜基复合材料兼顾碳纤维和铜基体材料的性能而成为更为优异的工程结构材料和具有特殊性能的功能材料。由于具有高温性能好，比强度高，比模量高，导电、导热性能好，横向力学性能，层间剪切强度高，不吸湿、不老化等优点，使得此类材料已成为当今材料界研究的热点之一。

Cf-Cu复合材料的制备工艺主要有热压固结法、粉末冶金法、挤压铸造法、液态金属浸渍法、真空压力浸渍法等，为了获得更高的热导率及较好的减摩、耐磨性能，本文采用粉末冶金法制备Cf-Cu复合材料。该类材料由于具有摩擦磨损性能好，比强度高，热导率高等优点，在减摩、耐磨材料中应用非常广泛。文中主要工作是研究Cf-Cu复合材料在电镀铜和电镀镍的情况下，添加剂钛粉对它的摩擦性能、强度及电导率的影响。

1、实验部分

1.1 实验原料

碳纤维（吉林碳素厂生产的PAN碳纤维）、铜粉（国药集团化学试剂有限公司生产）、钛粉、镍

1.2 实验设备

SXZ-10-12型箱式电阻炉、摩擦机

1.3 实验方法

1.3.1 Cf-Cu复合材料的制备

为了克服碳纤维和铜化学相容性差及二者不润湿也不反应的缺点，使得铜与碳纤维之间的界面结合力更强，首先在碳纤维表面镀铜处理，以增强碳纤维与铜基体的复合，再将经过电镀铜处理的碳纤维切割成短碳纤维，随后与铜粉按一定质量比均匀混合，压制成型，最后将坯体放入上海实验电炉厂生产的SXZ-10-12型号箱式电阻炉中处于真空状态下进行烧结，得到Cf-Cu复合材料。

1.3.2摩擦性能的测试

把压制好的柱状试样安放在摩擦机上并用螺钉固定，先进行干磨，每个试样磨5次，每次磨的时间为半个小时，磨完后把试样取出用洗衣粉清洗干净，然后再用纯水清洗，随后放入装满酒精的烧杯中浸泡5分钟取出，用纯水冲洗干净完后放入烘干箱中烘烤10分钟，最后取出让它空冷后，放入电子光学天平（型号MP100010最小精度为0.0001g）中称量出干磨完后的质量。干磨示意图如图1所示。

把所有试样干磨完成后进行湿磨这样可以最大限度的减少误差，湿磨即在转轮下面放一盆机油，实验过程与干磨一样。湿磨示意图如图2所示。

1.3.3强度的测量

本次试验主要测量碳纤维增强铜基复合材料的抗弯强度（即挠度），试验方法采用三点弯曲法测量，由于试样是圆柱体形，体积较大，不容易直接在试样上测量其强度，所以首先在试样上切下一小块，再利用XQ-2型金相试样镶嵌机镶嵌好试样小块，将其磨成长15mm，宽8mm，厚3mm的长条状，最后放在自制测量设备上弯曲，记录螺钉往下拧的深度（即挠度值）。三点弯曲法测量强度原理图如图3所示。

1.3.4电阻率的测量

采用惠根斯电桥法测量电阻R（Ω），再由公式：R=ρ×L/S，可求得电阻率ρ=R×S/L，再由公式G=1/ρ，可求得电导率G。测量电阻时先将试样切下一小片，利用XQ-2型金相试样镶嵌机镶嵌好试样小片，把小片磨成厚度0.5mm，再采用线切割切下小片中间一小条（宽度1mm），这样制好的电阻样条就相当于一个小电阻。

