在認(rèn)識(shí)碳纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料制品時(shí)，很多人看到具有碳纖維紋路的制品感覺就是酷，具有時(shí)尚科技感。今天我們就來(lái)探討不同碳纖維紋路來(lái)做碳纖維復(fù)合材料制品有什么不一樣。
碳纖維在復(fù)合材料中起到承載載荷的作用，外界作用于CFRP復(fù)合材料上的力都會(huì)經(jīng)塑料傳遞給碳纖維，所以對(duì)CFRP復(fù)合材料的破壞首先要破壞碳纖維。
那么對(duì)碳纖維的破壞基本可分兩種，一種是平行于碳纖維方向的拉伸力，這個(gè)力會(huì)將碳纖維拉斷，所以要求碳纖維具備較高的拉伸強(qiáng)度；另一種是剪切力，這個(gè)力垂直于碳纖維方向，要求碳纖維具備較高的抗剪切強(qiáng)度?？上г谒刑祭w維供應(yīng)商產(chǎn)品性能參數(shù)一欄里都沒(méi)有出現(xiàn)碳纖維剪切強(qiáng)度的表述。這是因?yàn)槭紫忍祭w維剪切強(qiáng)度很小，另一方面碳纖維本身屬于一維材料，在直徑尺度很小，對(duì)碳纖維制品的任何剪切力都可以分解成不同方向碳纖維的拉伸力。
有了這個(gè)概念，那么進(jìn)行復(fù)合材料制品設(shè)計(jì)過(guò)程中，盡可能了解制品的受力情況，然后對(duì)制品的纖維排布方向進(jìn)行針對(duì)性的優(yōu)化，盡可能的使作用于碳纖維復(fù)合材料外力分解成不同方向上碳纖維的拉伸力，因?yàn)槔鞆?qiáng)度高是碳纖維的優(yōu)勢(shì)，以己之長(zhǎng)攻彼之短嘛。二維的編織布是制造碳纖維復(fù)合材料制品和預(yù)浸料的原料，也是進(jìn)行纖維排布方向優(yōu)化的基礎(chǔ)。那么對(duì)不同碳纖維布編制方向的了解將會(huì)有助于碳纖維復(fù)合材料制品的設(shè)計(jì)。
平紋編織的特點(diǎn)是經(jīng)紗和緯紗以一上一下的規(guī)律交織。也就是經(jīng)緯紗每隔一根紗就交錯(cuò)一次（如圖1、2），所以交織點(diǎn)多，使織物堅(jiān)牢、耐磨、硬挺、平整，但彈性較小，光澤一般，平紋織物密度不可能太高，較為輕薄，耐磨性較好，透氣性較好，布面均勻且正反面相同。這種碳纖維布的纖維束由于一直處于上下起伏的狀態(tài)，纖維彎曲點(diǎn)比較多，在受拉伸過(guò)程中伸長(zhǎng)率較高。同時(shí)由于相鄰兩根經(jīng)紗和相鄰兩根緯紗交織點(diǎn)位置由于纖維束的滑動(dòng)出現(xiàn)眼孔。平紋編織的變種形式也很多，比如12K經(jīng)紗與1K緯紗混合編織。由于經(jīng)線和緯線方向上纖維束的反射光不同，因此平紋編織纖維布可觀察到格子狀的外觀，類似于國(guó)際象棋的棋盤。
斜紋編織纖維布具有與纖維束排布方向有一定夾角的斜向紋路（如圖3、4），這個(gè)紋路方向上并不存在纖維束，而是由于纖維束經(jīng)緯向編織過(guò)程，經(jīng)向或緯向纖維束跳過(guò)兩束緯向或經(jīng)向纖維進(jìn)行編織。也就是纖維束一上一下的編織頻率減小，纖維束浮長(zhǎng)增大，同時(shí)相鄰兩個(gè)纖維束錯(cuò)開一個(gè)編織位。這樣就造成了斜紋編織布的斜向紋路特點(diǎn)。這種斜紋外觀具有很強(qiáng)的立體感，用來(lái)做汽車改裝制品，比如面板、引擎蓋、排氣筒等。
