序論：寫作是一種深度的自我表達(dá)。它要求我們深入探索自己的思想和情感，挖掘那些隱藏在內(nèi)心深處的真相，好投稿為您帶來了七篇碳纖維復(fù)合材料范文，愿它們成為您寫作過程中的靈感催化劑，助力您的創(chuàng)作。

篇(1)

關(guān)鍵詞：碳纖維；復(fù)合材料；井蓋

中圖分類號(hào)：TU531.6

1 引言

一般按照材料特性將井蓋分為鑄鐵（包括灰口鑄鐵和球墨鑄鐵）、復(fù)合材料、水泥及菱鎂等幾種井蓋。傳統(tǒng)的水泥混凝土井蓋具有造價(jià)低、制造方便、取材方便等優(yōu)勢(shì)，但其脆性大、易老化、易斷裂；目前國內(nèi)常用的井蓋還是以鑄鐵的（含球墨鑄鐵）[1]為主。鑄鐵井蓋最突出的優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)度高、使用壽命長、工藝成熟。但其造價(jià)高，防盜性差。主要是因其材料可以回收利用，因而容易被盜，這不僅造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，還會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的安全問題。通過安裝防盜裝置會(huì)進(jìn)一步增加井蓋的成本，因而，為解決此問題，采用沒有回收利用價(jià)值的復(fù)合材料井蓋就是最佳的選擇。目前市政工程中的復(fù)合材料井蓋存在承壓能力低、易老化變形等問題，因此在傳統(tǒng)的井蓋基礎(chǔ)上引進(jìn)高強(qiáng)度新材料開發(fā)能夠保證承載力、耐久性好且無回收利用價(jià)值的復(fù)合材料井蓋是一個(gè)值得關(guān)注的研究方向。

2 碳纖維加固混凝土的國內(nèi)外研究概況

2.1國外研究現(xiàn)狀

碳纖維加固技術(shù)最初起源于德國和瑞士，接著日本也進(jìn)入了碳纖維加固行業(yè)，并且迅速的推廣了碳纖維加固技術(shù)，加固范圍和加固領(lǐng)域也一直在不斷擴(kuò)大和延伸，而運(yùn)用碳纖維材料加固的最主要對(duì)象為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。歐美及日本的大量研究機(jī)構(gòu)從上個(gè)世紀(jì)的八十年代開始就通過科研實(shí)踐，對(duì)碳纖維加固技術(shù)進(jìn)行深入研究，現(xiàn)在在全世界都在廣泛的使用這項(xiàng)加固技術(shù)，此方法已經(jīng)成為了一種常用的加固方法[2]。

2.1國外研究現(xiàn)狀

碳纖維加固技術(shù)最初起源于德國和瑞士，接著日本也進(jìn)入了碳纖維加固行業(yè)，并且迅速的推廣了碳纖維加固技術(shù)，加固范圍和加固領(lǐng)域也一直在不斷擴(kuò)大和延伸，而運(yùn)用碳纖維材料加固的最主要對(duì)象為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。歐美及日本的大量研究機(jī)構(gòu)從上個(gè)世紀(jì)的八十年代開始就通過科研實(shí)踐，對(duì)碳纖維加固技術(shù)進(jìn)行深入研究，現(xiàn)在在全世界都在廣泛的使用這項(xiàng)加固技術(shù)，此方法已經(jīng)成為了一種常用的加固方法[2]。

Shahawy[3]在對(duì)CFRP 加固梁的疲勞性能和靜力性能研究方面，通過試驗(yàn)結(jié)果分析研究得出了混凝土強(qiáng)度等級(jí)、碳纖維布加固層數(shù)和碳纖維的不通加固方式對(duì)梁的靜力性能影響較大，尤其是對(duì)梁的極限承載力以及混凝土的延性性能方面影響較大。同時(shí)此文還研究了加固梁的疲勞性能，通過研究結(jié)果得出利用碳纖維加固對(duì)混凝土梁的疲勞性能也有顯著影響，利用碳纖維加固能使梁具有很好的疲勞性能。得出結(jié)論如下：CFRP 加固在很大作用上能夠增強(qiáng)梁的疲勞性能和靜力性能。他還對(duì)整個(gè)試驗(yàn)的過程通過運(yùn)用有限元軟件進(jìn)行了模擬，并對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了利用有限元分析結(jié)構(gòu)性能具有合理性。

2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國則從1997年才開始對(duì)碳纖維復(fù)合材料加固混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。近幾年來對(duì)采用粘貼碳纖維布材加固鋼筋混凝土梁的抗彎受力性能研究方面較為普遍，相應(yīng)的研究成果較多。

馮鵬、陸新征等通過實(shí)驗(yàn)研究四根不同加固形式的構(gòu)件，對(duì)試驗(yàn)構(gòu)件的受力全過程進(jìn)行了分析記錄，并對(duì)構(gòu)件純彎段裂縫狀況、荷載撓度曲線、跨中混凝土截面應(yīng)變分布、彎矩-碳纖維應(yīng)變關(guān)系和同樣撓度時(shí)的極限彎矩值進(jìn)行了詳細(xì)記錄研究，并利用試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了匯總出了開裂彎矩、屈服彎矩、極限彎矩和混凝土、鋼筋和碳纖維應(yīng)變等具體數(shù)據(jù)，運(yùn)用公式所得的結(jié)果與試驗(yàn)值基本符合。

趙志平等通過試驗(yàn)得出了不同形式加固梁的屈服荷載和極限荷載，再利用ANSYS 有限元分析軟件對(duì)試驗(yàn)中的梁進(jìn)行了有限元非線性分析的模擬，得出有限元分析的結(jié)果能夠與試驗(yàn)所得的值較好的符合，利用ANSYS 建模分析時(shí)，只要合理選用模型單元和合理設(shè)置計(jì)算參數(shù)，模型還是較高的實(shí)用性和可靠性的。

國內(nèi)外學(xué)者研究表明，碳纖維材料能夠有效的加固混凝土，提高混凝土的強(qiáng)度和承載力。

3 復(fù)合材料井蓋的研究現(xiàn)狀

3.1國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)常用的復(fù)合材料井蓋有以下，這些復(fù)合材料井蓋各有特點(diǎn)，共同的優(yōu)勢(shì)是金屬材料含量極小或沒有，沒有值得回收利用的價(jià)值，可以起到適當(dāng)?shù)姆辣I作用，能夠彌補(bǔ)鑄鐵井蓋最大的缺憾。

（1）鋼纖維混凝土井蓋

鋼纖維混凝土井蓋是早期的復(fù)合材料井蓋，相對(duì)混凝土井蓋而言，較強(qiáng)的抗裂性能和抗沖擊性能是此類井蓋的最大特點(diǎn)。可以承受荷載的反復(fù)碾壓，表現(xiàn)出較好的耐久性能，且加工成本便宜，回收價(jià)值不大。但是，該類混凝井蓋重量較大，施工檢修較費(fèi)力，井蓋邊緣容易破損，一般需要通過外加金屬邊框來改善這種崩邊現(xiàn)象。在城市道路、居民小區(qū)和工廠的雨水口等處一定程度上取代了鑄鐵井蓋。

3.2國外研究現(xiàn)狀

國外設(shè)計(jì)井蓋一般會(huì)根據(jù)井蓋不同部位采用增強(qiáng)材料各異。為保證其承載能力，通常在井蓋下部受力較大處使用連續(xù)纖維增強(qiáng)。為提高井蓋抗變形性能，在井蓋中部會(huì)大量使用填料；而為保證井蓋較好的耐磨性能，硬度較高、耐磨耐候性好的材料會(huì)用于井蓋上部，同時(shí)設(shè)計(jì)出相應(yīng)的圖案、數(shù)字、文字和顏色。通過這一套工藝程序就能夠滿足耐磨耐候性和外觀要求。玻璃鋼井蓋優(yōu)勢(shì)較明顯，既能保證井蓋的輕質(zhì)高強(qiáng)和抗疲勞性能好等要求，同時(shí)還具有耐腐蝕和外表美觀等優(yōu)點(diǎn)，也可以解決鑄鐵井蓋被盜的缺點(diǎn)，成為其替代產(chǎn)品。

綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者和業(yè)內(nèi)相關(guān)人士對(duì)于井蓋進(jìn)行了大量的研究，研究方法包括實(shí)驗(yàn)、模型仿真、加工工藝等多種途徑，表明井蓋技術(shù)在城市道路建設(shè)和規(guī)劃中得到越來越廣泛的關(guān)注和重視，新型材料井蓋研究技術(shù)也將成為一種新型的技術(shù)領(lǐng)域。在不同的使用條件下，可以通過不同的復(fù)合材料井蓋來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的和常用的鑄鐵井蓋。碳纖維在混凝土領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)比較廣泛，但是，關(guān)于新型碳纖維在井蓋中的研究非常鮮見，在井蓋領(lǐng)域中碳纖維的應(yīng)用還是空白，有極大的應(yīng)用潛力和發(fā)展空間，未來將成為傳統(tǒng)鑄鐵井蓋和水泥混凝土井蓋的理想換代產(chǎn)品。

參考文獻(xiàn)

[1]鄧宗才、吳寅.玻璃鋼井蓋的研制[J]. 玻璃鋼復(fù)合材料，2010，123（23）：12-13.

[2]S.Wen， D.D.L.Chung. Seebeck effect in Carbon Fiber Reinforced Cement， Cem.Coner.Res， 1999， 26（7）：15-18.

[3]文斌等.基于界面效應(yīng)的碳纖維水泥基復(fù)合材料壓敏性實(shí)驗(yàn)研究.重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，11（6）：65-68.

作者簡(jiǎn)介：

篇(2)

關(guān)鍵詞 碳纖維；復(fù)合材料；雷電防護(hù)

中圖分類號(hào)V2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A 文章編號(hào) 1674-6708（2013）102-0097-03

0引言

飛機(jī)的防雷擊設(shè)計(jì)包括全機(jī)防雷擊系統(tǒng)和部件級(jí)防雷擊系統(tǒng)兩部分。而防雷擊設(shè)計(jì)的首要環(huán)節(jié)是進(jìn)行雷電區(qū)域的正確劃分，從而根據(jù)不同的雷電區(qū)域采取不同的防護(hù)措施。本文主要提供一種全碳纖維復(fù)合材料飛機(jī)的全機(jī)防雷擊系統(tǒng)設(shè)計(jì)，部件級(jí)防雷擊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)本文不做分析。

1 飛機(jī)雷擊環(huán)境定義

1.1飛機(jī)的雷擊環(huán)境

直接雷擊——指開始接觸到飛機(jī)表面的雷擊。

掃掠雷擊——指一旦飛機(jī)接觸到直接雷擊后，雷擊持續(xù)放電的接觸點(diǎn)不斷出現(xiàn)順氣流方向沿飛機(jī)表面跳躍移動(dòng)。

1.2飛機(jī)的雷電效應(yīng)

