纤维增强复合桥

关键词： 纤维 复合 粘贴 加固

纤维增强复合桥（精选十篇）

纤维增强复合桥 篇1

1 粘贴高强复合纤维原理

采用粘贴高强复合纤维法进行受弯构件正截面承载力和斜截面承载力加固补强时,纤维布的布置方案与粘贴钢板加固法相同。后粘贴的高强复合纤维可以限制裂缝的开展,提高梁的抗弯和抗剪承载力。

但是,必须再次强调指出,从作用原理上讲,采用在受拉区(或受剪薄弱区段)直接粘贴高强复合纤维加固的钢筋混凝土梁属被动加固范畴,极限状态下,后加补强纤维的应力取决于原梁的配筋率。对于原梁高度较小,配筋率较大的情况,后加补强纤维的高抗拉性能根本无法发挥作用,“大马拉小车”是一种极大的浪费。

采用粘贴高强复合纤维加固,对结构的刚度提高不大。因此,对于以控制结构变形为主要目的的使用功能加固是不适宜的。

后粘贴的高强复合纤维层可以制约裂缝的发展,间接地提高了结构的抗裂性能;后粘贴的含有多层树脂和防护罩面胶的高强复合纤维层,可以提高混凝土的抗腐蚀和抗碳化能力。因此,对于以延长结构使用年限为目的的耐久性加固,采用粘贴高强复合纤维加固法还是有一定效果的。

采用缠绕粘贴高强复合纤维对轴向受压构件进行加固可以明显地提高柱的承载力,其工作原理与钢管混凝土相似。由于高强复合纤维层的约束作用,在纵向力的作用下,混凝土处于三向受压状态,可以较大幅度地提高结构的抗压承载力。采用缠绕粘贴高强复合纤维对钢筋混凝土柱体(特别是圆柱)进行加固,从工作原理上讲是约束加固,加固效果显著,有着广阔的应用前景。

2 材料性能和技术要求

2.1 高强复合纤维

用于混凝土结构加固的高强复合纤维材料,目前主要有3种:玻璃纤维(GFRP)、碳纤维(CFRP)和芳纶纤维(AFRP)。应用较多的是碳纤维和芳纶纤维。高强复合纤维材料的力学特点是:具有较高抗拉强度,应力与应变呈完全线弹性,不存在屈服点和塑性区。此外,高强复合纤维材料还有耐疲劳、抗腐蚀等优越的物理力学性能。

用于混凝土结构加固的复合纤维布是由纤维长丝编织成的柔软片材。纤维布在编织时,将大量的纤维长丝沿一个主方向均匀平铺,用少量非主方向的纤维丝将主方向的纤维丝编织连接在一起,形成很薄的以主方向受力为主的纤维布。

2.2 粘结材料

粘结材料是将连续状的纤维结合在一起,同时又是混凝土表面粘合的系列粘结材料。粘结材料应具有足够的抗剪强度,以保证纤维与混凝土之间的剪力传递,同时还应具有足够的韧性,不会因混凝土开裂导致粘结脆性破坏。

用于粘结符合纤维加固的粘结材料包括:

1)底层涂料。在处理好的混凝土表面,涂一层很薄的底层胶,涂刷底层胶的目的是使其侵入混凝土表层,强化混凝土表面强度,改进胶结性能,提高纤维布与混凝土的粘结强度。因此,对底层胶的性能要求是既要具有很低的粘度,使其能渗入混凝土结构内部,又要与混凝土有良好的粘结性能,有利于纤维布的粘结。

2)整平材料(找平胶)。工程实践表明,只有纤维布与被加固混凝土表面的紧密接触,才能产生良好的粘结效果。为此,在涂敷时底层胶接触干燥后,应对表面的凹入部位和气泡用找平胶修补,保证粘贴面的平整。找平胶应具有良好的塑性触变性能,具有较高的韧性和粘结性能。施工时应易于干燥固化,随时间的延长不会出现明显的变形,防止胶液的滴挂。

3)浸渍树脂。浸渍树脂是粘结材料的主体,它的作用是将纤维布粘附于混凝土表面,经过压挤使纤维布与混凝土粘结成为一体。

浸渍树脂应具有良好的渗透性,以利于浸透纤维布,同时还应有一定的初粘力,防止粘贴的纤维布塌落。另外,浸渍树脂与纤维布和其他胶层的相容性和良好的粘结强度也是十分重要的,设计时必须予以重视。

4)防护材料(罩面胶)。纤维布粘贴后涂一层罩面胶,其主要目的是保护纤维布,防止粘结层的老化和美化施工表面。对罩面胶的基本要求是不脱层、不掉落,在长期的冷热干湿的环境中能保持稳定性,能防止紫外线对粘结层的直接照射。

在实际工作中,纤维布供应商都会提供相应的系列粘结材料,设计者很少自行选择粘结材料。

3 施工要点及注意事项

1)混凝土基面处理。对待加固的混凝土基面的劣化层(剥落、起皮、浮浆和风化层)用砂轮机处理,宽度较大的裂缝应注入环氧树脂浆封堵。然后,用铁刷或压缩空气清除松散浮渣和粉尘,再利用丙酮清洗。

2)涂刷底层胶。将配置好的底层胶搅拌均匀,用滚筒或刷子均匀地涂抹在混凝土表层,胶层不宜太厚,自然风干硬化后,对表面有凸起部分,用磨光机或砂纸打平。待底层胶接触干燥后,方可进入下一步工序。

3)粘贴面的修补。若发现粘贴面上凹入部位,应用找平胶进行修补,保证粘贴面的平整。待找平胶干燥固化后,方可进行下一步工序。

4)粘贴纤维布。在待粘贴面上划出各层粘贴位置,依据设计尺寸截剪纤维布。纤维布一般不宜在主纤维方向搭接。若需要接长时,搭接长度不得小于150 mm。按设计位置由上至下、由左向右有序进行,并以滚筒压挤贴片,使纤维布与浸渍树脂充分浸透。同时用压板排出气泡。及时检查粘贴是否密实,发现有离层间隙和气泡,应及时处理。

5)罩面防护处理。粘贴完纤维布后,应及时在表面再涂一层浸渍树脂,确保粘贴面充分风干密切结合后,在表面涂抹罩面胶,以提高粘贴层胶体的耐久性。

施工时应注意的事项是:现场气温低于5℃及阴雨天应停止施工;各种胶结材料的调制量,以一次用完的数量为宜,应严格按产品说明书给出的配置比例配制,超过规定时间的胶液不能使用。

摘要：对旧桥粘贴复合纤维加固法进行了分析与探讨,阐述了高强复合纤维的材料性能和技术要求,总结了此方法的工艺、原理、力学性质和优缺点及施工注意事项,对旧桥加固施工技术有一定指导作用。

关键词：复合纤维,钢筋混凝土梁,承载力,施工

参考文献

[1]JTG B01-2003,公路工程技术标准[S].

[2]JTJ 041-2000,公路桥涵施工技术规范[S].

[3]张树仁,王综林.桥梁病害诊断与改造加固设计[M].北京:人民交通出版社,2003:191-193.

[4]陈开利,王帮楣,林亚超.桥梁工程鉴定与加固手册[M].北京:人民交通出版社,2003:16-18.

金属内衬纤维增强复合材料筒体设计 篇2

金属内衬纤维增强复合材料筒体设计

研究了金属内衬纤维增强复合材料筒体的设计方法,推导出了环向及螺旋加环向纤维缠绕的金属内衬筒体计算公式.以算例表明,该方法在保证壳体爆破强度前提下,达到了壳体减重和增加刚度的效果.本研究以固体火箭发动机壳体设计为背景,可以延伸用于一般压力容器.

作 者：赵立晨 Zhao Lichen  作者单位：国防科技大学,长沙,410073 刊 名：宇航材料工艺  ISTIC PKU英文刊名：AEROSPACE MATERIALS & TECHNOLOGY 年，卷(期)： 37(2) 分类号：V2 关键词：压力容器   固体火箭发动机壳体   纤维增强复合材料   金属材料  

纤维增强复合桥 篇3

摘 要：随着人们对环境问题的重视，利用农作物秸秆纤维作为增强体来制备复合材料越来越引起人们的重视。本文叙述了秸秆纤维、纤维复合材料概念和分类，对包括木塑复合材料、秸秆纤维、树脂基复合材料和秸秆纤维、水泥基复合材料在内的几种典型的秸秆纤维增强复合材料的研究现状做了详述，并对秸秆纤维增强复合材料的应用发展前景进行了展望。

关键词：农作物秸秆；秸秆纤维；复合材料

中图分类号： TQ323.4 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）26-60-2

0 引言

我国是农业大国，农作物秸秆资源非常丰富，每年包括玉米、小麦、稻草、棉花秸秆等在内的农作物秸秆产量可达数亿吨[1]。但这些丰富的秸秆资源却未得到很好的利用，目前的利用率只有约10%左右，而这其中的大部分又都是通过制造有机肥、直接还田、作动物饲料和作燃料等这些不加任何处理的方式低效率利用，经技术处理后利用的仅占2.6%[2]。其余60%多的秸秆均被作为废弃物直接焚烧掉，这不仅造成了自然资源的严重浪费，而且造成严重的空气污染，恶化的人类生存环境，因此，秸秆的处理急需一种更为有效的利用方法和途径。利用农作物秸秆来制备一些新型复合材料既可以有效利用农作物秸秆资源，又可减少环境污染，也是附加值非常高的一种秸秆处理方法，因此利用秸秆资源制备秸秆纤维复合材料已经成为秸秆处理研究的热点之一。为此，本文就秸秆纤维增强复合材料的研究进行了综述。

1 秸秆纤维

秸秆作为农作物的副产品，具体可分类为经济作物秸秆（油菜秆、麻秆、芦苇秆、棉花秆、豆类秸秆）和粮食作物秸秆（麦秸秆、谷类作物秸秆、水稻秸秆、玉米秸秆、高粱秸秆）[3]。秸秆纤维是将秸秆材料通过化学方法和物理机械处理的方法，得到稳定和细化后的纤维素纤维，秸秆纤维自身就是一种复合材料。一般来说，秸秆纤维的表面处理要采用两种方法：物理方法与化学方法。物理方法包括表面原纤化处理以及放电处理。化学方法有碱化处理、酯化处理、接枝改性、浸渍处理、涂层处理等。

2 纤维增强复合材料

凡是由两种或两种以上性质差异的原材料， 通过某种工艺方法形成的多相材料（各相间存在有明显的界面）都可称为复合材料。复合材料两个显著的特点分别是：材料的可设计性，就是按不同的性能需求进行材料的设计与制造。另外一个就是材料与结构件的一致性 。纤维增强复合材具有高强、轻质、耐腐蚀、抗疲劳等特点。

复合材料的加工方法常用的有三种方法：①传统的加工方法或改进后的传统加工方法；②水力喷射加工；③激光加工。

3 典型秸秆纤维增强复合材料

3.1 秸秆/橡胶复合材料

秸秆/橡胶复合材料是将秸秆进行粉碎处理后，将其粉末填充于天然橡胶或丁腈橡胶基体里而制备的复合材料。相关的研究表明，将天然橡胶加入秸秆后门尼粘度会增大、流动性会下降，而且加工流动性也会变差，秸秆/天然橡胶复合材料的门尼粘度与秸秆用量成正比。而在机械性能方面，秸秆对天然橡胶（NR）一般只是起填充作用，对材料的机械性能影响不大；而对丁腈橡胶（NBR）而言，秸秆纤维的加入材料的强度和硬度提高，即具有一定的补强作用。用硅烷偶联剂对秸秆纤维进行处理后，或对秸秆纤维进行碱化处理后都可以明显提高秸秆纤维/橡胶复合材料的力学性能。在天然橡胶中加入秸秆纤维后，所得复合材料的耐热老化性能相较于天然橡胶本身在一定程度上有所降低。

3.2 木塑复合材料

木塑复合材料（wood plastics composites，WPS）是一种绿色环保型复合材料。主要是用热塑性聚合物（如聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯等）为基体，秸秆纤维或木粉为填料即增强体的复合材料。

