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中圖分類號(hào)： TV42 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
0 引言
增強(qiáng)體在復(fù)合材料中起著增加強(qiáng)度、改善性能的作用，對(duì)復(fù)合材料的開(kāi)發(fā)有著至關(guān)重要的影響。纖維作為有效的增強(qiáng)材料已被實(shí)踐所證明，碳纖維作為最重要的纖維增強(qiáng)材料，具有高強(qiáng)度、高比模量等優(yōu)良性能。盡管在價(jià)格方面相對(duì)較高，但近年經(jīng)研究改進(jìn)，提高了沖擊韌性及熱穩(wěn)定性，價(jià)格也有明顯降低，引起了世界各國(guó)的高度重視[1]。通過(guò)在水泥中摻入纖維來(lái)改善水泥力學(xué)性能已經(jīng)發(fā)展成為水泥科學(xué)的重要領(lǐng)域。水泥中可以摻加鋼纖維、聚丙烯纖維、秸稈纖維等，而碳纖維則以其特殊的優(yōu)良性能得以脫穎而出。本文就碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的發(fā)展概況、力學(xué)性能及增強(qiáng)機(jī)理方面做了一些研究和介紹，以便于更好的在工程中大規(guī)模推廣使用[2]。
1 碳纖維性質(zhì)及發(fā)展
碳纖維的開(kāi)發(fā)歷史可追溯到19世紀(jì)末，1959年美國(guó)聯(lián)合碳化公司以粘膠纖維為原絲制成纖維素基碳纖維。之后，日本、英國(guó)等國(guó)家也相繼研究出了新型的碳纖維，并逐漸應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域。1997年至2000年，碳纖維的需求量隨新應(yīng)用領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)而成倍增長(zhǎng)[3]，日本和美國(guó)是既是最大的碳纖維生產(chǎn)國(guó)也是最大的消費(fèi)國(guó)。目前各國(guó)都在降低碳纖維成本、開(kāi)發(fā)配套生產(chǎn)機(jī)制及拓展市場(chǎng)方面做努力，今后碳纖維及其復(fù)合材料會(huì)更加高速穩(wěn)定發(fā)展。但國(guó)內(nèi)的情況卻不容樂(lè)觀，當(dāng)前碳纖維的研制與生產(chǎn)水平還較低，與國(guó)外差距甚大，尚須做大量的實(shí)驗(yàn)研究[4]。
人們很早就研究、開(kāi)發(fā)了鋼筋、石棉及合成纖維等增強(qiáng)材料，但是它們都存在各種的缺陷。而碳纖維則具有超高的抗拉強(qiáng)度和彈性模量、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、與水泥基復(fù)合材料粘結(jié)良好等優(yōu)點(diǎn)。水泥用碳纖維均勻分散后，在承受負(fù)荷時(shí)表面不再產(chǎn)生肉眼可見(jiàn)的龜裂，其拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度、彎曲韌性提高了幾倍，其耐沖擊性也得到了改善[5]。但是碳纖維價(jià)格昂貴，最近幾年開(kāi)發(fā)的短切碳纖維已使它們的價(jià)格大為下降，但是其價(jià)格仍然很高，限制了其應(yīng)用。
2 力學(xué)性能
2.1抗壓強(qiáng)度
碳纖維的摻入在一定程度上增強(qiáng)了水泥基體的抗壓強(qiáng)度，摻量過(guò)多時(shí)反而使抗壓強(qiáng)度有所下降。可見(jiàn)，碳纖維在水泥基材中的摻量尤其重要。
2.2抗拉強(qiáng)度
水泥基復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度的測(cè)定一般是通過(guò)劈拉法間接得出。任意分布的短切碳纖維在復(fù)合材料硬化過(guò)程中改善了其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，減少了內(nèi)部缺陷，提高了材料的連續(xù)性。受力過(guò)程中碳纖維與基體共同受力變形，碳纖維的牽連作用使基體裂而不斷，進(jìn)一步承受載荷，可充分保證水泥基材的抗拉強(qiáng)度[6]。
2.3抗裂性
在水泥基復(fù)合材料拌合初期，碳纖維構(gòu)成一種網(wǎng)狀承托體系，產(chǎn)生有效的二級(jí)加強(qiáng)效果，從而有效的減少材料的內(nèi)分層和毛細(xì)腔的產(chǎn)生；在硬化過(guò)程中，如果碳纖維的拉出抵抗力大于出現(xiàn)第一條裂縫時(shí)的荷載，則碳纖維能承受更大的荷載，阻止隱微裂縫發(fā)展成宏觀裂縫的可能。宏觀上看，當(dāng)基體材料受到應(yīng)力作用產(chǎn)生微裂縫后，碳纖維能夠承擔(dān)因基體開(kāi)裂轉(zhuǎn)移給它的應(yīng)力，基體收縮產(chǎn)生的能量被碳纖維所吸收，有效增加了材料的韌性，提高了其初裂強(qiáng)度、延遲了裂縫的產(chǎn)生[7]。
2.4抗?jié)B性
內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)是影響水泥基復(fù)合材料抗?jié)B性的主要因素。碳纖維可以有效控制早期干縮微裂紋以及離析裂紋的產(chǎn)生及發(fā)展，減少材料的收縮裂縫尤其是連通裂縫的產(chǎn)生。另外，碳纖維起了承托骨料的作用，有效地降低了材料中的孔隙率，避免了連通毛細(xì)孔的形成，抗?jié)B性得以提高。
2.5抗沖擊及抗變形能力
碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料受拉（彎）時(shí)，即使基材中已出現(xiàn)大量的分散裂縫，但由于增強(qiáng)碳纖維的存在，基體仍可承受一定的載荷并具有假延性，從而使材料的韌性與抗沖擊性得以明顯提高。
2.6抗凍性
碳纖維可以緩解溫度變化而引起的水泥基復(fù)合材料內(nèi)部應(yīng)力的作用，從而防止水泥固化過(guò)程中微裂紋的形成和擴(kuò)散，提高材料的抗凍性；同時(shí)，水泥基復(fù)合材料抗?jié)B能力的提高也有利于其抗凍性能的提高。
綜上所述，碳纖維在水泥基復(fù)合材料中能很好的改善材料的力學(xué)性能，但是需要注意的是碳纖維的性質(zhì)、種類、摻入方式、摻量、長(zhǎng)寬比等都與水泥基材最終的性能息息相關(guān)，必須綜合考慮各項(xiàng)因素，優(yōu)選出最適用的碳纖維[7]。
3 增強(qiáng)機(jī)理
傳統(tǒng)水泥基材是典型的脆性材料，拉壓比低，極限延伸率小，在受荷載之前已存在較多的微裂紋、氣孔等缺陷。在受力過(guò)程中，裂縫尖端出現(xiàn)應(yīng)力集中，裂縫急劇擴(kuò)展，基體的承載能力下降，會(huì)發(fā)生脆性破壞。碳纖維跨接裂縫，分散應(yīng)力到裂縫的上、下表面，一定范圍內(nèi)，隨著纖維摻量的增加，裂縫尖端應(yīng)力集中程度將趨于緩和，并可能消失。由于碳纖維的阻裂作用，復(fù)合材料的斷裂韌性將得到提高，抗拉強(qiáng)度也隨之出現(xiàn)增長(zhǎng)。
在受力和初裂之前，碳纖維通過(guò)抑制基體的收縮，減少與縮小了裂縫源的數(shù)量和尺度；在碳纖維水泥基復(fù)合材料受力后達(dá)到初裂前，當(dāng)應(yīng)變達(dá)到普通基體的應(yīng)變極限時(shí)，由于裂紋影響因素的改善，復(fù)合材料并不立即斷裂，應(yīng)變會(huì)繼續(xù)上升直至基體開(kāi)裂，從而復(fù)合材料的整體強(qiáng)度得到提高；復(fù)合材料開(kāi)裂后，由于碳纖維的存在，還能繼續(xù)承受載荷，復(fù)合材料強(qiáng)度將還會(huì)繼續(xù)提高。
水泥砂漿、混凝土等復(fù)合材料材料在空氣中因失水會(huì)引起收縮。而碳纖維的存在，在材料收縮的過(guò)程中發(fā)揮了重要的抑制作用，減小了材料的干縮程度，從而也很大程度上避免了因失水導(dǎo)致的收縮應(yīng)力的產(chǎn)生。隨著碳纖維含量的提高，這種效應(yīng)將越明顯。如果碳纖維含量相同，碳纖維長(zhǎng)度較小，則根數(shù)相對(duì)較多，碳纖維的抑制作用要強(qiáng)一些[8]。
4 結(jié)論與建議
本文介紹了碳纖維的特性及發(fā)展歷程，碳纖維由于自身的諸多優(yōu)良性能，可以大大改善水泥基復(fù)合材料的抗拉、抗?jié)B及抗凍等力學(xué)性能。碳纖維由于其阻裂作用，復(fù)合材料的斷裂韌性、整體強(qiáng)度和抑制收縮能力得以提高。碳纖維及其復(fù)合材料的研發(fā)具有較高的投資效益，但是目前國(guó)內(nèi)碳纖維的開(kāi)發(fā)利用仍然存在一些問(wèn)題，如由于國(guó)產(chǎn)碳原絲雜質(zhì)含量較高，造成碳纖維性能不穩(wěn)定；國(guó)產(chǎn)碳纖維目前售價(jià)太高，且品種單一，缺乏高性能的碳纖維；碳纖維在水泥基復(fù)合材料中的類型及摻量與水泥基材的性能有很大關(guān)系，如何合理選擇最佳的碳纖維，最大限度的發(fā)揮碳纖維的增強(qiáng)作用是以后研究的重中之重。因此，引進(jìn)低成本碳纖維生產(chǎn)技術(shù)，探索碳纖維的品種與摻量，研制高性能碳纖維，開(kāi)發(fā)性能檢測(cè)監(jiān)控機(jī)制，擴(kuò)大碳纖維的應(yīng)用范圍等勢(shì)在必行。
參考文獻(xiàn)：
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中圖分類號(hào)：TQ342+.74 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A
Current Situation of the Carbon Fiber and Related Composites Industry
Abstract： By discussing the spinning， pre-oxidation， carbonization， compounding and recycling technologies for making carbon fiber and related composites， the paper discussed the present situation of technological development in the field of carbon fiber and related composites； analyzed the market situation of such products and their application prospects in aerospace， national defense， wind turbine， sport and leisure， transportation vehicles， civil-engineering， etc. It also pointed out some problems existing in China’s carbon fiber industry and gave related solutions.
