纤维增强材料的应用

纤维增强材料的应用 纤维增强材料的应用 由增强纤维和基体组成。纤维(或晶须)的直径很小，一般在l0μm以下，缺陷较少又小，断裂应变不大于百分之三，是脆性材料。简单损伤、断裂和受到腐蚀。 基体相对于纤维来说强度和模量要低得多但可经受较大的应变往往具有粘弹性和弹塑性是韧性材料。 纤维增强贴合材料由纤维的长短可分为短纤维增强贴合材料、长纤维贴合材料和杂乱短纤维增强贴合材料。纤维增强层压材料由于纤维和基体的不同品种很多如碳纤维增强环氧、硼纤维增强环氧、Kevlar纤维增强环氧、Kevlar纤维增强橡胶、玻璃纤维增强塑料、硼纤维增强铝、石墨纤维增强铝、碳纤维增强陶瓷、碳纤维增强碳和玻璃纤维增强水泥等。 纤维增强材料首先要说明一个概念，就是“贴合材料”。广义上，层压材料是指由两种或两种以上不同性质或不同组织的组分（单元）构成的材料。从工程概念上讲，贴合材料是指以人工方式将两种或多种性质不同，但由可性能互补的材料贴合起来做成的新材料。贴合材料的组分分成基体和增强体两个部分。通常将其中连续分布的组分称为基体，如聚合物（树脂）基体、金属基体、陶瓷基体；将纤维、颗粒、晶须等分散在基体中的物质称为增强体。顾名思义，增强体为纤维物质的贴合材料就是纤维增强体。 常见的纤维增强层压材料[1~3](Fibre Reinforced Plastics,简称FRP)包含玻璃纤维增强贴合材料(Glass Fibre Reinforced Plastics,简称GFRP)、碳纤维增强贴合材料(Carbon Fibre Reinforced Plastics,简称CFRP)、Nomex纤维增强贴合材料(Aramid Fibre Reinforced Plas- tics,简称AFRP)。目前,已经研究开发成熟并在土木工程中得到广泛使用的主要是CFRP和AFRP,其中 CFRP是迄今为止应用于土木工程领域早、技术成熟,也是用量大的一种高性能纤维贴合材料。AFRP 在建筑材料方面的应用主要是用于增强混凝土,具有较好的增强效果,现已成功应用于桥梁、码头及化工厂等的设施。FRP的应用形式主要有纤维布(单向和双向)、片材(以胶粘剂浸渍而成)、连续纤维筋、纤维壳、各种形状的型材、短切纤维及组合结构体系等。由于FRP补强材料具有:质量轻;比强度大、比刚度大;抗劳累性能好;减振性能好;收稿日期:2004-03-31 和混凝土及钢材的热膨胀系数相近;(6)耐腐蚀、非电磁性;可设计性及工艺性好等优点,因而在结构加固及改造工程中得到了广泛关注。在土木建筑工程领域的应用是FRP今后进展的重要方向之一。 FRP加固修补技术 FRP加固方法通常包含粘贴法和缠绕法两种,而粘贴法比较常用。粘贴法就是以树脂类胶接材料为基体,把纤维粘贴于结构或构件表面,形成贴合材料体 FRP,通过其和结构或构件的协同工作,达到对结构构件补强加固及改善受力性能的加固方法[9]。FRP的粘贴加固法有以下几种。OBAYASHI-MITSUBISHI粘贴法其工艺路线如下: 表面清理(打磨)打底漆打腻子刷底涂(树脂)铺REPLARK(CFRP片材)刷面涂(树脂)表面涂漆或精整理 SIKA粘贴法 . 打磨粘贴部位涂底层树脂寻平涂刷浸渍树脂粘贴CF再涂一道浸渍PU涂层布和传统的加固修补方法相比,粘贴FRP加固修补混凝土结构具有明显的技术优势,主要表现在:施工便利、工效高,具有良好的可操作性,不需大型施工机械和重要设备,也不需要太大的工作空间,施工占用场地少,适用面广;纤维布质轻且薄,加固后原结构构件截面、荷载增加均不大,不影响原建筑物的使用功能;加固施工时对现有结构扰动小,可明显提高现有结构的力学性能、耐久性和耐腐蚀性等而不会影响现有结构的整体性等。 FRP加固修补技术的应用方式有两种,一是直接应用于新建结构中,二是用于旧有结构的维修加固,以取得良好的建筑效果。FRP用于旧有结构修复和加固时的形式主要是在梁、板、柱以及砌体结构中。