2、实验结果讨论

2.1 添加剂钛对电镀Ni和电镀Cu处理的Cf-Cu复合材料的摩擦性能影响

以下曲线图分别是Cf-Cu复合材料在电镀Ni和电镀Cu的情况下，磨制时间（h）与磨损量（g）的关系曲线：

根据图4、图5可知，添加剂钛对电镀Ni处理的Cf-Cu复合材料在干磨时，坯体的重量在减轻，湿磨时，坯体的重量在增加，并且随着钛粉的加入，Cf-Cu复合材料的摩擦性能也在增强，从曲线图还可看出湿磨时，加入了添加剂钛粉的坯体的重量增加幅度较大。理论分析：a.在干磨时磨损了表面一层金属，使得重量下降，湿磨时虽然也会磨损，但由于坯体表面有裂痕，使得一部分机油会浸入坯体导致它的重量会随磨制时间延长而增加；b.添加了钛粉会促进铜基体与碳纤维的润湿，它可以使复合材料在烧结过程中由于扩散作用电子定向迁移的阻力减小；c.钛的加入在摩擦面上容易形成碳纤维膜，使磨损量减小。

根据图6、图7可知，钛粉对电镀Cu处理的Cf-Cu复合材料在干磨时重量在减小，湿磨时重量在增加，但增加的幅度很小。当加入添加剂钛粉时，从图7还可看出，坯体的重量增加的较大。理论分析：a.在干磨时磨损了表面一层金属，使得重量下降，湿磨时虽然也会磨损，但由于坯体表面有裂痕，使得一部分机油会浸入坯体导致它的重量会随磨制时间而增加；b.添加钛元素是促进铜基体与碳纤维润湿的有效途径，它可以使复合材料在烧结过程中由于扩散作用电子定向迁移的阻力减小；c.钛元素在摩擦面上容易形成碳纤维膜，使磨损量减小；d.碳纤维具有耐磨损，热膨胀系数小，自和吸能抗震等一系列优点。

2.2 添加剂钛对电镀Ni和电镀Cu处理的Cf-Cu复合材料的强度性能影响

以下曲线图分别是Cf-Cu复合材料在电镀Ni和电镀Cu的情况下，碳纤维含量（%）与其强度（Mpa）的关系曲线：

从图8、9看出，1）在一定范围内不管是镀镍还是镀铜处理的Cf-Cu复合材料，无论是添加钛粉还是不添加，它们的强度均随碳纤维含量的增加而增大；2）在镀镍处理的Cf-Cu复合材料中加入添加剂钛时，强度要比没有加钛时小，而在镀铜处理的Cf-Cu复合材料中相反。理论分析：a.碳纤维铜复合材料界面是一种以机械结合为主的物理结合，这种结合的界面结合强度低，但是在复合材料中镀镍或者镀铜处理，会使界面形成C-Ni或C-Cu互扩散结合特性。导致复合材料的强度增加；b.在电镀铜处理的Cf-Cu复合材料中钛元素与铜之间的润湿性更好。

2.3添加剂钛对电镀Ni和电镀Cu处理的Cf-Cu复合材料的电导率的影响

以下曲线图分别是Cf-Cu复合材料在电镀Ni和电镀Cu的情况下，材料中碳纤维含量（%）与其电阻率（欧米）的关系曲线：

从图10、11可以看出，1）无论是镀镍还是镀铜处理的Cf-Cu复合材料的电阻率均随碳纤维含量的增加而增大。2）在碳纤维含量相同的条件下，不管在镀镍还是镀铜处理的Cf-Cu复合材料中加入添加剂钛，复合材料的电阻率会减小。理论分析：1）在碳纤维铜复合材料中加入镍或铜元素时，一方面镍（铜）是金属元素，金属镍（铜）元素电离出自由电子导致自由电子密度的增加。另一方面复合材料的几何界面减少，对自由电子的散射减少。使得复合材料的电阻率增加。2）当加入钛粉时，钛元素会在镀层界面上对镀层金属电离出来的电子的散射起促进作用，导致复合材料的电阻率减小。

3、结论

（1）加入添加剂Ti粉后，碳纤维铜复合材料的摩擦性能增强。

篇(6)

关键词： 复合材料 碳纤维 混凝土结构加固 疲劳寿命

Abstract: carbon fiber reinforcement concrete structure is a kind of high efficient, has broad application prospects of the reinforcement technology, relates to material science, mechanics, structural engineering and other fields of knowledge. This paper combines Beijing high-speed bridge repair and reinforcement example, single from the mechanics of composite material fatigue life analysis method.