Key words： polyacrylonitrile； carbon fiber； composites
碳纖維分為PAN基碳纖維、粘膠基碳纖維和瀝青基碳纖維，其中PAN基碳纖維市場(chǎng)占有率超過(guò)90%，其生產(chǎn)流程包括纖維紡絲，預(yù)氧化、碳化，復(fù)合成型和回收利用等流程。
1 碳纖維及復(fù)合材料生產(chǎn)技術(shù)現(xiàn)狀
1.1 原絲生產(chǎn)技術(shù)現(xiàn)狀
原絲的高純化、高強(qiáng)化、致密化以及表面光潔是制備高性能碳纖維的首要條件。在PAN基碳纖維生產(chǎn)中，原絲約占總成本的50% ～ 60%，原絲質(zhì)量既影響碳纖維的質(zhì)量，又制約其生產(chǎn)成本。
原絲生產(chǎn)包括聚合和紡絲。原絲聚合是丙烯腈和第二單體、第三單體在引發(fā)劑作用下進(jìn)行共聚反應(yīng)，生成PAN紡絲液。日本東麗采用AIBN（偶氮二異丁腈）作引發(fā)劑，二甲基亞砜（DMSO）作溶劑，DMSO+AIBN體系憑借其操作安全和高質(zhì)量產(chǎn)品，成為碳纖維丙烯腈聚合的主流方法。PAN基碳纖維原絲通過(guò)濕法和干噴濕紡紡絲工藝制造。濕法紡絲是碳纖維生產(chǎn)普遍采用的方法，其技術(shù)成熟，易工程化，所得原絲纖度均勻且纖維表面溝槽結(jié)構(gòu)易于后道復(fù)合加工；干噴濕紡是將干法和濕法結(jié)合的新方法，可實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)原絲的細(xì)纖化和均質(zhì)化，紡絲速度是濕法紡絲的 5 ～ 10倍，是高性能原絲生產(chǎn)最好方法之一。東麗、三菱麗陽(yáng)，美國(guó)赫氏和韓國(guó)曉星都擁有干噴濕紡紡絲技術(shù)，中國(guó)中復(fù)神鷹、中油吉化等少數(shù)企業(yè)掌握干噴濕紡T700級(jí)碳纖維原絲生產(chǎn)技術(shù)，但產(chǎn)品的穩(wěn)定性有待提高。
1.2 碳纖維的生產(chǎn)技術(shù)現(xiàn)狀
原絲經(jīng)預(yù)氧化、碳化和后處理等工藝制得碳纖維。預(yù)氧化是纖維組織結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的過(guò)渡階段，在保證絲條均質(zhì)化的前提下，縮短預(yù)氧化時(shí)間，可以降低生產(chǎn)成本。碳化是纖維亂層石墨結(jié)構(gòu)的成形階段，可使纖維強(qiáng)度大幅提升，碳化條件控制不當(dāng)會(huì)造成纖維結(jié)構(gòu)中有空隙、裂紋等缺陷，影響碳纖維性能。石墨化即高溫下?tīng)可欤估w維由亂層石墨結(jié)構(gòu)向三維石墨結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化，提高碳纖維彈性模量。
碳化爐是制造碳纖維的關(guān)鍵設(shè)備，國(guó)產(chǎn)碳化爐發(fā)熱體最高耐熱溫度1 400 ℃，而國(guó)外大規(guī)模高溫碳化爐對(duì)我國(guó)實(shí)行出口限制，中等規(guī)模碳化爐價(jià)格又很高，提高了國(guó)內(nèi)碳纖維的建設(shè)成本，導(dǎo)致國(guó)產(chǎn)碳纖維市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力不足，研發(fā)高強(qiáng)級(jí)碳纖維生產(chǎn)線的國(guó)產(chǎn)設(shè)備迫在眉睫。
1.3 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料技術(shù)現(xiàn)狀
碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是以碳纖維及織物為增強(qiáng)體、樹(shù)脂為基體制成，其代表是以三維編織物為增強(qiáng)體，采用樹(shù)脂傳遞模塑工藝（RTM）進(jìn)行浸膠固化而成的三維編織復(fù)合材料。三維編織技術(shù)具有較強(qiáng)的仿形編織能力，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的整體編織，常用編織工藝有四步法、二步法及多層聯(lián)鎖編織工藝。四步法操作靈活性強(qiáng)，編織物整體結(jié)構(gòu)好，但編織速度較慢，對(duì)設(shè)備要求較高；二步法織造簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，適合編織較厚制件，但其執(zhí)行機(jī)構(gòu)以間斷的離散方式運(yùn)動(dòng)；多層聯(lián)鎖編織工藝編織的織物機(jī)械性能好，設(shè)備可平穩(wěn)連續(xù)工作，但不易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。目前可滿足大而厚預(yù)制件編織需求的大型三維編織機(jī)不多，設(shè)計(jì)與研發(fā)高水平的三維編織機(jī)仍是努力的方向。
三維編織實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)材料的整體成型，而RTM工藝正是適于整體成型的工藝方法。RTM工藝是將液態(tài)樹(shù)脂注入閉合模具中浸潤(rùn)增強(qiáng)材料并固化成型的工藝方法，是接近最終形狀部件的生產(chǎn)方法，基本無(wú)需后續(xù)加工。由于其效率高、能耗低、工藝適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，適宜多品種、高質(zhì)量的先進(jìn)復(fù)合材料加工。RTM-三維編織復(fù)合材料是完全整體結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)復(fù)合材料相比，具有較高的損傷容限、強(qiáng)度和模量，為復(fù)合材料應(yīng)用于承力結(jié)構(gòu)件，特別是應(yīng)用于航天航空等領(lǐng)域提供了廣闊前景。
1.4 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料回收利用現(xiàn)狀
回收利用碳纖維可降低能耗、節(jié)約能源，主要方法有高溫?zé)峤夥ā⒘骰卜纸夥ê统?亞臨界流體法。高溫?zé)峤夥ㄊ窃诟邷叵率箯?fù)合材料降解，回收的碳纖維力學(xué)性能降低幅度較大，影響碳纖維再利用，是目前唯一商業(yè)化運(yùn)營(yíng)的回收方法；流化床熱分解法采用高溫空氣熱流對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行高溫?zé)岱纸猓ǔＳ眯L(fēng)分離器來(lái)獲得表面干凈的碳纖維，由于受高溫、砂粒磨損的影響，碳纖維長(zhǎng)度變短、力學(xué)性能下降，影響回收碳纖維的應(yīng)用范圍；超/亞臨界法是利用液體在臨界點(diǎn)附近具有高活性和高溶解性等性能來(lái)分解復(fù)合材料，最大限度地保留碳纖維的原始性能，由于其獨(dú)特的優(yōu)越性，受到產(chǎn)業(yè)界高度重視，將可能成為碳纖維主要回收方法之一，目前多數(shù)回收技術(shù)仍停留在實(shí)驗(yàn)階段，商業(yè)化道路漫長(zhǎng)。
2 碳纖維及復(fù)合材料市場(chǎng)現(xiàn)狀分析
2.1 碳纖維市場(chǎng)現(xiàn)狀分析
碳纖維分為大絲束碳纖維（>24K）和小絲束碳纖維（
2.2 碳纖維復(fù)合材料市場(chǎng)現(xiàn)狀
2013年碳纖維復(fù)合材料總產(chǎn)值147億美元，其中CFRP產(chǎn)值94億美元，約占64%。碳纖維復(fù)合材料的需求7.2萬(wàn)t，2020年需求將達(dá)14.6萬(wàn)t（表 2），2010 ― 2020年復(fù)合年均增長(zhǎng)率超過(guò)11%。
碳纖維復(fù)合材料主要應(yīng)用到國(guó)防航空、交通工具、風(fēng)力發(fā)電、運(yùn)動(dòng)休閑、土木建筑等領(lǐng)域，各領(lǐng)域產(chǎn)值見(jiàn)表 3。
（1）國(guó)防航空
2013年碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在國(guó)防航空領(lǐng)域產(chǎn)值達(dá)41.2億美元，其中民用航空24.7億美元，占60%，軍用飛機(jī)占16%，商業(yè)飛機(jī)占8%。在航空領(lǐng)域，碳纖維復(fù)合材料占空客A380結(jié)構(gòu)材料的20%以上，波音787結(jié)構(gòu)材料中近50%使用碳纖維復(fù)合材料和玻璃纖維增強(qiáng)塑料。碳纖維復(fù)合材料取代金屬結(jié)構(gòu)材料，減輕機(jī)身質(zhì)量，節(jié)約燃油，在航空領(lǐng)域應(yīng)用不斷拓展。在國(guó)防領(lǐng)域，碳纖維復(fù)合材料已用于隱形機(jī)、戰(zhàn)斗機(jī)、導(dǎo)彈等開(kāi)發(fā)。美國(guó)研制出世界上最小無(wú)人機(jī)，主體由碳纖維制成，僅重106 mg，用于搜索和救援行動(dòng)，美國(guó)F-22和F-35戰(zhàn)斗機(jī)，歐洲A400M大型軍用運(yùn)輸機(jī)，日本M-5火箭等都在不斷拓展碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用。美國(guó)防部在“面向21世紀(jì)國(guó)防需求的材料研究”報(bào)告中強(qiáng)調(diào)，“到2020年，只有復(fù)合材料才有潛力使裝備獲得20% ～ 25%的性能提升”。
（2）交通工具
2013年碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在交通工具領(lǐng)域產(chǎn)值達(dá)22億美元，其中汽車領(lǐng)域10.1億元，占總產(chǎn)值46%，卡車領(lǐng)域占18%，摩托車占15%，客運(yùn)火車占13%。CFRP具有輕質(zhì)高強(qiáng)的特點(diǎn)，逐漸成為汽車輕量化首選材料。試驗(yàn)證明，汽車重量降低1%，油耗可降低0.7%；汽車質(zhì)量每減少100 kg，百公里油耗可降低0.3 ～ 0.6 L。全球大型汽車制造商積極聯(lián)合碳纖維生產(chǎn)企業(yè)，旨在突破碳纖維零部件的低成本工業(yè)化生產(chǎn)，廣泛應(yīng)用于普通汽車。
（3）風(fēng)力發(fā)電
2013年碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域產(chǎn)值達(dá)17.6億美元，消耗碳纖維約6 700 t。1985年風(fēng)輪平均直徑僅15 m，單位產(chǎn)出低于 1 MW，到2013年風(fēng)輪平均直徑達(dá)100 m，平均產(chǎn)出為2.5 MW。當(dāng)風(fēng)輪葉片長(zhǎng)度在40 ～ 50 m時(shí)，碳纖維是唯一能用于制造葉片的材料，隨著風(fēng)電裝機(jī)容量的增加，也必然會(huì)促進(jìn)碳纖維在這領(lǐng)域快速發(fā)展。風(fēng)力發(fā)電主要集中在3 個(gè)國(guó)家，2013年中國(guó)達(dá)91 GW，占全球30%，其次是美國(guó)和德國(guó)，分別達(dá)62G W和34 GW。
（4）運(yùn)動(dòng)休閑
2013年碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在運(yùn)動(dòng)休閑領(lǐng)域產(chǎn)值達(dá)14.7億美元，其中高爾夫桿等產(chǎn)品產(chǎn)值5.6億美元，占38%，網(wǎng)球和羽毛球球拍占21%，自行車占14%。運(yùn)動(dòng)休閑用碳纖維消耗量最大在亞洲，特別是中國(guó)，高爾夫球桿、網(wǎng)球拍、釣魚竿、自行車架、船槳、公路賽車等都用到碳纖維。由于成本問(wèn)題，制約碳纖維在該領(lǐng)域的快速發(fā)展，預(yù)計(jì)2015年全球運(yùn)動(dòng)休閑領(lǐng)域?qū)μ祭w維需求增長(zhǎng)依然保持在4%左右。
（5）土木建筑
