碳纤维及其应用范文第1篇
关键词: 梁板结构 加固 碳纤维
引言
碳纤维布加固修补结构技术是一种新型的结构加固技术,它是利用树脂类粘结材料将碳纤维布粘贴于混凝土表面, 以达到对结构及构件加固补强的目的。碳纤维材料(CFRP)用于混凝土结构加固修建筑工程管理论文补的研究始于上世纪 80 年代美、日等发达国家, 我国起步较晚, 在 20 世纪 90 年代后期国内才开始碳纤维加固技术的研究与应用, 并且已经取得了一定的成果, 在工程中得到日益广泛的应用。
1. 梁、板承载力不足的原因及加固目的
1.1 梁、板承载力不足的原因( 1) 由于施工过程中混凝土强度达不到设计要求, 或因钢筋少配、误配而引起梁、板等受弯构件承载力不足。( 2) 在设计方面引起梁、板等受弯构件承载力不足最主要的原因是计算简图与梁、板实际受力情况不符合, 或者荷载漏算、少算。( 3) 使用过程中严重超载也会导致梁板承载力不足。( 4) 其他原因:地基的不均匀沉降, 使梁中产生附加应力; 采用了不成熟的构件; 构件形式带来的影响。例如, 采用薄腹梁虽有不少优点, 但是有一定数量的薄腹梁产生较严重的斜裂缝; 构件耐久性不足导致钢筋严重锈蚀甚至锈断, 严重影响承载力。引起承载力不足的原因, 除上述例举外, 还有钢筋锚固不足、搭接长度不够、焊接不牢以及荷载的突然作用等等。
1.2 补强加固的目的(1)提高结构、构件的强度; (2)提高结构、构件的稳定性; (3)提高结构、构件的刚度; (4)提高结构、构件的耐久性。
2. 混凝土加固结构的受力特性
对已建的结构进行加固, 其受力性能与一般未经加固的普通结构有较大的差异。首先, 加固结构属于二次受力结构, 加固前原结构已有载荷作用受力(即第一次受力), 原结构存在一定的压缩(或弯曲)变形, 同时原结构混凝土基本已经完成收缩变形; 而加固一般是在未卸荷下进行的, 新加部分在新增荷载时, 即第二次加载下, 才开始受力, 导致新加部分的应力、应变滞后于原结构的应力、应变。因此, 新、旧结构不能同时达到应力峰值, 破坏时, 新加部分可能达不到自身的极限状态。其次, 加固结构新、旧两部分存在整体工作问题, 整体工作的关键在于结合面能否有效地传递剪力。由于加固结构有上述的受力特征, 决定了其计算方法和构造处理以及施工要求, 不同于普通混凝土结构。
3. 碳纤维加固
3.1 适用范围( 1) 适用于各种结构类型、各种结构部位的加固修补, 如梁、板、柱、屋架、桥墩、桥梁、筒体、壳体等结构。( 2) 基层混凝土的强度等级不低于 C15。
3.2 工艺流程工艺流程: 表面处理→卸荷→涂底胶→找平→涂面胶→粘贴→粉刷保护。
3.3 粘贴碳纤维片材进行受弯加固的破坏形态粘贴碳纤维片材进行受弯加固的破坏形态主要有以下几种:( 1) 受拉钢筋先达到屈服, 然后受压区混凝土压坏, 此时碳纤维片材尚未达到其容许拉应变;( 2)受拉钢筋先达到屈服, 碳纤维片材已超过其容许拉应变, 并达到极限拉应建筑工程管理论文变而拉断, 此时受压区混凝土尚未压坏;( 3)由于碳纤维片材的加固量过大, 在受拉钢筋达到屈服前, 受压区混凝土已首先压坏;( 4) 在达到正截面承载力前, 碳纤维片材与混凝土基面已产生剥离破坏。
3.4 碳纤维加固特点碳纤维加固是利用碳纤维布和结构胶对构件进行加固处理, 具有以下特点:
( 1) 抗拉强度高, 是Ⅱ级钢筋的 10 倍以上。( 2) 轻质、柔软、易粘贴、质量易于保证, 不增加结构自重及截面尺寸。加固时不需螺栓、铆钉固定, 对结构扰动小, 可更好保护结构整体性。( 3) 广泛应用于桥梁和建筑加固, 特别适用于各类曲面结构。适用面广, 质量易保证。( 4) 耐久性好,耐酸、碱、盐及大气环境腐蚀,耐持久性能佳。( 5) 可提高柱延性( 抗震能力) 2 至 4倍, 提高梁、板的抗弯能力 30%～100%,增强梁、柱抗剪能力 30%～80%, 提高柱、墙承压能力 20%～50%。( 6) 加固修补后,基本不增加原结构自重及原构件尺寸。( 7) 施工便捷, 工效高, 没有湿作业,不需现场固定设施, 施工占用场地少。
3.5 一般构造要求( 1) 当碳纤维布沿其纤维方向需绕构件转角处粘贴时, 转角处构件外表面的曲率半径应不小于 20mm。( 2) 碳纤维布沿纤维受力方向的搭接长度应不小于100mm。当采用多条或多层碳纤维布加固时,各条或各层之间的搭接位置宜相互错开。( 3) 为保证碳纤维可靠地与混凝土共同工作,必要时应采取附加锚固措施。
3.6 施工安全及注意事项(1)碳纤维片材为导电材料, 使用碳纤维片材时应尽量远离电气设备及电源。( 2) 使用中应避免碳纤维片材的弯折。(3)碳纤维片材配套树脂的原料应密封储存, 远离火源, 避免阳光直接照射。
( 4) 树脂的配制和使用场所, 应保持通风良好。(5)现场施工人员应根据使用树脂材料采取相应的劳动保护措施。
4. 结语
碳纤维加固技术对于混凝土结构及构件的补强加固效果十分理想,在基本不增大梁的截面尺寸及自重的前提下,该技术在施工工期、材料耐久性、施工质量等方面均达到了业主的要求,其综合经济效益和社会效益良好,具有较大的推广使用价值。
参考文献:
[1] 吕西林. 建筑结构加固设计[M].北京:科学出版社,1997.