木塑材料的研究最早开始于美国，至今已有几十年的历史，1997年加拿大Onyx公司首批生产线生产，现在国外目前大批生产主要集中在美国、加拿大、日本、俄罗斯、乌克兰、保加利亚。国外的研究主要集中在对木粉复合材料的预处理、增韧和增强复合材料以及吸水性复合材料。在我国，木塑复合材料始于福建林学院于20世纪80年代中期开始的研究，相比较国外起步较晚。1999年形成较为完整的工艺生产线，安徽蒙城县铝塑型材有限公司与蒙城县铝塑研究所合作研究完成了国内第一家大规模的木塑复合材料生产线。目前，国内一些生产技术比较先进的木塑公司产品已经赶上甚至超过国外，前景十分光明。 木塑材料的应用主要在这几个方面：建筑结构的部件、汽车内饰部件、室内外装修材料等。

3.3 秸秆纤维/PBS复合材料

秸秆纤维/PBS复合材料是以聚丁二酸丁二醇酯（PBS）为基体，麦秸秆纤维、稻草秸秆纤维以及竹纤维为增强体合成的复合材料。主要工艺方法：熔融共混法、热压成型法。

Yang-Zhao运用热压成型法制备了稻草秸秆纤维/PBS复合材料，其优点在与不仅提升了复合材料的综合力学性能，复合材料的吸水性也大大降低了。张敏[8]对玉米秸秆采用水煮处理后与PBS共混制备出了玉米秸秆纤维/PBS复合材料，其力学性能大幅度的提高。

秸秆纤维/PBS复合材料目前的应用领域是非常广泛的，包括：餐饮（如饭盒、一次性果盘等）、医药（药瓶、药品包装袋、生物医用高分子材料等）、农业（农用地膜、水果蔬菜套袋等）生活（化妆品瓶等）。

3.4 秸秆纤维/水泥基复合材料

秸秆纤维水泥基复合材料就是将农作物秸秆（如小麦秸秆，玉米秸秆、高粱秸秆等）掺入到水泥中共混得到的复合材料，其具有轻质、隔热保温、吸声、节能环保的优点。

秸秆/水泥基复合材料具有很长的使用历史。张琳等 通过对小麦秸秆纤维水泥基复合材料进行性能测试发现：对小麦秸秆做碱液处理后可降低小麦秸秆纤维中溶出物水泥化影响，增强水泥硬化程度，提高综合力学性能。

秸秆/水泥基复合材料主要应用于建筑领域。

3.5 秸秆纤维增强脱硫石膏墙体材料

秸秆纤维增强脱硫石膏墙体材料是既经济又环保的新型材料。以稻草秸秆玉米秸秆作等作为增强体得到的。吴其胜对其制备与性能进行了研究，他发现：在抗压强度、抗折强度以及保温性能方面较普通脱硫石膏墙体材料都有了很大的提升与改善。

4 秸秆纤维增强复合材料的应用

秸秆纤维增强复合材料以及其制品在以下一些方面的应用：

①建筑和土工材料：由于秸秆纤维增强复合材料具有比重小，隔热、隔音性能好，在广泛用作建筑工程材料。秸秆纤维水泥基由于具有较高的抗裂性能，因此可用作建筑承重墙的材料；秸秆纤维石膏复合材料可作为建筑墙体的墙面材料和顶部装修材料；而木塑复合材料则在建筑业中应用更为广泛，可用于室内外的多种建筑材料，如：室内地脚线、吊顶板材、门窗的框套等。另外，秸秆纤维增强复合材料还可用于围护栏、门窗型材。还有正在研究并初步应用的，如：百叶窗、墙板等。孙成栋采用水泥作为胶结料，木质纤维用农作物秸秆替换，然后添加特种的复合添加剂，生产出一种秸秆纤维填充水泥复合板，已取得了不错的成效。

②其他方面：隔音板、绝缘板、抗腐蚀板材。将秸秆纤维与废旧轮胎颗粒复合制造出了建筑绝缘复板，经过测试性能，发现其具有良好的隔音性、绝缘性、强耐腐蚀等性能，能够用来替换建筑行业所用的的绝缘材料；电池隔板、某些有特殊功能的填充原料与元件，例如保温、密封、耐高温、防紫外线等。

5 结语

增强复合材料已经成为复合材料领域新的研究热点与重点。但仍旧存在有一些问题需要继续研究克服的。首先，作为增强体的秸秆纤维的制备及其表面处理技术已无法满足需求，要研制出综合性能稳定可靠的秸秆纤维增强体秆纤维复合材料那就必须更新工艺，更好的处理秸秆纤维。再者，成型工艺与生产设备也是需要不断更新的。决定复合材料的性能、成本的关键技术就是成型工艺与生产设备。最后，就是怎样能够更好地制备出可完全生物降解秸秆纤维复合材料。只有这样才能够使其成为真正意义上的“绿色材料”。秸秆纤维增强复合材料具有的可回收和可降解等优良性能，将会满足未来社会的各个领域，尤其是在环保领域的发展潜力。新工艺与新品种的出现姜维秸秆纤维增强复合材料的发展带来更大的发展前景。

参 考 文 献

[1] 李国忠，高子栋.改性秸秆纤维增强石膏基复合材料性能[J].建筑材料学报，2011，14（3）：413-417.

[2] 刘洪凤，俞镇慌.秸秆纤维性能[J].东华大学学报（自然科学版），2002，28（2）：123-128.

纤维增强复合材料(FRP)特性 篇4

1 FRP材料的类型

1)碳纤维(CFRP)。碳纤维按原材料类型分为聚丙烯腈(PAN)基碳纤维、中间相沥青(MP)基碳纤维、粘胶(人造丝,RAYON)基碳纤维、酚醛基及其他碳纤维[7,8]。聚丙烯腈纤维是以丙烯腈(AN)为主要链接结构单元的聚合物经过纺丝加工而制成的纤维;中间相沥青基碳纤维是通过热聚合高芳香含量的同性沥青得到的具有中间相或液晶结构的沥青,将其进行纺丝加工而制成的纤维。腈基碳纤维原丝弹性模量低(300GPa左右)而极限应变高,沥青基碳纤维则正好相反(弹性模量可达800GPa)。目前,世界上强度最高的碳纤维原丝是日本东丽公司生产的T1000,其抗拉强度达到了7.02GPa,拉伸模量为293GPa[8]。CFRP的比强度可达钢材的20倍,容重仅为钢材的1/5,很适合用于超大跨径桥梁中。CFRP和AFRP的疲劳性能好,为钢材的3倍,其疲劳极限可达静荷载的70%~80%。新型的FRP产品PBO-FRP除具有高强CFRP相近的力学性能外,还表现出更好的物理性能,DFRP也具有良好的物理性能,抗拉极限应变可达到3.5%,延性很好[12]。

2)芳纶纤维(AFRP)。芳纶纤维是芳香聚酰胺纤维的简称,由苯二甲酸和苯二胺合成,是人造有机纤维,于1971年由美国杜邦公司发明。芳纶纤维的密度比碳纤维小,且低导电;刚性、受拉韧性好,极限延伸率比碳纤维高,但在潮湿的环境中松弛率也较大;芳纶纤维的弹性模量和抗拉强度均比碳纤维低,其抗拉强度为2 600MPa~3 500MPa,弹性模量为83GPa~186GPa;芳纶纤维的力学性能受紫外线直接照射会降低。芳纶纤维主要有两类:一类是聚对苯二甲酰对苯二胺(PPDA)纤维,如美国杜邦公司的Kevlar-49,荷兰恩卡公司的TwaronHM,中国的芳纶1414等;另一类是聚对苯甲酰胺(PBA)纤维,如Kevlar-29,芳纶14等[9]。

3)玻璃纤维(GFRP)。玻璃纤维强度高、松弛率低、绝缘性能好。但其弹性模量低,且在碱性、潮湿环境和长期荷载作用下性能降低较大[5]。应用较多的玻璃纤维主要有E-glass和S-glass两种[10]。E-glass的强度和弹性模量较低,其抗拉强度为2 300MPa~3 900MPa,弹性模量为74GPa~87GPa,但由于价格较低,E-glass玻璃纤维被广泛使用;S-glass强度高,刚度和极限延伸率大,但价格较高。为了改善玻璃纤维的性能,出现了C-glass,AR-glass等具有一些特殊性能的玻璃纤维,使得玻璃纤维的耐酸、耐碱性能得到了一定程度的改善,但这些玻璃纤维的价格偏高[5]。

2 FRP筋的特性

2.1 FRP筋的弹性模量

影响FRP筋弹性模量的直接因素是晶粒的取向度,而热处理中的张力是影响这种取向性的主要因素。FRP筋的弹性模量除了是材料的固有属性E0的函数外,它还是微晶沿纤维轴取向度的函数。取向度越高,碳纤维的弹性模量越大。对于强度而言,情况要复杂一些,一般是随着热处理温度的升高,强度出现一个峰值,在峰值以前,强度随着热处理温度提高而增加,达到峰值以后,随着热处理温度的提高,强度逐渐下降[13]。

2.2 FRP筋的应力松弛

应力松弛是材料保持长度不变,应力随时间增长而降低的现象。目前生产厂家所测试的松弛和徐变纪录仅局限在100h范围内。在松弛试验中,若试件伸长量保持恒定,则可以测出荷载随时间递减,是时间的函数。从一定时间的常温松弛试验结果可推断出100h后的松弛应变。AFRP在空气中和碱性液体中的松弛应变分别为15%和20%~25%,CFRP筋在100h后的应力松弛损失约为3%,同钢筋相差不大。试验表明,CFRP筋的长期应力松弛很小,在一般性设计中可忽略不计,但对重要工程,为保险起见,应力损失可采用3%[6]。

2.3 FRP筋的徐变

FRP筋在高持续荷载下也会像混凝土那样因为徐变断裂而破坏。徐变系数是在荷载不变的情况下徐变与弹性应变的比值。AFRP的徐变系数为16.5%,并且高温会加速AFRP的老化。AFRP在600℃时从加载到发生断裂的时间只有200h的1/15~1/10。试验研究表明,当FRP筋的持续荷载超过极限抗拉强度的75%~85%时,寿命会受影响,如果FRP筋束所处的环境会腐蚀纤维或基体,其徐变断裂的寿命会更短。FRP筋张拉力控制在50%~60%之内,徐变引起的断裂可能性极小。因此,目前将作用于FRP筋束的长期荷载限定在其静力抗拉强度的50%~60%,从而降低初始预应力容许值[6]。

2.4 FRP筋的疲劳性能

FRP筋有良好的抗疲劳性能。循环疲劳试验表明,碳纤维筋有良好的抗疲劳性,平均应力是极限强度的61%,最小应力是极限强度的55%,最大应力是实际限度的64%。这种纤维筋的弹性模量在疲劳试验后没有改变[6]。在三种纤维筋中,碳纤维筋的抗拉强度和弹性模量最高,抗剪强度介于玻璃纤维和阿拉米德纤维之间,其长期特性如松弛、徐变及断裂应力等对预应力构件的影响很小,非常适合作预应力筋使用。

2.5 FRP耐久性

材料耐久性是指材料在物理作用、化学作用及生物作用下,经久不易破坏也不易失去其原有性能的性质,它反映了材料的一种综合性质,如抗冻性、抗风化性、抗化学侵蚀性、疲劳性能、冲击韧性等。玻璃纤维(GFRP)和芳纶纤维(AFRP)长期置于高碱性的环境也会被腐蚀。玻璃纤维(CFRP)耐酸、碱、盐、干湿循环以及其他化学物质的能力明显优于GFRP和AFRP;由于化学物质和环境导致FRP材料腐蚀的程度主要取决于五点:浸润树脂的类型、化学物质的类型、纤维所受的拉应力大小、化学物质的浓度、与化学物质接触的时间和温度。高温和潮气、降雨和强烈的太阳辐射等对玻璃纤维(GFRP)的力学性能和电性能影响很大。