Key words: composite material of carbon fiber reinforced concrete structure fatigue life

中图分类号：TU37文献标识码：A 文章编号：

在对济广高速高架桥的检测中发现该桥存在较多病害，上部结构梁底出现了较多裂缝。经山东省交通规划设计院、山东高速检测咨询中心等有关部门现场查看，确定对预应力混凝土连续板、钢筋混凝土连续刚构、预应力混凝土等截面连续刚构出现的裂缝进行封闭处理并粘贴碳纤维，提高其抗弯承载力。

1 碳纤维材料在桥梁加固中的应用

对于混凝土桥梁的抗弯加固，目前常用的方法有增大截面加固、粘贴钢板加固、体外预应力加固、粘贴纤维复合材料加固等。这些加固方法各有优点，同时也有不足之处。加大截面加固能有效提高结构的刚度和承载力，但施工周期长，增加结构自重，减小桥下使用空间；粘贴钢板加固对结构刚度提高明显，但钢板具有容易腐蚀耐久性差的缺点，且使用的结构胶往往因老化产生粘结破坏；体外预应力加固对刚度和承载能力提高明显，但锚固端受力很大不容易控制，且施工繁琐，加固成本较高。粘贴纤维复合材料加固，即采用粘结剂将碳纤维片材附着于结构损伤的表面，使一部分荷载透过胶层传递到碳纤维片材上，从而降低受损结构处的应力作用，进而控制裂纹扩展速率以达到制止裂缝扩展的作用，最终使结构使用周期得以延续。纤维材料由于自重轻，抗拉强度高，抗腐蚀能力强，提高最大承载力明显，但对刚度提高不大。

在粘贴钢板和粘贴碳纤维布桥梁加固中，我们通过对碳纤维复合材料和钢筋进行比较可看出两者的优劣。碳纤维复合材料初始缺陷损伤尺寸比金属材料大，例如纤维断开、基体开裂、纤维与基体脱胶、层间局部脱离等，但疲劳寿命比金属长，同时碳纤维复合材料疲劳损伤是累积的，而且有明显的征兆，金属材料损伤累积是隐蔽的，破坏有突发性。金属材料在交变载荷作用下往往出现一条疲劳主裂纹，它控制最后的疲劳破坏。而碳纤维复合材料往往在高应力区出现较大范围的损伤，疲劳破坏很少由单一的裂纹控制。总的来说，碳纤维复合材料抗疲劳破坏的性能比金属材料好很多。

2 疲劳特性

2.1碳纤维布加固混凝土梁后，在疲劳荷载作用下，碳纤维布能够明显降低加固梁中的箍筋应变。对于完好加固梁，粘贴碳纤维布后，箍筋应变减少达到40%-50%；对于损伤的加固梁，箍筋应变减少达到20%-40%。

2.2随着疲劳次数的增加，碳纤维应变不断增大，且单纤维布用量越大，其应变越小。粘贴40mm碳纤维布加固梁相对于粘贴20mm碳纤维布加固梁，碳纤维应变减少10%-40%。

2.3碳纤维和箍筋应变均在疲劳前10万次增长较快，几乎达到应变的70%-90%，其后增长趋于稳定，这与疲劳损伤的一般规律是一致的。

2.4在疲劳荷载作用下，碳纤维布能够限制斜裂缝的发展，增强结构疲劳抗剪能力。

2.5碳纤维布加固钢筋混凝土梁后，在受荷过程中相互作用，各材料应力相互调整，各材料相互作用和应力的相互调整将直接影响碳纤维布在不同受荷阶段的发挥水平。

3 碳纤维疲劳损伤机理

单向复合材料正铀拉伸疲劳时，基体内首先形成横向裂纹，当局部纤维断裂时形成裂纹扩展、界面脱胶、由纤维损伤引起基体裂纹增长和纤维桥联．也可形成它们的组合情况。图1和图2分别表示单向复合材料正轴拉伸疲劳基体损伤和纤维损伤的几种型式。单向复合材料正轴拉—拉疲劳纤维断裂的情况如图3所示。