2013年碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在建筑工程領(lǐng)域產(chǎn)值達(dá)5.9億美元，消耗碳纖維約2 300 t。隨著碳纖維成本降低與復(fù)合材料加工技術(shù)的發(fā)展，土木建筑領(lǐng)域?qū)⒊蔀樘祭w維復(fù)合材料應(yīng)用新市場(chǎng)。碳纖維復(fù)合材料層板加固或修復(fù)橋梁及建筑物，碳纖維增強(qiáng)混凝土等都將會(huì)有很大發(fā)展。在美國(guó)約有30萬(wàn)座橋有潛在維修需求，德國(guó)在2030年前將投入160億歐元，用于修復(fù)橋梁和路面。預(yù)計(jì)未來(lái) 5 年，碳纖維復(fù)合材料在土木建筑領(lǐng)域?qū)⒁?%左右速度增長(zhǎng)。
3 中國(guó)碳纖維發(fā)展之路
2013年我國(guó)碳纖維產(chǎn)能達(dá)1.8萬(wàn)t，實(shí)際產(chǎn)量約3 000 t，全為小絲束。碳纖維指標(biāo)達(dá)到東麗公司T300水平，但質(zhì)量穩(wěn)定性還需提高；干噴濕法紡絲T700級(jí)碳纖維實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，但產(chǎn)品質(zhì)量有待穩(wěn)定；T800、M40J、M50J等高品質(zhì)碳纖維仍在中試或攻關(guān)階段。國(guó)際上碳纖維高端技術(shù)和產(chǎn)品對(duì)中國(guó)實(shí)行封鎖，并利用高性能碳纖維盈利來(lái)彌補(bǔ)通用級(jí)碳纖維的虧損，對(duì)中國(guó)碳纖維市場(chǎng)進(jìn)行降價(jià)打壓，企圖遏制中國(guó)碳纖維產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。受國(guó)外低價(jià)傾銷和惡意競(jìng)銷行為影響，國(guó)內(nèi)碳纖維企業(yè)基本處于全線虧損境地。
中國(guó)碳纖維發(fā)展需重點(diǎn)關(guān)注以下幾個(gè)方面：一是組織技術(shù)攻關(guān)。重點(diǎn)解決T300級(jí)等中低端碳纖維產(chǎn)品穩(wěn)定性和成本控制問(wèn)題，加快T700級(jí)等中高端碳纖維產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化及高模量碳纖維研發(fā)，加強(qiáng)高品質(zhì)油劑、上漿劑、樹(shù)脂等輔助材料配套能力，加快預(yù)氧化爐和多段寬口碳化爐等設(shè)備研發(fā)。二是加強(qiáng)應(yīng)用牽引。建立產(chǎn)學(xué)研用產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟，以應(yīng)用需求為牽引，深化碳纖維生產(chǎn)與應(yīng)用企業(yè)合作，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。三是深化軍民融合。加大滿足國(guó)防發(fā)展需求的高端碳纖維及復(fù)合材料的研發(fā)力度，打破體制機(jī)制束縛，引導(dǎo)優(yōu)勢(shì)民企進(jìn)入軍品領(lǐng)域，加快提升碳纖維行業(yè)軍民融合水平。四是推動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)。建立適合我國(guó)產(chǎn)業(yè)發(fā)展特點(diǎn)并與國(guó)際接軌的碳纖維標(biāo)準(zhǔn)體系，解決限制我國(guó)碳纖維下游應(yīng)用瓶頸的標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用設(shè)計(jì)規(guī)范問(wèn)題，逐步擴(kuò)大國(guó)產(chǎn)碳纖維對(duì)進(jìn)口碳纖維的替代。五是加強(qiáng)人才培養(yǎng)。培養(yǎng)一批高端生產(chǎn)和應(yīng)用技術(shù)人才，推動(dòng)“產(chǎn)學(xué)研用”產(chǎn)業(yè)鏈一體化發(fā)展。
參考文獻(xiàn)
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1 概述
近年來(lái)，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(lái)了便利，但也造成了環(huán)境污染等問(wèn)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(kāi)始研究和開(kāi)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(jiàn)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(lái)說(shuō)，車身占整車質(zhì)量的40%-60%[3]，對(duì)于汽車油耗來(lái)說(shuō)，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(guò)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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中圖分類號(hào)：TB文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-3198（2012）06-0187-01
0 緒論
碳纖維/樹(shù)脂復(fù)合材料作為一種先進(jìn)的復(fù)合材料，具有重量輕、模量高、比強(qiáng)度大、熱膨脹系數(shù)低、耐腐蝕、吸振性好等一系列優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、汽車等領(lǐng)域已有廣泛的應(yīng)用，隨著航空、航天及軍事裝備技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)碳纖維復(fù)合材料構(gòu)件的要求日益嚴(yán)格，碳纖維復(fù)合材料的機(jī)械加工中的熱問(wèn)題已成為影響其性能的重要因素。另外，隨著碳纖維復(fù)合材料性能的不斷提高，材料的切削加工性能越來(lái)越差，熱量堆積導(dǎo)致砂輪刀具磨損加劇，影響加工精度和加工效率，難以降低加工成本。在碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的零件與其他零部件裝配連接時(shí)，不可避免的要進(jìn)行大量的機(jī)械加工，特別是磨削加工與孔加工。因此，碳纖維復(fù)合材料磨削熱分析研究，已成為目前復(fù)合材料研究和應(yīng)用所面臨的一項(xiàng)亟待解決的難題。
1 磨削測(cè)溫實(shí)驗(yàn)
本試驗(yàn)以碳纖維/樹(shù)脂復(fù)合材料板為試驗(yàn)材料，進(jìn)行磨削測(cè)溫試驗(yàn)。該碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的增強(qiáng)體是T300型碳纖維，基體材料是AG-80型樹(shù)脂，在預(yù)浸處理后鋪層預(yù)置而成。材料如圖1所示。
圖3是GC60J砂輪磨削碳纖維/樹(shù)脂復(fù)合材料的試驗(yàn)結(jié)果，在砂輪線速度Vs=15.7m/s的條件下，改變工件進(jìn)給速度和磨削深度得到的曲線。由圖3可以看出，增大磨削深度ap，工件表面磨削溫度升高。主要是由于磨削過(guò)程中，增大磨削深度由于切削變形力和摩擦力均增大，因而使磨削溫度升高。圖3 磨削深度對(duì)磨削溫度的影響圖4是GC60J磨削碳纖維/樹(shù)脂復(fù)合材料的試驗(yàn)結(jié)果，在工件進(jìn)給速度Vw=14m/min的條件下，改變磨削深度和砂輪線速度得到的幾組曲線。由圖4可以看出，增大砂輪轉(zhuǎn)速Vs，工件表面磨削溫度升高。增大砂輪轉(zhuǎn)速，由于單位時(shí)間內(nèi)工作的磨粒數(shù)增多，磨削厚度變薄，切削變形能增大，同時(shí)，產(chǎn)生劃擦和耕犁的磨粒數(shù)增多，是摩擦加劇，因而導(dǎo)致磨削溫度升高。
圖5是GC60J磨削碳纖維/樹(shù)脂復(fù)合材料的試驗(yàn)結(jié)果，在砂輪線速度Vs=11.8m/s的條件下，改變磨削深度和進(jìn)給速度得到的幾組曲線。由圖4可以看出，增大進(jìn)給速度Vw，工件表面磨削溫度升高。增大工件進(jìn)給速度，使得每顆磨粒的切削厚度增大，因此使得磨削阻力增大，熱源強(qiáng)度增大，因而導(dǎo)致磨削溫度升高。
3 結(jié)論
通過(guò)以上試驗(yàn)和分析我們得到如下結(jié)論：
（1）增大砂輪轉(zhuǎn)速，由于單位時(shí)間內(nèi)工作的磨粒數(shù)增多，磨削厚度變薄，切削變形能增大，產(chǎn)生劃擦和耕犁的磨粒數(shù)增多，摩擦加劇，因而導(dǎo)致磨削溫度升高。
（2）增大磨削深度由于切削變形力和摩擦力均增大，因而使磨削溫度升高。
（3）增大工件進(jìn)給速度，使得每顆磨粒的切削厚度增大，因此使得磨削阻力增大，熱源強(qiáng)度增大，因而導(dǎo)致磨削溫度升高。
（4）為了保證溫度在200以下，并考慮加工效率，工藝參數(shù)選擇為：磨削深度0.02～0.04mm，砂輪速度取13～17m/s，進(jìn)給速度取12～16m/min。
參考文獻(xiàn)
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1、碳纖維復(fù)合材料加固原理
碳纖維加固混凝土結(jié)構(gòu)是一種新型的混凝土結(jié)構(gòu)加固方法，其研究始于20世紀(jì)80年代，自1996年引入我國(guó)，立即受到了工程界的關(guān)注，成為了研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)。碳纖維加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)是將碳纖維材料粘貼于混凝土結(jié)構(gòu)表面，通過(guò)其與結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的協(xié)同工作，達(dá)到對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件補(bǔ)強(qiáng)加固及改善受力性能的目的。
2、碳纖維復(fù)合材料
混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件加固修復(fù)所用碳纖維材料主要有兩種：碳纖維材料和配套樹(shù)脂。碳纖維材料具有高強(qiáng)度、高彈性模量、重量輕及耐腐蝕性好等特點(diǎn)，其抗拉強(qiáng)度是普通鋼筋的十倍左右，彈性模量略高于普通鋼筋的彈性模量；配套樹(shù)指則包括底層樹(shù)脂、找平樹(shù)脂及粘結(jié)樹(shù)脂，前兩者的作用是為了提高碳纖維的粘結(jié)質(zhì)量，而后者的作用則是使碳纖維與混凝土能夠形成一個(gè)復(fù)合材料體，并且共同工作，提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗彎、抗剪承載能力，達(dá)到對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行加固、補(bǔ)強(qiáng)的目的。
2.1碳纖維布
碳纖維布按碳纖維原絲不同主要可以分為:PAN基碳纖維布；黏膠基碳纖維布；瀝青基碳纖維布。
碳纖維布按碳纖維規(guī)格不同主要可以分為:1K碳纖維布、3K碳纖維布、6K碳纖維布、12K碳纖維布、24K及以上大絲束碳纖維布。 碳纖維布按碳纖維炭化不同主要可以分為:石墨化碳纖維布、碳纖維布、預(yù)氧化碳纖維布。 碳纖維布按織造方式的不同主要可以分為:機(jī)織碳纖維布、針織碳纖維布、編織碳纖維布、碳纖維預(yù)浸布等等。
碳纖維布加固依據(jù)結(jié)構(gòu)施工圖、構(gòu)件的腐蝕情況、結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的實(shí)際檢測(cè)強(qiáng)度、《混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)規(guī)程》等資料，考慮提高結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的抗彎（抗壓、抗拉）強(qiáng)度等級(jí)，對(duì)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件進(jìn)行加固設(shè)計(jì)。