水和湿气环境的GFRP中玻璃纤维的表面出现裂缝及其质量有所下降的现象。在350℃时,CFRP材料仍有其正常温度下持荷能力的35%,抗拉弹性模量的40%,而AFRP则分别为15%和40%。在FRP材料浸泡吸水后,并长时间暴露于-18℃的低温或暴露于冻溶循环的环境下,FRP材料的基体材料和纤维与基体间的粘结都会退化。其结果是FRP的强度下降,FRP筋材的弹性模量却没有变化。研究表明,当GFRP吸水后,临界温度将下降。

2.6 FRP筋材的应力腐蚀性能

应力腐蚀破坏FRP筋的机理:FRP材料在化学介质中受到应力作用的条件下,当侵蚀性介质渗透到FRP筋材界面上粘结不良处或裂纹处时,将引起界面粘结力的削弱或破坏;在一定应力水平下,界面发生脱粘、剥落等破坏现象的可能性增大,这些破坏为介质进一步侵蚀开通了捷径。化学介质的侵入导致FRP筋中微裂纹的生成和扩展,还会引起大尺寸裂纹的扩展和传播,介质与FRP的纤维进行离子交换,离子交换使FRP筋材表面收缩而产生内应力、降低纤维的强度,在低于正常强度的应力作用下,纤维就会断裂。总之,FRP筋的破坏是侵蚀介质和应力祸合双重作用的结果。侵蚀介质降低FRP的力学性能,使其容易被应力破坏。

国内学者王书法等在应力腐蚀对玻璃纤维的断裂韧性和蠕变性能试验研究中也指出,在应力腐蚀下玻璃纤维的断裂韧性、蠕变强度、蠕变极限和蠕变模量都降低。

3 FRP纤维筋应用中存在的一些问题

1)锚固问题。由于碳筋横向抗剪强度低,不能使用传统的锚具,需研发专门的锚具。2)张拉问题。碳筋的弹性模量低于高强钢筋,张拉时碳筋的伸长量大,容易造成张拉设备行程不够。3)转折角问题。碳筋横向强度低,导致碳筋的抗折性能差,而且过大的转折角还会降低材料的强度,容易发生徐变而引起材料失效。4)温度影响。碳筋的温度膨胀系数与混凝土存在着差别,有的甚至为负值,因此在计算预应力损失、确定初始张拉力时需考虑温度影响。5)老化问题。虽然碳筋耐腐蚀性好,但也存在着老化问题:当碳筋受到水浸泡、紫外线照射、化学介质等因素时,其强度会有不同程度地降低。6)防护措施。碳筋耐热性差,当温度超过60℃时碳筋的强度会有所降低,超过120℃,强度会显著降低。此外,碳筋容易由于人为破坏等外部影响而发生断裂,因此碳筋在防火、防护措施等方面应特别注意。

文章编号:1009-6825(2011)08-0108-02

混凝土徐变计算理论分析

谢群华

摘要:根据徐变计算理论的发展历史,收集已有的徐变计算理论成果。通过对已有成果进行分析、比较,合理将其分类,并比较各种理论间的不同,分析各种不同理论间的相互联系,从而为混凝土徐变计算理论的研究奠定基础。

关键词:混凝土,徐变,桥梁,龄期调整的有效模量法中图分类号:TU 528

0引言

徐变是混凝土的固有特性,对大跨度预应力混凝土桥梁的使用性能有着显著的影响。从最初发现混凝土的收缩、徐变现象至今已有近百年历史,而对混凝土收缩、徐变的研究也已经进行了几十年。但是混凝土徐变的机理复杂,影响因素众多,准确

大跨度预应力混凝土梁桥的徐变效应是个复杂的问题,解决问题需要进行两个方面的研究:

文献标识码:A

理论,即认为对于应力减小情况,卸载产生的徐变与加载大小相同、方向相反。根据混凝土的徐变叠加原理可认为,在τ0时刻加载初始应力σ0,τ1时刻加载Δσ1,τ2时刻加载Δσ2……的情况下t时刻总的徐变应变可以表示为:

1)获得较准确的混凝土徐变预测模型;

2)有合理的计算混凝土徐变效应的方法。本文主要研二点,从徐变计算理论发展过程的角度收集文献资料,通过比较已有的大量徐变计算理论研究成果,将各种理论进行并讨论各种理论之间的不同、分析理论间的联系。

1徐变效应计算的基本假设

目前被实际应用的徐变计算理论均是基于线性徐变理徐变叠加原理[1]。通过国内外的大量徐变实验发现,当混凝作用的应力小于其极限强度的50%时,混凝土的徐变应变与力近似呈线性关系。在混凝土结构设计中的徐变效应分析此假设为理论依据。当混凝土进入非线性徐变阶段时,混凝因徐变而呈现脆性破坏的性质,非线性徐变理论研究很少,达到实用阶段。根据线性徐变理论,混凝土工作应力为σ,加期为τ0,则t时刻混凝土的徐变应变可以表示为:

εc(t,τ0)=σφ(t,τ0)/E(τ0)

但是混凝土桥梁结构的应力状态通常是变化的,即σ是的,而徐变系数又是与变化的应力的加载龄期相关。对于变下的徐变,目前采用徐变叠加的方法。即混凝土结构在不同阶段产生的徐变增量可通过叠加的方式得到结构最终的徐这就是所谓的徐变叠加原理。这一原理对于应力减小的情近似是成立的。早在1943年,D McHenry就提出了徐变的可

[22]潘建伍.散斑干涉在纤维与混凝土粘结面位移场测量

应用[J].东南大学学报(自然科学版),2003,33(3)

OnfeaturesofFiberReinforcedPlasticsmaterials

Abstract:ThepaperanalyzesthetypesofFRPmaterials,indicatesthefeaturesofFRPreinforcementfrom modulusofelasticity,performanceof fatigueetal.tomakepeoplehavebetterunderstandingofthefeaturesofthecompositematerials,andindicatesitcanbeappliedintheintensification,themaintenanceandthereconstructionoftheexistingstructurestoimprovethedurabilityofthearchitecturalstructure.

收稿日期:2010-12-08

纤维增强复合桥 篇5

碳纤维增强复合材料（CFRP）自问世以来就一直在军事领域特别是航空航天领域中发挥着重要作用。近年来随着应用研究的发展，国内外对其在海军舰艇上的应用越来越重视。CFRP在海军舰艇上应用时具有如下突出的优点：优良的力学性能；耐腐蚀（可耐酸、碱、海水侵蚀,水生物也难以附生）；大幅减重；优良的声、磁、电性能（透波、透声性好,无磁性,介电性能优良）；优良的设计、施工性；容易维护，维护费用远低于钢制舰艇。

早期CFRP仅仅应用在小型巡逻艇和登陆舰上。相对差的制造质量和船体刚度限制了其长度不能超过15m，排水量不超过20t。近年来随着低成本复合材料制造技术的提高，CFRP才开始应用在大型巡逻艇、气垫船、猎雷艇和护卫舰上。

近几年国外制造的新型舰艇中不乏大量使用CFRP的亮点之作。美国制造的短剑号隐身快艇

“短剑”高速快艇长24.4米，宽12.2米，吃水0.9米；排水量67吨；动力装置为4台“毛虫”柴油机，每台功率1650马力，由4具6叶螺旋桨推进，在载重37吨下航速可达50节。艇体采用了比传统的钢材更结实、更轻巧的CFRP。一次能够运载12名全副武装的“海豹”突击队员和1艘长11米的特种作战刚性充气艇。同时，可搭载1架小型无人机。

目前，“短剑”是美国使用CFRP一次成型制造的最大船体，在整体制造成形过程中不用焊接，更无需铆接，因此船体外表十分光滑，重量也大为降低。尽管目前的成本相对于普通的钢和铝合金偏高，但在这—技术成熟后，进行批量生产的成本将有较大的下降空间。作为试验艇，“短剑”的单艘造价约为600万美元，试验总成本在1250万美元之内。

综合“短剑”艇体的这种设计，以及CFRP的使用，不但使其获得了高速，也使其行驶过程中的稳定性更高，高速行驶中的沉浮现象大大减轻，即使在高速回转时，依然可以保持平稳行驶，从而增加了艇员的舒适度，提高了艇的适航安全陛，扩大了在内河和地形复杂的浅海使用范围。与此同时，由于其阻力的降低也使得“短剑”比普通快艇更加节省燃料。瑞典制造的维斯比级轻型护卫舰

维斯比级轻型护卫舰（Visby-class corvette）是瑞典皇家海军最新锐的舰艇之一，由于奇特的外形设计，很好的隐身性能，并采用喷水推进装置使该级舰具有很高的机动性，同时又可减少舰的吃水，使该舰能在浅水海区使用等优点，使其受到国际社会的广泛关注。

该级舰的最大特点是采用全新的隐身设计技术。舰壳材料并非采用常规钢材，也不是普通玻璃钢，而是CFRP，采用特殊真空注入技术建造而成。为了达到关键性能要求，壳体必须尽可能轻，因而壳体采用夹心结构，由聚氯乙烯夹心和碳纤维乙烯基酯层压板构成，它不但具有很高的强度和经久耐用性，还具有优良的抗冲击性能。

“维斯比”舰的舰体、甲板、上层建筑基本都是CFRP夹层板制成的。与传统材料相比，这种材料不仅结构坚实，强度可与钢铁相媲美，而且无磁性，有利于降低舰艇产生的磁场，并有良好的抗震性能，因而可执行反水雷任务。此外，CFRP夹层板光滑平糙，有助于取得良好的隐身效果。同时还可以绝热，对舰内各种机械设备产生的红外辐射有较好的屏蔽作用。另外，这种复合材料比重轻，可减轻舰体重量，且不象铜那样容易腐蚀，从而大幅度减少全寿命费用。

为了用CFRP建造如此大的舰船，瑞典海军花费了大量的时间进行了试验,研究出了真空辅助夹层灌输法生产工艺。CFRP夹层板的芯是PVC材料制成的板材，厚度不等，从纸张一样薄到9厘米厚都有，上面有细小的格槽，然后将乙烯薄层和碳纤维覆盖在PVC主芯上。这种方法的优点是纤维含量比手工铺设的要高，结构重量更低。

印尼制造的全碳纤维导弹巡逻艇

印尼PT Lindun公司在2012年推出一款全碳纤维导弹巡逻艇，该导弹巡逻艇艇长63米，采用先进的三体船身设计，将成为东南亚地区最先进的海军舰船。该舰采用激进的穿浪船体设计以改进适航性和稳定性，并且完全由CFRP制成，采用了真空导入工艺和乙烯酯树脂。用这些材料构建船身结构增强了该舰的隐身性，同时降低了使用期运行、维护的成本。

如果将舰船上可以使用碳纤维来提高性能的结构部分归类，大致可分为如下几方面。

CFRP上层建筑

60年代中期以来巡逻炮艇上的炮艇甲板室就开始采用复合材料，70年代早期，猎雷艇的上层建筑也开始采用复合材料。芬兰皇家海军的快速巡逻艇劳马（Rauma）的上层建筑也采用复合材料夹层结构，船体采用铝合金。复合材料甲板室要克服两个主要问题：即采用钢时出现的腐蚀和水上重量过大。对于小型海军舰艇（长度小于20m）来说，采用复合材料代替钢可以减轻约65%的重量。

与钢和铝相比，CFRP上层建筑存在很多缺点，例如制造成本高，因为其和钢甲板的连接处花费昂贵，对于中型护卫舰来说，上层建筑采用CFRP代替钢会给建筑成本增加40%~140%，尽管如此，许多舰船制造者和海军已开始接受更高的制造成本，因为可以节省使用周期成本，从而降低总体成本。

