碳纤维索具的历史与现状以及发展历程外文翻译资料

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碳纤维索具的历史与现状以及发展历程

A. Winistoerfer, Carbo-Link AG, Switzerland

摘要：

在材料技术允许新的结构形式和系统的前提下，最近几年，作为帆船索具替代品的碳纤维高分子强化聚合物已经应运而生。本文介绍内容：所采用的关键材料和航运业之外的相似应用的发展。

纤维索具系统的成分

索具系统最基本的功能就是在空间各点传递拉力，避免他们之间过大的变形。因此，连续的纤维通常在纵向排列的很紧密。

一个索具系统的最初始的性能主要依赖于系统中强化纤维的使用，主要是包装的密度和定向的等级。上述纤维的属性能直接与原子的排列和单个纤维的质地不足有关。使用典型的母体就是高分子聚合物的形式，其被选作是基于性能的要求，制造的工艺以及预期的功能。必须确保的性能例如耐久性或者在加强材料与母体交界处敏感区域的疲劳寿命。

纤维使用

大量市场销售的纤维可以被应用于一个现代的索具系统中，这种纤维典型的性能与Nitronic 50的比较结果如表一所示，Nitronic 50 是一种用于钢拉杆索具应用的标准材料。纤维的价值被以材料性能的方式展现，并且由于在制造过程中制造路线的选择引起纤维体积分数的差异，使得不能直接比较与评价不同的方案。

关键要求通常是系统能获得的刚度，只有少数应用是强度驱动。这是一个明确的事实，对于一个市场销售的系统。

表1 索具产品典型纤维的使用

表1涉及到的部分材料在减小交叉组合去满足刚度需求方面有极大的潜力，但实际上或许会优势不足。目前的趋势对于偏差减小和超硬纤维类型的可行性将会由此引起就系统强度而言的某些关注。

索具系统中纤维的使用有个很重要的问题就是耐久性。例如，根据生产商给出的数据表看出，聚对苯撑苯并双口恶唑纤维（PBO）在暴露在阳光下6月之后的剩余强度为35%。这些不足要求外包装能完全保护纤维避免环境的影响和质疑除赛车市场之外相关更替时间表这类索具系统的更换，尽管行业中有这类材料额跟踪记录。

根据笔者和一些供应商，他们已经跟踪了碳水化合物与最初始材料选择之间的联系。碳纤维对于现代索具系统可以提供迄今为止最优越的性能。力学性能，疲劳和抗蠕变性能与相关的环境性能的组合，使之成为索具系统的首要选择。图1显示了碳纤维的抗张强度与拉伸模量之间的对比关系。蓝色区域显示的是市售产品的范围，上方的绿色区域显示的是材料未来的潜力如果石墨基底面在将来能够被获得。红星表示的是我们所比较的预压钢圈所处的位置，这类钢合金与Nitronic 50相比有大约50%以上的抗张强度。图1上的图形也显示出基于理想晶体结构下理论上最大的限制。

树脂系统的作用

由图2所示的矩阵系统的作用显得尤为突出，所有的在表1中罗列的纤维，本质上都是脆性材料，而且显示出非常小的塑性变形，真是因为如此，纤维的破坏源自加工、处理的问题或者是来自于索具点的长度方向频繁疲劳加载而造成的局部破坏。图2显示出沿着被一组随机断裂的纤维围绕的单个纤维F的应力和强度在单向上的合成。应力曲线显示了在相邻断裂纤维的附近，纵向应力的增加。

图2：在复合材料断裂纤维的示意图（来源：An Introduction to Composite Materials, D.Hull, T. W. Clyne）

它还显示了沿着纤维长度方向力的分布，该力主要是有纤维晶体结构中的缺陷决定。环绕着单个纤维的母体保证了单个纤维之间的力的共享，以及防止单个纤维在直到端接头的整个长度上失效。

碳纤维拉伸单元的历史

对于碳纤维拉伸成员作为公共建筑工程的使用，在1977年的时候，都已经被提出了。在那个时候，对于碳纤维材料的花费是在防止其作为公共建筑用品被使用，但是对于其的组合使用在技术和耐久性方面的潜在优势，使得一些科学的社区决定投资应用这种拉索终端系统。在这个领域的首创性工作，都已经被梅耶尔教授在实验室研究完了，该实验室是瑞士联邦理工学院用于材料的测试及研究的实验室。他在一个悬挂公路桥上使用了该项技术，该悬挂公路桥如图3所示，安装了两根35m长的碳纤维拉索。这拉索的横断面如图4所示，由241根平行线组成，使得总得破坏强度为1200t。这些拉索端接在一个盆状的楔形椎体中。

图3：建造于1996年的世界上第一个使用碳纤维索具的路桥

在图3与图4中所展示的拉索，已经纳入了纤维光学传感器负载传感功能。这个功能允许去核实在自从1996年之后的很长时间段之内的该拉索的真实的工作状况。

图4 一大束碳纤维桥梁拉索的横断面

拉伸成员的其他种类，目前正在被用于社会公共工程的外贴保护范围，就像图5所示的以公寓外墙保护带形式的预张纤维，这些拉索主要被用于地震强化单元。这样的公寓带状拉索已由热塑化或者热固化的母型系统组成。

