碳纖維復合材料精品(七篇)

序論：寫作是一種深度的自我表達。它要求我們深入探索自己的思想和情感，挖掘那些隱藏在內心深處的真相，好投稿為您帶來了七篇碳纖維復合材料范文，愿它們成為您寫作過程中的靈感催化劑，助力您的創作。

篇(1)

關鍵詞：碳纖維；復合材料；井蓋

中圖分類號：TU531.6

1 引言

一般按照材料特性將井蓋分為鑄鐵（包括灰口鑄鐵和球墨鑄鐵）、復合材料、水泥及菱鎂等幾種井蓋。傳統的水泥混凝土井蓋具有造價低、制造方便、取材方便等優勢，但其脆性大、易老化、易斷裂；目前國內常用的井蓋還是以鑄鐵的（含球墨鑄鐵）[1]為主。鑄鐵井蓋最突出的優點是強度高、使用壽命長、工藝成熟。但其造價高，防盜性差。主要是因其材料可以回收利用，因而容易被盜，這不僅造成巨大的經濟損失，還會引發嚴重的安全問題。通過安裝防盜裝置會進一步增加井蓋的成本，因而，為解決此問題，采用沒有回收利用價值的復合材料井蓋就是最佳的選擇。目前市政工程中的復合材料井蓋存在承壓能力低、易老化變形等問題，因此在傳統的井蓋基礎上引進高強度新材料開發能夠保證承載力、耐久性好且無回收利用價值的復合材料井蓋是一個值得關注的研究方向。

2 碳纖維加固混凝土的國內外研究概況

2.1國外研究現狀

碳纖維加固技術最初起源于德國和瑞士，接著日本也進入了碳纖維加固行業，并且迅速的推廣了碳纖維加固技術，加固范圍和加固領域也一直在不斷擴大和延伸，而運用碳纖維材料加固的最主要對象為鋼筋混凝土結構。歐美及日本的大量研究機構從上個世紀的八十年代開始就通過科研實踐，對碳纖維加固技術進行深入研究，現在在全世界都在廣泛的使用這項加固技術，此方法已經成為了一種常用的加固方法[2]。

2.1國外研究現狀

碳纖維加固技術最初起源于德國和瑞士，接著日本也進入了碳纖維加固行業，并且迅速的推廣了碳纖維加固技術，加固范圍和加固領域也一直在不斷擴大和延伸，而運用碳纖維材料加固的最主要對象為鋼筋混凝土結構。歐美及日本的大量研究機構從上個世紀的八十年代開始就通過科研實踐，對碳纖維加固技術進行深入研究，現在在全世界都在廣泛的使用這項加固技術，此方法已經成為了一種常用的加固方法[2]。

Shahawy[3]在對CFRP 加固梁的疲勞性能和靜力性能研究方面，通過試驗結果分析研究得出了混凝土強度等級、碳纖維布加固層數和碳纖維的不通加固方式對梁的靜力性能影響較大，尤其是對梁的極限承載力以及混凝土的延性性能方面影響較大。同時此文還研究了加固梁的疲勞性能，通過研究結果得出利用碳纖維加固對混凝土梁的疲勞性能也有顯著影響，利用碳纖維加固能使梁具有很好的疲勞性能。得出結論如下：CFRP 加固在很大作用上能夠增強梁的疲勞性能和靜力性能。他還對整個試驗的過程通過運用有限元軟件進行了模擬，并對比試驗結果，驗證了利用有限元分析結構性能具有合理性。

2.2國內研究現狀

我國則從1997年才開始對碳纖維復合材料加固混凝土結構進行研究。近幾年來對采用粘貼碳纖維布材加固鋼筋混凝土梁的抗彎受力性能研究方面較為普遍，相應的研究成果較多。

馮鵬、陸新征等通過實驗研究四根不同加固形式的構件，對試驗構件的受力全過程進行了分析記錄，并對構件純彎段裂縫狀況、荷載撓度曲線、跨中混凝土截面應變分布、彎矩-碳纖維應變關系和同樣撓度時的極限彎矩值進行了詳細記錄研究，并利用試驗結果進行了匯總出了開裂彎矩、屈服彎矩、極限彎矩和混凝土、鋼筋和碳纖維應變等具體數據，運用公式所得的結果與試驗值基本符合。

趙志平等通過試驗得出了不同形式加固梁的屈服荷載和極限荷載，再利用ANSYS 有限元分析軟件對試驗中的梁進行了有限元非線性分析的模擬，得出有限元分析的結果能夠與試驗所得的值較好的符合，利用ANSYS 建模分析時，只要合理選用模型單元和合理設置計算參數，模型還是較高的實用性和可靠性的。

國內外學者研究表明，碳纖維材料能夠有效的加固混凝土，提高混凝土的強度和承載力。

3 復合材料井蓋的研究現狀

3.1國內研究現狀

國內常用的復合材料井蓋有以下，這些復合材料井蓋各有特點，共同的優勢是金屬材料含量極小或沒有，沒有值得回收利用的價值，可以起到適當的防盜作用，能夠彌補鑄鐵井蓋最大的缺憾。

（1）鋼纖維混凝土井蓋

鋼纖維混凝土井蓋是早期的復合材料井蓋，相對混凝土井蓋而言，較強的抗裂性能和抗沖擊性能是此類井蓋的最大特點?？梢猿惺芎奢d的反復碾壓，表現出較好的耐久性能，且加工成本便宜，回收價值不大。但是，該類混凝井蓋重量較大，施工檢修較費力，井蓋邊緣容易破損，一般需要通過外加金屬邊框來改善這種崩邊現象。在城市道路、居民小區和工廠的雨水口等處一定程度上取代了鑄鐵井蓋。

3.2國外研究現狀

國外設計井蓋一般會根據井蓋不同部位采用增強材料各異。為保證其承載能力，通常在井蓋下部受力較大處使用連續纖維增強。為提高井蓋抗變形性能，在井蓋中部會大量使用填料；而為保證井蓋較好的耐磨性能，硬度較高、耐磨耐候性好的材料會用于井蓋上部，同時設計出相應的圖案、數字、文字和顏色。通過這一套工藝程序就能夠滿足耐磨耐候性和外觀要求。玻璃鋼井蓋優勢較明顯，既能保證井蓋的輕質高強和抗疲勞性能好等要求，同時還具有耐腐蝕和外表美觀等優點，也可以解決鑄鐵井蓋被盜的缺點，成為其替代產品。

綜上所述，國內外學者和業內相關人士對于井蓋進行了大量的研究，研究方法包括實驗、模型仿真、加工工藝等多種途徑，表明井蓋技術在城市道路建設和規劃中得到越來越廣泛的關注和重視，新型材料井蓋研究技術也將成為一種新型的技術領域。在不同的使用條件下，可以通過不同的復合材料井蓋來代替傳統的和常用的鑄鐵井蓋。碳纖維在混凝土領域的應用已經比較廣泛，但是，關于新型碳纖維在井蓋中的研究非常鮮見，在井蓋領域中碳纖維的應用還是空白，有極大的應用潛力和發展空間，未來將成為傳統鑄鐵井蓋和水泥混凝土井蓋的理想換代產品。

參考文獻

[1]鄧宗才、吳寅.玻璃鋼井蓋的研制[J]. 玻璃鋼復合材料，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.基于界面效應的碳纖維水泥基復合材料壓敏性實驗研究.重慶科技學院學報，2009，11（6）：65-68.