CFRP桅杆

20世纪60年代复合材料首次应用在桅杆上。传统的钢桅杆采用开放式结构，突出在外，会干扰本舰的雷达和通讯系统且易于腐蚀。美国海军于1995年着手研制先进全封闭式桅杆/传感器系统（AEM/S），整个结构高28m,直径达10.7m,是美国海军舰艇上最大的CFRP水上结构。试验设计制作的AEM/S由两个外表面向内倾斜10°的上下两个六角锥形体结构组成,上半部覆盖FSS可让本身特定的周波数穿过，下半部能反射雷达波或由雷达吸波材料所吸收。各种天线和有关设备都统一组合装备在该结构内，结构内部传感器的电波能以极低的损耗穿过结构物，结构的外部由能反射电波的CFRP板材构成。由于所有设备都在结构内部，可以防止风雨和盐份的侵害，对设备的维修保养十分有利。这种AEM/S系统完全脱离了传统的桅杆概念，并装备在斯普鲁恩斯（Spru-ance）级驱逐舰——USS Arthur W.Radford上，取代原来钢桅杆的主要部分（即接近船尾的部分）。AEM/S系统的成功极大地促进了先进CFRP桅杆技术与下一代美国海军海面作战的水上设计部分的结合。

CFRP螺旋桨

海军舰艇的螺旋桨材料一直以来都是镍铝铜合金，存在很多问题例如加工复杂叶片时花费高，叶片容易疲劳产生裂纹，声学阻尼性相对较差，振动时会带来噪音等等。因此海军设计者们不得不考虑其它材料，最引人注目的材料是不锈钢、钛合金以及CFRP。

CFRP螺旋桨系统的设计和性能高度机密，近年来的研究进展未见公开发表。不过众所周知，CFRP叶片中的纤维可以承受主要的水动力和离心力。CFRP叶片的好处是承载的纤维可以沿叶片的不同方向敷设从而使应变最小。因此可以通过设计纤维排列和堆积的顺序来优化叶片性能。纤维排列的方向影响叶片的推力、有效螺距和翘曲。因此叶片的设计和制造需要精确以确保获得最优性能。目前大批海军舰艇安装了CFRP螺旋桨，如登陆舰和扫雷艇。CFRP螺旋桨也用在鱼雷和小型船只上。

CFRP推进轴系

在减轻船体重量的趋势中，推进系统的动力传输部件的减重也提到了议事日程。典型的是在2或4台高速柴油机通过减速齿轮箱驱动喷水推进器的高速船上，无论柴油机与齿轮箱之间，还是齿轮箱和喷水推进装置之间的距离都缩短了。尤其是在双体船狭小的空间里要求错落布置4台柴油机，前部柴油机中发出的功率必须通过后部的柴油机传输出去。因此，这就要求配备重量最轻、部件最少的传动装置。而采用由碳纤维管材料的驱动轴，能够轻而易举地达到减轻传动部件重量的目的。

CFRP驱动轴的主要优点包括：明显地减轻了驱动轴的重量，轴越长，减重的量越大，复合轴减重的效果越明显；临界速度高，长轴系上通常不需要布置轴承，减少了轴承的数量，降低了成本，减轻了轴系，减少了部件，节省了轴承支撑件的成本以及减轻了重量；长寿命、低噪声、无腐蚀、无磨擦、免维修、不导电、无磁性。

高强度碳纤维绳索

文献检索表明日本已有相关碳纤维缆绳的报道，但技术保密非常严格，主要用途是海军军舰的缆绳和其他军用物品。

碳纤维突出的特点是强度和模量高，密度小，耐腐蚀性能好，膨胀系数低，耐高温蠕变性能好，摩擦系数小，自润滑，导电性高等特点。由于碳纤维既具有高于钢铁的拉伸模量和几倍乃至数十倍的拉伸强度，又具有纤维的可编织性能，以此作为基体材料制作碳纤维绳索，恰好可弥补钢丝绳和有机高分子绳索的不足，得到高性能的碳纤维绳索。碳纤维绳具有一系列优异的使用性能。与结构和直径相差不多的钢丝绳相比较，碳纤维绳具有巨大的优越性。碳纤维绳的重量还不到钢丝绳的四分之一，前者比后者轻得多，使用时省力；前者的弯曲刚性仅为后者的四分之一，前者易于弯曲便于作业，后者僵硬操作困难。此外，碳纤维绳的断裂伸长比钢丝绳小得多，应力-应变曲线为一直线，直至断裂，中间没有屈服点，因此，在多次重复使用时，不会有残余应变现象的发生。碳纤维复合材料绳索还具有良好的拉伸疲劳性能，在应力振幅小的条件下几乎没有疲劳现象发生，当应力振幅较大时也同样显示出优良的疲劳特性。碳纤维复合材料绳索耐腐蚀、不生锈和优良的耐候性也是钢丝绳无法与其相比的。

总之，碳纤维复合材料绳索，不仅重量轻，比强度、比模量高，而且耐腐蚀，在高温和低温环境中线膨胀系数小，性能稳定而柔软。具有传统绳索（天然纤维、有机纤维、无机纤维和钢丝绳等）无可比拟的优越性，将是传统绳索的更新换代产品。碳纤维绳索可以用于以下几个方面：支持（撑）性缆绳，如大跨度斜拉桥缆绳；增强混凝土，如海洋工程混凝土；舰船、海上作业船用缆绳；游艇支索；登山用绳索等。

CFRP烟囱

复合材料烟囱具有质轻、成本低的优点,以及优良的热绝缘性能，而且能够削弱雷达信号从而提高舰船的隐身性，已在MCMV上成功应用多年。Vis-by级和La Fayette级护卫舰的烟囱都采用复合材料夹层结构。当前目标是在大型军舰上使用复合材料烟囱。

以下还有一些正在研发之中，准备使用碳纤维的部位及部件。舰舱壁、甲板、舱门

此方面的应用正处于研究之中，优点是质轻20%~40%，更低的磁特性，火灾时热传导低，阻声性能更好；缺点是制造和安装的成本比钢制的高20%~90%。CFRP和周围钢结构的联结处需要足够的抗内部冲击损坏的能力，此即为成本大幅增加的主要原因。

附件

许多海军正考虑将CFRP应用在武器外罩和甲板防护板上，及作为导弹冲击遮护板，以免受高速射弹和榴散弹的冲击。日本专家对于如何提升军舰的生存能力已做了具体研究论证，使用低成本成型法制造的CFRP为主题的上层船体构造在耐爆炸以及耐燃烧性能方面已经可以达到了军用舰船的使用标准。

方向舵

舰艇用CFRP方向舵正处于研发之中，预计其比现有的金属舵轻50%，成本低20%。

设备底座

一个复合材料的底座比同尺寸的钢底座轻58%，且可以提供足够的保护，使机械和设备免受水下冲击载荷、抵抗冲击损坏。此外由于它的阻尼性和无磁性，复合材料底座能够降低舰艇的声音和磁特性。

热交换器

海军舰艇上的热交换器要经受严酷的海水腐蚀和侵蚀，因此维护费用高。由此还降低了使用寿命。美国海军正在考虑使用CFRP的热交换器。

管道系统

复合材料在海军舰艇上的最早应用就是管道。1951，美国海军在一艘护航驱逐舰上安装了复合材料管道，望其比传统的黄铜管道便宜、质轻和更耐腐蚀，果复合材料管道在运输热水时迅速降解并开始渗漏。60年代，提高了复合材料管道的质量和耐久性后，国皇家海军将其安装在突击艇的压舱系统中。70年代早期，国海军在其巡逻护卫舰上也安装了复合材料管道。据估计，合材料管道的生产安装成本比黄铜或不锈钢管低15%50%。美英海军正继续挖掘复合材料管道的潜在应用价值。

纤维增强尼龙复合材料研究进展 篇6

但它吸水性大、耐酸性差[1]、干态和低温冲击强度低以及吸水后易变形,影响了制品的尺寸稳定性,使其应用范围受到了一定的限制。为了改进上述缺点,扩大其应用领域,并更好的满足对使用性能的要求,人们采用多种方法对PA66进行改性[2,3],以改进PA66塑料的冲击性、热变形性、力学性能、成型加工性能及耐化学腐蚀性能。

1 玻璃纤维增强尼龙复合材料

王越等[4]通过对玻璃纤维增强尼龙66在常温下进行拉伸和冲击试验,并在低倍显微镜和扫描电镜下对断口的微观形貌特征做了表征,得出玻璃纤维增强尼龙66微观断裂机理。

其中拉伸断裂时,其裂纹的扩展分为二个阶段:一是缓慢的扩展起始阶段,形成了平坦的光滑区;二是快速断裂阶段,其形貌特征是高低不平的粗糙区,纤维被拔出,最后快速断裂。

冲击断裂时,断口形貌分为两个区域:拉应力区和压应力区,拉应力区的断裂过程与拉伸断裂一致。在压应力区,在裂纹起始平坦区,基体发生强烈的塑性变形,使基体上出现明显的倒伞状花样,倒伞中心为纤维,断口主要集中在裂纹萌生区。

B.Mouhmid等[5]研究了玻璃纤维含量、温度以及应变速率对短玻纤增强PA66的力学行为的影响。结果表明:随着玻璃纤维含量的提高,复合材料的弹性模量和拉伸强度逐渐提高,拉伸强度是PA66原样的2.43倍左右,且复合材料呈现的是脆性断裂;随着应变速率的提高,复合材料的弹性模量和拉伸强度提高,但随着温度的升高性能反而降低。

Liping Li等[6]研究发现把玻璃纤维添加到PA66中,能明显的提高PA66的综合性能。与PA66相比,GF/PA66复合材料的拉伸强度提高了51%,弯曲模量提高了179%,缺口冲击强度提高了9%。V.Bellenger等[7]研究了PA66/玻璃纤维复合材料的热和机械断裂。研究发现:在10 Hz频率下,复合材料的热断裂和机械断裂均发生,且疲劳强度对应变的敏感性不大;在2 Hz频率下,复合材料只是发生机械断裂。

杨其等[8]研究了玻纤增强PA66,结果表明,当玻璃纤维质量分数达30%时,纤维对PA66增强效果最佳,复合材料的拉伸强度达112.13 MPa。

刘义等[9]对玻纤增强PA66的研究表明,其冲击强度和拉伸强度随玻纤配比的增大而逐渐提高,MFR则逐渐减小。

段召华等[10]采用自行研制的熔体浸渍包覆长玻纤装置,制备了长玻纤增强尼龙66(LFT-PA66)复合材料。研究了玻纤用量、预浸料粒料长度和相容剂聚丙烯接枝马来酸酐(PP-G-MAH)对长纤维增强尼龙66的拉伸强度和冲击强度的影响。结果表明:长玻纤增强尼龙66的力学性能明显优于短玻纤增强尼龙66(SFT-PA66),相容剂PP-G-MAH的加入增强了界面黏结强度,提高了长玻纤增强尼龙66复合材料的拉伸强度和冲击强度。

张磊等[11]究了短切玻璃纤维(GF)含量、界面相容剂和稳定剂对尼龙66(PA66)/GF复合材料力学性能的影响。结果表明,复合材料的拉伸强度和弯曲强度随GF含量的增加而提高,而缺口冲击强度呈现先降低后提高的趋势;界面相容剂和稳定剂的添加.使复合材料的综合力学性能都有明显的提高,其中添加界面相容剂TAF和稳定剂168/DNP的复合材料综合力学性能优于其它界面相容剂和助剂。

孙红玲[12]将玻璃纤维通过不同种改性方法对其表面进行改性,然后添加到尼龙66当中经过双螺杆挤出机熔融共混挤出制得制品。经测试显示玻纤的加入,显著地提高了复合材料的刚性和韧性。玻纤含量为40%时,复合材料的弹性模量和弯曲模量有了很大的提高,分别提高了273%和272%:拉伸强度和弯曲强度显著提高,分别增加了173%和186%;冲击强度也有了明显的提高,增加了283%。TAF含量为0.8%时,复合材料的综合力学性能最优异。

2 芳纶纤维增强尼龙复合材料

李锦春,顾春辉[13]采用共混的方法制得芳纶浆粕增强尼龙6复合材料,研究了芳纶浆粕用量及相容剂对增强尼龙6复合材料力学性能的影响,芳纶浆粕对尼龙6结晶行为的影响以及复合材料的形貌进行了研究。结果表明:随芳纶浆粕含量的增加,复合材料的断裂伸长率和缺口冲击强度下降,拉伸断裂强度先降后增;马来酸酐接枝聚丙烯的加入增强了两相界面的结合力,使得应力能够在两相问有效地传递,共混物宏观力学性能较之未加相容剂的尼龙6/芳纶浆粕体系好,其拉伸断裂强度和缺口冲击强度等均有所改善。

