一文了解国外碳纤维索具材料在工业领域的应用与发展
附：本公众号相关领域原创文章：
索具系统的主要功能是在空间中的多个点之间传递拉力，以防止这些点之间的过度变形。
对于纤维增强复合材料材质的索具系统，其初始性能主要取决于系统中使用的增强纤维，卷装密度和取向度。与此同时，选择增强基体的性能也尤为重要，因为基体关乎锁具系统的耐久性或疲劳寿命等。
Nitronic 50是目前钢索索具应用的标准材料，但现代索具系统中已经大量使用其他商品化增强纤维，不同材质索具材料的典型性能如表1所示。
除了上表列举材料主要性能以外，耐用性也是影响其在索具系统中应用的关键，如据有关测试数据显示，PBO纤维在暴露于日光下6个月后，残余强度约为35％。
经过综合对比，碳纤维材料是迄今为止现代索具系统最佳材料，因为其兼具机械性能、抗疲劳和蠕变、优异耐环境性等，使它成为索具系统的首选材料。
目前商品化碳纤维的拉伸强度与碳纤维的拉伸模量之间的关系如图1所示。蓝色区域表示市售产品的范围，上方绿色区域表示该材料的未来潜力。相比之下，红色星号表示使用预应力钢的位置。此类钢合金的抗拉强度性能比Nitronic 50高约50％。
图1 商品化碳纤维性能及发展潜力
早在1977年国外就已经提出将碳纤维用于民用工程结构的抗拉构件，但由于当时碳纤维的材料成本阻止了这种用途，但其优异性能和耐久性的潜力使其具有广阔应用前景。
上世纪90年代，国外开始尝试碳纤维电缆的端接系统，而瑞士联邦材料测试与研究机构EMPA的Urs Meier教授在这一领域做了开拓性工作，1996年他在图2所示的悬索桥中首次使用了该技术，安装了2条长度为35 m的碳纤维电缆。
图2 1996年全球首条带捆绑碳纤维电缆的公路桥梁
其中捆绑的碳纤维电缆横截面如图3所示，由241根平行线束组成，总断裂强度为1200 t。电缆端接在一个楔形的锥形盆中。这些电缆已将负载传感功能与本传感器所述的光纤传感器相结合。
图3 碳纤维电缆截面结构
随后在土木工程领域中，另一类被动粘结和预张紧的碳纤维缆绳被用于建筑物的抗震加固领域（如图4所示）。
图4 碳纤维在建筑补强领域实现应用
目前，碳纤维加固技术应景广泛用于结构维修或翻新工程，下图5为采用碳纤维材料对拥有400年历史的旧桥梁进行加固处理。
图5 碳纤维在土木结构修复中获得应用
2001年，为了迎接即将到来的世界杯极限帆船比赛，Carbo Link公司开始与瑞士美洲杯帆船赛球队Alinghi合作，建造了第一批基于热塑性基体材质的碳纤维钢索系统。
2003年，ORMA 60帆船配备了碳纤维侧板和索具，如图6所示，尤其需要指出的是，为了降低阻力，此时树脂基体已经采用热固性环氧树脂来代替最初热塑性树脂。
图6 V5 AC帆船中碳纤维钢索获得应用
图7 Alinghi V采用高模量碳纤维脊骨钢索
在本公众号昨日发布的《深度解密国外民机军机用碳纤维的型号及基体树脂的牌号》一文中，详细介绍了国外航空领域用碳纤维及树脂材料体系的型号，部分读者反馈，CFRP在有关飞机型号上具体应用不太详细。
基于此，本公众号针对碳纤维复合材料在国外军用战斗机，如F-15E战斗轰炸机、F/A-18E/F“超级大黄蜂”第三代战斗机、F-22“猛禽”第五代战斗机、欧洲台风Typhoon 战斗机、美国B-2隐形轰战机等应用进行详细介绍。
明晚22:00，文章更精彩，敬请期待……
（欢迎分享，转载请注明出处）