作者簡介：

篇(2)

關鍵詞 碳纖維；復合材料；雷電防護

中圖分類號V2 文獻標識碼A 文章編號 1674-6708（2013）102-0097-03

0引言

飛機的防雷擊設計包括全機防雷擊系統和部件級防雷擊系統兩部分。而防雷擊設計的首要環節是進行雷電區域的正確劃分，從而根據不同的雷電區域采取不同的防護措施。本文主要提供一種全碳纖維復合材料飛機的全機防雷擊系統設計，部件級防雷擊系統的設計本文不做分析。

1 飛機雷擊環境定義

1.1飛機的雷擊環境

直接雷擊——指開始接觸到飛機表面的雷擊。

掃掠雷擊——指一旦飛機接觸到直接雷擊后，雷擊持續放電的接觸點不斷出現順氣流方向沿飛機表面跳躍移動。

1.2飛機的雷電效應

雷電直接效應是由雷電電弧的附著及伴隨著雷電流的高壓沖擊波和磁力所造成的燃燒、熔蝕、爆炸和結構畸形。

雷電間接效應是指在電子、電氣設備和布線中雷電引起的過電壓和過電流造成的設備損壞或干擾。

3 飛機雷電區域劃分

3.1區域劃分

按照不同的雷電附著特性或傳遞特性可把飛機表面劃分成三個區域：

區域1：初始電擊附著其上面（進口或出口）可能性很大的飛機表面。亦稱初始附著區域。

區域2：電擊放電被氣流從區域1的初始附著點吹過來在其上面掃掠的可能性很大的飛機表面，亦稱掃掠沖擊區域。

區域3：除了區域1和區域2以外的所有飛機表面為區域3。在區域3，放電電弧直接附著的可能性很小，但它可能在某對初始雷電附著點或掃掠沖擊附著之間傳導很大的雷電流。

按照放電長時間懸停在飛機表面的可能性大小，區域1又進一步分為A區、B區和C區，區域2劃分為A區和B區。A區是電弧在它上面長時間懸?？赡苄暂^小的區域。B區是電弧在它上面長時間懸?？赡苄暂^大的區域。

3.2區域的確定

飛機雷擊區域的劃分按照SAE ARP5414A-2005進行，采用推薦的或標準的經典規則確定。

3.2.1區域1的確定

首先，要確定可能的初始雷電附著點區域。一般傳統布局的飛機，根據飛機的雷擊經驗，典型的雷電先導初始附著點位置為一些末端，如機頭、機翼/尾翼翼尖、推進器和螺旋槳槳葉的末端、發動機艙以及其他明顯的突出物。

其次，確定區域1A、1B、1C的位置，根據SAE ARP5414A-2005，在正常情況下，飛機將會往前飛行，當沖擊和閃電從前端的附著點開始從頭到尾的掃過，開始形成第一個回流沖擊。這一時間飛機飛行距離決定了區域1A表面相對于初始附著點的延展部分，這個距離由飛行速度、飛機離地面的海拔高度（對于從云端到地面的沖擊）以及先導速度決定。區域1A延展部分的起點應該是飛機初始附著區域的端點。

3.2.2區域2的確定

區域2：

1）從區域1的直接雷擊接觸點向后有掃掠雷擊可能性的表面為區域2，在區域1的前、后邊界側向內大約0.5m范圍內的表面；

2）區域1C之后機身表面為區域2A；

3）垂尾、平尾區域1以外的為區域2A；方向舵、升降舵為區域2B。

3.2.3區域1、2的橫向擴張位置的確定

對于機翼和尾翼處，確定區域1的辦法是確定突出的弧形部分的水平切線，然后沿著切線往里延伸大約0.5m，區域1往里延伸大約0.5m的表面區域應該放在區域2中考慮。

3.2.4區域3的確定

不屬于區域1和2的表面，并且不可能有閃電附著的地方劃分為區域3。

3.3飛機雷擊區域劃分示意圖

飛機的雷擊區域的位置都是由飛機的幾何特性和飛機的飛行特性來確定的。飛機雷擊區域的最終確定將由飛機雷擊附著點試驗得到。圖1為某型號單發渦槳輕型公務機雷擊區域的初步理論劃分示意圖。

4雷電防護設計

飛機結構的設計應該是在飛機遭遇雷擊時能為雷電流提供低阻抗的通路。對于容易受到雷擊放電損壞的飛機結構、系統和部件如飛機的機頭、翼尖、螺旋槳、發動機、燃油箱、活動翼面、風擋、天線等部件，必須根據其自身重要性以及所在區域的要求采取必要的雷電防護措施，以盡可能避免或減小雷電對飛機及設備自身的損害。

4.1 全碳纖維復合材料機體的雷擊防護

資料顯示，對復合材料機體進行模擬雷擊試驗，在沒有雷擊防護層的情況下，在經受60～100kA峰值電流和1.9C電荷量放電后就產生嚴重損傷，說明應用復合材料的飛機必須進行雷擊防護。

據了解，目前國內外多數復合材料的飛機均使用金屬絲網作為雷擊防護層，可用標準紡織工藝將金屬絲織成布或針織品。全碳纖維復合材料飛機使用銅網作為雷擊防護層。根據模擬雷擊試驗結果，具體防雷擊方案為：

1）對機雷擊區域1，可用銅絲網做復合材料的表面防護層。銅絲網的網眼數不小于20×40孔/in2，銅絲直徑至少為0.14mm；

2）對機雷擊區域2，可用銅絲網做復合材料的表面防護層。銅絲網的網眼數不小于20×40孔/in2，銅絲直徑至少為0.1mm。

4.1.1位于雷擊區域1的全碳纖維復合材料機體的雷擊防護

用于雷擊區域1的復合材料雷擊防護層必須能經受200kA的高電流沖擊和500C電荷量的傳輸。處于雷擊區域1的全碳纖維復合材料結構的防雷擊設計可在復合材料制件的外表面上鋪一層銅絲網，一次固化成制件，或將銅絲網用膠粘劑粘到復合材料制件的外表面上。銅絲網規格為：網孔數不小于20×40孔/ in2，銅絲直徑至少為0.14mm。

4.1.2位于雷擊區域2的全碳纖維復合材料機體的雷擊防護

用于雷擊區域2的復合材料雷擊防護層必須能經受100kA的高電流沖擊和傳輸200C的電荷量。處于掃掠雷擊的復合材料結構雷擊防護設計可采用在復合材料制件表面上粘一層銅絲網。銅絲網的規格為：網孔數不小于20×40孔/ in2，銅絲直徑至少為0.1mm，若有天線安裝的部位，為防止趨膚效應，銅絲直徑至少為0.14mm。

4.2全碳纖維復合材料整體油箱的雷擊防護

對于復合材料整體油箱，雷電防護設計是復合材料整體油箱設計中的關鍵技術之一。雷擊過程中的高電壓、大電流、大電量（持續高電流）對復合材料整體油箱危害極大。因此，在復合材料整體油箱設計之初，就應選擇雷電防護系統。

4.2.1全碳纖維復合材料整體油箱防雷擊設計的主要原則

1）復合材料整體油箱應布置在飛機遭受雷擊概率較小的區域，如雷擊區域2或3，盡量布置在3區。對機翼整體油箱來說，應布置在機翼的根部或中部；

2）在復合材料整體油箱的外表面應該為雷擊電流構建通道，這些通道應與飛機的雷擊電流傳輸通路有良好的電連接；

3）在油箱區，凡存在燃油、燃油蒸汽和空氣混合氣體的空間，不得因雷擊產生放電火花。

4.2.2全碳纖維復合材料整體油箱外部的雷電防護設計

由于復合材料整體油箱的上、下壁板是飛機機體結構表面的一部分，因此其雷電防護的設計思路及外表面雷電防護方法與復合材料機體的雷電防護相同。

4.2.3全碳纖維復合材料整體油箱內部的雷電防護設計

1）金屬緊固件尾部及連接細節雷電防護設計：當結構材料允許雷擊電流通過結構骨架傳導時，容易在緊固件尾部或緊固件與骨架連接處產生放電火花，為此需用密封膠覆蓋、用專用防護帽的方法或其他可靠的方法保證不產生放電火花；

2）復合材料緊固件：在滿足強度要求并能提供充足的緊固件品種規格和工藝保證的前提下使用?？杀苊鈱⒗讚綦娏鲗胗拖鋬炔浚瑥亩苊饣鸹ǖ某霈F；

3）油箱內的金屬構件：復合材料整體油箱內部應盡量避免有金屬構件。對于不可避免的金屬構件應通過搭接線與飛機金屬結構保證良好搭接，并要防止內部導體電暈和流光。

4）油箱內部的部件和結構設計應做到：當雷擊電流通過油箱時，不會在油箱內部產生任何可能點燃燃油蒸汽的火花。

4.3設備的雷電防護

對于設備，根據設備所執行的功能，要求設備廠商必須參照符合設備預期用途以及在飛機上安裝要求的試驗電平和波形對設備進行試驗，具體要求根據RTCA /DO 160F 第22章進行。

