【《复合材料碳纤维的发展现状研究国内外文献综述》4800字】

复合材料碳纤维的发展现状研究国内外文献综述目前全球主要八个最大的制造碳纤维公司，其中日本占3个，同时日本也是全世界最大的生产碳纤维的国家。美国也拥有着生产碳纤维的技术，同样也是碳纤维耗量大国，其消费量占全球消费总额的三分之一REF_Ref57017555\r\h[12]。随着碳纤维生产技术的发展，目前碳纤维复合材料在各个领域已经得到应用，据调查显示，航空航天有应用最大，其次是工业，而在体育器械、风能、汽车方面应用相对较少，另外，还包括太阳能板、土木建筑等方面REF_Ref57018408\r\h[13]。（1）航空航天方面，由于碳纤维材料的强度和耐高温以及抗疲劳性能都是要优于铝合金，因此在早期人们就已经应用到航天当中，而航空航天是碳纤维消费最大的领域。波音787客机其一半重量都是由碳纤维制造的，使得飞机重量变得更轻，强度也更高了REF_Ref57018408\r\h[13]，燃料利用效率更好了。碳纤维重量轻、刚度大、极易加工成型、整体稳定性好，并应用于航天飞机包括机翼前缘、机舱门以及飞机机头等重要部分。为了研究航空领域中使用的复合材料的着火行为，通过设计并制造出一种煤油火焰燃烧器，该燃烧器允许用火焰对小样本的一侧进行热应力处理，从而重现发动机着火的情况。燃烧器经过优化，可达到与标准测试相同的条件，其火焰温度为1100°C，热通量为116kW/m2。在测试过程中，使用红外热像仪测量背面温度，并使用称重传感器测量质量损失。为了确定复合材料样品上火焰的对流系数以及总热通量的辐射部分的贡献，通过开发了一种原始方法。利用由火焰加热的薄钢板的热平衡。台架试验用于分析两种碳纤维增强聚合物复合材料的防火性能，第一种具有热固性基质（环氧树脂8552），第二种具有热塑性基质（聚苯硫醚）。结果显示和分析，并比较将突出显示在暴露煤油火焰的复合材料的行为方面所观察到的差异REF_Ref67472182\r\h[14]。考虑了导电碳纤维复合材料的独特性能：层不同方向性下的比电阻率和分层破坏的临界能量。同时高机械强度和低比重，使其在飞机工程中得以应用，以改善航空飞行器的战术和技术数据。导电特性的强各向异性影响电流通过碳纤维的扩散，导致材料的严重破坏。在提出的两种雷电流破坏碳纤维模型的基础上，对雷电流沿各向异性导电材料以扩展板形式传播进行了理论分析。对于第一个连续体模型，通过Greenberg方法找到了具有Neumann边界条件的Laplace方程的精确解析解。找到了复合破坏的判据，并计算了雷电流对导电材料的破坏半径和深度。根据碳纤维等效电路考虑层层破坏。考虑到材料的强烈各向异性，导致第一层释放完全能量。说明上层的破坏改变了剩余层上电流的分布REF_Ref67493247\r\h[15]。（2）风能方面行业在全球一直保持着活跃，对于碳纤维及其碳纤维复合材料的使用也在持续的增加。发电风力涡轮机可以被制造出许多种类，而轮机叶片一般大于40米，通过增加长度，发电能力也就越高，商家发现，玻璃纤维的刚性明显较低。为了提高风力发电，把碳纤维复合材料加入了电叶片的结构中，使得风电叶片质量过大的问题能够得到有效的解决REF_Ref67493499\r\h[16]。美国的一家公司声称碳纤维复合材料市场将会在风能以及天然气罐等行业中得到推广使用。（3）汽车方面，碳纤维复合材料对于在汽车行业的研究使用较缓慢，在很长一段时间都是处于探索研究当中。碳纤维复合材料的高成本通常限制了它们在汽车应用中的使用。现有对新兴材料的研究，即短切纤维增强热塑性（聚苯硫醚）有机片材，该材料在较低的材料成本和制造成本下，在室温下具有较长的保质期，其机械性能超过片状模塑料。发现拉伸和剪切性能与方向有关，而空隙含量对这些性能的影响很小。结果表明，干式预成型坯的拉伸测试可以作为筛选各向异性程度的一种方法，从而减少了对大量加工试验的需求。由于这些材料的各向异性和微观结构的差异，涵盖层压板的堆叠顺序和机械性能的可变性。