雷電直接效應(yīng)是由雷電電弧的附著及伴隨著雷電流的高壓沖擊波和磁力所造成的燃燒、熔蝕、爆炸和結(jié)構(gòu)畸形。

雷電間接效應(yīng)是指在電子、電氣設(shè)備和布線中雷電引起的過電壓和過電流造成的設(shè)備損壞或干擾。

3 飛機(jī)雷電區(qū)域劃分

3.1區(qū)域劃分

按照不同的雷電附著特性或傳遞特性可把飛機(jī)表面劃分成三個(gè)區(qū)域：

區(qū)域1：初始電擊附著其上面（進(jìn)口或出口）可能性很大的飛機(jī)表面。亦稱初始附著區(qū)域。

區(qū)域2：電擊放電被氣流從區(qū)域1的初始附著點(diǎn)吹過來在其上面掃掠的可能性很大的飛機(jī)表面，亦稱掃掠沖擊區(qū)域。

區(qū)域3：除了區(qū)域1和區(qū)域2以外的所有飛機(jī)表面為區(qū)域3。在區(qū)域3，放電電弧直接附著的可能性很小，但它可能在某對(duì)初始雷電附著點(diǎn)或掃掠沖擊附著之間傳導(dǎo)很大的雷電流。

按照放電長時(shí)間懸停在飛機(jī)表面的可能性大小，區(qū)域1又進(jìn)一步分為A區(qū)、B區(qū)和C區(qū)，區(qū)域2劃分為A區(qū)和B區(qū)。A區(qū)是電弧在它上面長時(shí)間懸停可能性較小的區(qū)域。B區(qū)是電弧在它上面長時(shí)間懸停可能性較大的區(qū)域。

3.2區(qū)域的確定

飛機(jī)雷擊區(qū)域的劃分按照SAE ARP5414A-2005進(jìn)行，采用推薦的或標(biāo)準(zhǔn)的經(jīng)典規(guī)則確定。

3.2.1區(qū)域1的確定

首先，要確定可能的初始雷電附著點(diǎn)區(qū)域。一般傳統(tǒng)布局的飛機(jī)，根據(jù)飛機(jī)的雷擊經(jīng)驗(yàn)，典型的雷電先導(dǎo)初始附著點(diǎn)位置為一些末端，如機(jī)頭、機(jī)翼/尾翼翼尖、推進(jìn)器和螺旋槳槳葉的末端、發(fā)動(dòng)機(jī)艙以及其他明顯的突出物。

其次，確定區(qū)域1A、1B、1C的位置，根據(jù)SAE ARP5414A-2005，在正常情況下，飛機(jī)將會(huì)往前飛行，當(dāng)沖擊和閃電從前端的附著點(diǎn)開始從頭到尾的掃過，開始形成第一個(gè)回流沖擊。這一時(shí)間飛機(jī)飛行距離決定了區(qū)域1A表面相對(duì)于初始附著點(diǎn)的延展部分，這個(gè)距離由飛行速度、飛機(jī)離地面的海拔高度（對(duì)于從云端到地面的沖擊）以及先導(dǎo)速度決定。區(qū)域1A延展部分的起點(diǎn)應(yīng)該是飛機(jī)初始附著區(qū)域的端點(diǎn)。

3.2.2區(qū)域2的確定

區(qū)域2：

1）從區(qū)域1的直接雷擊接觸點(diǎn)向后有掃掠雷擊可能性的表面為區(qū)域2，在區(qū)域1的前、后邊界側(cè)向內(nèi)大約0.5m范圍內(nèi)的表面；

2）區(qū)域1C之后機(jī)身表面為區(qū)域2A；

3）垂尾、平尾區(qū)域1以外的為區(qū)域2A；方向舵、升降舵為區(qū)域2B。

3.2.3區(qū)域1、2的橫向擴(kuò)張位置的確定

對(duì)于機(jī)翼和尾翼處，確定區(qū)域1的辦法是確定突出的弧形部分的水平切線，然后沿著切線往里延伸大約0.5m，區(qū)域1往里延伸大約0.5m的表面區(qū)域應(yīng)該放在區(qū)域2中考慮。

3.2.4區(qū)域3的確定

不屬于區(qū)域1和2的表面，并且不可能有閃電附著的地方劃分為區(qū)域3。

3.3飛機(jī)雷擊區(qū)域劃分示意圖

飛機(jī)的雷擊區(qū)域的位置都是由飛機(jī)的幾何特性和飛機(jī)的飛行特性來確定的。飛機(jī)雷擊區(qū)域的最終確定將由飛機(jī)雷擊附著點(diǎn)試驗(yàn)得到。圖1為某型號(hào)單發(fā)渦槳輕型公務(wù)機(jī)雷擊區(qū)域的初步理論劃分示意圖。

4雷電防護(hù)設(shè)計(jì)

飛機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)該是在飛機(jī)遭遇雷擊時(shí)能為雷電流提供低阻抗的通路。對(duì)于容易受到雷擊放電損壞的飛機(jī)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)和部件如飛機(jī)的機(jī)頭、翼尖、螺旋槳、發(fā)動(dòng)機(jī)、燃油箱、活動(dòng)翼面、風(fēng)擋、天線等部件，必須根據(jù)其自身重要性以及所在區(qū)域的要求采取必要的雷電防護(hù)措施，以盡可能避免或減小雷電對(duì)飛機(jī)及設(shè)備自身的損害。

4.1 全碳纖維復(fù)合材料機(jī)體的雷擊防護(hù)

資料顯示，對(duì)復(fù)合材料機(jī)體進(jìn)行模擬雷擊試驗(yàn)，在沒有雷擊防護(hù)層的情況下，在經(jīng)受60～100kA峰值電流和1.9C電荷量放電后就產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p傷，說明應(yīng)用復(fù)合材料的飛機(jī)必須進(jìn)行雷擊防護(hù)。

據(jù)了解，目前國內(nèi)外多數(shù)復(fù)合材料的飛機(jī)均使用金屬絲網(wǎng)作為雷擊防護(hù)層，可用標(biāo)準(zhǔn)紡織工藝將金屬絲織成布或針織品。全碳纖維復(fù)合材料飛機(jī)使用銅網(wǎng)作為雷擊防護(hù)層。根據(jù)模擬雷擊試驗(yàn)結(jié)果，具體防雷擊方案為：

1）對(duì)機(jī)雷擊區(qū)域1，可用銅絲網(wǎng)做復(fù)合材料的表面防護(hù)層。銅絲網(wǎng)的網(wǎng)眼數(shù)不小于20×40孔/in2，銅絲直徑至少為0.14mm；

2）對(duì)機(jī)雷擊區(qū)域2，可用銅絲網(wǎng)做復(fù)合材料的表面防護(hù)層。銅絲網(wǎng)的網(wǎng)眼數(shù)不小于20×40孔/in2，銅絲直徑至少為0.1mm。

4.1.1位于雷擊區(qū)域1的全碳纖維復(fù)合材料機(jī)體的雷擊防護(hù)

用于雷擊區(qū)域1的復(fù)合材料雷擊防護(hù)層必須能經(jīng)受200kA的高電流沖擊和500C電荷量的傳輸。處于雷擊區(qū)域1的全碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的防雷擊設(shè)計(jì)可在復(fù)合材料制件的外表面上鋪一層銅絲網(wǎng)，一次固化成制件，或?qū)~絲網(wǎng)用膠粘劑粘到復(fù)合材料制件的外表面上。銅絲網(wǎng)規(guī)格為：網(wǎng)孔數(shù)不小于20×40孔/ in2，銅絲直徑至少為0.14mm。

4.1.2位于雷擊區(qū)域2的全碳纖維復(fù)合材料機(jī)體的雷擊防護(hù)

用于雷擊區(qū)域2的復(fù)合材料雷擊防護(hù)層必須能經(jīng)受100kA的高電流沖擊和傳輸200C的電荷量。處于掃掠雷擊的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)雷擊防護(hù)設(shè)計(jì)可采用在復(fù)合材料制件表面上粘一層銅絲網(wǎng)。銅絲網(wǎng)的規(guī)格為：網(wǎng)孔數(shù)不小于20×40孔/ in2，銅絲直徑至少為0.1mm，若有天線安裝的部位，為防止趨膚效應(yīng)，銅絲直徑至少為0.14mm。

4.2全碳纖維復(fù)合材料整體油箱的雷擊防護(hù)

對(duì)于復(fù)合材料整體油箱，雷電防護(hù)設(shè)計(jì)是復(fù)合材料整體油箱設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。雷擊過程中的高電壓、大電流、大電量（持續(xù)高電流）對(duì)復(fù)合材料整體油箱危害極大。因此，在復(fù)合材料整體油箱設(shè)計(jì)之初，就應(yīng)選擇雷電防護(hù)系統(tǒng)。

4.2.1全碳纖維復(fù)合材料整體油箱防雷擊設(shè)計(jì)的主要原則

1）復(fù)合材料整體油箱應(yīng)布置在飛機(jī)遭受雷擊概率較小的區(qū)域，如雷擊區(qū)域2或3，盡量布置在3區(qū)。對(duì)機(jī)翼整體油箱來說，應(yīng)布置在機(jī)翼的根部或中部；

2）在復(fù)合材料整體油箱的外表面應(yīng)該為雷擊電流構(gòu)建通道，這些通道應(yīng)與飛機(jī)的雷擊電流傳輸通路有良好的電連接；

3）在油箱區(qū)，凡存在燃油、燃油蒸汽和空氣混合氣體的空間，不得因雷擊產(chǎn)生放電火花。

4.2.2全碳纖維復(fù)合材料整體油箱外部的雷電防護(hù)設(shè)計(jì)

由于復(fù)合材料整體油箱的上、下壁板是飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)表面的一部分，因此其雷電防護(hù)的設(shè)計(jì)思路及外表面雷電防護(hù)方法與復(fù)合材料機(jī)體的雷電防護(hù)相同。

4.2.3全碳纖維復(fù)合材料整體油箱內(nèi)部的雷電防護(hù)設(shè)計(jì)

1）金屬緊固件尾部及連接細(xì)節(jié)雷電防護(hù)設(shè)計(jì)：當(dāng)結(jié)構(gòu)材料允許雷擊電流通過結(jié)構(gòu)骨架傳導(dǎo)時(shí)，容易在緊固件尾部或緊固件與骨架連接處產(chǎn)生放電火花，為此需用密封膠覆蓋、用專用防護(hù)帽的方法或其他可靠的方法保證不產(chǎn)生放電火花；

2）復(fù)合材料緊固件：在滿足強(qiáng)度要求并能提供充足的緊固件品種規(guī)格和工藝保證的前提下使用。可避免將雷擊電流導(dǎo)入油箱內(nèi)部，從而避免火花的出現(xiàn)；

3）油箱內(nèi)的金屬構(gòu)件：復(fù)合材料整體油箱內(nèi)部應(yīng)盡量避免有金屬構(gòu)件。對(duì)于不可避免的金屬構(gòu)件應(yīng)通過搭接線與飛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)保證良好搭接，并要防止內(nèi)部導(dǎo)體電暈和流光。

4）油箱內(nèi)部的部件和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)做到：當(dāng)雷擊電流通過油箱時(shí)，不會(huì)在油箱內(nèi)部產(chǎn)生任何可能點(diǎn)燃燃油蒸汽的火花。

4.3設(shè)備的雷電防護(hù)

對(duì)于設(shè)備，根據(jù)設(shè)備所執(zhí)行的功能，要求設(shè)備廠商必須參照符合設(shè)備預(yù)期用途以及在飛機(jī)上安裝要求的試驗(yàn)電平和波形對(duì)設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)，具體要求根據(jù)RTCA /DO 160F 第22章進(jìn)行。

