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纖維增強材料的應(yīng)用

纖維增強材料的應(yīng)用
由增強纖維和基體組成。纖維(或晶須)的直徑很小，一般在l0μm以下，缺陷較少又小，斷裂應(yīng)變不大于百分之三，是脆性材料。容易損傷、斷裂和受到腐蝕。基體相對于纖維來說強度和模量要低得多但可經(jīng)受較大的應(yīng)變往往具有粘彈性和彈塑性是韌性材料。纖維增強復(fù)合材料由纖維的長短可分為短纖維增強復(fù)合材料、長纖維復(fù)合材料和雜亂短纖維增強復(fù)合材料。纖維增強復(fù)合材料由于纖維和基體的不同品種很多如碳纖維增強環(huán)氧、硼纖維增強環(huán)氧、Kevlar纖維增強環(huán)氧、Kevlar纖維增強橡膠、玻璃纖維增強塑料、硼纖維增強鋁、石墨纖維增強鋁、碳纖維增強陶瓷、碳纖維增強碳和玻璃纖維增強水泥等。
纖維增強材料首先要說明一個概念，就是“復(fù)合材料”。廣義上，復(fù)合材料是指由兩種或兩種以上不同性質(zhì)或不同組織的組分（單元）構(gòu)成的材料。從工程概念上講，復(fù)合材料是指以人工方式將兩種或多種性質(zhì)不同，但由可性能互補的材料復(fù)合起來做成的新材料。復(fù)合材料的組分分成基體和增強體兩個部分。通常將其中連續(xù)分布的組分稱為基體，如聚合物（樹脂）基體、金屬基體、陶瓷基體；將纖維、顆粒、晶須等分散在基體中的物質(zhì)稱為增強體。顧名思義，增強體為纖維物質(zhì)的復(fù)合材料就是纖維增強體。
常見的纖維增強復(fù)合材料[1~3](Fibre Reinforced Plastics,簡稱FRP)包括玻璃纖維增強復(fù)合材料(Glass Fibre Reinforced Plastics,簡稱GFRP)、碳纖維增強復(fù)合材料(Carbon Fibre Reinforced Plastics,簡稱CFRP)、芳綸纖維增強復(fù)合材料(Aramid Fibre Reinforced Plas- tics,簡稱AFRP)。目前,已經(jīng)研究開發(fā)成熟并在土木工程中得到廣泛使用的主要是CFRP與AFRP,其中 CFRP是迄今為止應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域早、技術(shù)成熟,也是用量大的一種高性能纖維復(fù)合材料。AFRP 在建筑材料方面的應(yīng)用主要是用于增強混凝土,具有較好的增強效果,現(xiàn)已成功應(yīng)用于橋梁、碼頭及化工廠等的設(shè)施。FRP的應(yīng)用形式主要有纖維布(單向和雙向)、片材(以膠粘劑浸漬而成)、連續(xù)纖維筋、纖維殼、各種形狀的型材、短切纖維及組合結(jié)構(gòu)體系等。由于FRP補強材料具有:質(zhì)量輕;比強度大、比剛度大;抗疲勞性能好;減振性能好;收稿日期:2004-03-31 與混凝土及鋼材的熱膨脹系數(shù)相近;(6)耐腐蝕、非電磁性;可設(shè)計性及工藝性好等優(yōu)點,因而在結(jié)構(gòu)加固及改造工程中得到了廣泛關(guān)注。在土木建筑工程領(lǐng)域的應(yīng)用是FRP今后發(fā)展的重要方向之一。 FRP加固修補技術(shù) FRP加固方法通常包括粘貼法與纏繞法兩種,而粘貼法比較常用。粘貼法就是以樹脂類膠接材料為基體,把纖維粘貼于結(jié)構(gòu)或構(gòu)件表面,形成復(fù)合材料體 FRP,通過其與結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的協(xié)同工作,達到對結(jié)構(gòu)構(gòu)件補強加固及改善受力性能的加固方法[9]。FRP的粘貼加固法有以下幾種。OBAYASHI-MITSUBISHI粘貼法其工藝路線如下: 表面清理(打磨)打底漆打膩子刷底涂(樹脂)鋪REPLARK(CFRP片材)刷面涂(樹脂)表面涂漆或精加工 SIKA粘貼法 .
