碳纤维的优良性能 碳纤维是一种碳含量超过90%的纤维状炭材料，是以有机纤维——聚丙烯晴（PAN）纤维、粘胶纤维、沥青纤维等原丝经过预氧化、碳化、石墨化等高温固相反应工艺过程制备而成，由有择优取向的石墨微晶构成，因而具有很高的强度和弹性模量（刚性）。它的比重一般为1.70 g/cm3～1.80g/cm3，强度为1200 MPa～7000MPa，弹性模量为200 GPa～400GPa，热膨胀系数接近于零，甚至可为负值（～1.5×10-6）。 碳纤维同时具有高比强度 、高比模量、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、导电、传热和热膨胀系数小等一系列优异性能。这些优良的综合性能使碳纤维成为先进复合材料最重要的增强纤维，可以用来增强聚合物（热固性、热塑性聚合物）组成高性能聚合物基复合材料；增强铝、镁、铜等金属组成碳/铝、碳/镁、碳/铜等金属基复合材料；增强碳、陶瓷组成耐高温的陶瓷基复合材料。碳纤维复合材料可以通过基体、纤维的选择、碳纤维含量和分布的优化设计做成性能能够满足多种要求的各种高性能构件。 重要的碳纤维建筑材料 1．碳纤维增强混凝土 由于水泥水泥砂浆与混凝土中存在抗拉强度低，干缩率大，变形能力低，脆性大和抗冲击性能差等缺点，而且在某些特种条件下（酸、碱、潮湿环境中），由于钢筋的抗腐蚀性差而面临着严峻的挑战。然而碳纤维以其高强、高模、质轻、优良的抗疲劳性、抗冲击性、抗震性和耐腐蚀性完全弥补了钢筋混凝土的不足。 短切碳纤维加入新混凝土中，目前主要应用于需要减重、防震耐腐蚀的环境中或喷射混凝土和道路工程中；将碳纤维长丝支撑预应力筋，代替钢筋埋植于混凝土中，主要用于海洋工程、大跨度桥梁及需要电磁透过的工程结构或结构加固的场合；将碳纤维长丝支撑预应力绞绳，用于大跨度桥梁的拉锁或大跨度空间结构的悬索拉索等；将短切碳纤维或连续碳纤维应用于各种公路路面及桥梁路面工程和高速公路的防护栏，以提高公路的质量及耐久性；将碳纤维棒材与混凝土制成预制件，包括梁、板、屋架或网架，充分利用碳纤维的质轻高强耐腐蚀等优点。 短切碳纤维填充到混凝土中，不仅约束微裂缝扩展，提高混凝土的抗裂性、抗渗性和抗冻性，减少干缩变形，而且可以明显地改善混凝土结构的物理力学特性。提高结构的抗震性和抗疲劳特性，这是由于碳纤维具有高强度和高弹模的优势。另外，碳纤维增强混凝土具有良好的压敏性，而且具有一定导电性，如果在混凝土中埋藏电极可有效实现对混凝土结构件的在线检测（应变）和安全监控（损伤程度）在实际应用中，可实现对桥梁幕墙建筑的智能化管理。因此，短切碳纤维增强混凝土不仅具有减重增强的优点，而且还是一种智能材料，将来必然具有良好的发展前景。 2、碳纤维加固材料 碳纤维加固是美日等国家所研发的应用在土木工程中的新型加固补强技术。该方法采用同一方向排列的碳纤维织物，在常温下用环氧树脂胶粘贴于混凝土结构表面，利用其紧密粘着于混凝土结构表面，使二者作为一个新的整体，共同受力，是一种非常简单且优良的加固补强方法，与传统的粘钢加固不同，碳纤维加固在不增加结构物的荷重的前题下达到高效加固的目的。 碳纤维单向布与配套树脂材料是加固维修钢筋砼结构领域中的新材料、新工艺。在北京北四环路健翔立交桥改建中，为使原钢筋砼盖梁设计荷载由汽车?5级提高为汽车?超20级，采用了此技术进行加固补强。碳纤维单向布具有高强度、高弹性模量和耐久性好等优点。应用专用的树脂和碳纤维布，按设计要求粘贴于砼表面，从而达到结构物加固补强效果。通过对梁、板、柱等进行加固前后大量对比试验，力学性能显著得到提高，据试验研究统计粘贴一层碳纤维单向布的梁板，其抗弯性能可提高5～8%。此技术与其他粘钢、喷射砼等加固技术相比，具有自重小、施工简便、施工周期短和耐久性好等特点。 碳纤维布重量轻，施工时不用任何重型设备，其又很薄不需要较大的空间，尤其是在该工程加固空间紧张的情况下，更能显示这一优越性。加固钢筋砼结构，采用粘贴强度高和高弹性模量的碳纤维的办法，也能取得类似于钢板的同样加固效果，但其结构重量未增加，外表也轻巧美观。有极好的耐久性，由于加固只使用碳纤维和配套树脂，因而不会出现生锈，并具有耐酸、碱、盐和大气环境腐蚀等性能，碳纤维布有极好的抗化学作用。