图5现有砌筑墙体的抗剪加强与外贴碳纤维带状光缆

固体碳纤维索具的发展

上文所叙述的索具最初的发已经导致了一个不同的发展时代的结束，基于在金属端接口环状的连续纤维圈的发展历程的结束，如图6所示：

图6 为了增强混泥土的剪切力而加固的复合材料键

目前这项技术的关键应用领域主要在于建筑物的修复或者改装结构例如图7所示的具有历史意义的古老框架建筑物的修复与改装。而且这项技术还广泛的应用于大型履带式起重机吊装货物的吊索如图8所示。在这些应用领域，传统的钢结构被纤维制品替代，主要考虑到重量的减轻、强度的改进提高，或者是疲劳强度的增加等方面。

图6采用碳纤维索具负载敏感力来修复具有400历史的木料结构

图7 具有优良拉伸强度和寿命碳纤维索具的履带式起重机

固体碳缆线作为海洋产业中的索具解决方案

碳链接于2001年开始与阿灵基，瑞士美洲杯小组合作， 在奥克兰，2003年世界杯的准备过程中。第一条索具缆线使用的是不间断的环状热塑性基体材料制成。2003年Carbolink配备了ORMA60三体碳横向和平台索具。尤其是如图8所示的成形索具缆线的潜在减阻的可能性，已经导致了热塑性基材料被替换为热固性材料。主要的原因是它在固化过程中所需要的温度较前者为低。

对于阿灵基5号脊柱平台的要求和在Groupama VOR 70系列船舶（见图9和图10）的侧面缆绳，要求去优化链接的细节，为了去减轻重量和减小受风的影响，已经导致了如图11所示的最终的推广方案，在垂向连续的地方被局部隔断，为了给斜角线上的附体创造空间。

这个方案确保垂向索具缆线的最小弯曲力矩，因为这个斜角线附体处于垂向的中心处。它还允许斜角线上的附体被取代，例如由于为了协调而导致的规格上的改变或者由于偶然的破坏。另外一个关键的因素是对于斜撑在横端口处采用球形端接口。缆线侧面的移动，特别是当松弛的时候，会导致相当大的弯曲力矩在终止移动范围内，当结构处于稳定时刻。这个效果是独立于缆线的材料，而且由于杆件索具系统而闻名。至关重要的是去允许用于在索具缆线的端接区域具有足够旋转能力，以防止这样的弯矩。

图8成双成形的碳纤维运动索具在V5 AC上

图9搭载了高模数的阿灵基5号 图10 Groupama沃尔沃70系列船舶赢得了2012年锦标赛

图11 横向端部细节有着最小的弯矩和可替代的斜撑。

索具的监控和传感器

索具缆线上使用复合材料提供了一个机会去采集游艇临界机构在真实运作情况下力传导的历史数据。它不仅可以在性能和对未来设计的安全性方面有所提高，而且可以为游艇的工作人员提供真实的情景再现，以此来警示他们设计的极限是否被接近甚至是超越。

一个特定的技术在复合材料的力学监控方面已经造成了不断增加的重要贡献就是光导纤维。这种技术的前身是电信业，其中光纤布拉格光栅（FBG）被用作波长滤波器，用于多路复用数百信号向下一个单一光纤信号。但他们也对应变和温度等方面都得到广泛应用的光纤传感器。这项基本技术的概述如图12所示。

图12布拉格光栅应变传感器原理图

参考文献

D. Hull, T. W. Clyne, 1996, An Introduction to Composite Materials
Toyobo Inc, 2005, ZYLON PBO fibre Technical Information, 2005.6
U. Meier, 1977, Kunststoff fuer tragende Bauteile, Aktuelles Bauen, 6/77, 72-75

浅析厌氧发酵式污水处理装置

摘要：随着环境污染问题的日益加重，越来越多的环境友好型的设备应运而生，可持续发展类型的绿色设备成为了市场的主流。但是目前这些设备还是只是某个单方面的领域，还有领域并未涉及，特别是在船舶行业等相关领域。一种新型的厌氧发酵式的污水处理设备也有着很好的市场前景，它以厌氧发酵为原理，不仅实现现有的污水处理设备的功能，还能回收利用废弃的有机质能，符合目前绿色设备的形势。

关键字：厌氧发酵 污水 沼气 处理设备

前言

近年来，随着航运事业的蓬勃发展，船舶的污染也日趋严重，为了保护江河、湖、海的环境，特别海洋环境，国际海事组织不断的加强对国际污染条约与议定书的管理、修订和实施，对船舶污染物排放的标准也随着每次条约的修改和制定而不断的提高。MAROPOL73/78附则Ⅳ于2003起已经生效，11年以来，虽然中国未曾加入，但是对于中国船舶的设计以及船舶排放要求的限定有着很大的影响。随着人们对海洋保护意识的逐渐提高，一些地区也在MAROPOL73/78附则Ⅳ的基础之上进行了进一步的限定 ，例如在一些重要的海峡，港口，如马六甲海峡，好望角海峡等等，都有着自己的排放指标。对于未来中国国际海运事业的发展，以及船舶污水处理装置的选取和设计都有着很达大的影响。

一、船舶生活污水的种类、危害和排放标准

1.1船舶生活污水的分类和危害

表1 船舶污水的分类

1.2船舶生活污水的排放标准

国际海事组织于2006年10月13日通过了IMO.MEPC159(55)决议，该决议对MARPOL73/78附则IV中有关船舶生活污水装置的要求做出了全新的诠释，并且该项决议于2010年1月1日起实施，该决议实施之后，船舶生活污水的处理装置，必须要满足新的决议的限制，由表2可看出，

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