打磨粘貼部位涂底層樹脂找平涂刷浸漬樹脂粘貼CF再涂一道浸漬涂層布與傳統(tǒng)的加固修補方法相比,粘貼FRP加固修補混凝土結(jié)構(gòu)具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢,主要表現(xiàn)在:施工便捷、工效高,具有良好的可操作性,不需大型施工機械和重要設(shè)備,也不需要太大的工作空間,施工占用場地少,適用面廣;纖維布質(zhì)輕且薄,加固后原結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面、荷載增加均不大,不影響原建筑物的使用功能;加固施工時對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)擾動小,可明顯提高現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能、耐久性和耐腐蝕性等而不會影響現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的整體性等。 FRP加固修補技術(shù)的應(yīng)用方式有兩種,一是直接應(yīng)用于新建結(jié)構(gòu)中,二是用于舊有結(jié)構(gòu)的維修加固,以取得良好的建筑效果。FRP用于舊有結(jié)構(gòu)修復(fù)與加固時的形式主要是在梁、板、柱以及砌體結(jié)構(gòu)中。FRP的應(yīng)用領(lǐng)域主要體現(xiàn)在橋梁結(jié)構(gòu)、民用建筑結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域中。FRP應(yīng)用研究現(xiàn)狀上世紀(jì)60年代美國開始對FRP進行開發(fā),其研究主要集中在GFRP。但由于GFRP的彈性模量低而中斷研究近20年。后由于鹽腐蝕鋼筋導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)使用性能退化,而將FRP的研究重新提上日程。南達科他礦業(yè)理工大學(xué)開發(fā)了類似于鋼絞線的 CFRP絞線(由7股線組成),現(xiàn)在其他大學(xué)和研究機構(gòu)正致力于FRP筋的研究與應(yīng)用探討[11]。美國加州州立理工大學(xué)和俄勒岡州立大學(xué)聯(lián)合進行的課題,不僅對一座3跨的小橋?qū)嵉剡M行了加固,而且在實驗室模擬實地情況進行了實驗,分別研究了抗彎、抗剪和抗彎剪三種情況下的加固效果,后還用有限元分析軟件對實驗結(jié)果進行了有限元分析,得到了令人滿意的結(jié)果。
美國加州大學(xué)圣地亞哥分校研究發(fā)展了計算機測試模型,用三向有限元技術(shù)ABAQUS來模擬一般橋梁的水泥橋墩、橋柱以及用碳纖維增強后的橋墩、橋柱在地震時的行為。美國宇航局(NASA)路易斯研究中心也研究開發(fā)了同樣的計算機軟件。用CFRP的外套增強水泥橋墩和橋柱(沒有內(nèi)增強)比用5 %的鋼筋增強水泥的橋墩和橋柱更牢固,具有更好的抗震能力。加州大學(xué)圣地亞哥分校和佛羅里達大學(xué)的研究都表明了CFRP的外套增強橋梁可大大改進橋梁的抗地震能力。Rajon Sen等[12]使用CF增強環(huán)氧樹脂層壓材料修復(fù)補強橋梁,研究表明橋梁的強度大大提高、彈性響應(yīng)略有增加,并通過實驗確定了該方案的可行性。而且Rajon Sen等也通過非線性有限元分析得到了與實驗一致的結(jié)果,在理論上論證了CF增強聚合物層壓材料加固修復(fù)鋼筋混凝土橋梁的可行性。E.Cosenza 等[13]分析了評估發(fā)展長螺紋纖維增強聚合物基復(fù)合材料(FRP)加固鋼筋混凝土中存在的問題,提出分析配方的新方法。并采用將FRP鋼筋植入混凝土中,然后通過拉力從自由端將其拉出的方法有效地估計了發(fā)展可以避免快速失效的FRP鋼筋的確切長度。2000年5月在美國加利福尼亞州召開的美國材料與加工促進學(xué)會第45屆年會與展覽(The 45th SAMPE Conference and Exhibition)上,有十幾篇報告涉及到這個領(lǐng)域的各個方面,而且會議還專門組織了 “復(fù)合材料橋梁結(jié)構(gòu)比賽”,展出了幾十個不同結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料橋梁。
