一、高強碳纖維材料的特性
碳纖維是一種由有機母體纖維(例如粘膠絲、聚丙烯腈或瀝青)采用高溫分解法在1000~3000度高溫的惰性氣體下去除碳以外的所有元素制成的新型非金屬材料。具有高比強、高比模、耐疲勞、抗蠕變、比耐熱鋼還耐高溫、比不銹鋼還耐腐蝕、耐磨損、尺寸穩(wěn)定、導(dǎo)電、導(dǎo)熱、熱膨脹系數(shù)小、自潤滑和吸能抗震等一系列優(yōu)異性能。另一重要特性就是比重小。比重一般在1.6左右,是鋁的二分之一,鋼的五分之一。盡管碳纖維質(zhì)量輕,但它強度高,有很高的“比強度”(比強度=材料的強度極限/材料的單位重),碳纖維還有極好的纖度(纖度的表示法之一是9000米長的纖維的克數(shù)),一般僅約為19克;拉力高達300KG/MM2;目前幾乎沒有其他材料像碳纖維那樣具有那么多的優(yōu)異寶貴的電學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)性能。
二、高強碳纖維材料在生產(chǎn)生活方面的運用
碳纖維材料有著如此神奇的性能,理所當然地被人們廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。
用碳纖維與塑料制成的復(fù)合材料所做的飛機輕巧,而且消耗動力少,推力大,噪音。挥锰祭w維增強塑料來制造衛(wèi)星和火箭等宇宙飛行器,機械強度高,質(zhì)量小,可節(jié)約大量的燃料;用碳纖維制電子計算機的磁盤,能提高計算機的儲存量和運算速度;在體育器材應(yīng)用中主要用于制作高爾夫棒、網(wǎng)球拍、賽車、弓箭、跳竿、冰球棒、游艇、賽艇、滑翔機、人力飛機、帆船桅桿、摩托車及登山用品,如登山杖、滑雪杖、攀巖頭盔等。
碳纖維利用其特有的力學(xué)特性,廣泛應(yīng)用于航空、航天、軍工、體育休閑等結(jié)構(gòu)材料;利用其振動衰減性,應(yīng)用于音響器材;利用其耐疲勞性,應(yīng)用于直升飛機的葉片;利用其耐高溫性,應(yīng)用于飛機剎車片和絕熱材料;利用其尺寸穩(wěn)定性,應(yīng)用于宇宙機械、電波望遠鏡和各種成型品;利用其耐藥品性,應(yīng)用于密封填料和濾材;利用其電氣特性,應(yīng)用于電極材料、電磁波屏蔽材料、防靜電材料;利用其生體適應(yīng)性,應(yīng)用于人工骨、韌帶;利用其X-光透過性,應(yīng)用于X-光床板等。
三、碳纖維材料在結(jié)構(gòu)加固方面的運用
利用碳纖維材料為主要原料的碳纖維結(jié)構(gòu)加固技術(shù)是一種新型的加固技術(shù)。始于20世紀80年代美、日等發(fā)達國家,我國起步較晚,發(fā)展較快,建筑領(lǐng)域從80年代后半期開始把它作為鋼筋、預(yù)應(yīng)力混凝土鋼材的替代材料加以研究,并作為預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的張拉材料、建筑物的外墻材料、既有結(jié)構(gòu)物的加固材料等加以利用,已經(jīng)產(chǎn)生較大的經(jīng)濟效益。
(一)碳纖維材料結(jié)構(gòu)加固適用范圍碳纖維材料適用于各種結(jié)構(gòu)類型、各種結(jié)構(gòu)部位的加固修補,如梁、板、柱、屋架、橋墩、橋梁、煙囪、筒體、殼體等結(jié)構(gòu);另外,磚砌體的某些力學(xué)性能也可以用碳纖維進行加固。
具體說來可以但不限制于:利用碳纖維加固公路橋敦結(jié)構(gòu)、對既有鋼筋混凝土煙囪的加固;構(gòu)件抗彎加固、梁柱構(gòu)件的抗剪加固、混凝土柱子牛腿斷裂加固、砌體的抗震加固、承載力不足加固、樓宇增層加固、框架柱軸壓比超限加固、樓板開裂加固、剪力墻開洞加固、樓面荷載增大加固、橋梁斷裂、舊橋大修加固和水塔加固等等。
(二)碳纖維材料結(jié)構(gòu)加固施工過程中的技術(shù)特點碳纖維比重小,施工便捷,加固以后不影響外觀和自重。碳纖維比重只有鋼鐵的1/4,厚度小于0.5mm,可以在基本不增加原結(jié)構(gòu)自重及截面尺寸的狀況下,發(fā)揮強大的補強加固效果。補強功能全面,耐久性能好,還有優(yōu)良的抗紫外線及抗環(huán)境老化性能。
