時間：2023-03-13 11:25:41
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1.高溫熱解法熱解法是當今唯一已經實現商業化運營的碳纖維增強復合材料的回收方法，這種工藝是在高溫下使復合材料進行降解，以得到表面干凈的碳纖維，同時還可以回收部分有機液體燃料。日本在福岡縣興建的中試廠，每年可處理碳纖維復合材料廢棄物60t。意大利的Karborek等開發了一種在加熱過程中碳纖維不會被碳化的工藝技術，可得到的比原始纖維長度較短的碳纖維[4]。從2003年，英國的MilledCarbonFiberLtd.開始回收加工碳纖維復合材料，是全球首家商業運營的專業回收公司。他們利用一套長達37m的熱分解設備，每年大約可處理2000t的廢棄碳纖維復合材料，所生產的再生碳纖維的產量為1200t。其處理方法是在無氧狀態下加熱碳纖維復合材料廢棄物，保持溫度在400～500℃之間，得到的清潔碳纖維可具有90%～95%原始纖維的力學性能，同時分解出的熱解氣或熱解油也可用作熱分解的加熱能量[5]。美國AdherentTechnologiesInc(ATI)發明了一種低溫、低壓的碳纖維復合材料熱分解工藝，檢測表明，用這種方法回收并處理后碳纖維的表面基本上沒有受到損傷，碳纖維強度比原始纖維降低約為9%左右[6]。丹麥的ReFiber公司通過在無氧環境條件下，在溫度為500℃的旋轉爐中將碳纖維復合材料氣化，成功地用高溫熱解法回收了復合材料風機葉片。德國的KarlMeyer再生材料公司開發的一種在加熱爐中通入保護氣體用以隔絕氧氣的新工藝，可使碳纖維復合材料分解后碳纖維基本沒有受到損傷。在這項工藝的研究中，該公司得到了陶氏化學公司和眾多研究所的技術支持和幫助，目前研制成功的試驗裝置已經正式投入了營運[7]。值得注意的是，采用高溫熱解法雖然可以得到比較干凈、長度較短的碳纖維，同時分解的復合材料的產物還可用作燃料或其他用途，但是碳纖維由于受到高溫和表面氧化等作用，碳纖維的力學性能降低的幅度比較大，這將使碳纖維的再利用受到一定的影響。
2.流化床熱分解法流化床熱分解法是一種采用高溫的空氣熱流對碳纖維復合材料進行高溫熱分解的碳纖維回收方法，通常這種工藝還采用旋風分離器來獲得填料顆粒和表面干凈的碳纖維。英國諾丁漢大學對于流化床熱分解工藝方法進行了系統研究，結果表明這種方法特別適用于那些含有其他混合物及污染物碳纖維復合材料報廢零部件的回收和利用[8]。Jiang等研究了在流化溫度500℃、流化速率1m/s、流化時間10min試驗條件下得到回收纖維的表面特征，表面分析表明，碳纖維原始表面上的羥基(-OH)轉變為氧化程度更高些的羰基(-C=O）和羧基（-COOH)，但其表面的氧/碳不變，而且碳纖維表面這種變化不影響回收纖維和環氧樹脂之間的界面剪切強度[9]。Yip等用溫度450℃的流化熱流，其速率為lm/s、流化床上砂粒的平均粒度為0.85mm的條件下，對碳纖維復合材料進行熱分解試驗，回收得到的碳纖維長度為5.9～9.5mm。試驗表明，回收纖維的拉伸強度約為原纖維的75%，而彈性模量基本上沒有變化，因而回收得到的碳纖維可部分或全部取代原始短切碳纖維；并且原始碳纖維長度越長，回收得到的碳纖維的長度也越長[10]。大量的試驗研究結果表明，流化床熱分解造成碳纖維拉伸強度降低的主要影響因素是砂粒對纖維表面由于摩擦作用造成了一定的損傷，而且碳纖維與旋風分離器壁的摩擦也造成了碳纖維表面的破壞。因此，雖然用流化床分解法回收可得到比較干凈的碳纖維，但由于這種工藝受高溫、砂粒磨損等影響，導致了碳纖維長度變短和碳纖維力學性能下降，因而也將影響所回收碳纖維的實際應用范圍。
3.超/亞臨界流體法當液體的溫度及壓力處于臨界點或臨界點的附近時，液體的相對密度、溶解度、熱容量、介電常數及化學活性等各種性質都將會發生急劇的變化，從而使液體具有很高的活性、極強的溶解性、特異的流動性、滲透性、擴散性等性質，人們正是利用超/亞臨界液體的這些特性，利用它們具有對于高分子材料的獨特溶解性能來分解碳纖維復合材料，在期待能最大限度地保留碳纖維的原始性能的前提下，獲得到干凈的碳纖維。PineroHemanzR等研究了在超臨界水中碳纖維增強環氧樹脂復合材料的分解過程。試驗表明，在673K、28MPa下經30min反應，環氧樹脂的分解率為79.3％，當加入氫氧化鉀（KOH）催化劑，環氧樹脂的分解率達到95.3％，而且所得到的碳纖維的拉伸強度能夠保持為原始纖維的90％～98%[11]。XiuFR等在在固體與液體比例為1∶10～1∶30g/mL的條件下，經過在溫度300～420℃時分別反應30～120min后，研究了廢棄印刷電路板在超臨界甲醇中的分解機理。試驗結果分析表明，上述條件下分解的主要產物為含苯酚和甲基苯酚衍生物，并且發現當反應的溫度提高時，甲基苯酚衍生物的含量有所增加[12]。Liu等系統地研究了溫度、壓力、時間、催化劑及樹脂與水的比例這些因素對于復合材料分解的影響，表明原材料與水的比例對環氧樹脂的分解影響不大，而對于分解影響比較大的因素是分解反應的溫度、時間和壓力。同時，試驗結果還表明，當原料比為1g復合材料∶5mL水時，在溫度為290℃、經過75min反應后，環氧樹脂的分解率可高達到100%[13]。Bai等研究了在30±1MPa和440±10℃條件下，氧化的超臨界水對碳纖維增強環氧樹脂的分解過程，結果表明在樹脂的分解率為85%時，碳纖維的表面上仍然有少量的環氧樹脂存在；而當樹脂的分解率達到96%時，在碳纖維的表面上已經基本上沒有樹脂的殘留。所獲得的碳纖維力學性能測試表明，隨著樹脂分解率增加，碳纖維的拉伸強度也進一步下降，分析認為這是由于回收的碳纖維的表面發生了過度氧化所致[14]。日本的Okajima等在400℃、20MPa、45min的試驗條件下，用2.5%碳酸鉀(KCO3)作催化劑，在超臨界狀態下環氧樹脂的分解率為70.9%，而且得到的碳纖維的拉伸強度比原始纖維下降了15%[15]。英國諾丁漢大學的Pickering研究團隊在超臨界狀態下研究了水、二氧化碳，甲醇、乙醇、丙醇和丙酮等多種溶劑對于碳纖維復合材料的分解作用，結果表明丙醇的溶解作用最好。試驗結果表明，用超臨界丙醇回收的碳纖維的拉伸強度和剛度的是原始纖維99%；同時，研究還表明，甲醇和乙醇對聚酯類樹脂的溶解效果比較好，而對環氧樹脂的溶解效果比較差，而丙醇可很好地分解環氧樹脂復合材料[16]。我國哈爾濱工業大學的白永平等在超臨界水中通過添加氧氣，使分解速度大大提高，而且回收得到的碳纖維的強度幾乎沒有下降[17]。
二、CFRP的回收存在的主要問題
由于熱固性塑料經過固化處理后，其內部交聯成一種網狀結構的穩定狀態，因而具有了不溶于各種溶劑，在加熱過程中也不會熔化的特性，長期放置或掩埋也不會分解。因此，熱固性復合材料廢棄物的回收早在20世紀90年代初就已經受到學術界和工業界的高度關注，然而到目前為止，雖然有一些工藝和設備已經投入生產應用，但大部分的研究還處于試驗階段。從國內外目前碳纖維回收技術來看，碳纖維復合材料的回收原料主要以生產廢料和損壞或淘汰的復合材料零部件等，因而對于不同種類的碳纖維復合材料廢料分類回收還沒有系統化；當前大量采用的熱融化樹脂制取碳纖維絲束，導致碳纖維性能大大降低，其性能和價格在市場上沒有競爭力；其他一些方法雖然可將碳纖維從復合材料中分離出來，但由于纖維變短和性能下降，同時還會產生環境污染，因而還有待進一步研究與完善[18]。近年來，各工業大國都在進行碳纖維復合材料廢棄物的回收與再利用研究，以開發出高效、經濟和可行的碳纖維回收利用技術，主要研究集中在粉碎碳纖維增強塑料、熱分解碳纖維復合材料、催化分解碳纖維復合材料、流化床回收碳纖維復合材料等回收工藝技術和再利用技術。如康隆(Cannon)公司參與了歐洲一個碳纖維回收再循環利用的項目，用回收的碳纖維絨毛或碳纖維氈加工復合材料部件，由于這些回收再利用碳纖維大約是原生材料價格的一半左右，而且其力學性能可達到全用新碳纖維制造部件的85%，因而經濟效益非常可觀。