[2] 卓尚木,季直仓,卓昌志. 钢筋混凝土结构事故分析与加固[M]. 北京:中国建筑工业出版社,2001.
碳纤维及其应用范文第2篇
摘要：
1. 碳纤维复合材料是航空、汽车、运动器材等众多领域广泛应用的材料之一。由于具有优异性能。碳纤维单向布与配套树脂材料已是加固钢筋混凝土结构的新材料、新工艺。本文简单介绍了钢筋混凝土有限元分析的研究现状，碳纤维加固混凝土技术的发展概况，讨论了混凝土材料的弹塑性本构关系，介绍了常见的可以用来模拟混凝土的几种模型。 2.在确定有限元模型的基础上，详细介绍了ANSYS中专门用于模拟混凝土或钢筋棍凝土结构的Solid65单元以及钢筋单元LINK8 。
3.在对钢筋混凝土梁的有限元分析中，通过对碳纤维布的添加和消去，用ANSYS进行模拟并对试验结果进行比较，验证碳纤维对混凝土的加固作用。 关键词：混凝土 加固 有限元
Carbon fiber reinforcement concrete ball plasticity analysis Abstract：
1. The carbon fiber is compound with the aviation, the automobile，the movement equipment and so on one of multitudinous domain widespread application materials. Because has the outstanding performance. The carbon fiber unidirectional cloth and the necessary resin material already were reinforces the reinforced concrete structure the new material, the new craft. This article simply introduced the present situation of the reinforced concrete finite element analysis research, the carbon fiber reinforcement concrete technology development survey; discussed the coagulation of the material ball plasticity and the construction relations. Introduced several kinds of common useful models to simulate the concrete.
2. In the determination finite element, in the model foundation, in detail introduced in ANSYS specially uses in to simulate the concrete or the steel bar stick congeals the texture of soil Solid65 unit as well as steel bar unit LINK8
3. In infinite element analysis which puts up the main beam to the steel bar coagulation, through eliminates or add the carbon fiber ,carries on the simulation with ANSYS, thus carries on the comparison to the test result, the confirmation carbon fiber to the concrete reinforcement function Key word: Concrete reinforcement finite element
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1 钢筋混凝土有限元分析的意义
钢筋混凝土是由钢筋和混凝土两种物理—力学完全不同的材料所组成的结构材料。钢筋混凝土结构由于强度高、可模性好、造价低等优点，在我国建筑业中被广泛使用，公共建筑及绝大部分高层建筑均为钢筋混凝上结构。
由于钢筋混凝土材料性能的特殊性和复杂性，对于钢筋混凝土的试验研究存在着许多复杂的因素，主要包括: (1)钢筋混凝土结构是由两种材料组成:钢筋和混凝土。
(2)混凝土本身主要是由山水、砂石骨料和水泥复合而成。在混凝土硬化以后，在混凝土中仍然有自由水和孔隙，甚至还有未水化的水泥粒，并不可避免的形成数条多微裂缝。混凝土的应力应变关系是非线性的，且受很多因素影响。在复杂应力条件下，混凝土本构方程仍然是一个需要深入研究的问题。
(3)在荷载作用下，一般钢筋混凝土结构是带裂缝工作的。混凝土的裂缝随荷载的增加而不断发展。
(4)混凝土的变形是与时间有关的，如收缩和徐变。
(5)钢筋和混凝土之间的粘结关系非常复杂，如何模拟粘结关系也需进一步研究。
(6)钢筋本的非弹性性能。
