碳纤维增强木材复合材料( C F R W ) 贺 福杨永岗 ( 中国科学院山西煤炭化学研究所， 大原 0 3 0 0 0 1 ) 摘要 关健词 碳纤维增强木材复合材料( C F R W) 是新一代土木建筑和装饰材料， 是传统建筑木 材的更新换代新产品 C F R W不仅可显著提高材料的抗拉强度、 压缩强度和刚性 等力学性能， 而且还赋予其木材新的功能， 如防菌防蚁、 防水防腐以及电磁波屏蔽 等同时， 随着廉价大丝束碳纤维的产业化和土木建筑轻量化、 智能化， 为C F R W 进入建筑市场提供了良 机本文主要论述C F R W的制造、 性质及其应用 碳纤维; 增强木材; C F R W C a r b o n F i b r e R e i n f o r c e d Wo o d C o mp o s i t e H e F u a n d Y a n g Y o n g g a n g ( I n s t i t u t e o f C o a l C h e mi s t r y , C h i n e s e A c a d e my o f S c i e n c e s , T a i y u a n 0 3 0 0 0 1 ) A b s t r a c t C a r b o n f i b r e r e i n f o r c e d w o o d ( C F R W) c o mp o s i t e i s a n e w g e n e r a t i o n o f r e i n f o r c i n g ma t e r i a l o f b u i l d i n g w i t h e a r t h a n d w o o d a n d d e c o r a t i o n . I t n o t o n l y g r e a t l y i mp r o v e s t h e m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s , s u c h a s t e n s i l e s t r e n g t h , c o m p r e s s i v e s t r e n g t h , r i g i d i t y a n d s o o n , b u t a l s o p r o v i d e s n e w f u n c t i o n a l p e r f o r m a n c e s f o r w o o d , f o r e x a m p l e , w a t e r r e s i s t a n c e , c o r r o s i o n r e s i s t a n c e , p e s t r e s i s t a n c e , e l e c t r o m a g n e t i c s h i e l d a n d t h e l i k e . Me a n w h i l e , t h e p r e p a r a t i o n me t h o d s , p r o p e r t i e s a n d a p p l i c a t i o n s o f C F R W l a m i n a t e d a n d p l a t e l u m b e r a r e d i s c u s s e d i n t h i s p a p e r . K e y w o r d s c a r b o n f i b r e ; C F R W 1 引言 木材是传统的建筑材料， 也是倍受人们青睐的优良 建材。
木材的主要成分是纤维素、 半纤维素 和木质素等， 属于天然高分子化合物为了改善木材的性能， 全面提高其性能指标， 人们提出“ 超级 木材( s u p e r - w o o d ) ” 的概念， 采用有机、 无机物处理木材， 改善它的吸湿性、 尺寸稳定性、 防腐性、 防 蚁性和耐候性等， 拓宽其应用领域C t - s 7 近年来， 随着廉价大丝束碳纤维的产业化， 性能价格比的优势已广泛用于建筑领域， 也为碳纤 维增强木材( C F R W) 进人建材领域铺平了道路大丝束碳纤维(( 4 8 -4 8 0 K ) 的价格大约是小丝束 碳纤维(( 1 -2 4 K) 的一半， 用它制造预浸料的技术也基本解决， 沿用通用的复合工艺可制得所需形 状的C F R W无疑， C F R W将随着大丝束碳纤维产量的扩大和价格的进一步下降以及大丝束复合 工艺的日趋成熟将得到进一步发展 2 碳纤维增强木材的制造方法 碳纤维增强木材的制造方法可用铺层法， 贴补法等的热压成型工艺( 图1 ) ,常用的树脂有环氧树 脂、 改性环氧树脂、 酚醛树脂、 三聚佩胺和改性尿醛树脂等 l k g f / c m , 一1 5 k g f / c m ' , 温度 1 0 0 0C - 2 0 0 0C， 加热时间 l h -1 2 h , 热压成型可用高频加热等设备， 压力 以高频加热设备为主体， 前后配套附 2 0 0 . 第二届全国土木工程用纤维增强复合材料( F R P ) 应用技术学术交流会2 0 0 2 . 7中国· 昆明 属设备可建成流水生产线。