最近,德國的KarlMeyer再生材料公司在特殊的加熱爐中采用保護氣體的裝置回收碳纖維，所得到的碳纖維在外觀上與新碳纖維差別不很大，但纖維的長度比較短，而且強度也有所下降，由于其價格比新碳纖維低廉，因而可以用機內飾或其他的復合材料部件。另據報道，波音787夢想飛機將用50%碳纖維材料制造，寶馬2款新車型的客艙用碳纖維制成，為此2公司簽訂了碳纖維復合材料回收利用研究的技術協議。再如，美國諾丁漢大學和波音公司計劃每年投資100萬美元，共同研究所有復合材料回收利用技術，主要進行碳纖維回收工藝研究過程、回收碳纖維重新應用等[19]。但到目前為止，這些開發工作還沒有進入實質性的研制階段，因而真正實現產業化回收和利用還尚需時日。碳纖維復合材料的回收和再利用具有多方面的經濟效益，碳纖維回收和再利用不僅可以實現高價值材料的再利用，而且碳纖維復合材料部件回收和再利用可大大減少能源消耗和環境污染。但是，目前碳纖維復合材料回收和再利用仍面臨著許多問題，如碳纖維復合材料廢棄物的收集和分類比較困難；廢棄物回收和再利用的工藝技術還不十分成熟，大多數新研制的工藝技術仍停留在實驗室階段，最終實現商業化生產還需要做很多工作；目前雖然已建有回收碳纖維復合材料的公司并可生產再生碳纖維，但再生碳纖維的利用還受到各種因素的限制，如其力學性能不穩定就難以為用戶接受，也難以在要求性能較高的零部件上應用。
三、結語
關鍵詞：碳纖維；復合材料；力學性能
本文以碳纖維增強熱塑性樹脂基復合材料為研究對象，對相關的概念和內容進行了梳理和總結。其中概括了碳纖維的性質性能，對復合材料的概念進行了闡述，最后對碳纖維增強熱塑性樹脂基復合材料的力學性能作了詳盡的分析說明。
1.關于碳纖維增強熱塑性樹脂基復合材料的概述
⑴復合材料的概念：面對傳統、單一組分的材料已經難以滿足現在應用需要的現實狀況，開發研制新材料，是解決這個問題的根本途徑。運用對材料改性的方法，來改善材料的性能是可取的。而材料改性的方法中，復合是最為常見的一種。國際標準化組織對于復合材料的概念有明確的界定：復合材料是指由兩種或兩種以上不同化學性質和物理性質的物質組成的混合固體材料。它的突出之處在于此復合材料的特定性能優于任一單獨組分的性能。⑵復合材料的分類簡介：復合材料的有幾種分類，這里不作一一介紹。只介紹兩種與本論文相關的類別劃分。如果以基體材料分類，復合材料有金屬基復合材料；陶瓷基復合材料；碳基復合材料；高分子基復合材料。本文討論的是最后一種高分子基復合材料，它是以有機化合物包括熱塑性樹脂、熱固性樹脂、橡膠為基體制備的復合材料。第二，如果按增強纖維的類別劃分，就存在有機纖維復合材料、無機纖維復合材料、其他纖維復合材料。其中本文討論的對象屬于無機纖維復合材料這一類別，因為碳纖維就是無機纖維復合材料的其中一種。特別值得注意的是，當兩種或兩種以上的纖維同時增強一個基體，制備成的復合材料叫做混雜纖維復合材料。實質上是兩種或兩種以上的單一纖維材料的互相復合，就成了復合材料的“復合材料”。
2.纖維增強樹脂基復合材料的性能特點
纖維增強樹脂基復合材料是指以高分子聚合物為基體材料，用纖維作增強材料復合制備而成的。基體材料和增強材料必然各自發揮自己的優勢作用。之所以用纖維作增強材料是因為纖維具有高強度和高模量的優點，所以是承載體的“不二人選”。而采用高分子聚合物作基體材料，是考慮其良好的粘接性能，可以將纖維和基體牢固的粘連起來。不僅僅如此，基體還需發揮均勻分散載荷的作用，通過界面層，將載荷傳遞到纖維，從而使纖維承受剪切和壓縮的載荷。當兩者存在良好的復合狀態，并且使結構設計趨于最佳化，就能最大程度上發揮復合材料的綜合性能。⑴抗疲勞性能好：所謂疲勞破壞指的是材料在承受交變負荷時，形成裂縫繼續擴大而引起的低應力破壞。纖維增強樹脂基復合材料的疲勞破壞的發生過程是，首先出現裂縫，繼而裂紋向進一步擴大的趨勢發展，直到被基體和纖維的界面攔阻。在此過程中，纖維的薄弱部位最先被破壞，隨之逐漸擴延到結合面。因此，纖維增強樹脂基復合材料在疲勞破壞前存在明顯的征兆，這與金屬材料的疲勞發生截然不同。這也是它的抗疲勞性能好的具體表現。⑵高溫性能好：纖維增強樹脂基復合材料具有很好的耐熱性能。將材料置于高溫中，表面分解、氣化，在吸熱的同時又冷卻下來。材料在高溫下逐漸消失的同時，表面又有很高的吸熱效率。這些都是材料高溫性能卓越的物理特征。⑶高比強度和比模量：纖維增強樹脂基復合材料具有高比強度和高比模量的特征。甚至在和鋼、鋁、鈦等金屬材料相比，它的力學性能也十分出色。這種材料在宇航工業中，受到極大的應用。⑷安全性能好：纖維增強樹脂基復合材料中分布的纖維數量巨大，并且密度強，用數據來說明的話，每平方厘米的復合材料上的纖維數量少則幾千根，多則達到上萬根。即便材料超負荷，發生少量纖維的斷裂情況，載荷也會進行重新分配，著力在尚未斷裂的纖維部分。因此，短時間內，不會影響到整個構件的承載能力。⑸設計的可操作性強：當復合材料需要符合性能和結構的設計需求時，可以通過很多方法來實現。包括改變基體和纖維的品種，調整它們的含量比例，也可以通過調整纖維的層鋪結構和排列方式來實現。因此，可以說，纖維增強樹脂基復合材料有很強的設計可操作性。⑹成型工藝簡單易成：成型工藝過程十分簡單易成，因其制品大多都是整體成型，無需使用到焊接、切割等二次加工，工藝流程簡單好操作。一次性成型不僅可以減少加工的時間，同時減少了零部件、緊固件、接頭的損耗，使結構更趨于輕量化。⑺減震性能好：高的自振頻率可以對工作狀態下的早期破壞起到規避和防范的作用。自振頻率和材料比模量的平方根成正比，和材料結構也息息相關。纖維增強樹脂基復合材料的基體界面和纖維因為具有吸振能力，所以能夠起到很好的減震效果。
3.碳纖維增強熱塑料樹脂基復合材料中碳纖維的性質
⑴對纖維的分類：纖維存在有機纖維和無機纖維之分。增強纖維共有五大類別，分別是：硼纖維、碳纖維、碳化硅纖維、氧化鋁纖維以及芳綸纖維。除最后一種芳綸纖維以外，其他四種都屬于無機纖維。碳纖維是五大纖維之冠，是增強纖維中最有活力的一種。碳纖維復合材料種類很多，但是應用最廣泛的還要屬碳纖維增強樹脂基復合材料。⑵碳纖維的性質和性能：碳纖維是纖維狀的碳素材料，它的性質包括導熱、導電、耐溫、耐磨、比重小且耐腐蝕性等。除此之外，它的性能也相當突出，具有熱膨脹系數小、抗震動衰減、自性以及防原子輻射等。因為碳纖維的纖維屬性，因此可以對其編制加工，纏繞成型。利用纖維狀直徑細的特點，是制成復合材料雜曲面構件部件的絕佳材料。碳纖維能夠成為最有活力的增強纖維，它密度低，抗拉伸強度可以和玻璃纖維比肩，而碳纖維的彈性模量卻是后者的4到5倍。在惰性氣氛中，碳纖維的抗拉強度隨溫度的升高而攀升，表現出極佳的性能。因此，不得不說碳纖維是復合材料增強纖維的首選。⑶碳纖維的力學性質：碳纖維的力學性質主要通過軸向抗拉模量來體現。當熱處理溫度上升，碳纖維的模量隨之攀升。細直徑纖維在預氧化過程中，發生碳化，產生很多排列整齊的餓表皮結構。這些結構對碳纖維模量的增加又起到推波助瀾的作用，促使它的模量進一步提高。碳纖維模量的變化趨勢以施加負荷的方式作為判別標準，不是隨應變的增加而增加，就是隨應變的增加而下降，無非是這兩種情況。
4.纖維增強熱塑性樹脂基復合材料的力學性能研究
關鍵詞：輕量化；碳纖維復合材料；性能；汽車B柱
1 概述
近年來，我國汽車工業得到了快速的發展，汽車產銷量位居世界第一，汽車工業已成為我國經濟發展的支柱產業。汽車給我們的出行帶來了便利，但也造成了環境污染等問題。在全球溫室效應、能源危機和環境污染等日益嚴重的情況下，節能與環保成為擺在世界各國面前最重要的命題[1]。目前，汽車行業面臨的挑戰是，為了汽車工業的可持續發展，必須減少環境污染、節約資源。為應對挑戰各國都開始研究和開發新能源汽車，就現階段技術而言，汽車輕量化是實現降低油耗和減少排放的有效途徑。有試驗表明，汽車總體重量減輕10%，可提高6%-8%的燃油效率。降低1%汽車重量可降低0.7%的油耗[2]。由此可見汽車輕量化對于節能與環保有顯著效果，使其成為我國汽車行業大力發展的趨勢。對于乘用車來說，車身占整車質量的40%-60%[3]，對于汽車油耗來說，約70%的油耗是用在了車身質量上，因而車身的輕量化對于整車的節能、減排具有更為顯著的作用。
2 碳纖維復合材料汽車B柱模型建立
文章采用等代設計方法建立碳纖維復合材料汽車B柱模型，通過Hypermesh對B柱模型完成幾何清理并采用四面體單元劃分網格，網格大小10mm。將畫好網格的B柱導入ABAQUS進行碰撞分析。
碳纖維復合材料B柱鋪層方式為[0/45/90/-45]，鋪層層數為18層，每層厚度0.33mm。復合材料單向層合板的力學性能如表1所示。其中p為密度，E1、E2分別為單向層合板的縱向、橫向彈性模量，u12為泊松比，G12為剪切模量，Xt、Xc為縱向拉伸、壓縮強度，Yt、Yc為橫向拉伸、壓縮強度，S為剪切強度。
3 碳纖維復合材料汽車B柱性能分析
以碳纖維復合材料汽車B柱的質量、入侵量、吸能為響應分析碳纖維復合材料汽B柱的綜合性能。并與金屬材料汽車B對比分析，與金屬材料汽車B柱相比碳纖維復合材料汽車B柱重量降低約33%，最大入侵量比金屬材料汽車B柱小12%，吸能效果也比金屬材料汽車B柱好。
參考文獻
[1]馬鳴圖，易紅亮，路洪洲，等.論汽車輕量化[J].中國工程科學，2009，11（9）：20-27.