對于安裝在飛機外部的設備，還需要設備廠商進行雷電直接效應試驗，用于確定外部安裝設備耐受雷擊直接效應的能力，施加于外部安裝設備的試驗類型和嚴酷等級取決于設備指定的類別。指定的設備試驗類別應與設備安裝位置所在的雷電放電區域相符合，具體要求根據RTCA /DO 160F 第23章進行。

4.4雷電間接效應防護

飛機內電子電氣系統和部件（全機用電設備，包括發動機電氣、操縱系統等），可能會因為雷擊引起過電壓和過電流造成損壞或干擾的，要進行雷電間接效應防護。由于全碳纖維復合材料飛機的屏蔽能力比金屬飛機差，所以雷電間接效應的防護更加重要。

雷電間接效應通常以兩種形式出現：

1）雷電通過天線、空速管加溫線、航行燈導線、金屬操縱線系及各種金屬管路等，將雷電電流直接引入飛機，可能出現浪涌電壓；

2）沿著機體流動的雷電電流在飛機線路中、金屬操縱線系、各種金屬管路中產生的感應電壓和電流。

4.4.1明確設備防護的要求

關于電子電氣設備的雷電間接效應防護要求：

1）不得造成物理損壞；

2）不得產生立即危及飛機及其機組人員安全的干擾，或產生嚴重妨礙飛機任務完成的干擾。

系統和部件的雷電關鍵類別取決于其自身對飛機的重要性、所在的雷電分區以及雷電的敏感性。根據飛機的機體結構、蒙皮材料、電磁“窗口”大?。ㄈ缤獠糠墙饘賲^）設備的安裝部位、導線的布置、設備接口進行分析，確定瞬態控制等級（TCL）和設備瞬態設計等級（ETDL）。關鍵設備、分系統根據RTCA /DO 160F 第22章進行試驗。RTCA /DO 160F 第22章試驗波形等同SAE ARP5412A-2005的相關試驗波形。

4.4.2選擇設備的最佳安裝位置

設計過程中，盡量將電子設備布置在雷電產生的電磁場最弱的區域，采取的主要措施有：

1）電子設備盡量遠離門、窗、口蓋等開口處。對于安裝在駕駛艙、起落架艙、機翼前后緣、尾段等相對敞開區域的設備，采用金屬機箱屏蔽，對于含有數字電路和模擬電路的設備如靠近擋風板或窗口的，最好用壁厚大于1mm的鋁合金做成電磁屏蔽盒；

2）盡可能將電子設備布置為朝向飛機結構的中心，而不布置在飛機外蒙皮；

3）設備安裝的設備架上能為電子設備提供接地面且與飛機接地網有良好的搭接；

4）金屬線系和管路應有良好的搭接。

4.4.3選擇線路的最佳位置

電線、電纜應進行分類布設。

電纜敷設遠離門、窗、口蓋等開口處和曲率較小的結構或蒙皮。

線束盡可能靠近接地平面或結構件敷設，可利用成形的結構件作電纜槽，提供屏蔽。

盡可能使導于磁場強度較弱的結構角落，如避開突出的結構件頂部，盡可能敷設在“U”型件的內部。

當有機外未屏蔽或屏蔽效能不高區域的電線和電纜進入機身內部時，將機外所有電纜進行屏蔽保護，屏蔽層接地線應盡量短，并良好搭接，以避免遭受雷擊或外部強電磁輻射時電線和電纜上的感應電壓和電流損壞電線和電纜以及與電線和電纜連接的機內設備。

不要使燃油傳感器導線的走向與通氣管、導油管導向走向一致或平行。導線可以貼著蒙皮走，但應避免與雷擊電流流向一致。

在非金屬機翼蒙皮下的電纜，應根據導線的布設方向，用鋁箔材料或良導體金屬導線管，保護電纜導線。鋁箔材料或金屬導線管應和全機的接地網搭接，形成良好的電氣通路。

雷電流通過低導電率材料的蒙皮（如鈦、碳纖維）區域會產生電磁干擾，應遠離這些區域布設電纜。由于空間有限，可采用電氣隔離的方法：

1）可采用扭絞線作為電源線；

2）采用屏蔽電纜或屏蔽扭絞線，并將它們的兩端均搭接到全機的接地網上；

3）用瞬態抑制器，以保護電網的安全；

4）電氣設備和線束的安裝應滿足要求。

4.4.4選擇良好的接地

設備應根據要求選擇良好的搭接，并進行搭接電阻的檢查。

對全碳纖維復合材料飛機，全機設備進行良好的搭接顯得尤為重要，為方便設備的搭接，全機應構建統一的搭接網絡。

5結論

雷電對飛機的飛行安全影響較大，全碳纖維材料飛機的雷擊防護在飛機的研制過程中是非常重要的，對機體結構采用敷設銅網作為雷擊防護層是可行的。

參考文獻

[1]RTCA/DO-160F 機載設備環境條件和試驗程序.

[2]SAE ARP 5414A-2005 飛機雷電區域劃分.

[3]CCAR-23-R3 正常類、實用類、特技類和通勤類飛機適航規定.

篇(3)

碳纖維是一種力學性能優異的新材料，被譽為黑色黃金。它的比重不到鋼的1/4，碳纖維樹脂復合材料抗拉強度一般都在3500Mpa以上，是鋼的7~9倍，抗拉彈性模量為23000~43000Mpa亦高于鋼。碳纖維不僅自重輕、強度高、性能穩定，同時它易于產品設計，通過對纖維排列不同取向可以滿足不同的需求，是結構類應用首選材料。環氧樹脂形式多樣，應用方便，固化后尺寸穩定，收縮性低，具有優良的力學性能，耐酸堿。兩者結合后稱為碳纖維-環氧樹脂基復合材料，也就是碳素復合材料，成為當今新一代的材料之王，是各類運動器材的首選材料。

減重

自行車的功能從交通工具進入到騎行運動、休閑健身后，碳素復合材料作為首選材料完全能滿足騎行運動、休閑健身所需求的自重更輕，強度更高，騎行感覺更佳的訴求。實踐證明，以碳纖維復合材料替代鋼或鋁金屬材料，減重效率可達20%～30%，應用在自行車上，自重減輕30%，相當于增加有效騎行力45%以上。據專業測算，對一輛結構相同的自行車，若重量相差四磅（約合1.8公斤），同一運動員在兩公里的行程中，重的那輛要慢193英尺（約58.82米）。難怪業界人士常有自行車重量降低一克，賣價可提高一美元的說法。

高強

除了為自行車減重，碳纖維復合材料也大大提高了車身的整體剛度，增加安全性。碳纖維復合材料中基體是以連續相形式包圍著大量獨立存在的纖維，這種由多相組成的材料在受到沖撞時，即使有少量的纖維斷裂，其載荷會迅速重新分配到未破壞的纖維上，使結構還能承載原有的重量，大大提高了騎乘的安全性。而一般金屬材料的疲勞破壞是沒有明顯征兆的突發性破壞。研究表明，碳纖維復合材料車架耐沖撞試驗可達百萬次以上，遠遠超過了日本工業標準規定的十萬次標準。

減震

碳素材料的優勢還不止于此。碳素復合材料的應用還顯著改進了自行車的抗震性。剛度好的車架有利于驅動力的轉換，操縱性能的提高。碳纖維復合材料自行車結構堅固，不易變形，而且減震效果突出。據報道，對形狀與尺寸相同的車架進行試驗表明，鋁合金車架需要9秒才能停止振動，而碳纖維復合材料車架只需2.5秒就可停止，復合材料良好的阻尼性減輕了自行車的顛簸。不僅如此，和金屬相比，碳纖維制成的自行車還具有良好的耐銹蝕性。高分子材料的耐酸堿、工業大氣下性能良好，因此使用碳纖維樹脂基復合材料制成的自行車零部件有無可置疑的耐環境性能。