FRP的应用领域主要体现在桥梁结构、民用建筑结构等领域中。FRP应用研究现状上世纪60年代美国开始对FRP进行开发,其研究主要集中在GFRP。但由于GFRP的弹性模量低而中断研究近20年。后由于盐腐蚀钢筋导致建筑结构和桥梁结构使用性能退化,而将FRP的研究重新提上日程。南达科他矿业理工大学开发了类似于钢绞线的 CFRP绞线(由7股线组成),现在其他大学和研究机构正致力于FRP筋的研究和应用探讨[11]。美国加州州站理工大学和俄勒冈州站大学联合进行的课题,不仅对一座3跨的小桥实地进行了加固,而且在实验室模拟实地情况进行了实验,分别研究了抗弯、抗剪和抗弯剪三种情况下的加固效果,后还用有限元分析软件对实验结果进行了有限元分析,得到了令人中意的结果。 美国加州大学圣地亚哥分校研究进展了计算机测试模型,用三向有限元技术ABAQUS来模拟一般桥梁的水泥桥墩、桥柱以及用碳纤维增强后的桥墩、桥柱在地震时的行为。美国宇航局(NASA)路易斯研究中心也研究开发了同样的计算机软件。用CFRP的外套增强水泥桥墩和桥柱(没有内增强)比用5 %的钢筋增强水泥的桥墩和桥柱更牢固,具有更好的抗震能力。加州大学圣地亚哥分校和佛罗里达大学的研究都表明了CFRP的外套增强桥梁可大大改进桥梁的抗地震能力。Rajon Sen等[12]使用CF增强环氧树脂层压材料修复补强桥梁,研究表明桥梁的强度大大提高、弹性响应略有增加,并通过实验确定了该方案的可行性。而且Rajon Sen等也通过非线性有限元分析得到了和实验一致的结果,在理论上论证了CF增强聚合物层压材料加固修复钢筋混凝土桥梁的可行性。E.Cosenza 等[13]分析了评估进展长螺纹纤维增强聚合物基层压材料(FRP)加固钢筋混凝土中存在的问题,提出分析配方的新方法。并采纳将FRP钢筋植入混凝土中,然后通过拉力从自由端将其拉出的方法有效地估量了进展可以幸免快速失效的FRP钢筋的确切长度。2000年5月在美国加利福尼亚州召开的美国材料和整理促进学会第45届年会和展览(The 45th SAMPE Conference and Exhibition)上,有十几篇报告涉及到这个领域的各个方面,而且会议还特意组织了 “贴合材料桥梁结构比赛”,展出了几十个不同结构的贴合材料桥梁。 纤维增强贴合材料的性能体现在以下方面： 比强度高比刚度大成型工艺好材料性能可以设计抗劳累性能好。破损安全性能好。多数增强纤维拉伸时的断裂应变很小、叠层贴合材料的层间剪切强度和层间拉伸强度很低、影响贴合材料性能的因素很多会引起贴合材料性能的较大变化、用硼纤维、碳纤维和碳化硅纤维等高性能纤维制成的树脂基贴合材料虽然某些性能很好但价格昂贵、纤维增强贴合材料和传统的金属材料相比具有较高的强度和模量较低的密度、纤维增强贴合材料还具有独特的高阻尼性能因而能较好地汲取振动能量同时减少对相邻结构件的影响 颗粒增强层压材料 颗粒增强体是用以改善贴合材料的力学性能，提高断裂功、耐磨性、硬度，增进耐蚀性的颗粒状材料。如SiC、TiC、B4C、WC、Al2O3、MoS2、Si3N4、TiB2、BN、C、石墨~~~等 颗粒增强金属基层压材料由于制备工艺简单、成本较低微观组织均匀、材料性能各向同性且可以采纳传统的金属整理工艺进行二次整理等优点，已经成为金属基层压材料领域重要的研究方向。颗粒增强金属基层压材料的主要基体有铝、镁钛、铜和铁等，其中铝基贴合材料进展快；而镁的密度更低，有更高的比强度、比刚度，而且具有良好的阻尼性能和电磁屏蔽等性能，镁基层压材料正成为继铝基之后的又一具有竞争力的轻金属基贴合材料。镁基贴合材料因其密度小，且比镁合金具有更高的比强度、比刚度、耐磨性和耐高温性能，受到航空航天、汽车、机械及电子等高技术领域的重视。