緞紋編織具備單獨(dú)的、互不連續(xù)的經(jīng)交織點(diǎn)（或緯交織點(diǎn)）在組織循環(huán)中有規(guī)律的均勻分布如圖（5、6），這樣的編織形式稱為緞紋。它的特點(diǎn)是經(jīng)線（或緯線）浮線較長(zhǎng)，交織點(diǎn)較少，它們雖形成斜線，但不是連續(xù)的，相互間隔距離有規(guī)律而均勻，此纖維布結(jié)構(gòu)形式稱為緞紋組織。緞紋纖維布經(jīng)紗和緯紗至少隔三根才交織一次，因此這種編織結(jié)構(gòu)使織物密度更高，因而纖維布更加厚實(shí)。這種緞紋纖維布表面平滑勻整，質(zhì)地柔軟，富有光澤或稍呈紋路。這類纖維布強(qiáng)度低于平紋和斜紋。
這三種編織形態(tài)由于碳纖維束受到彎曲和其他纖維束的影響造成碳纖維布的強(qiáng)度有差異，而且表征碳纖維編織布強(qiáng)度會(huì)有拉伸力、撕扯力、頂破力、彎曲力等，這些也是隨著編織方式的不同各有差異。總體來(lái)說(shuō)在碳纖維束排布方向上的拉伸強(qiáng)度與纖維強(qiáng)度和纖維摩擦力相關(guān)。而與纖維束不同的方向上的拉伸力則與纖維的編織形態(tài)關(guān)系較大了，一方面這一拉伸力可分為纖維平行方向和垂直方向上的力，平行方向的力要求纖維強(qiáng)度高，垂直方向上的力則與編織形態(tài)對(duì)纖維束的阻力有關(guān)了。
東華大學(xué)紡織學(xué)院在研究編織結(jié)構(gòu)對(duì)織物強(qiáng)度的影響則有平紋>斜紋>緞紋。而在撕扯強(qiáng)度方面則有緞紋>斜紋>平紋。不過(guò)單獨(dú)研究編制結(jié)構(gòu)對(duì)復(fù)合材料的影響有一些片面，需要綜合基體材料及制品受力情況來(lái)考量。
本文說(shuō)論述碳纖維布的概念屬于狹義范疇，碳纖維布有編織類的，就像我們今天將的平紋、斜紋、緞紋編織；類的，像薄氈和無(wú)紡布；還有一種無(wú)緯布，就是整個(gè)纖維布的纖維排布在一個(gè)方向上，這在預(yù)浸料中很常見，靠網(wǎng)胎和樹脂保持布狀形態(tài)。碳纖維布是我們?cè)O(shè)計(jì)復(fù)合材料的基礎(chǔ)，根據(jù)受力情況優(yōu)化某一方向上纖維束的排布方向是關(guān)鍵，可設(shè)計(jì)性是復(fù)合材料得以存在的優(yōu)勢(shì)，國(guó)內(nèi)復(fù)合材料制品企業(yè)在這一方面的研究應(yīng)該更深。

碳纖維材料是目前常用的一種加固材料，和其他的加固材料相比，碳纖維材料有多種優(yōu)勢(shì)，而且性價(jià)比較高，目前被廣泛的應(yīng)用于建筑工程以及其他領(lǐng)域中，今天就帶大家對(duì)碳纖維布的特點(diǎn)簡(jiǎn)單的了解一下。
碳纖維布加固技術(shù)是利用碳素纖維布和的結(jié)構(gòu)膠對(duì)建筑構(gòu)件進(jìn)行加固處理，在技術(shù)上采用的碳纖維布強(qiáng)度也是普通二級(jí)鋼的好多倍，因?yàn)樘祭w維布強(qiáng)度非常高，很多加固工程都在使用，所產(chǎn)生的結(jié)果也是可想而知的，讓結(jié)構(gòu)強(qiáng)度變得更高。
      在作用上碳纖維材料具有諸多優(yōu)良的施工性能，現(xiàn)在被很多施工單位廣泛的應(yīng)用于建筑工程中，因?yàn)楫a(chǎn)品質(zhì)量輕，密度比較低，在重量上所占不打比重，特別是在施工上有效的減輕了條件，讓施工變得便利;在使用的過(guò)程當(dāng)中基本上不會(huì)讓原來(lái)的固件尺寸發(fā)生明顯的改變，同時(shí)又不會(huì)影響到原來(lái)產(chǎn)品尺寸大小的材料。