考虑到这些复杂因素，要精确分析一个钢筋混凝土结构从加载到破坏的全过程是十分困难的。长期以来，钢筋混凝土结构的分析主要靠试验和经验公式，而且主要是针对杆件结构。对于复杂的混凝土结构要么用模型试验，要么用弹性理论，对某些结构一般是用极限平衡理论求得其承载力。
随着电了计算机的出现和混凝土本构关系研究的深入，钢筋混凝土结构有限元分析方法得到了迅速的发展。在钢筋混凝土结构的分析中运用有限元分析可以提供大量结构反应信息，诸如结构位移、应力、应变的变化，混凝土压屈，钢筋流动，粘结滑移，破坏荷载等等，这对研究钢筋混凝土结构的性能，改进工程设计都有重要的意义。
2钢筋混凝土有限元分析的研究现状
最早用有限元法分析钢筋混凝上梁的学者是 Ngo和Scordelis。他们于1967年在ACI杂志上发表了一篇有关这一内容的论文们在研究中，主要还是基于线弹性理论，但是他们根据试验结果，将钢筋和混凝土划分为三角形单元，按平面
3 应力问题和线弹性理论分析钢筋和混凝土应力，针对钢筋混凝土结构的特点，在钢筋和混凝土之间附加了一种沿钢筋径向和切向都有一定刚度的粘结弹簧，从而可以分析粘结应力的变化情况：反映混凝土的开裂特性，提出了离散裂缝 (discrete cracks)形式，即在梁中预先设置裂缝，裂缝的两边用不同的节点，裂缝间也附加了特殊的无几何尺寸的连接弹簧，以模拟混凝土裂缝间的骨料咬合力和钢筋的销栓作用。这一研究获得了很大的成功，引起了巨大的反响。自此以后，许多学者在这一领域研究，发表了大量研究成果。
1968年Nilsson发展了Ngo等人的工作，将钢筋与混凝土非线性粘结关系和混凝土本身的非线性应力应变关系引入有限元分析，当钢筋开裂后就重新划分网格，把裂缝置于单元边界处Frankin于1970年首先引入“弥散裂缝”的方法，将钢筋分布在混凝土单元中，假定钢筋与混凝土间有效连接并可以自动跟踪裂缝的发展。这一方法为有限元分析实际钢筋混凝土结构提供了有力工具，获得了广泛应用。有些研究中还用拉伸强化 (tension stiffening)概念，以考虑裂缝之间混凝土对受拉的贡献。由于弥散裂缝模式计算相对简单并具有较好的精度，这一模式己被应用于平面应力、平面应变、板弯曲、壳体、轴对称和三维实体问题之中。1969年已有学者用分层法来建立钢筋混凝土梁的弯曲单元稍后Lin和Scordelis将分层法用于板壳单元等弯曲构件，假定每一个混凝土堆安全壳、存储容器和海洋石油平台等大型混凝土结构的非线性分析中。这一阶段的研究和应用都取得了很大的进展，但总的来说，不管是理论研究还是工程应用，都比较粗糙，处于探索阶段。
1977-1985年，在这个阶段中，研究工作主要可分为两个方面。一方面是继续在单元模式的选取、混凝土的本构关系和破坏理论、裂缝的模拟和拉伸强度、骨料咬合和销栓作用以及粘结方面进行深入的研究。另一方面是系统性的总结和交流工作，美国土木工程协会组织了一个20人的委员会，花了八年时间，总结和分析了钢筋混凝土结构有限元结构分析领域的大量研究资料和信息，在 1982午 5月发表了长达 545页的综述报告，内容涉及本构关系和破坏理论、钢筋模拟及粘结的表示、混凝土开裂、剪力传递、时间效应、动力分析、数值算例和应用;还在附录中发表了钢筋混凝土结构非线性的有限元程序。在这一时期，欧洲和亚洲的一些学者也在钢筋混凝土结构的有限元分析方面进行了大量的研究工作，1987年7月在联邦德国召开了“钢筋混凝土空间结构非线性性能”的国际会议;1981年，国际桥梁与结构工程协会在荷兰召开了 “高等混凝土力学”的国际会议;1984年，在前南斯拉夫召开了 “混凝土结构的计算机辅助分析与设计”国际会议。同时，日本学者的研究工作在起步较晚的情况下很快的发展到了应用阶段，并且与试验的结合方面取得了很大的进展。
1985年到现在，处在混凝土的本构关系的表达和试验研究方面继续进行更深入的研究之外，钢筋混凝土结构非线性有限元分析进一步向实用方向发展，努力把现有的分析方法和工程设计结合起来。同时，研究的领域也进一步扩展到动力、冲击荷载下的非线性分析，分析模型和材料参数成为预测钢筋混凝土结构在动力和冲击荷载下性能的研究热点;高强混凝土和受约束混凝土结构的非线性有限元分析也受到了重视;材料非线性、几何非线性以及时间因素的综合考虑也融入了钢筋混凝土结构非线性有限元分析。在混凝土结构中，与时间因素有关的效应包括荷载、预应力、环境因素以及随时间推移而变化的徐变、收缩、老化、热效应和预应力筋的松弛等。在这一时期中，我国在钢筋混凝土结构非线性有限
4 元分析的大部分领域开展了研究工作，取得了很大发展。我国虽然没有专门召开过钢筋混凝土非线性有限元分析方面的会议，但这方面的研究工作在计算力学、结构工程、地震工程等全国性的学术会议中有所反映，也出版了钢筋混凝土结构非线性有限元分析方面的专著，反映了我国在这一方面的研究成果。
目前可以说钢筋混凝土的有限元分析己经到了相当实用的阶段。欧洲混凝土委员会 1990年的混凝土模式规范已经将混凝土有限元方法纳入其有关条文。 我国钢筋混凝土结构也在附录中写入了有关有限元分析的条文。其主要用途如下：
a)用于重大结构，如核电站的安全壳、海上采油平台、大型水利工程结构的静力分析，尤其是动力分析，具有及其重要的意义。既可以检验设计，又可以优化设计;既有经济价值，又有研究价值。
b)用于结构或构件的全过程分析，对结构或构件的性能及其实际的极限荷载有更深入、正确的了解，能揭示出结构的薄弱环节，能对其可靠性做出正确的评价。
c)辅助试验进行参数设计。
3.ANSYS在钢筋混凝土有限元分析中的运用