图1单向复合材料正轴拉伸疲劳基体损伤

（a）分散裂纹限于基体内 （b）局部纤维断裂，裂纹扩展，界面破坏

图2单向复合材料正轴拉伸疲劳纤维损伤

（a）纤维断裂引起界面脱胶（b）纤维断裂引起基体裂纹增加

（c）纤维桥联基体裂纹

图3单向复合材料正轴拉伸疲劳纤维断裂

4碳纤维疲劳寿命预测

疲劳寿命预测有三种理论模型：

4.1疲劳裂纹扩展速率线弹性断裂力学认为决定疲劳裂纹扩展的是应力强度因子的幅值 ，Paris由此得出下列公式

其中 为疲分裂纹扩展速率，C为材料常数，n为扩展指数。

此公式是针对金属材料疲劳裂纹扩展的，它对复合材料基体(树脂等)和短纤维复合材料也适用，但是对于其它连续纤维增强复合材料．预制了裂纹的试件在疲劳过程中并不以主裂纹扩展而是以损伤区扩展而发生破坏。对于无预制裂纹的试件更是以损伤形式扩展，因此，用疲劳裂纹扩展的方法预估寿命是困难的。

4.2 累积损伤理论Miner从数学上定义，材料在应力水平 下的疲劳寿命为N周，当在此应力水平下受载n周时，材料损伤为D=n/N,显然 时材料破坏。在变化幅值应力作用下，Miner的线性累积损伤理沦认为，当

时材料发生破坏，式中表示在第i个应力水平 作用的应力循环周数， 为该应力水平下疲劳寿命周数， 表示对整个过程中所有 水平对应的周数求和。如已经测得材料的S-N曲线以及载荷谱，则可预测何时发生破坏。某些实验表明复合材料不完全遵守这一规律，当应力由低变到高时， 往往小于1；而应力由高变低时， 常在大于1时发生破坏，因此有人提出非线性累积损伤理论， 等加以修正。

4.3 剩余强度理论由式 可知，材料损伤随疲劳周数增加而发展，材料内在缺陷发展而破坏，它取决于载荷和环境等外因。此外，结构破坏的临界荷载随裂纹长度和损伤D增大而降低。剩余强度理论认为:在外在交变载荷作用下由于损伤D增大,材料强度由其静强度R(0)下降到剩余强度R(n),一旦外加载荷峰值 达到R(n)，材料便发生破坏。利用此理论预测疲劳寿命，还需了解损伤D的演变规律及剩余强度与损伤的关系，目前这一理论尚在进—步研究中。

总之由于复合材料的复杂性和性能的分散性，其疲劳问题受多种因素影响也非常复杂，本文列出的计算分析方法还有待实践修正，需继续总结研究。

参考：1、《混凝土加固设计规范》GB50367-2006

2、《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》【S】CECS146：2003

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关键词：环氧树脂；预浸料；风电叶片；复合材料

中图分类号：TQ342 文献标识码：A

随着风力发电设备的大型化，对材料的强度和刚度等性能提出了更加苛刻的要求，要满足大型叶片对材料的要求，国外风电叶片生产商已着手在大型叶片的制造过程中使用碳纤维。随着风电技术的发展，碳纤维在风电行业中的应用将使风力发电的综合成本逐渐减低，使用碳纤维复合材料制造大型叶片将是未来必然的发展趋势。常用的复合材料风电叶片的制造工艺有湿法成型、预浸料成型、真空灌注成型等方法。对于制造相同WM级的风电叶片，预浸料呈现最佳的性能。国外碳纤维预浸料在风机叶片上的应用方面已日趋成熟。在这项技术上走在世界前列的仍然是几个老牌的风电大国包括德国、丹麦和美国等。目前，国内碳纤维在风电叶片上的应用刚刚起步，但是均采用进口碳纤维预浸料，国产碳纤维预浸料在风电叶片上的应用处于空白。本试验根据市场需要，研制一种适用于真空低压成型的国产碳纤维预浸料，应用于大型风电叶片。

