碳纤维复合材料(CFRP)作为一种新型材料,有着优良的物理力学性能,近年来在土木工程加固中的应用越来越广泛。文中是碳纤维复合材料论文6篇，供大家借鉴参考。
碳纤维复合材料论文第一篇：轻量化碳纤维夹芯结构复合材料在轨道交通领域的具体应用分析
摘要：随着轨道交通行业的蓬勃发展，“节能、舒适”已逐渐成为轨道交通车辆的刚需，车体轻量化无疑是未来发展的必要趋势。碳纤维夹芯复合材料是一种可以通过结构设计得到较高的力学强度、耐腐蚀、减震降噪、耐疲劳的轻质新型复合材料。本文主要阐述了碳纤维夹芯复合材料的应用现状、各项性能优势、轻量化刚度等效设计原则、主要加工工艺，并展望了复合材料未来发展方向。
0 引言
近年来，“一带一路”已成为推动中国经济增长的重要驱动力。毫无疑问，轨道交通行业不仅拉近了我国与世界各国之间的发展关系，而且推动了城市之间人才与产业的合作，加快了城镇化进程。在经历了十年的飞跃发展后，《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》把智能化、绿色化、轻量化、系列化、标准化和平台化列为轨道交通装备产业的目标。轨道交通在满足人民对美好生活的向往所具备的安全、舒适、高效以外，绿色、节能已是轨道交通发展的必然趋势。因此，为了规避传统金属材料重量大、能耗大的缺点，设计出新型的轻质材料及其对应的加工工艺显得尤为重要。
轨道交通车体轻量化可减小车体自身轴重，降低成本，主要体现在两个方面：第一，对提升列车速度有重要作用，在满足现代社会的快节奏的同时，还可以降低运行成本，降低能耗，节省能源；第二，重量减轻在一定程度上可以减少车辆对轨道的磨损，进而降低铁路的维护成本。轻量化的轨道交通车辆对轨道的冲击力减小，降低车体振动，不仅可以为乘客提供一个相对舒适的乘坐环境，还可以提高车体运行过程中的安全性和稳定性。碳纤维夹芯复合材料是一种可以通过结构设计得到较高的力学强度、耐腐蚀、减震降噪、耐疲劳的新型复合材料。
1 碳纤维夹芯结构复合材料在国内轨道交通的应用现状
目前，国内某动车项目行李舱已成熟应用碳纤维蜂窝板材料。如图1。该行李舱主要由碳纤维蜂窝板材料复合而成，其允许的最大集中载荷为850N,能承受的均匀载荷为每延米1000N,能承受纵向：3g、横向：1g、垂向：2g的冲击振动，模块化程度高、组装方便快捷、外形美观大方。
2015年底，轻质化、性能稳定的碳纤维夹芯复合结构的侧墙外板和上裙板已正式应用于国内有轨电车，如图2,具有耐候、耐蚀、耐冲击、防火、防潮、隔热、隔音、抗震性，质轻、易加工成型等众多优异特性，并且得到市场的高度认可。
2018年，中车四方股份公司研制的新一代地铁列车成功下线。该列车整车车体(如图3)采用碳纤维轻量化复合材料制成，车体减重35%,具有能耗低、轻量化、运行噪音小等特点，是新一代灵活、轻捷、绿色的地铁列车。
碳纤维夹芯复合材料已经完成了从车体内饰、零部件等非承力部件到墙板、裙板、头罩等次承力部件的成功跨越，其在车体、转向架构架等主承力部件上的应用也在进一步延伸和扩大。
2 碳纤维夹芯复合材料性能优势
碳纤维夹芯复合结构，是由碳纤维织物和树脂复合而成的碳纤维预浸料、蜂窝或泡沫夹芯通过合理的铺层角度和厚度设计，使用热压罐成型得到的一种高模量、高强度、热膨胀系数小、耐腐蚀、耐疲劳的复合材料。
2.1 高比模量、比强度
碳纤维夹芯复合材料是以碳纤维织物为增强体、树脂为基体制备而成的复合材料，碳纤维复合材料具有高于常用铝合金材料的比强度、比模量。为满足轨道交通高力学强度的设计指标，需要以刚度等效及强度等效设计原则，通过最佳几何形状设计、最佳铺层角度设计、铺层厚度设计及铺层顺序设计，确保复合结构的强度及刚度，与此同时，可有效减轻车体的重量，实现轻量化目标。
2.2 耐疲劳性能