[2]Joseph C， Benedyk K. Light metals in automotive applications[J].Light Metal Age，2000，10（2）：34-35.
【關鍵詞】碳纖維；混凝土結構；加固
碳纖維復合材料包含的方面又很多，其中主要有碳纖維、芳綸纖維以及玻璃纖維等，這些都是我們生活中經常用到的，而且它們都具有輕質、高強、耐腐蝕等特點。因此在80年代初，人們也將其作為主要的工程施工材料廣泛的應用在工程施工中。碳纖維材料起初主要用于軍事、航天、船舶等工程當中，并且取得了不錯的效果，后來隨著科學技術的不斷發展，人們在原有的基礎之上對其進行完善和改進，從而擴展到土木工程施工中來，對混凝土的修復和加固工作有著十分重要的意義。
1.碳纖維復合材料的特點及力學性能
碳纖維是當前工程施工中的一種新型的施工材料。它具有良好的物理力學性能，這也是當前用途最廣，性能最好的纖維材料。它在土木工程結構當中，有著極強的補強作用，可以對混凝土結構進行合理有效的修復和加固，從而提高土木工程的結構強度。目前，由于我國的碳纖維生產技術比較落后，因此在進行使用的時候，一般都是采用國外進口的碳纖維片。這種碳纖維片有很多種，其中比較常見的有：單向片、單向織布、雙向織布等，這些也是我們工程施工中常用到的施工材料。
當前，在土木工程中應用的最為廣泛的碳纖維復合材料就是碳纖維增強塑料，這種材料在制作過程中，對其物理力學性能有著十分嚴格的要求，而且在施工性和耐久性方面也有著相應的施工指標。
碳纖維增強塑料的質地比較輕，而強度比較高，經相關測試，碳纖維增強塑料的結構強度要超過普通施工鋼材的好幾十倍。而且它本身具有的彈性模量和建筑施工鋼材相比，碳纖維增強彈性模量更強，耐久性和耐腐蝕性也比一般的建筑施工材料要強。由此可見，這種碳纖維復合材料，有著極強的物理力學性能，有利于土木工程結構的加固與修復，極大程度上保障土木工程的質量。
2.碳纖維增強塑料在土木工程中的應用現狀
2.1國外應用現狀
目前在工程施工中，人們也開始嘗試著將碳纖維材料加入到混凝土當中，從而制成碳纖維混凝土，應用到工程項目當中，并且取得了不錯的效果。這種主要是將碳纖維的長絲制作成和鋼筋一樣的棒材，在混凝土施工中，將其用來代替鋼筋，從而形成一種新型的結構材料，這種碳纖維混凝土主要用在一些大型工程結構建設當中。而且在大型的土木工程建設的時候，人們將碳纖維材料加工成繩狀，將其作為工程施工的拉索結構，不過這種方法并沒有對錨具連接的問題進行很好的解決，但是在土方工程施工中，仍然在應用。而碳纖維混凝土在混凝土工程施工建設中強度比較高，而且具有極強的耐久性和耐腐蝕性，這也對混凝土的開裂現象進行了有效的控制，從而提高了土木工程的施工質量。
在上個世紀80年代，發達國家就已經開始將碳纖維材料應用到混凝土結構當中，從而增強混凝土的物理力學性能，并且在90年代初期，發達國家就將其碳纖維混凝土材料廣泛的應用到各個工程施工領域當中，而且更具碳纖維優異的物理力學性能，使的許多工程設施的結構質量都有著大幅度的提高。目前，國外發達國家不但將碳纖維施工技術應用到各個領域，還對其施工生產技術掌握得十分成熟，而且現在有許多施工單位將這種碳纖維施工材料，應用到了土木工程當中，并且為社會建設提供了良好的條件。
2.2國內應用現狀
碳纖維加固修補混凝土結構技術在我國起步較晚，但最近幾年系統地對碳纖維用于加固修補混凝土結構技術的研究也呈現不斷發展的趨勢，最初僅有國家工業建筑診斷與工程技術研究中心一個單位，相繼有清華大學、同濟大學、天津大學、東南大學、大連理工大學等十余家高等學校和科研設計單位嘗試地進行過國產和進口碳纖維織物加固混凝土構件主要包括板、梁、柱等的模型實驗、加固施工工藝及加固性能評價等方面的研究，已經取得了實質性成果，并在工業與民用建筑、橋梁與隧道以及公路工程中得到具體的應用，收到了良好的效果，現在部分單位著手從事纖維增強材料加固混凝土結構規范的研究。該課題已列入建設部研究開發課題及國家科技部“九五”重點攻關課題。目前這項工作還處于剛剛起步階段。自1997年5月，國家工程中心已制作了一些試件，分為20余個工況，取得了構件抗彎、抗剪和抗壓等一些有價值的實驗數據，進行了多項工程的試點與推廣。相信碳纖維增強材料在國內將有廣闊的發展前景。
3.目前存在的問題
3.1力學研究方面存在的問題
碳纖維加固混凝土結構的技術是得到國際上普遍認同的開發熱點，其力學研究已經取得了很大的進展，然而，截止目前這方面工作還存在一些問題：（1）盡管對加固結構的力學性能進行了一些試驗研究，但是系統的理論分析和數值計算研究卻很有限。而這對于創立和發展這種嶄新的加固技術是必不可少的。（2）碳纖維加強混凝土結構的破壞模式，如鋼筋屈服-碳纖維斷裂破壞、鋼筋屈服-混凝土壓碎、混凝土受壓破壞和碳纖維板于混凝土面的黏結破壞等各類破壞特性，尚需深入研究。（3）盡管對碳纖維加強構件的彎曲、剪切延性、剛度能力等幾方面性能分別進行了實驗研究，但有關它們的綜合因素對加固材料的登記、數量以及施工工藝的影響的研究尚欠缺。（4）有關疲勞和抗震性能的研究不足，這對于評價加固結構的綜合性能，預測其二次壽命至關重要。（5）碳纖維加強構件與結構其它部分或整體的協調性如何，荷載的重分布而引起的局部破壞可能、連接點的削弱程度等，尚待研究。
3.2尚待解決的技術關鍵
材料的國產化問題。盡管國外已有多種定型的碳纖維材料產品，但國內的大規模開發應用不能完全依賴于進口產品，從降低成本及發展民族工業來講，國產化是必須的條件，目前國內的PAN基碳纖維強度一般在2000～3000Mpa之間，彈性模量在2.1x105Mpa左右，其性能基本滿足加固要求，但在預浸料的生產和加工成品的質量方面仍有較大的欠缺，均勻性也較差。因此材料的國產化問題是一個關鍵問題。
碳纖維加固修補使用的技術方面的問題，這主要體現在國內相應標準與規程的制定上，盡管國外一些國家已有了較完善的標準和規程，但并不適合我國，我們應及早制定出自己的標準和施工指南，包括材料生產、使用、檢驗、加固設計、計算、工程施工與驗收的一系列標準化工作。
不過自碳纖維加固修復混凝土結構技術研究開發成功后，給土木建筑領域加固改造技術帶來重大變革，采用碳纖維加固修復混凝土結構技術將比以往從傳統的技術更優越、更有效率和更方便經濟，可以解決傳統的加固方法不能解決的技術問題，具有重大的經濟和社會效益。碳纖維加固修復混凝土結構技術研究開發成功，將為碳纖維材料及其它高性能纖維材料應用于建筑業打下深厚的基礎，開辟了新的產業途徑。
4.結束語
由此可見，碳纖維復合材料由于具有優異的特性，在土木工程中得到的廣泛的應用。它不但對土木工程中的混凝土結構有著良好的加固修復功能，延長了混凝土結構的使用壽命，還極大程度上推動了土木工程的發展，為是我國的經濟建設打下了扎實基礎。
【參考文獻】
關鍵詞：復合材料車體；輕量化；軌道交通；成型工藝
碳纖維復合材料具有比強度高、比剛度高、耐腐蝕、抗疲勞、可設計性強、方便整體成型等特點，在航空、航天等領域已經獲得成熟應用。隨著高速鐵路的快速發展，對車體輕量化的需求也越來越明顯，應用復合材料制造的車體，具備重量輕、強度高、剛性大等特性，在有效地較低車體重量的同時，也提高了車體運行的平穩性和穩定性。
復合材料是一種各向異性的材料，在設計過程中具有很強的靈活性，設計人員可以從選材、成型工藝、結構設計等方面綜合考慮，充分發揮復合材料比強度、比模量高的特性，在滿足強度要求的同時，通過結構的優化計算，減少材料的使用，從而達到減重、降低成本的目的，為復合材料在軌道車輛領域的應用提供了可能。
復合材料車體和金屬車體相比存在一些需要解決的問題：碳纖維復合材料成本比較高、工藝成型技術水平要求高；復合材料車體需要達到和金屬車體一樣的防火要求，泡沫、樹脂、預浸料要做防火處理；復合材料車體需要考慮車體接地和電氣設備接地問題；車體大部件之間的連接方式要考慮滿足車體強度、使用壽命、整體密封等要求；復合材料車體應避免開孔，或者避免在碳纖維連續傳力的區域開孔；復合材料車體小件需要選擇合適的連接方式。