對(duì)于安裝在飛機(jī)外部的設(shè)備，還需要設(shè)備廠商進(jìn)行雷電直接效應(yīng)試驗(yàn)，用于確定外部安裝設(shè)備耐受雷擊直接效應(yīng)的能力，施加于外部安裝設(shè)備的試驗(yàn)類型和嚴(yán)酷等級(jí)取決于設(shè)備指定的類別。指定的設(shè)備試驗(yàn)類別應(yīng)與設(shè)備安裝位置所在的雷電放電區(qū)域相符合，具體要求根據(jù)RTCA /DO 160F 第23章進(jìn)行。

4.4雷電間接效應(yīng)防護(hù)

飛機(jī)內(nèi)電子電氣系統(tǒng)和部件（全機(jī)用電設(shè)備，包括發(fā)動(dòng)機(jī)電氣、操縱系統(tǒng)等），可能會(huì)因?yàn)槔讚粢疬^電壓和過電流造成損壞或干擾的，要進(jìn)行雷電間接效應(yīng)防護(hù)。由于全碳纖維復(fù)合材料飛機(jī)的屏蔽能力比金屬飛機(jī)差，所以雷電間接效應(yīng)的防護(hù)更加重要。

雷電間接效應(yīng)通常以兩種形式出現(xiàn)：

1）雷電通過天線、空速管加溫線、航行燈導(dǎo)線、金屬操縱線系及各種金屬管路等，將雷電電流直接引入飛機(jī)，可能出現(xiàn)浪涌電壓；

2）沿著機(jī)體流動(dòng)的雷電電流在飛機(jī)線路中、金屬操縱線系、各種金屬管路中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓和電流。

4.4.1明確設(shè)備防護(hù)的要求

關(guān)于電子電氣設(shè)備的雷電間接效應(yīng)防護(hù)要求：

1）不得造成物理損壞；

2）不得產(chǎn)生立即危及飛機(jī)及其機(jī)組人員安全的干擾，或產(chǎn)生嚴(yán)重妨礙飛機(jī)任務(wù)完成的干擾。

系統(tǒng)和部件的雷電關(guān)鍵類別取決于其自身對(duì)飛機(jī)的重要性、所在的雷電分區(qū)以及雷電的敏感性。根據(jù)飛機(jī)的機(jī)體結(jié)構(gòu)、蒙皮材料、電磁“窗口”大小（如外部非金屬區(qū)）設(shè)備的安裝部位、導(dǎo)線的布置、設(shè)備接口進(jìn)行分析，確定瞬態(tài)控制等級(jí)（TCL）和設(shè)備瞬態(tài)設(shè)計(jì)等級(jí)（ETDL）。關(guān)鍵設(shè)備、分系統(tǒng)根據(jù)RTCA /DO 160F 第22章進(jìn)行試驗(yàn)。RTCA /DO 160F 第22章試驗(yàn)波形等同SAE ARP5412A-2005的相關(guān)試驗(yàn)波形。

4.4.2選擇設(shè)備的最佳安裝位置

設(shè)計(jì)過程中，盡量將電子設(shè)備布置在雷電產(chǎn)生的電磁場(chǎng)最弱的區(qū)域，采取的主要措施有：

1）電子設(shè)備盡量遠(yuǎn)離門、窗、口蓋等開口處。對(duì)于安裝在駕駛艙、起落架艙、機(jī)翼前后緣、尾段等相對(duì)敞開區(qū)域的設(shè)備，采用金屬機(jī)箱屏蔽，對(duì)于含有數(shù)字電路和模擬電路的設(shè)備如靠近擋風(fēng)板或窗口的，最好用壁厚大于1mm的鋁合金做成電磁屏蔽盒；

2）盡可能將電子設(shè)備布置為朝向飛機(jī)結(jié)構(gòu)的中心，而不布置在飛機(jī)外蒙皮；

3）設(shè)備安裝的設(shè)備架上能為電子設(shè)備提供接地面且與飛機(jī)接地網(wǎng)有良好的搭接；

4）金屬線系和管路應(yīng)有良好的搭接。

4.4.3選擇線路的最佳位置

電線、電纜應(yīng)進(jìn)行分類布設(shè)。

電纜敷設(shè)遠(yuǎn)離門、窗、口蓋等開口處和曲率較小的結(jié)構(gòu)或蒙皮。

線束盡可能靠近接地平面或結(jié)構(gòu)件敷設(shè)，可利用成形的結(jié)構(gòu)件作電纜槽，提供屏蔽。

盡可能使導(dǎo)于磁場(chǎng)強(qiáng)度較弱的結(jié)構(gòu)角落，如避開突出的結(jié)構(gòu)件頂部，盡可能敷設(shè)在“U”型件的內(nèi)部。

當(dāng)有機(jī)外未屏蔽或屏蔽效能不高區(qū)域的電線和電纜進(jìn)入機(jī)身內(nèi)部時(shí)，將機(jī)外所有電纜進(jìn)行屏蔽保護(hù)，屏蔽層接地線應(yīng)盡量短，并良好搭接，以避免遭受雷擊或外部強(qiáng)電磁輻射時(shí)電線和電纜上的感應(yīng)電壓和電流損壞電線和電纜以及與電線和電纜連接的機(jī)內(nèi)設(shè)備。

不要使燃油傳感器導(dǎo)線的走向與通氣管、導(dǎo)油管導(dǎo)向走向一致或平行。導(dǎo)線可以貼著蒙皮走，但應(yīng)避免與雷擊電流流向一致。

在非金屬機(jī)翼蒙皮下的電纜，應(yīng)根據(jù)導(dǎo)線的布設(shè)方向，用鋁箔材料或良導(dǎo)體金屬導(dǎo)線管，保護(hù)電纜導(dǎo)線。鋁箔材料或金屬導(dǎo)線管應(yīng)和全機(jī)的接地網(wǎng)搭接，形成良好的電氣通路。

雷電流通過低導(dǎo)電率材料的蒙皮（如鈦、碳纖維）區(qū)域會(huì)產(chǎn)生電磁干擾，應(yīng)遠(yuǎn)離這些區(qū)域布設(shè)電纜。由于空間有限，可采用電氣隔離的方法：

1）可采用扭絞線作為電源線；

2）采用屏蔽電纜或屏蔽扭絞線，并將它們的兩端均搭接到全機(jī)的接地網(wǎng)上；

3）用瞬態(tài)抑制器，以保護(hù)電網(wǎng)的安全；

4）電氣設(shè)備和線束的安裝應(yīng)滿足要求。

4.4.4選擇良好的接地

設(shè)備應(yīng)根據(jù)要求選擇良好的搭接，并進(jìn)行搭接電阻的檢查。

對(duì)全碳纖維復(fù)合材料飛機(jī)，全機(jī)設(shè)備進(jìn)行良好的搭接顯得尤為重要，為方便設(shè)備的搭接，全機(jī)應(yīng)構(gòu)建統(tǒng)一的搭接網(wǎng)絡(luò)。

5結(jié)論

雷電對(duì)飛機(jī)的飛行安全影響較大，全碳纖維材料飛機(jī)的雷擊防護(hù)在飛機(jī)的研制過程中是非常重要的，對(duì)機(jī)體結(jié)構(gòu)采用敷設(shè)銅網(wǎng)作為雷擊防護(hù)層是可行的。

參考文獻(xiàn)

[1]RTCA/DO-160F 機(jī)載設(shè)備環(huán)境條件和試驗(yàn)程序.

[2]SAE ARP 5414A-2005 飛機(jī)雷電區(qū)域劃分.

[3]CCAR-23-R3 正常類、實(shí)用類、特技類和通勤類飛機(jī)適航規(guī)定.

篇(3)

碳纖維是一種力學(xué)性能優(yōu)異的新材料，被譽(yù)為黑色黃金。它的比重不到鋼的1/4，碳纖維樹脂復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度一般都在3500Mpa以上，是鋼的7~9倍，抗拉彈性模量為23000~43000Mpa亦高于鋼。碳纖維不僅自重輕、強(qiáng)度高、性能穩(wěn)定，同時(shí)它易于產(chǎn)品設(shè)計(jì)，通過對(duì)纖維排列不同取向可以滿足不同的需求，是結(jié)構(gòu)類應(yīng)用首選材料。環(huán)氧樹脂形式多樣，應(yīng)用方便，固化后尺寸穩(wěn)定，收縮性低，具有優(yōu)良的力學(xué)性能，耐酸堿。兩者結(jié)合后稱為碳纖維-環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料，也就是碳素復(fù)合材料，成為當(dāng)今新一代的材料之王，是各類運(yùn)動(dòng)器材的首選材料。

減重

自行車的功能從交通工具進(jìn)入到騎行運(yùn)動(dòng)、休閑健身后，碳素復(fù)合材料作為首選材料完全能滿足騎行運(yùn)動(dòng)、休閑健身所需求的自重更輕，強(qiáng)度更高，騎行感覺更佳的訴求。實(shí)踐證明，以碳纖維復(fù)合材料替代鋼或鋁金屬材料，減重效率可達(dá)20%～30%，應(yīng)用在自行車上，自重減輕30%，相當(dāng)于增加有效騎行力45%以上。據(jù)專業(yè)測(cè)算，對(duì)一輛結(jié)構(gòu)相同的自行車，若重量相差四磅（約合1.8公斤），同一運(yùn)動(dòng)員在兩公里的行程中，重的那輛要慢193英尺（約58.82米）。難怪業(yè)界人士常有自行車重量降低一克，賣價(jià)可提高一美元的說法。

高強(qiáng)

除了為自行車減重，碳纖維復(fù)合材料也大大提高了車身的整體剛度，增加安全性。碳纖維復(fù)合材料中基體是以連續(xù)相形式包圍著大量獨(dú)立存在的纖維，這種由多相組成的材料在受到?jīng)_撞時(shí)，即使有少量的纖維斷裂，其載荷會(huì)迅速重新分配到未破壞的纖維上，使結(jié)構(gòu)還能承載原有的重量，大大提高了騎乘的安全性。而一般金屬材料的疲勞破壞是沒有明顯征兆的突發(fā)性破壞。研究表明，碳纖維復(fù)合材料車架耐沖撞試驗(yàn)可達(dá)百萬次以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的十萬次標(biāo)準(zhǔn)。

減震

碳素材料的優(yōu)勢(shì)還不止于此。碳素復(fù)合材料的應(yīng)用還顯著改進(jìn)了自行車的抗震性。剛度好的車架有利于驅(qū)動(dòng)力的轉(zhuǎn)換，操縱性能的提高。碳纖維復(fù)合材料自行車結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，不易變形，而且減震效果突出。據(jù)報(bào)道，對(duì)形狀與尺寸相同的車架進(jìn)行試驗(yàn)表明，鋁合金車架需要9秒才能停止振動(dòng)，而碳纖維復(fù)合材料車架只需2.5秒就可停止，復(fù)合材料良好的阻尼性減輕了自行車的顛簸。不僅如此，和金屬相比，碳纖維制成的自行車還具有良好的耐銹蝕性。高分子材料的耐酸堿、工業(yè)大氣下性能良好，因此使用碳纖維樹脂基復(fù)合材料制成的自行車零部件有無可置疑的耐環(huán)境性能。