2.2加固粘結(jié)材料
碳纖維片材加固膠粘材料一般包括三種膠，按用途分它們各自的作用分別是：1、底涂膠（又稱底層樹(shù)脂）：涂刷于混凝土基層上，強(qiáng)化混凝土表面強(qiáng)度，從而使混凝土與碳纖維之間的粘結(jié)性得到提高。2、修補(bǔ)膠（又稱整平材料或膩?zhàn)樱赫交炷帘砻妫阌谔祭w維片材的粘貼。3、浸漬樹(shù)脂（又稱浸漬樹(shù)脂）：將碳纖維片材結(jié)合在一起，使之呈板狀硬化物；同時(shí)將碳纖維與混凝土粘接在一起，也形成一個(gè)復(fù)合整體，共抵抗外力。三種膠粘劑之中，浸漬樹(shù)脂最為重要，它的性能直接決定碳纖維片材能否有效地加固補(bǔ)強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)。
3、碳纖維復(fù)合材料加固混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)良性能
（1）高強(qiáng)度高彈性模量。碳纖維的強(qiáng)度高，極限抗拉強(qiáng)度約為鋼材的10 倍，彈性模量和鋼材相近。
（2）抗腐蝕能力強(qiáng)、耐久性好。碳纖維材料化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不與酸、堿、鹽等化學(xué)物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，因而碳纖維加固后的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有良好的抗腐蝕性和耐久性。
（3）熱膨脹系數(shù)小。碳纖維材料的熱膨脹系數(shù)非常小，其在纖維方向的熱膨脹系數(shù)幾乎等于零。
（4）施工簡(jiǎn)便，工作效率高。碳纖維布加固不需要大型施工機(jī)械和重型設(shè)備，施工占用場(chǎng)地少，無(wú)濕作業(yè)，碳纖維布柔性好，可以任意裁剪，操作簡(jiǎn)單，施工速度快。
（5）施工質(zhì)量易于保證。碳纖維布是柔性材料，即使被加固構(gòu)件的表面不是非常平整，經(jīng)過(guò)修補(bǔ)后，有效粘貼率可達(dá)到95%以上。
（6）對(duì)結(jié)構(gòu)影響小。碳纖維材料重量輕，厚度薄，經(jīng)加固修補(bǔ)后的構(gòu)件，基本上不增加原結(jié)構(gòu)的自重及尺寸，不影響結(jié)構(gòu)的使用空間。
（7）適用范圍廣。可用于不同結(jié)構(gòu)類型、不同結(jié)構(gòu)形狀、不同材料的構(gòu)件加固，也可用于構(gòu)件的不同部位及不同薄弱因素的加固。
4、碳纖維復(fù)合材料加固混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用
在實(shí)際工程中，用來(lái)加固的碳纖維材料主要是碳纖維布。碳纖維布加固技術(shù)在混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用已較成熟，主要集中在以下幾個(gè)方面。
（1）提高受剪承載力
碳纖維布對(duì)構(gòu)件抗剪的貢獻(xiàn)類似于箍筋的作用，與混凝同承受剪力。另外，碳纖維布具有對(duì)核心混凝土的約束作用，并能承擔(dān)拉應(yīng)力，防止主筋過(guò)早屈服，抑制剪切裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展。因此，碳纖維布可以明顯提高鋼筋混凝土構(gòu)件的受剪承載力，增強(qiáng)構(gòu)件的變形能力。
（2）提高受彎承載力
由于碳纖維布具有抗拉強(qiáng)度高的特性，可以將碳纖維布粘貼在構(gòu)件的受拉表層，使之與混凝同承擔(dān)拉應(yīng)力，以提高構(gòu)件的受彎承載力，達(dá)到加固補(bǔ)強(qiáng)的目的。粘貼碳纖維布后，受彎構(gòu)件的受彎承載能力明顯提高，有效的抑制了裂縫的開(kāi)展，構(gòu)件的變形能力和延性性能得到顯著改善。
（3）提高抗震能力
由于碳纖維布能夠約束構(gòu)件的開(kāi)裂，提高構(gòu)件的剛度和抵抗變形的能力，當(dāng)需要提高構(gòu)件的抗震能力時(shí)，亦可用碳纖維布進(jìn)行增強(qiáng)和增韌。尤其對(duì)于鋼筋混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)和受軸向力作用的鋼筋混凝土柱，往往要求進(jìn)行構(gòu)件的抗震設(shè)計(jì)。采用碳纖維布粘貼于梁柱節(jié)點(diǎn)范圍，或?qū)︿摻罨炷林M(jìn)行包裹，可以明顯改善結(jié)構(gòu)中混凝土構(gòu)件的延性，增加耗能能力，具有良好的抗震加固效果。
（4）提高抗疲勞能力
用碳纖維布進(jìn)行鋼筋混凝土梁和預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土梁的加固，經(jīng)200 萬(wàn)次重復(fù)荷載作用后，加固構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度不會(huì)降低，也不會(huì)發(fā)生剝落和脆斷現(xiàn)象。如果采用預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固的形式，預(yù)應(yīng)力碳纖維布的存在，使構(gòu)件中縱筋的應(yīng)力幅值有所降低，減少了發(fā)生疲勞破壞的可能。而始終處于高應(yīng)力狀態(tài)的碳纖維布具有良好的抗疲勞性能。其綜合效應(yīng)使所加固構(gòu)件的疲勞壽命大大提高，疲勞變形有所減小，構(gòu)件的疲勞抗裂性能得到較大提高，從而延長(zhǎng)構(gòu)件的使用壽命。
5、碳纖維復(fù)合材料加固混凝土結(jié)構(gòu)的不足
（1）碳纖維是一種線彈性脆性材料，只有當(dāng)構(gòu)件發(fā)生較大變形時(shí)，才能充分發(fā)揮其高強(qiáng)高彈模的性能。而混凝土結(jié)構(gòu)對(duì)變形有比較嚴(yán)格的控制，在一定程度上限制了碳纖維復(fù)合材料能力的發(fā)揮。
（2）碳纖維布加固混凝土結(jié)構(gòu)后，容易發(fā)生粘貼剝離破壞，使加固后混凝土結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)明顯的脆性破壞形態(tài)，對(duì)結(jié)構(gòu)的可靠度水平有所影響。
（3）目前對(duì)碳纖維復(fù)合材料加固混凝土結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期荷載、沖擊荷載作用下受力性能的研究較少，在類似方面應(yīng)用時(shí)缺少專門研究。
（4）對(duì)于碳纖維材料加固混凝土梁、柱的抗剪及抗彎加固機(jī)理和計(jì)算方法已有了成熟的研究和應(yīng)用成果，但對(duì)碳纖維材料加固剪力墻等方面的研究理論還較缺乏。
總之，碳纖維材料加固技術(shù)具有良好的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益，隨著碳纖維材料的發(fā)展、生產(chǎn)成本的降低及國(guó)內(nèi)外碳纖維材料加固技術(shù)研究的不斷深入，該項(xiàng)技術(shù)在混凝土結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域中的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛，具有廣闊的發(fā)展前景。
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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(shù)脂浸漬固化的碳纖維板或未經(jīng)樹(shù)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(shù)脂或浸漬樹(shù)脂粘貼在橋梁混凝土構(gòu)件需補(bǔ)強(qiáng)加固部位表面，樹(shù)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(shuō)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(shù)脂類粘結(jié)材料；
混凝土結(jié)構(gòu)加固修補(bǔ)配套樹(shù)脂系統(tǒng)包括底層涂料，用于滲透過(guò)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(shù)脂或粘結(jié)樹(shù)脂，前者用于碳纖維布粘貼，后者用于碳纖維板粘貼。
浸漬樹(shù)脂或粘貼樹(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)脂砂漿材料修補(bǔ)。裂縫以環(huán)氧樹(shù)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(shù)脂或樹(shù)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(shù)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(guò)1星期以上時(shí)，應(yīng)以砂輪機(jī)磨平。
將環(huán)氧樹(shù)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(guò)可使用時(shí)間的材料，不可使用。
環(huán)氧樹(shù)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(shù)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(shù)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(wèn)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(kāi)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(wèn)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(wú)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(shù)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(shù)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(lái)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。
中圖分類號(hào)：TQ342+.74 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A
Latest Market Development of Carbon Fiber and Its Composite Materials
Abstract： The global production capacity of carbon fiber is anticipated to exceed 140 000 tons in 2020， and most of the leading companies of this industry have made plans to expand their capacities， including Toray， Mitsubishi， Toho Tena， Zoltek， etc. Besides the latest market development of carbon fiber， the application status-quo and development potential of carbon fiber and its composite materials in the fields such as wind power blade， civil structure， high pressure cylinder， electronic industry were also introduced in this article.
