碳纤维在机械设备和建筑物上的应用

1碳纤维在机械设备和建筑物上的应用摘要碳纤维在航空、航天、体育器材领域的应用已有专门报道，本文主要介绍碳纤维在机械设备和建筑物上以及其它领域的应用。关键词：碳纤维性能碳纤维复合材料用途1.利用碳纤维复合材料轻质、高强、高刚性的用途（1）纤维、纸、薄膜机械、机器人在纤维产业，随着织布机和编织机的高性能化，在用以往的材料不能满足性能时，开始使用CFRP产品。由于织布机的无梭化，转数提高，织物的幅面变宽，显著提高了生产效率。在喷水孔室，转数为1700rpm，杼宽达2m。为了抑制长大杼的变形，在综片框上采用了轻质、高刚性的CFRP。织布机缠线器的卷芯通常是钢管，插入纸管后，加气压则产生小突起，成为固定纸管的结构，重量大。把它换成CFRP管，当然轻，插到纸管上，使在织布机上安装的作业和从卷好的织物中取下的作业变得轻松。把CFRP应用到这种使人力作业变轻松的方面，其前途是无限的，尤以作为解决操作者老龄化的措施而引人注目。下面介绍编织机的应用例子。访问西德的卡尔、迈耶尔公司时，得到这样的信息，即编织机的转数达到5000rpm时，金属的杆就不能追随往复运动，因此使用了CFRP制品。杆是直径为2~3cm，长度为60~80cm的厚壁管，这是利用CFRP比弹性模量高的好例子。印刷用的高速轮转机、制纸机、薄膜成膜机器的辊子，若挠度变大，则会改变制品宽度方向的张力，这关系到产品质量的稳定。机械宽度达10m时，为了提高产品质量，辊子挠度变小是很重要的。在该用途上，希望采用高弹型沥青基CFRP。表1是长度8m的钢与CFRP的薄膜成膜机辊子性能比较。总挠度相同时，沥青基CFRP辊子直径小，且重量仅是钢辊的1/13。优点是因为轻，在机械运转停止后对开始的追随性也好，而且换辊的作业也很轻松。CFRP辊的危险系数是2,100rpm,钢辊是1,200rpm，由于高速化可提高生产效率，而在价格方面是同等的，所以长大的沥青基碳纤维辊子是大有前途的。因表1的CFRP辊比钢辊直径细，壁薄，所以加载荷时的挠度大，但如果它与钢辊同粗同厚时，则刚度凌驾于钢辊之上，需要这种刚性的领域，是超高弹型沥青基碳纤维的世界。*原日本东丽公司表1沥青基CFRP辊与钢辊性能比较2辊的材质长度mm外径mm内径mm质量Kg自重挠度mm载荷挠度mm总挠度mmCFRP8,0003403161400.440.440.88钢8,00048045010600.760.160.92CFRP-三菱化学公司制品K13710MP载荷挠度是长度方向负载为3KN时的挠度尽管谋求产业用机器人的大型化、高速化和高精度化，但是固定柱、可动柱、臂、尖端手等机械化部位一旦大型化，就会变重，结果与高速化、高精度化不相容。解决的办法是在液晶玻璃板的搬送工作臂和工作手以及纸加工机器人部件上使用轻质、高弹、固有振动数高、线膨胀系数低的CFRP，而且，高弹型沥青基CFRP也可提供解决问题的办法。（2）在建筑物上的应用十年以前，在通产省基础产业局设立了新材料大规模结构体座谈会，不仅对新材料作为功能材料的使用情况进行了调查，而且进行了作为结构材料开发的调查研究。这时，东京都发表了临海副都心开发事业计划，在青海、有明、台场设立了东京远距离港、东京国际会议停车场等国际情报交流处，以便瞄准未来型城市建设。在座谈会上，以东京都的计划为参考，提出了着眼于纤维复合材料轻质、高强的宏伟建筑物的设想。研究的结果以“城市建设和新材料”为题，于1989年9月出版，取自其中提供如下：·高层建筑(高度1,000ｍ，总面积800公顷，50～60层)，人工台地悬浮体，地板材，防风网状物。·散步路(宽6ｍ，长2,000ｍ)和空中庭院(25,000m2)的结构材料。·人工岛(直径30km)的护岸壁混凝土增强材料，波浪缓冲材料，直升飞机场·海中浮游隧道(久野浜—金谷间10km)的隧道结构材料。·观光用单轨铁路式潜水艇的车辆。·为强化松软地质的基础桩。·沙漠的绿洲(直径30km，间隔150km)的地里连续壁补强筋，送水管用管线。