1 國內外復合材料車體應用概況
復合材料除廣泛用于航空航天領域外，在軌道車輛制造業也有一定的應用。有些國家已將復合材料廣泛地應用到軌道車輛上，如法國國營鐵路公司（SNCF）使用復合材料O計出了TGV雙層掛車，對其耐火性、抗沖擊強度進行了運行試驗，證實了復合材料車體制造工藝是有效的，實現了CFRP車體結構的重大突破。韓國TTX碳纖維復合材料整體車身也于2010年投入運營。Schindler Waggon公司應用玻纖或碳纖維纏繞制成的輕型承載結構車體在聯邦鐵路線上進行運行試驗，運行速度達到140km/h，也達到了滿意的效果。德國AEG和MBB與德國聯邦鐵路合作開發的世界上第一個復合材料轉向架構架，在運營了100多萬公里后未檢測出任何磨損及損壞，與原結構相比不僅重量大大減少，同時也提高了運行舒適度、降低了檢修成本。此外，復合材料在車廂內飾件以及車頭前端領域的應用也比較廣泛。
國內復合材料在軌道交通中應用還處于試驗階段，主要應用還受限于車頭前端和車廂內飾件，復合材料在整車的應用上還處于研究階段。
2 材料性能和成型工藝
碳纖維復合材料車體各部件主要采用碳纖維-芯層結構（類似于三明治結構），碳纖維-芯層結構主要由兩層碳纖維蒙皮中間加入泡沫或蜂窩夾芯組成，碳纖維-芯層結構不僅具有質量輕、彎曲剛度和強度大，還具有耐疲勞性、隔音隔熱等優點。在車體設計時，需要根據車體結構承載要求，在夾層內部預埋縱、橫加強梁，或者在承載區域做局部加強，在不承力區域可以做適當減薄處理。
復合材料成型工藝主要有手糊成型、噴射成型、拉擠成型、纏繞成型、真空熱壓罐成型及真空導入成型等成型工藝。手糊成型雖然工藝簡單、價格相對比較便宜，但是由于生產效率很低、質量不穩定等因素不適于生產結構件。噴射成型為使用短切纖維和樹脂經過噴槍混合后，壓縮空氣噴灑在模具上，然后經過按壓固化成型，可用于制造過程中的過渡層。拉擠成型適合于生產各種截面形狀的型材，如工字型、槽型等截面型材。纏繞成型可用于制造圓柱體、球體、筒形等回轉體結構。真空熱壓罐成型工藝，需要將預浸料在磨具中按照設計要求鋪好后，送入熱壓罐中加溫加壓固化成型。這種成型工藝方法生產的產品韌性好、結構強度高、尺寸精度較高、工藝穩定性好，但是對溫度控制、設備成本、工藝水平等要求比較高，制造成本比較昂貴，所以此種成型工藝只適用于制造車體的一些承力件，比如底架邊梁、牽枕緩結構。真空袋壓成型工藝的特點是既能獲得相較于手糊工藝的高強度重量比和尺寸精度，同時和熱壓罐成型工藝相比制造成本相對較低，所以此種方法適合于車體大部件的設計。
以車體底架為例，車體底架整體采用復合材料夾層結構，選用熱壓罐成型工藝，成型步驟如下：模具準備；底架上蒙皮鋪貼；底架上蒙皮固化成型；加入包裹膠膜的泡沫，同時可以加入預埋金屬件或復合材料預制件；泡沫與底架上蒙皮整體成型；在泡沫結構上鋪貼底架下蒙皮；整體固化。
3 復合材料車體關鍵問題研究
3.1 防火要求
復合材料選用的材料，如預浸料、樹脂、粘接劑、泡沫，要滿足軌道車輛的防火要求，如果選用的樹脂、預浸料，不滿足防火要求，需要加入防火材料，滿足整體的防火要求。
3.2 接地和電磁兼容要求
金屬車體可以導電，所以只需要將車體上的接地設備先連接到車體上，通過車體連入轉向架輪對導入大地，復合材料車體為不良導體，需要對設備統一做接地處理，可以考慮在夾層內部預埋銅板，然后在設備需要接地的位置通過螺栓連接到銅板，最后將整個銅板通過轉向架輪對導入大地。
電磁兼容要保證整車電磁兼容的要求，對于車下磁場較強部位，需要作隔磁處理。
3.3 剛度要求
由于碳纖維-芯層結構為各項異性材料，車體剛度要保證在正常載荷和自然頻率下，車體變形不超過運行條件所決定的極限值，需要在車體結構設計時，選擇合適比重的芯層結構，并在車體變形比較大的區域做局部加強。
3.4 車體大部件連接方式
碳纖維車體不能像金屬車體一樣通過焊接方式來連接車體大部件，需要考慮通過膠粘或者螺栓、鉚釘等緊固件的方式進行連接，在考慮連接強度的同時，還要重點考慮整車壽命要滿足設計要求，以及連接后整車的密封和防水要求。
3.5 開孔問題
復合材料車體在做系統設計時，應避免在承力區域開孔，否則可能導致碳纖維傳力的不連續。
3.6 車體小件連接方式
復合材料車體由于無法焊接，小件只能通過膠粘或者緊固件連接，小件材質若為金屬材質，還要在復合材料夾層中預埋金屬板，然后再通過緊固件進行連接。
4 碳纖維復合材料車體在軌道車輛領域的可行性分析
碳纖維復合材料車體主要受幾方面的制約，主要包括：碳纖維材料成本比較高、成型工藝要求比較高、設計者需要具備一定的設計經驗、量產料件如何保證工藝穩定性和產品質量。
碳纖維復合材料車體的應用還處于初級階段，針對復合材料的設計準則、工藝規范、材料標準、產品檢驗和試驗驗證等工作還沒有建立或完善，需要大量的試驗研究和試驗驗證工作。這些因素也阻K了碳纖維復合材料在軌道交通領域的發展。
碳纖維復合材料車體如果想要在軌道交通領域很好的應用，就要在以下幾個方便做考慮，首先材料選擇上可以考慮在次承力結構上采用玻纖和碳纖混雜設計，充分發揮碳纖維材料強度高，玻纖價格便宜的優勢，將減重和降低成本整體考慮；其次在設計過程中，考慮結構優化、系統集成，在提高復合材料隔聲隔音前提下，就可以考慮將車體結構、內裝結構集成在一起，去除防寒和隔音材料，這樣就可以大幅度較少整車重量、降低成本；最后一定要優化工藝成型技術，簡化工藝過程、提升工藝穩定性、提高生產效率。
5 結束語
隨著對碳纖維復合材料研究的深入，逐步解決碳纖維復合材料車體設計中存在的問題，碳纖維復合材料在軌道車輛車體上的應用也會越來越廣泛。
參考文獻
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粘貼鋼板法是混凝土結構常用的加固方法，一般是采用環氧樹脂或專門結構膠將鋼板直接粘貼在混凝土構件表面，使之與構件形成受力整體。土木工程中的新技術往往來自新材料的應用。自上世紀七十年代末初期，歐洲進行纖維增強復合材料（FRP）在土木工程應用研究以來，具有極好的比強度和比剛度、優秀耐腐蝕性的纖維增強復合材料已廣泛用于混凝土結構的粘貼加固工程，形成了纖維增強復合材料補強加固已有混凝土橋梁的新技術，其中碳纖維增強復合材料（CFRP）應用更多。本文根據國內外關于碳纖維增強復合材料補強加固的工程研究，介紹這一新技術的材料特性、施工方法和技術措施。
1、材料的基本特性
碳纖維增強復合材料補強加固所采用的基本材料是高強度或高彈性模量的連續碳纖維，單向排列成束，用環氧樹脂浸漬固化的碳纖維板或未經樹脂浸漬固化的碳纖維布，統稱碳纖維片材。將片材用專門配制的粘貼樹脂或浸漬樹脂粘貼在橋梁混凝土構件需補強加固部位表面，樹脂固化后與原構件形成新的受力復合體，共同工作。
碳纖維片材：
片材碳纖維材料的拉伸強度在（2400～3400）MPa之間，與普通碳素鋼板拉伸強度為240MPa相比，片材的拉伸強度很高。片材碳纖維材料的彈性模量依片材力學性能不同，碳纖維片材依力學性能分成高模量、高強度和中等模量三類。高模量碳纖維片材的彈性模量較高，但其伸長率較低。
相比之下，碳纖維片材的單位重比鋼材低許多，說明碳纖維片材較輕。碳纖維的化學結構穩定，本身不會受酸堿鹽及各類化學介質的腐蝕，有良好的耐寒和耐熱性。
配套樹脂類粘結材料；
混凝土結構加固修補配套樹脂系統包括底層涂料，用于滲透過混凝土表面，促進粘結并形成長期持久界面的基礎；油灰，用于填充整個表面空隙并形成平整表面以便使用碳纖維片材；浸漬樹脂或粘結樹脂，前者用于碳纖維布粘貼，后者用于碳纖維板粘貼。
浸漬樹脂或粘貼樹脂是將碳纖維片粘附于混凝土構件表面并與之緊密地結合在一起形成整體共同工作的關鍵，因此，樹脂同混凝土的粘貼強度大于混凝土的拉伸強度和剪切強度。