1.实验部分

1.1 主要材料与试剂

双酚A型环氧树脂单体A、B：纯度>99%（HPLC测试）；固化剂组分：中航复合材料有限公司自制；触变剂：中航复合材料有限公司自制；ZT6F碳纤维：T700级12K碳纤维，中简科技有限公司。

1.2 树脂及复合材料的制备

称取一定量的环氧树脂单体A、B，加热熔融，加入触变剂，高速搅拌；降至一定温度，加入固化剂组分，机械搅拌均匀即得LTC80环氧树脂基体。将LTC80树脂和增强材料（ZT6F碳纤维），通过热熔法制备预浸料，利用真空袋成型，即可制得ZT6F/LTC80树脂基复合材料。

1.3 测试与表征

树脂的DSC分析：NETZSCH DSC 204 F1示差扫描量热分析仪，升温速率：5℃/min；树脂流变性能：GEMINI200型流变分析仪，测试条件：加载频率：1Hz，加载应力：10MPa，试样厚度：200um，升温速率：3℃/min；树脂DMA：NETZSCH DMA 242C动态热机械分析仪，升温速率：5℃/min。

复合材料力学性能的测试：按ASTM标准进行测试。

2.结果与讨论

2.1 LTC80树脂性能

2.1.1 树脂DSC曲线

从图1可以看出树脂体系的反应温度在134℃，反应起始温度在125℃符合风电叶片用树脂体系的固化要求。在实际使用中，树脂体系的在100℃下固化3h，即可实现完全固化。

2.1.2 树脂耐温性能

从图2可以看出，树脂固化后玻璃化转变温度Tg达到136.9℃，具有较高的耐热性。

虽然使用低成本的双酚A型环氧树脂，但是由于自制固化剂组分的高效，使得树脂固化完全，使得树脂体系具有高的耐热性。

2.1.3 树脂流变性能

由图3树脂的流变曲线可以看出，随着温度的上升，受温度影响树脂黏度逐渐降低，随着温度的继续上升，树脂开始发生固化反应，树脂黏度逐渐增加，至114℃以上，树脂固化反应加快，很快达到凝胶阶段，树脂的黏度迅速增加，树脂固化。这种动态的流变特性使得树脂易于制备大厚度预浸料；且树脂在固化时具有较低的黏度，同时由于触变剂的加入，使得树脂适用于真空低压固化工艺，具有较好的工艺性。

2.2 复合材料性能

2.2.1 热熔法制备预浸料

LTC80树脂体系的流变特性，使其适用于热熔法制备预浸料，并适用于低压成型。

风电叶片用预浸料为了降低铺贴成本，通常采用高面密度，这就给树脂充分浸润纤维带来了考验，LTC80树脂的流变特性恰好解决了这个问题，在树脂流动的动态过程中，触变剂的增稠作用处于失效状态，因此树脂能充分流动。而在制备过程中，设备温度和压力的合理控制，不会出现树脂积淤的现象，使得预浸料不会出现贫胶区域，保证了预浸料性能的稳定。

ZT6F/LTC80预浸料预浸料的制备采用二步热熔法，见表1。

2.2.2 ZT6F/LTC80复合材料性能

表2所示的结果是ZT6F/LTC80复合材料力学性能。从表中结果可以看出，复合材料具有优良的力学性能。

结论

以低成本双酚A型环氧树脂为主要原料合成的LTC80树脂具有适宜的流变特性，将其和国产T700级碳纤维ZT6F复合制备热熔法预浸料。国产ZT6F/LTC80碳纤维预浸料具有优良的力学性能，已成功应用于制备大型风机叶片，并通过静力试验。

参考文献

[1]牟书香，陈淳.碳纤维复合材料在风电叶片中的应用[J].新材料产业，2012（2）：25-29.