ANSYS软件是美国ANSYS公司开发的融结构、热、流体、电磁、声学于一体的新一代大型有限元分析程序，它拥有丰富和完善的单元库、材料模型库和求解器，能高效的求解各类结构的静力、动力、振动、线性和非线性、模态分析、谐波响应分析、瞬态动力分析、断裂力学等问题。它拥有完善的前后处理和强大的数据接口，因而是计算机辅助设计 (CAE)和工程数值分析和模拟最有效的软件之一。
4碳纤维加固技术的发展概况。
碳纤维材料用于混凝土结构补强加固的研究下作开始于80年代的美、日等发达国家。自80年代末至今，日本、美国、新加坡以及欧洲的部分国家和地区的众多大学、研究机构、材料生产厂家等都相继进行了大量碳纤维材料用于混凝土结构补强加固的研究开发，并在此基础上己编制形成了自己国家的行业标准和规范。日本的阪神大地震后，很多工程就是用碳纤维材料加固修补的。建筑物的抗震加固技术在日本、韩国、美国、欧洲、台湾等国家和地区得到了迅速的发展和广泛的应用。碳纤维材料在土木工程领域的应用已非常广泛，概括起来主要有以下几种途径：
(1)在搅拌混凝土的同时加入短纤维制成碳纤维混凝土，用于新建结构。 (2)长丝制成束状 (棒材)在现浇混凝土中代替钢筋用土新建结构。
(3)将碳纤维制成织物(片材)>VI贴到混凝土表面用于结构的补强和加固。
5 从目前国内外的发展情况看，碳纤维材料应用于建筑业的研究开发活动正 呈积极活跃的态势。中国拥有巨大的建筑市场，大量的钢筋混凝土结构急需补强以优化设计;既有经济价值，又有研究价值。
5今后的研究内容
1.讨论了混凝土材料的弹塑性本构关系，介绍了常见的可以用来模拟混凝土的几种模型。
2.在确定有限元模型的基础上，详细介绍了ANSYS中专门用于模拟混凝土或钢筋棍凝土结构的Solid65单元以及钢筋单元Link8。
3. 在对钢筋混凝土梁的有限元分析中，通过对碳纤维布的添加和消去用ANSYS进行模拟，从而对试验结果进行比较，验证碳纤维对混凝土的加固作用。
钢筋混凝土材料的性质非常复杂:(1)在多轴应力状态下的非线性应力—应变特性;(2)应力软化和各向异性弹性劣化:(3)拉伸应力或应变引起的逐步开裂;(4)钢筋和混凝土的粘结滑移，骨料的连锁作用，钢筋的铆合作用;5)有如徐变、收缩与时间相关的特性。因此，如何提出一个能描述在所有情况下混凝土特性都合适的本构模型是非常困难的一项工作。本章将简要介绍混凝土材料的本构关系。
参考书目：
1.王勖成 有限单元法 清华大学出版社 2003.7 2.祝效华 余志祥 ANSYS高级工程有限元分析范例精选 电子工业出版社 2004.10 3.小飒工作室 最新经典ANSYS及Workbench教程 电子工业出版社 2004.6 4.ANSYS理论手册
5.ANSYS非线性分析指南
6.卢哲安 陈涛 弹纤维加固钢筋混凝土板非线形有限元分析 中国科技论文在线 7.江见鲸 陆新征 钢筋混凝土有限元 清华大学研究生精品课程
碳纤维及其应用范文第3篇
碳纤维是航天工业开发的高新材料在20世纪70年代已经在航空航天中得到应用。作为碳纤维应用研究最早的国家——日本, 是主要的碳纤维生产国, 其产量占全世界总产量的多半。日本是个地震多发国家在地震中许多建筑、桥梁、公共设施都遭到了严重破坏, 而由于具有安全可靠、施工简单迅速、耐久性好等特点, 碳纤维片修复补强技术在抗震加固和震害预防等过程中发挥着很大的作用。我国对碳纤维加固修复混凝土结构的研究尽管进行的比较晚, 但是应用的比较早, 并且相关部门了制定了有关碳纤维加固的技术规程。
2 碳纤维是桥梁加固的理想材料
碳纤维是一种纤维状的碳材料, 是在一定的温度下经过特殊的工艺制造出来的高科技产品, 具有很多特点, 如耐老化、稳定的物理性能、抗腐蚀, 其拉伸强度数倍于钢材, 比重又只是钢材的几分之几, 并且碳纤维有很好的抗盐、酸、碱的性能, 碳纤维片补强试件在一定温度的盐水中浸泡很长时间, 仍然不会降低强度;在一定浓度的硫酸溶液中浸泡几个月后, 强度不会降低;在一定温度的碱性溶液中浸泡十天, 也不会降低强度。
3 碳纤维补强技术的特点和优越性
3.1 良好的化学稳定性
碳纤维的防水能力很好, 也有很强的抗酸、抗碱、抗紫外线能力, 具备一定的使用不同气候条件的能力, 如果在其外加一层防火涂层能够起到防火的作用, 由于碳纤维片良好的化学性能, 岂能适应各种各样的恶劣环境, 因此可以使结构的寿命得到延长。
3.2 出色的力学性能
凭借碳纤维优越的力学性能, 应用在各种各样形式的结构补强中, 比如抗弯、抗剪、抗压、抗震、抗风、抗疲劳、对挠度和裂缝的扩展也有很好的控制作用等。因此在各种形式的桥梁、楼房等都能得到很好的运用。
3.3 施工工序简单
碳纤维能够在小型电动工具的操作中得到运用, 拥有简单的施工工序、其工种少、用工就少、短工期、从成的进度就快。相关资料显示, 在交通不断在震动的情况下用其进行施工, 其补强效果不会受到影响这就能使施工断交的时间大大缩短, 具有较好的经济、社会效益。
3.4 材料质轻高强
碳纤维材料的质量轻、强度高, 这就可以减小结构的质量、体积, 结构外形也不必发生改变。用所需要的色彩进行涂装特别方便, 而且不会有补强痕迹留下, 这是其它方法无法相比的。
4 碳纤维修复补强混凝土结构的原理