就混凝土結構用碳纖維片材加固技術而言，環氧樹脂在不同施工環境溫度下固化性能有十分重要的意義，因為這涉及到粘貼工作質量與如何盡量減少構件正常使用中斷時間緊密相關。采用專配的環氧樹脂材料，在混凝土施工表面溫度（10～40）攝氏度時，粘貼環氧樹脂固化時間約15小時以上，但粘貼后就可以使用的時間為45分鐘以上，專配的環氧樹脂材料的這一性能是完全適合混凝土構件的加固工作。
2、碳纖維片材加固混凝土構件的形式
碳纖維片材主要用于混凝土的基本構件和節點的加固補強，其加固的效果主要是提高構件的抗彎承載力、抗剪承載力以及受壓構件的軸向抗壓承載力；提高構件的剛度以及延性。除此之外，許多室內及現場試驗證明，碳纖維片材加固的混凝土構件裂縫寬度發展可以得到控制。
由于碳纖維片材，特別是碳纖維布質量輕且厚度薄，具有一定柔度，在混凝土構件的有關部位加固較靈活。碳纖維片材因碳纖維排列方向不同而使各方向拉伸強度不相同，碳纖維片材的纖維向與受力向相同時，其拉伸強度最高，反之，纖維方向與受力方向垂直時，其強度最低。因此，在采用碳纖維片材進行加固設計中，必須正確掌握纖維的布置方向。根據混凝土構件加固計算，可以采用連續式粘貼或條帶間隔粘貼碳纖維片材的方式。研究表明，分條加固的效果要優于整條布的加固效果。
3、粘貼碳纖維片材加固施工技術
面層處理；
混凝土表面的劣化層（例如風化、游離石灰、脫模劑、剝離的砂漿、粉刷層、污物等）必須用砂輪機去除并研磨。用空氣噴嘴、砂輪機與毛刷將待補強區的粉塵及松動物質會除，用水洗凈后，必須使其充分干燥。
斷面修復；
將混凝土面層的不良部分（例如剝落、孔隙、蜂窩、腐蝕等）清除。若有鋼筋外露情形，必須先做好防蝕處理，再以強度相等或大于混凝土的環氧樹脂砂漿材料修補。裂縫以環氧樹脂灌注。裂縫或打除部分若有漏水情形時，應先做好止水、導水處理。
表面修正；
表面平整度凸出部分（小突起等）以切割機或砂輪機將其鏟除并使其平滑。凹陷部分（打除部分）以環氧樹脂或樹脂砂漿填補。轉角處需研磨至凸角R=20毫米（R一曲率半徑）以上，凹角則以樹脂砂漿填補。
底層涂料；
氣溫在5攝氏度以下，雨天或RH>95%時，不可施工。施工范圍的溫度、濕度確認后，選用適當的底層涂料。施工現場空氣應十分流通，嚴禁煙火。施工時必須要穿帶保護裝備（口罩、護目鏡及橡皮手套）。
碳纖維片材的粘貼；
纖維貼片預先以剪刀、刀子依所設計的尺寸大小裁好。依使用量剪裁尺寸、長度在2米以內最適當。為防止保管期間的破損，裁剪數量只裁所需使用的數量。施工面底漆的干燥程度可以指觸確認。底漆施工超過1星期以上時，應以砂輪機磨平。
將環氧樹脂的主劑（A劑）和硬化劑（B劑）依所規定的配比放置于拌合桶中，使用電動攪拌機，使其均勻的混合（約2分鐘）。一次的拌合量為在可使用時間的施工量，超過可使用時間的材料，不可使用。
環氧樹脂用毛刷滾輪平均涂布（涂布底漆上）。涂布量隨施工面的表面粗糙程度會有所變化，轉角部分要多涂。強化纖維粘貼于樹脂涂布面后，以毛刷滾輪和橡皮刮刀順著纖維方向用力推平，使樹脂浸透并去除氣泡，纖維（長向）方向的搭接長度至少要留10厘米，短向則不用留。粘貼后放置30分鐘，若纖維有浮出或脫線情形發生時，以滾輪或橡皮刮刀壓平修正。
兩層以上的強化纖維相疊貼時，重復步驟。施工現場空氣應十分流通，嚴禁煙火。施工時必須要穿戴保護裝備（口罩、護目鏡及橡皮手套）。
4、有關混凝土橋梁技術應用問題
粘貼碳纖維片材加固混凝土結構技術在歐洲、美國、加拿大和日本已經廣泛應用，并且進行了深入的研究。我國在這方面的工程實踐也是在二十世紀九十年代中期才開始，就我國公路混凝土橋梁有關粘貼碳纖維片材加固新技術應用推廣的問題做如下討論。
粘貼碳纖維片材加固混凝土橋梁是一項新技術，使得粘貼加固法成為公路橋梁快速加固方法，適合公路橋梁加固期間盡量不影響橋梁正常營運的要求。碳纖維片材輕、現場粘貼無需重型設備、施工便利，便于橋下的高空作業，可在公路橋梁上推廣應用。
對于公路舊混凝土橋梁的加固方法，在工程上應用效果較好的是綜合法，即以某種加固方法為主，輔以其它方法，這必須依照橋梁現場的外觀檢查和技術狀況評定，加固設計要求而定。目前，粘貼碳纖維片材加固方法往往輔以裂縫灌漿、裂縫封閉等方法。
我國目前在工程中采用的碳纖維片材材料及配套樹脂類粘結材料，是以國外進口材料為主，國產產品較少，且產品的勻質性及低樹脂含量等技術指標上還有差距。這樣，進口的材料單價就顯高，這往往影響技術的經濟決策。因此，除了應盡快采取先進技術及措施使國產產品提高質量外，在碳纖維片材加固技術應用中，應當更多從加固效果，耐久方面來考慮橋梁加固后正常運營效益與經濟性。
在國外先進國家的科學研究工程實踐基礎上，結合我國公路舊橋的加固維修特點與經驗，盡快編制碳纖維片材加固技術的指南，以指導工程應用。？碳纖維片材加固補強公路混凝土橋梁是粘貼加固新技術，需要結合我國的工程特點進行深入研究和不斷提高，使我國公路舊橋加固維修技術達到新的水平。
參考文獻
【關鍵詞】碳纖維增強復合材料；建筑工程；施工
在建筑工程中，使用碳纖維材料的主要作用在于加固結構，該材料的使用可以促使工程承載能力大大提升，或者促進工程承載功能的改善，目前在建筑施工中的有所應用。在施工中常應用到的碳纖維材料包括碳纖維網格、碳纖維板、碳纖維條帶、碳纖維布等。在加固過程中，要以加固方法、加固部位、加固能力等因素為依據，對材料進行選擇。若加固構件比較復雜，則需選擇強度較高的碳纖維布，如果加固方法為嵌入式加固，則需選擇碳纖維條帶或者碳纖維板[1]。在柱加固、平板加固中，需選用柔性挪摹＝ㄖ工程結構不同，對碳纖維增強復合材料的選擇也不同，在材料使用過程中，要充分考慮到施工性能、耐久性能、力學性能等因素，確保碳纖維增強復合材料復合施工要求。
一、碳纖維增強復合材料的特征
目前，在建筑工程施工中，碳纖維增強復合材料的使用逐漸增多，該材料的主要特征為纖維增強，產品形式較多，包括網格材、模壓型材、拉擠型材、筋材、片材、格柵，其中片材包括纖維板、纖維布兩種，應用最多的是纖維布，在結構工程加固中非常受用，在使用之前，無需浸潤樹脂，加固過程中，經樹脂浸潤后，可于結構表面進行粘貼。
（一）具備耐腐蝕性
碳纖維增強復合材料具備耐腐蝕性的特征，在潮濕、氯鹽、堿、酸性環境中均可被使用，該材料在海洋工程、化工建筑等工程中適用，其腐蝕性已經被得到驗證。針對近海地區、寒冷地區的建筑，可將碳纖維增強復合材料應用于其中，能夠對空氣內鹽分腐蝕起到抵抗作用，促使結構維修費用減少，可將結構使用壽命延長[2]。
（二）擁有良好的比強度
所謂比強度較高，也就是指輕質高強，碳纖維增強復合材料可將結構自重減輕，在建筑工程施工中，若采用傳統材料施工，則會降低大跨度空間結構體系理論極限跨度，另外，該材料還能夠被應用于抗震結構內，因其可將結構自重減輕，從而促使地震作用減小，提升建筑結構的安全性與耐疲勞功能[3]。
（三）彈較好 可應用于特殊場合
碳纖維增強復合材料的彈較好，應力應變曲線與線彈性接近，即便因偶然超載出現變形，也可自行恢復。另外，該材料還擁有良好的隔熱、絕緣等功能，在特殊場合中受用，包括醫療核磁共振設備、地磁觀測站、雷達站等。
（四）設計性強
在建筑施工中，以工程所需的纖維含量、材料性質、鋪設方式等為依據，需選取不同設計的材料，碳纖維增強復合材料屬于人工材料，其設計性比較強，針對建筑功能的特殊要求，可采用不同的設計方法，設計比較靈活。
與傳統結構材料相比，碳纖維增強復合材料主要是各向異性材料，材料的彈性模量、纖維方向強度非常高，垂直纖維彈性模量、方向強度低，會導致碳纖維增強復合材料設計難度、結構分析難度增加。該材料在彈性模量上與木材、混凝土的數量級基本一致，其設計主要為變形控制，與鋼材相比，該材料的彈性模量要低，可將混凝土與碳纖維增強復合材料相組合，對結構變形進行控制，可彌補剛度不足的缺陷[4]。
碳纖維材料的層間拉伸強度、剪切強度低于抗拉強度，在結構設計過程中，需將連接減少，同時還需注重對連接進行設計。通常而言，碳纖維增強復合材料并不具備良好的防火性能，在高溫情況下，樹脂會漸漸軟化，可降低樹脂的力學性能。現階段，可將阻燃劑加入材料中，使材料的抗火性能大大提升，除此之外，工作環境、初始缺陷會對該材料的抗疲勞性能產生較大影響。從經濟的角度上而言，碳纖維材料的價格比較昂貴，不過該材料具備耐腐蝕、自重輕、可減少維修次數等特征，應用價值更高[5]。