王灿耀等[14]通过对Kevlar纤维改性后添加到尼龙6复合材料中的研究,并用挤出和注塑方式制备了尼龙6 改性Kevlar纤维(PA6/KFL)复合材料。结果表明,接枝尼龙 6的 KFL增强了KF 与尼龙 6复合材料界面的相互作用,拉伸强度、弯曲强度和弯曲模量分别提高了20.69% 、12.26% 和 14.23%,但冲击强度降低了8.2%。

孙丽等[15]利用双螺杆挤出机制备了尼龙6(PA6)/芳纶浆粕(PPTA-pulp)/马来酸酐接枝聚合物复合材料,研究了两种马来酸酐接枝(POE-g-MAH、LLDPE-g-MAH)对复合材料的力学性能、断面形态以及结晶性能的影响。其中POE-g-MAH能明显的提高复合材料PA6/PPTA-pulp的冲击强度和断裂伸长率,POE-g-MAH含量为3%时,PA6/PPTA-pulp/POE-g-MAH的拉伸强度和弯曲强度达到实验范围内的最佳值,其断裂伸长率和冲击强度分别提高了57.9%和28.8%。

彭超[16]通过研究化学改性的芳纶纤维增强尼龙6,并用红外光谱和扫描电镜分析其界面层.结果表明,芳纶纤维经异氰酸酯化及封端稳定处理后,其表面所接枝的不稳定基团-NCO转化成稳定的-NHCO-,封端结果较为明显;改性后纤维表面附有接枝物,从而使表面粗糙程度大大增加.力学性能测试结果显示改性尼龙6复合材料的拉伸和弯曲强度得到了改善,但冲击性能略为下降。

李伟等[17]研究了短切芳纶纤维增强复合材料,其中提到利用短切芳纶纤维增强尼龙复合材料,芳纶纤维经过表面改性之后加入尼龙树脂基体,使整个复合材料的力学性能得到改善。

Z.Yu[18]制备了质量分数分别为1%、3%、5%、7%、10%的未改性短切芳纶纤维增强PA6、PA66、PA11复合材料。复合材料的拉伸强度随芳纶纤维含量的增加而略微增加。若在芳纶纤维表面接枝一层PA再和PA基体复合,则可提高复合材料的力学性能。

张宗强等[19]制备了三维混杂碳纤维/芳纶纤维增强尼龙复合材料(HY/PA)并对其力学性能进行了测试。研究表明:由于芳纶纤维的加入,使碳纤维增强尼龙复合材料(CF/PA)的抗冲击性能有了显著提高,HY/PA的抗冲击强度随芳纶纤维体积分数的增大而有所提高。

3 碳纤维增强尼龙复合材料

李丽等[20]研究发现碳纤维增强PA66、PA610后,复合材料的拉伸强度、弯曲强度、压缩强度都成倍的增加,PA66同PA610相比其力学性质的提高更为显著.除冲击强度略降低外.其中弯曲强度提高近2倍,拉伸强度提高l4倍。

姚辉梅等[21]采用差示扫描量热仪, 研究高含量碳纤维增强尼龙6(CF/PA6) 复合材料的非等温结晶行为, 应用Je-ziorny法和Liu法对尼6(PA6)的非等温结晶动力学过程进行处理。结果表明,高含量碳纤维的引入对基体尼龙6的结晶起到促进的作用,提高其结晶速率, 缩短了结晶时间, 但对基体尼龙6的成核机理和晶体生长方式没有发生很大的改变。

葛世荣等[22]用碳纤维填充尼龙1010制备出了碳纤维增强尼龙复合材料,并对其力学性能进行了实验研究 ,结果表明:碳纤维的加入使尼龙复合材料的拉伸强度、表面硬度增大,碳纤维增强尼龙材料的拉伸强度在碳纤维含量为20%时达到最大值;碳纤维表面处理对尼龙复合材料的拉伸强度有很大影响,碳纤维表面氧化处理提高了碳纤维增强尼龙复合材料的拉伸强度。

李春华等[23]研究将碳纤维经表面处理后通过双螺杆挤出机制出碳纤维/尼龙6复合材料,其力学性能得到明显提高,其中拉伸强度和拉伸模量分别提高了33%和50%。

美国Ishiak[24]的研究表明,KF与PA66的相容性好,制造过程中,可不添加偶联剂。若是对芳香纤维进行适当的表面处理,如经BrN/H3表面处理,可使PA66基体在界面处形成双层薄而紧密的横穿结晶,在一定范围内抵消表面的破坏,从而使复合材料的力学性能纵向杨氏模量在研究范围内大幅提高[25]。

Fukushima等[26]还发现用天然结晶石墨纤维复合PA66,可获得比无定形/PA66更高的模量。

郑立允等[27]根据碱催化阴离子聚合原理制备了单体浇铸(Mc)尼龙6(PA6)、长碳纤维增强尼龙6(PA6/CL)复合材料和三维编织碳纤维增强尼龙6(PA6/C3D)复合材料,分析了工艺影响因素,并通过动态热机械分析仪对材料的热机械性能进行了研究,结果表明,PA6/C3D复合材料比PA6的热强度高4.37倍, PA6/C3D复合材料的综合性能优于PA6/CL复合材料。

4 其它纤维增强尼龙复合材料

刘涛等[28]用熔融挤出法制备了尼龙66/玄武岩纤维复合材料,通过扫描电子显微镜观察,并分析复合材料的力学性能,结果表明,偶联剂KH550对改善复合材料的力学性能效果最佳,且随偶联剂KH550含量的增加,复合材料的力学性能先增大后降低;在实验范围内,随着玄武岩纤维含量的增加,复合材料的力学性能显著提高,熔体流动速率降低。

李正红等[29]对竹纤维增强尼龙复合材料动态机械性能进行研究。结果表明,竹纤维增强尼龙复合材料存在玻璃态、高弹态、粘流态,玻璃化转变和流动转变区域。粘流态的温度与界面改性处理、纤维用量的关系不大,与基体呈现粘流态的温度有关。经界面改性处理,竹纤维增强尼龙复合材料的玻璃化转变温度比尼龙6基体高,且随着纤维含量的增加而提高。复合材料的储能模量、损耗模量比尼龙6基体高。

王军祥等[30]以注塑成型法制备了无机填料氟化钙和炭纤维增强尼龙1010 复合材料,采用MM-200 型磨损试验机考察了复合材料的摩擦磨损性能。研究结果表明:氟化钙和炭纤维的复合添入可显著改善尼龙复合材料的摩擦学性能,其中30%CF-10%CaF2-Nylon 的耐磨性能比30%CF-Nylon提高近5倍,而摩擦系数降低了约1/4。氟化钙和碳纤维增强尼龙复合材料在摩擦过程中发生了协同效应,CF-CaF2-Nylon 在对偶钢环表面上生成富含钙元素的连续转移膜,提高了转移膜和对偶间的结合强度以及复合材料耐磨性能。

钦焕宇等[31]研究发现DCNF型尼龙66短切纤维面经过特殊增粘表面预处理,能够对对EPDM(三元乙丙)基质橡胶具有良好的增强效果;但由于极性的尼龙短纤维与非极性的EP-DM基质橡胶相容性相对较差,在确保短纤维能够均匀分散在EPDM基质橡胶中的情况下,DCNF短纤维用量在15份以下;并用具有独特微/纳米超细纤维结构的芳纶浆粕,能够有效提高EPDM复合材料的常温和高温力学性能。

5 结 语

纤维增强复合桥 篇7

1 材料与方法

1.1 一般资料

从口腔科门诊收集适合采用黏结桥修复治疗的病例, 前牙缺失20例, 男9例, 女11例, 年龄28~69岁, 收集病例的标准:缺失1颗前牙, 基于不松动, 基牙牙冠有一定的高度, 基牙排列较整齐, 覆覆盖适度。

1.2 材料与仪器

Voco玻璃纤维丝条, Voco复合树脂, 光固化灯, Super-bond超级黏结剂。

1.3 方法

20例缺失前牙的患者, 纤维树脂黏结桥的两侧采用表面黏结固位, 为了获得最佳的黏结效果, 黏结的表面必须经过适当的处理。清洁牙齿表面的目的是去除菌斑、牙石和唾液薄膜, 不能使用含氟制剂和丁香油制剂, 并用脱脂溶液如酒精或水清洗牙面, 如基牙为上颌前牙, 并且有>1mm间隙, 可以不用备牙, 如基牙为下颌前牙, 并且没有间隙, 应磨出1mm间隙, 以获得固位翼所空间, 固位翼一般位于基牙舌侧切和中1/3, 固位翼黏结面尽可能大, 距银缘应有>1mm的距离。技工室制作玻璃纤维树脂黏结桥, 在临床黏结与调合, 采用Super-bond超级黏结系统, 用Super-bond采用笔堆积法把黏结桥直接黏结在基牙上。然后进行调合。

2 结果

2.1 修复2周后检查结果

临床基线检查患者修复2周进行基线临床检查, 并且分别在使用0.5、1.5、2年时进行临床复查。临床复查项目包括:修复体颜色匹配, 固位体边缘适合性、边缘染色, 修复体表面光滑度, 继发龋, 基牙及对照牙的菌斑和探诊出血情况。检查结果黏结桥与邻牙的颜色匹配较好的18例, 颜色匹配稍差的2例;固位翼边缘与基牙牙面平滑移行的7例, 边缘稍突起的12例, 明显突起的1例;无临床微漏发现;修复体表面光滑的17例, 表面粗糙3例;基牙菌斑的检出率高于对照牙 (P<0.05) , 基牙探诊出血率与对照牙无显着性差别。

2.2 随访结果

在半年复查时, 其中18例修复体完好, 不松动, 无折断、缺损或过度磨耗, 无明显着色, 固位体边缘与黏结剂界面临床观察结合良好, 无临床微漏;1例使用中出现脱粘, 1例折断。无继发龋出现。在18个月的临床复查患者19例, 其中1例出现脱粘, 修复体完好, 修复体粘脱的患者临床再次黏固修复体, 目前仍在使用。例连接体处折断, 患者要求仍用黏结桥修复, 其余患者修复体无松动和损坏。基牙的探诊出血明显高于对照牙 (P<0.05) , 基牙的菌斑也明显高于对照牙 (P<0.05) 。无继发龋出现。

3 讨论

3.1 玻璃纤维树脂黏结桥的特点

少数非游离端缺失牙, 选择金属烤瓷全冠或金属冠作为固位体的传统固定桥修复, 迄今仍是口腔修复医生最为常用的固定修复方法。但是, 传统固定桥修复存在一个明显的缺点, 即需要磨除大量的天然牙体组织, 对于活髓牙还存在损伤牙髓的可能, 从而使一些患者难以接受。纤维强化复合树脂黏结固定义齿是一种微创伤的治疗方法, 是通过纤维强化复合体制作加强支架, 以复合树脂建立修复体外形的一种黏结桥修复技术。它具有少磨牙或不磨牙、设计灵活等优点, 与天然牙之间黏结成功率较高[2]。对磁共振 (MRI) 检查无影响。设备要求低, 制作简便。易于进行口内修理, 延长使用寿命。由于牙体预备少或未作牙体预备, 需要时可以拆除改为其他修复方式。

3.2 黏结注意事项

黏结过程中应注意清洁黏结牙面, 完善地隔离唾液, 每一步应严格按要求操作。黏结剂用量要适当, 达到完善的黏结。修复后的调合黏结桥黏固后, 应仔细检查牙尖交错合与前伸和侧方运动咬合接触情况, 去除早接触点, 如修复缺失尖牙, 侧方运动时修复体不能成为尖牙保护合, 应尽量形成组牙功能合或以天然牙为引导牙, 减少侧方运动时修复体所承受的合力。玻璃纤维树脂黏结桥具有不磨牙或少磨牙, 无金属修复, 就诊次数少, 就诊时间短的优点, 提供了传统固定桥修复之外的一种微创固定修复方法, 其临床的长期效果正在继续观察[3]。

摘要：目的 探讨玻璃纤维树脂黏结桥修复方法和短期临床疗效。方法 收集门诊20名前牙缺失病例, 采用玻璃纤维树脂黏结桥修复, 应用Super-bond超级黏结剂黏结修复体。临床进行定期检查, 全面评价使用效果。结果 6个月和18个月后临床复查, 各有1例脱粘, 1例连接体折断, 其余修复体完好, 固位体边缘与黏结剂界面结合良好, 基牙探诊出血与对照牙比较均有显着性差别 (P<0.05) 。结论 玻璃纤维桩黏结桥是一种微创、无金属的固定修复方法, 向患者提供了传统固定桥以外另一种固定修复方法。

关键词：固定义齿,玻璃纤维复合树脂

参考文献

[1]谢秋菲, 张磊, 张庆辉.玻璃纤维强化复合树脂前牙粘结桥的临床应用初探[J].实用口腔医学杂志, 2005, 21 (1) :14-18.