将碳纤维用特殊的方法制成的环氧树脂粘贴在结构表面上, 等树脂固化后, 原结构和树脂固化后的碳纤维组成了新的复合体, 使得在有外力时碳纤维片和钢筋会一块承受, 钢筋的应力由于碳纤维片分担了一定量的荷载而大大降低了, 这就对混凝土结构进行了很好的加固。碳纤维片有很高的抗拉强度, 其强度是钢材的好几倍, 弹性模量很高, 接近或略高于钢筋, 延伸率则比钢材低, 因此, 能够和钢筋一起工作。因为采用了性能各异、不同配比的环氧树脂材料, 混凝土中很容易被界面树脂渗入其中, 粘贴时碳纤维片材紧挨着构件的外形粘贴只用的树脂的黏结强度又很高, 这样就能使两种材料间的应力进行很好的传递, 确保了黏结面不会发生剥离。
5 用碳纤维片加固补强的方法
抗裂缝补强:沿裂缝的垂直方向粘贴。
抗剪补强:粘贴时与地面保持U型环包, 或者在梁的两个侧面竖直进行, 这就相当于使抗剪箍筋加强了。
抗弯补强:碳纤维片贴在受拉的一侧。
剪力墙补强:在剪力墙单面或双面沿抗剪配筋方向粘贴碳纤维片。
柱状中心受压构件补强:柱中心环包粘贴。
6 碳纤维片加固补强的施工要点
施工中, 碳纤维片不能被弯折或碰撞以免出现碳纤维出现断丝, 这是因为碳纤维丝很脆、很细、断丝很容易;碳纤维片纵向接头, 搭接的地方要与构件应力的最大区段分开, 而且要搭接一定的距离, 多层粘贴进行时, 在同一个部位不可以进行各层的搭接, 而且层间也要错开一定的距离;粘贴碳纤维片要平整密实, 不能出现翘边或空鼓;粘贴碳纤维片的混凝土结构表面要处理密实平整。露钢筋的要防锈、除锈, 对混凝土裂缝要做一定的处理。要打磨平整粘贴表面, 拐角处直径要打磨成具有一定长度的圆角, 同时要保持表面的干燥、清洁;根据施工的气候条件和不同的温度情况进行环氧腻子、底层涂料、黏结用环氧树脂等的不同型号的选择;能够在不断有震动的交通中进行施工作业。振动对试件的负载情况不会在碳纤维片黏结在混凝土黏结剂固化过程中发生任何负面影响。
7 碳纤维片加固补强设计建议
在实际工程中, 加固构件属于二次受力。如果原结构有较小的受力, 可以简单的考虑一个共同的工作系数, 以方便设计, 如果原结构有较大的受力, 那么要先计算加固前构件截面上钢筋的应力、混凝土, 然后按照平截面假定分析计算;碳纤维片加固补强混凝土构件是一种新技术, 碳纤维片的强度取值要在厂家提供的设计值上乘以一定的折减系数;用厚度较小的碳纤维片加固钢筋混凝土梁时要求梁的高度提高小, 因此要进行刚度的验算;为了确保碳纤维片充分发挥其强度, 要尽可能避免发生黏结破坏。黏结用胶要选择有可靠性能的, 对加固构件的混凝土强度也有一定的要求, 端部要有一定的锚固措施, 而且尽可能的让锚固长度大一些;碳纤维片加固构件时, 要特别注重施工的质量, 否则就会对加固的效果发生很大的影响, 同时纤维片的端部要考虑锚固措施。
8 结语
总之, 随着我国经济社会的不断发展, 交通量日益增加, 过去修的钢筋混凝土桥梁很多都已经无法满足今天的需求, 很多都已经出现了这样那样的病害, 而对旧桥梁进行加固又是比较复杂的工程, 同时也需要一种重要的材料在加固中运用, 碳纤维由于其特有的特性和品质, 成熟的应用环境, 其价格在逐渐下降, 而且碳纤维补强技术具有明显的符合实际条件的优越性, 在桥梁加固中越来越受到人们的关注, 相信今后的桥梁加固中, 碳纤维将广泛被应用, 为我国的桥梁建设提供良好的材料, 为我国小康社会的建设打下良好的基础。
摘要：随着我国经济社会的不断发展, 人民生活水平的不断提高, 对交通的需要越来越强烈, 桥梁作为跨河、跨海、跨沟的一种有效工具, 其质量也显得尤为重要。为了减轻桥梁的重量, 降低桥梁的维护成本, 延长桥梁的使用时间, 碳纤维是一种很好的材料。下面介绍碳纤维在桥梁加固中的应用。
关键词：碳纤维,桥梁加固,应用
参考文献
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碳纤维及其应用范文第4篇
碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7~9倍，抗拉弹性模量为23000~43000Mpa亦高于钢。因此CFRP的比强度即材料的强度与其密度之比可达到2000Mpa/(g/cm3)以上，而A3钢的比强度仅为59Mpa/(g/cm3)左右，其比模量也比钢高。
正是由于碳纤维在力学上的出色性能，碳纤维复合材料(CFRP)被广泛用于航空航天领域。早在上世纪50年代就被用于火箭，而随着80年代高性能复合材料的发展，碳纤维复合材料的应用更加广泛。不仅在火箭、宇航、航空等领域发挥着重要作用，而且广泛应用于体育器械，纺织、化工机械及医学领域。 2碳纤维复合材料在商用飞机上的应用 复合材料诞生之时，就由于其质轻高强的性能而与航空航天器结下了不解之缘。上世纪40年代开始，复合材料就被用于军用飞机的修补。上世纪80年代，复合材料在商用飞机上得到逐步应用。随之而来的碳纤维革命，尤其是中模量碳纤维性能的提高﹑技术的稳定，使得碳纤维复合材料最终被用于大型商用飞机的主结构。以B787 和A350 为代表的大型商用飞机，其复合材料在飞机结构重量中的占比已经达到或超过了50%，最大的商用飞机A380 的中央翼也完全使用复合材料，这些都是复合材料在大型商用飞机上使用的里程碑。 2.1商用飞机上主要的CFRP构件[1] 目前，商用飞机上使用的复合材料大部分是碳纤维环氧复合材料，也包括一些玻璃纤维环氧复合材料，以及少量的特种基体树脂复合材料。其应用分为三个大类，即一级结构材料、二级结构材料和内装饰材料。如图所示：
2.2主要的纤维和基体类型
在选用的纤维方面，通用级 T300 碳纤维 CFRP 可用来制造飞机的二次结构部件。 例如， T300/ 5208用来制造B7