。ㄈ┨祭w維片材加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)范采用粘貼碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)時,應(yīng)通過配套粘結(jié)材料將碳纖維片材粘貼十構(gòu)件表面,使碳纖維片材承受拉力,并與混凝土變形協(xié)調(diào),共同受力。
。ㄋ模┨祭w維片材可采用下列方式對混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行加固:在梁、板構(gòu)件的受拉區(qū)粘貼碳纖維片材進行受彎加固,纖維方向與加固處的受拉方向一致;采用封閉式粘貼、U形粘貼或側(cè)面粘貼對梁、柱構(gòu)件進行受剪加固,纖維方向宜與構(gòu)件軸向垂直;采用封閉式粘貼對柱進行抗震加固,纖維方向與柱軸向垂;當有可靠依據(jù)時,碳纖維片材也可用十其它形式和其它受力狀況的混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的加固;采用粘貼碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)時,應(yīng)按國家現(xiàn)行有關(guān)標準采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計法進行承載能力極限狀態(tài)計算和正常使用極限狀態(tài)驗算;鋼筋和混凝土材料,{根據(jù)檢測得到的實際強度,按國家現(xiàn)行有關(guān)標準確定其相應(yīng)的材料強度設(shè)計指標;碳纖維片材應(yīng)根據(jù)構(gòu)件達到極限狀態(tài)時的應(yīng)變,按線彈性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系確定其相應(yīng)的應(yīng)力;碳纖維片材應(yīng)取生產(chǎn)廠提供的不小于95%保證率的極限抗拉強度作為抗拉強度標準值;當采用粘貼碳纖維片材對結(jié)構(gòu)或構(gòu)件進行加固時,應(yīng)考慮加固后對結(jié)構(gòu)中其它構(gòu)件或構(gòu)件的其它性能可能產(chǎn)生的影響;采用粘貼碳纖維片材進行結(jié)構(gòu)加固時,宜卸除作用在結(jié)構(gòu)上的活荷載。如不能在完全卸載條件下進行加固,應(yīng)考慮二次受力的影響;在受彎加固和受剪加固時,被加固混凝土結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的實際混凝土強度等級不應(yīng)低于Cl5.采用封閉粘貼碳纖維片材加固混凝土柱時,混凝土強度等級不應(yīng)低于C10!∷、碳纖維材料發(fā)展前境
碳纖維的諸多優(yōu)異特性,碳纖維應(yīng)用的范圍越來越廣。從50年代主要應(yīng)用在火箭、宇航及航空等尖端科學(xué),到80年代被廣泛應(yīng)用于體育器械、紡織、化工機械及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。同時,隨著高性能及超高性能的碳纖維的相繼出現(xiàn),它應(yīng)用的范圍越來越廣,如A380、波音777、美國新型主戰(zhàn)坦克,碳纖維比重占到15%以上。同時,隨著碳纖維加工技術(shù)的普及,它的應(yīng)用范圍自80年代起逐漸涉及到民用方面。到目前為止,我國各種應(yīng)用占碳纖維率需求比例分別為體育30%,航空10%,工業(yè)60%。材料的比強度愈高,則構(gòu)件自重愈小,比模量愈高,則構(gòu)件的剛度愈大,從這個意義上已預(yù)示了碳纖維在工程的廣闊應(yīng)用前景,綜觀多種新興的復(fù)合材料(如高分子復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料)的優(yōu)異性能,不少人預(yù)料,人類在材料應(yīng)用上正從鋼鐵時代進入到一個碳纖維材料廣泛應(yīng)用的時代。