颗粒增强镁基贴合材料和连续纤维增强、非连续 (短纤维、晶须等)纤维增强镁基贴合材料相比，具有力学性能呈各向同性、制备工艺简单、增强体价格低廉、易成型、易机械整理等特点，是目前有可能实现低成本、规模化商业生产的镁基层压材料 目前,美国土木工程师学会(ASCE)、混凝土学会(ACI)和试验材料学会(ASTM)正在编制相应的行业标准和规范。由英国贸易和工业部资助的ROBUST计划研究表明用CFRP板材来增强桥梁是一个特别有效的方法,同时也充分证明了该方案的可行性 玻纤增强材料类型及其应用 玻璃纤维及制品是玻璃钢重要的增强组分材料。由于使用了玻璃纤维制品，可使玻璃钢贴合材料，提高其抗拉强度、抗弯强度、刚度，以及耐冲击强度等。本文将对玻璃纤维的分类和类型，以及如何用好玻璃纤维，各种成型工艺应使用什么类型的玻纤增强材料，作一简单的概述。 一、玻璃纤维增强材料的分类 １、玻璃纤维按组分分类 玻璃纤维可按组分及其性能，进行分类。在许多可用的玻璃纤维增强材料类型中间，含钙－铝－硼－硅为主成分的Ｅ玻璃纤维，是先被采纳，并且用量多的一种增强材料。它具有较好的电气性能和机械性能，价格也比较廉价。 Ｅ－ＣＲ玻璃纤维是Ｅ玻纤的改性纤维，其组分内不含有硼元素，具有较强的耐酸性能，大多用于耐酸贮罐和管道类产品。 Ｓ玻璃纤维（或称Ｒ玻璃纤维），可大大提高贴合材料的强度和刚度，适用于宇航业和军事工业等方面的应用领域，以满足其高技术性能的要求。其它，在运输业、休闲器械、娱乐器具等方面，也有广泛的应用。 Ｄ玻璃纤维，其介电性能较为优越，在电子工业应用上，已占有绝对的优势。 玻璃纤维增强材料，也可按连续的或不连续的形式，进行分类。 ２、连续型玻纤增强材料 连续型增强材料，有单向无捻粗纱，双向无捻粗纱布，玻纤布，单向至四向无面料无捻粗纱，无定向连续纤维毡等。其他还有：玻纤布和非织物毡，连续纤维毡和短切原丝毡，以及各种多层工程专用连续型增强材料等贴合型增强材料。此外，还有编缝的或织缝的三向预成型纤维增强材料等。 无捻粗纱的生产制造方法有两种，一种是经漏板拉出长丝集束组成，称为直接法；另一种是把几束纤维不加捻，平行组合，称为组合法。无捻粗纱纤维直径一般在１０～２４μｍ之间，常用线度重量通常表示为６００、１２００、２４００和４８００旦。无捻粗纱的特性是刚性好，纤维张力均匀，完滑并简单切断。无捻粗纱性能的发挥，还和所使用的工艺条件有关，例如面料，连续预浸渍，短切等。无捻粗纱，近开发出一个新的品种，称“加圈无捻粗纱”，即在粗纱的垂直方向上，加有环圈。它可提高单向贴合材料的横向强度，特别适合于拉挤玻璃钢制品使用。 预浸渍无捻粗纱，通常是Ｒ玻璃纤维浸渍环氧树脂，多用于纤维缠绕工艺，制品可得到较高的机械强度。 连续纤维毡，是从漏板拉制出纤维后，直接均匀分布层叠而制成，并使用粘结剂进行粘结成毡。其使用粘结剂的种类和数量，可根据应用的情况而定。连续纤维毡常用于对模成型工艺，以及某些定型的批量产品和电子线路板等。 ３、非连续纤维增强材料，有短切纤维、短切纤维毡、短切纤维预成型材料、连续纤维毡和磨碎纤维等。其中短切纤维，一般是将原丝切割成３～１２毫米长，而制成。它具有集束性、流动性和密实性等项特点，用途较为广泛。 短切纤维毡，一般采纳５０毫米长的玻璃纤维加粘结剂制成。粘结剂可溶于苯乙烯，其用量约为３～１０%，也可根据玻璃钢制成品的具体要求，以及制毡工艺而定。短切纤维毡较适合于接触成型工艺的表面面层使用。 磨碎纤维，是将纤维经过磨碎机处理，使玻纤长度在０.１～０.２毫米之间而制得。磨碎纤维的直径，一般为１０～１７μｍ，可用于热塑玻璃钢和快速反应注射模塑的聚氨酯成型工艺。该类增强材料由于线度很短，因而可以比其他增强材料，在提高刚度、尺寸稳定性和耐冲击强度等方面，有肯定的良好效果。 二、正确使用玻纤增强材料 目前，作为玻璃钢主要组成成分的玻纤增强材料，品种已有很多。如何正确使用玻纤增强材料，这是玻璃钢生产企业所必须引起注意的一个重要方面。现就国外的一些成功经验，总结回纳如下： 单向强度玻璃钢制品　通常采纳连续无捻粗纱和单向无纺无捻粗纱等，作为单向强度要求的玻璃钢的增强材料。