二、碳纖維增強復合材料在建筑工程中的具體應用
本文以某建筑施工情況為例，分析碳纖維增強復合材料在建筑工程中的具體應用。在該施工工程中，碳纖維增強復合材料的主要作用為加固，在混凝土結構加固、鋼結構加固修復中發揮了重要作用。
（一）材料在加固混凝土結構中的應用
①混凝土纏繞。利用碳纖維布，對加固混凝土進行纏繞，可達到混凝土加固的目的。對混凝土進行約束，能夠促使其變形能力、強度的提升，還可將混凝土柱的抗剪能力提升。截面形狀與碳纖維增強復合材料對混凝土柱的約束效應兩者間存在較大關聯，針對矩形截面柱，其承壓能力非常有限，提高幅度不大，不過可提高其抗剪能力、變形能力。在加固過程中，通過處理截面形狀，使其有一定弧度，能夠促使結構受壓能力提升[6]。碳纖維增強復合材料將混凝土柱纏繞起來，能夠改善結構延性。
②將碳纖維增強復合材料粘貼于受拉面。將該材料粘貼于板、梁的受拉面，有利于促進受拉承載力的提升，不過值得注意的是，當受拉鋼筋屈服后，該材料才能夠充分發揮受拉作用，然而在這一階段，板、梁撓度已經非常大，因此，碳纖維片材只可作為安全儲備。碳纖維增強復合材料片材受到受彎加固作用的影響后，可能會發生剝離破壞現象，為此，可將碳纖維條帶粘貼于梁側面，便于對梁腹配筋不足從而引起的縫隙進行控制，在板、梁加固中均可被應用。目前，碳纖維增強復合材料在混凝土結構中的應用較多，不過其中也存在一些問題尚未解決，例如疲勞性能、環境影響、粘接性能、防火問題等。
（二）材料在鋼結構加固修復中的應用
在鋼結構加固修復過程中，可利用碳纖維增強復合材料，取得較好的加固修復效果。選取鋼結構損傷部位，將纖維板粘貼于該部位，對鋼結構受力性能具有改善作用，把纖維板粘貼于梁受拉面，可促使結構的抗彎剛度、承載力大大提升，這種方法非常有效。將片材粘貼于梁腹板部位，可使抗剪承載力提升，若鋼結構發生疲勞損傷，利用碳纖維材料進行加固，可使剩余疲勞壽命提升，可將纖維布于鋼管柱上纏繞，有利于防止局部失穩的現象發生，對抗壓承載能力的提升非常有利。
①加固受拉構件
利用碳纖維增強復合材料對受拉構件進行加固，可促使鋼構件極限荷載能力提升，脫膠程度、脫膠位置不同，極限承載力也存在差異，在受拉構件中，需充分發揮粘膠劑的作用，在粘貼過程中，沿著柱子環向粘貼，可取得較好的粘貼效果，能夠提高極限承載力，提高幅度在15%至18%間，且不會出現剝離現象，材料也不會發生斷裂。碳纖維增強復合材料的使用能夠延長鋼結構剩余疲勞壽命，加固效果非常顯著。經材料加固后，鋼結構原來的受力狀態會產生一定變化。鋼結構、碳纖維材料間膠層存在正應力或者剪應力，針對不連續區域，可能會出現漏膠、損傷裂紋等情況，膠層正應力、剪應力均有應力集中，可破壞膠層。要想防止膠層出現剝離破壞的情況，則需將碳纖維板材料兩端做成45度角，可將膠層應力減少。
②加固受彎構件
針對不存在初始損傷的鋼梁而言，采用碳纖維增強復合材料給予加固，不會對其剛度造成太大影響，不過可提高承載能力。利用碳纖維材料采取加固措施，鋼梁、材料受損部位出現剝離破壞后，會導致損傷變得更加嚴重，剝離破壞現象會加重，因此，要對材料合理使用，充分利用與發揮該材料的高強性能，提高極限承載力，預防剝離破壞的發生。
（三）碳纖維增強復合材料的空間結構
碳纖維增強復合材料具備耐腐蝕、輕質等特征，在大跨度空間結構中可被應用，可將該材料制作為桿件，在網殼、網架結構中應用，不過碳纖維材料在應用過程中，節點處理難度較大、彈性模量低，為此，其優勢難以發揮。現階段，帶有鋁合金結構的碳纖維材料被開發，在空間網架結構中的應用效果較好，該材料的使用可將施工周期縮短，具有良好的耐腐蝕性，不會增加維護費用，在環境惡劣、超大跨度的工程中受用。
碳纖維增強復合材料可制作為夾芯板、波紋板、空心板，組成不同形狀的空間結構，在娛樂設施、雷達天線罩、廠房等建筑結構中可被應用，建筑施工難度不大，易成形，具備良好的保溫效果。
三、建筑施工對碳纖維增強復合材料性能的要求
針對建筑施工的特征而言，在碳纖維增強復合材料的選擇中，要注重材料性質符合施工特征，碳纖維增強復合材料必須具備三個特征，分別為施工性能、耐久性能、力學性能。就材料的力學性能而言，碳纖維材料必須要有足夠強度，不易受到外界作用的影響，因碳纖維材料具備高強性能的特征，一般而言，能夠滿足建筑施工的要求。另外，從耐久性能上看，碳纖維復合材料對自然界因素可起到良好的抵抗作用，且在使用期間，結構設計也不會產生變化。使其設計能力得以保持。從施工性能上看，在現代建筑施工中，將碳纖維復合材料應用于其中，可使結構材料的耦合效應、適配效應相結合，確保施工工藝的提升。
碳纖維復合材料在提高建筑結構承載能力、建筑結構加固中均可充分發揮作用，能夠促使承載性能得以改善，值得注意的是，加固方法、加固位置不同，其加固效果也存在差異，若建筑承載力需提升，則需選擇強度較高的材料（碳纖維布），若建筑剛性需提升，則選用碳纖維板。新的建筑工程會根據施工要求選擇材料。針對面臨腐蝕風險的建筑，可選用碳纖維筋，達到控制鋼筋結構損害的目的，提升鋼結構的可靠性、穩定性，促使結構使用壽命延長。碳纖維增強復合材料的使用能夠使鋼筋使用數量減少，將操作流程簡化，提升結構抗拉力功能。
碳纖維材料的抗疲勞、耐腐蝕、低松弛特征顯著，選取預先制作的碳纖維管，將混凝土澆筑于該構建中，能夠促使混凝土變形能力、強度提升，預防碳纖維材料管發生屈曲破壞的現象，增強結構的受力性，在建筑工程中非常受用。
結束語：
碳纖維增強復合材料具有較多的優勢，例如抗腐蝕、施工性能良好、力學性能穩定，不過從目前總體使用情況上看，該材料在建筑工程中的使用并不多，究其原因，主要在于價格昂貴，購買需要較多的資金。伴隨科學技術的不斷進步與發展，復合材料技術會逐漸提升，碳纖維材料價格也會有所降低，該材料在建筑工程中有著較高的應用價值，在未來還將出現更多相關的應用，例如復合材料棒、碳纖維增強混凝土等，上述材料的使用能夠大大提高建筑工程的穩定性與安全性，充分發揮建筑材料的作用，提高建筑質量。
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關鍵詞：汽車輕量化；碳纖維復合材料；高性能纖維
中圖分類號：TB33 文獻標志碼：A
Current Situations of Carbon Fiber Reinforced Composites Used for Lightweighting of Automobile at Home and Abroad
Abstract： To meet the requirements of energy-saving， emission reduction and developing new energy vehicles， lightweighting of automotive materials is one of the most important targets for technological R&D in global auto industry. In this article， recent progress on using carbon fiber reinforced composites for automobile lightweighting has been systematically reviewed based on case study of leading auto manufacturers from home and abroad. Finally， the choke points for the development of automobile lightweihting in China are summarized.