碳素纖維復(fù)合材料在自行車中的應(yīng)用

碳素復(fù)合材料主要應(yīng)用在車架及結(jié)構(gòu)性部件上。車架是自行車的靈魂，一輛綜合性能卓越的自行車，必然有一個(gè)高性能的車架。碳素復(fù)合材料車架具有材料本身減重效應(yīng)明顯，重量超輕，應(yīng)用后將碳素復(fù)合材料的高模量、高強(qiáng)度發(fā)揮得淋漓盡致，能吸收地面的沖擊力，踩踏的反撥力快，幾乎沒有疲勞性等特點(diǎn)，是理想的自行車車架素材，成為運(yùn)動(dòng)競(jìng)技自行車的最佳材料選項(xiàng)。雖然具有優(yōu)異的性能，但是復(fù)合材料自行車的設(shè)計(jì)和制造也遠(yuǎn)比一般金屬材料自行車要更為復(fù)雜。

碳纖車架，主要技術(shù)點(diǎn)在于應(yīng)力方面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)工程師綜合模擬并測(cè)試車架各方向的受力情況后，科學(xué)地進(jìn)行碳素復(fù)合材料的疊層的排列與設(shè)計(jì)，并結(jié)合車架管形的設(shè)計(jì)，傳動(dòng)模擬，試驗(yàn)驗(yàn)證后最終能獲取科學(xué)數(shù)據(jù)，制造出高性能的車架。

在制作工藝上，需要首先將碳纖維與環(huán)氧樹脂結(jié)合后形成碳素復(fù)合材料的預(yù)浸材料。材料經(jīng)裁剪、卷制、熱固化成型等工藝制成毛胚，再經(jīng)打磨、拋光工藝才能最后制成成品車架。碳纖車架需求的多樣化與市場(chǎng)化，使得車架成型技術(shù)也經(jīng)歷著不斷的優(yōu)化創(chuàng)新，部件分體成型法、一體成型法、氣袋內(nèi)壓成型法、硅膠內(nèi)蕊成型法、真空外壓成型法、混合工藝成型法等都是較有代表性的制造工藝。

1974年，美國Apex Proto公司制造了一只薄壁不銹鋼接頭粘合的碳纖維復(fù)合材料自行車車架，1976年Exxon公司制造了石墨纖維和鋁復(fù)合的Graftek G-1車架。但由于研究、開發(fā)和銷售這些復(fù)合材料的車架費(fèi)用巨大，無利可圖，最終只能停產(chǎn)。1980年，法國TVT工廠第一次出售了復(fù)合材料自行車車架。1986年CCI公司設(shè)計(jì)的復(fù)合材料車架Kestre14000由于設(shè)計(jì)獨(dú)特、造型新穎在業(yè)內(nèi)產(chǎn)生了轟動(dòng)。1987年，美國Treak公司推出Trek2500型復(fù)合材料車架獲得了市場(chǎng)成功。此后，Peugeot、Vi、R-aleigh等美國公司也積極開始了復(fù)合材料自行車的設(shè)計(jì)制造。日本、臺(tái)灣也都建立起了復(fù)合材料自行車生產(chǎn)線，達(dá)到年產(chǎn)五萬輛以上的規(guī)模。

近年來，日本、美國、西歐及中國臺(tái)灣利用對(duì)飛機(jī)部件的設(shè)計(jì)制造方法，分析了車架的應(yīng)力承受情況，對(duì)受力較大的部位予以增強(qiáng)，更符合空氣動(dòng)力學(xué)要求。用內(nèi)部加壓注塑的方法制成的整體式碳纖維車架，整個(gè)自行車的重量可控制在7.5公斤左右，較管狀粘接的車架輕20%，而剛性與鉻鉬車架相當(dāng)，可以避免粘接問題，擺脫了傳統(tǒng)的菱形車架模式，制造更趨于流線型、多樣化。通過在樹脂中添加適量染料，還可使產(chǎn)品表面更加艷麗。

除了車架，車輪是復(fù)合材料在自行車產(chǎn)品應(yīng)用中的又一項(xiàng)成功。日本新日鐵公司開發(fā)的自行車后輪，設(shè)計(jì)為采用乙烯樹脂片材中加入芳酰胺纖維結(jié)構(gòu)的碟輪。還有杜邦公司的三輻輪復(fù)合材料車輪，輻條也是用復(fù)合材料制作。輻條的外形采用前緣鈍，后緣薄，使車輪在運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生最大的空氣動(dòng)力效果。輪緣部位設(shè)計(jì)為翼型，使輪緣作為前緣和后緣時(shí)都具有空氣動(dòng)力的效果。這樣設(shè)計(jì)制造的復(fù)合材料空氣動(dòng)力車輪不僅重量更輕，在速度、強(qiáng)度、剛性等測(cè)試中均較鋼絲車輪有更佳的表現(xiàn)。設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)中隊(duì)騎行者遇到的空氣阻力進(jìn)行分析比較，在保持載荷的同時(shí)可以將比賽速度提高1-2km/h。

隨著自行車競(jìng)技運(yùn)動(dòng)的發(fā)展以及綠色騎游文化的普及，碳素復(fù)合材料在競(jìng)技自行車領(lǐng)域、高檔通行自行車領(lǐng)域應(yīng)用呈現(xiàn)普及化，也帶動(dòng)了技術(shù)、工藝、質(zhì)量等方面的全面提升。碳素復(fù)合纖維輪胎、碳素復(fù)合纖維車把、碳素復(fù)合纖維輪轂、碳素復(fù)合纖維前叉、碳素復(fù)合纖維避震器，復(fù)合材料等組件可謂比比皆是。根據(jù)不同部件使用要求和特點(diǎn)開發(fā)的新型復(fù)合材料也呈爆炸式發(fā)展。相應(yīng)的，復(fù)合材料的蓬勃發(fā)展也加快了自行車產(chǎn)品的技術(shù)革新，新材料制作的新產(chǎn)品如雨后春筍應(yīng)運(yùn)而生。德國Karbon Kinetic-sLtd.公司推出的復(fù)合材料自行車就是基于全球著名的工程熱塑性材料供應(yīng)商沙伯基礎(chǔ)創(chuàng)新公司出品的LNP VertonRV00CE特種復(fù)合材料設(shè)計(jì)制造。該材料不僅被應(yīng)用于自行車領(lǐng)域，在雪鞋等要求堅(jiān)固耐用、質(zhì)輕減震的運(yùn)動(dòng)用品中均有上佳表現(xiàn)。

市場(chǎng)前景

碳纖維材料在發(fā)明之初主要應(yīng)用在以航空航天為首的國防軍工領(lǐng)域中，作為重要的國防戰(zhàn)略物資屬于技術(shù)密集型和政治敏感的關(guān)鍵材料。碳纖維不僅價(jià)格昂貴且技術(shù)保密，成為民用普及的瓶頸。目前世界碳纖維產(chǎn)量達(dá)到4萬噸／年以上，全世界主要是日本東麗、東邦人造絲和三菱人造絲三家公司，美國的HEXCEL、ZOLTEK、ALDILA三家公司，以及德國SGL西格里集團(tuán)、韓國泰光產(chǎn)業(yè)和臺(tái)灣省的臺(tái)塑集團(tuán)等少數(shù)單位掌握了碳纖維生產(chǎn)的核心技術(shù)，并且有規(guī)模化大生產(chǎn)。各大碳纖維生產(chǎn)公司在冷戰(zhàn)后除了擴(kuò)大產(chǎn)能、研發(fā)新產(chǎn)品外，也都致力于降低碳纖維價(jià)格。據(jù)美國巖石山研究所對(duì)碳纖維作出的研究分析，只有當(dāng)碳纖維價(jià)格降至每千克16.5美元以下才與鋼材相比具有競(jìng)爭(zhēng)力。而目前日本東麗公司的T700價(jià)格較鋼材貴一倍還多。

競(jìng)技體育更關(guān)注性能，是高新技術(shù)民用化的前哨戰(zhàn)和試驗(yàn)場(chǎng)。目前所有的比賽用車，無論是山地車或是室內(nèi)自行車都幾乎是碳素材料的天下，今年亮相的環(huán)法自行車賽比賽用車也都是清一色的碳素材料產(chǎn)品。但國外生產(chǎn)研制廠家在普及碳纖維自行車應(yīng)用的同時(shí)，為增強(qiáng)企業(yè)的高科技形象，大多都是以發(fā)展碳纖維自行車的高檔化與新穎性方面為重點(diǎn)，很少考慮成本。以美國德耳塔運(yùn)動(dòng)公司2010年最新推出的碳纖維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)自行車為例。該車架充分利用了網(wǎng)格結(jié)構(gòu)重量效率高、抗壓及抗彎曲性能好、耐損傷程度高大、易檢測(cè)與修補(bǔ)等優(yōu)點(diǎn)。采用該結(jié)構(gòu)制造出的輕便自行車只有2.5公斤，即使是180公斤的重量級(jí)男子坐在上面，自行車也可以輕松自如地前進(jìn)。如果將車架用于折疊自行車，人們就可以輕松地拎著它上公交、擠地鐵了。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)新穎，應(yīng)該很受消費(fèi)者青睞。但該車的車架成本高達(dá)6995美元，整車則要11995美元，可以說自行車賣出了汽車價(jià)，根本不能進(jìn)行批量生產(chǎn)。

盡管如此，碳纖維自行車市場(chǎng)隨著其影響力的不斷擴(kuò)大仍有顯著增長。2000年以前，碳纖維自行車的年產(chǎn)量只有幾萬臺(tái)，基本上都是供專業(yè)或半專業(yè)人士使用。而到2010年，僅臺(tái)灣與中國大陸地區(qū)就生產(chǎn)了約三十萬臺(tái)。可以說在這十年里，碳纖維自行車市場(chǎng)經(jīng)歷了爆炸性的增長。而碳纖維自行車的價(jià)格也從神話般高價(jià)位走到一般大眾生活中。早期一輛碳纖維自行車售價(jià)數(shù)十萬元，現(xiàn)在隨著工藝成熟，材料市場(chǎng)進(jìn)一步擴(kuò)大，生產(chǎn)制造商不斷創(chuàng)新，降低成本，目前市場(chǎng)也已經(jīng)出現(xiàn)了不足萬元的碳纖維自行車，讓大眾群體也可以享受到實(shí)惠。只有讓更多的消費(fèi)者接受體會(huì)碳纖維自行車的好處，才能更快地推動(dòng)碳纖維等新型材料在自行車上的應(yīng)用。

全世界每年生產(chǎn)的自行車總量超過一億輛，而碳纖維自行車只有七十萬輛左右。性能如此優(yōu)越的材料在自行車的生產(chǎn)總量中只占很低的比例。業(yè)內(nèi)人士指出，隨著工藝和成本的優(yōu)化，碳纖維自行車已經(jīng)能夠逐步走進(jìn)尋常百姓家，讓更多人享受綠色健康的騎行樂趣。

碳素復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)

質(zhì)輕堅(jiān)固

可定向優(yōu)化性能

可塑性強(qiáng)

為產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)留有更大空間

碳素復(fù)合材料的弊端

價(jià)格較鋼鐵昂貴

制造工藝較復(fù)雜

接合、維護(hù)難度大

篇(4)

關(guān)鍵詞： 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料； B基準(zhǔn)值； 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析； Matlab

中圖分類號(hào)： TP319 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）16?0087?05

Matlab?based algorithm for B reference value of carbon fiber reinforced polymer

DONG Ben?zheng1， LI Wei1， GAO Li?hong2， GUO Chao?long1， ZHA Meng2， JI Ai?hong1， DAI Zhen?dong1

（1. Institute of Bio?inspired Structure and Surface Engineering， NUAA， Nanjing 210016， China； 2. The First Aircraft Institute， AVIC， Xi’an 710089， China）

Abstract： B reference value is an important parameter to evaluate carbon fiber reinforced polymer （CRFRP）， thus the efficient and accurate computation for B reference value of CFRP is helpful to evaluate its properties. According to the aviation industry standard of HB7618?2009， the B reference value algorithm based on Matlab GUI module is developed， which can realize the functions of specimen inspection， abnormal data check， statistical distribution test， discrete coefficient correction and test， B reference value calculation. The calculated result of B reference value is exported in the Word format. In comparison with calculation results from the Aviation Industry Standard of HB7618?2009， the algorithm is accurate and reliable. It improved the calculation efficient of B reference value significantly.

