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1、为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划新乡新型材料铝制品论碳纤维复合材料的应用及其发展趋势摘要：介绍了碳纤维复合材料的发展历程和其相比于一些传统材料的优点，指出碳纤维复合材料的主要应用市场及其面临的新形势，指出碳纤维复合材料发展所面临的问题和机遇。关键词：碳纤维复合材料优点应用发展趋势一、碳纤维复合材料简介碳纤维复合材料是以碳纤维(织物)或碳化硅等陶瓷纤维(织物)为增强体，以碳为基体的复合材料的总称。碳纤维是由有机纤维如粘胶纤维、聚丙烯晴纤维或沥青基纤维在保护气氛下热处理碳化成为含碳量90%100%的纤维1。碳基复合材料
2、有两种制备方法：一是浸渍法，即用增强体浸渍熔融的石油或煤沥青，再经碳化和石墨处理，它的基体是石墨碳，呈层状条带结构，性能是各向异性的。还有用增强体浸渍糠醇或酚醛等热固性树脂，只经碳化处理，它的基体是玻璃碳，即无定型碳结构，性能是各向同性的；另一是CVD法，即把烃类化合物的热解碳沉积在增强体上来进行复合，这种方法的碳基体是类似玻璃碳的热解碳。碳/碳复合材料不耐氧化，所以有时需要加抗氧化涂层。碳纤维复合材料主要包括以下几类：碳纤维增强树脂基复合材料、C/C复合材料、碳纤维增强金属基复合材料、碳纤维增强陶瓷复合材料、碳纤维增强橡胶复合材料等。碳纤维复合材料作为一种先进的复合材料，具有重量轻、模量高、
3、比强度大、热膨胀系数低、耐高温、耐热冲击、耐腐蚀、吸振性好等一系列优点，在航空航天、汽车等领域已有广泛的应用。二、碳纤维复合材料的性能及优点、力学性能碳纤维复合材料拉伸强度高，模量大，密度小，具有较高的比强度和很高的比模量。与传统金属材料相比，碳纤维复合材料质量轻，强度高，韧度高，具有明显的优势。与同为新型材料的玻璃纤维复合材料相比，碳纤维的拉伸强度约为其3-7倍。碳纤维的弹性模量高于硅基纤维，所以碳纤维复合材料在相同外载荷下，应变较小，其制件的刚度比玻璃纤维复合材料制件高。高模量碳纤维的断裂伸长率约为%，高强度碳纤维的约为1%，玻璃纤维约为%，而环氧树脂的约为%，所以碳纤维复合材料中纤维的强
4、度能得到充分的发挥。由于碳纤维的脆性很大，冲击性能差，所以碳纤维复合材料的拉伸破坏方式属于脆性破坏，即在拉断前没有明显的塑性变形，应力应变曲线为直线，这一点与玻璃纤维相似，只是模量高于、断裂伸长率低于玻璃纤维。、热性能碳纤维复合材料的耐高低温性能好。在隔绝空气，XXC仍有强度，液氮下也不脆断。碳纤维复合材料的导热性能好。导热系数较高，但随温度升高有减小的趋势。碳纤维复合材料沿纤维轴向的导热系数为/；垂直纤维方向的导热系数为cal/。碳纤维复合材料的线膨胀系数沿纤维轴向具有负的温度效应，即随温度的升高，碳纤维复合材料有收缩的趋势，尺寸稳定好，耐疲劳性好。、耐腐蚀性碳纤维复合材料除了能被强氧化剂如
5、浓硝酸、次氯酸及重铬酸盐氧化外，一般的酸碱对它的作用很小，比硅基纤维复合材料具有更好的耐腐蚀性。碳纤维复合材料不像玻璃纤维复合材料那样在湿空气中会发生水解反应，具有好的耐水性及耐湿热老化特性。此外还具有耐油、抗辐射以及减速中字运动等特性。、优点综上所述，碳纤维复合材料具有重量轻、模量高、比强度大、热膨胀系数低、耐高温、耐热冲击、耐腐蚀、吸震性好等一系列优点，这些性能都是传统金属材料所不具备的特征，相比于其他类型的新型复合材料也具有较强的性能。这使得碳纤维复合材料可以在很多领域获得广泛的应用，同时促进碳纤维复合材料的进一步研究，以继续提高其使用性能。三、碳纤维复合材料的应用碳纤维复合材料凭借其优