碳纤维加固一般只需手工操作，不受施工空间的限制，施工进度快。不论方形、矩形、六角形及各类不规则形，加固后均可保持物体原状，不影响表面装饰。 3、桥梁拉索 碳纤维增强塑料(CFRP)制成的平行丝束，具有耐腐蚀、高强、弹性模量与钢相近和抗疲劳性能好等优点，是制作斜拉索和吊索的理想材料。瑞士联邦材料试验研究所(EMPA)用其作为瑞士Winterthern Storchenbrucke桥的斜拉索。该桥是63+61米的单塔斜拉组合加劲梁桥，桥塔为A型，高38米。该桥使用了两根碳纤维复合材料拉索，每根拉索由241根(5毫米的CFRP筋束组成，其碳纤维型号为Torayca T700S,强度4900MPa，弹性模量230GPa，破断延伸率2.1%，比重1.8g/cm3，轴向热膨胀系数几近于零。采用拉挤工艺将碳纤维制成CFRP筋束，其纵向抗拉强度为3300MPa，弹性模量165GPa，容重1.56g/cm3，纤维体积含量68%，轴向热膨胀系数0.2×10-6m/m/℃。用CFRP束制成的拉索，曾用三倍设计荷载进行1000万次重复荷载试验。在桥上的CFRP拉索和钢拉索，均设有普通传感器和光纤传感器进行应力和变形监测。 4、纤维增强胶接层板 这种纤维增强胶接层板是在木板的一面或二面胶粘一层或二层纤维增强胶接层板，以承受拉伸或压缩载荷。纤维增强胶接层板制造技术的关键是纤维增强层板和木板之问的应变匹配。纤维增强胶接层板表面的纤维增强复合材料层板具有良好的阻燃性能，一般采用拉挤工艺制备。所使用的增强材料为混杂的碳纤维和其它纤维（玻璃纤维），基体为环氧树脂体系。由于使用纤维增强胶接层板比使用钢桁架的天花板系统价格低8％，比使用传统木桁架价格低碳纤维布加固方法25％，以及可明显减少重量和减少木材的需求，纤维增强胶接层板目前发展很快，应用日趋广泛。 5、碳纤维复合力筋 力筋由编织PAN基碳纤维纱线浸渍环氧树脂而成，纤维体积含量为72%。静力拉伸试验表明，CF-FIBRA抗拉强度为1960MPa，拉伸弹性模量为225GPa(等于或略高于钢丝的值)，容重为1.58g/cm2，其延伸量只为钢的八分之一。疲劳拉伸试验表明，CF-FIBRA的抗拉疲劳极限为1174MPa，为钢丝疲劳极限415MPa的近三倍。 德国在路德维希港建成一座采用CFRP筋束施加部分预应力的全长80米的预应力混凝土桥梁。筋束制作程序是，把碳纤维束浸渍环氧树脂，拧成直径12.5毫米的索，再把19股索挤成预应力力筋。其碳纤维的比重只为钢的1/5，但价格为钢的7倍。 6、碳纤玻璃 马来西亚有许多清真寺，就是利用先进的碳纤玻璃来建造。这种建材耐久轻巧，建筑物盖起来也更快。在马来西亚这个回教国家，有越来越多造型优美的清真寺，所使用的建材，不是传统的水泥砖瓦和金属，而是含有环氧成份的碳纤玻璃。一家马来西亚与德国合资的企业，最近利用巧思，将目前大量使用在建造游艇和飞机的碳纤玻璃，拿来盖清真寺。这种先进的建材，不但重量只有传统水泥的百分之十五，还比砖瓦水泥更耐久，除了节省施工时间，建筑师在造型设计上，也能更有弹性。厂商表示，其实除了清真寺之外，这种特殊的碳纤玻璃也适用于其它建筑，未来一旦普及，将对传统建材将产生革命性的影响。 我国碳纤维生产情况 我国经过20多年自行开发，碳纤维从无到有、从研制到生产都取得一定成绩，目前可以批量生产低档的碳纤维产品，但与国外水平相比，差距较大。具体表现在：碳纤维性能不稳定；没有高性能产品；产品规格少、品种单一；碳纤维连续长度不够、产品不够规格化；大部分国产碳纤维未经过表面处理，不能用于高性能复合材料增强。LT型碳纤维将发展成为大宗产品，对推动传统材料的更新换代和产业升级有重要作用，因此应提早对LT型碳纤维进行应用研究和市场开拓，使引进的LT型碳纤维生产装置建成投产时就有相应的市场。我国目前使用碳纤维量约为1200~1550t/a，预计到2005年可能达到3000t/a左右，占世界用量的13.6%。巨大的市场潜力，供不应求的局面，必然促进我国碳纤维工业的发展。 | 
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