我国 石家庄新谋新科技开发公司生产高频加热设备， 已 得到广泛应用 .矛、J.，J I e J ( 1 ) 图 1 碳纤维增强木材复合材料的制造方法 1 一方木; 2 -C F R P片材 3 一木板 4 一木芯 5 -C F R P片材 6 一木质片材; 7 一木板; 8 -碳纤维布旧一合股碳纤维 对于定型构件， 特别是装饰材料、 家具和用于电磁波屏蔽、 电热材料的C F R W， 可制作热压成 型模具， 可一次性成型和无废料， 又可实现流水作业对于非承载构件， 可使用木材加工的边角料， 碎木、 渣木等进行拼凑， 做到天然资源的充分利用 C F R W的成型方法详见有关资料[ s - s 1 3 碳纤维增强木材复合材料的性能 碳纤维具有高比强、 高比模、 重量轻、 耐热、 耐蚀、 导电、 导热和尺寸稳定等一系列优异性能， 是 当今军民 两用新材料 表1 列出主要R F P 的 性能 显然， C F R P 的 综合性能优于G F R P , K F R P 和 木材， 特别是C F R P的比模量大大高于G F R P和 K F R P 这也是C F R P的性能优势， 是 G F R P , K F R P无法与其比拟的。
衰1 主要F R P 的性能与木材性能的比 较n o l 橇r ay 密度( g / c m ' ) 抗拉模量 ( GP a ) 抗拉强度 ( MF a ) 比 模 量 ( G P a / ( g · c m- ' ) ) 比 强 度 ( M P a / ( g · C M - 3 ) ) GF RP CF RP KF RP 杉木 桧柏 苦竹 毛竹 1 . 7 8 1 . 5 5 1 . 3 5 0 . 3 6 0 . 4 4 1 . 0 5 l . 1 9 3 8 . 2 1 2 2 6 6 . 7 」 0 . 5 1 3 . 2 3 6 . 7 2 0 . 7 1 8 6 1 36 0 1 25 8 5 2 11 5 2 7 7 1 9 0 21 . 5 7 8 . 8 49 . 4 3 1 . 9 3 0 . 1 3 4 . 9 1 7 . 4 3 8 5 8 2 8 9 3 3 1 7 2 3 62 2 6 4 1 6 0 . 2 0 1 ， 二 届 全国 土 木 工 程 用 纤 维 增 强 复 合 材 料 ( F R P ) 应 用 技 术 学 术 交 连 全 2 0 0 2 . 7中国 ·昆明 碳纤维与木材复合理论类似于C F R P 相复合， 而 C F R W 是三元复合， 即碳纤维、 用下式计算[ e 7 理论弯曲强度( %) ， 但也不是完全一样。
C F R P 是碳纤维与基体树脂皎两 木材和粘合剂C F R W 的理论弯曲强度和弯曲模量可 F-,、 ， ， 一=—. 甲 云升一一 丁丁 一 一 一~入1 VV h I f只 a+ P wx t l 一 a) 其中: F ,,-C F R W的弯曲强度; F , f碳纤维与树脂复合的 弯曲强度; F —叠层材料的弯曲强度( 无增强纤维) ; a -C F R W横截面中碳纤维横截面所占比例 理论弯曲模量( %) 一 M ,, . - C F R W的弯曲 模量; M l f碳纤维与树脂复合的弯曲模量 人 么—叠层材料的弯曲模量; M 一- - - - - - - - 二 ‘ 二 ‘ 一-x 1 VV M , , x a+ 1 V l } x l l一 a) a -C F R W 的横截面积中碳纤维横截面所占的比例 显然， C F R W 的性能取决于所用碳纤维的性能、 用量和木材的性能以及复合工艺 9 m m的杉木两块， 涂层环氧树脂( 固化剂为三乙烯四胺) ， 与碳纤维预浸平纹布( 坪量 1 5 0 g / m ' ) 复合， 在6 0 0C , 1 M P a 压力下热压两小时成型， 所得C F R W的性能列于表2 。
由表2 所列 数据可知， C F R W 的弯曲模量比木材提高了1 2 倍， 增强效果十分显著这也是 C F R W用作大型 梁、 柱的优势所在 襄 2 C F R W 的性能 、丽 ~ 迪 乏 密 度( k g / - ' )弯曲强度( MP a ) 弯曲模量( G P a ) CF RW 木材 提高椒度( %) 4 2 5 4 2 0 + 1 . 2 7 8 . 0 6 1 . 0 2 7 . 9 8 7 . 7 6 . 6 t 1 2 2 8 4 碳纤维增强木材复合材料的应用 ( 1 ) 公共主建筑的梁、 柱和大型园屋顶等根据设计要求， 这些大型建筑需用粗大的建材显得 粗笨， 且同样高度的顶棚低， 影响美观和有效空间的利用用强而刚的C F R W轻质建材， 则可改善 上述弊端 ( 2 ) 住宅建筑使用C F R W， 同样强度和刚性可见减小建材的体积， 更加有效地使用建筑物的空 间据报道美国年用碳纤维的量为1 5 0 0 t ， 用来制造C F R W' ‘ 上 〕 住宅建材使用C F R W不仅可以 提高房屋的承载能力， 而且C F R W具有减震吸能功能， 可抵抗或减轻地震造成的危害。
同时， 也具 有防潮、 隔音的功能 ( 3 ) 智能建筑物碳纤维具有良好的导电性能， 根据碳纤维牌号的不同， 电阻率一般在 3 X 1 0 - ' 5 1 “ c m-8 X 1 0 - “ n “ c m之间波动， 完全可满足作为电磁屏蔽材料所需体电阻率为I n “ c m以 下的要求用 C F R W作为电磁波屏蔽材料， 屏蔽效果 S E可达到5 0 d B -7 0 d B 因此， 特殊需求的 房间可用C F R W装饰 碳纤维与木材复合后可赋予其导电性能如果冬季室内温度控制在 2 5 ℃左右， 给它施加安全 电压可达到取暖目的C F R W 可作为地板， 也可作为墙板， 把装饰与取暖结合起来， 一举两得 C F R W也可制作电暖床板， 表面是绝缘的木板， 内部则是加热的C F R P , 2 0 2 第二届全国 土木工程用纤维增强复合材料( F R P ) 应用技术学术交流会2 0 0 2 . 7中国· 昆明 ( 4 ) 其他 碳纤维的热膨胀系数非常小， 一般在O K - ' -1 . 1 X 1 0 - ` K - ’ 之间， 制品尺寸稳定， 耐 候好， 且防水防腐因此， C F R W可作为卫生间的装饰和取暖材料。
C F R W还可制造家具， 轻而 强， 刚而硬， 不变形， 不走样。