碳素纖維復合材料在自行車中的應用

碳素復合材料主要應用在車架及結構性部件上。車架是自行車的靈魂，一輛綜合性能卓越的自行車，必然有一個高性能的車架。碳素復合材料車架具有材料本身減重效應明顯，重量超輕，應用后將碳素復合材料的高模量、高強度發揮得淋漓盡致，能吸收地面的沖擊力，踩踏的反撥力快，幾乎沒有疲勞性等特點，是理想的自行車車架素材，成為運動競技自行車的最佳材料選項。雖然具有優異的性能，但是復合材料自行車的設計和制造也遠比一般金屬材料自行車要更為復雜。

碳纖車架，主要技術點在于應力方面的結構設計。結構工程師綜合模擬并測試車架各方向的受力情況后，科學地進行碳素復合材料的疊層的排列與設計，并結合車架管形的設計，傳動模擬，試驗驗證后最終能獲取科學數據，制造出高性能的車架。

在制作工藝上，需要首先將碳纖維與環氧樹脂結合后形成碳素復合材料的預浸材料。材料經裁剪、卷制、熱固化成型等工藝制成毛胚，再經打磨、拋光工藝才能最后制成成品車架。碳纖車架需求的多樣化與市場化，使得車架成型技術也經歷著不斷的優化創新，部件分體成型法、一體成型法、氣袋內壓成型法、硅膠內蕊成型法、真空外壓成型法、混合工藝成型法等都是較有代表性的制造工藝。

1974年，美國Apex Proto公司制造了一只薄壁不銹鋼接頭粘合的碳纖維復合材料自行車車架，1976年Exxon公司制造了石墨纖維和鋁復合的Graftek G-1車架。但由于研究、開發和銷售這些復合材料的車架費用巨大，無利可圖，最終只能停產。1980年，法國TVT工廠第一次出售了復合材料自行車車架。1986年CCI公司設計的復合材料車架Kestre14000由于設計獨特、造型新穎在業內產生了轟動。1987年，美國Treak公司推出Trek2500型復合材料車架獲得了市場成功。此后，Peugeot、Vi、R-aleigh等美國公司也積極開始了復合材料自行車的設計制造。日本、臺灣也都建立起了復合材料自行車生產線，達到年產五萬輛以上的規模。

近年來，日本、美國、西歐及中國臺灣利用對飛機部件的設計制造方法，分析了車架的應力承受情況，對受力較大的部位予以增強，更符合空氣動力學要求。用內部加壓注塑的方法制成的整體式碳纖維車架，整個自行車的重量可控制在7.5公斤左右，較管狀粘接的車架輕20%，而剛性與鉻鉬車架相當，可以避免粘接問題，擺脫了傳統的菱形車架模式，制造更趨于流線型、多樣化。通過在樹脂中添加適量染料，還可使產品表面更加艷麗。

除了車架，車輪是復合材料在自行車產品應用中的又一項成功。日本新日鐵公司開發的自行車后輪，設計為采用乙烯樹脂片材中加入芳酰胺纖維結構的碟輪。還有杜邦公司的三輻輪復合材料車輪，輻條也是用復合材料制作。輻條的外形采用前緣鈍，后緣薄，使車輪在運動時產生最大的空氣動力效果。輪緣部位設計為翼型，使輪緣作為前緣和后緣時都具有空氣動力的效果。這樣設計制造的復合材料空氣動力車輪不僅重量更輕，在速度、強度、剛性等測試中均較鋼絲車輪有更佳的表現。設計人員在設計中隊騎行者遇到的空氣阻力進行分析比較，在保持載荷的同時可以將比賽速度提高1-2km/h。

隨著自行車競技運動的發展以及綠色騎游文化的普及，碳素復合材料在競技自行車領域、高檔通行自行車領域應用呈現普及化，也帶動了技術、工藝、質量等方面的全面提升。碳素復合纖維輪胎、碳素復合纖維車把、碳素復合纖維輪轂、碳素復合纖維前叉、碳素復合纖維避震器，復合材料等組件可謂比比皆是。根據不同部件使用要求和特點開發的新型復合材料也呈爆炸式發展。相應的，復合材料的蓬勃發展也加快了自行車產品的技術革新，新材料制作的新產品如雨后春筍應運而生。德國Karbon Kinetic-sLtd.公司推出的復合材料自行車就是基于全球著名的工程熱塑性材料供應商沙伯基礎創新公司出品的LNP VertonRV00CE特種復合材料設計制造。該材料不僅被應用于自行車領域，在雪鞋等要求堅固耐用、質輕減震的運動用品中均有上佳表現。

市場前景

碳纖維材料在發明之初主要應用在以航空航天為首的國防軍工領域中，作為重要的國防戰略物資屬于技術密集型和政治敏感的關鍵材料。碳纖維不僅價格昂貴且技術保密，成為民用普及的瓶頸。目前世界碳纖維產量達到4萬噸／年以上，全世界主要是日本東麗、東邦人造絲和三菱人造絲三家公司，美國的HEXCEL、ZOLTEK、ALDILA三家公司，以及德國SGL西格里集團、韓國泰光產業和臺灣省的臺塑集團等少數單位掌握了碳纖維生產的核心技術，并且有規模化大生產。各大碳纖維生產公司在冷戰后除了擴大產能、研發新產品外，也都致力于降低碳纖維價格。據美國巖石山研究所對碳纖維作出的研究分析，只有當碳纖維價格降至每千克16.5美元以下才與鋼材相比具有競爭力。而目前日本東麗公司的T700價格較鋼材貴一倍還多。

競技體育更關注性能，是高新技術民用化的前哨戰和試驗場。目前所有的比賽用車，無論是山地車或是室內自行車都幾乎是碳素材料的天下，今年亮相的環法自行車賽比賽用車也都是清一色的碳素材料產品。但國外生產研制廠家在普及碳纖維自行車應用的同時，為增強企業的高科技形象，大多都是以發展碳纖維自行車的高檔化與新穎性方面為重點，很少考慮成本。以美國德耳塔運動公司2010年最新推出的碳纖維網格結構自行車為例。該車架充分利用了網格結構重量效率高、抗壓及抗彎曲性能好、耐損傷程度高大、易檢測與修補等優點。采用該結構制造出的輕便自行車只有2.5公斤，即使是180公斤的重量級男子坐在上面，自行車也可以輕松自如地前進。如果將車架用于折疊自行車，人們就可以輕松地拎著它上公交、擠地鐵了。產品結構新穎，應該很受消費者青睞。但該車的車架成本高達6995美元，整車則要11995美元，可以說自行車賣出了汽車價，根本不能進行批量生產。

盡管如此，碳纖維自行車市場隨著其影響力的不斷擴大仍有顯著增長。2000年以前，碳纖維自行車的年產量只有幾萬臺，基本上都是供專業或半專業人士使用。而到2010年，僅臺灣與中國大陸地區就生產了約三十萬臺?？梢哉f在這十年里，碳纖維自行車市場經歷了爆炸性的增長。而碳纖維自行車的價格也從神話般高價位走到一般大眾生活中。早期一輛碳纖維自行車售價數十萬元，現在隨著工藝成熟，材料市場進一步擴大，生產制造商不斷創新，降低成本，目前市場也已經出現了不足萬元的碳纖維自行車，讓大眾群體也可以享受到實惠。只有讓更多的消費者接受體會碳纖維自行車的好處，才能更快地推動碳纖維等新型材料在自行車上的應用。

全世界每年生產的自行車總量超過一億輛，而碳纖維自行車只有七十萬輛左右。性能如此優越的材料在自行車的生產總量中只占很低的比例。業內人士指出，隨著工藝和成本的優化，碳纖維自行車已經能夠逐步走進尋常百姓家，讓更多人享受綠色健康的騎行樂趣。

碳素復合材料的優勢

質輕堅固

可定向優化性能

可塑性強

為產品創新設計留有更大空間

碳素復合材料的弊端

價格較鋼鐵昂貴

制造工藝較復雜

接合、維護難度大

篇(4)

關鍵詞： 碳纖維增強復合材料； B基準值； 統計學分析； Matlab

中圖分類號： TP319 文獻標識碼： A 文章編號： 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

