CFRP發展及土木工程應用現狀

柏格文　蘭滔

摘要：簡要介紹了CFRP的制造工藝和發展，并與鋼材和GFRP的性能進行對比。著重歸納CFRP在土木工程中的應用方向，包括加固修復和制造拉索等，最后總結目前CFRP亟待解決的幾個問題。

關鍵詞：CFRP；土木工程；加固修復

1 發展

CFRP（Carbon Fiber Reinforced Polymer）是碳纖維增強的聚合物基質復合材料的統稱。用于制造CFRP的泛用基質材料是熱固性材料（如環氧樹脂），聚酯和尼龍（聚酰胺）等，通常根據不同的性能需求選擇制造方法。其中應用較多的為PAN基CFRP，該種方法首先使用化學和機械方法將前體紡成長絲紗線，即在200°C下從聚丙烯腈前體拉伸并熱氧化，使長絲保持張力；隨后使其碳化，以高溫促使氧、氮等元素揮發。除此以外還有瀝青基碳纖維，其長絲由瀝青或煤焦油紡制而成。

與鋼材和GFRP（Glass-Fiber Reinforced Plastic）相比，CFRP具有極其優異的物理和力學性能，詳見表1[1～2]。CFRP片材層壓架構使其在橫縱雙向的力學性能得到強化。由于石墨化特性，CFRP呈現明顯的化學惰性，其失效方式多為纖維脆性破壞，表現為微觀上碳纖維和聚合物基體的分離及宏觀上片材間的剝離。疲勞性能也是CFRP的強度設計主要關注點之一，鄭云（2007）等人對CFRP板加固開裂鋼板進行研究[3]，采用剩余疲勞壽命作為主要控制條件，結果表明加固后疲勞壽命達原先的2.6倍-5.5倍，與實驗結果較吻合，驗證了疲勞損傷條件的重要性。因此在循環加載作用下，CFRP局部結構需采用合適的安全系數來保障整體結構的可靠度。

1950年，美國賴特-帕特森空軍基地率先進行了CFRP性能開發及應用；……