Key words： carbon fiber； carbon fiber composite； application field； market potential
目前聚丙烯腈基碳纖維（PAN-CF）開(kāi)始邁入快速發(fā)展而激烈競(jìng)爭(zhēng)的時(shí)代。根據(jù)預(yù)測(cè)，世界碳纖維市場(chǎng)需求將由2012年的4.1萬(wàn)t左右發(fā)展到2020年的約14萬(wàn)t，其中增長(zhǎng)最快的是產(chǎn)業(yè)用途，預(yù)計(jì)2020年比2012年將增長(zhǎng) 4 倍以上，即11萬(wàn)t以上。新一代飛機(jī)、大型風(fēng)電葉片、土木建筑材料、高壓容器、海洋工程和電子產(chǎn)業(yè)等是新市場(chǎng)的主力軍，而2015年后汽車及軌道交通等將逐步成長(zhǎng)為大型市場(chǎng)。
表 2 為2005 — 2012年一季度日本三大碳纖維公司的銷售額及盈利情況，其中2013年三菱麗陽(yáng)下滑最嚴(yán)重，為此自2012年秋至今大規(guī)模收購(gòu)海內(nèi)外預(yù)浸料及復(fù)合材料制品等下游企業(yè)，形成從丙烯腈原料至復(fù)合材料制品的完整產(chǎn)業(yè)鏈，以提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力和擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域。
2020年，東麗的產(chǎn)能將達(dá)到 5 萬(wàn)t/a，而ZOLTEK則為3.95萬(wàn)t/a。預(yù)計(jì)2013年底，我國(guó)碳纖維生產(chǎn)廠將達(dá)到33家左右，產(chǎn)能從20 ～ 6 000 t/a不等，總設(shè)計(jì)產(chǎn)能約22 500 t/a，但2012年據(jù)統(tǒng)計(jì)總產(chǎn)量?jī)H為2 400 t左右。由于國(guó)外公司向我國(guó)輸出的碳纖維售價(jià)低于我國(guó)企業(yè)的生產(chǎn)成本，因此除 4 ～5 家供應(yīng)軍工的企業(yè)外全部虧損。
2.2 風(fēng)能和潮能
根據(jù)世界風(fēng)能協(xié)會(huì)的統(tǒng)計(jì)，2011年全球新設(shè)的風(fēng)電能力為42 GW，比2010年增長(zhǎng)20%，其中美國(guó)增長(zhǎng)28%，而英國(guó)目前正在運(yùn)行的風(fēng)電裝置有4 510個(gè)，將再建1 183個(gè)，德國(guó)2012年和2013年預(yù)計(jì)各增長(zhǎng)1 415和3 200 MW裝機(jī)容量。我國(guó)2011年風(fēng)電的發(fā)電量?jī)H占總電力生產(chǎn)的1%，計(jì)劃到2050年將增至17%。
目前重點(diǎn)發(fā)展近海風(fēng)電場(chǎng)，據(jù)報(bào)道英國(guó)到2020年洋上風(fēng)電將新增29 GW。圖 9 所示為英國(guó)威爾士North Hoyle正在運(yùn)行的Vesta V80-2.0MW洋上風(fēng)電場(chǎng)。
今后將朝著深海浮動(dòng)式風(fēng)電裝置發(fā)展。圖10和11分別為美國(guó)緬因大學(xué)先進(jìn)結(jié)構(gòu)與復(fù)材中心所研發(fā)的高20 m、葉片直徑達(dá)130 m的 6 MW浮動(dòng)式洋上風(fēng)電裝置的水下和水上圖。
據(jù)悉，到2013年，僅緬因州80 km長(zhǎng)的海岸線上就將擁有156 GW的洋上風(fēng)電產(chǎn)能，到2030年還將部署 5 GW的新裝置，并吸引2 000萬(wàn)美元的私人投資，創(chuàng)造數(shù)千人就業(yè)。
西門子是全球最大的洋上風(fēng)電葉片生產(chǎn)商，目前約占全球 7 成的市場(chǎng)份額，其每臺(tái) 6 MW的大型設(shè)備已實(shí)用化，其葉片皆采用碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）。
潮力發(fā)電是今后的重要發(fā)展趨勢(shì)和CFRP的新市場(chǎng)，其能量轉(zhuǎn)變效率為40%以上，而一般風(fēng)電為20% ～ 25%。2008年北愛(ài)爾蘭率先研發(fā)并投產(chǎn)1.2 MW的潮力發(fā)電設(shè)備，如圖12所示，到2015年在英國(guó)威爾士將設(shè)置 5 臺(tái) 2 MW的裝置。
2.3 土木建筑
CFRP用于建筑結(jié)構(gòu)物的代鋼筋材料和補(bǔ)強(qiáng)材料，不僅可提高抗震能力，還可起到電磁波屏蔽作用，這對(duì)軍事設(shè)施是很重要的。
據(jù)報(bào)道，目前和今后較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)，全球都將處于第五期地震活躍期。據(jù)我國(guó)國(guó)家地震局的報(bào)告，我國(guó)可能發(fā)生 7級(jí)以上大地震的省會(huì)城市多達(dá)22個(gè)，可能發(fā)生7.5級(jí)以上特大地震的省會(huì)城市16個(gè)，因此碳纖維片材、CFRP板材和代鋼筋材料的需求量將逐年遞增。2012年我國(guó)碳纖維補(bǔ)強(qiáng)材料的需求量已超過(guò)1 000 t。
需要引起注意的是，我國(guó)補(bǔ)強(qiáng)用碳纖維的標(biāo)準(zhǔn)是采用T700級(jí)PAN-CF，這是不科學(xué)的，應(yīng)該根據(jù)不同部位的要求選用不同質(zhì)量和性能指標(biāo)的PAN-CF，如表 4 所示。
由于全球車輛大增，許多原設(shè)計(jì)的橋梁底床逐漸發(fā)生疲勞劣化，有些隧道發(fā)生裂口而剝落，許多橋梁的橋墩已老化，一些高速公路的重要路面和飛機(jī)場(chǎng)跑道為防止因地震而發(fā)生龜裂都需要進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，僅日本每年的PAN-CF用量就多達(dá)90萬(wàn)m2。
碳纖維補(bǔ)強(qiáng)材料的施工方法主要包括：①東麗碳纖維片材（圖13）或CFRP施工法，圖14為防止橋底的鋼筋凹陷和提高耐疲勞性的施工圖；②東麗碳纖維層壓材料（圖15）施工法，圖16為其煙囪耐震補(bǔ)強(qiáng)圖；③S-層壓材料施工法，主要用于鋼板表面通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂粘合劑的碳纖維補(bǔ)強(qiáng)法；④SR-CF施工法，這是清水建設(shè)公司所開(kāi)發(fā)的方法，如圖17所示，采用碳纖維地腳螺栓（圖18）錨固。
帝人公司利用2012年12月建成的CFRTP（碳纖維增強(qiáng)熱塑性塑料）中試廠，與GM（通用汽車）等汽車公司合作，提供可“一分鐘成型”的技術(shù)與汽車結(jié)構(gòu)部件等，目標(biāo)是2015年應(yīng)用于月產(chǎn) 1 萬(wàn)輛的車種上，以期到2020年達(dá)到1 500億 ～2 000億日元的銷售額。
東麗通過(guò)參股歐洲的ACE、Diamler（EACC）和美國(guó)PCC汽車公司，收購(gòu)泰國(guó)童夢(mèng)復(fù)合材料（泰國(guó)）公司（賽車廠），在深圳投資 2 億日元成立東麗塑料（深圳）有限公司（TPSZ），新建2 500 t/a的CFRTP母粒廠，擴(kuò)大CFRP汽車部件生產(chǎn)，以及與美國(guó)三大頂級(jí)汽車公司通用、福特和克萊斯勒等合作開(kāi)發(fā)CFRP汽車部件，大力開(kāi)拓歐亞太地區(qū)的汽車市場(chǎng)。
水菱塑料公司最近開(kāi)發(fā)了碳纖維增強(qiáng)聚丙烯（CFRPP）汽車擋泥板，其剛性比以往的防撞器材可高出 5 倍以上。
東洋塑料精工公司開(kāi)發(fā)了碳纖維增強(qiáng)尼龍和PPS汽車部件系列產(chǎn)品（圖 22），進(jìn)一步擴(kuò)大了在汽車、飛機(jī)和電子等方面的應(yīng)用。
Axon汽車公司利用東麗的碳纖維開(kāi)發(fā)了全CFRP汽車，比普通車減重50%以上。其一次結(jié)構(gòu)材料采用3D碳纖維織物與聚乙烯（PE）泡沫塑料通過(guò)VARTM成型技術(shù)制成。
Motorsport公司生產(chǎn)了用碳纖維和Kevlar？（對(duì)位芳香族聚酰胺纖維）織物混合增強(qiáng)丙烯酸尿烷酯的賽車（圖23）部件（圖24），使車體減重56 kg，獲得了2013歐洲Rallycross錦標(biāo)賽冠軍。
2.5 高壓容器
由于北美和英國(guó)的油頁(yè)巖氣突然興旺，作為壓縮天然氣罐和天然氣汽車燃料瓶的需求不斷擴(kuò)大，推動(dòng)了碳纖維纏繞氣瓶需求的猛增。為此三菱麗陽(yáng)率先改造其在美國(guó)的碳纖維生產(chǎn)線，改產(chǎn)強(qiáng)度和模量兼優(yōu)的小絲束PAN-CF，滿足該需求。
圖26為PAN-CF纏繞氣瓶的生產(chǎn)圖，圖27為該氣瓶的內(nèi)部剖面圖，而圖28為裝有該天然氣瓶的英國(guó)新能源公共汽車。
碳纖維及其復(fù)合材料可謂朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)，但競(jìng)爭(zhēng)異常激烈。目前，我國(guó)的PAN-CF生產(chǎn)廠家正處于“百花齊放”的初級(jí)產(chǎn)業(yè)化階段，所采用的技術(shù)路線也多種多樣。今后 5 年將是我國(guó)碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期，預(yù)計(jì)這一時(shí)期內(nèi)我國(guó)PAN-CF部分廠家將出現(xiàn)停產(chǎn)、兼并、聯(lián)合、優(yōu)勝劣汰及上、下游產(chǎn)業(yè)聯(lián)手合作的局面，但仍會(huì)保留10 ～ 20家能維持生產(chǎn)的企業(yè)。相信目前較為艱難的處境終將過(guò)去，前景光明。
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尼龍66本身雖是性能優(yōu)異的工程塑料，但吸濕性大，制品尺寸穩(wěn)定性差，強(qiáng)度與硬度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如金屬，為了克服這些缺點(diǎn)，早在七十年代以前，人們就采用碳纖維或其它品種的纖維進(jìn)行增強(qiáng)以改善其性能。用碳纖維增強(qiáng)尼龍材料近年來(lái)發(fā)展很快，因?yàn)槟猃埡吞祭w維都是工程塑料領(lǐng)域性能優(yōu)異的材料，二者復(fù)合綜合體現(xiàn)了各自的優(yōu)點(diǎn)，強(qiáng)度與剛性比未增強(qiáng)的尼龍高很多，蠕變小，尺寸精度好，熱穩(wěn)定性顯著提高，耐磨，阻尼性優(yōu)良，與玻纖增強(qiáng)相比有更好的性能[1，2]。
碳纖維增強(qiáng)尼龍66復(fù)合材料制備的傳統(tǒng)工藝一般都是將經(jīng)過(guò)處理的碳纖維與尼龍66原生粒經(jīng)螺桿進(jìn)行擠出造粒，然后再通過(guò)二次加工型（注塑成型、層壓成型等）制得所需產(chǎn)品[3]。傳統(tǒng)工藝中的造粒過(guò)程都是采用分批進(jìn)料（尼龍66粒子和碳纖維），批次差異無(wú)法克服，直接導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量不均勻，物性指標(biāo)低；又因傳統(tǒng)工程塑料改性加工技術(shù)的原料為顆粒狀，改性生產(chǎn)必須經(jīng)過(guò)將固態(tài)轉(zhuǎn)化為熔融態(tài)的再熔融過(guò)程，能耗及生產(chǎn)成本相對(duì)較高，同時(shí)再熔融過(guò)程為高溫降解過(guò)程，產(chǎn)品理化性能必然會(huì)受到影響，降低產(chǎn)品質(zhì)量。而本生產(chǎn)工藝是在尼龍66聚合的過(guò)程中加入碳纖維，有效降低尼龍66在二次熔融的過(guò)程高溫氧化的風(fēng)險(xiǎn)，生產(chǎn)工序簡(jiǎn)潔，能耗少，成本低。