所采纳的成型工艺方法，有手糊、拉挤、纤维缠绕、模压、高压压制成型等工艺方法。 双向强度玻璃钢制品　通常采纳玻纤无捻粗纱布（方格布）、玻纤布、双向无纺无捻粗纱等，作为双向强度要求的玻璃钢制品的增强材料。所采纳的成型工艺方法，有手糊、纤维缠绕、拉挤、层压等工艺方法。 多向强度玻璃钢制品　通常采纳短切原丝、增强毡、多向无纺无捻粗纱、预成型材料、磨碎纤维等作为多向强度要求的玻璃钢制品的增强材料。所采纳的成型工艺方法，有手糊、喷射、模压、注射、树脂传递模塑、层压、反应注射模塑、铸塑等工艺方法。 三、成型工艺方法对增强材料的选用 低压闭模成型工艺　这类成型工艺主要包含树脂传递模塑（ＲＴＭ）、增强反应注射模塑（ＲＲＩＭ）、结构反应注射模塑（ＳＲＩＭ）等工艺方法，所用增强材料的类型，有玻纤毡、预成型材料、组合增强材料等。 ＲＲＩＭ成型工艺中采纳的磨碎纤维，是在注射入模前，就和树脂进行预混合后使用的。而预成型材料，大多采纳在定向纤维组成的筛网上，喷射短切纤维和粘结剂，或者利用加热的方法成型毡片，或者利用组合的方式，制成预成型材料。 高压闭模成型工艺　这类工艺方法主要包含对模注射成型、高压模压成型等工艺方法，所用的增强材料，常常和树脂预先混合，而后再加压成型，其生产成本较为低廉。 ＢＭＣ就是一个典型的例子，将热固性树脂和短切原丝预先混合成料团，而后压制成型玻璃钢制品若短切原丝和热塑性树脂混合，可制成颗粒状料，喂入拉挤机，制成热塑玻璃钢制品。若采纳长纤维预浸料，可对预浸渍连续无捻粗纱，进行拉挤成型，以制成热塑拉挤玻璃钢制品。 ＳＭＣ和ＧＭＴ　这两类成型工艺，是采纳对混向短切无捻粗纱和连续原丝，进行连续浸渍工序，而后压制成型。某些情况下，是将连续无捻粗纱，采纳机械方式定向，以使制品达到更高的机械强度和模量。 预浸渍带　这是采纳对连续无捻粗纱或双向织物，进行预浸渍树脂而制成。对于热固性树脂，通过加热预浸料，使之达到Ｂ阶状态。而对于热塑性树脂，可通过冷却至室温，而达到Ｂ阶状态。不管热固预浸料，还是热塑预浸料，均可在放入压机后，经过加热加压，制成玻璃钢制品。 四、玻璃纤维的非常性能 由于玻璃纤维的增强作用，从而使玻璃钢材料，具有基体树脂所无法比拟的优异性能，例如材料的整体性，可降低材料的重量、高机械性能、耐冲击性能、耐腐蚀性能、良好的介电性能和尺寸稳定性能以及材料的耐久性等等，并使玻璃钢材料在各个领域，获得了广泛的应用。 应该看到，在充分利用玻璃纤维特性的同时，它本身还具有一些重要特性，尚没有被人们所完全认识。 其一，是玻璃纤维具有肯定的弹性性能。玻璃纤维在拉力的作用下可以被伸长，直至断裂，但没有屈服点。如果在达到断裂点以前，解除所加的拉力，玻璃纤维就会恢复到原来的长度。 其二，玻璃纤维没有磁滞现象。这是玻璃纤维和金属纤维和有机纤维完全不同之处。玻璃纤维，由于它本身的强度较高，因而它能够贮存或释放较大的能量，并且不会损失这些能量。 其三，玻璃纤维具有抗动态劳累特性，因此若在玻纤表面加上肯定的防磨损爱护，则可使其玻璃钢制品，成为汽车和卡车的弹簧件，以及家用器具等的理想材料。 但是，由于玻璃纤维没有屈服点，因而在承载能力逐步减弱的同时，会突然发生断裂现象。例如，常用的Ｅ玻纤单向增强的层压材料，在一个定量载荷下，经过肯定的时间常会发生应力断裂现象。经过测试，其抗拉强度将随时间的连续而衰减，初始时衰减很快，将丧失１/３的初始值。但其后，将在５０年内才衰减到原始值的１/２。 纤维增强的和颗粒增强的贴合材料有什么区别 以碳化物、氮化物、石墨等颗粒增强金属或合金基体的金属基贴合材料统称. 一种较简单批量制造、整理、成形和成本较低的金属基贴合材料.也是研究进展较成熟的层压材料. 这类贴合材料的组成范围宽广,可根据工作的工况要求选择基体金属和增强颗粒,常选用的颗粒有碳化硅、碳化钛、碳化硼、碳化钨、氧化铝、氮化硅、硼化钛、氮化硼及石墨等,颗粒的尺寸一般在3.5～10μm,也有选用