[2]杨坚, 杨亚东, 冯海兰.固位型设计对粘结桥固位的影响[J].北京大学学报, 2008, 40 (1) :80-82.

纤维增强隐身复合材料的研究进展 篇8

1 纤维增强复合材料力学性能研究进展

1.1 纤维增强复合材料力学性能特点

纤维增强复合材料以有机聚合物为基体,连续纤维为增强材料组合。纤维因其高强度、高模量的优良特性而成为理想的承载体。而基体材料由于具有良好的粘接性能,使得两者能够很好粘接。同时,基体也能使载荷分布均匀,并传递到纤维中去,允许纤维承受压缩和剪切载荷。纤维与基体之间良好的复合显示出各自的优点,并能实现最佳的结构设计,具有很多其他材料不具备的良好性能[7]。

复合材料是一种非均匀的各向异性材料,力学性能有明显的方向性。另一方面,复合材料损伤破坏形式具有多样性。复合材料的破坏是由于多种失效(如基体开裂、界面脱粘、纤维断裂及分层等) 的起始以及它们之间的相互作用,并且与很多因素如纤维、树脂的性能、叠层顺序、固化过程、环境、温度以及使用条件等有关。总之,与金属相比,复合材料具有更为复杂的失效模式[8],这就大大增加了复合材料力学性能研究的难度。

1.2 纤维增强复合材料力学性能研究现状

对纤维增强复合材料来说,纤维承载主要载荷。纤维的力学性能强烈地影响着复合材料的力学性能。为了从细观上分析纤维增强复合材料的拉伸力学性能,董立民[9]等首次成功地进行了纤维束在应变率为50~200s-1范围内的冲击拉伸实验,获得了纤维束应力-应变曲线,得出玻璃纤维是与应变率相关的、芳纶(Kevlar纤维)对应变率不太敏感、炭纤维对应变率无关以及纤维在变形破坏过程中所有的应变能都转化为热能的结论。经进一步改进实验技术,汪洋[10]等对玻璃纤维束进行了较大应变率范围的冲击拉伸实验,得到了纤维和纤维束动态力学量之间的关系,提出了由纤维束的冲击拉伸实验来确定纤维动态模量和动态强度参数的方法。夏源明[11,12]等在自行研制的摆锤式块杆型冲击拉伸实验装置上,成功地实施了单向玻璃纤维/环氧树脂复合材料、炭纤维/环氧树脂复合材料的冲击拉伸实验,并获得了应变率为1000s-1的应力-应变曲线,当应变率大于1300s-1时,玻璃纤维/环氧树脂复合材料的韧性向脆性转化。

许沭华,王肖钧[7]等人通过实验比较系统地研究了Kevlar纤维增强复合材料垂直纤维面的静、动态压缩力学性能。实验结果表明:在冲击压缩载荷作用下,Kevlar纤维增强复合材料有明显的损伤软化现象和应变率效应。软化效应反映了复合材料在冲击载荷作用下复杂的损伤破坏模式和破坏过程。针对不同应变率下Kevlar纤维增强复合材料动态应力-应变实验曲线,提出了一个新型的由宏观损伤量来综合描述复合材料内部损伤行为总体效果并且包含应变率效应和损伤软化效应的相关动态本构方程。所引入的损伤量客观上反映了Kevlar纤维增强复合材料内部基体开裂、脱层、纤维断裂等多种破坏模式的总体效果。

陈利,刘景艳[8]等人采用短标距薄板试件法对三维多向编织复合材料试件进行了压缩实验,并分析了该类材料的纵向压缩刚度、压缩强度和泊松比随编织工艺参数的变化规律以及材料的失效形式。三维多向编织复合材料在破坏前基本保持线弹性,而纵向压缩破坏则具有脆性特征。编织角的增大导致了材料纵向压缩性能下降。减小四向编织纱线的细度,有利于提高材料的纵向压缩性能。此外,三维六向编织复合材料的纵向压缩性能低于三维五向编织复合材料。

Tay[13]等人研究了对压缩载荷敏感的玻璃增强塑料和纯环氧树脂的应变率效应。研究中利用液压伺服Instron试验机和分离式Hopkinson压杆测试,得到了应变率在5×10-4~2500s-1范围内的实验结果。通过比较纯环氧和玻璃增强塑料性能,揭示出两种材料均为应变率材料,特别是在低应变率范围内,随应变率的增加动态模量显著增强;动态加载下的应力-应变响应不仅是应变率函数,而且也是应变函数。提出了一个包含应变率和应变两个量的经验方程,其在所研究应变率范围内,能够有效地描述纯环氧和玻璃增强塑料的应力-应变行为。

Khan[14]等人采用在不同方向对试样进行压缩强度测试,同时借助光镜及扫描电子显微镜对断裂试样表面进行了研究,通过压缩实验表征了编织S2-玻璃增强聚酯层合板的失稳强度及模量。其结果表明:层合板厚度方向的失稳应力及应变要高于层合板平面方向。他们还采用分离式Hopkinson压杆和直接盘式冲击加载装置,确定了材料的动态响应,发现该材料有明显的应变率敏感效应。Khan[15]等人又研究了玻璃纤维增强聚合物基复合材料压缩性能随应变率增加的变化情况。通过实验确定了玻璃纤维增强塑料(Glass Fiber Reinforced Polymer/Plastic,GFRP)复合材料性能随应变率增加的动力学响应变化。他们采用液压伺服试验机获得了范围分别在10-3~10s-1的压缩应变率和2~1000kN/s的加载率。实验采用的圆柱和立方体试样尺寸均为10mm。测试结果显示出最大应变、最大强度和弹性模量的应变率效应。他们测试了两种不同厚度(9~11mm和15~18mm)的缺口三点弯曲试样,确定了复合材料断裂韧性的加载率效应。

Ochola[16]等人研究了不同应变率下玻璃及碳环氧树脂基增强复合材料的动力学行为。结果表明:与准静态加载相比,动态加载条件下的材料及结构响应明显不同。他们在10-3~450s-1的应变率范围内,通过测试单层层合板即正交[0°/90°]聚合物基复合材料(Polymer Matrix Composites,PMC),研究了炭纤维增强塑料(Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic,CFRP)和玻璃纤维增强塑料的应变率敏感效应。在从低到高的应变率下,通过测试层合板体系(CFRP和GFRP)确定了材料的压缩性能。结果表明,初始压缩应力-应变与应变率数据显示,GFRP的动态强度随应变率的增加而增高,而CFRP和GFRP的失稳应变则随应变率增加而降低。

Hsiao[17]等人利用落重和液压伺服试验机分别研究了碳/环氧复合材料压缩和剪切行为以及带有波状纤维的复合材料的应变率效应。该研究表征了沿纵向和横向加载的单向(IM6G/3501-6)及正交碳/环氧层合板特性;对相同的单向材料进行偏轴(30°和45°)压缩测试,获得了平面剪切应力-应变行为规律;90°偏轴时的性能由基体主导,与静态值比较显示出模量和强度有所增强,而最终应变没有明显的改变;剪切应力-应变行为显示,随应变率增加应力显著增加,达到稳定水平后呈现出很高的非线性;0°和正交层合板显示,随应变率增加强度及应变值增加较高,而与静态比较模量仅少量增加。强度和最终应变的增加可能与复合材料的剪切行为和失稳模量改变有关。

2 纤维增强复合材料的电磁性能研究现状

2.1 碳纳米管作为吸波剂

自1991年日本科学家Iijima 发现碳纳米管以来[18],由于碳纳米管具有独特的力学、磁学、电学等性能,其应用范围已扩展到催化剂载体[19,20,21]、电极材料[22]、储氢材料[23,24]、纳米电子器件[25]、复合材料[26,27,28]等多方面, 逐渐形成了材料界和凝聚态物理的前沿和热点[29]。近几年来,碳纳米管作为一个典型的纳米结构,更日益受到重视。

碳纳米管(Carbon Nanotubes,CNTs),又名巴基管,是碳同素异构体家族中的一个新成员。碳纳米管是一种具有特殊结构的一维量子材料。其径向尺寸为纳米级,轴向尺寸为微米量级,管子两端基本上都封口。按所含有石墨层数的不同, 碳纳米管可分为单层碳纳米管(Single-wall Carbon Nanotube,SWCNT) 和多层碳纳米管 (Multi-wall Carbon Nanotube, MWCNT)。两者的物理性质都与其各自的结构有密切关系。碳纳米管无缝管状结构和管身良好的石墨化程度赋予了碳纳米管优异的力学性能。理论估计单层碳纳米管的拉伸强度[30]为钢的100倍,而质量只有钢的1/6,并且延伸率可达到20% ,其长度和直径之比可达100~1000,远远超出一般材料的长径比(约为20),因而被称为“超强纤维”。碳纳米管因其优异的热力学性质,通过复合可以改善其他材料的性能。在金属、高分子、陶瓷等材料中加入一定量的碳纳米管,不但可以明显地提高材料的热力学性质,而且还可以改善基体的某些电学、磁学性能[31]。

新一代隐身吸波材料要求吸收强、宽频带、质量轻、厚度薄、功能多、红外微波吸收兼容以及具有优良的其他综合性能。采用具有特殊电、磁、光性能的无机纳米材料与性能优良的有机聚合物复合制造吸波材料是实现这些要求的一个重要方向。近几年,研究发现CNTs的电磁特性明显不同于其他各类已知的碳结构[32,33,34]。例如,由于量子限域效应, 电子在CNTs 中的运动是沿轴向的。由于电子能量和波矢之间的关系, CNTs可表现出金属或半导体特性[35,36]。CNTs 拥有的特殊的螺旋结构和手征性还导致其具有特殊的电磁效应[37,38]。碳纳米管的小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观隧道效应对其吸波性能有重要影响,表现在: (1)大量悬挂键的存在使界面极化,高比表面积造成多重散射;(2)宏观量子隧道效应的存在使得纳米离子电子能级分裂,分裂能级间隔处于微波的能量范围内(10-2~10-4eV);(3)碳纳米管不但具有较高的电损耗正切角,依靠电介质的电子极化或界面极化衰减,吸收电磁波,而且还具有较高的磁损耗正切角,依靠磁滞损耗、畴壁共振和后效损耗等磁极化衰减吸收电磁波[39]。CNTs独特的力学、电学和磁学性能预示它在制备吸波隐身材料中具有广泛的应用前景。

由于碳纳米管上述优点,使其成为复合材料理想的增强体。在纤维增强复合材料中,纤维和基体的界面属性对于复合材料的力学性能和结构的完整性是至关重要的。对相对“惰性”的碳纳米管的表面进行修饰,在碳纳米管增强复合材料的制备中起着重要的作用[40]。

在碳纳米管增强金属基复合材料的制备中,要想发挥碳纳米管性能必须解决两个问题[41,42]:(1)如何增强碳纳米管和金属基体的润湿性;(2)碳纳米管如何在基体中均匀分散。碳纳米管的表面张力临界值为100~200mN/m 量级,远低于大多数金属的表面张力值(如:Cu为1270mN/m)[43]。若碳纳米管未进行表面处理,其与金属基体难以形成结合牢固的界面结合,其优异的力学性则不能充分发挥[44]。