碳纤维夹芯复合材料的抗疲劳强度占其自身静态拉伸强度的80%左右，而一般金属材料的耐疲劳强度占其自身静态拉伸强度的50%左右，所以由碳纤维夹芯复合材料制成的零部件寿命提高，并且具有较高的安全性和稳定性。
2.3 抗振降噪性能
碳纤维夹芯复合材料内部的蜂窝夹芯结构或泡沫夹芯结构密度较小、含有大量的密闭蜂窝孔格及小尺寸间隙，其可保存大量的空气，相对于固相介质，气相介质传播能量的速度很慢，隔音效果好，故碳纤维夹芯复合材料具有优异的减震降噪性能。
2.4 耐腐蚀性能
碳纤维夹芯复合材料的基体树脂是由单体分子聚合而成的高分子聚合物，所以化学性质稳定，具有良好的耐酸碱、耐湿热性能，故由碳纤维夹芯复合材料制成的车辆零部件的维修成本降低、寿命提高，实用性增强。
3 轻量化等效设计原则
3.1 设计原则
在进行复合材料结构设计时，遵循的原则是：用碳纤维泡沫夹芯复合材料替换原有的金属材料。与金属材料相比较，在刚度不减小的前提下，设计复合材料铺层结构，通过数据比对，得到减重率和刚度都为最佳值的复合材料结构。这里以铝合金材料为例进行分析，材料性能参数详见表1。
表1 材料性能参数
3.2 力学分析
刚度等效：
参照铝合金材料结构的受力分析，考虑只研究变形，采用刚度等效的方式进行材料替换，简化铝合金结构与碳纤维复合材料结构，碳纤维夹芯复合材料仅考虑外层碳纤维管的结构的刚度，推导初始复合材料结构参数。
已知刚度等效原理：
AAl≤ACFRP (1)
其中，A为材料的刚度。
A=E·I (2)
其中，E为材料的弹性模型，I为材料的截面惯性矩。
I=bh312?????????(3)
其中，b为板材的截面宽度，h为板材的厚度。
η=mAl?mCFRΡmAl×100% (4)
其中，η为等效之后的减重率，mAl、mCFRP分别为铝合金、碳纤维复合材料的质量。
结合表1可以分别计算出铝合金板材及碳纤维复合材料的刚度，已知碳纤维复合板材的弹性模型为61GPa。假设铝合金板材截面宽度b为100,厚度为12,则：
AAl=EAl·IAl=71×100×123/12=1022400
ACFRP=ECFRP·ICFRP=61×[100H3-(100-2x)×(H-2x)3]/12
其中，H为等效后复合材料的总厚度，x为碳纤维外层蒙皮的厚度。预设x为1.5mm。
经对比计算，得到：复合材料的总厚度H为17mm时，蒙皮内部用厚度为14mm的PVC的泡沫填充，减重率较高，为79.5%,其刚度为1144421。即：ACFRP≥AAl,说明复合材料结构满足刚度要求。
4 碳纤维夹芯复合材料的加工工艺
4.1 共固化
共固化指的是按照碳纤维下蒙皮、胶膜、夹芯材料、胶膜、上蒙皮的顺序依次铺贴在成型模具上，再将以上铺贴好的模具及产品置于设定好的温度、压力环境下固化成型，之后再脱模、修型得到最终产品。此方法加工工序少、生产周期短、可以保证产品外形，体现出复合材料可设计性及一体化的特点。
4.2 二次固化
二次固化指的是先将碳纤维预浸料蒙皮在一定的温度和压力条件下固化成型，再将夹芯材料与固化后的蒙皮进行粘接、固化，最后脱模、修型。首次成型时，可以避免夹芯材料抗压能力小的问题，从而将蒙皮在较高的压力环境下成型，确保蒙皮的刚性达标。
5 碳纤维夹芯复合材料的发展方向
5.1 建立结构设计仿真平台
根据车辆的性能要求，进行原材料选取及可行性分析，利用仿真平台对复合材料进行结构设计、工艺试制，最后得到满足各项性能要求的复合材料加工方案。
5.2 建立智能化复合材料加工体系
因复合材料的成型工艺属于特殊过程，故应着力打造智能化复合材料加工体系，消除因人员、设备、材料、工艺方法、环境的改变对产品的性能产生影响，提高产品质量及生产效率。
参考文献
[1]张丽娇轨道交通车辆车体结构材料轻量化产业发展及展望[J]新材料产业, 2019,(08):21-25.