纖維增強復(fù)合材料的性能體現(xiàn)在以下方面：
比強度高比剛度大成型工藝好材料性能可以設(shè)計抗疲勞性能好。破損安全性能好。多數(shù)增強纖維拉伸時的斷裂應(yīng)變很小、疊層復(fù)合材料的層間剪切強度和層間拉伸強度很低、影響復(fù)合材料性能的因素很多會引起復(fù)合材料性能的較大變化、用硼纖維、碳纖維和碳化硅纖維等高性能纖維制成的樹脂基復(fù)合材料雖然某些性能很好但價格昂貴、纖維增強復(fù)合材料與傳統(tǒng)的金屬材料相比具有較高的強度和模量較低的密度、纖維增強復(fù)合材料還具有獨特的高阻尼性能因而能較好地吸收振動能量同時減少對相鄰結(jié)構(gòu)件的影響
顆粒增強復(fù)合材料
顆粒增強體是用以改善復(fù)合材料的力學(xué)性能，提高斷裂功、耐磨性、硬度，增進耐蝕性的顆粒狀材料。如SiC、TiC、B4C、WC、Al2O3、MoS2、Si3N4、TiB2、BN、C、石墨~~~等
顆粒增強金屬基復(fù)合材料由于制備工藝簡單、成本較低微觀組織均勻、材料性能各向同性且可以采用傳統(tǒng)的金屬加工工藝進行二次加工等優(yōu)點，已經(jīng)成為金屬基復(fù)合材料領(lǐng)域重要的研究方向。顆粒增強金屬基復(fù)合材料的主要基體有鋁、鎂鈦、銅和鐵等，其中鋁基復(fù)合材料發(fā)展快；而鎂的密度更低，有更高的比強度、比剛度，而且具有良好的阻尼性能和電磁屏蔽等性能，鎂基復(fù)合材料正成為繼鋁基之后的又一具有競爭力的輕金屬基復(fù)合材料。鎂基復(fù)合材料因其密度小，且比鎂合金具有更高的比強度、比剛度、耐磨性和耐高溫性能，受到航空航天、汽車、機械及電子等高技術(shù)領(lǐng)域的重視。顆粒增強鎂基復(fù)合材料與連續(xù)纖維增強、非連續(xù) (短纖維、晶須等)纖維增強鎂基復(fù)合材料相比，具有力學(xué)性能呈各向同性、制備工藝簡單、增強體價格低廉、易成型、易機械加工等特點，是目前有可能實現(xiàn)低成本、規(guī)?；虡I(yè)生產(chǎn)的鎂基復(fù)合材料
目前,美國土木工程師學(xué)會(ASCE)、混凝土學(xué)會(ACI)和試驗材料學(xué)會(ASTM)正在編制相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范。由英國貿(mào)易與工業(yè)部資助的ROBUST計劃研究表明用CFRP板材來增強橋梁是一個非常有效的辦法,同時也充分證明了該方案的可行性
玻纖增強材料類型及其應(yīng)用
玻璃纖維及制品是玻璃鋼重要的增強組分材料。由于使用了玻璃纖維制品，可使玻璃鋼復(fù)合材料，提高其抗拉強度、抗彎強度、剛度，以及耐沖擊強度等。本文將對玻璃纖維的分類和類型，以及如何用好玻璃纖維，各種成型工藝應(yīng)使用什么類型的玻纖增強材料，作一簡單的概述。
一、玻璃纖維增強材料的分類
１、玻璃纖維按組分分類
玻璃纖維可按組分及其性能，進行分類。在許多可用的玻璃纖維增強材料類型中間，含鈣－鋁－硼－硅為主成分的Ｅ玻璃纖維，是先被采用，并且用量多的一種增強材料。它具有較好的電氣性能和機械性能，價格也比較便宜。
Ｅ－ＣＲ玻璃纖維是Ｅ玻纖的改性纖維，其組分內(nèi)不含有硼元素，具有較強的耐酸性能，大多用于耐酸貯罐和管道類產(chǎn)品。