与此相配合，各大建筑公司发表了超高层建筑的设想，鹿岛建设提出了高度为800m的DIB-200，它是用200m的圆柱状单元组装而成的，清水建设提出了高2,000m，底边4,000m的巨大的锥形尖塔2004等。图1是这些设想与富士山、东京都厅、横浜界标塔的比较。2004的设想是下部为混凝土，中部是钢，上部是在节点将CFRP管连接起来的结构。东丽公司从当时的常识考虑，为了实现这种设想，着手试制了增强筋和管等大型结构件并且进行了性能试验。但由于之后不久的经济急变，像泡沫那样破灭了。从观光车眺望临海地区清楚可见理想与现实的差距。10年之后的1997年，人们认识到将CFRP管组装起来的立体桁架结构的优点比钢轻1/3，可以长跨化，东丽公司在爱媛工厂的食堂屋脊结构上实现的是13m×27m(351m2)的结构，尽管比当初的设想小，但有关人员也高兴得不得了。尽管3当时还未认识到按现在的建筑基准法应把树脂作为结构材料使用，但考虑到燃烧性和耐热性，以酚醛树脂为基体，通过日本建筑中心的技术指导，得到了建筑大臣的认可。据说CFRP在温泉游泳池的屋脊等结构上的应用也在扩大。最近，清水建设公司、大成建设公司等瞄准首都的转移，提出了高1,000m的超高层建筑。今秋从东北、东海、三重3个地区，决定首都候选地，希望从那时的不景气中走出来正成为热门话题。就像1851年伦敦万国博览会的钢筋以及玻璃的大空间和水晶宫，以及1889年巴黎万国博览会的爱菲尔铁塔那样，人们期待着应用以CFRP为首的新材料象征新时代的建筑物的出现。图1超高层建筑物的构思将CFRP用于建筑的主要结构件（壁、梁、柱、地板、屋脊、楼梯）时，因为要通过建筑基准法的特别认可，，所以应用例较少。但作为二次结构，使用三维织物或使连续纤维浸树脂并使其固化，做成格状的FRP补强材料在幕墙和外壁板的补强材料上的施工例子很多。优点是通过补强提高了混凝土的弯曲强度，因为板的厚度可以减薄，所以扩大了居室空间，而且可以谋求板的大型化和现场施工的合理化以及省力化。即使是幕墙也必须通过建筑基准法的30分钟或1小时的耐火结构认可。在20世纪80年代初期，由于钢筋生锈不断发生公寓的混凝土剥落以及高速公路开孔、混凝土块落下来的事故。紧急处理的方法是注入环氧树脂。树脂注入和涂刷后，用贴玻璃纤维和碳纤维织物的方法进行修补。大林组开发的用CFRP的纤维缠绕法补强破旧烟囱的施工方法引人注目。1995年阪神、淡路大地震的修复中，由于道路遭到破坏使资材的搬运不能像想象的那样顺利进行，在重机械和技工不足的状况，重新认识到碳纤维或芳纶纤维的轻质、高强性，急速普及了用碳纤维和芳纶纤维进行补强的施工方法。据调查，英国也与日本相同，有混凝土桥的老化问题。混凝土桥的设计寿命是120年，在建造时，因为不能预测到当今汽车运输量的急速增加和装载量的增加，所以龟裂比预计提前发生了，而且为了防止冬季的结冰要撒盐，使钢筋生锈，这样一来钢筋体积就增大，导致龟裂进一步扩大。换桥，在费用和割断交通方面是极力想避开的，LINK—pobust作为产官学的国家计划，研究了用CFRP4和GFRP进行的补强（1994—1997）。伦敦的地铁是1800年末至1900年初建造的，已经破旧，因此研究了贴CFRP进行补强的修复方法。在北海油田的油环上发生了火灾事故，因为防火间壁未起作用，所以损害很大。在各种方案中采用了在钢筋上贴聚丙烯腈基高弹型CFRP的方法，以便提高间壁桁架的强度。在法国，在桥梁道路研究所(LCPC)的指导下，以拉挤材料为预应力筋进行了用在固定桥的缆索等方面的研究，实用于地铁车站和地下停车场。德国和意大利将CFRP拉挤材料和加入了碳纤维的砂浆用于修补古老建筑物。瑞士的材料实验所（EMPA）的迈耶尔提出了在连接非洲和欧洲两大陆的直布罗陀海峡的桥上采用CFRP吊桥的提案。尽管话有些突然，但实际上在1979年，接受了摩洛哥与西班牙政府间的协议，于1982年召开了国际会议，其研究结果集中到两种方案上。