碳纖維布的使用的范圍也是非常廣泛：它適用于處理建筑物使用荷載增加、工程使用功能改變、材料老化、混凝土強(qiáng)度等級(jí)低于設(shè)計(jì)值、結(jié)構(gòu)裂縫處理、惡劣環(huán)境服役構(gòu)件修繕、防護(hù)的加固工程。在各種結(jié)構(gòu)類型，各種結(jié)構(gòu)部位的加固修補(bǔ)，如梁、板、柱、屋架、橋墩、橋梁、筒體、殼體等結(jié)構(gòu)范圍。
     恒固碳纖維布同品質(zhì)的相融性，打造完粘接性能，根據(jù)碳絲的延展性，巧力研發(fā)出配套的碳纖維浸漬膠，完粘接匹配性能，大幅提高碳纖維布的抗拉強(qiáng)度。
碳纖維布施工過(guò)程中需要注意：
嚴(yán)格按照GB50550-2010的施工工藝進(jìn)行粘貼，但應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：
1、碳纖維布一定要粘貼到結(jié)構(gòu)面上，如果要加固的構(gòu)件有白灰需將白灰鏟除，有抹灰層要將抹灰層剔除，有混凝土墊層也必須將混凝土墊層進(jìn)行剔除，剔除完畢露出新鮮的混凝土，再用結(jié)構(gòu)修補(bǔ)膠對(duì)加固的基面進(jìn)行修補(bǔ)、找平。
2、對(duì)于有棱角的截面，需要磨成圓弧半徑不小于25mm的曲面。
3、需要加固的混凝土基面需要保持干燥，基面表層含水率不宜大于4%，不應(yīng)大于6%?；婧食^(guò)6%應(yīng)進(jìn)行干燥處理或者采用的潮濕浸漬膠進(jìn)行粘貼。
4、碳纖維布在粘貼時(shí)，用刮板進(jìn)行刮壓，刮壓時(shí)要沿一個(gè)方向進(jìn)行刮壓。
5、碳布在搭接時(shí)受力方向搭接長(zhǎng)度應(yīng)不小于20cm。
6、應(yīng)特別注意在冬季施工時(shí)浸漬膠會(huì)有些粘稠，屬于正常現(xiàn)象，如果過(guò)于黏稠影響正常施工，應(yīng)對(duì)膠體進(jìn)行加熱處理。嚴(yán)禁在膠體中加入酒精等有機(jī)溶劑。
7、碳纖維布和浸漬膠應(yīng)采用同一品牌，否則需要做適配性試驗(yàn)。
8、盡量不要在粘貼好的碳布上鉆孔，這樣會(huì)減少碳纖維布的受力面積，影響加固效果。

碳纖維布加固在抗震領(lǐng)域的使用
近期，世界各地不同層次的發(fā)生了地震災(zāi)害，頻繁的地震災(zāi)害給人們帶來(lái)了巨大的傷害和嚴(yán)重的財(cái)產(chǎn)損失，建筑結(jié)構(gòu)抗震加固刻不容緩。為此，為大家推薦適合的抗震加固方法——碳纖維布加固法。
碳纖維布抗震加固技術(shù)是通過(guò)粘結(jié)劑將碳纖維布同被加固的構(gòu)件粘結(jié)而進(jìn)行的新型加固方法。
碳纖維布采用進(jìn)口碳絲織成，具有優(yōu)異的抗震性能高強(qiáng)抗拉耐腐蝕，重量輕，不改變結(jié)構(gòu)形狀、不增加結(jié)構(gòu)自重?？蓮V泛適用于各種結(jié)構(gòu)類型、各種結(jié)構(gòu)形狀、各種結(jié)構(gòu)部位。用于結(jié)構(gòu)抗震加固尤為合適。
碳纖維布抗震加固具以下不容忽視的優(yōu)越性：
（1）優(yōu)異的力學(xué)性能，可有效地應(yīng)用于多種形式的結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)，包括抗彎、抗剪、抗壓、抗疲勞、抗震、抗風(fēng)、控制裂縫和撓度的擴(kuò)展、增加結(jié)構(gòu)的延性。