曹茂盛等[45]制备了碳纳米管/聚酯基复合材料,并研究了其微波吸收特性,分析表明,通过改变厚度,碳纳米管/聚酯基复合材料在8~40GHz波段有明显的吸收,且当厚度为(1.40±0.05)mm,添加质量分数为8%CNTs的聚酯基复合材料,在25GHz波段有明显的吸收。孙晓刚[46]将碳纳米管和环氧树脂按两种比例混合在1.2mm厚铝基板上,浇铸成7mm厚复合吸波涂料层,采用反射率扫频测量系统HP8757E标量网络分析仪检测了吸波性能,研究表明,碳纳米管和环氧树脂比例为1∶100时,吸波层试样在11GHz和17.83GHz出现双吸收峰,最大吸收峰出现在17.83GHz,峰值R为-9.04dB,带宽约1GHz;碳纳米管与环氧树脂比例调整为8∶100时,双吸波峰出现在10.08GHz和16.8GHz,带宽分别达到2.87GHz和2.56GHz,总带宽5.43GHz(R<-8dB)。

2.2 氧化锌作为吸波剂

氧化锌具有典型的纤锌矿结构。该结构可以简单地描述为由O2-和Zn2+四面体沿C轴交替堆垛而成。由于氧化锌的这种结构,导致其没有对称中心,因此具有压电和热电性能。同时氧化锌又是半导体材料,为宽禁带直接带隙半导体。其禁带宽度为3.37eV,激子结合能为60meV。从1960年以来,因为氧化锌薄膜在传感器,换能器和催化方面的应用,氧化锌薄膜的制备一直是人们研究的方向。此外,氧化锌是一种用途十分广泛的n型半导体功能材料,在量子器件、特种精细陶瓷、太阳能利用、环保催化剂、医药、化妆品等方面有着十分广泛的应用前景。其还可用作气体传感器的敏感材料、荧光体、紫外线遮蔽材料、图像记录材料、压电材料、变阻器、压敏电阻、催化剂、磁性材料、陶瓷材料、高密度信息存储材料[47,48]。

随着尺寸的减小,由于表面效应和量子限域的影响,纳米结构氧化锌在光学、光电子学、催化和压电等方面上表现出奇特的性能特点。其制备和性能研究已成为当今准一维材料研究的热点[49,50,51,52,53,54,55,56,57,58]。

赵韦人[59]等的理论分析表明,当纳米线的半径减小到与电子平均自由程同一数量级时,纳米线的介电常数ε依赖于其在线中的局域位置。在这种情况下,纳米线的ε″r/ε′r比将随其半径的减小而急剧增加。这种性能有利于其在电磁隐身领域的应用。

刘建华[60]等使用波导法对四脚状氧化锌晶须、氧化锌纳米晶体以及体相氧化锌材料进行磁导率和介电常数的测量。结果表明,在8~12GHz的范围内,四脚状氧化锌晶须、氧化锌纳米晶体以及体相氧化锌的介电损耗随频率的增加变化不明显。微波电磁性能实验表明,四脚状氧化锌晶须以及氧化锌纳米晶体是一种介电损耗材料,具有一定的微波吸收性能,并且四脚状氧化锌晶须的介电损耗大于氧化锌纳米晶体。体相氧化锌材料在这个频率范围内基本没有电磁损耗。对于纳米氧化锌,其介电损耗机制目前还不是特别清楚。

曹茂盛[61]等对氧化锌吸波性能做了大量研究,首先采用碳热还原法制备四脚氧化锌。采用燃烧合成的方法制备ZnO晶须/SiO2复合材料获得良好的吸波性能,ZnO晶须含量为20%时,在11.6GHz具有最大吸收峰,峰值R为6.5dB[62,63]。将ZnO纳米线分散到聚酯中得到的复合材料在5~14GHz范围具有良好的吸波性能,且随着纳米线含量变化有所不同,纳米线含量为6%时最大吸收峰为8.37dB,吸波范围5~12GHz;在纳米线含量为7%时,峰值可提高至12.28dB,吸波范围8~14GHz。通过固相合成的方法将氧化锌嵌入到PZT(Piezoelectric)基纳米复合材料中,与单一PZT陶瓷相比提高了力学性能,然而却降低了压电性能[64]。研究者又将氧化锌纳米晶须嵌入到玻璃纤维增强复合材料,由于氧化锌晶须3D结构和相应的应力传递(动态压缩应力下,应力从氧化锌一只脚转移到另外三只脚,导致应力传播,阻止裂纹扩散,限制复合材料变形),使复合材料具有较高的力学性能,氧化锌晶须的扩散和断裂模式使复合材料又具有优良的动态力学性能[65]。

3 结束语

如上所述,国外在隐身材料的研究方面,经过数十年的努力,纤维增强复合材料以其高比强度、高比刚度,特别是可设计性等特点,在航空、航天、军事、汽车等部门的应用日益广泛。但在许多实际的工程应用中,可能遭受到诸如子弹撞击等不同形式的高速冲击载荷。然而目前对纤维增强复合材料在高加载率下的动力学行为还知之甚少,因此对其在高应变率下的动力学性能行为及其冲击损伤破坏问题的研究就越来越引起人们的广泛关注,并可能成为新的研究热点之一。

蔗渣纤维增强水泥基复合材料的研究 篇9

关键词：蔗渣纤维,水泥基复合材料,增强,性能

0 引言

我国的建筑能耗占总能耗的28%以上, 而且还在以每年大约1个百分点的速度增加, 各类建筑物在其建造和使用过程中直接消耗的能源约占全社会总能耗的30%。而墙体材料又是建材业的重要组成部分, 其产值接近建材工业总产值的1/3, 耗能占建材工业总耗能的1/2左右。因此, 加速发展节能利废的新型墙体材料, 不仅是调整建材工业能源结构的重要措施, 而且对改善建筑功能、节约土地具有十分重要的意义。

植物纤维墙体材料是以植物纤维为原材料的一种新型节能环保生态建筑材料, 由于天然植物纤维具有来源广、价格低廉、可再生、可降解, 能有效地降低对资源的消耗并减少环境污染, 目前国内外均开展了利用植物纤维增强水泥基复合材料作为墙体材料的相关研究[1]。植物纤维具有一般合成纤维的强度与刚度, 且比重小, 因此比强度和比刚度高。纤维含量高的植物, 除木材、竹材可直接用作结构材料外, 竹、麻、甘蔗渣、椰壳和草等植物纤维都可用作增强材料, 制成水泥等基体的复合材料[2]。在水泥中掺入植物纤维能够从微细观机制上改善材料的性能, 提高水泥的抗拉强度、韧性及抗裂性等性能。目前对高性能纤维和合成纤维增强混凝土已有了较多的研究, 但天然植物纤维增强水泥基复合材料研究和成果及具体应用技术还很少。在众多的植物纤维中, 蔗渣纤维是一种极具开发潜力的材料。蔗渣是制糖后的残渣, 经除蔗髓后其化学成分与木材相似, 纤维质量好, 在广西来源集中, 而且价格低廉。本研究主要通过对蔗渣纤维与无机材料复合的研究, 找到各成分的最佳配比, 探析影响各性能和内部结构的因素, 并对其复合机理作进一步的研究, 得到一种具有良好性能的轻质复合材料, 为无机物与蔗渣纤维以浇注形式复合的研究提供新思路。

1 实验条件

1.1 主要原料

1.1.1 甘蔗渣

采用蔗渣粉碎物 (长度为3mm~10mm) , 广西南宁制糖造纸厂生产。

1.1.2 水泥

水泥为广西扶绥新宁海螺水泥有限责任公司生产的P.C32.5复合硅酸盐水泥。按《通用硅酸盐水泥》标准 (GB175-2007) 的要求, 对水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性、细度、水泥胶砂抗压强度和抗折强度等有关指标进行了检验, 结果见表1。

1.1.3 粉煤灰

粉煤灰可以提高混凝土的保水性、塑性及强度, 使用粉煤灰同时又可节约水泥, 降低了成本。实验室所用粉煤灰来自南宁电厂。

1.2 试验仪器

自制的木模具为正方体的木框 (规格为100mm×100mm×100mm) , 小型高压反应釜, 烘箱, 搅拌机。

1.3 试验检测

试件完全干后, 由于浇注时的体积膨胀而使试件在高度上产生差异。试件表面上凹凸不平, 在测试各性能指标前, 要对所有试件进行表面磨平处理。

1.3.1 密度的测定

ρ———试件的密度, kg/m3;

m———试件全干后的重量, kg;

V———试件全干后的体积, m3。

1.3.2 复合材料综合性能的测定

复合材料的抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度按《DL/TS150-2001水工混凝土试验规程》中的相关方法进行。

1.4 试验过程

1.4.1 工艺流程

根据蔗渣纤维、水泥和其他添加剂的性能特点, 经实验对比得如下制作工艺流程。

1.4.2 蔗渣预处理

蔗渣的化学成份主要由纤维素、半纤维素、木质素和灰分等组成, 其百分比组成如表2。

蔗渣预处理主要是蔗渣的粉碎和纤维的预处理, 蔗渣纤维含有大量的木质素、纤维素等多羟基成分, 与水泥基体难以相容, 界面粘合性较差。未经预处理的纤维与水泥未能很好地结合, 主要原因是其硬度阻碍了纤维与水泥刚性颗粒之间的紧密接触。经预处理软化后, 纤维就能缠绕在水泥及其他矿物周围而形成紧密的接触, 同时预处理能使纤维从聚集状态分散成直径较小的原丝纤维[3]。在实验中使用粉碎机将干燥的蔗渣粉碎, 选择长度为1mm~3mm粉碎物进行实验。纤维的预处理主要是对蔗渣进行闪爆处理, 将准备好的蔗渣加入高压反应釜, 加热升温到达一定的压力后, 迅速泄压。经蒸爆预处理后的蔗渣, 纤维变成碎片, 半纤维素几乎全部降解, 纤维素与木质素分离, 使纤维素不再被包裹, 通过细化后变得柔软和蓬松。蔗渣纤维的这些表面特征使纤维与水泥浆体之间的接触面积增大, 有利于纤维与水泥基材料的粘结。

2 结果与讨论

2.1 蔗渣纤维的用量

由于纤维的掺量对水泥基复合材料的性能有较大的影响, 因此实验主要探讨蔗渣纤维的用量对水泥基复合材料的抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度的影响, 结果如表3。

由表3可知, 随着蔗渣纤维含量的增加, 密度明显降低。蔗渣纤维作为多孔材料, 具有较高的空隙度, 密度相对较低, 在复合材料中作为增强相, 又作为填充材料。当纤维含量增加时, 也就是增加了复合材料的孔隙度, 从而降低了复合材料的实质密度[4]。不同的蔗渣纤维添加量对水泥基复合材料抗压强度的影响很小, 与纯水泥试块的抗压强度相差不大。而水泥基复合材料的劈裂抗拉强度、抗弯强度随着蔗渣纤维添加量的增加而上升, 当蔗渣纤维添加量为15%时强度达到最高, 然后随着蔗渣纤维量的增加而明显下降, 所以蔗渣纤维掺量在15%左右时材料力学性能最好, 即蔗渣纤维的最佳含量为15%左右。

2.2 复合材料的增强机理

复合材料中, 当纤维与基体物质接触时, 就会首先吸附那些能降低表面能的物质形成界面。界面是复合材料的三要素之一, 其存在和作用对复合材料的性能极为重要。特别是对于纤维增强复合材料来说, 如果没有一个有机结合的界面, 纤维增强作用和基体应力转移过程就无法实现。在蔗渣纤维增强无机复合材料中, 蔗渣纤维作为增强相, 水泥作为基体相, 当材料受到外力时, 蔗渣纤维在水泥基复合材料中传递应力, 由于界面结合牢固, 蔗渣纤维很难从水泥基复合材料中被拔出, 只能最后被拉断。这说明在材料受力时蔗渣纤维增强了其强度。但纤维与基体的界面作用力直接影响纤维对基体的增强、增韧和阻裂效果。界面太弱, 纤维的增强作用将无法得以充分发挥, 而导致复合材料强度降低;界面如果太强, 复合材料的抗损伤性能又会比较弱, 纤维很容易被拉断形成载荷的突然释放, 导致其断裂韧性的下降, 甚至丧失使用功能。因此, 纤维与基体界面的强度是影响复合材料宏观性能的重要参数[5]。所以蔗渣纤维的力学、物理学的平衡和耐久性决定了纤维在复合材料中的作用。

3 结语

3.1 以水泥为基体, 蔗渣纤维为增强材料, 生产一种具有良好性能的环保型建筑轻质复合材料是可行的。

3.2蔗渣纤维经过预处理后, 纤维与水泥浆体之间的接触面积增大, 有利于纤维与水泥基材料的粘结, 起到了增强复合材料的作用。

3.3复合材料随着蔗渣纤维添加量的增加, 密度明显降低, 劈裂抗拉强度、抗折强度随着蔗渣纤维添加量的增加而上升, 当蔗渣纤维添加量为15%时强度达到最高, 即蔗渣纤维的最佳含量为15%。

参考文献

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[2]徐辉, 黄国乱, 李克亮, 温金保, 卢安琪.植物纤维增强水泥基复合材料的研究进展与应用[J].材料导报, 2005, (11) :474-477.