第一种方案是在距离15km，水深900m的Funtacires-oliveros之间，第二种方案是在距离26km，水深300m的malabata海角—Paloma之间。以现在的技术，还是水浅的第二种方案较为现实，于是提出了挖28km海底隧道，50亿美元的提案和以22km吊桥为主体的100亿美元的提案。可以架桥的水深极限是350m，由于这种制约，所以选择了第2种方案。迈耶尔与此相对抗，提出了短距离的第一种方案的具体措施，提出以轻质、高强的CFRP为支柱、缆索、桁架、地板，以中央跨度8,400m的长大桥为主体的全长为16,200m吊桥的可行性。例如考虑把CFRP拉挤材料摆平捆起来作为缆索，该方案于1987年发表后，为了实现而继续进行着研究。1996年在瑞士winterhur的桥上安装了CFRP缆索。该桥长124m，4行线路，是以24根缆索制成的斜长桥，可耐1400吨载荷。24根中的2根是把直径为5mm的T700s拉挤材料摆成241根，长度为35m的缆索，具有实现直布罗陀桥的实证试验意义。图2连接非洲和欧洲的直布罗陀桥的构思2．在利用热性能方面的应用碳纤维热性能的特点有3点：(1)热膨胀系数非常小；(2)在高温不变形；(3)热传导的特异性。碳纤维的线膨胀系数比金属和塑料小一位数，反映了纤维的结构，沥青基各向同性低弹型碳纤维，室温时为+2~+5×10-6K-1，聚丙烯腈基以及5沥青基高弹型碳纤维为–0.1~–1.7×10-6K-1，是负数。也就是与金属和塑料相反，热缩冷胀。线膨胀系数是负的氛围温度在-200°C~+300°C之间，在-200°C以下以及+300°C以上是正的（聚丙烯腈基高弹型碳纤维）。负的线膨胀系数有优点也有缺点。例如，将预浸纱在170°C固化后，冷却至室温，由于纤维收缩甚微，树脂因为成型收缩，以及正的线膨胀系数，收缩很大，由于残余应力使纤维与树脂剥离，树脂产生龟裂，制品则产生弯曲或扭曲。因为在玻璃纤维中没有这种现象，，所以碳纤维难以使用。但尺寸不随温度变化，这是很难得的长处。例如，哈勃宇宙望远镜的构架使用了沥青基和粘胶纤维基CFRP管，在宇宙空间即使有很大的温差也能抑制变形，可以做到稳定的观测。再指出相同的一个例子。设在野外的东京天文台电波望远镜，在准微波进行宇宙的研究方面发挥了威力。直径45m的巨大反射板是由600张蜂窝夹层结构板组成的，而蜂窝夹层结构板的表面板用的是T300织物做成的CFRP。板的线膨胀系数是4~5×10-6K-1，有助于将昼夜温差引起的尺寸变化降到最小。因为织物的均匀性关系到性能，所以为了谋求纤维的蛇行和织物密度的变化为最小，很辛苦。人造卫星的通信天线也是CFRP的，因为用于军事方面，所以被指定为出口贸易管理的对象，这种复合材料制品在所有方向，线膨胀系数都在5×10-6K-1以下。碳是耐热性非常优异的材料，三相点约4,000K，在非氧化气氛中，即使在3,000°C以上也不变形。因此，将碳纤维增强碳（称作C/C或CCC）用于火箭的喷射孔、航天飞机的翼端、飞机的制动片、热压用模具、原子炉耐热部件、高温炉的螺栓、螺母、制造硅片的坩埚等。碳纤维纤维轴向的导热系数随弹性模量而增加。，聚丙烯腈基东丽T300（弹性模量230Gpa）的导热系数是10w·m-1k-1,而聚丙烯腈基高弹型碳纤维东丽M60J（590GPa）是155w·m-1k-1,沥青基高弹型碳纤维K13C2U(三菱化学公司制品，900GPa)是620w·m-1k-1,比银（419w·m-1k-1）、铜（386w·m-1k-1）、纯铝（204w·m-1k-1）、纯铁（73w·m-1k-1）的导热系数高。做成CFRP，因为树脂的导热系数低（0.2w·m-1k-1），即使用沥青基高弹型碳纤维也是360w·m-1k-1,导热系数与铜相当，据说将CFRP放在喷烧的火焰上，因为散热，所以不起火。但高弹型CFRP非常贵，在耐腐蚀方面可用于热交换器。听说山梨线实验线的超导线圈旁边必须导热的部件上应用着CFRP。上面所体现的是导热性好