（2）優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性，使經(jīng)過(guò)補(bǔ)強(qiáng)和維修的結(jié)構(gòu)具有極強(qiáng)的抗酸、堿、鹽、紫外線侵蝕和防水能力；具有足夠的適應(yīng)氣溫變化的能力。
（3）材料的輕質(zhì)高強(qiáng)，可以不增加結(jié)構(gòu)體積，所增加的結(jié)構(gòu)自重幾乎可以不計(jì)。這是傳統(tǒng)方法做不到的。
（4）施工工序簡(jiǎn)單，可用小型電動(dòng)工具操作，所需施工空間小。而且進(jìn)度快、工期短，更能在持續(xù)交通有振動(dòng)的情況下操作。從而大大縮短工程停工、停止運(yùn)營(yíng)或斷路施工的時(shí)間，極大地降低經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響。
（5）由于材料柔軟，易于隨結(jié)構(gòu)外形粘貼，補(bǔ)強(qiáng)后不改變結(jié)構(gòu)外形，同時(shí)便于用所需色彩涂裝，而不顯露補(bǔ)強(qiáng)痕跡。

在工程應(yīng)用研究方面，重點(diǎn)研究碳纖維片材（碳纖維布/碳纖維板之總稱）。在90年代由國(guó)家課題支持開展碳纖維片材在混凝土結(jié)構(gòu)（包括橋梁、隧道、水利設(shè)施和房建結(jié)構(gòu)），取得了應(yīng)用成果并得到廣泛推廣。2003年由中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)頒布了《碳纖維片材加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS146：2003），作為指導(dǎo)性文件提供了設(shè)計(jì)施工和質(zhì)量檢驗(yàn)依據(jù)。而碳纖維片材用于橋梁加固技術(shù)是目前應(yīng)用較為普遍的技術(shù)之一，其十幾年來(lái)的應(yīng)用為橋梁加固事業(yè)作出了歷史性的貢獻(xiàn)。
針對(duì)傳統(tǒng)橋梁加固改造工程中所存在不足，諸如：因采用的加固材料（如鋼板/纖維布）溫縮模量與混凝土鋼筋混凝土材料的溫縮模量差異較大，不能形成同步的溫縮變形狀態(tài)，影響加固耐久性；采用鋼材加固增加防銹處理等后期維護(hù)投人；以及采取增大截面法，結(jié)構(gòu)面會(huì)留下不和諧修補(bǔ)“傷疤” 影響結(jié)構(gòu)外觀和技術(shù)狀況評(píng)價(jià)等問(wèn)題，碳纖維筋橋梁加固是一項(xiàng)新的應(yīng)用外粘高性能碳纖維復(fù)合材料增強(qiáng)結(jié)構(gòu)技術(shù)，主要形式包括“嵌人植筋加強(qiáng)法" 和“體外配筋擴(kuò)大截面增強(qiáng)法"。碳纖維筋與高強(qiáng)聚合物砂漿的聯(lián)合使用充分利用了纖維棒筋的抗拉伸強(qiáng)度、聚合物砂漿的快凝強(qiáng)度和砂漿與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的溫縮模量的近似特性，既可提升鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的承載能力，也可充分利用新材料環(huán)境特征，達(dá)到維修、加固、利用與修舊翻新的綜合作用。
2.碳纖維復(fù)合筋的性能
