碳纤维复合材料在建筑材料与检测中的应用

碳纤维复合材料是近二十年才发展起来的新型结构材料,碳纤维可与树脂、塑料、陶瓷、玻璃、金属等多种材料形成复合材料。碳纤维复合材料的特点是强度高,质量轻,刚性好,抗疲劳性能好。其主要作为减重结构材料和烧蚀放热材料应用于航天航空,也广泛用于机械和汽车工业、体育用品及生物材料。

1.碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)

CFRP密度低,具有比玻璃钢更高的比强度和比模量,比强度是高强度钢和钛合金的5～6倍,是玻璃钢的2倍,比模量是这些材料的3～4倍。因此,CFRP在航天工业中作为主结构材料,如航天飞机有效荷载门、副翼、垂直尾翼、主起落架门、内部压力容器等都是采用CFRP,为此航天飞机可减重达2t之多。另外,空间站大型结构桁架及太阳能电池支架也采用CFRP。

2.碳/碳复合材料(C/C)

碳/碳复合材料(C/C)是由碳纤维及其制品(碳毡、碳布等)增强的碳基复合材料。C/C的组成只有一个元素——碳,具有碳和石墨材料所特有的优点,如低密度和优异热性能,如耐烧蚀性、抗热震性、高导热性和低膨胀系数等;同时,还具有复合材料的高强高模量等特点。C/C的另一重要的性能是其优异的摩擦磨损性能。C/C与人体的生物相容性良好。

3.碳纤维增强金属基复合材料(CFRM)(www.xing528.com)

碳纤维增强金属基复合材料具有高比强度、高比模量、耐高温、热膨胀系数小、导热率高和抵抗热变形能力强等一系列优异性能。碳纤维增强铝不仅比铝合金的强度高,而且使用温度也有了大幅度的提高,即使到了500K 左右仍可保持90%左右的拉伸强度。碳纤维增强铝具有优异的疲劳强度,即使疲劳循环107次,仍可保留63%～84%的疲劳强度。

4.碳纤维增强陶瓷基复合材料(CFRC)

陶瓷的致命弱点是脆性,用碳纤维增强陶瓷可有效改善韧性,改变了陶瓷的脆性断裂形态,增加了韧性。纤维还阻止裂纹迅速扩展、传播。碳纤维增强陶瓷基复合材料具有较高强度,机械冲击性能、热冲击性能得到改善,断裂韧性有了大幅度提高。与普通陶瓷相比,其弯曲强度提高了5倍左右,断裂韧性提高了数百倍。

5.碳纤维增强橡胶复合材料(CFRR)

碳纤维增强橡胶复合材料在相同弯曲条件下,使用寿命与普通橡胶相比得到了大大的提高。橡胶的热传导率比碳纤维的小两个数量级。用碳纤维增强橡胶后,碳纤维在碳纤维增强橡胶复合材料中形成传热网络,摩擦热可散逸,从而改善了热性能,特别是热疲劳。