由日本地震看新材料:新材料之高性能特种纤维——碳纤维

     日本地震举世关注,虽然不喜欢日本人,但是地震海啸核泄漏这样的人类之殇,还是触动我心。仁义的人比较累啊,谨以此句纪念。

    据称地球已进入地震高发期,大地震加海啸虽然偶发,就怕成为持续的常态性事件,这就突出了建筑抗震要求之高之迫切。本人总结目前建筑层面的抗震手段,主要体现在结构抗震、材料抗震和技术抗震,刚性剪力墙与框架结构优劣,楼滑轨与阻尼器的可靠性等等,这些具体技术问题出于科学性和严肃性先不谈了,咱就简单说说新材料,先从高性能特种纤维说起。
      第一种为碳纤维,碳纤维属于力学性能优良的复合增强基材之一,应用领域广泛,据称是目前已经大量生产的高性能纤维中具有最高的比强度和最高的比模量的纤维(还有一种材料据称也是最高性能的,此处存疑)。此外,碳纤维还兼有其它多种优良性能例如耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、抗疲劳、震动衰减性高、电及热导性高、热膨胀系数低等,由此多作为增强材料加入到树脂、金属、陶瓷、混凝土等材料中构成复合材料使用。如果你喜欢航空寒天,就知道没有碳纤维以及碳纤维复合材料的话,也就没有航天飞机、太空飞船、空间站,人类很难走出地球;如果你喜欢运动,就会知道一辆碳纤维制自行车,会卖到十几万几十万人民币,一杆碳纤维钓鱼竿也会卖到几万块。
      不过可惜,目前世界上碳纤维是发达国家产业成熟,且行业集中度高。碳纤维生产主要集中在日本和英美法等少数发达国家,而其中日本的东丽、东邦人造丝、三菱人造丝这三大主要生产商就占据了世界总产量的约80%左右。我国碳纤维产业基本依赖进口,碳纤维的生产尚处于起步阶段,无论是质量和规模与国外相比差距都很大,根据股票市场得来的知识,目前国内公司好像也就方大炭素在规模和技术上较好。        
    以下为摘抄数据和材料供需要者参考,如有雷同,可能是原著。
    碳纤维成品在土木工程中应用主要有纤维布、纤维板、棒材、型材、短纤维等,各有不同的使用范围,而当前加固工程中用量最大和最普遍的还是碳纤维布(片),碳纤维布常用的规格是200g/m2和300g/m2,厚度分别是0.111mm和0.167mm;碳纤维复合板厚度一般为1.2~1.4mm,由3~4层碳纤布经过树脂浸渍固化而成,主要用于梁、板的加固,用纤维板加固的结构,外形规整,施工简便,但原材单价较高,国内使用尚不普及。高性能碳纤维布的最主要指标仍是其强度、弹性模量和断裂伸长.一般抗拉强度都在3500 Mpa 以上,弹模在230000 Mpa 以上, 伸长率在1.4%以上,结构加固主要是利用碳纤维的高抗拉性能,广泛用于钢筋混凝土结构的梁、板、柱和构架的节点加固,也很适合用于古建筑物或砌体结构的维修加固,恢复和提高结构的承载能力和抗裂性能,国内外成功的应用实例已不胜枚举。碳纤维成品在土木工程中应用主要有纤维布、纤维板、棒材、型材、短纤维等,各有不同的使用范围,而当前加固工程中用量最大和最普遍的还是碳纤维布(片),碳纤维布常用的规格是200g/m2和300g/m2,厚度分别是0.111mm和0.167mm;碳纤维复合板厚度一般为1.2~1.4mm,由3~4层碳纤布经过树脂浸渍固化而成,主要用于梁、板的加固,用纤维板加固的结构,外形规整,施工简便,但原材单价较高,国内使用尚不普及。高性能碳纤维布的最主要指标仍是其强度、弹性模量和断裂伸长.一般抗拉强度都在3500 Mpa 以上,弹模在230000 Mpa 以上, 伸长率在1.4%以上,结构加固主要是利用碳纤维的高抗拉性能,广泛用于钢筋混凝土结构的梁、板、柱和构架的节点加固,也很适合用于古建筑物或砌体结构的维修加固,恢复和提高结构的承载能力和抗裂性能,国内外成功的应用实例已不胜枚举。
    近年来在国内不少高等院校、科研部门、和各大设计院参与到对碳纤维的应用和研究,目前国家还没有颁布正式的设计和施工规范,在建设部确定的研究项目中,已包括有“纤维增强复合材料(FRP)用于城市桥梁的加固与修补研究”、“碳纤维材料加固混凝土结构新技术”等课题,碳纤维的应用研究已得到国家的重视。构造:对于受弯构件碳纤布是粘贴于受拉区,以补充钢筋的不足,粘于梁的两侧,以提高梁的抗剪能力,缠绕于混凝土柱外侧约束了混凝土的侧向变形,可以高柱的承载能力和柱的轴压比,缠绕于桁架的节点可使节点得到整体的加固。碳纤布的层数可通过计算确定,考虑到各层的共同工作系数,抗疲劳的能力和避免脆性破坏,一般建议不宜超过5层;从受力性能角度,单层优于多层,窄幅优于宽幅;必要时纵向可以搭接,搭接长度不得少于100mm,要保证碳纤维端部有可靠的锚固,除满足计算要求外,还应有必要的构造措施。粘贴:粘结剂的性能和粘贴工艺是使被加固构件与碳纤维布共同受力的保证,要求粘结剂对被粘贴界面和碳纤布有高的粘结力和强度,抗拉、抗压、特别是粘贴抗剪强度应远高于混凝土相应的强度,粘结剂对界面和碳纤维布都要有良好的渗透性和相容性,具有抗冲击、耐疲劳、抗老化等优异性能,因此应该采用专用的粘结剂;完善的施工工艺是加固效果的重要因素,主要的要求是:清理、修复、整平被粘贴面,被粘贴面应干燥、防潮;采用专用的工具,涂布粘度较大的粘结剂,对碳纤布经过适度的辗压,使粘结剂充分浸渍于单丝中;消除气泡,不允许出现离壳、乱丝。

ailin

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