Key words： automobile lightweighting； CFRP； high performance fiber
目前，全球生產石油的70% ～ 80%被用作汽車燃油，減少汽車燃油用量是改善全球氣候問題的重要組成部分。世界多個國家和地區已經對汽車二氧化碳排放量進行了嚴格限制，我國也已頒布《節能與新能源汽車產業發展規劃（2012 ― 2020年）》，要求到2020年乘用車平均燃料消耗量降至5.0 L/百公里，節能型乘用車燃料消耗量降至4.5 L/百公里以下。
輕量化技術是汽車降低油耗、減少排放、提高新能源汽車續航里程最有效工程途徑之一。采用高性能纖維增強復合材料部分代替傳統金屬材料是目前汽車實現輕量化最有效的途徑。德國寶馬率先在i3、i8電動車、7系、5系等量產車中大量使用碳纖維復合材料（CFRP），輕量化效果顯著，掀起了一場汽車產業材料革新的浪潮。目前全球幾乎所有的汽車企業都制定了CFRP輕量化發展計劃。CFRP用于汽車輕量化的優勢主要在于：密度小，比強度、比模量高，輕量化效果明顯；集成度高，減少零部件數量；可設計、造型自由，實現流線型曲面的成本低；吸收沖擊性能是金屬的 5倍，提高碰撞過程人員安全性；減震性能好；顛覆汽車生產流程，采用模壓和粘結工藝代替沖壓和焊接。目前CFRP作為汽車輕量化結構材料替代金屬材料，其在性能上完全可以滿足要求，關鍵是批量生產技術和成本。基于最新的行業報告數據及實踐調研，本文將對國內外汽車輕量化用CFRP的發展現狀進行概述。
1 國外汽車輕量化用碳纖維復合材料發展現狀
自1953年世界第 1 臺纖維增強復合材料汽車 ――GM Corvette制造成功以后，復合材料正式在汽車工業生產中登上歷史舞臺。發展至今，CFRP成為目前公認的汽車用復合材料未來發展趨勢。歐美日等發達國家汽車生產巨頭們一直是汽車輕量化用CFRP的引領者和推動者，下文將針對國外主要汽車生產商在CFRP應用技術方面的進展進行介紹。
德國寶馬公司是CFRP在汽車領域應用的先驅，其在2008年宣布把CFRP帶入汽車主流材料；2011年，法蘭克福車展首次i3電動概念車和i8混動概念跑車；2014年，批量化生產i3和i8系列純電動車在全球正式上市，為碳纖維產品在通用汽車領域的商業化普及應用邁出了重要的一步。i3和i8創新的車體架構由 2 部分構成：一部分是由鋁合金材料制成、驅動車輛的Drive模塊，集成了驅動系統、底盤、蓄電池、結構功能組件和防碰撞功能組件，另一部分是由CFRP制成、構成車廂主體的Life模塊（圖 1）。2015年7月1日，全新第六代BMW 7系汽車在丁格芬工廠正式投產，該車型所有創新都始終貫穿著車輛整體輕量化的概念，是寶馬核心產品中第一款實現將工業制造的碳纖維材料、高強度鋼材和鋁材完美組合應用到車身的車型。這種獨樹一幟的車身結構被稱為“Carbon Core高強度碳纖維內核”，不僅優化了車身重量，增強了車身的強度和抗扭剛度，還具有舒適的駕駛體檢。
寶馬公司還率先開啟了CFRP在汽車領域的全方位應用模式，包括：車身、底盤、車頂、車門、頭蓋、引擎蓋、尾翼、壓尾翼、中控臺、裝飾條、儀表盤、傳動軸、特殊動力傳動系統、座椅、座椅套墊、前擴散器、尾擾流板、后擴散器、后視鏡外殼、懸掛臂、前唇、側裙、側格柵、車用箱包、導流罩、A柱、遮陽罩、散熱器面罩、側護板、低位踏板、副保險杠等外部和車身、內飾和外飾配件等系統。寶馬公司或將在未來 1 ～ 2 年內為旗下車型配備大量的碳纖維部件，特別是碳纖維輪轂，這將大幅度降低汽車的重量。寶馬公司的CFRP輪轂是與i系列汽車同時開發的，包括全碳纖維輪轂和碳纖維輪輞+合金輪輻的輪轂。全碳纖維輪轂的重量比鍛造合金輪轂輕35%，而合金+碳纖維輪轂比鍛造合金輪轂輕25%，這將顯著降低整車的重量，寶馬公司有望在 2 年內把這種輪轂推向市場。此外，全碳纖維制造的傳動軸還將作為單獨配件配備新寶馬M3和M4系汽車。寶馬還在大力宣揚他們的碳纖維材料二次利用，例如i3和i8汽車的邊角料可以用來取代傳統鋁鎂合金材料制作儀表板支撐結構、座架以及備用車輪。
在生產工藝方面，為降低CFRP零部件的生產成本以及提高生產效率，寶馬采用針對熱固性CFRP快速制造開發了高壓樹脂轉移模塑（HP-RTM）工藝（圖 2）。該工藝首先將碳纖維織物進行初步的預成型，然后將碳纖維預制件放入到模具當中，在高壓狀態下將環氧樹脂注入模具當中，通過精準的溫度、壓力和時間控制，使碳纖維和環氧樹脂結合，并進行固化，最終形成具備優秀剛性的碳纖維板材。這個加工過程可以全程自動化進行，而高壓、高溫的處理過程僅需大約 5 min，傳統制造工藝則往往需要幾個小時。車身的組裝工藝采取模塊化連接，碳纖維部件的結合像堆砌模型一樣采用膠水連接（圖 3）。為了縮短固化時間，寶馬專門研發了特種粘合劑，在涂敷到車身部件之后僅90 s就可以接受加工，然后產生粘性，在經過1.5 h后就已經固化。這使得車身組件具有完全的剛性，制造速度比普通工藝提升10倍。整個過程全部為自動化操作，包括粘合劑的涂抹、部件的對接等，除了節約人力之外，也減少了粘合劑中的化學成分對工人健康的危害。
縱觀寶馬幾款碳纖維車身的生產過程，有幾個明顯的特點可謂貫穿始終。首先是顛覆傳統汽車生產流程，如果說福特創建流水線生產是汽車行業的第一次革命，那么“碳纖維+新能源”可能是第二次汽車革命，碳纖維生產的車身不需要傳統的沖壓、焊接、涂裝，變成了模壓成型、粘結、涂裝或塑料外殼；其次是高度的機械化，在整個生產過程當中，機器人的大量使用已經讓生產過程基本實現自動化，人工操作僅局限在最低程度，不僅明顯提高生產效率，減小制造誤差，人力成本也得以大幅降低；最后是環保與可持續發展的理念，寶馬大量使用可回收材料制造汽車部件，同時全面采用水電和風電等可再生能源。
除了寶馬，豐田、大眾、奔馳、現代等多家汽車制造商也都在開發汽車輕量化用CFRP，并應用于車身、輪轂、座椅、氫氣瓶、前艙蓋、底盤結構件、傳動軸等部件。美國Morison公司為Dcna公司生產的CFRP汽車傳動軸（圖 4（左）），供通用汽車公司載重汽車用。福特1999 ― 2004野馬載重車汽車也采用了CFRP傳動軸（圖 4（右））。采用CFRP可使原來 2 件簡化合并成 1個傳動軸，且與鋼材料相比，可減重60% ～ 70%。英國GKN技術公司也開發了CFRP傳動軸，重量減輕50% ～60%，抗扭性比鋼大10倍，彎曲剛度大15倍。
2008年，日本Weds Sports公司在推出的概念車上第一次使用了碳纖維輪轂，但當時還是停留在概念階段。2009年，澳大利亞Carbon Revolution公司開發出了CR9“一體式”全CFRP輪轂，相比鋁合金輪轂，其重量減輕了40% ～ 50%，并且首次應用在Shelby Ultimate Aero跑車上。2012年該公司生產的CFRP輪轂成功地在保時捷911上使用。目前Carbon Revolution公司在籌備為蘭博基尼、奧迪R8推出碳纖維輪轂。2015年初，美國福特了全新一代野馬Shelby GT350R汽車，其采用的碳纖維輪轂再一次引起了關注。以福特Shelby GT350R Mustang所裝備的碳纖維輪圈為例，將原本每個輪轂重14.98 kg的鋁合金材質換為8.17 kg的碳纖維輪圈后，全車減重27.24 kg，這將顯著地改善車輛的操控性能。另外，由于輪圈減重45%，輪圈+輪胎的轉動角動量能約降低40%，也改善了加速和剎車的效能。
2011年4月，比利時Solvay公司開發了一種全新輕巧的CFRP Polimotor四缸發動機缸體（圖 5）。被澆注的復合材料缸體是最終凈形狀，消除了二次加工的麻煩，且振動噪聲顯著減少，耐腐蝕。此外，和壓鑄工藝相比，模具工具成本減少50%。CFRP缸體比合金缸體重量輕20磅。第二代Polimotor全碳纖維發動機缸體項目在2015年有了新的進展，預計該發動機將于2016年預先應用于賽車、OEM汽車和卡車。該項目有望推動未來汽車領域的重大革新，使碳纖維發動機缸體有可能廣泛地應用于商用車。
日產汽車株式會社旗下的2014款GT-R跑車采用了三菱麗陽生產的碳纖維后備箱車蓋，該量產化車蓋以碳纖維和固化時間為 2 ～ 5 min的熱固性環氧樹脂為原料，利用三菱麗陽開發的預浸料模壓成型工藝生產。三菱麗陽稱該工藝將單個部件的生產時間縮短了10 min，更適合汽車部件的規模化量產，而且模壓成型的部件表面平滑，易于涂漆裝飾。
日本東麗與豐田合作開發的碳纖維增強熱塑性聚合物復合材料，可用作制造燃料電池反應堆框架（圖6），目前已應用于豐田燃料電池汽車Mirai中，這是世界上第一次將熱塑性碳纖維復合材料用于量產汽車結構部件。碳纖維增強熱塑性聚合物具有成型時間短的優點，與熱固性聚合物相比，生產效率更高，更適合大規模生產。
2015年東京車展上，雅馬哈展出了僅重750 kg的全新概念跑車SportsRideConcept（圖 7），該車身長3 900 mm，寬1 720 mm，高1 170 mm，超輕的車身得益于其iStream CFRP底盤。iStream碳纖維底盤由英國Gordon Murray Design公司開發，歷經 2 年時間，材質由最初的玻璃纖維轉變為碳纖維。iSteam采用了創新的“三明治”結構，蜂窩狀的內核被 2 片碳纖維板夾在中間。相比超跑所采用的碳纖維單體殼結構，iStream碳纖維底盤的生產周期更短，生產過程可實現全自動化，周轉時間僅為100 s，年產量可達1 000 ～ 350 000件。iStream碳纖維底盤同樣具有輕量化、高剛性的特點，相比寶馬7系僅關鍵部件為碳纖維材質，iStream碳纖維底盤的減重效果更加明顯。這項技術的出現，或將成為入門級跑車愛好者的福音。