Keywords： carbon fiber reinforced polymer； B reference value； statistical analysis； Matlab

0 引 言

碳纖維復(fù)合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRP）是以樹脂為基體，碳纖維為增強(qiáng)體的復(fù)合材料，作為一種先進(jìn)的復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高比模量、抗疲勞性等優(yōu)點(diǎn)，正是這些獨(dú)特的特性使CFRP成為與鋁合金、鈦合金、鋼合金并列的四大航空材料之一[1?3]。飛機(jī)在服役的過程中會(huì)遇到各種各樣極端情況，例如低溫、高溫、潮濕環(huán)境，這都會(huì)影響CFRP的性能[4?6]。航空工業(yè)一般采用B基準(zhǔn)值來評(píng)價(jià)CFRP的性能。為了得到CFRP在這些環(huán)境下的B基準(zhǔn)值，就需要進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)；根據(jù)航空工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HB7618?2009《聚合基復(fù)合材料性能數(shù)據(jù)表達(dá)準(zhǔn)則》提供的計(jì)算步驟 [7]， B基準(zhǔn)值的計(jì)算方法比較繁瑣。因而面對(duì)大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如何高效準(zhǔn)確地計(jì)算B基準(zhǔn)值對(duì)于實(shí)驗(yàn)人員來說是急需解決的問題。現(xiàn)在對(duì)于B基準(zhǔn)值計(jì)算方法仍然是借助Excel的手動(dòng)計(jì)算為主，這種方式無疑計(jì)算耗時(shí)長，并且容易出錯(cuò)，無法滿足快速處理大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的要求。為了提高B基準(zhǔn)值的計(jì)算效率，本文根據(jù)Matlab在矩陣運(yùn)算、圖像處理和數(shù)值處理效率方面的優(yōu)勢(shì)[8]，將B基準(zhǔn)值的計(jì)算和Matlab相結(jié)合，利用其GUI（Graphical User Interface）模塊開發(fā)B基準(zhǔn)值計(jì)算算法。

1 基準(zhǔn)值計(jì)算原理

1.1 B基準(zhǔn)值

為了保證材料的結(jié)構(gòu)的可靠性和安全性，就需要用到一些高級(jí)的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法來確定其合理的設(shè)計(jì)許用值，一般采用B基準(zhǔn)值[7]。B基準(zhǔn)值是建立在統(tǒng)計(jì)學(xué)上的衡量材料性能的參數(shù)，在95%的置信度下，90%性能數(shù)值群的值高于此值[9]。航空工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HB7618?2009關(guān)于B基準(zhǔn)值的流程復(fù)雜，本文將著重從批次相容性檢驗(yàn)、檢查異常數(shù)據(jù)、分布函數(shù)檢驗(yàn)、離散系數(shù)修正與檢驗(yàn)、B基準(zhǔn)值計(jì)算及導(dǎo)出結(jié)果幾方面進(jìn)行說明。

1.2 主要計(jì)算步驟

（1） 檢驗(yàn)不同批次的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是否來自同一母體；檢驗(yàn)方法是K樣本的Anderson ?Darling檢驗(yàn)， 其統(tǒng)計(jì)公式如下[7]：

[ADK=n-1n2（k-1）i=1k1nij=1lhjnFij-njHjHj（n-Hj）-nhj4] （1）

如果ADK小于錯(cuò)判臨界值A(chǔ)DC（5%錯(cuò)判風(fēng)險(xiǎn)），則不同批次的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來自不同母體。如果相容性檢驗(yàn)不通過的，為了增加樣本數(shù)據(jù)來自同一母體的可能性，采用1%錯(cuò)判風(fēng)險(xiǎn)繼續(xù)判斷是否來自同一母體。

（1） 檢查異常數(shù)據(jù)。采用最大賦范殘差的方法定量的檢查異常數(shù)據(jù)：

[MNR=maxxi-xs] （2）

（2） 分布函數(shù)檢驗(yàn)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)威布爾計(jì)算的B基值過于保守，因此優(yōu)先檢驗(yàn)樣本數(shù)據(jù)是否符合正態(tài)分布，如果不符合正態(tài)分布，再依次檢驗(yàn)樣本數(shù)據(jù)是否服從威布爾分布和對(duì)數(shù)正態(tài)分布。

（3） 離散系數(shù)修正與檢驗(yàn)：當(dāng)離散系數(shù)低于4%時(shí)，容易忽略材料差異、實(shí)驗(yàn)方法等方面的實(shí)際差異性，因此要對(duì)離散系數(shù)進(jìn)行修正[10]，修正方法為：

[x*i=xi-α（xi）Δ] （3）

離散系數(shù)修正結(jié)束后，對(duì)不同環(huán)境下的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行離散系數(shù)檢驗(yàn)，離散系數(shù)的檢驗(yàn)公式為：

[F=i=1k（wi-w）（k-1）i=1kj=1niwij-wi（n-k）] （4）

（4） 將不同環(huán)境下的數(shù)據(jù)歸一化，根據(jù)歸一化后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算B基準(zhǔn)值。求出對(duì)應(yīng)的折減系數(shù)，再與不同環(huán)境下樣本的平均值相乘，從而得到B基準(zhǔn)值，折減系數(shù)的公式為：

[Bj=x-（kj）*s] （5）

2 程序?qū)崿F(xiàn)

2.1 基準(zhǔn)值算法的漸進(jìn)流程圖和程序界面

圖1是根據(jù)航標(biāo)HB7618?2009給出的計(jì)算步驟編制的程序流程圖，該程序流程圖包括了批次相容性檢驗(yàn)、檢查異常數(shù)據(jù)、分布函數(shù)檢驗(yàn)、離散系數(shù)修正與檢驗(yàn)、B基準(zhǔn)值計(jì)算及導(dǎo)出結(jié)果等功能。

圖1 B基準(zhǔn)值算法的漸進(jìn)流程圖

2.2 變量傳遞

B基準(zhǔn)值的算法程序包含幾個(gè)不同的模塊（見圖1），而每一個(gè)模塊又包含了多個(gè)程序和子程序。為了實(shí)現(xiàn)變量在不同模塊和函數(shù)間進(jìn)行傳遞，本文采用handles結(jié)構(gòu)體和guidata函數(shù)來實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能。在B基準(zhǔn)值的算法程序界面中的所有控件使用同一個(gè)handles結(jié)構(gòu)體，handles結(jié)構(gòu)體中不僅保存了圖形窗口中所有對(duì)象的句柄，而且還可以獲取或設(shè)置某個(gè)對(duì)象的屬性。在程序的計(jì)算過程中需要將每一個(gè)模塊計(jì)算后的結(jié)果賦給handles結(jié)構(gòu)體，以便于將這個(gè)變量傳遞到下一個(gè)計(jì)算模塊。而每次handles結(jié)構(gòu)體添加了新的元素，guidata函數(shù)便會(huì)更新handles結(jié)構(gòu)體，使handle結(jié)構(gòu)體中的新添加元素可以傳遞到下一個(gè)模塊。guidata函數(shù)用法guidata（hObject，handles），其中，hObject是執(zhí)行回調(diào)的控件對(duì)象的句柄，handle為結(jié)構(gòu)體。handles結(jié)構(gòu)體和guidata函數(shù)的用法如下所示：

function pushbutton13_Bvalue_Callback（hObject， eventdata， handles）

…

handles.Bvalue（j）=roundn（mean（nn_data（：））*Bj（j），?3）；

…

guidata（hObject，handles）

2.3 設(shè)置實(shí)驗(yàn)環(huán)境

B基準(zhǔn)值的算法界面程序首先要檢驗(yàn)相同環(huán)境下不同批次的樣本數(shù)據(jù)是否來自同一母體。程序界面中包括四種實(shí)驗(yàn)環(huán)境：低溫干態(tài)（CTD）、常溫干態(tài)（RTD）、高溫干態(tài)（ETD）、高溫濕態(tài)（ETW）， 為了避免母體檢驗(yàn)的過程中不同環(huán)境下的樣本數(shù)據(jù)相互干擾，需要對(duì)程序界面中代表著不同實(shí)驗(yàn)環(huán)境的復(fù)選框（Check Box）進(jìn)行設(shè)置。當(dāng)其中的一種環(huán)境的復(fù)選框處于選中狀態(tài)時(shí)，其他的三種環(huán)境的復(fù)選框需要設(shè)置成未選中狀態(tài)，這樣就可以避免相互干擾。下面是當(dāng)CTD處于選中狀態(tài)，其他的三種實(shí)驗(yàn)環(huán)境處于未選中狀態(tài)時(shí)的代碼：

if get（handles.checkbox1_CTD，′Value′）

set（handles.checkbox2_RTD，′value′，0）；

set（handles.checkbox3_ETD，′value′，0）；

set（handles.checkbox4_ETW，′value′，0）；

set（handles.checkbox5_hebing，′value′，0）；

end

當(dāng)復(fù)選框處于選中狀態(tài)時(shí)，其Value值等于1；當(dāng)復(fù)選框處于未選中狀態(tài)時(shí)，其Value值等于0。

2.4 分布函數(shù)檢驗(yàn)

對(duì)于樣本數(shù)據(jù)的分布函數(shù)檢驗(yàn)，本文采用Matlab本身的內(nèi)置函數(shù)normplot（）和weibplot（）函數(shù)進(jìn)行判斷。若樣本數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布和威布爾分布，樣本數(shù)據(jù)點(diǎn)分布成一條直線，否則成一條曲線。至于樣本數(shù)據(jù)的對(duì)數(shù)正態(tài)分布檢驗(yàn)，程序首先對(duì)樣本數(shù)據(jù)取對(duì)數(shù)將對(duì)數(shù)分布轉(zhuǎn)化為正態(tài)分布后，再用normplot（）函數(shù)檢驗(yàn)是否服從正態(tài)分布。

在B基準(zhǔn)值的計(jì)算過程中首先檢驗(yàn)的是正態(tài)分布，可見樣本數(shù)據(jù)的正態(tài)分布對(duì)于B基準(zhǔn)值計(jì)算的重要性。為了增加正態(tài)分布檢驗(yàn)的準(zhǔn)確性，本文除了采用normplot（）函數(shù)對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行直觀的目視正態(tài)分布檢驗(yàn)外，還借助函數(shù)H=jbtest（）對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的正態(tài)分布檢驗(yàn)。若H=0，則認(rèn)X服從正態(tài)分布；若H=1，則否定X服從正態(tài)分布。對(duì)CTD環(huán)境下樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)的程序代碼如下，檢測(cè)結(jié)果如圖2所示。

