瀝青基碳纖維在建筑領域中的應用

2021-07-06 10:35:04   來源:瀝青基碳材料   評論:0 點擊:   字體大?。?a href="javascript:SetFont(16)">大

性能瀝青基碳纖維及其復合材料是伴隨著軍工事業的發展而成長起來的新型材料,屬于高新技術產品。然而,由于合成中間相瀝青的原料價格低廉、碳纖維工藝路線與聚丙烯腈基碳纖維相比較短,碳化收率高等特點,瀝青基碳纖維低成本化路線實現的前景將更好。所以,雖然高性能瀝青基碳纖維目前主要應用在航空航天、先進機器人等高端領域,但其在汽車、風力發電、化工、交通、建筑、電子、運動器材等民用領域的應用前景將更加看好。本文主要分析一下瀝青基碳纖維在建筑領域的三個應用熱點。


    在土木建材領域中,水泥的用量最大,但水泥有脆性大、抗拉強度低等缺點。為了改善這些弊端,人們利用碳纖維的力學特性,用混凝土或水泥做基體制成碳纖維增強復合材料。因為碳纖維有強度高、模量大、比重小、耐酸堿腐蝕,環保等特點,在建筑領域應用中日益受到人們的青睞。


01

纖維增強膠接層板


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日本三菱瀝青基碳纖維在橋梁加固中的應用


   纖維增強膠接層板是在木板的一面或二面膠粘一層或二層纖維增強膠接層板,以承受拉伸或壓縮載荷。纖維增強膠接層板制造技術的關鍵是纖維增強層板和木板之間的應變匹配。纖維增強膠接層板表面的纖維增強復合材料層板具有良好的阻燃性能,一般采用拉擠工藝制備。所使用的增強材料為混雜的碳纖維和其它纖維(玻璃纖維),基體為環氧樹脂體系。當瀝青基碳纖維的價格降至100元/KG的時候,使用纖維增強膠接層板比使用鋼桁架的天花板系統價格低8%,比采用傳統木桁架價格低25%,以及可明顯減少重量和減少木材的需求,纖維增強膠接層板目前發展很快,應用趨勢廣泛。

02

碳纖維復合材料片


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日本三菱瀝青基碳纖維材料片用于結構物加固


    碳纖維復合材料片是采用常溫固化的熱固性樹脂(通常是環氧樹脂)將定向排列的碳纖維束粘結起來制成的薄片。把這種薄片按照設計要求,貼在結構物被加固的部位,能夠充分發揮碳纖維的高拉伸模量的作用,來修補加固鋼筋混凝土結構物。日本、美國、英國將該材料用于加固震后受損的鋼筋混凝土橋板,增強石油平臺壁及耐沖擊性能的許多工程上,獲得了突破性進展。由于瀝青基碳纖維在模量上的優勢,瀝青基碳纖維復合材料片在修補加固已劣化的鋼筋混凝土結構物(約束裂紋發展、防止混凝土削落)和提高結構物耐力以及對用舊標準設計建成的鋼筋混凝土結構物的補強、加固應用將越來越多。


03

碳纖維增強混凝土


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    碳纖維增強混凝土指的是短纖維或長纖維增強的混凝土材料。它主要用作高層建筑的外墻墻板。碳纖維增強混凝土的主要特征為;具有普通增強型混凝土所不具備的優良機械性能、防水滲透性能、耐環境溫差性能,在酸堿環境下具有穩定的化學性能、持久的機械強度和尺寸的穩定性。用碳纖維取代鋼筋,可消除鋼筋混凝土的鹽水降解和劣化作用,使建筑構件重量減輕,安裝施工方便,縮短建筑工期。而碳纖維取代鋼筋正是利用了碳纖維的高剛性(即高模量)。


04

PAN基碳纖維VS瀝青基碳纖維


瀝青基碳纖維比PAN基碳纖維在建筑領域的應用更有優勢,主要有兩個方面的原因:


一 、在建筑補強方面,對碳纖維模量要求更高,瀝青基碳纖維的性能優勢更加顯著。例如,日本東京大都會高速公路橋所用的日本三菱K13312瀝青基碳纖維,其拉伸強度為3.17GPa(<T300),而模量則達到420GPa(>M40)。


二、滿足該模量要求的瀝青基碳纖維,在瀝青基碳纖維產品系列中屬于中低端產品,價格比較便宜,更易被市場接受。



05

結語



    在我國瀝青基碳纖維在建筑領域的應用還是一個新的技術。目前,因高性能瀝青基碳纖維的價格高、產量少、國外產品技術封鎖等因素的影響,除在航空航天領域有少量應用之外,其他領域的應用極少。未來,隨著瀝青基碳纖維的投產,及產業規模的不斷擴大,瀝青基碳纖維必將走向低成本化的道路。瀝青基碳纖維實現低成本化之后,與傳統方式相比,在建筑領域中應用,雖然纖維強化材料的價格仍然較高,但綜合材料成本、施工成本、使用成本,就比較相近了;在材料的防腐性、輕量化方面,瀝青基碳纖維增強材料更好,這樣就開拓了高性能瀝青基碳纖維的應用領域。


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