碳纖維復(fù)合筋為棒型材料，主要成分為由碳纖維，通過(guò)特殊技術(shù)處理與樹脂高溫固化而成。碳纖維分子結(jié)構(gòu)界于石墨和金剛石之間，含碳體積分?jǐn)?shù)在0.9以上。碳纖維根據(jù)原絲類型可分為聚丙烯腈（PAN）基、瀝青基和粘膠基3種，由原絲纖維加熱至高溫后除雜獲得。根據(jù)碳纖維原絲類型可分為聚丙烯腈（PAN）基、瀝青基和粘膠基3 種。目前,PAN碳纖維按力學(xué)性能又分為高模量超高模量、高強(qiáng)度和超高強(qiáng)度4種；按用途可分為宇航級(jí)小絲束碳纖維和工業(yè)級(jí)大絲束碳纖維，其中小絲束以1K、3K、6K、12K和24K（1 K為1 000根長(zhǎng)絲單位重量），大絲束為48K以上。
2.1碳纖維的優(yōu)勢(shì)
碳纖維具有較強(qiáng)的防水和防滲漏的特點(diǎn)，具有耐酸、耐堿的耐腐蝕性，阻燃性和良好的力學(xué)性能和良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性，因此也在建筑工程和其他領(lǐng)域被廣泛運(yùn)用。據(jù)投資顧問(wèn)行業(yè)研究中心相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,目前,世界碳纖維的需求量將以每年約13%的速度增長(zhǎng)。由此可見，碳纖維的使用將越來(lái)越廣泛。
2.2碳纖維復(fù)合筋的特性
碳纖維復(fù)合筋的主要技術(shù)指標(biāo)及其與鋼筋對(duì)比如下表：
表1 碳纖維復(fù)合筋的技術(shù)指標(biāo)及其與鋼筋的對(duì)比表
名稱
碳纖維復(fù)合筋
鋼筋
密度（g/cm3）
1.5
7.9
抗拉強(qiáng)度（MPa）
≥1800
≥500
彈性模量（GPa）
≥140
≥200
線膨脹系數(shù)10-6/℃
0.6
12
從表格中可以看出，碳纖維復(fù)合筋的密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鋼筋，同樣體積的材料，重量上碳纖維復(fù)合筋的優(yōu)勢(shì)很大；碳纖維復(fù)合筋抗拉強(qiáng)度也大于鋼筋，其熱膨脹系數(shù)較低，就說(shuō)明在相同的溫度下，膨脹的程度會(huì)低很多。
碳纖維復(fù)合筋的主要性能：（1）質(zhì)量輕（相當(dāng)于鋼密度的1/5）；（2）強(qiáng)度高（抗拉強(qiáng)度是鋼筋的4到5倍）；（3）密度小（1.5g/cm3）；（4）彈性模量高（彈性回復(fù)100％）；（5）熱膨脹系數(shù)小，耐高溫和低溫性好；（6）耐酸性好，對(duì)酸呈惰性，耐濃酸侵蝕；（7）與砂漿附著力強(qiáng)。
3. 聚合物砂漿特點(diǎn)
聚合物砂漿是由水泥、速凝添加劑、粉末狀聚合物、碎石與水等混合拌制而成，其粘結(jié)強(qiáng)度高，熱膨脹系數(shù)與混凝土類似。
聚合物砂漿的主要特點(diǎn)：（1 )黏附性好，與原結(jié)構(gòu)舊混凝土表面黏附良好，使纖維筋與原結(jié)構(gòu)共同受力；（2）穩(wěn)定性好，能有效抑制有害物質(zhì)的滲透和擴(kuò)散；（3）和易性好，利用快捷、速凝的功能特點(diǎn)，修繕結(jié)構(gòu)腐蝕表面，達(dá)到修舊如新。聚合物砂漿可以維修各種老化受損的混凝土表面。
4. 國(guó)內(nèi)橋梁加固現(xiàn)狀
橋梁作為公路交通的關(guān)鍵設(shè)施，具有跨越深谷、承受運(yùn)載、通航泄洪、保證安全、連接路網(wǎng)的重要功能。目前，我國(guó)各級(jí)公路上營(yíng)運(yùn)的橋梁總數(shù)達(dá) 60余萬(wàn)座。