6、良的性能，已经在各个领域得到广泛的应用，主要有航空航天、汽车、结构加固工程、新能源开发、休闲用品等。、航空航天碳纤维复合材料最初主要应用于航天业，因为发射航天器的成本与重量成正比关系，所以如何在保证航天器性能的同时减轻其重量成为最重要的问题。碳纤维复合材料具有高比强度、高比模量、使用温度范围高这些优点而在航天产业得到深入的应用，从航天器的外壳、内设、结构以及航空发动机几乎都是采用碳纤维复合材料制作而成2。近年来，随着碳纤维复合材料制造成本的下降，军用航空飞机和民用航空飞机方面也开始大规模使用该材料以大幅度减轻机体机构质量、改善气动弹性，提高飞机的综合性能。根据美国复合材料制造商协会统计，XX年
7、世界上飞机生产对碳纤维的需求量约为900-1000t。统计显示3，目前，碳纤维复合材料在小型商务飞机和直升飞机上的使用量已占7080，在军用飞机上占3040，在大型客机上占1550。以美国波音公司的B777为例，碳纤维复合材料在该型号飞机上的使用比例达到9%，这些先进复合材料主要应用在飞机尾翼、襟翼、副翼、天线罩、整流罩、短舱和地板梁等构件，具体包括：垂直安定面翼盒、平尾翼盒、方向舵、升降舵、前后缘壁板、地板梁、外侧副翼、外侧襟翼、襟翼、襟副翼、整流包皮、内外侧扰流板、后缘壁板、发动机短舱、发动机支架整流罩、前起落架舱门、固定前缘、雷达天线罩等。从表1可以看出航空业大飞机对于碳纤维复合材料的需
8、求在逐年增加：表1、世界主要客机中碳纤维复合材料用量百分比、汽车为了应对燃油费的不断上涨和温室效益，靠运输工具的轻量化显然是有效的，但CFRP制的超轻量结构材料，从目前的价格、信赖性、生产效率、再生性等观点看，基本上不可能用于通用的运输工具，然而从全球今后的人口增长和经济发展来看，节能减排问题又是当务之急。东京大学的高桥淳教授最近从有效利用CFRP的观点发表了关于“汽车的轻量化和树脂材料的展望”的论文，从各类运输工具特别是汽车的寿命周期评估及宏观分析的角度，较全面分析了汽车的轻量化和CFRP今后的技术开发方向。图1示出日本运输部门提供的各种运输工具的能耗情况，可见家用乘用车和卡车的能耗最大图1
9、、不同交通工具的能耗推移图2示出采用不同量CFRP的家用乘用车的轻量化情况；图2、不同量CFRP的家用乘用车的轻量化情况图3示出再生使用前后制造每1kg汽车部件时不同材料的能耗情况；图3、再生使用前后制造每1kg汽车部件时不同材料的能耗情况ETFE膜材料ETFE氟塑料来源于美国杜邦公司和日本旭硝子公司，主要应用于防腐蚀衬里。该材料具有聚四氟乙烯的耐腐蚀特性，同时又有对金属特有的较强粘着特性，克服了聚四氟乙烯对金属的不粘合性缺陷，加之其平均线膨胀系数接近碳钢的线膨胀系数，使ETFE成为和金属的理想复合材料，具有极优良的耐负压特性。ETFE的中文名为乙烯-四氟乙烯共聚物。ETFE膜材的厚度通常小于
10、，是一种透明膜材。XX年北京奥运会国家体育馆及国家游泳中心等场馆中将采用这种膜材料。ETFE膜材常做成气垫应用于膜结构中。最早的ETFE工程已有20余年的历史，而最著名的要数英国的伊甸园了。ETFE膜是透明建筑结构中品质优越的替代材料，多年来在许多工程中以其众多优点被证明为可信赖且经济实用的屋顶材料。该膜是由人工高强度氟聚合物制成，其特有抗粘着表面使其具有高抗污，易清洗的特点。通常雨水即可清除主要污垢。ETFE膜使用寿命至少为25-35年，是用于永久性多层可移动屋顶结构的理想材料。该膜材料多用于跨距为4米的两层或三层充气支撑结构，也可根据特殊工程的几何和气候条件，增大膜跨距。膜长度以易安装为标