57、B767 和B777的二次结构部件。 但因T300的抗拉强度仅为 3.53 GPa， 抗拉模量为 231 GPa， 特别是断后延长仅有 1.5 %， 满足不了制造一次结构件的要求。随后开发成功的高强中模型碳纤维在上述 3 项质量指标有了大幅度提高， 再配套韧性环氧树脂所制高性能CFRP 就可用来制造大飞机的一次结构件。主要的高强中模碳纤维品牌及性能如下表所示：
由表中数据可知，这类高强中模碳纤维的性能比通用级 T300 有了大幅度提高。我国目前还不能生产这类高性能碳纤维， 处于实验室研制阶段，有望在“十一五”期间有所突破。 通用型环氧树脂固化后属于脆性材料，需增韧改性为韧性基体树脂。高强中模碳纤维与韧性基体树脂复合后所制韧性CFRP可用来制造大飞机的一次和二次结构件。其中，具有代表性的是T800H/3900-2(P2302)和 IM7/8551-7。热固性树脂 (TS) 为母相， 热塑性树脂 (TP) 为分散相， 两者均匀混合固化成型。在热固化成型过程中，TS 成为三维交联体，TP 仍保持线性特性， 赋予CFRP韧性。 这样可制得韧性CFRP。T800H/3900-2(P2302)是典型的用来制造大飞机一次和二次结构件的韧性复合材料。
2.3韧性 CFRP 在大飞机上应用需关注的技术关键[2] 随着碳纤维性能的不断提高，增韧改性基体树脂的不断深入和复合技术的日趋完善，韧性CFRP 在大飞机上的应用逐步拓宽。未来500～600座的大飞机将成为航空客运的主力机型。为此，需要解决好以下几方面的问题：
(1)设计允许应变达到0.6%，可用冲击后抗压缩强度(CAI)来评价。这就需用高强度、大伸长碳纤维与韧性基体树脂来复合。例如，T800H/3900-2 或 IMT/8551-7 的韧性预浸料，可达到上述指标。
(2)提高抗 CFRP 的抗冲击强度，需采用高强度、大伸长碳纤维。例如，T700S 断后延长高达 2.1 %。上浆剂中可含有热塑性塑料微粒，提高其韧性。
(3)提高冲击损伤后的抗压缩强度(CAI)，需采用高强度、大伸长碳纤维与韧性环氧树脂复合。控制碳纤维石墨微晶尺寸，也可提高抗压缩强度。同时，研究韧性耐热的热可塑性树脂，作为新一代韧性基体树脂。
(4)提高抗层间剪切强度(ILSS)，改善两相界面粘接强度，有效传递载荷。同时，采用三维编织物和 RTM 成型技术，也可有效提高 ILSS 和防止层间剥落现象。
(5)提高CFRP的耐热性，以适应超音速飞行。除提高基体树脂的耐热性外，也应关注碳纤维表面上浆剂的湿热性能。吸湿会降底 CFRP 性能。
(6)采用整体成型的先进复合技术来制造大型构件，如体翼一次成型技术。这不仅提高整体复合件的性能，而且可大幅度减少零件数目和紧固件数目，有利于降低生产成本。 3碳纤维复合材料在发动机和短舱上的应用[1] 复合材料在商用飞机上的另一个主要应用领域是在发动机和短舱，而发动机叶片，例如，GE90 的发动机叶片，则是这种应用的典范。GE90叶片使用的是8551-7/IM7预浸料，通过热压罐工艺成型获得，这种环氧中模量碳纤维预浸料具有极高的韧性和损伤容限，可以满足叶片苛刻的性能要求。
发动机复合材料叶片的另一种制作工艺是使用3D碳纤维织物，用环氧树脂灌注而成。这种技术充分利用了3D织物的特点，用其制得的复合材料具有低裂纹扩展性、高能量吸收性以及耐冲击、抗分层性能。即将用于C919客机的Leap -X1C即使用这种技术。
复合材料除了提供结构贡献以外，在发动机和短舱上的另一个贡献是降噪。在B787的发动机和短舱上使用了一种降噪蜂窝，用其作为芯材、环氧预浸料作为蒙皮的夹层结构起到了良好的降噪效果，使B787被誉为最安静的飞机，这也是B787的亮点之一。 4碳纤维复合材料在飞机上的其他应用 通用小飞机的结构简单，有的小飞机机身甚至甚至可以使用玻璃纤维预浸料为蒙皮的蜂窝夹层结构，而外翼的翼樑则可以使用单向碳纤维复合材料制造。生产工艺上，从节约成本考虑，较为普遍采用的是非热压罐工艺。 碳纤维复合材料在直升机上的应用也十分广泛，除机身、尾樑等结构件以外，还包括桨叶、传动轴、高温整流罩等对疲劳、湿热性能有更高要求的部件。特别是复合材料桨叶的使用，把桨叶的使用寿命从金属的2000小时提高到了复合材料的6000小时以上，甚至是无限寿命，并且两者的制造成本几乎相当，因此使用复合材料取代金属材料也成为必然。
碳/碳(C/C)复合材料则是制造飞机刹车装置的优异材料。例如著名的B-2战略轰炸机、空客A320均采用C/C复合材料刹车装置。这些先进的 C/C刹车装置可有效地把飞机降落过程中的动能转化为热能，不仅刹车制动的安全性高，而且可有效减轻质量。例如160 座的空客 A320，采用的C/C刹车装置可减质量140 kg。这种 C/C 刹车装置已在战机和客机上得到广泛应用。[3] CFRP 还可用来制造隐身飞机。B-2 战略轰炸机属于隐身飞机，其雷达散射截面积