利用随机机械性能的复合层压理论的蒙特卡洛模拟保守地预测了有机片层压板的机械性能REF_Ref67471202\r\h[17]。其复合材料的密度是小于钢的四分之一，但抗拉强度却是远远的超过了钢材，同时抗拉弹性也是高于钢。减轻车重是汽车制造商一直在追求探索的方向REF_Ref57274854\r\h[18]。前撑杆是麦弗逊悬架系统中常用的一种汽车零部件，通过将左、右撑杆与单根杆绑在一起，使撑杆塔上的载荷最小。通过将作用在单个支柱上的力分配到两个支柱塔上，支柱杆尽量减少了底盘的柔度，特别是在拐弯时，改善了乘坐和操纵。因此，支撑杆应刚性较好但同时较轻，以减轻车辆重量，朝着燃油效率和降低碳排放的方向发展。本研究试图设计一种轻量级碳纤维增强聚合物撑杆，以等效刚度代替常规钢筋撑杆。为验证对一个钢筋压杆模型进行试验模态分析，确定其固有频率及相应振型。将这些结果与仿真结果进行比较。后来又对CFRP的动态行为和等效振型进行了分析，并与静载试验结果进行了相关。结合不同铺层方向和叠层顺序，优化设计的碳纤维压杆在提高或保持压杆静动态性能的同时，重量减轻48%，固有频率提高40%REF_Ref67474006\r\h[19]。碳纤维增强塑料（CFRP）复合材料由于其较高的比机械性能而在汽车的承重结构中得到了越来越多的使用。但是，对于CFRP的广泛采用而言，至关重要的是要开发出坚固的连接方法，并进行适当的表面处理以最大程度地提高连接强度，并更好地理解破坏机理，以使计算模型能够支持设计。对粘合非卷曲织物CFRP单搭接接头（SLJ）进行了研究，以量化复合被粘物表面处理和堆积顺序对搭接剪切强度的影响，并评估相应的破坏机理。单次搭接剪切试验结果表明，相对于未准备的表面或喷砂处理的表面，用砂纸打磨表面可达到最高的搭接剪切强度。类似地，由于堆叠顺序减少，因此通过堆叠顺序获得的具有较高有效挠曲纵向模量的被粘物增加了搭接剪切强度，这是由于降低了I型载荷。对于具有不同堆叠顺序的CFRP粘附体，观察到了明显的破坏过程，其中层内和层间裂纹的位置由于面内应力和面外应力的变化而发生了变化。尽管如此，所有SLJ标本的最终失效事件是被粘物0°层中基质薄层的失效。SLJ标本的三维有限元分析被用来确定驱动CFRP被粘物层中观察到的破坏机制的局部应力分量REF_Ref67471140\r\h[20]。汽车车身轻量化也是现在汽车行业较热门的话题，一方面可以提高汽车的各项性能指标，另一方面也能起到节能环保的需求。研究发现如果将汽车的钢材更换为碳纤维材料，那么整车质量减轻超过40%，并且汽车的提速和转向等也会得到改善。除此之外，当今我国车辆排放的污染气体总量已经不低于4500万吨。同时这也是研发轻量化车辆方法解决低碳问题当中最为关键的环节REF_Ref57277154\r\h[21]。（4）体育领域方面，对于一些体育项目说，其器材都会有固定的质量，比如举重，大部分运动项目器材重量会要求轻一点，这样可以有利于运动员在比赛场有很好的发挥，以便获得较为理想的成绩。还有一些体育项目在比赛中会看重速度和距离，而体育材料质量在这里面有着至关重要的作用。以前科技技术不是很成熟，绝大多数运动器材都是用金属和木材来制作的，随着科技的日益完善，复合材料也得到广泛的应用，其中碳纤维复合材料更为突出，其密度小等特性，更适用来制作球拍运动器材，也更适合用来制作其它运动器材[22,23]。（5）其他领域随着科技的进步，国家对各种新型项目的研发也已经得到开展，各个新能源产业的研发也快速开展起来了，其中最具有代表是新型燃料电池。在医疗器材的使用方面也有所改善，现今随着各行各领域技术的快速发展，使得对碳纤维复合材料的使用量有了急剧增加，其中包括交通运输以及电子等。空气源热泵(ASHP)由于翅片间隙堵塞，热阻增大，其热力性能受结霜影响较大。碳纤维增强聚合物复合材料(CFRP)已成为可用于制造ASHP轻质聚合物基翅片的潜在材料。在实际应用中，需要从CFRP的有效阻热特性出发，研究其结霜和除霜性能。因此采用CFRP翅片试样，对其倾斜角、外加热流密度和表面润湿性对应的结霜除霜行为进行了实验研究。