11、准，一般为15-30米。小跨度的单层结构也可用较小规格。ETFE膜达到B1、DIN4102防火等级标准，燃烧时也不会滴落。且该膜质量很轻，每平方米只有公斤。这种特点使其即使在由于烟、火引起的膜融化情况下也具有相当的优势。根据位置和表面印刷的情况，ETFE膜的透光率可高达95%。该材料不阻挡紫外线等光的透射，以保证建筑内部自然光线。通过表面印刷，该材料的半透明度可进一步降低到50%。根据几何条件及膜的层数，其K值可高达/m2K。耗能指数以一个三层印刷的膜为例可达到。由于其优秀品质，ETFE膜几乎不需日常保养。可对其由于机械损坏的屋顶进行简单检查，并根据需要就地维修。同时也可检查通风系统，更换过滤
12、装置。ETFE膜完全为可再循环利用材料，可再次利用生产新的膜材料，或者分离杂质后生产其它ETFE产品。ETFE是一种无色、透明的颗粒状结晶体,具有极好的耐擦伤性和耐磨性,耐高温、耐腐蚀,绝缘性能好,可用作电缆护套或管道护衬。用于建筑工程上的ETFE膜材是由其生料加工而成的薄膜,厚度通常为01050125mm,非常坚固、耐用,并具有极高的透光性。1ETFE薄膜的材料性能111ETFE膜材的基本力学性能1)厚度和质量ETFE膜材的厚度通常在mm。随着厚度的增加,膜材将更硬更脆,难以加工。ETFE的密度约为g/cm3。以mm厚的ETFE膜材为例,其质量约350g/m2。2)抗拉强度ETFE膜材的抗拉
13、强度大于40MPa。3)应力-应变关系常温下张拉应力在20MPa以下时,ETFE膜材呈完全弹性性质,张拉模量达8001000MPa;当张拉应力在25MPa附近会出现屈服点,此后进入塑性强化阶段,直至破断。4)破断伸长率3ETFE膜材的破断伸长率达300%以上。112ETFE膜材的其他性能1)耐久性ETFE膜材具有极佳的抗老化能力,使用年限达25年以上。2)颜色及透光率ETFE膜材通常为无色透明状,也可以做成白色。根据需要可在透明或白色膜材上印制各种图案。以0120mm厚的ETFE膜材为例,单层透明膜材的透光率高达95%,白色膜材为50%(转载于:写论文网:新乡新型材料铝制品)55%。利用白色膜
14、材或在透明膜材上印制不同的颜色和图案,可调节进入建筑物内的光线。3)防火性能ETFE为阻燃材料。即使在火焰中,ETFE膜材热熔后会收缩,但无滴落物。由于ETFE膜材很薄很轻,万一发生火灾,其危害性较小。4)自洁性能ETFE膜材表面非常光滑,具有极佳的自洁性能。在用ETFE膜材建造的膜结构上,灰尘及污迹会随雨水冲刷而除去。外表的人工清洗一般4年才一次。5)气候适应性能ETFE膜材的工作温度范围为-200150;材料熔点为275左右。ETFE膜材具有极好的稳定性和气候适应性。实践表明,暴露在恶劣气候条件中15年以上的ETFE膜材,其力学和光学性能并没有改变。在多雹地区,即使玻璃屋面被冰雹砸碎了,E
15、TFE膜材屋面上也仅留下一些小小的凹痕。6)抗撕裂性能、柔韧性和可加工性ETFE膜材具有良好的抗撕裂性能、柔韧性和可加工性。7)可回收性ETFE膜材可以被热熔成颗粒状并重新整合。ETFE膜材在世界上的应用已有二十几年的历史,但国内ETFE膜材的研究与工程应用至今仍属空白。目前国内对ETFE这种新型薄膜材料的了解仅限于国外生产商提供的有关资料以及来自国外典型工程的直观感觉。典型案例：关于国家奥林匹克游泳馆水立方膜。水立方的膜产品供应商德国VECTORFOILTEC公司和沈阳远大企业集团从XX年1月开始膜片工程。水立方工程建设从XX年12月开始，到竣工后将能容纳17000人。混凝土和钢结构工程已于XX年7月结束，并于8月1日开始安装膜垫。VECTORFOILTEC公司在其网站上介绍了“气候外被膜”系统的工作原理：TEXLON幕墙系统采用具紫外线稳定性的聚四氟乙烯制成许多幕层，并将膜垫或膜片焊入其中。用挤压铝制品将膜垫边缘系在一起，固定后就形成了主支撑结构。注入低压空气的膜垫膨胀后能够隔热，还通挡风。“TEXLO