Ｓ玻璃纖維（或稱Ｒ玻璃纖維），可大大提高復(fù)合材料的強度和剛度，適用于宇航業(yè)和軍事工業(yè)等方面的應(yīng)用領(lǐng)域，以滿足其高技術(shù)性能的要求。另外，在運輸業(yè)、運動器械、娛樂器具等方面，也有廣泛的應(yīng)用。
Ｄ玻璃纖維，其介電性能較為優(yōu)越，在電子工業(yè)應(yīng)用上，已占有絕對的優(yōu)勢。
玻璃纖維增強材料，也可按連續(xù)的或不連續(xù)的形式，進行分類。
２、連續(xù)型玻纖增強材料
連續(xù)型增強材料，有單向無捻粗紗，雙向無捻粗紗布，玻纖布，單向至四向無紡織無捻粗紗，無定向連續(xù)纖維氈等。其他還有：玻纖布與非織物氈，連續(xù)纖維氈與短切原絲氈，以及各種多層工程專用連續(xù)型增強材料等復(fù)合型增強材料。此外，還有編縫的或織縫的三向預(yù)成型纖維增強材料等。
無捻粗紗的生產(chǎn)制造方法有兩種，一種是經(jīng)漏板拉出長絲集束組成，稱為直接法；另一種是把幾束纖維不加捻，平行組合，稱為組合法。無捻粗紗纖維直徑一般在１０～２４μｍ之間，常用線度重量通常表示為６００、１２００、２４００和４８００旦。無捻粗紗的特性是剛性好，纖維張力均勻，光滑并容易切斷。無捻粗紗性能的發(fā)揮，還與所使用的工藝條件有關(guān)，例如紡織，連續(xù)預(yù)浸漬，短切等。無捻粗紗，近開發(fā)出一個新的品種，稱“加圈無捻粗紗”，即在粗紗的垂直方向上，加有環(huán)圈。它可提高單向復(fù)合材料的橫向強度，尤其適合于拉擠玻璃鋼制品使用。
預(yù)浸漬無捻粗紗，通常是Ｒ玻璃纖維浸漬環(huán)氧樹脂，多用于纖維纏繞工藝，制品可得到較高的機械強度。
連續(xù)纖維氈，是從漏板拉制出纖維后，直接均勻分布層疊而制成，并使用粘結(jié)劑進行粘結(jié)成氈。其使用粘結(jié)劑的種類和數(shù)量，可根據(jù)應(yīng)用的情況而定。連續(xù)纖維氈常用于對模成型工藝，以及某些定型的批量產(chǎn)品和電子線路板等。
３、非連續(xù)纖維增強材料，有短切纖維、短切纖維氈、短切纖維預(yù)成型材料、連續(xù)纖維氈和磨碎纖維等。其中短切纖維，一般是將原絲切割成３～１２毫米長，而制成。它具有集束性、流動性和密實性等項特點，用途較為廣泛。
短切纖維氈，一般采用５０毫米長的玻璃纖維加粘結(jié)劑制成。粘結(jié)劑可溶于苯乙烯，其用量約為３～１０%，也可根據(jù)玻璃鋼制成品的具體要求，以及制氈工藝而定。短切纖維氈較適合于接觸成型工藝的表面面層使用。
磨碎纖維，是將纖維經(jīng)過磨碎機處理，使玻纖長度在０.１～０.２毫米之間而制得。磨碎纖維的直徑，一般為１０～１７μｍ，可用于熱塑玻璃鋼和快速反應(yīng)注射模塑的聚氨酯成型工藝。該類增強材料由于線度很短，因而可以比其他增強材料，在提高剛度、尺寸穩(wěn)定性和耐沖擊強度等方面，有一定的良好效果。
二、正確使用玻纖增強材料
目前，作為玻璃鋼主要組成成分的玻纖增強材料，品種已有很多。如何正確使用玻纖增強材料，這是玻璃鋼生產(chǎn)企業(yè)所必須引起注意的一個重要方面。現(xiàn)就國外的一些成功經(jīng)驗，總結(jié)歸納如下：
單向強度玻璃鋼制品　通常采用連續(xù)無捻粗紗和單向無紡無捻粗紗等，作為單向強度要求的玻璃鋼的增強材料。所采用的成型工藝方法，有手糊、拉擠、纖維纏繞、模壓、高壓壓制成型等工藝方法。
雙向強度玻璃鋼制品　通常采用玻纖無捻粗紗布（方格布）、玻纖布、雙向無紡無捻粗紗等，作為雙向強度要求的玻璃鋼制品的增強材料。所采用的成型工藝方法，有手糊、纖維纏繞、拉擠、層壓等工藝方法。
多向強度玻璃鋼制品　通常采用短切原絲、增強氈、多向無紡無捻粗紗、預(yù)成型材料、磨碎纖維等作為多向強度要求的玻璃鋼制品的增強材料。所采用的成型工藝方法，有手糊、噴射、模壓、注射、樹脂傳遞模塑、層壓、反應(yīng)注射模塑、鑄塑等工藝方法。
三、成型工藝方法對增強材料的選用