(RCS) 仅有0.1 ㎡，不易被对方雷达发现，大大增加了突防能力和生存概率。B-2 轰炸机大量采用先进的特种 CFRP，所用碳纤维的截面积不是圆形，而是异型截面，如方形截面，且在表面沉积 1 层多孔碳粒或附着1 层多孔微球，实施对雷达波的散射和吸收，赋予其吸波功能。 这种结构吸波和涂层吸波相叠加，大大增强了综合吸波动功能。这也就是说，特种 CFRP 不仅是结构材料，而且也是结构吸波材料。[3] 5我国碳纤维复合材料发展现状 我国较早地意识到碳纤维的研制和生产对军事工业发展和国民经济具有重要作用，早在20 世纪60 年代末就开始研制碳纤维，经过 40 余年的发展，碳纤维从无到有，从研制到生产取得了一定的成绩。但总的来说，国内碳纤维的研制与生产水平还较低，一直没有在高标号碳纤维研究上取得突破性进展。我国碳纤维产业未实现大规模工业化生产，产品规格单一。近些年来，由于我国对碳纤维需求量的日益增加，碳纤维又成为国内新材料业研发的热点。但是，除极个别企业外，大多数引进项目的技术和设备水平属国际中下等，生产的碳纤维产品也未达到高端水平。引进后的消化、吸收与创新是碳纤维行业面临的重大课题。[4] 我国碳纤维工业与先进国家相比存在15 年左右的差距，我们还不能生产高强中模碳纤维，T300仍处于产业化阶段。实验室研制高强中模碳纤维虽然取得长足进步，但产业化仍有一段路要走。在国家大力支持和有实力民营企业的介入，缩短产业化时间已具备条件，高强中模碳纤维指日可待。[5] 参考文献
碳纤维及其应用范文第5篇
通过对比造纸工艺和纤维素纤维生产工艺,不难发现两种工艺存在许多相似之处,若能在纤维素纤维生产中引入大容量造纸设备,对减少设备配台及生产车间面积都大有帮助,下面就水力碎浆机和螺旋挤浆机两种设备在纤维素纤维生产原液车间浸渍和压榨两个工段的应用进行分析。
1 水力碎浆机
1.1 浸渍目的
纤维素纤维生产的第一个化学反应过程即为浸渍,也有称之为纤维素碱化过程。纤维素在浸渍桶内经碱液溶解处理后生成碱纤维素。纤维素需在碱液中产生剧烈的膨化,使半纤维素和某些杂质不断溶出而分离;纤维素的超分子结构和形态结构发生变化,大分子间的氢键受到破坏,使纤维的黄化反应性能明显提高。
1.2 水力碎浆机结构及工作原理
水力碎浆机是造纸制浆工艺中常见的碎解设备之一,主要碎解浆板、废旧书本、废旧纸箱等。从结构形式上看,立式水力碎浆机与纤维素纤维生产的浸渍桶最为相似,主要由槽体、叶轮式转子、传动部件等组成,且都为电机下部传动。水力碎浆机还带有筛板结构,可对溶于碱液的浆粥进行筛选,以防止浆板与碱液浸透不均匀,而产生白浆粥,利于浸渍工艺。
水力碎浆机工作原理为:电机带动叶轮开始转动,浆料在槽体内产生径向的涡流流动;同时在槽体底部的固定导流片的作用下由下往上,又从中心向下的不断流动中上下翻腾,在这种不同速度的流体层之间的湍流作用下撕扯、碎解浆料。另一方面,转子叶片猛烈地撞击湿润的浆板、纸块;同时在叶片导面产生的高速湍流中,在叶片底面与筛板的间隙内被进一步机械摩擦,碎解分离。直至满足制浆工艺要求后通过筛板上的筛孔流入浆盘。
1.3 水力碎浆机与浸渍桶规格对比:
1.4 水力碎浆机在浸渍工艺中的应用
通过上述表格的对比不难看出,水力碎浆机在容量大小和处理浓度等方面数据都囊括了传统的浸渍桶,可以代替传统浸渍桶用于纤维素纤维的浸渍工艺中。以单线年产60000吨产能为例:
可见水力碎浆机应用于浸渍工艺中能有效减少单线设备配台,减少车间的占地面积,节约设备投资和设备维护成本。
如选择有效公称容积45m3,有效容积36m3的水力碎浆机,所配套电机功率约315Kw,设备荷重约60吨,比传统浸渍桶荷载大,不适宜放在车间二层,需布置在车间一楼。将水力碎浆机布置在车间一楼后可以解决传统浸渍桶放在二楼带来的震动大,结构荷载加固成本高的问题,同时,降低了浆粕自动提升的高度,节约了浆粕提升的动力消耗。同时由于将水力碎浆机布置在车间一楼后,原布置在一楼的辅助浸渍桶就需要改为地下卧式浆槽,立式上搅拌需要改为横向推进器,可参考制浆工艺中的储浆池设计。工艺可行性高,在纤维素纤维生产中可大力推广水力碎浆机的应用。
2 螺杆挤浆机
2.1 碱纤维素的压榨
浆粕经浸渍后需要把多余的碱液压除,这一过程称为压榨。压榨是流体动力学过程,压榨的速度与效果与碱纤维素层厚度及排列状态(孔隙大小、孔数)、压力、碱液粘度有关。生产上压榨程度可用压榨倍数表示,在连续浸渍压榨工艺中则多以碱纤维素的组成来衡量压榨的效果。通常生产上控制碱纤维素组成为:α-纤维素30%~31%,Na OH15%~16%。
2.2 传统辊式压榨机
传统辊式压榨机主要由两个平行而转向相反的压辊组成。其中一个压辊带突缘,与另一个压辊紧嵌在一起,碱纤维素在两辊间受到压榨。压辊的表面沿周向排列有沟槽或者网孔,压榨的碱液进入沟槽或者网孔,经由滚筒两段流出,并回流至压榨碱液桶中。压榨机的生产能力大小和压榨程度可通过两压辊的距离及转速调节。
受现有浆粕性质和浸渍条件的影响,辊式压榨机的单台设备产能较为成熟的规模为35吨/天,对于单线规模年产50000-60000吨的产能,设备配台高达6-8台(设备配台与浸渍工艺有关)。虽然已有设备厂家研发出45吨/天大容量压榨机,但仍需较高配台。
2.3 螺旋挤浆机
螺旋挤浆机是用于纸浆脱水的挤浆设备。可有效处理各种进浆浓度的浆料。浓缩后的纸浆干度均匀,出浆率稳定。不仅适用于制浆厂各种化学浆黑液提取,也适用于浆料的的浓缩洗涤。
螺旋挤浆机是一个在滤框内旋转的输送挤压式变径变距螺旋,在变径变距螺旋的输送过程中,浆料的体积逐渐变小,机内压强逐渐增加,迫使液体通过紊乱的纤维层从滤板流出,浆料浓度逐步提高。
2.4 螺旋挤浆机与压榨机规格对比:
2.5 螺旋挤浆机在压榨工艺中的应用
虽然从螺旋挤浆进出浆的浓度数据能满足现有压榨机的要求,但由于浆料中组成成分不同,压榨效果受到碱液浓度的影响比较大,且纤维素纤维生产压榨结果又以α-纤维素计算,因而螺旋挤浆机能否应用于压榨工段还需在生产实践中进行实验后确定。