…

normplot（handles.tdata（：））； %正態(tài)分布概率圖

handles.H=jbtest（handles.tdata（：））； %擬合優(yōu)度檢驗(yàn)

…

圖2 CTD環(huán)境下樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)圖

圖2中CTD環(huán)境下的樣本數(shù)據(jù)點(diǎn)分布大致成一條直線，并且檢驗(yàn)結(jié)果H=0，表示接受正態(tài)分布假設(shè)。可見CTD樣本數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布。

2.5 生成實(shí)驗(yàn)報(bào)告

面對(duì)大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，書寫報(bào)告往往是重復(fù)性勞動(dòng)工作，此時(shí)可以利用Matlab生成一表格模板，每次自動(dòng)導(dǎo)入數(shù)據(jù)生成報(bào)告，這就可以節(jié)約大量的時(shí)間。Matlab作為一種面向?qū)ο蟮恼Z言，它支持COM技術(shù)，利用它的COM編譯器可以把Matlab開發(fā)的程序轉(zhuǎn)換成方便使用的COM組件。而ActiveX控件技術(shù)是建立在COM技術(shù)之上，由微軟公司推出的共享程序數(shù)據(jù)和功能的技術(shù)。因此，Matlab可以利用ActiveX控件技術(shù)，在Matlab中調(diào)用Microsoft Word 程序插入表格，此時(shí)的Word是組件，是服務(wù)程序，而Matlab是控制器程序。下面是生成報(bào)告的部分程序代碼：

…

try

Word = actxGetRunningServer（′Word.Application′）；

%若Word服務(wù)器已經(jīng)打開，返回其句柄Word

catch

Word = actxserver（′Word.Application′）；

%創(chuàng)建一個(gè)Microsoft Word服務(wù)器，返回句柄Word

…

Tables=Document.Tables.Add（Selection.Range，21，5）；

%插入一個(gè)21行5列的表格

…

Document.Save %保存文檔3 計(jì)算實(shí)例

本文根據(jù)航標(biāo)HB7618?2009提供的范例數(shù)據(jù)來詳細(xì)說明B基準(zhǔn)值的計(jì)算流程，并驗(yàn)證程序界面計(jì)算的可靠性，如圖3所示。范例包含了所有實(shí)驗(yàn)環(huán)境下的樣本數(shù)據(jù)，見表1。

圖3 B基準(zhǔn)值程序界面

（1） 通過Anderson?Darling方法檢驗(yàn)不同環(huán)境下的不同批次的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是否來自同一母體（依次勾選對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境），檢驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)ETW（高溫濕態(tài)）環(huán)境下的三批樣本數(shù)據(jù)的ADK大于臨界值（ADK=2.258 2>ADC=1.917 4），可見該環(huán)境下三批數(shù)據(jù)來自不同母體，如圖4（a）所示。如果放大為1%錯(cuò)判風(fēng)險(xiǎn)下， ADK小于臨界值（ADK=2.258 2

（2） 相容性檢驗(yàn)檢驗(yàn)結(jié)束后，根據(jù)公式（2）計(jì)算每一試樣的MNR值（單擊異常數(shù)據(jù)檢查），如果MNR值大于臨界值，那么就可以判斷該試樣為異常值。對(duì)于能夠反映材料、工藝參數(shù)和實(shí)驗(yàn)環(huán)境的差異性的異常數(shù)據(jù)需要保留。而當(dāng)異常數(shù)據(jù)是由不合格的試樣、實(shí)驗(yàn)設(shè)備和夾具的缺陷造成時(shí)，異常數(shù)據(jù)要?jiǎng)h除（單擊刪除異常數(shù)據(jù)，見圖3），否則就會(huì)導(dǎo)致統(tǒng)計(jì)結(jié)果的失真。

圖4 母體檢驗(yàn)

（3） 對(duì)不同環(huán)境下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)分布假設(shè)檢驗(yàn)，如果不符合正態(tài)分布再依次檢驗(yàn)是否服從威布爾分布和對(duì)數(shù)正態(tài)分布。

（4） 檢驗(yàn)相同環(huán)境下樣本數(shù)據(jù)的離散系數(shù)是否小于4%（單擊離散系數(shù)）。由于較低的離散系數(shù)容易忽略材料和實(shí)驗(yàn)方法等方面的差異性，因此對(duì)于小于4%的情況，程序會(huì)根據(jù)式（3）將離散系數(shù)修正為4%。修正后的數(shù)據(jù)平均值保持不變，原來小于平均值的數(shù)據(jù)變得更小，原來大于平均值的數(shù)據(jù)變得更大（見圖5）。然后，再檢查不同環(huán)境下離散系數(shù)是否相等，根據(jù)公式（4）計(jì)算F值小于臨界值（F=2.38

圖5 離散系數(shù)修正圖

（5） 合并不同環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)再一次進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)（勾選合并，見圖3）。在第（3）步中已經(jīng)驗(yàn)證每種環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的是否符合正態(tài)分布，如圖6（a）所示，由圖6（b）可見合并后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)依然符合正態(tài)分布。然后，用每種環(huán)境下的樣本均值對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化，求出歸一化后合并數(shù)據(jù)的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和離散系數(shù)見表1。

根據(jù)公式（5）可以求出相應(yīng)的環(huán)境下的折減系數(shù)Bj，并與不同環(huán)境下的樣本數(shù)據(jù)平均值相乘，從而獲得B基準(zhǔn)值。

圖6 數(shù)據(jù)的正態(tài)分布檢驗(yàn)

為了驗(yàn)證程序的可靠性，采用標(biāo)準(zhǔn)中提供的范例中的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比說明。表2中列出了在四種不同實(shí)驗(yàn)環(huán)境下的程序計(jì)算結(jié)果和航標(biāo)HB7618?2009提供的結(jié)果。從表中的數(shù)據(jù)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)誤差在+0.3%以內(nèi)，誤差主要由容限系數(shù)和折減系數(shù)的近似計(jì)算造成。可見程序計(jì)算的結(jié)果符合工程精度（誤差±5%）的要求，此外相比于借助Excel的手動(dòng)計(jì)算法方法，效率顯著提高。

4 結(jié) 語

本文根據(jù)航空工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HB7618?2009給出的B基準(zhǔn)值的計(jì)算步驟，將Matlab的GUI模塊與B基準(zhǔn)值的計(jì)算相結(jié)合開發(fā)出B基準(zhǔn)值的計(jì)算程序。相比于借助Excle的手動(dòng)計(jì)算方法，該程序界面具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1） 程序可以判斷樣本是否來自同一母體，還具有異常數(shù)據(jù)處理、統(tǒng)計(jì)分布檢驗(yàn)、離散系數(shù)檢驗(yàn)與修正等功能，最后實(shí)驗(yàn)結(jié)果以Word格式導(dǎo)出。

（2） 使用該程序進(jìn)行B基準(zhǔn)值的計(jì)算方便快捷、效率高，并且具有良好的人機(jī)界面，顯著提高了B基準(zhǔn)值的計(jì)算效率。

表2 不同環(huán)境下計(jì)算結(jié)果對(duì)比

參考文獻(xiàn)

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篇(5)

關(guān)鍵詞：粉末冶金 碳纖維銅基復(fù)合材料 摩擦性能 強(qiáng)度 電導(dǎo)率

引 言

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，特別是航天航空技術(shù)的發(fā)展以及微電子工業(yè)的發(fā)展，對(duì)材料提出了日益增高的性能要求。如在宇航的動(dòng)力構(gòu)件中，必須用比強(qiáng)度，比模量高的材料制造；又如宇航飛行器在溫度變化很大的環(huán)境中工作等，這些都給構(gòu)件材料提出了更高的性能要求。而單一金屬材料已很難滿足這些要求，因此，人們?cè)絹碓蕉嗟亟柚趶?fù)合材料來克服單一材料性能上的局限性，獲得各種特殊的綜合性能。

碳纖維增強(qiáng)銅基復(fù)合材料兼顧碳纖維和銅基體材料的性能而成為更為優(yōu)異的工程結(jié)構(gòu)材料和具有特殊性能的功能材料。由于具有高溫性能好，比強(qiáng)度高，比模量高，導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能好，橫向力學(xué)性能，層間剪切強(qiáng)度高，不吸濕、不老化等優(yōu)點(diǎn)，使得此類材料已成為當(dāng)今材料界研究的熱點(diǎn)之一。

Cf-Cu復(fù)合材料的制備工藝主要有熱壓固結(jié)法、粉末冶金法、擠壓鑄造法、液態(tài)金屬浸漬法、真空壓力浸漬法等，為了獲得更高的熱導(dǎo)率及較好的減摩、耐磨性能，本文采用粉末冶金法制備Cf-Cu復(fù)合材料。該類材料由于具有摩擦磨損性能好，比強(qiáng)度高，熱導(dǎo)率高等優(yōu)點(diǎn)，在減摩、耐磨材料中應(yīng)用非常廣泛。文中主要工作是研究Cf-Cu復(fù)合材料在電鍍銅和電鍍鎳的情況下，添加劑鈦粉對(duì)它的摩擦性能、強(qiáng)度及電導(dǎo)率的影響。

1、實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

碳纖維（吉林碳素廠生產(chǎn)的PAN碳纖維）、銅粉（國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)）、鈦粉、鎳

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

SXZ-10-12型箱式電阻爐、摩擦機(jī)

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 Cf-Cu復(fù)合材料的制備

為了克服碳纖維和銅化學(xué)相容性差及二者不潤濕也不反應(yīng)的缺點(diǎn)，使得銅與碳纖維之間的界面結(jié)合力更強(qiáng)，首先在碳纖維表面鍍銅處理，以增強(qiáng)碳纖維與銅基體的復(fù)合，再將經(jīng)過電鍍銅處理的碳纖維切割成短碳纖維，隨后與銅粉按一定質(zhì)量比均勻混合，壓制成型，最后將坯體放入上海實(shí)驗(yàn)電爐廠生產(chǎn)的SXZ-10-12型號(hào)箱式電阻爐中處于真空狀態(tài)下進(jìn)行燒結(jié)，得到Cf-Cu復(fù)合材料。

1.3.2摩擦性能的測(cè)試

把壓制好的柱狀試樣安放在摩擦機(jī)上并用螺釘固定，先進(jìn)行干磨，每個(gè)試樣磨5次，每次磨的時(shí)間為半個(gè)小時(shí)，磨完后把試樣取出用洗衣粉清洗干凈，然后再用純水清洗，隨后放入裝滿酒精的燒杯中浸泡5分鐘取出，用純水沖洗干凈完后放入烘干箱中烘烤10分鐘，最后取出讓它空冷后，放入電子光學(xué)天平（型號(hào)MP100010最小精度為0.0001g）中稱量出干磨完后的質(zhì)量。干磨示意圖如圖1所示。

把所有試樣干磨完成后進(jìn)行濕磨這樣可以最大限度的減少誤差，濕磨即在轉(zhuǎn)輪下面放一盆機(jī)油，實(shí)驗(yàn)過程與干磨一樣。濕磨示意圖如圖2所示。