[2]侯帅昌,张相宁,霍鑫龙,米莉艳轨道交通车辆复合材料轻量化技术与应用分析[J].机车车辆工艺, 2020,(06):10-13.
[3]蔡富刚,王硕,郭福海,刘长江,魏岩军高性能复合材料在轨道交通领域的发展现状[J]高科技纤维与应用, 2020.45(02):22-29.
[4]何九红.浅析节能视角下高速列车轻量化新材料应用[J]铁路节能环保与安全卫生，2020,10(05):33-35.
碳纤维复合材料论文第二篇：体育健身器材用塑料复合材料性能分析及应用
摘要：简单介绍了不饱和聚酯材料、环氧树脂材料、碳纤维增强复合材料三种塑料复合材料，并进行了性能分析，结果表明，相比不饱和聚酯树脂材料与环氧树脂材料，碳纤维增强树脂材料的拉伸强度、弹性模量与冲击强度更高，断裂伸长率偏低，但整体力学性能最佳；环氧树脂的耐腐蚀性最优，可延长体育健身器材使用寿命。在此基础上，基于水上运动器材、球类、滑板、自行车、运动场跑道等层面对塑料复合材料的实际应用作了详细阐述。
关键词:体育健身器材;塑料复合材料;力学性能;耐腐蚀性;
Abstract：Unsaturated polyester,epoxy resin and carbon fiber reinforced composites were briefly introduced,and their properties were analyzed.The results showed that compared with unsaturated polyester and epoxy resin,carbon fiber reinforced composites had higher tensile strength,elastic modulus and impact strength,lower elongation at break,but the overall mechanical properties were the best;Epoxy resin has the best corrosion resistance and can prolong the service life of sports fitness equipment.On this basis,based on the water sports equipment,ball games,skateboards,bicycles,sports track and other aspects of the practical application of plastic composite materials are described in detail.