碳纖維復合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRP）是以樹脂為基體，碳纖維為增強體的復合材料，作為一種先進的復合材料具有高比強度、高比模量、抗疲勞性等優點，正是這些獨特的特性使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]。飛機在服役的過程中會遇到各種各樣極端情況，例如低溫、高溫、潮濕環境，這都會影響CFRP的性能[4?6]。航空工業一般采用B基準值來評價CFRP的性能。為了得到CFRP在這些環境下的B基準值，就需要進行大量的實驗；根據航空工業標準HB7618?2009《聚合基復合材料性能數據表達準則》提供的計算步驟 [7]， B基準值的計算方法比較繁瑣。因而面對大量的實驗數據如何高效準確地計算B基準值對于實驗人員來說是急需解決的問題?，F在對于B基準值計算方法仍然是借助Excel的手動計算為主，這種方式無疑計算耗時長，并且容易出錯，無法滿足快速處理大量實驗數據的要求。為了提高B基準值的計算效率，本文根據Matlab在矩陣運算、圖像處理和數值處理效率方面的優勢[8]，將B基準值的計算和Matlab相結合，利用其GUI（Graphical User Interface）模塊開發B基準值計算算法。

1 基準值計算原理

1.1 B基準值

為了保證材料的結構的可靠性和安全性，就需要用到一些高級的統計學方法來確定其合理的設計許用值，一般采用B基準值[7]。B基準值是建立在統計學上的衡量材料性能的參數，在95%的置信度下，90%性能數值群的值高于此值[9]。航空工業標準HB7618?2009關于B基準值的流程復雜，本文將著重從批次相容性檢驗、檢查異常數據、分布函數檢驗、離散系數修正與檢驗、B基準值計算及導出結果幾方面進行說明。

1.2 主要計算步驟

（1） 檢驗不同批次的實驗數據是否來自同一母體；檢驗方法是K樣本的Anderson ?Darling檢驗， 其統計公式如下[7]：

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

如果ADK小于錯判臨界值ADC（5%錯判風險），則不同批次的實驗數據來自不同母體。如果相容性檢驗不通過的，為了增加樣本數據來自同一母體的可能性，采用1%錯判風險繼續判斷是否來自同一母體。

（1） 檢查異常數據。采用最大賦范殘差的方法定量的檢查異常數據：

[MNR=maxxi-xs] （2）

（2） 分布函數檢驗。根據經驗威布爾計算的B基值過于保守，因此優先檢驗樣本數據是否符合正態分布，如果不符合正態分布，再依次檢驗樣本數據是否服從威布爾分布和對數正態分布。

（3） 離散系數修正與檢驗：當離散系數低于4%時，容易忽略材料差異、實驗方法等方面的實際差異性，因此要對離散系數進行修正[10]，修正方法為：

[x*i=xi-α（xi）Δ] （3）

離散系數修正結束后，對不同環境下的樣本數據進行離散系數檢驗，離散系數的檢驗公式為：

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

（4） 將不同環境下的數據歸一化，根據歸一化后的實驗數據的平均值和標準差計算B基準值。求出對應的折減系數，再與不同環境下樣本的平均值相乘，從而得到B基準值，折減系數的公式為：

[Bj=x-（kj）*s] （5）

2 程序實現

2.1 基準值算法的漸進流程圖和程序界面

圖1是根據航標HB7618?2009給出的計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、檢查異常數據、分布函數檢驗、離散系數修正與檢驗、B基準值計算及導出結果等功能。

圖1 B基準值算法的漸進流程圖

2.2 變量傳遞

B基準值的算法程序包含幾個不同的模塊（見圖1），而每一個模塊又包含了多個程序和子程序。為了實現變量在不同模塊和函數間進行傳遞，本文采用handles結構體和guidata函數來實現這個功能。在B基準值的算法程序界面中的所有控件使用同一個handles結構體，handles結構體中不僅保存了圖形窗口中所有對象的句柄，而且還可以獲取或設置某個對象的屬性。在程序的計算過程中需要將每一個模塊計算后的結果賦給handles結構體，以便于將這個變量傳遞到下一個計算模塊。而每次handles結構體添加了新的元素，guidata函數便會更新handles結構體，使handle結構體中的新添加元素可以傳遞到下一個模塊。guidata函數用法guidata（hObject，handles），其中，hObject是執行回調的控件對象的句柄，handle為結構體。handles結構體和guidata函數的用法如下所示：

function pushbutton13_Bvalue_Callback（hObject， eventdata， handles）

…

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

…

guidata（hObject，handles）

2.3 設置實驗環境

B基準值的算法界面程序首先要檢驗相同環境下不同批次的樣本數據是否來自同一母體。程序界面中包括四種實驗環境：低溫干態（CTD）、常溫干態（RTD）、高溫干態（ETD）、高溫濕態（ETW）， 為了避免母體檢驗的過程中不同環境下的樣本數據相互干擾，需要對程序界面中代表著不同實驗環境的復選框（Check Box）進行設置。當其中的一種環境的復選框處于選中狀態時，其他的三種環境的復選框需要設置成未選中狀態，這樣就可以避免相互干擾。下面是當CTD處于選中狀態，其他的三種實驗環境處于未選中狀態時的代碼：

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

當復選框處于選中狀態時，其Value值等于1；當復選框處于未選中狀態時，其Value值等于0。

2.4 分布函數檢驗

對于樣本數據的分布函數檢驗，本文采用Matlab本身的內置函數normplot（）和weibplot（）函數進行判斷。若樣本數據服從正態分布和威布爾分布，樣本數據點分布成一條直線，否則成一條曲線。至于樣本數據的對數正態分布檢驗，程序首先對樣本數據取對數將對數分布轉化為正態分布后，再用normplot（）函數檢驗是否服從正態分布。

在B基準值的計算過程中首先檢驗的是正態分布，可見樣本數據的正態分布對于B基準值計算的重要性。為了增加正態分布檢驗的準確性，本文除了采用normplot（）函數對樣本數據進行直觀的目視正態分布檢驗外，還借助函數H=jbtest（）對樣本數據進行進一步的正態分布檢驗。若H=0，則認X服從正態分布；若H=1，則否定X服從正態分布。對CTD環境下樣本數據進行正態分布檢驗的程序代碼如下，檢測結果如圖2所示。

…

normplot（handles.tdata（：））； %正態分布概率圖

handles.H=jbtest（handles.tdata（：））； %擬合優度檢驗

…

圖2 CTD環境下樣本數據進行正態分布檢驗圖

圖2中CTD環境下的樣本數據點分布大致成一條直線，并且檢驗結果H=0，表示接受正態分布假設?？梢奀TD樣本數據服從正態分布。

2.5 生成實驗報告

面對大量的實驗數據，書寫報告往往是重復性勞動工作，此時可以利用Matlab生成一表格模板，每次自動導入數據生成報告，這就可以節約大量的時間。Matlab作為一種面向對象的語言，它支持COM技術，利用它的COM編譯器可以把Matlab開發的程序轉換成方便使用的COM組件。而ActiveX控件技術是建立在COM技術之上，由微軟公司推出的共享程序數據和功能的技術。因此，Matlab可以利用ActiveX控件技術，在Matlab中調用Microsoft Word 程序插入表格，此時的Word是組件，是服務程序，而Matlab是控制器程序。下面是生成報告的部分程序代碼：

…

try

Word = actxGetRunningServer（′Word.Application′）；

%若Word服務器已經打開，返回其句柄Word

catch

Word = actxserver（′Word.Application′）；

%創建一個Microsoft Word服務器，返回句柄Word

…

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

%插入一個21行5列的表格

…

Document.Save %保存文檔3 計算實例

本文根據航標HB7618?2009提供的范例數據來詳細說明B基準值的計算流程，并驗證程序界面計算的可靠性，如圖3所示。范例包含了所有實驗環境下的樣本數據，見表1。

圖3 B基準值程序界面

（1） 通過Anderson?Darling方法檢驗不同環境下的不同批次的實驗數據是否來自同一母體（依次勾選對應的實驗環境），檢驗后發現ETW（高溫濕態）環境下的三批樣本數據的ADK大于臨界值（ADK=2.258 2>ADC=1.917 4），可見該環境下三批數據來自不同母體，如圖4（a）所示。如果放大為1%錯判風險下， ADK小于臨界值（ADK=2.258 2