按橋梁設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)大中小類型的橋梁平均使用壽命測(cè)算，橋梁平均設(shè)計(jì)使用壽命在50年左右。全國(guó)年均需要改造翻新的橋梁約有10 000 余座，合計(jì)約60余萬(wàn)延米。以二級(jí)路為例，每年國(guó)家需要投人的橋梁改造費(fèi)用上百億幣，這是一筆巨大的投資。根據(jù)近10年危橋改造的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，現(xiàn)有重交通組成作用下的橋梁使用壽命平均在33年之內(nèi)，部分路段橋梁的使用壽命甚至更短。如何更有效的延長(zhǎng)橋梁的使用壽命、如何更有效的提高危險(xiǎn)橋梁的改造利用技術(shù)、如何將加固后的橋梁變得更持久，是當(dāng)前橋梁管理中面臨且急需解決的問(wèn)題。
面對(duì)當(dāng)前大規(guī)模的橋梁改造任務(wù)，各級(jí)橋梁管理部門都十分重視其處理效果，近年來(lái)積極研究和尋求有效的維修加固新技術(shù)，但這并不是一件容易的事情，目前在橋梁加固改造中常采用的技術(shù)還是十幾年前的研究成果，主要方法如：“鋼板加固法”、“擴(kuò)大截面加固法”、“體外（內(nèi)）預(yù)應(yīng)力加固法”、“碳纖維布加固法”等，這些材料技術(shù)為輕交通狀態(tài)下的橋梁加固做出過(guò)貢獻(xiàn)。隨著近幾年重交通的發(fā)展和擴(kuò)散，現(xiàn)有橋梁的加固材料和工藝技術(shù)在適應(yīng)性方面面臨巨大挑戰(zhàn)。一方面是目前所使用的加固材料（如鋼板/纖維布）其溫縮模量與混凝土鋼筋混凝土材料的溫縮模量差異較大，造成加固后的補(bǔ)強(qiáng)材料與原結(jié)構(gòu)的溫縮變形差異化，形成不同步的溫縮變形狀態(tài)，影響加固耐久；另一方面當(dāng)前加固中為提高結(jié)構(gòu)受力的高強(qiáng)材料仍然采用鋼材，因鋼材有防銹處理的要求，這樣就增大了后期的維護(hù)投人，在結(jié)構(gòu)層面上需要增設(shè)3 cm以上厚度的防銹保護(hù)，造成自重增加，影響使用效果；此外，在增大截面法中，因材料強(qiáng)度因素，需要增厚自重增加，影響結(jié)構(gòu)受力和加固效果。現(xiàn)有加固材料和工藝中即便是解決了受力要求，但施工后的結(jié)構(gòu)面會(huì)留下不和諧修補(bǔ)“傷疤”，影響結(jié)構(gòu)外觀和技術(shù)狀況評(píng)價(jià)。
由此可見，研究和選擇一種高強(qiáng)、防腐蝕、經(jīng)濟(jì)、施工方便，且與鋼筋混凝土材料溫縮模量相一致的維修加固材料，達(dá)到理想的加固改造，且能提高橋梁的承載能力是十分迫切和必要的工作。
首先原構(gòu)件混凝土表面去除表面浮漿、油污等雜質(zhì)，并對(duì)混凝土構(gòu)件加固部位進(jìn)行鑿毛處理。對(duì)加固表面缺損的坑洼部位采用高強(qiáng)聚合物砂漿預(yù)先修補(bǔ)，待混凝土表面干燥后涂抹界面劑。隨后安裝錨具及碳纖維復(fù)合筋，利用錨具固定碳纖維復(fù)合筋，碳纖維復(fù)合筋應(yīng)緊貼加固面，壓條及螺栓均應(yīng)采用不銹材料；安裝完后，噴涂高強(qiáng)聚合物砂漿，砂漿厚度不小于20MM，施工溫度應(yīng)在10℃-35℃，后對(duì)表面進(jìn)行養(yǎng)護(hù).