在日常生活水平不断提高的趋势下，人们开始高度重视健康问题，因此在空闲时间经常会健身锻炼，以此推动了体育健身器材行业的发展。而传统体育健身器材多数都是以普碳钢为主要材料，但是在遇到水时很容易腐蚀，再加上太阳光照射，器材寿命便会迅速缩减，甚至会影响人们的生命安全，以此便衍生了塑料复合材料[1]。相较于传统体育器材，塑料复合材料制体育健身器材的耐磨损性能较优，使用寿命较长，这也就造就了其复杂的生产工艺，产量较小且价格高，由长远角度来讲，所生成的综合效益非常值得期待[2]。
1 体育健身器材用塑料复合材料
1.1 不饱和聚酯材料
UP为透明状或不透明状固体，柔韧性与耐酸性较好，但是耐光性与耐热性较差[3]，以此一般会将其与纤维材料复合应用，在皮划艇身构造中的应用较为常见，另外，通过缠绕成型工艺可制造高尔夫球棒。
1.2 环氧树脂材料
EP的力学性能良好，可抵抗外界腐蚀，且固化体系完善[4]，由于固化剂不同所构成环氧树脂材料性能也存在一定差异，在实际应用时应基于实际需求以明确最佳固化体系。环氧树脂与纤维增强材料复合使用也相对可行，以缠绕成型工艺可制备弓箭等体育健身器材。
1.3 碳纤维增强复合材料
CFRP属于无机高分子纤维材料[5]，在体育器材领域深受欢迎，且多层次代替金属材料，质轻且高强。目前体育运动设施与健身器材选择主要以复合材料为主，而碳纤维增强复合材料所占比重最大。
2 体育健身器材用塑料复合材料性能
针对不饱和聚酯材料、环氧树脂材料、碳纤维增强复合材料三种塑料复合材料进行性能分析比较。
2.1 力学性能
利用电子万能试验机进行材料拉伸性能测试；利用冲击试验机进行材料冲击性能测试[6]。拉伸性能测试即通过计算机控制拉伸速度，基于卫星测力传感器检测材料拉伸强度，基于位移传感器检测材料断裂伸长率，基于增量变化计算弹性模量；冲击性能测试即合理设置冲击能量测试冲击强度。塑料复合材料力学性能测试结果具体见表1。
表1 塑料复合材料力学性能测试结果
由表1可以看出，相比不饱和聚酯树脂材料与环氧树脂材料，碳纤维增强树脂材料的拉伸强度、弹性模量与冲击强度更高，但是断裂伸长率偏低。在体育健身器材选材时，需要选择力学性能最佳且均衡的材料，可在塑料复合材料中添加辅助剂，以确保最大程度上满足多元化选材需求。
2.2 耐腐蚀性能
将UP、EP、CFRP材料分别浸泡在试验混合溶液（盐碱溶液）内，时长为4周，1周记录一次实时变化，结果见表2。
表2 塑料复合材料在盐碱溶液中的变化
由表2可以看出，环氧树脂的耐腐蚀性最优，而碳纤维增强树脂的耐腐蚀性最差。在经过4周腐蚀后，三种材料都出现了一定程度的腐蚀，但是由于常用健身器材长时间暴露在自然环境下，自身耐腐蚀性就很好，所以即使在恶劣环境下使用，也可进行适度处理，应用耐腐蚀镀层，以延长其使用寿命。
3 塑料复合材料在体育健身器材中的实际应用
3.1 在水上器材中的应用
对于船体而言，所用材料必须具备较高强度与刚度，所以通常会选择纤维增强塑料复合材料。而高性能纤维材料可提升复合材料比强度与比模量，即碳纤维材料。在帆船船板制造中常用材料有聚苯乙烯、聚碳酸酯、ABS等热塑性树脂基材，而环氧树脂与聚氨酯等热固性材料的应用也十分常见。在增强材料中通常会选择玻璃纤维、碳纤维、石墨纤维、芳纶纤维等。冲浪板与滑水板等器材中，外层一般会选用纤维增强塑料与聚氨酯泡沫复合材料，内层经常使用乙烯基树脂与聚氯乙烯复合材料[7]。
3.2 在球类中的应用
高尔夫球一般均使用发泡离子树脂，球棒则选择碳纤维增强塑料，内层填充物通常利用聚氨酯发泡材料。纤维增强塑料复合材料还可制成垒球棒，当前性能最佳的垒球棒是以硬质相聚氨酯泡沫材料与玻璃纤维增强塑料所制造而成的，使得球棒质轻高强，且使用寿命较长。目前高档球拍制作以碳纤维增强环氧树脂或玻璃纤维增强环氧树脂材料为主，在球拍使用时受力复杂，因此要求球拍弯曲强度、扭曲刚性与强度较高。纤维增强树脂复合材料不仅质轻，且比强度与比模量高，可确保球拍使用过程中不会发生变形。而纤维增强塑料复合材料减震吸能效果显着，可保证球拍使用的舒适性。