（2） 相容性檢驗檢驗結束后，根據公式（2）計算每一試樣的MNR值（單擊異常數據檢查），如果MNR值大于臨界值，那么就可以判斷該試樣為異常值。對于能夠反映材料、工藝參數和實驗環境的差異性的異常數據需要保留。而當異常數據是由不合格的試樣、實驗設備和夾具的缺陷造成時，異常數據要刪除（單擊刪除異常數據，見圖3），否則就會導致統計結果的失真。

圖4 母體檢驗

（3） 對不同環境下實驗數據進行正態分布假設檢驗，如果不符合正態分布再依次檢驗是否服從威布爾分布和對數正態分布。

（4） 檢驗相同環境下樣本數據的離散系數是否小于4%（單擊離散系數）。由于較低的離散系數容易忽略材料和實驗方法等方面的差異性，因此對于小于4%的情況，程序會根據式（3）將離散系數修正為4%。修正后的數據平均值保持不變，原來小于平均值的數據變得更小，原來大于平均值的數據變得更大（見圖5）。然后，再檢查不同環境下離散系數是否相等，根據公式（4）計算F值小于臨界值（F=2.38

圖5 離散系數修正圖

（5） 合并不同環境下的實驗數據再一次進行正態分布檢驗（勾選合并，見圖3）。在第（3）步中已經驗證每種環境下的實驗數據的是否符合正態分布，如圖6（a）所示，由圖6（b）可見合并后的實驗數據依然符合正態分布。然后，用每種環境下的樣本均值對數據進行歸一化，求出歸一化后合并數據的平均值、標準差和離散系數見表1。

根據公式（5）可以求出相應的環境下的折減系數Bj，并與不同環境下的樣本數據平均值相乘，從而獲得B基準值。

圖6 數據的正態分布檢驗

為了驗證程序的可靠性，采用標準中提供的范例中的計算結果進行對比說明。表2中列出了在四種不同實驗環境下的程序計算結果和航標HB7618?2009提供的結果。從表中的數據對比可以發現誤差在+0.3%以內，誤差主要由容限系數和折減系數的近似計算造成?？梢姵绦蛴嬎愕慕Y果符合工程精度（誤差±5%）的要求，此外相比于借助Excel的手動計算法方法，效率顯著提高。

4 結 語

本文根據航空工業標準HB7618?2009給出的B基準值的計算步驟，將Matlab的GUI模塊與B基準值的計算相結合開發出B基準值的計算程序。相比于借助Excle的手動計算方法，該程序界面具有以下優點：

（1） 程序可以判斷樣本是否來自同一母體，還具有異常數據處理、統計分布檢驗、離散系數檢驗與修正等功能，最后實驗結果以Word格式導出。

（2） 使用該程序進行B基準值的計算方便快捷、效率高，并且具有良好的人機界面，顯著提高了B基準值的計算效率。

表2 不同環境下計算結果對比

參考文獻

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[2] 李威，郭權鋒.碳纖維復合材料在航天領域的應用[J].中國光學，2011，4（3）：201?212.

[3] 陳紹杰.復合材料設計手冊[M].北京：航空工業出版社，1990.

[4] 劉建華，曹東，張曉云，等.樹脂基復合材料T300/5405的吸濕性能及濕熱環境對力學性能的影響[J].航空材料學報，2010，30（4）：75?80.

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[8] 陳子為.基于 Matlab GUI 掃雷游戲的設計與實現[J].現代電子技術，2009，32（24）：85?88.

篇(5)

關鍵詞：粉末冶金 碳纖維銅基復合材料 摩擦性能 強度 電導率

引 言

隨著現代科學技術的迅速發展，特別是航天航空技術的發展以及微電子工業的發展，對材料提出了日益增高的性能要求。如在宇航的動力構件中，必須用比強度，比模量高的材料制造；又如宇航飛行器在溫度變化很大的環境中工作等，這些都給構件材料提出了更高的性能要求。而單一金屬材料已很難滿足這些要求，因此，人們越來越多地借助于復合材料來克服單一材料性能上的局限性，獲得各種特殊的綜合性能。

碳纖維增強銅基復合材料兼顧碳纖維和銅基體材料的性能而成為更為優異的工程結構材料和具有特殊性能的功能材料。由于具有高溫性能好，比強度高，比模量高，導電、導熱性能好，橫向力學性能，層間剪切強度高，不吸濕、不老化等優點，使得此類材料已成為當今材料界研究的熱點之一。

Cf-Cu復合材料的制備工藝主要有熱壓固結法、粉末冶金法、擠壓鑄造法、液態金屬浸漬法、真空壓力浸漬法等，為了獲得更高的熱導率及較好的減摩、耐磨性能，本文采用粉末冶金法制備Cf-Cu復合材料。該類材料由于具有摩擦磨損性能好，比強度高，熱導率高等優點，在減摩、耐磨材料中應用非常廣泛。文中主要工作是研究Cf-Cu復合材料在電鍍銅和電鍍鎳的情況下，添加劑鈦粉對它的摩擦性能、強度及電導率的影響。

1、實驗部分

1.1 實驗原料

碳纖維（吉林碳素廠生產的PAN碳纖維）、銅粉（國藥集團化學試劑有限公司生產）、鈦粉、鎳

1.2 實驗設備

SXZ-10-12型箱式電阻爐、摩擦機

1.3 實驗方法

1.3.1 Cf-Cu復合材料的制備

為了克服碳纖維和銅化學相容性差及二者不潤濕也不反應的缺點，使得銅與碳纖維之間的界面結合力更強，首先在碳纖維表面鍍銅處理，以增強碳纖維與銅基體的復合，再將經過電鍍銅處理的碳纖維切割成短碳纖維，隨后與銅粉按一定質量比均勻混合，壓制成型，最后將坯體放入上海實驗電爐廠生產的SXZ-10-12型號箱式電阻爐中處于真空狀態下進行燒結，得到Cf-Cu復合材料。

1.3.2摩擦性能的測試

把壓制好的柱狀試樣安放在摩擦機上并用螺釘固定，先進行干磨，每個試樣磨5次，每次磨的時間為半個小時，磨完后把試樣取出用洗衣粉清洗干凈，然后再用純水清洗，隨后放入裝滿酒精的燒杯中浸泡5分鐘取出，用純水沖洗干凈完后放入烘干箱中烘烤10分鐘，最后取出讓它空冷后，放入電子光學天平（型號MP100010最小精度為0.0001g）中稱量出干磨完后的質量。干磨示意圖如圖1所示。

把所有試樣干磨完成后進行濕磨這樣可以最大限度的減少誤差，濕磨即在轉輪下面放一盆機油，實驗過程與干磨一樣。濕磨示意圖如圖2所示。

1.3.3強度的測量

本次試驗主要測量碳纖維增強銅基復合材料的抗彎強度（即撓度），試驗方法采用三點彎曲法測量，由于試樣是圓柱體形，體積較大，不容易直接在試樣上測量其強度，所以首先在試樣上切下一小塊，再利用XQ-2型金相試樣鑲嵌機鑲嵌好試樣小塊，將其磨成長15mm，寬8mm，厚3mm的長條狀，最后放在自制測量設備上彎曲，記錄螺釘往下擰的深度（即撓度值）。三點彎曲法測量強度原理圖如圖3所示。

1.3.4電阻率的測量

采用惠根斯電橋法測量電阻R（Ω），再由公式：R=ρ×L/S，可求得電阻率ρ=R×S/L，再由公式G=1/ρ，可求得電導率G。測量電阻時先將試樣切下一小片，利用XQ-2型金相試樣鑲嵌機鑲嵌好試樣小片，把小片磨成厚度0.5mm，再采用線切割切下小片中間一小條（寬度1mm），這樣制好的電阻樣條就相當于一個小電阻。