1.3.3強(qiáng)度的測(cè)量

本次試驗(yàn)主要測(cè)量碳纖維增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度（即撓度），試驗(yàn)方法采用三點(diǎn)彎曲法測(cè)量，由于試樣是圓柱體形，體積較大，不容易直接在試樣上測(cè)量其強(qiáng)度，所以首先在試樣上切下一小塊，再利用XQ-2型金相試樣鑲嵌機(jī)鑲嵌好試樣小塊，將其磨成長15mm，寬8mm，厚3mm的長條狀，最后放在自制測(cè)量設(shè)備上彎曲，記錄螺釘往下擰的深度（即撓度值）。三點(diǎn)彎曲法測(cè)量強(qiáng)度原理圖如圖3所示。

1.3.4電阻率的測(cè)量

采用惠根斯電橋法測(cè)量電阻R（Ω），再由公式：R=ρ×L/S，可求得電阻率ρ=R×S/L，再由公式G=1/ρ，可求得電導(dǎo)率G。測(cè)量電阻時(shí)先將試樣切下一小片，利用XQ-2型金相試樣鑲嵌機(jī)鑲嵌好試樣小片，把小片磨成厚度0.5mm，再采用線切割切下小片中間一小條（寬度1mm），這樣制好的電阻樣條就相當(dāng)于一個(gè)小電阻。

2、實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

2.1 添加劑鈦對(duì)電鍍Ni和電鍍Cu處理的Cf-Cu復(fù)合材料的摩擦性能影響

以下曲線圖分別是Cf-Cu復(fù)合材料在電鍍Ni和電鍍Cu的情況下，磨制時(shí)間（h）與磨損量（g）的關(guān)系曲線：

根據(jù)圖4、圖5可知，添加劑鈦對(duì)電鍍Ni處理的Cf-Cu復(fù)合材料在干磨時(shí)，坯體的重量在減輕，濕磨時(shí)，坯體的重量在增加，并且隨著鈦粉的加入，Cf-Cu復(fù)合材料的摩擦性能也在增強(qiáng)，從曲線圖還可看出濕磨時(shí)，加入了添加劑鈦粉的坯體的重量增加幅度較大。理論分析：a.在干磨時(shí)磨損了表面一層金屬，使得重量下降，濕磨時(shí)雖然也會(huì)磨損，但由于坯體表面有裂痕，使得一部分機(jī)油會(huì)浸入坯體導(dǎo)致它的重量會(huì)隨磨制時(shí)間延長而增加；b.添加了鈦粉會(huì)促進(jìn)銅基體與碳纖維的潤濕，它可以使復(fù)合材料在燒結(jié)過程中由于擴(kuò)散作用電子定向遷移的阻力減小；c.鈦的加入在摩擦面上容易形成碳纖維膜，使磨損量減小。

根據(jù)圖6、圖7可知，鈦粉對(duì)電鍍Cu處理的Cf-Cu復(fù)合材料在干磨時(shí)重量在減小，濕磨時(shí)重量在增加，但增加的幅度很小。當(dāng)加入添加劑鈦粉時(shí)，從圖7還可看出，坯體的重量增加的較大。理論分析：a.在干磨時(shí)磨損了表面一層金屬，使得重量下降，濕磨時(shí)雖然也會(huì)磨損，但由于坯體表面有裂痕，使得一部分機(jī)油會(huì)浸入坯體導(dǎo)致它的重量會(huì)隨磨制時(shí)間而增加；b.添加鈦元素是促進(jìn)銅基體與碳纖維潤濕的有效途徑，它可以使復(fù)合材料在燒結(jié)過程中由于擴(kuò)散作用電子定向遷移的阻力減小；c.鈦元素在摩擦面上容易形成碳纖維膜，使磨損量減小；d.碳纖維具有耐磨損，熱膨脹系數(shù)小，自和吸能抗震等一系列優(yōu)點(diǎn)。

2.2 添加劑鈦對(duì)電鍍Ni和電鍍Cu處理的Cf-Cu復(fù)合材料的強(qiáng)度性能影響

以下曲線圖分別是Cf-Cu復(fù)合材料在電鍍Ni和電鍍Cu的情況下，碳纖維含量（%）與其強(qiáng)度（Mpa）的關(guān)系曲線：

從圖8、9看出，1）在一定范圍內(nèi)不管是鍍鎳還是鍍銅處理的Cf-Cu復(fù)合材料，無論是添加鈦粉還是不添加，它們的強(qiáng)度均隨碳纖維含量的增加而增大；2）在鍍鎳處理的Cf-Cu復(fù)合材料中加入添加劑鈦時(shí)，強(qiáng)度要比沒有加鈦時(shí)小，而在鍍銅處理的Cf-Cu復(fù)合材料中相反。理論分析：a.碳纖維銅復(fù)合材料界面是一種以機(jī)械結(jié)合為主的物理結(jié)合，這種結(jié)合的界面結(jié)合強(qiáng)度低，但是在復(fù)合材料中鍍鎳或者鍍銅處理，會(huì)使界面形成C-Ni或C-Cu互擴(kuò)散結(jié)合特性。導(dǎo)致復(fù)合材料的強(qiáng)度增加；b.在電鍍銅處理的Cf-Cu復(fù)合材料中鈦元素與銅之間的潤濕性更好。

2.3添加劑鈦對(duì)電鍍Ni和電鍍Cu處理的Cf-Cu復(fù)合材料的電導(dǎo)率的影響

以下曲線圖分別是Cf-Cu復(fù)合材料在電鍍Ni和電鍍Cu的情況下，材料中碳纖維含量（%）與其電阻率（歐米）的關(guān)系曲線：

從圖10、11可以看出，1）無論是鍍鎳還是鍍銅處理的Cf-Cu復(fù)合材料的電阻率均隨碳纖維含量的增加而增大。2）在碳纖維含量相同的條件下，不管在鍍鎳還是鍍銅處理的Cf-Cu復(fù)合材料中加入添加劑鈦，復(fù)合材料的電阻率會(huì)減小。理論分析：1）在碳纖維銅復(fù)合材料中加入鎳或銅元素時(shí)，一方面鎳（銅）是金屬元素，金屬鎳（銅）元素電離出自由電子導(dǎo)致自由電子密度的增加。另一方面復(fù)合材料的幾何界面減少，對(duì)自由電子的散射減少。使得復(fù)合材料的電阻率增加。2）當(dāng)加入鈦粉時(shí)，鈦元素會(huì)在鍍層界面上對(duì)鍍層金屬電離出來的電子的散射起促進(jìn)作用，導(dǎo)致復(fù)合材料的電阻率減小。

3、結(jié)論

（1）加入添加劑Ti粉后，碳纖維銅復(fù)合材料的摩擦性能增強(qiáng)。

篇(6)

關(guān)鍵詞： 復(fù)合材料 碳纖維 混凝土結(jié)構(gòu)加固 疲勞壽命

Abstract: carbon fiber reinforcement concrete structure is a kind of high efficient, has broad application prospects of the reinforcement technology, relates to material science, mechanics, structural engineering and other fields of knowledge. This paper combines Beijing high-speed bridge repair and reinforcement example, single from the mechanics of composite material fatigue life analysis method.

Key words: composite material of carbon fiber reinforced concrete structure fatigue life

中圖分類號(hào)：TU37文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：

在對(duì)濟(jì)廣高速高架橋的檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)該橋存在較多病害，上部結(jié)構(gòu)梁底出現(xiàn)了較多裂縫。經(jīng)山東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院、山東高速檢測(cè)咨詢中心等有關(guān)部門現(xiàn)場(chǎng)查看，確定對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)板、鋼筋混凝土連續(xù)剛構(gòu)、預(yù)應(yīng)力混凝土等截面連續(xù)剛構(gòu)出現(xiàn)的裂縫進(jìn)行封閉處理并粘貼碳纖維，提高其抗彎承載力。

1 碳纖維材料在橋梁加固中的應(yīng)用

對(duì)于混凝土橋梁的抗彎加固，目前常用的方法有增大截面加固、粘貼鋼板加固、體外預(yù)應(yīng)力加固、粘貼纖維復(fù)合材料加固等。這些加固方法各有優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也有不足之處。加大截面加固能有效提高結(jié)構(gòu)的剛度和承載力，但施工周期長，增加結(jié)構(gòu)自重，減小橋下使用空間；粘貼鋼板加固對(duì)結(jié)構(gòu)剛度提高明顯，但鋼板具有容易腐蝕耐久性差的缺點(diǎn)，且使用的結(jié)構(gòu)膠往往因老化產(chǎn)生粘結(jié)破壞；體外預(yù)應(yīng)力加固對(duì)剛度和承載能力提高明顯，但錨固端受力很大不容易控制，且施工繁瑣，加固成本較高。粘貼纖維復(fù)合材料加固，即采用粘結(jié)劑將碳纖維片材附著于結(jié)構(gòu)損傷的表面，使一部分荷載透過膠層傳遞到碳纖維片材上，從而降低受損結(jié)構(gòu)處的應(yīng)力作用，進(jìn)而控制裂紋擴(kuò)展速率以達(dá)到制止裂縫擴(kuò)展的作用，最終使結(jié)構(gòu)使用周期得以延續(xù)。纖維材料由于自重輕，抗拉強(qiáng)度高，抗腐蝕能力強(qiáng)，提高最大承載力明顯，但對(duì)剛度提高不大。

在粘貼鋼板和粘貼碳纖維布橋梁加固中，我們通過對(duì)碳纖維復(fù)合材料和鋼筋進(jìn)行比較可看出兩者的優(yōu)劣。碳纖維復(fù)合材料初始缺陷損傷尺寸比金屬材料大，例如纖維斷開、基體開裂、纖維與基體脫膠、層間局部脫離等，但疲勞壽命比金屬長，同時(shí)碳纖維復(fù)合材料疲勞損傷是累積的，而且有明顯的征兆，金屬材料損傷累積是隱蔽的，破壞有突發(fā)性。金屬材料在交變載荷作用下往往出現(xiàn)一條疲勞主裂紋，它控制最后的疲勞破壞。而碳纖維復(fù)合材料往往在高應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)較大范圍的損傷，疲勞破壞很少由單一的裂紋控制。總的來說，碳纖維復(fù)合材料抗疲勞破壞的性能比金屬材料好很多。

2 疲勞特性

2.1碳纖維布加固混凝土梁后，在疲勞荷載作用下，碳纖維布能夠明顯降低加固梁中的箍筋應(yīng)變。對(duì)于完好加固梁，粘貼碳纖維布后，箍筋應(yīng)變減少達(dá)到40%-50%；對(duì)于損傷的加固梁，箍筋應(yīng)變減少達(dá)到20%-40%。

2.2隨著疲勞次數(shù)的增加，碳纖維應(yīng)變不斷增大，且單纖維布用量越大，其應(yīng)變?cè)叫　Ｕ迟N40mm碳纖維布加固梁相對(duì)于粘貼20mm碳纖維布加固梁，碳纖維應(yīng)變減少10%-40%。

2.3碳纖維和箍筋應(yīng)變均在疲勞前10萬次增長較快，幾乎達(dá)到應(yīng)變的70%-90%，其后增長趨于穩(wěn)定，這與疲勞損傷的一般規(guī)律是一致的。

2.4在疲勞荷載作用下，碳纖維布能夠限制斜裂縫的發(fā)展，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)疲勞抗剪能力。

