碳纤维在机械设备和建筑物上的应用

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

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辊的 材质 CFRP 钢 表 1 沥青基 CFRP 辊与钢辊性能比较 长度 外径 内径 质量 自重 挠度 mm mm mm Kg mm 8,000 8,000 340 480 316 450 140 1060 0.44 0.76 载荷 挠度 mm 0.44 0.16 总挠度 mm 0.88 0.92 CFRP-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 19 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

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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 18 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

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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 CFRP 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

Funta cires-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；

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(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 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 4~5×10-6 K-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

5×10-6 K-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 620 w·m -1k-1,比银（419 w·m-1k-1）、铜（386w·m-1k-1）、纯 铝（204 w·m-1k-1）、纯铁（73 w·m-1k-1）的导热系数高。做成 CFRP，因为树脂 的导热系数低（0.2 w·m-1k-1），即使用沥青基高弹型碳纤维也是 360 w·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的方 面，也有导热性坏的时候，招致了一些混乱。CFRP 在氛围温度 150K 以下，导 热系数急剧下降，在液氦的极低温度领域，CFRP 比树脂和 GFRP 难导热。氦 的液化，需要氦的蒸发潜热 500 倍~1,000 倍的能量，所以若超导磁石在核熔合、 磁悬浮列车、MHD 发电、飞轮等上实用，则连接极低温的内槽和室外的外槽的 支撑材料上，必须使用隔热性和强度优异的材料，因此 CFRP 是最有希望的。

3. 在利用电气、电磁性能方面的应用

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碳纤维有导电性。有利用导电性能的情况，但同时也有因导电而遭受损失的 情况。在处理碳纤维的操作场，必须有预防短路的措施，若像一般家庭垃圾那 样处理废弃物，在焚烧场会出事故，电气集尘机的功能会停止。

1977 年，美国宇航局（NASA）在使用了 CFRP 部件的飞机坠落事故中， 因担心分离浮游的碳纤维对机场和附近城市的电气、电子设备有重大影响，所 以在开发时就停止了。从使用了 CFRP 部件的飞机火灾事例来看，1992 年 4 月，

YF—22A 战斗机在美国空军爱德华（Edwards）基地，滑行 250m 左右发生了火 灾，CFRP 水平尾翼燃烧,露出碳纤维,分散到地面上的照片被登载在航空

(Aviation Weak) 杂志上,并没有人们所担心的电器事故报告。1994 年 4 月在名 古屋机场坠落的中华航空空中汽车 A300-600 事故中，CFRP 部件的燃烧屑分散 在滑行路上，也未发生短路事故。尽管不能判断出下例是谣言还是事实，但据 说在海湾战争中曾用装载了碳纤维的导弹攻击了伊拉克的发电所。因为只要成 功，或者大肆宣传，或是极其保密对待。所幸的是美国宇航局担心的达到破坏 城市和交通机关、机场的事故，还未经历，但有发生的可能性，所以必须注意。

其它问题是 CFRP 与金属，特别是与铝合金接触使用，则在碳与金属间形 成电池，使金属生绣。现在，在 CFRP 与金属之间加上 GFRP 层进行电器绝缘 的方法已成为常识，而且螺栓类要选择采取了防腐处理的。

碳纤维具有纤维形态，即使不与树脂复合，也有强度。因为导电性好，而且 耐氧化剂以外的药品，所以可用于燃料电池和锂离子电池的电极、以及具有除 静电功能的抗静电衣料、抗静电地板、抗静电塑料等。碳纤维刷子已用于录音 机、复印机、印刷机的除静电上，现在仍在使用。在电动机上的应用早在 1972 年英国出版的《复合材料上的碳纤维》或《工程上的碳纤维》中已有介绍。与 碳块相比较，它可能流动大容量的电流。

下面介绍将碳纤维织物用于加热器上的失败例子。将织物埋入混凝土里， 具有补强混凝土和电加热的双重效果，因为考虑到道路融雪或寒冷地用树脂混 凝土进行道路修补等，所以进行了织物的通电加热试验。虽然取接线柱非常难， 但将导电性涂料和无电解电镀以及金属板的铆接等手段接合起来，可使电流均 匀地在织物的密度方向上流动。但通电后，电流选择电阻最小的地方流动，因 此，织物整体的温度不能均匀提高，温度分布呈水流那样分布。碳纤维在

700℃之前，电阻随温度的提高而减小，织物中的电流流动，变热的部分更易流 动，所以，温度变大，不能均匀加热。尽管主意不错，但这是由于意料之外的 现象而失败的一例。

电器集尘机的电极是直径约 5mm 的钢线，因取换作业很麻烦，曾试过用 柔软的碳纤维软线代替或将 CFRP（表面）和 GFRP 电极板用于湿式集尘机上， 但主要是由于技术上的原因，难以代替现用的材料和部件。