2、實驗結果討論

2.1 添加劑鈦對電鍍Ni和電鍍Cu處理的Cf-Cu復合材料的摩擦性能影響

以下曲線圖分別是Cf-Cu復合材料在電鍍Ni和電鍍Cu的情況下，磨制時間（h）與磨損量（g）的關系曲線：

根據圖4、圖5可知，添加劑鈦對電鍍Ni處理的Cf-Cu復合材料在干磨時，坯體的重量在減輕，濕磨時，坯體的重量在增加，并且隨著鈦粉的加入，Cf-Cu復合材料的摩擦性能也在增強，從曲線圖還可看出濕磨時，加入了添加劑鈦粉的坯體的重量增加幅度較大。理論分析：a.在干磨時磨損了表面一層金屬，使得重量下降，濕磨時雖然也會磨損，但由于坯體表面有裂痕，使得一部分機油會浸入坯體導致它的重量會隨磨制時間延長而增加；b.添加了鈦粉會促進銅基體與碳纖維的潤濕，它可以使復合材料在燒結過程中由于擴散作用電子定向遷移的阻力減?。籧.鈦的加入在摩擦面上容易形成碳纖維膜，使磨損量減小。

根據圖6、圖7可知，鈦粉對電鍍Cu處理的Cf-Cu復合材料在干磨時重量在減小，濕磨時重量在增加，但增加的幅度很小。當加入添加劑鈦粉時，從圖7還可看出，坯體的重量增加的較大。理論分析：a.在干磨時磨損了表面一層金屬，使得重量下降，濕磨時雖然也會磨損，但由于坯體表面有裂痕，使得一部分機油會浸入坯體導致它的重量會隨磨制時間而增加；b.添加鈦元素是促進銅基體與碳纖維潤濕的有效途徑，它可以使復合材料在燒結過程中由于擴散作用電子定向遷移的阻力減小；c.鈦元素在摩擦面上容易形成碳纖維膜，使磨損量減?。籨.碳纖維具有耐磨損，熱膨脹系數小，自和吸能抗震等一系列優點。

2.2 添加劑鈦對電鍍Ni和電鍍Cu處理的Cf-Cu復合材料的強度性能影響

以下曲線圖分別是Cf-Cu復合材料在電鍍Ni和電鍍Cu的情況下，碳纖維含量（%）與其強度（Mpa）的關系曲線：

從圖8、9看出，1）在一定范圍內不管是鍍鎳還是鍍銅處理的Cf-Cu復合材料，無論是添加鈦粉還是不添加，它們的強度均隨碳纖維含量的增加而增大；2）在鍍鎳處理的Cf-Cu復合材料中加入添加劑鈦時，強度要比沒有加鈦時小，而在鍍銅處理的Cf-Cu復合材料中相反。理論分析：a.碳纖維銅復合材料界面是一種以機械結合為主的物理結合，這種結合的界面結合強度低，但是在復合材料中鍍鎳或者鍍銅處理，會使界面形成C-Ni或C-Cu互擴散結合特性。導致復合材料的強度增加；b.在電鍍銅處理的Cf-Cu復合材料中鈦元素與銅之間的潤濕性更好。

2.3添加劑鈦對電鍍Ni和電鍍Cu處理的Cf-Cu復合材料的電導率的影響

以下曲線圖分別是Cf-Cu復合材料在電鍍Ni和電鍍Cu的情況下，材料中碳纖維含量（%）與其電阻率（歐米）的關系曲線：

從圖10、11可以看出，1）無論是鍍鎳還是鍍銅處理的Cf-Cu復合材料的電阻率均隨碳纖維含量的增加而增大。2）在碳纖維含量相同的條件下，不管在鍍鎳還是鍍銅處理的Cf-Cu復合材料中加入添加劑鈦，復合材料的電阻率會減小。理論分析：1）在碳纖維銅復合材料中加入鎳或銅元素時，一方面鎳（銅）是金屬元素，金屬鎳（銅）元素電離出自由電子導致自由電子密度的增加。另一方面復合材料的幾何界面減少，對自由電子的散射減少。使得復合材料的電阻率增加。2）當加入鈦粉時，鈦元素會在鍍層界面上對鍍層金屬電離出來的電子的散射起促進作用，導致復合材料的電阻率減小。

3、結論

（1）加入添加劑Ti粉后，碳纖維銅復合材料的摩擦性能增強。

篇(6)

關鍵詞： 復合材料 碳纖維 混凝土結構加固 疲勞壽命

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

中圖分類號：TU37文獻標識碼：A 文章編號：

在對濟廣高速高架橋的檢測中發現該橋存在較多病害，上部結構梁底出現了較多裂縫。經山東省交通規劃設計院、山東高速檢測咨詢中心等有關部門現場查看，確定對預應力混凝土連續板、鋼筋混凝土連續剛構、預應力混凝土等截面連續剛構出現的裂縫進行封閉處理并粘貼碳纖維，提高其抗彎承載力。

1 碳纖維材料在橋梁加固中的應用

對于混凝土橋梁的抗彎加固，目前常用的方法有增大截面加固、粘貼鋼板加固、體外預應力加固、粘貼纖維復合材料加固等。這些加固方法各有優點，同時也有不足之處。加大截面加固能有效提高結構的剛度和承載力，但施工周期長，增加結構自重，減小橋下使用空間；粘貼鋼板加固對結構剛度提高明顯，但鋼板具有容易腐蝕耐久性差的缺點，且使用的結構膠往往因老化產生粘結破壞；體外預應力加固對剛度和承載能力提高明顯，但錨固端受力很大不容易控制，且施工繁瑣，加固成本較高。粘貼纖維復合材料加固，即采用粘結劑將碳纖維片材附著于結構損傷的表面，使一部分荷載透過膠層傳遞到碳纖維片材上，從而降低受損結構處的應力作用，進而控制裂紋擴展速率以達到制止裂縫擴展的作用，最終使結構使用周期得以延續。纖維材料由于自重輕，抗拉強度高，抗腐蝕能力強，提高最大承載力明顯，但對剛度提高不大。

在粘貼鋼板和粘貼碳纖維布橋梁加固中，我們通過對碳纖維復合材料和鋼筋進行比較可看出兩者的優劣。碳纖維復合材料初始缺陷損傷尺寸比金屬材料大，例如纖維斷開、基體開裂、纖維與基體脫膠、層間局部脫離等，但疲勞壽命比金屬長，同時碳纖維復合材料疲勞損傷是累積的，而且有明顯的征兆，金屬材料損傷累積是隱蔽的，破壞有突發性。金屬材料在交變載荷作用下往往出現一條疲勞主裂紋，它控制最后的疲勞破壞。而碳纖維復合材料往往在高應力區出現較大范圍的損傷，疲勞破壞很少由單一的裂紋控制?？偟膩碚f，碳纖維復合材料抗疲勞破壞的性能比金屬材料好很多。

2 疲勞特性

2.1碳纖維布加固混凝土梁后，在疲勞荷載作用下，碳纖維布能夠明顯降低加固梁中的箍筋應變。對于完好加固梁，粘貼碳纖維布后，箍筋應變減少達到40%-50%；對于損傷的加固梁，箍筋應變減少達到20%-40%。

2.2隨著疲勞次數的增加，碳纖維應變不斷增大，且單纖維布用量越大，其應變越小。粘貼40mm碳纖維布加固梁相對于粘貼20mm碳纖維布加固梁，碳纖維應變減少10%-40%。

2.3碳纖維和箍筋應變均在疲勞前10萬次增長較快，幾乎達到應變的70%-90%，其后增長趨于穩定，這與疲勞損傷的一般規律是一致的。

2.4在疲勞荷載作用下，碳纖維布能夠限制斜裂縫的發展，增強結構疲勞抗剪能力。

2.5碳纖維布加固鋼筋混凝土梁后，在受荷過程中相互作用，各材料應力相互調整，各材料相互作用和應力的相互調整將直接影響碳纖維布在不同受荷階段的發揮水平。

3 碳纖維疲勞損傷機理

單向復合材料正鈾拉伸疲勞時，基體內首先形成橫向裂紋，當局部纖維斷裂時形成裂紋擴展、界面脫膠、由纖維損傷引起基體裂紋增長和纖維橋聯．也可形成它們的組合情況。圖1和圖2分別表示單向復合材料正軸拉伸疲勞基體損傷和纖維損傷的幾種型式。單向復合材料正軸拉—拉疲勞纖維斷裂的情況如圖3所示。