2.5碳纖維布加固鋼筋混凝土梁后，在受荷過程中相互作用，各材料應(yīng)力相互調(diào)整，各材料相互作用和應(yīng)力的相互調(diào)整將直接影響碳纖維布在不同受荷階段的發(fā)揮水平。

3 碳纖維疲勞損傷機(jī)理

單向復(fù)合材料正鈾拉伸疲勞時(shí)，基體內(nèi)首先形成橫向裂紋，當(dāng)局部纖維斷裂時(shí)形成裂紋擴(kuò)展、界面脫膠、由纖維損傷引起基體裂紋增長和纖維橋聯(lián)．也可形成它們的組合情況。圖1和圖2分別表示單向復(fù)合材料正軸拉伸疲勞基體損傷和纖維損傷的幾種型式。單向復(fù)合材料正軸拉—拉疲勞纖維斷裂的情況如圖3所示。

圖1單向復(fù)合材料正軸拉伸疲勞基體損傷

（a）分散裂紋限于基體內(nèi) （b）局部纖維斷裂，裂紋擴(kuò)展，界面破壞

圖2單向復(fù)合材料正軸拉伸疲勞纖維損傷

（a）纖維斷裂引起界面脫膠（b）纖維斷裂引起基體裂紋增加

（c）纖維橋聯(lián)基體裂紋

圖3單向復(fù)合材料正軸拉伸疲勞纖維斷裂

4碳纖維疲勞壽命預(yù)測(cè)

疲勞壽命預(yù)測(cè)有三種理論模型：

4.1疲勞裂紋擴(kuò)展速率線彈性斷裂力學(xué)認(rèn)為決定疲勞裂紋擴(kuò)展的是應(yīng)力強(qiáng)度因子的幅值 ，Paris由此得出下列公式

其中 為疲分裂紋擴(kuò)展速率，C為材料常數(shù)，n為擴(kuò)展指數(shù)。

此公式是針對(duì)金屬材料疲勞裂紋擴(kuò)展的，它對(duì)復(fù)合材料基體(樹脂等)和短纖維復(fù)合材料也適用，但是對(duì)于其它連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料．預(yù)制了裂紋的試件在疲勞過程中并不以主裂紋擴(kuò)展而是以損傷區(qū)擴(kuò)展而發(fā)生破壞。對(duì)于無預(yù)制裂紋的試件更是以損傷形式擴(kuò)展，因此，用疲勞裂紋擴(kuò)展的方法預(yù)估壽命是困難的。

4.2 累積損傷理論Miner從數(shù)學(xué)上定義，材料在應(yīng)力水平 下的疲勞壽命為N周，當(dāng)在此應(yīng)力水平下受載n周時(shí)，材料損傷為D=n/N,顯然 時(shí)材料破壞。在變化幅值應(yīng)力作用下，Miner的線性累積損傷理淪認(rèn)為，當(dāng)

時(shí)材料發(fā)生破壞，式中表示在第i個(gè)應(yīng)力水平 作用的應(yīng)力循環(huán)周數(shù)， 為該應(yīng)力水平下疲勞壽命周數(shù)， 表示對(duì)整個(gè)過程中所有 水平對(duì)應(yīng)的周數(shù)求和。如已經(jīng)測(cè)得材料的S-N曲線以及載荷譜，則可預(yù)測(cè)何時(shí)發(fā)生破壞。某些實(shí)驗(yàn)表明復(fù)合材料不完全遵守這一規(guī)律，當(dāng)應(yīng)力由低變到高時(shí)， 往往小于1；而應(yīng)力由高變低時(shí)， 常在大于1時(shí)發(fā)生破壞，因此有人提出非線性累積損傷理論， 等加以修正。

4.3 剩余強(qiáng)度理論由式 可知，材料損傷隨疲勞周數(shù)增加而發(fā)展，材料內(nèi)在缺陷發(fā)展而破壞，它取決于載荷和環(huán)境等外因。此外，結(jié)構(gòu)破壞的臨界荷載隨裂紋長度和損傷D增大而降低。剩余強(qiáng)度理論認(rèn)為:在外在交變載荷作用下由于損傷D增大,材料強(qiáng)度由其靜強(qiáng)度R(0)下降到剩余強(qiáng)度R(n),一旦外加載荷峰值 達(dá)到R(n)，材料便發(fā)生破壞。利用此理論預(yù)測(cè)疲勞壽命，還需了解損傷D的演變規(guī)律及剩余強(qiáng)度與損傷的關(guān)系，目前這一理論尚在進(jìn)—步研究中。

總之由于復(fù)合材料的復(fù)雜性和性能的分散性，其疲勞問題受多種因素影響也非常復(fù)雜，本文列出的計(jì)算分析方法還有待實(shí)踐修正，需繼續(xù)總結(jié)研究。

參考：1、《混凝土加固設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50367-2006

2、《碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》【S】CECS146：2003

篇(7)

關(guān)鍵詞：環(huán)氧樹脂；預(yù)浸料；風(fēng)電葉片；復(fù)合材料

中圖分類號(hào)：TQ342 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

隨著風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的大型化，對(duì)材料的強(qiáng)度和剛度等性能提出了更加苛刻的要求，要滿足大型葉片對(duì)材料的要求，國外風(fēng)電葉片生產(chǎn)商已著手在大型葉片的制造過程中使用碳纖維。隨著風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展，碳纖維在風(fēng)電行業(yè)中的應(yīng)用將使風(fēng)力發(fā)電的綜合成本逐漸減低，使用碳纖維復(fù)合材料制造大型葉片將是未來必然的發(fā)展趨勢(shì)。常用的復(fù)合材料風(fēng)電葉片的制造工藝有濕法成型、預(yù)浸料成型、真空灌注成型等方法。對(duì)于制造相同WM級(jí)的風(fēng)電葉片，預(yù)浸料呈現(xiàn)最佳的性能。國外碳纖維預(yù)浸料在風(fēng)機(jī)葉片上的應(yīng)用方面已日趨成熟。在這項(xiàng)技術(shù)上走在世界前列的仍然是幾個(gè)老牌的風(fēng)電大國包括德國、丹麥和美國等。目前，國內(nèi)碳纖維在風(fēng)電葉片上的應(yīng)用剛剛起步，但是均采用進(jìn)口碳纖維預(yù)浸料，國產(chǎn)碳纖維預(yù)浸料在風(fēng)電葉片上的應(yīng)用處于空白。本試驗(yàn)根據(jù)市場(chǎng)需要，研制一種適用于真空低壓成型的國產(chǎn)碳纖維預(yù)浸料，應(yīng)用于大型風(fēng)電葉片。

1.實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要材料與試劑

雙酚A型環(huán)氧樹脂單體A、B：純度>99%（HPLC測(cè)試）；固化劑組分：中航復(fù)合材料有限公司自制；觸變劑：中航復(fù)合材料有限公司自制；ZT6F碳纖維：T700級(jí)12K碳纖維，中簡(jiǎn)科技有限公司。

1.2 樹脂及復(fù)合材料的制備

稱取一定量的環(huán)氧樹脂單體A、B，加熱熔融，加入觸變劑，高速攪拌；降至一定溫度，加入固化劑組分，機(jī)械攪拌均勻即得LTC80環(huán)氧樹脂基體。將LTC80樹脂和增強(qiáng)材料（ZT6F碳纖維），通過熱熔法制備預(yù)浸料，利用真空袋成型，即可制得ZT6F/LTC80樹脂基復(fù)合材料。

1.3 測(cè)試與表征

樹脂的DSC分析：NETZSCH DSC 204 F1示差掃描量熱分析儀，升溫速率：5℃/min；樹脂流變性能：GEMINI200型流變分析儀，測(cè)試條件：加載頻率：1Hz，加載應(yīng)力：10MPa，試樣厚度：200um，升溫速率：3℃/min；樹脂DMA：NETZSCH DMA 242C動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析儀，升溫速率：5℃/min。

復(fù)合材料力學(xué)性能的測(cè)試：按ASTM標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試。

2.結(jié)果與討論

2.1 LTC80樹脂性能

2.1.1 樹脂DSC曲線

從圖1可以看出樹脂體系的反應(yīng)溫度在134℃，反應(yīng)起始溫度在125℃符合風(fēng)電葉片用樹脂體系的固化要求。在實(shí)際使用中，樹脂體系的在100℃下固化3h，即可實(shí)現(xiàn)完全固化。

2.1.2 樹脂耐溫性能

從圖2可以看出，樹脂固化后玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg達(dá)到136.9℃，具有較高的耐熱性。

雖然使用低成本的雙酚A型環(huán)氧樹脂，但是由于自制固化劑組分的高效，使得樹脂固化完全，使得樹脂體系具有高的耐熱性。

2.1.3 樹脂流變性能

由圖3樹脂的流變曲線可以看出，隨著溫度的上升，受溫度影響樹脂黏度逐漸降低，隨著溫度的繼續(xù)上升，樹脂開始發(fā)生固化反應(yīng)，樹脂黏度逐漸增加，至114℃以上，樹脂固化反應(yīng)加快，很快達(dá)到凝膠階段，樹脂的黏度迅速增加，樹脂固化。這種動(dòng)態(tài)的流變特性使得樹脂易于制備大厚度預(yù)浸料；且樹脂在固化時(shí)具有較低的黏度，同時(shí)由于觸變劑的加入，使得樹脂適用于真空低壓固化工藝，具有較好的工藝性。

2.2 復(fù)合材料性能

2.2.1 熱熔法制備預(yù)浸料

LTC80樹脂體系的流變特性，使其適用于熱熔法制備預(yù)浸料，并適用于低壓成型。

風(fēng)電葉片用預(yù)浸料為了降低鋪貼成本，通常采用高面密度，這就給樹脂充分浸潤纖維帶來了考驗(yàn)，LTC80樹脂的流變特性恰好解決了這個(gè)問題，在樹脂流動(dòng)的動(dòng)態(tài)過程中，觸變劑的增稠作用處于失效狀態(tài)，因此樹脂能充分流動(dòng)。而在制備過程中，設(shè)備溫度和壓力的合理控制，不會(huì)出現(xiàn)樹脂積淤的現(xiàn)象，使得預(yù)浸料不會(huì)出現(xiàn)貧膠區(qū)域，保證了預(yù)浸料性能的穩(wěn)定。

ZT6F/LTC80預(yù)浸料預(yù)浸料的制備采用二步熱熔法，見表1。

2.2.2 ZT6F/LTC80復(fù)合材料性能

表2所示的結(jié)果是ZT6F/LTC80復(fù)合材料力學(xué)性能。從表中結(jié)果可以看出，復(fù)合材料具有優(yōu)良的力學(xué)性能。

結(jié)論

以低成本雙酚A型環(huán)氧樹脂為主要原料合成的LTC80樹脂具有適宜的流變特性，將其和國產(chǎn)T700級(jí)碳纖維ZT6F復(fù)合制備熱熔法預(yù)浸料。國產(chǎn)ZT6F/LTC80碳纖維預(yù)浸料具有優(yōu)良的力學(xué)性能，已成功應(yīng)用于制備大型風(fēng)機(jī)葉片，并通過靜力試驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]牟書香，陳淳.碳纖維復(fù)合材料在風(fēng)電葉片中的應(yīng)用[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2012（2）：25-29.