低壓閉模成型工藝　這類成型工藝主要包括樹脂傳遞模塑（ＲＴＭ）、增強反應(yīng)注射模塑（ＲＲＩＭ）、結(jié)構(gòu)反應(yīng)注射模塑（ＳＲＩＭ）等工藝方法，所用增強材料的類型，有玻纖氈、預(yù)成型材料、組合增強材料等。
ＲＲＩＭ成型工藝中采用的磨碎纖維，是在注射入模前，就與樹脂進行預(yù)混合后使用的。而預(yù)成型材料，大多采用在定向纖維組成的篩網(wǎng)上，噴射短切纖維和粘結(jié)劑，或者利用加熱的方法成型氈片，或者利用組合的方式，制成預(yù)成型材料。
高壓閉模成型工藝　這類工藝方法主要包括對模注射成型、高壓模壓成型等工藝方法，所用的增強材料，經(jīng)常與樹脂預(yù)先混合，而后再加壓成型，其生產(chǎn)成本較為低廉。
ＢＭＣ就是一個典型的例子，將熱固性樹脂與短切原絲預(yù)先混合成料團，而后壓制成型玻璃鋼制品若短切原絲與熱塑性樹脂混合，可制成顆粒狀料，喂入拉擠機，制成熱塑玻璃鋼制品。若采用長纖維預(yù)浸料，可對預(yù)浸漬連續(xù)無捻粗紗，進行拉擠成型，以制成熱塑拉擠玻璃鋼制品。
ＳＭＣ和ＧＭＴ　這兩類成型工藝，是采用對混向短切無捻粗紗和連續(xù)原絲，進行連續(xù)浸漬工序，而后壓制成型。某些情況下，是將連續(xù)無捻粗紗，采用機械方式定向，以使制品達到更高的機械強度和模量。
預(yù)浸漬帶　這是采用對連續(xù)無捻粗紗或雙向織物，進行預(yù)浸漬樹脂而制成。對于熱固性樹脂，通過加熱預(yù)浸料，使之達到Ｂ階狀態(tài)。而對于熱塑性樹脂，可通過冷卻至室溫，而達到Ｂ階狀態(tài)。不管熱固預(yù)浸料，還是熱塑預(yù)浸料，均可在放入壓機后，經(jīng)過加熱加壓，制成玻璃鋼制品。
四、玻璃纖維的特殊性能
由于玻璃纖維的增強作用，從而使玻璃鋼材料，具有基體樹脂所無法比擬的優(yōu)異性能，例如材料的整體性，可降低材料的重量、高機械性能、耐沖擊性能、耐腐蝕性能、良好的介電性能和尺寸穩(wěn)定性能以及材料的耐久性等等，并使玻璃鋼材料在各個領(lǐng)域，獲得了廣泛的應(yīng)用。
應(yīng)該看到，在充分利用玻璃纖維特性的同時，它本身還具有一些重要特性，尚沒有被人們所完全認識。
其一，是玻璃纖維具有一定的彈性性能。玻璃纖維在拉力的作用下可以被伸長，直至斷裂，但沒有屈服點。如果在達到斷裂點以前，解除所加的拉力，玻璃纖維就會恢復(fù)到原來的長度。
其二，玻璃纖維沒有磁滯現(xiàn)象。這是玻璃纖維與金屬纖維和有機纖維完全不同之處。玻璃纖維，由于它本身的強度較高，因而它能夠貯存或釋放較大的能量，并且不會損失這些能量。
其三，玻璃纖維具有抗動態(tài)疲勞特性，因此若在玻纖表面加上一定的防磨損保護，則可使其玻璃鋼制品，成為汽車和卡車的彈簧件，以及家用器具等的理想材料。
但是，由于玻璃纖維沒有屈服點，因而在承載能力逐步減弱的同時，會突然發(fā)生斷裂現(xiàn)象。例如，常用的Ｅ玻纖單向增強的復(fù)合材料，在一個定量載荷下，經(jīng)過一定的時間常會發(fā)生應(yīng)力斷裂現(xiàn)象。經(jīng)過測試，其抗拉強度將隨時間的延續(xù)而衰減，初始時衰減很快，將喪失１/３的初始值。但其后，將在５０年內(nèi)才衰減到原始值的１/２。
纖維增強的和顆粒增強的復(fù)合材料有什么區(qū)別
以碳化物、氮化物、石墨等顆粒增強金屬或合金基體的金屬基復(fù)合材料統(tǒng)稱.
一種較容易批量制造、加工、成形和成本較低的金屬基復(fù)合材料.也是研究發(fā)展較成熟的復(fù)合材料.
這類復(fù)合材料的組成范圍寬廣,可根據(jù)工作的工況要求選擇基體金屬和增強顆粒,常選用的顆粒有碳化硅、碳化鈦、碳化硼、碳化鎢、氧化鋁、氮化硅、硼化鈦、氮化硼及石墨等,顆粒的尺寸一般在3.5～10μm,也有選用

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