有助于了解CFRP在极端冬季条件下的热工性能。结果表明，在较高的倾角下，结霜厚度增加，结霜密度减小。对于表面处理的试样，裸CFRP试样的霜层厚度最高，其次是疏水和亲水试样。对于垂直裸露试样的除霜实验，保水率随着热流密度和倾角的增大而减小。对于表面处理的样品，由于表面润湿性，疏水样品的保留率最低，而裸样品的保留率最高，疏水样品的除霜干燥时间最低REF_Ref67471055\r\h[24]。在建筑行业由于违反信息安全性，在建筑领域中电磁干扰屏蔽的重要性正日益得到重视。这项研究调查了通过掺入碳纤维生产的高性能纤维增强水泥基复合材料（HPFRCC）的机械性能，电导率和电磁屏蔽效果。将碳纤维以0.05%、0.1%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%、1.2%、1.4%的体积添加到HPFRCC。HPFRCC的电阻率通过交流电（AC）和直流电（DC）方法进行测量，并根据MIL-STD-188-125在屏蔽室中测量屏蔽效果。表明掺有碳纤维的HPFRCC的交流电阻率与施加的电压密切相关。为了测量HPFRCC的实际电阻率，如果碳纤维含量超过渗流线（此处大于0.8%），则施加的电压应大于电流通过水泥基体中电气路径所需的最小电压。压缩强度随着碳纤维含量的增加而降低，这是由于坍落流量降低以及由此导致的HPFRCC压实效果降低所致。相对介电常数结果表明，HPFRCC的屏蔽机制可能是电磁反射，而不是碳纤维的电磁吸收。它还清楚地表明，影响HPFRCC电磁屏蔽的主要因素是碳纤维的数量，而不是碳纤维连续连接所产生的电导率REF_Ref67471654\r\h[25]。将残余变形作为抗震建筑设计的抗震性能指标越来越受到人们的关注。自定心支撑结构体系是减小大地震后残余变形的可行方案。因此提出一种外贴后张(PT-BRB)碳纤维复合索(CFCCs)屈曲约束支撑(BRB)的替代形式。支撑的钢芯被用作耗能器，而CFCC提供了自定心力，以尽量减少残余层的漂移。设计、制作和循环测试了三个证明概念的试件在不同的后张力水平。对包括锚固系统在内的获得循环响应的CFCC行为进行了密切的考察。进行了参数研究，以揭示PT-BRB不同构型对其非弹性响应的影响。进一步讨论最优支撑参数实现设计建议。结果表明在建筑框架中实施部分自复位防屈曲支撑可导致目标残余位移。对于拟采用的PT-BRB，在美国钢结构协会(AISC)2016年抗震规定中规定的加载方案下，均获得了稳定的性能REF_Ref67481729\r\h[26]。碳纤维复合材料这些优异的性能，使得其在市场中占有重要的位置，在社会各行业的需求量逐步增加，因此国内对碳纤维材料的也是日益增加，而且对碳纤维材料的消耗增速已经超越全世界的平均增速，由此可以看出，我国对碳纤维复合材料的需求量必然会成为世界上的大国，同时也可以大大地增强我的国力。全球碳纤维市场的需求预测如图1-1所示[27-30]。图1-1全球碳纤维市场需求预测碳纤维复合材料在国外各领域应用最为广泛，由于国外的优良性能的制造设备，使得国产碳纤维的质量与国外同规格产品相比有不小的差距，这种制造工艺同样对于碳纤维布的织造有着重要的影响，对于改良国内织机设备有着积极的作用。参考文献2020年中国纺织业市场现状及发展前景预测分析[J].网印工业,2020(08):12-13.高波,徐自立.碳纤维及其复合材料的发展和应用[J].机电产品开发与创新,2010,23(04):37-39.师昌绪.关于构建我国“新材料产业体系”的思考[J].工程研究-跨学科视野中的工程,2013,5(01):5-11.干勇.制造强国三大基础要素——新型信息技术、新材料和技术创新体系[J].智慧中国,2018(06):56-59.孙镇镇.碳纤维及复合材料产业化发展及回收研究[J].中国粉体工业,2020(03):13-16.邢丽英,冯志海,包建文,礼嵩明.碳纤维及复合材料产业发展面临的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