将碳纤维的导电性用在传感器上的智能复合材料，是从未有过的提案，希望 今后开发。

若将碳纤维和玻璃纤维的丝束与树脂的混杂复合材料进行拉伸，则碳纤维比 玻璃纤维破坏延伸率小，仅碳纤维一点点断裂，电阻值慢慢变大。而且若提高 载荷，则碳纤维被切断，电阻值急剧变大。以后即使载荷回到零，因为纤维被

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切断了，所以电阻值也比以前的值大。因此若事先研究载荷-应变与电阻残余值 的关系，则可从残余值中推测出作用到部件的最大载荷以及结构部件的最大应 变。若在电阻值急剧变大时发信号，也可预知复合材料破坏。如图 3 所示，若 选择断裂延伸率不同的碳纤维，则可调整预知破坏的灵敏度。现在该原理作为 银行现金处等的警备防犯用的智能功能，用于金库室的墙壁、天棚和地板。展 望该原理的应用，对高速公路、铁路、上下水道、电力、气体等基本建设项目； 隧道、海底隧道、桩等用直接目视不能检查的结构件和原子炉等人所不能接近 的结构件的破坏预测，以及对落石、雪崩、土砂塌陷等的质量监测是必须进行 技术开发的课题。象光纤维那样，人们对碳纤维传感器的功能寄予很大的期望。

构成碳纤维的主要元素是碳、氢、氮、氧，因为都位于元素周期表的上部， 所以吸收 X 射线少。第一个着眼于 CFPR 的 X 射线透过性、轻质高强高弹性而 将其用于 X 射线医疗诊断器的是德国的西门子公司。英国电气和公用事业(EMI) 公司开发的计算机 X 射线断层摄影法是用 X 射线扫描人体，用计算机处理图形 的断层摄影方法，因为必须由内脏器官透过 X 射线率的微妙差别，使图像浓淡， 所以将透过性好的 CFPR 用于 X 光床板上。例如注入血管增影剂进行的断层高 速连续摄影，在胶卷变换器的紧贴板上使用 CFPR。这样不仅使诊断迅速、精 确，而且有助于减少遭受放射线辐射。

图 3 用拉伸断裂延伸率不同的碳纤维制成的

CF·GFRP 残余电阻值与应变的关系 Pitch-沥青

PAN-聚丙烯腈

-6 103 m)因碳纤维-11m）通过 CFRP,但长波(10 0～尽管 X 射线（波长 10～10

的导电性而不通过，所以从用于雷达的微波(10-3～10-1 m)和超短波中进行反射。

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现在市售的碳纤维，因为制造时的热处理温度高，所以是导电性的，可以作为

电磁波屏蔽材料，但不能作为吸收材料。热处理温度约 800 0Ｃ 的碳纤维前驱

体，具有吸收微波功能，但强度低，不能作为结构材料。将加入了各向同性的

沥青基低弹型碳纤维的具有特定电阻值的薄膜埋入钢筋混凝土里，则成为 1/4

波长共振型电波吸收壁，据说，可以完全消除建筑物产生的超高频（UHF）电

视电波的反射障碍。

4．利用化学性能的用途

CFRP 在酸性、碱性、含盐的环境下也不老化，是由于碳纤维是化学稳定的。 作为混凝土的增强材料，与短纤维混合，可用高压釜养生是因为耐碱和耐热性 优异。作为电池的电极和化学装置的垫圈、衬垫使用也是因为耐药品性好。碳 纤维除了不耐、铬酸混合酸那样的氧化性酸或高温空气老化以外，几乎所 有的工业药品都不能侵犯它。GFPR 可用于耐腐蚀器械上，但玻璃纤维易被无 机酸、碱、水蒸气老化，在 GFPR 不能胜任的苛刻用途上可用 CFPR。作为开 发初期的经验，曾有过将碳纤维增强的聚四氟乙烯用在使用热的设备的部 件上。开始没出问题，但在使用期间，碳纤维被氧化而损耗，最后只剩下基体 聚四氟乙烯树脂，所以碳纤维是不耐氧化的。

活性碳纤维是碳纤维的一种，把纤维加工成毡、织物、纸、无纺布等是有足 够强度的，但没有作为增强材料使用的碳纤维那种高强高弹性，尽管它是一种 碳纤维，但要另外处理，碳纤维的需求统计里也未包括它。活性碳纤维表面有 很多微小的细孔和狭缝，因表面积大，所以吸附和解吸速度快，在低浓度时的 吸附性能优异，在这方面胜过粒状活性炭。活性碳纤维原料用的是粘胶纤维、 聚丙烯腈、沥青、酚醛树脂。现在已将它用于净水机、室内清洁机等，它的大 规模使用将从今后开始。现正在对它进行排烟脱硫、脱硝、硫化氢、二恶英等 解吸研究， 其进步引人注目。

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