国内某纤维有限公司采用SP型螺旋挤浆机,单台设备产能250吨/天,进行实验,α-纤维素在碱纤维中的含量可达20%以上,仍达不到30%-31%的工艺要求。因而,螺旋挤浆还不能完全取代压榨机应用于纤维素纤维的生产,但对于某些压榨后α-纤维素含量要求不高的工艺,可部分应用。
摘要：近年来随着纤维素纤维单线生产规模的不断扩大,纤维素纤维生产工艺原液车间设备配台也越来越多,车间占地规模越来越大,设备投资及维护成本也相应增加。造纸制浆工艺和纤维素纤维生产工艺在前段流程方面有许多相似之处。大容量造纸设备(如水力碎浆机和螺旋挤浆机)应用于纤维素纤维生产中可减少单线设备的配台,节约成本。
碳纤维及其应用范文第6篇
1粘胶纤维介绍
1.1粘胶纤维的历史及发展历程
据初步统计, 我国的粘胶纤维发展的历史到现在已有50年, 在这50年发展中粘胶纤维整个行业取得了很大的成就, 但成就中也有失败的经验教训。
文章认为, 在这样的一个漫长的发展过程中出现这样那样的错误是可以理解的, 如果从长远的发展来看, 这种错误要适时地发现, 适时地改进才可适用于现代发展的需求。但是现实中, 因种种原因所致对粘胶纤维产品的发展认识有着一定的片面性和局限性。自80年代以来, 市场经济的体制和政策有所变化, 在一定程度上促进了经济增长, 也给我国的粘胶纤维行业发展带来了生机, 出现了从供不应求转化为供大于求, 数量的要求也延伸到其它各个方面。
现在纵观市场经济竞争的发展, 粘胶纤维的发展也在不断地出现竞争, 而且, 人们对粘胶纤维多样化的需求也在日益提高。当前一个阶段为了进一步促进粘胶纤维产业不断发展, 粘胶纤维产品的差别化与功能化、应用领域的多元化、生产工艺的低污染、低耗能将是未来粘胶纤维产业的主要发展方向。
1.2粘胶纤维的生产特点
经过大量实践性的工作来看, 粘胶纤维具有流程长、控制点多等特点, 而且是一个连续的、系统的生产过程。在生产中, 每个工序生产工艺的确定, 要考虑到前后工序的衔接, 同时还要考虑到对整个生产工艺平稳实施和产品质量的影响, 上道工序的运行要尽可能为下道工序的运行提供有利条件等到, 只有这样才能保证生产工艺的稳定和产品质量的稳定。
1.3粘胶纤维的生产过程
一般来说, 粘胶纤维的生产过程就是通过化学的和机械的方法, 将浆粕中很短的纤维制成各种形态、用途的纤维成品。它的成分都是有粘胶纤维的原料和成品组成。原料和成品其化学组成都是纤维素纤维, 在粘胶纤维生产中要经过粘胶制备、纤维的成形、纤维的后处理三个环节, 其生产的基本过程都是相同的。现将各过程简述如下:
1.3.1粘胶的制备
粘胶的制备过程包括下列几个步骤:
1.3.1.1浆粕的准备
粘胶纤维厂必须贮存一定数量的浆粕, 各批浆粕在使用前还需要进行混合, 以使各批粘胶的原料性能基本上一致。
1.3.1.2碱纤维素制备
浆粕浸渍于碱中, 会生成碱纤维素。我们将其反应方程式如下:
碱纤维素经过压榨, 除去多余的碱液后再进行粉碎。粉碎后的碱纤维素, 就会成为松散的絮状。
1.3.1.3碱纤维素老成
把粉碎后的碱纤维素, 放置于空气中, 并暴露适当的时间。因空气中氧的作用纤维素分子链就会发生断裂, 平均聚合度下降, 使制成粘胶的粘度得到适当调整, 避免因粘胶粘度过高而使工艺过程发生困难。
1.3.2纤维素黄酸酯的制备
碱纤维与二硫化碳作用, 生成纤维黄酸酯。其反应式如下:
各种粘胶纤维对纤维素黄酸酯的品质要求是不同的。
1.3.3纤维素黄酸酯的溶解
将纤维素黄酸酯均匀地溶于稀碱液中, 制成粘胶。这是一种桔黄色的粘性溶液。
1.4粘胶纤维的成形
从粘胶变成具有一定品质的再生纤维素丝条的过程, 是在纺丝机上通过酸性的凝固浴 (又称酸浴) 完成的。粘胶纤维生产上应用的凝固浴, 主要是硫酸, 硫酸钠和硫酸锌, 但不同品种纤维, 对凝回浴各组分的浓度有不同的要求, 或者还要加入某些特殊的组分。
2粘胶纤维存在的问题及发展方向
2.1污染及能耗问题
粘胶纤维作为一种化学纤维, 在生产过程中不可避免的会产生大量废气、废液及固体废弃物, 造成三废污染问题, 同时会消耗大量的水、电、汽等能源, 这对今后的发展带来了不利影响, 今后的发展动力将是围绕减少污染与能耗对生产工艺进行的创新与改进。如对生产过程中二硫化碳进行回收再利用;通过使用换热器对高温外排废水中的热能进行回用等。一旦能够有效地解决污染及能源消耗的问题, 粘胶纤维的发展又将迈上一个新的台阶。
2.2新品种的多样化问题
粘胶纤维经过近百年的发展, 常规品种以深入到了各行各业, 但随着社会的进一步发展, 人们对粘胶纤维产品的需求正呈现出产品差别化与功能化、应用领域多元化、生产工艺低污染、低耗能的趋势。异形截面、变形纤维、超细旦、复合、着色等差别化粘胶纤维的使用将使下游产品风格更加多样化, 而远红外、负氧离子、抗菌、阻燃等改性粘胶纤维的开发与应用使纤维的功能得到延伸。除了用于服装纺织品, 粘胶纤维还将在非织造布、工业丝、国防领域发挥重要作用, 这些领域是我国纺织工业协会确定的纺织行业重点投资方向。总之, 粘胶纤维今后的发展潜力将更多的致力于多样化。
摘要：结合生产实践, 文章分析了粘胶纤维的历史及发展历程, 生产特点, 在此基础上, 阐述了粘胶纤维的生产过程、应用及发展方向。
关键词：粘胶纤维,生产技术,应用分析,发展方向
参考文献
[1] 夏郁葱.国产阻燃粘胶纤维技术现状和发展趋势[J].纺织学报, 2012, 06:129-135.