韓國現代最新推出的Intrado燃料電池概念車同樣秉承了輕量化的設計理念，該車全車架、引擎蓋以及側板均采用CFRP制造，質量比傳統鋼板制造的汽車輕60%，大大提高了燃油效率，一次補充燃料可行駛644 km，百公里加速時間低于12 s。
2 國內汽車輕量化用碳纖維復合材料發展現狀
得益于國家“十五”和“十一五”863計劃碳纖維專項支持，我國碳纖維的產業化取得重大進展，通用型高強T300級碳纖維實現了產業化，T700級碳纖維實現了工程化，T800級碳纖維突破了關鍵技術，開始批量生產，高模型（M40）碳纖維也實現了關鍵制備技術的突破。國內相關碳纖維生產企業的大規模建設為汽車用CFRP的國產化和低成本化奠定了堅實的基礎，一大批企業開展了碳纖維在汽車輕量化方面的應用研究。
江蘇奧新新能源汽車有限公司于2015年1月成功研發了我國首輛碳纖維新能源汽車（圖 8），并于2016年3月獲得中國汽車生產許可證。奧新e25緊湊型A級車，具有核心技術自主知識產權，采用CFRP車身（圖 9），輕量化效果明顯：百公里耗能低于10 kW?h，續航能力強，充一次電最長可行駛440 km，0 ～ 50 km/h加速僅需4.7 s。目前奧新建立了完整的CFRP車身及其零部件結構設計、制造與評價體系，創造了第一個 2 萬輛碳纖維純電動汽車制造工廠、第一條電動汽車鋁合金底盤機器人焊接線、第一條高溫高壓真空輔助碳纖維成型生產線 3 項中國第一。奧新正與東華大學等國內高校緊密合作，進一步優化零部件結構以及提高制造效率，研發自動化量產技術與裝備。
北京汽車在推動汽車輕量化用CFRP方面，成功研發了用于碳纖維發動機蓋覆蓋件及車身功能件的一系列CFRP部件。在2016年其新型SUV車型上，將會搭載碳纖維發動機罩蓋（圖 10），相比鋼質前機艙蓋可減重17 kg（50%）。BJ40車型使用了玻纖、碳纖混雜復合材料車頂蓋，較鋼制頂蓋減重48%。紳寶D60則采用了CFRP前格柵和尾翼，彰顯運動和時尚特性。
奇瑞汽車開發了一款CFRP電動汽車（圖11），該電動車是奇瑞首款采用PHEV（插電進行充電的混合動力汽車）的車型。其優勢在于采用CFRP部件后的車身僅重218 kg，相比金屬車身418 kg，車身減重48%。另外，CFRP部件的應用也顯著提高了汽車的抗沖撞性能和操控性。奇瑞汽車目前正努力解決該車型實現低成本、批量化生產所面臨著的諸多技術難題。
北京長城華冠汽車技術開發有限公司開發了一款名為前途（EVENT）的純電動跑車概念車。該電動跑車以節能、環保為設計出發點，產品集成了眾多汽車行業的前沿科技。長城華冠EVENT車體內外覆蓋件整體采用CFRP，在大幅度減輕車體重量的同時，產品的力學及安全性能也優于傳統金屬鈑金部件。該款車型目前已經在蘇州建設生產車間，預計2017年開始生產。
上海汽車公司自2008年起，先后承擔了多項國家級、上海市和地方的汽車輕量化項目，包括上海市科委科技創新計劃項目“新能源汽車CFRP典型部件的開發與應用”、上海市科委重點攻關項目“新能源汽車輕量化技術開發”、上汽 ― 科委專項創新項目“輕量化技術在榮威E50純電動轎車上的應用研究”，為汽車輕量化技術方面的研究與開發積累了良好的基礎。
長安汽車開展了大量CFRP在汽車輕量化應用的探索工作，研發了準備在量產車應用的碳纖維傳動軸和后舉門。中國第一汽車集團公司開展了復合材料板簧、傳動軸和CFRP前后蓋的研究。復合材料傳動軸采用碳纖維增強環氧樹脂預浸料，經由卷搓/熱壓罐成型工藝制造，相比傳統金屬傳動軸，碳纖維傳動軸可減重40%，采用CFRP還可使原來由 2 件合并成 1 個單件傳動軸。CFRP前后蓋，采用T300碳纖維和環氧樹脂，經由RTM工藝制造，相比金屬材料可減重64%。
3 結語
關鍵詞：碳纖維復合材料；加固；施工；應用；分析
橋梁加固工程需要尋找高性能、重量輕、具有長時間的耐久性的加固材料。碳纖維增強復合材具有這樣的功能，是一種具有發展潛力的復合材料。
1 橋梁加固方式
1.1 粘貼鋼板加固法。粘貼鋼板加固法是一種傳統的加固方法，如果橋梁的承載能力不足或者主鋼筋出現嚴重腐蝕的現象，主梁就會產生橫向的裂縫，這就需要采用錨栓及粘結劑，把鋼板錨固定在混凝土結構中承受拉力很弱的地方，把鋼板和橋梁結構粘合在一起，形成一個統一的結構，達到共同受力的目標，增強橋梁的承載能力。
1.2 增大截面加固方法。增大界面的加固方法也是一種傳統的加固方法，主要應用在梁柱的強度、剛度、穩定性和抗裂性的性能不足的情況，需要增加構建的截面增加鋼筋的配備，提高鋼筋的利用效率，這種方法能夠加大鋼筋混凝土截面增加的了配主筋，柱的截面也同樣能夠增大，柱子的承載力也都相應的增加。這種方式應用的非常廣泛。
1.3 體外預應力加固法。體外預應力的加固方式，是針對鋼筋混凝土或預應力混凝土梁或板出現預應力不足的情況下，采用的一種體外預加力的方式進行加固，采用這種方式能夠消除一部分的橋梁的自重力，起到直接卸載的作用，提高了橋梁的承載力度。這種加固的方式具有一定的優點。首先在橋梁的自重力很小的情況下，能夠改善原始結構的受力狀態，提高的結構的剛度和承重性能。其次在橋梁的承重能力比較小的情況，節省了墩臺及基礎的加固施工。最后，對于那些預應力的加固的方法，可以做為橋梁的臨時加固的手段，能夠提高橋的的承載力。
2 碳纖維加固技術分析
碳纖維是一種高性能的復合材料，采用這種方式進行加工，是把碳纖維片材浸含在樹脂系粘貼劑中，粘貼在混凝土構件的表面，表面的拉力變大，混凝土本身的承載力也達到了要求，實現了結構和承載力的加強。
2.1 碳纖維的性能。對碳纖維進行分析，按照力學的性能進行分析，包括：高模量（I型）碳纖維，這種材料的拉伸模量很高，同時具有很長的伸縮效率。高強度（II型）碳纖維這種材料的拉伸強度能夠達到3000MPa，可以拉伸到4000MPa以上。中等模量（III）材料能夠在200-300GPa之間，極限伸長率在1.5%-2.0%，在橋梁加固中是一種常用的材料。此外，按照材料進行分類，包括：碳纖維（CFRP），玻璃纖維（GFRP），芳綸纖維（AFRP），這三種。還可以按照排列的方式進行分類，包括：單向纖維片材和雙向纖維片材。
2.2 加固用碳纖維的力學性能指標。對橋梁加固中應用的碳纖維片材需要按照國家的指標進行測定，各種性能需要滿足下表的力學性指標。
表1 碳纖維片材主要力學性能指標
很多碳纖維的性能不同，但是采用的纖維復合材料的應力關系式相容的，受到拉力的性能呈現一種上升的趨勢，這是這種材料具有的重要性能。各種纖維材料的性能見圖1。
在圖1中，能夠看出，很多纖維復合材料都屬于復合型的材料，鋼筋本身也是一種延性材料，對鋼筋混凝土進行加固的時候，要考慮到脆性對建筑的影響。主要表現在以下兩個方面：（1）纖維復合材不具有延性，具有脆性，這種性能會限制混凝土橋梁的加固施工。（2）FRP材料的脆性性能夠限制應力的分布，這些因素影響了外貼的FRP材料的加固設計，不能夠采用鋼筋進行替換，要研究FRP材料的脆性性能，采用正確的方式進行施工。
圖1 各種纖維材料應力一應變關系圖
2.3 粘結劑等粘結材料的性能。碳纖維加固橋梁的時候，采用的粘結材料主要包括了底層樹脂、整平材料及浸漬或粘貼樹脂。這些材料的性能必須要滿足要，關于底層樹脂的作用是增強混凝土表面層，提高混凝土與材料的粘合程度，關于浸漬樹脂是粘貼碳纖維布的主要粘結材料，主要作用是使碳纖維絲束之間和混凝土充分粘結，以便到共同承載的效果。另外，樹脂是一種FRP復合材料，也是和混凝土進行粘合的材料，是非常值得關注的。
3 碳纖維復合材料加固的施工工藝
采用碳纖維復合材料對橋梁進行加固，施工的工藝是非常重重要的，施工的環節需要仔細。因為施工的質量直接關系到加固的效果，體現出材料的參數是否能夠達到標準，纖維復合材料跟混凝土表面是否粘結牢固，變形是否協調，邊界條件的差異大小，對加固的效果影響非常大。一般施工工藝流程如下：（1）關于施工準備階段，需要認真的閱讀施工的土質，按照要求和混凝土的實際情況，設計出施工方案，做好碳纖維和樹脂材料施工前期的準備。（2）對橋梁表面進行處理，清除橋梁表面疏松、蜂窩、腐蝕物質，露出橋梁表面的混凝土構造層，并把這個構造層修復平整，按照要求對橋梁產生的裂縫進行封閉的處理，其中被粘貼的混凝土都需要除去表面的浮漿、油污等，完全凝結之后才能夠進行施工。（3）涂刷底層樹脂及找平處理，在這方面需要按照規定配置樹脂，采用滾筒刷把樹脂均勻的涂抹在底部，待干燥以后才能夠進行下一道工序的施工。對于混凝土表面的那些凹凸位置要進行抹平的操作。（4）粘貼碳纖維布材，需要按照尺寸進行裁剪，按照要求配置相關的樹脂，在橋梁包面涂抹均勻才能夠進行粘貼。粘貼的時候，需要把碳纖維布用手輕壓貼于需粘貼的位置，用滾筒進行滾壓，擠除氣泡，注意纖維布不能夠損壞。粘貼結束后，要在表面涂抹浸漬樹脂，要求必須要均勻。（5）進行表面防護，需要按照相關的規定進行表面防護處理，保證各個部分都要全部黏貼。
4 施工工藝注意問題
進行碳纖維加固施工的時候要求施工的溫度在5℃以下、濕度RH>85%、混凝土表面的含水量要在8%以上，出現結露的時候不要進行施工。在施工的過程中，要遠離電源，明火、避免陽光直接照射。另外施工人員要帶口罩手套等，做好自我防護。要求現場施工通風狀況要好。