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[4]鲁飞飞.膨化植物纤维与无机物复合的研究[D].福州:福建农业大学, 2004.

改善纤维增强复合保温板性能的研究 篇10

纤维增强复合保温板主要以水泥、粉煤灰等胶凝材料为原料, 加入阻燃型聚苯颗粒和增强剂、自制NK-YB03等改性剂, 采用科学配比、自动计量, 经流水线成型、表面处理、养护、切割、包装等工艺生产而成。是一种复合新型防火、保温板材, 具有强度高、自重轻、保温、不易破损、防火、耐候等诸多优点, 同时可与抗裂砂浆、辅助材料配合形成集保温隔热、防火、抗裂、防水、防渗于一体的防火保温体系。

纤维增强复合保温板可以弥补EPS (XPS) 保温板防火性能差、高温产生有害气体和抗老化性差等问题, 同时其韧性优于发泡水泥保温板, 逐步在市场中得到广泛应用。但目前市场中部分纤维增强复合保温板存在密度偏大、吸水率高、抗拉强度低的问题, 严重影响了外墙外保温系统的安全, 因此, 如何改善纤维增强复合保温板的性能显得尤为重要。本文主要通过优选合适的添加剂, 改善纤维增强复合保温板的力学性能, 克服其干密度偏大、抗拉强度低、吸水率高的缺陷。

1 试验材料及方法

1.1 主要原材料

(1) 水泥:选用句容台泥水泥有限公司生产的P.Ⅱ52.5R水泥, 实测细度0.28%, 比表面积340 m2/kg, 抗折、抗压强度3d分别为6.5、31.2 MPa, 28 d分别为9.2、57.3 MPa, 初凝时间125 min, 终凝时间为170 min, 安定性合格。

(2) 粉煤灰:选用常州国电产Ⅰ级粉煤灰, 细度0.4%, 需水量比92%, 含水率0.5%, 烧失量0.3%, 28 d活性指数90%, 主要化学成分见表1。

(3) 聚苯颗粒:选用阻燃型原生聚苯颗粒, 密度为9 kg/m3, 或者是经回收破碎的废聚苯颗粒, 2种聚苯颗粒的级配均为2~4 mm。

(4) 纤维素醚:黏度75 000 m Pa·s, 山东赫达股份有限公司生产, 其灰分2.0%、水分4.1%、p H值7.5、甲氧基含量19.9%、羟丙氧8.0%、黏度82 800 m Pa·s。

(5) VAE乳液:北京某公司生产。

(6) 纤维:选用江苏丝丝缘有限公司生产的聚丙烯纤维, 长度10 mm, 直径45μm, 抗拉强度大于500 MPa, 延伸率10%~20%, 弹性模量大于3.5 GPa。

(7) NK-YB03自制改性剂:主要成分为憎水剂和塑化剂。

1.2 试验方法

1.2.1 制备

先将胶凝材料与各种添加剂按比例预混, 然后加入适量水和乳液搅拌2~3 min成均匀料浆, 再加入聚苯颗粒搅拌2~3 min, 待料浆均匀包裹住聚苯颗粒后注入成型设备, 双面刮浆, 覆网格布并辊压成型, 养护5~7 d即可切割、包装。

1.2.2 性能测试

试件性能测试参照苏JGT 045—2011《复合材料保温板外墙外保温系统应用技术规程》进行。

2 试验结果与分析

为了改善纤维增强复合保温板的性能, 降低其干密度和吸水率, 提高抗拉强度, 本文主要通过以下技术路径解决: (1) 加入聚合物乳液, 对聚苯颗粒表面进行包裹和改性处理, 提高纤维增强复合保温板的抗拉强度; (2) 加入自制NK-YB03, 引入适量微小气泡, 减少单方用水量, 并对纤维增强复合保温板进行憎水等改性处理, 从而降低纤维增强复合保温板的干密度和吸水率, 提高产品的性价比。

2.1 粉料用量对纤维增强复合保温板性能的影响

纤维增强复合保温板中, 粉料的用量直接决定了材料的干密度、力学性能以及导热系数, 试验配比及其性能测试结果见表2。

由表2结果可见, 粉料的用量宜在200 kg/m3左右 (3号) , 此时纤维增强复合保温板的干密度小于300 kg/m3, 抗压强度大于0.4 MPa, 均较理想, 因此确定干粉料用量为200 kg/m3。

2.2 不同聚苯泡沫颗粒对纤维增强复合保温板性能的影响

为了提高纤维增强复合保温板的性价比, 试验中使用破碎的废聚苯颗粒全部或部分替代原生聚苯颗粒。测试了不同聚苯颗粒比例对纤维增强复合保温板性能的影响, 结果见表3。

由表3结果可知, 在原生聚苯颗粒与废聚苯颗粒体积比1∶1时, 纤维增强复合保温板的抗压强度较全部使用原生聚苯颗粒相差不大, 当继续增大废聚苯颗粒用量, 其抗压强度下降明显。因此, 综合考虑材料性价比后, 选用原生聚苯颗粒与废聚苯颗粒配比为1∶1, 性价比最优。

2.3 NK-YB03对纤维增强复合保温板性能的影响

为了降低纤维增强复合保温板的吸水率, 改善其在潮湿环境下的热工性能, 同时降低干密度、提高力学性能, 试验加入自制的NK-YB03对其进行改性。NK-YB03主要由憎水剂和塑化剂组成, 主要作用为: (1) 利用NK-YB03中的憎水剂组分对纤维增强复合保温板进行改性, 降低其吸水率; (2) NK-YB03中的塑化剂组分具有一定减水作用, 可以降低料浆拌合用水量; (3) NK-YB03中的塑化剂具有一定的引气作用, 可以在纤维增强复合保温板中引入大量的微小气泡, 降低其干密度和导热系数。测试不同掺量NK-YB03对纤维增强复合保温板性能的影响, 结果如图1~图3。

由图1可知, 随着NK-YB03掺量的增加, 纤维增强复合保温板的吸水率降低明显, 当NK-YB03掺量大于1 kg/m3时, 纤维增强复合保温板的吸水率小于10%;随着掺量继续增加, 吸水率变化不大, 当掺量大于3 kg/m3时, 吸水率反而有所增大, 此时, 料浆对聚苯颗粒的包裹性开始变差, 不利于生产。

随着NK-YB03掺量的增加, 其中的憎水剂组分在聚苯颗粒表面吸附, 形成1层包覆膜, 使聚苯颗粒表面水膜厚度变薄, 水泥水化产物更容易填充在聚苯颗粒表面, 不仅能降低纤维增强复合保温板的吸水率, 还能一定程度提高其力学性能;但是, 当NK-YB03掺量过大时, 大量的憎水剂组分吸附在聚苯颗粒表面, 使其憎水性过强, 水泥水化产物很难填充在聚苯颗粒表面, 导致料浆对聚苯颗粒的包裹性变差, 使得纤维增强复合保温板的吸水率和力学性能均变差[1]。

由图2、图3可知, 纤维增强复合保温板中掺入NK-YB03能进一步降低制品的干密度和导热系数, 改善其热工性能, 且在低掺量下对力学性能有益;但是, 当NK-YB03掺量过高时, 制品的抗压强度和抗拉强度会显著降低。NK-YB03中的塑化剂组分在料浆的搅拌过程中会产生大量微气泡, 均匀填充在聚苯颗粒之间的空隙处以及水泥浆体之间, 使用水量降低30%~40%, 同时纤维增强复合保温板的干密度和导热系数也明显降低, 从而使其具备较好的保温隔热性能。但是, 随着NK-YB03掺量的增加, 纤维增强复合保温板中被引入了过多的微气泡, 不仅影响聚苯颗粒与胶凝材料的粘结性, 使得其抗压、抗拉强度明显下降, 同时, 其中过多的微气泡也会导致吸水率增大。

根据试验结果, NK-YB03的掺量在2 kg/m3时, 纤维增强复合保温板的干密度为280 kg/m3, 导热系数小于0.06 W/ (m·K) , 吸水率小于10%, 同时对其抗压强度、抗拉强度影响不大, 符合JGT045—2011标准要求。

2.4 VAE乳液对纤维增强复合保温板性能的影响

为了改善纤维增强复合保温板的柔韧性, 提高其抗拉强度, 试验中掺加适量乳液对其进行改性。考虑到性价比因素及在低乳液掺量下丙烯酸乳液中钙离子稳定性相对较差, 因此, 选用VAE乳液对纤维增强复合保温板进行改性。测试了不同掺量VAE乳液对其性能的影响, 试验结果如图4、图5所示。

由图4、图5可知, 随着VAE乳液掺量的增加, 纤维增强复合保温板的抗拉强度先有所提高, 当VAE乳液掺量超过6kg/m3以后, 其抗拉强度略有降低;VAE乳液掺量小于9 kg/m3时, 对纤维增强复合保温板的抗压强度影响不大, 但VAE乳液掺量超过9 kg/m3时, 抗压强度有一定降低;而VAE乳液掺量的变化对纤维增强复合保温板的吸水率和软化系数影响不大。

VAE乳液的掺入能改善水泥浆体与聚苯颗粒的浸润性, 随着水化干燥过程的进行, VAE乳液脱水一部分分散到水泥浆体的空隙中, 吸收外界应力;另一部分分散在聚苯颗粒与胶凝材料的界面区, 改善聚苯颗粒与胶凝材料的粘结性, 从而提高纤维增强复合保温板的抗拉强度[2]。但是随着VAE乳液掺量继续增加, 由于其具有一定的引气作用, 会造成纤维增强复合保温板抗压强度一定的下降。综合考虑纤维增强复合保温板的力学性能以及吸水率和软化系数, VAE乳液的最佳掺量为6 kg/m3。

3 结论

(1) 纤维增强复合保温板中粉料的用量宜控制在200 kg/m3, 原生聚苯颗粒与废聚苯颗粒体积比为1∶1, 对抗压强度影响不大, 性价比最优。

(2) 在纤维增强复合保温板中掺加NK-YB03改性剂, 可以降低吸水率、干密度和导热系数, 同时提高力学性能。当NK-YB03的掺量为2 kg/m3时, 其干密度达到280 kg/m3, 导热系数小于0.06 W/ (m·K) , 其力学性能、吸水率符合JGT045—2011标准要求。

(3) 在纤维增强复合保温板中掺加VAE乳液, 能够改善聚苯颗粒与胶凝材料界面区的粘结性, 显著提高其抗压强度和抗拉强度, VAE乳液的掺量宜控制在6 kg/m3。

参考文献

[1]彭鹏飞, 余其俊, 韦江雄.憎水剂对EPS保温砂浆性能的影响[C]//第三届全国商品砂浆学术交流会论文集, 武汉:中国硅酸盐学会房材分会, 2009, 11:14-15.