一、實(shí)驗(yàn)部分
1.實(shí)驗(yàn)儀器與試劑
尼龍66鹽溶液，為工業(yè)級(jí)，自制；抗氧化劑，分析純，科萊恩化工；光穩(wěn)定劑，分析純，科萊恩化工；碳纖維，工業(yè)級(jí)，上海英嘉特種纖維材料有限公司。
真空干燥箱，DZX-3型（6020B）， 上海福瑪試驗(yàn)設(shè)備有限公司；萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，CMT4204型，美特斯工業(yè)系統(tǒng)（中國(guó)）有限公司；萬(wàn)能制樣機(jī)，WZY—240，承德科承試驗(yàn)機(jī)公司；塑料擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)，ZBC1251-B型，美特斯工業(yè)系統(tǒng)（中國(guó)）有限公司。
2.工藝流程
在尼龍66連續(xù)聚合生產(chǎn)過(guò)程中，將經(jīng)過(guò)真空干燥除水后的碳纖維經(jīng)上料裝置，連續(xù)送入螺桿擠出機(jī)喂料口，然后經(jīng)造粒系統(tǒng)造粒，得到碳纖維增強(qiáng)尼龍66粒子，最后再經(jīng)干燥除水，通過(guò)注塑機(jī)制備出所需樣條。
3.力學(xué)性能測(cè)試
拉伸性能的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)按GB/T1040.2-2006進(jìn)行，環(huán)境溫度為23±2℃、相對(duì)濕度為50±5%，樣品為啞鈴狀，采用電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)拉伸強(qiáng)度，拉伸速率為5mm/min，采樣5次進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果取平均值。
沖擊強(qiáng)度的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)按ISO179進(jìn)行，環(huán)境溫度為23±2℃、相對(duì)濕度為50±5%，采用塑料擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行缺口懸臂梁抗沖擊測(cè)試，采樣5次進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果取平均值。
彎曲性能的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)按GB/T9341-2000進(jìn)行，測(cè)試環(huán)境溫度為23±2℃、相對(duì)濕度為50±5%，采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)彎曲強(qiáng)度，采樣5次進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果取平均值。
二、結(jié)果與討論
三、結(jié)論
本文通過(guò)新工藝制得碳纖維增強(qiáng)尼龍66復(fù)合材料的力學(xué)性能達(dá)到傳統(tǒng)工藝制得復(fù)合材料的力學(xué)性能，并且與傳統(tǒng)工藝相比，此工藝簡(jiǎn)單，能耗低、生產(chǎn)效率高，成本低，裝置運(yùn)行穩(wěn)定可靠，一次造粒最大限度的保持了尼龍66樹(shù)脂的新鮮度。
參考文獻(xiàn)
[1] 張淑芳. 增強(qiáng)增韌尼龍材料[J]. 工程塑料應(yīng)用， 1991， 2：51.
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(shù)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(jiàn)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(shù)脂、整平材料及浸漬或粘貼樹(shù)脂。這些材料的性能必須要滿足要，關(guān)于底層樹(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)脂及找平處理，在這方面需要按照規(guī)定配置樹(shù)脂，采用滾筒刷把樹(shù)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(shù)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(shù)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(wèn)題
中圖分類號(hào)： TP319 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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
碳纖維復(fù)合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRP）是以樹(shù)脂為基體，碳纖維為增強(qiáng)體的復(fù)合材料，作為一種先進(jìn)的復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高比模量、抗疲勞性等優(yōu)點(diǎn)，正是這些獨(dú)特的特性使CFRP成為與鋁合金、鈦合金、鋼合金并列的四大航空材料之一[1?3]。飛機(jī)在服役的過(guò)程中會(huì)遇到各種各樣極端情況，例如低溫、高溫、潮濕環(huán)境，這都會(huì)影響CFRP的性能[4?6]。航空工業(yè)一般采用B基準(zhǔn)值來(lái)評(píng)價(jià)CFRP的性能。為了得到CFRP在這些環(huán)境下的B基準(zhǔn)值，就需要進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)；根據(jù)航空工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HB7618?2009《聚合基復(fù)合材料性能數(shù)據(jù)表達(dá)準(zhǔn)則》提供的計(jì)算步驟 [7]， B基準(zhǔn)值的計(jì)算方法比較繁瑣。因而面對(duì)大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如何高效準(zhǔn)確地計(jì)算B基準(zhǔn)值對(duì)于實(shí)驗(yàn)人員來(lái)說(shuō)是急需解決的問(wèn)題。現(xiàn)在對(duì)于B基準(zhǔn)值計(jì)算方法仍然是借助Excel的手動(dòng)計(jì)算為主，這種方式無(wú)疑計(jì)算耗時(shí)長(zhǎng)，并且容易出錯(cuò)，無(wú)法滿足快速處理大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的要求。為了提高B基準(zhǔn)值的計(jì)算效率，本文根據(jù)Matlab在矩陣運(yùn)算、圖像處理和數(shù)值處理效率方面的優(yōu)勢(shì)[8]，將B基準(zhǔn)值的計(jì)算和Matlab相結(jié)合，利用其GUI（Graphical User Interface）模塊開(kāi)發(fā)B基準(zhǔn)值計(jì)算算法。
1 基準(zhǔn)值計(jì)算原理
1.1 B基準(zhǔn)值
為了保證材料的結(jié)構(gòu)的可靠性和安全性，就需要用到一些高級(jí)的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法來(lái)確定其合理的設(shè)計(jì)許用值，一般采用B基準(zhǔn)值[7]。B基準(zhǔn)值是建立在統(tǒng)計(jì)學(xué)上的衡量材料性能的參數(shù)，在95%的置信度下，90%性能數(shù)值群的值高于此值[9]。航空工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HB7618?2009關(guān)于B基準(zhǔn)值的流程復(fù)雜，本文將著重從批次相容性檢驗(yàn)、檢查異常數(shù)據(jù)、分布函數(shù)檢驗(yàn)、離散系數(shù)修正與檢驗(yàn)、B基準(zhǔn)值計(jì)算及導(dǎo)出結(jié)果幾方面進(jìn)行說(shuō)明。
1.2 主要計(jì)算步驟
（1） 檢驗(yàn)不同批次的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是否來(lái)自同一母體；檢驗(yàn)方法是K樣本的Anderson ?Darling檢驗(yàn)， 其統(tǒng)計(jì)公式如下[7]：
[ADK=n-1n2（k-1）i=1k1nij=1lhjnFij-njHjHj（n-Hj）-nhj4] （1）
如果ADK小于錯(cuò)判臨界值A(chǔ)DC（5%錯(cuò)判風(fēng)險(xiǎn)），則不同批次的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)自不同母體。如果相容性檢驗(yàn)不通過(guò)的，為了增加樣本數(shù)據(jù)來(lái)自同一母體的可能性，采用1%錯(cuò)判風(fēng)險(xiǎn)繼續(xù)判斷是否來(lái)自同一母體。
（1） 檢查異常數(shù)據(jù)。采用最大賦范殘差的方法定量的檢查異常數(shù)據(jù)：
[MNR=maxxi-xs] （2）
（2） 分布函數(shù)檢驗(yàn)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)威布爾計(jì)算的B基值過(guò)于保守，因此優(yōu)先檢驗(yàn)樣本數(shù)據(jù)是否符合正態(tài)分布，如果不符合正態(tài)分布，再依次檢驗(yàn)樣本數(shù)據(jù)是否服從威布爾分布和對(duì)數(shù)正態(tài)分布。
（3） 離散系數(shù)修正與檢驗(yàn)：當(dāng)離散系數(shù)低于4%時(shí)，容易忽略材料差異、實(shí)驗(yàn)方法等方面的實(shí)際差異性，因此要對(duì)離散系數(shù)進(jìn)行修正[10]，修正方法為：
[x*i=xi-α（xi）Δ] （3）
離散系數(shù)修正結(jié)束后，對(duì)不同環(huán)境下的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行離散系數(shù)檢驗(yàn)，離散系數(shù)的檢驗(yàn)公式為：
[F=i=1k（wi-w）（k-1）i=1kj=1niwij-wi（n-k）] （4）
（4） 將不同環(huán)境下的數(shù)據(jù)歸一化，根據(jù)歸一化后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算B基準(zhǔn)值。求出對(duì)應(yīng)的折減系數(shù)，再與不同環(huán)境下樣本的平均值相乘，從而得到B基準(zhǔn)值，折減系數(shù)的公式為：
[Bj=x-（kj）*s] （5）
2 程序?qū)崿F(xiàn)
2.1 基準(zhǔn)值算法的漸進(jìn)流程圖和程序界面
圖1是根據(jù)航標(biāo)HB7618?2009給出的計(jì)算步驟編制的程序流程圖，該程序流程圖包括了批次相容性檢驗(yàn)、檢查異常數(shù)據(jù)、分布函數(shù)檢驗(yàn)、離散系數(shù)修正與檢驗(yàn)、B基準(zhǔn)值計(jì)算及導(dǎo)出結(jié)果等功能。
圖1 B基準(zhǔn)值算法的漸進(jìn)流程圖
2.2 變量傳遞