圖1單向復合材料正軸拉伸疲勞基體損傷

（a）分散裂紋限于基體內 （b）局部纖維斷裂，裂紋擴展，界面破壞

圖2單向復合材料正軸拉伸疲勞纖維損傷

（a）纖維斷裂引起界面脫膠（b）纖維斷裂引起基體裂紋增加

（c）纖維橋聯基體裂紋

圖3單向復合材料正軸拉伸疲勞纖維斷裂

4碳纖維疲勞壽命預測

疲勞壽命預測有三種理論模型：

4.1疲勞裂紋擴展速率線彈性斷裂力學認為決定疲勞裂紋擴展的是應力強度因子的幅值 ，Paris由此得出下列公式

其中 為疲分裂紋擴展速率，C為材料常數，n為擴展指數。

此公式是針對金屬材料疲勞裂紋擴展的，它對復合材料基體(樹脂等)和短纖維復合材料也適用，但是對于其它連續纖維增強復合材料．預制了裂紋的試件在疲勞過程中并不以主裂紋擴展而是以損傷區擴展而發生破壞。對于無預制裂紋的試件更是以損傷形式擴展，因此，用疲勞裂紋擴展的方法預估壽命是困難的。

4.2 累積損傷理論Miner從數學上定義，材料在應力水平 下的疲勞壽命為N周，當在此應力水平下受載n周時，材料損傷為D=n/N,顯然 時材料破壞。在變化幅值應力作用下，Miner的線性累積損傷理淪認為，當

時材料發生破壞，式中表示在第i個應力水平 作用的應力循環周數， 為該應力水平下疲勞壽命周數， 表示對整個過程中所有 水平對應的周數求和。如已經測得材料的S-N曲線以及載荷譜，則可預測何時發生破壞。某些實驗表明復合材料不完全遵守這一規律，當應力由低變到高時， 往往小于1；而應力由高變低時， 常在大于1時發生破壞，因此有人提出非線性累積損傷理論， 等加以修正。

4.3 剩余強度理論由式 可知，材料損傷隨疲勞周數增加而發展，材料內在缺陷發展而破壞，它取決于載荷和環境等外因。此外，結構破壞的臨界荷載隨裂紋長度和損傷D增大而降低。剩余強度理論認為:在外在交變載荷作用下由于損傷D增大,材料強度由其靜強度R(0)下降到剩余強度R(n),一旦外加載荷峰值 達到R(n)，材料便發生破壞。利用此理論預測疲勞壽命，還需了解損傷D的演變規律及剩余強度與損傷的關系，目前這一理論尚在進—步研究中。

總之由于復合材料的復雜性和性能的分散性，其疲勞問題受多種因素影響也非常復雜，本文列出的計算分析方法還有待實踐修正，需繼續總結研究。

參考：1、《混凝土加固設計規范》GB50367-2006

2、《碳纖維片材加固混凝土結構技術規程》【S】CECS146：2003

篇(7)

關鍵詞：環氧樹脂；預浸料；風電葉片；復合材料

中圖分類號：TQ342 文獻標識碼：A

隨著風力發電設備的大型化，對材料的強度和剛度等性能提出了更加苛刻的要求，要滿足大型葉片對材料的要求，國外風電葉片生產商已著手在大型葉片的制造過程中使用碳纖維。隨著風電技術的發展，碳纖維在風電行業中的應用將使風力發電的綜合成本逐漸減低，使用碳纖維復合材料制造大型葉片將是未來必然的發展趨勢。常用的復合材料風電葉片的制造工藝有濕法成型、預浸料成型、真空灌注成型等方法。對于制造相同WM級的風電葉片，預浸料呈現最佳的性能。國外碳纖維預浸料在風機葉片上的應用方面已日趨成熟。在這項技術上走在世界前列的仍然是幾個老牌的風電大國包括德國、丹麥和美國等。目前，國內碳纖維在風電葉片上的應用剛剛起步，但是均采用進口碳纖維預浸料，國產碳纖維預浸料在風電葉片上的應用處于空白。本試驗根據市場需要，研制一種適用于真空低壓成型的國產碳纖維預浸料，應用于大型風電葉片。

1.實驗部分

1.1 主要材料與試劑

雙酚A型環氧樹脂單體A、B：純度>99%（HPLC測試）；固化劑組分：中航復合材料有限公司自制；觸變劑：中航復合材料有限公司自制；ZT6F碳纖維：T700級12K碳纖維，中簡科技有限公司。

1.2 樹脂及復合材料的制備

稱取一定量的環氧樹脂單體A、B，加熱熔融，加入觸變劑，高速攪拌；降至一定溫度，加入固化劑組分，機械攪拌均勻即得LTC80環氧樹脂基體。將LTC80樹脂和增強材料（ZT6F碳纖維），通過熱熔法制備預浸料，利用真空袋成型，即可制得ZT6F/LTC80樹脂基復合材料。

1.3 測試與表征

樹脂的DSC分析：NETZSCH DSC 204 F1示差掃描量熱分析儀，升溫速率：5℃/min；樹脂流變性能：GEMINI200型流變分析儀，測試條件：加載頻率：1Hz，加載應力：10MPa，試樣厚度：200um，升溫速率：3℃/min；樹脂DMA：NETZSCH DMA 242C動態熱機械分析儀，升溫速率：5℃/min。

復合材料力學性能的測試：按ASTM標準進行測試。

2.結果與討論

2.1 LTC80樹脂性能

2.1.1 樹脂DSC曲線

從圖1可以看出樹脂體系的反應溫度在134℃，反應起始溫度在125℃符合風電葉片用樹脂體系的固化要求。在實際使用中，樹脂體系的在100℃下固化3h，即可實現完全固化。

2.1.2 樹脂耐溫性能

從圖2可以看出，樹脂固化后玻璃化轉變溫度Tg達到136.9℃，具有較高的耐熱性。

雖然使用低成本的雙酚A型環氧樹脂，但是由于自制固化劑組分的高效，使得樹脂固化完全，使得樹脂體系具有高的耐熱性。

2.1.3 樹脂流變性能

由圖3樹脂的流變曲線可以看出，隨著溫度的上升，受溫度影響樹脂黏度逐漸降低，隨著溫度的繼續上升，樹脂開始發生固化反應，樹脂黏度逐漸增加，至114℃以上，樹脂固化反應加快，很快達到凝膠階段，樹脂的黏度迅速增加，樹脂固化。這種動態的流變特性使得樹脂易于制備大厚度預浸料；且樹脂在固化時具有較低的黏度，同時由于觸變劑的加入，使得樹脂適用于真空低壓固化工藝，具有較好的工藝性。

2.2 復合材料性能

2.2.1 熱熔法制備預浸料

LTC80樹脂體系的流變特性，使其適用于熱熔法制備預浸料，并適用于低壓成型。

風電葉片用預浸料為了降低鋪貼成本，通常采用高面密度，這就給樹脂充分浸潤纖維帶來了考驗，LTC80樹脂的流變特性恰好解決了這個問題，在樹脂流動的動態過程中，觸變劑的增稠作用處于失效狀態，因此樹脂能充分流動。而在制備過程中，設備溫度和壓力的合理控制，不會出現樹脂積淤的現象，使得預浸料不會出現貧膠區域，保證了預浸料性能的穩定。

ZT6F/LTC80預浸料預浸料的制備采用二步熱熔法，見表1。

2.2.2 ZT6F/LTC80復合材料性能

表2所示的結果是ZT6F/LTC80復合材料力學性能。從表中結果可以看出，復合材料具有優良的力學性能。

結論

以低成本雙酚A型環氧樹脂為主要原料合成的LTC80樹脂具有適宜的流變特性，將其和國產T700級碳纖維ZT6F復合制備熱熔法預浸料。國產ZT6F/LTC80碳纖維預浸料具有優良的力學性能，已成功應用于制備大型風機葉片，并通過靜力試驗。

參考文獻

[1]牟書香，陳淳.碳纖維復合材料在風電葉片中的應用[J].新材料產業，2012（2）：25-29.