3.3 在滑板中的应用
滑板是基于支架、轮子、板体、砂纸等共同构成的，当前以聚氨酯材料为主要原料。滑板轮子可以聚氨酯适度用量控制硬度，以适应不同类型路面；板体则选择聚丙烯与聚碳酸酯，以其力学性能优势可满足不同载荷下板体都不会变形损坏的要求[8]。
3.4 在自行车中的应用
自行车制造时一般会批量利用塑料复合材料，以提高使用性能，减轻车身质量。其一，主要以树脂基复合材料提高自行车附加值，减轻车身质量，在车架与车轮部位的应用比较常见；其二，主要以热塑性塑料制作微型自行车，以注塑成型工艺批量生产。自行车用塑料复合材料[9]可见表3。
表3 自行车用塑料复合材料
3.5 在运动场跑道中的应用
体育运动场用塑胶跑道的减震性与防滑性良好，且美观，主要以沙子、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物构成过渡层，以橡胶颗粒、乙烯-乙酸乙烯酯构成塑胶层，以聚丙烯酸酯构成垫底层。基于改性聚氨酯材料的运动场跑道具备低毒性与环境友好性双重优势[10]。而纳米改性聚氨酯材料的强度与弹性更高，且耐老化性与耐磨性良好，以无机离子改性处理的聚氨酯复合材料，拉伸强度与断裂伸长率较高，阻燃性与耐热性更优。
3.6 在撑杆中的应用
在撑杆跳运动中，撑杆主要以玻璃纤维增强尼龙材料制作，后续以碳纤维增强树脂材料逐渐代替，发展为最佳撑杆材料，其弹性形变能力非常强大，储能优势显着，弹性势能转换成动能的效率更佳。
4 结语
塑料复合材料以其自身独特性能优势在体育健身器材领域深受青睐。本文通过对不饱和聚酯材料、环氧树脂材料、碳纤维增强复合材料三种塑料复合材料进行性能比较发现，相比不饱和聚酯树脂材料与环氧树脂材料，碳纤维增强树脂材料的拉伸强度、弹性模量与冲击强度更高，断裂伸长率偏低，但整体力学性能最佳，在体育健身器材选材时，需要选择力学性能最佳且均衡的材料，因此可在塑料复合材料中添加辅助剂，以确保最大程度上满足多元化选材需求；环氧树脂的耐腐蚀性最优，可延长体育健身器材使用寿命。综上，塑料复合材料将会是体育健身器材的主流方向，在技术水平不断提高的视域下，其将变得更加多元化，发展前景良好。
参考文献
[1]张新.塑料复合材料在体育设施中的应用[J]粘接2019 ,40(12):49-52.
[2]万绪鹏,牛健壮.塑料及复合材料在体育设施和运动器械中的应用[J]合成材料老化与应用,2019,48(3):130-133.
[3]张馨娇范娜塑料复合材料在体育设施和健身器材中的应用[J]粘接，2019,40(10):89-93.
[4]史岩峰.基基体育器材的塑料与复合材料分析[J].工业加热2020,49(8):50-52.
[5]李珈骐.体育设施和运动器械用塑料及复台材料的选材[J]粘接2019,40(6):68-71.
[6]张建龙.体育设施与健身器材中塑料复合材料的实践分析[J]粘接, 2019,40(10):86-88.
[7]王前锋.弹性金属塑料复合材料摩擦系数的方程拟台及其应用[J]塑料科技2019,47(8):23-27.
[8]孙超基于塑料及复合材料的体育运动设施与器材选材研究[J].粘接,2020,41(1):73-76.
[9]江伟塑料复合材料在体育设施和健身器材中的应用[J]塑料工业,2019,47(1):152-155.
[10]张含亮，李宝强工程复合塑料特性分析及其在现代体育设施中的应用[J].粘接,2019,40(12):128-132.