B基準(zhǔn)值的算法程序包含幾個(gè)不同的模塊（見(jiàn)圖1），而每一個(gè)模塊又包含了多個(gè)程序和子程序。為了實(shí)現(xiàn)變量在不同模塊和函數(shù)間進(jìn)行傳遞，本文采用handles結(jié)構(gòu)體和guidata函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能。在B基準(zhǔn)值的算法程序界面中的所有控件使用同一個(gè)handles結(jié)構(gòu)體，handles結(jié)構(gòu)體中不僅保存了圖形窗口中所有對(duì)象的句柄，而且還可以獲取或設(shè)置某個(gè)對(duì)象的屬性。在程序的計(jì)算過(guò)程中需要將每一個(gè)模塊計(jì)算后的結(jié)果賦給handles結(jié)構(gòu)體，以便于將這個(gè)變量傳遞到下一個(gè)計(jì)算模塊。而每次handles結(jié)構(gòu)體添加了新的元素，guidata函數(shù)便會(huì)更新handles結(jié)構(gòu)體，使handle結(jié)構(gòu)體中的新添加元素可以傳遞到下一個(gè)模塊。guidata函數(shù)用法guidata（hObject，handles），其中，hObject是執(zhí)行回調(diào)的控件對(duì)象的句柄，handle為結(jié)構(gòu)體。handles結(jié)構(gòu)體和guidata函數(shù)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 設(shè)置實(shí)驗(yàn)環(huán)境
B基準(zhǔn)值的算法界面程序首先要檢驗(yàn)相同環(huán)境下不同批次的樣本數(shù)據(jù)是否來(lái)自同一母體。程序界面中包括四種實(shí)驗(yàn)環(huán)境：低溫干態(tài)（CTD）、常溫干態(tài)（RTD）、高溫干態(tài)（ETD）、高溫濕態(tài)（ETW）， 為了避免母體檢驗(yàn)的過(guò)程中不同環(huán)境下的樣本數(shù)據(jù)相互干擾，需要對(duì)程序界面中代表著不同實(shí)驗(yàn)環(huán)境的復(fù)選框（Check Box）進(jìn)行設(shè)置。當(dāng)其中的一種環(huán)境的復(fù)選框處于選中狀態(tài)時(shí)，其他的三種環(huán)境的復(fù)選框需要設(shè)置成未選中狀態(tài)，這樣就可以避免相互干擾。下面是當(dāng)CTD處于選中狀態(tài)，其他的三種實(shí)驗(yàn)環(huán)境處于未選中狀態(tài)時(shí)的代碼：
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
當(dāng)復(fù)選框處于選中狀態(tài)時(shí)，其Value值等于1；當(dāng)復(fù)選框處于未選中狀態(tài)時(shí)，其Value值等于0。
2.4 分布函數(shù)檢驗(yàn)
對(duì)于樣本數(shù)據(jù)的分布函數(shù)檢驗(yàn)，本文采用Matlab本身的內(nèi)置函數(shù)normplot（）和weibplot（）函數(shù)進(jìn)行判斷。若樣本數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布和威布爾分布，樣本數(shù)據(jù)點(diǎn)分布成一條直線，否則成一條曲線。至于樣本數(shù)據(jù)的對(duì)數(shù)正態(tài)分布檢驗(yàn)，程序首先對(duì)樣本數(shù)據(jù)取對(duì)數(shù)將對(duì)數(shù)分布轉(zhuǎn)化為正態(tài)分布后，再用normplot（）函數(shù)檢驗(yàn)是否服從正態(tài)分布。
在B基準(zhǔn)值的計(jì)算過(guò)程中首先檢驗(yàn)的是正態(tài)分布，可見(jiàn)樣本數(shù)據(jù)的正態(tài)分布對(duì)于B基準(zhǔn)值計(jì)算的重要性。為了增加正態(tài)分布檢驗(yàn)的準(zhǔn)確性，本文除了采用normplot（）函數(shù)對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行直觀的目視正態(tài)分布檢驗(yàn)外，還借助函數(shù)H=jbtest（）對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的正態(tài)分布檢驗(yàn)。若H=0，則認(rèn)X服從正態(tài)分布；若H=1，則否定X服從正態(tài)分布。對(duì)CTD環(huán)境下樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)的程序代碼如下，檢測(cè)結(jié)果如圖2所示。
…
normplot（handles.tdata（：））； %正態(tài)分布概率圖
handles.H=jbtest（handles.tdata（：））； %擬合優(yōu)度檢驗(yàn)
…
圖2 CTD環(huán)境下樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)圖
圖2中CTD環(huán)境下的樣本數(shù)據(jù)點(diǎn)分布大致成一條直線，并且檢驗(yàn)結(jié)果H=0，表示接受正態(tài)分布假設(shè)。可見(jiàn)CTD樣本數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布。
2.5 生成實(shí)驗(yàn)報(bào)告
面對(duì)大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，書寫報(bào)告往往是重復(fù)性勞動(dòng)工作，此時(shí)可以利用Matlab生成一表格模板，每次自動(dòng)導(dǎo)入數(shù)據(jù)生成報(bào)告，這就可以節(jié)約大量的時(shí)間。Matlab作為一種面向?qū)ο蟮恼Z(yǔ)言，它支持COM技術(shù)，利用它的COM編譯器可以把Matlab開(kāi)發(fā)的程序轉(zhuǎn)換成方便使用的COM組件。而ActiveX控件技術(shù)是建立在COM技術(shù)之上，由微軟公司推出的共享程序數(shù)據(jù)和功能的技術(shù)。因此，Matlab可以利用ActiveX控件技術(shù)，在Matlab中調(diào)用Microsoft Word 程序插入表格，此時(shí)的Word是組件，是服務(wù)程序，而Matlab是控制器程序。下面是生成報(bào)告的部分程序代碼：
…
try
Word = actxGetRunningServer（′Word.Application′）；
%若Word服務(wù)器已經(jīng)打開(kāi)，返回其句柄Word
catch
Word = actxserver（′Word.Application′）；
%創(chuàng)建一個(gè)Microsoft Word服務(wù)器，返回句柄Word
…
Tables=Document.Tables.Add（Selection.Range，21，5）；
%插入一個(gè)21行5列的表格
…
Document.Save %保存文檔3 計(jì)算實(shí)例
本文根據(jù)航標(biāo)HB7618?2009提供的范例數(shù)據(jù)來(lái)詳細(xì)說(shuō)明B基準(zhǔn)值的計(jì)算流程，并驗(yàn)證程序界面計(jì)算的可靠性，如圖3所示。范例包含了所有實(shí)驗(yàn)環(huán)境下的樣本數(shù)據(jù)，見(jiàn)表1。
圖3 B基準(zhǔn)值程序界面
（1） 通過(guò)Anderson?Darling方法檢驗(yàn)不同環(huán)境下的不同批次的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是否來(lái)自同一母體（依次勾選對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境），檢驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)ETW（高溫濕態(tài)）環(huán)境下的三批樣本數(shù)據(jù)的ADK大于臨界值（ADK=2.258 2>ADC=1.917 4），可見(jiàn)該環(huán)境下三批數(shù)據(jù)來(lái)自不同母體，如圖4（a）所示。如果放大為1%錯(cuò)判風(fēng)險(xiǎn)下， ADK小于臨界值（ADK=2.258 2
（2） 相容性檢驗(yàn)檢驗(yàn)結(jié)束后，根據(jù)公式（2）計(jì)算每一試樣的MNR值（單擊異常數(shù)據(jù)檢查），如果MNR值大于臨界值，那么就可以判斷該試樣為異常值。對(duì)于能夠反映材料、工藝參數(shù)和實(shí)驗(yàn)環(huán)境的差異性的異常數(shù)據(jù)需要保留。而當(dāng)異常數(shù)據(jù)是由不合格的試樣、實(shí)驗(yàn)設(shè)備和夾具的缺陷造成時(shí)，異常數(shù)據(jù)要?jiǎng)h除（單擊刪除異常數(shù)據(jù)，見(jiàn)圖3），否則就會(huì)導(dǎo)致統(tǒng)計(jì)結(jié)果的失真。
圖4 母體檢驗(yàn)
（3） 對(duì)不同環(huán)境下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)分布假設(shè)檢驗(yàn)，如果不符合正態(tài)分布再依次檢驗(yàn)是否服從威布爾分布和對(duì)數(shù)正態(tài)分布。
（4） 檢驗(yàn)相同環(huán)境下樣本數(shù)據(jù)的離散系數(shù)是否小于4%（單擊離散系數(shù)）。由于較低的離散系數(shù)容易忽略材料和實(shí)驗(yàn)方法等方面的差異性，因此對(duì)于小于4%的情況，程序會(huì)根據(jù)式（3）將離散系數(shù)修正為4%。修正后的數(shù)據(jù)平均值保持不變，原來(lái)小于平均值的數(shù)據(jù)變得更小，原來(lái)大于平均值的數(shù)據(jù)變得更大（見(jiàn)圖5）。然后，再檢查不同環(huán)境下離散系數(shù)是否相等，根據(jù)公式（4）計(jì)算F值小于臨界值（F=2.38
圖5 離散系數(shù)修正圖
（5） 合并不同環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)再一次進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)（勾選合并，見(jiàn)圖3）。在第（3）步中已經(jīng)驗(yàn)證每種環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的是否符合正態(tài)分布，如圖6（a）所示，由圖6（b）可見(jiàn)合并后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)依然符合正態(tài)分布。然后，用每種環(huán)境下的樣本均值對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化，求出歸一化后合并數(shù)據(jù)的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和離散系數(shù)見(jiàn)表1。
根據(jù)公式（5）可以求出相應(yīng)的環(huán)境下的折減系數(shù)Bj，并與不同環(huán)境下的樣本數(shù)據(jù)平均值相乘，從而獲得B基準(zhǔn)值。
圖6 數(shù)據(jù)的正態(tài)分布檢驗(yàn)
為了驗(yàn)證程序的可靠性，采用標(biāo)準(zhǔn)中提供的范例中的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比說(shuō)明。表2中列出了在四種不同實(shí)驗(yàn)環(huán)境下的程序計(jì)算結(jié)果和航標(biāo)HB7618?2009提供的結(jié)果。從表中的數(shù)據(jù)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)誤差在+0.3%以內(nèi)，誤差主要由容限系數(shù)和折減系數(shù)的近似計(jì)算造成。可見(jiàn)程序計(jì)算的結(jié)果符合工程精度（誤差±5%）的要求，此外相比于借助Excel的手動(dòng)計(jì)算法方法，效率顯著提高。
4 結(jié) 語(yǔ)
本文根據(jù)航空工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HB7618?2009給出的B基準(zhǔn)值的計(jì)算步驟，將Matlab的GUI模塊與B基準(zhǔn)值的計(jì)算相結(jié)合開(kāi)發(fā)出B基準(zhǔn)值的計(jì)算程序。相比于借助Excle的手動(dòng)計(jì)算方法，該程序界面具有以下優(yōu)點(diǎn)：
（1） 程序可以判斷樣本是否來(lái)自同一母體，還具有異常數(shù)據(jù)處理、統(tǒng)計(jì)分布檢驗(yàn)、離散系數(shù)檢驗(yàn)與修正等功能，最后實(shí)驗(yàn)結(jié)果以Word格式導(dǎo)出。
（2） 使用該程序進(jìn)行B基準(zhǔn)值的計(jì)算方便快捷、效率高，并且具有良好的人機(jī)界面，顯著提高了B基準(zhǔn)值的計(jì)算效率。
表2 不同環(huán)境下計(jì)算結(jié)果對(duì)比
參考文獻(xiàn)
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碳纖維復(fù)合材料可簡(jiǎn)稱為CFRP，具有高強(qiáng)、輕質(zhì)、耐輻射及耐紫外線等優(yōu)點(diǎn)，CFRP由于比其他復(fù)合材料更占據(jù)優(yōu)勢(shì)，獲得較好的發(fā)展及應(yīng)用，其最初僅應(yīng)用在軍事、航天及船舶工程里，隨著應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，也被廣泛應(yīng)用在了基礎(chǔ)設(shè)施及土木建筑工程的建設(shè)當(dāng)中，CFRP在我國(guó)土木建筑及基礎(chǔ)設(shè)施方面研究及應(yīng)用是比較晚的，大約在1996年左右才開(kāi)始的，現(xiàn)在研究及應(yīng)用大多集中在片材加固及混凝土修復(fù)方面，并且在這方面的理論及技術(shù)上已經(jīng)比較成熟。
一、CFRP材料在土木建筑及基礎(chǔ)設(shè)施里的特點(diǎn)
CFRP材料在基礎(chǔ)設(shè)施及土木建筑的應(yīng)用主要具有下列特點(diǎn)，一是CFRP材料具有可設(shè)計(jì)性，當(dāng)纖維復(fù)合材料或者CFRP作為結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行應(yīng)用的時(shí)候，因?yàn)槭窃鰪?qiáng)材料及基體材料組合，不僅能夠保持原來(lái)分材料一些特點(diǎn)，在組合之后，還能發(fā)揮組合之后的一些新特性，可依據(jù)結(jié)構(gòu)的需要來(lái)設(shè)計(jì)，從而滿足單一材料所無(wú)法滿足的一些性能要求；二是CFRP具有高強(qiáng)度及輕質(zhì)特點(diǎn)，其抗拉強(qiáng)度比較高，與普通鋼筋相比，順纖維方向的抗拉強(qiáng)度要大得多，當(dāng)然其均勻性要比鋼材要稍微差一些，并且各向異性，使得抗剪及抗多軸向力的強(qiáng)度也要低一些，其質(zhì)量非常的輕，密度僅是鋼材密度的1/5，在施工安裝的時(shí)候是比較方便的；三是抗疲勞性及耐腐蝕性能比較好，通常鋼筋等金屬疲勞強(qiáng)度是拉伸強(qiáng)度的50%左右，可纖維復(fù)合材料疲勞強(qiáng)度一般是拉伸強(qiáng)度70%以上，具有較好的抗疲勞功能，一般建筑材料，像鋼筋等是不耐腐蝕的，特別是在近海工程里，容易和周圍空氣、化學(xué)物質(zhì)及海水等發(fā)生反應(yīng)，讓基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)及土木建筑工程無(wú)法有效發(fā)揮出應(yīng)有作用，造成較大損失，像CFRP等纖維復(fù)合材料具有比較好的耐腐蝕性能，用CFRP材料所制成設(shè)備及構(gòu)件具有較好耐堿、酸及鹽等化學(xué)物質(zhì)侵蝕；四是抗震性能及安全性能比較好，CFRP材料和原有建筑材料相比，自振頻率比較高，不會(huì)出現(xiàn)共振情況，并且在加載頻率及速度之下，基本上不會(huì)出現(xiàn)由于共振產(chǎn)生快速斷裂的情況，并且在纖維復(fù)合材料里，具有較多獨(dú)立纖維如果復(fù)合材料承載過(guò)量也不會(huì)馬上發(fā)生纖維斷裂，即使有少量的纖維斷裂，也會(huì)吧載荷重新分配到其他沒(méi)有被損壞纖維上面，從而防止基礎(chǔ)設(shè)施及土木建筑工程構(gòu)件瞬間失去承載能力產(chǎn)生斷裂；五是具有較強(qiáng)美學(xué)欣賞可塑性，CFRP材料是比較柔軟的，產(chǎn)品形狀基本上不受限制，能夠任意著色，把結(jié)構(gòu)形式及材料美學(xué)進(jìn)行結(jié)合統(tǒng)一。
二、CFRP材料在基礎(chǔ)設(shè)施及土木建筑里的應(yīng)用
1. CFRP能夠增強(qiáng)混凝土應(yīng)用
在基礎(chǔ)設(shè)施及土木建筑里，混凝土均是不可缺少的應(yīng)用材料，并且使用量非常大，通常使用鋼筋增加強(qiáng)度，可鋼筋自身一般具有容易受到酸堿作用的腐蝕，也會(huì)對(duì)混凝土造成一定破壞，這就需要尋找新型混凝土產(chǎn)品，在這種情形下，纖維混凝土應(yīng)運(yùn)而生，它是對(duì)混凝土創(chuàng)新，最早所使用的是玻璃纖維、鋼纖維及維綸來(lái)增強(qiáng)混凝土，現(xiàn)在一般是運(yùn)用CFRP材料來(lái)增強(qiáng)混凝土。纖維材料自身具有模量、強(qiáng)度、斷裂長(zhǎng)度及空間結(jié)構(gòu)等決定了混凝土性能，運(yùn)用CFRP材料能夠增強(qiáng)混凝土的拉伸強(qiáng)度、防裂性能及抗彎強(qiáng)度，能夠用作裝飾材料，也可以用作護(hù)墻板、墻板及主體建筑物等。原有混凝土結(jié)構(gòu)具有劣化及腐蝕等問(wèn)題，尤其是鋼材銹蝕是最常見(jiàn)的，并且還會(huì)發(fā)生安全事故，后來(lái)使用了鋼纖維，可鋼纖維具有成本高及容易腐蝕的問(wèn)題，其應(yīng)用是比較有限的，后來(lái)玻璃纖維拉伸強(qiáng)度要比鋼筋優(yōu)越的多，并且重量也僅是鋼筋重量的1/4，受到海水及水泥侵蝕程度要遠(yuǎn)比鋼筋低得多，可玻璃纖維具有容易折斷及不耐堿的特點(diǎn)，并且應(yīng)用具有污染性，而碳纖維具有高強(qiáng)度、低密度及高硬度等特點(diǎn)，并且彈性模量及抗拉強(qiáng)度均比較高，還能導(dǎo)磁導(dǎo)電、耐高溫、耐磨損、耐惡劣環(huán)境且能和混凝土良好粘結(jié)，使得CFRP混凝土得到了較為廣泛應(yīng)用，當(dāng)然由于碳纖維具有導(dǎo)磁導(dǎo)電特點(diǎn)，有些建筑是不能應(yīng)用的，像日本學(xué)者就運(yùn)用纖維氈當(dāng)作吸附電磁波功能的組分，進(jìn)行輕質(zhì)及防震功能幕墻，這種CFRP材料不僅能夠屏蔽電磁波，還能夠運(yùn)用交通智能系統(tǒng)的應(yīng)用，CFRP材料諸多優(yōu)點(diǎn)使得它在土木建筑及基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)里備受青睞。
2. CFRP在結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)材料里的應(yīng)用
CFRP材料主要應(yīng)用在基礎(chǔ)設(shè)施及土木建筑工程結(jié)構(gòu)的補(bǔ)強(qiáng)材料里，原有補(bǔ)強(qiáng)材料主要是鋼板，具有自重大、易老化、耐腐蝕差及施工不方便等缺點(diǎn)，現(xiàn)在所應(yīng)用補(bǔ)強(qiáng)材料一般是CFRP材料，一般比較適合鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)變更、強(qiáng)度不足、存有裂縫及荷重增加等加固的修補(bǔ)工程里，和原有粘鋼板技術(shù)比較，這種CFRP加固技術(shù)具有高效高強(qiáng)、維護(hù)性能好、施工方便、質(zhì)量高、適用廣及智能化等優(yōu)點(diǎn)，其具體表現(xiàn)是CFRP本身具有輕質(zhì)高強(qiáng)的特點(diǎn)，并且對(duì)原來(lái)結(jié)構(gòu)影響不大情況下，能夠有效提高加固構(gòu)件抗剪、抗彎及抗震等性能；而碳纖維的輕質(zhì)柔性特點(diǎn)，能夠手工纏繞混凝土表面，不需要運(yùn)用大型的機(jī)具，更不需要五十作業(yè)及焊接，并且噪聲和灰塵也很小；其防護(hù)及維護(hù)性能比較好是由于碳纖維具有較好的耐久性能及耐腐蝕性能，能夠抵抗各類堿鹽酸造成結(jié)構(gòu)物腐蝕，并且運(yùn)用這種加固技術(shù)處理之后，不用定期維護(hù)，自身就對(duì)混凝土內(nèi)部起到保護(hù)作用；其片材柔軟的特點(diǎn)，能夠?qū)Ω鞣N結(jié)構(gòu)及類型建筑物給予修補(bǔ)，以達(dá)到不用改變結(jié)構(gòu)的形式及結(jié)構(gòu)外觀效果情況下完成修補(bǔ)，適用面是非常廣的；并且還能夠?qū)崿F(xiàn)智能化，CFRP片材做成的加固材料，能夠依據(jù)加固修復(fù)位置的導(dǎo)電性能情況，來(lái)安全檢查及診斷此部位的情況，像瑞士就運(yùn)用這種復(fù)合材料，對(duì)跨長(zhǎng)39m伊巴赫橋損壞的加固，讓其滿足了需要承載能力要求。
3. CFRP應(yīng)用存在一些問(wèn)題
CFRP在基礎(chǔ)設(shè)施及土木建筑工程里，得到了較為廣泛應(yīng)用，可是依然存在一些問(wèn)題，像CFRP在加固混凝土方面取得了較大成就，可在加固結(jié)構(gòu)力學(xué)性能方面還不是很完善，數(shù)值計(jì)算及理論分析研究比較有限，對(duì)于加強(qiáng)混凝土破壞模式方面研究不是很深入，有關(guān)加強(qiáng)構(gòu)建剛度、彎曲及剪切延性等給予了關(guān)注研究及應(yīng)用，可綜合因素所造成加固材料數(shù)量、登記及施工工藝方面影響還是有些欠缺的。我國(guó)PAN碳纖維強(qiáng)度通常在2000-3000Mpa間，其彈性的模量為2100000Mpa上下，這個(gè)性能能夠滿足加固的要求，可預(yù)浸料生產(chǎn)及加工的成品質(zhì)量還存在比較大的欠缺，使其材料國(guó)產(chǎn)化是個(gè)比較關(guān)鍵的問(wèn)題，并且加固技術(shù)方面還缺少較為完善國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范制度，需要制定自己標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)施工指南，讓建筑工程開(kāi)展更具有規(guī)范性及可依靠標(biāo)準(zhǔn)。
結(jié)束語(yǔ)：
隨著建筑工程規(guī)模及數(shù)量不斷增大，CFRP材料應(yīng)用越來(lái)越廣泛，國(guó)外雖有較多碳纖維產(chǎn)品，可我國(guó)大規(guī)模開(kāi)發(fā)及應(yīng)用不能完全依賴進(jìn)口，要想降低成本和發(fā)展民族工業(yè)，就需要加強(qiáng)CFRP材料的國(guó)產(chǎn)化，并且不斷加強(qiáng)CFRP材料研究及建筑工程應(yīng)用，讓CFRP材料真正發(fā)揮自身優(yōu)點(diǎn)，降低建筑工程成本，提高其經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益。
參考文獻(xiàn)：