复合增强（精选十篇）
复合增强 篇1
1 实验部分
1.1 原料及试剂
麦草, 取自安徽农村, 洗净晒干后粉碎, 过60目筛, 烘干后球磨。扶桑枝条取自江苏农村, 洗净晒干后剥皮粉碎, 过60目筛, 烘干后球磨5h。凹凸棒土取自南京江宁粉碎过60目筛、膨润土取自南京汤山膨润土公司处理过的Na基膨润土, 过60目筛。氢氧化钠、十六烷基三甲基溴化铵、二甲苯、氯化苄等均为分析纯。
1.2 实验方法
1.2.1 麦草苄基化改性
准确称取2g球磨麦草粉, 放入装有搅拌棒、冷凝管和温度计的100mL三口烧瓶中, 加入一定量的十六烷基三甲基溴化铵 (PTC) 和一定浓度的NaOH溶液10g, 润胀30min后加入一定量的二甲苯和氯化苄, 在一定油浴温度下反应一段时间, 反应结束后冷却, 抽滤, 然后分别用乙醇和蒸馏水洗涤至中性, 于70℃干燥箱中至恒重, 计算苄基化产物的增重率 (WPG) 。
式中m1—苄基化产物质量;m0—球磨麦草粉质量
1.2.2 麦草苄基化产物与增强材料的共混
按不同质量比分别取凹凸棒土、膨润土、球磨扶桑枝条粉分别与麦草苄基化产物混合, 将混合物投入到HAAKE Mini双螺杆挤出机中于150℃下共混挤出;
1.2.3 复合材料的注塑成型
180℃、50MPa下在HAAKE MiniJetⅡ注塑机中注塑成型, 制备复合材料力学性能测试样条。
1.3 测试与表征
1.3.1 红外分析
KBr压片法在Nicolet 380FTIR spectrometer上测试。
1.3.2 XRD分析
在Hitachi S-340上测试, 管电流为20mA, 管电压为35KV, 2θ偶合连续扫描, 扫描角度范围为6~45°, Cu靶, X射线波长λ=1.54扫描速率为10°/min, 扫描步长为0.05°。
1.3.3 力学性能测试
SANS CMT6000型电子万能试验机, 参考标准为GB/T1040-1992 (塑料拉伸性能试验方法) ;参考标准为GB/T 9341-2000 (塑料弯曲性能试验方法) 。
2 结果与讨论
2.1 反应条件对苄基化产物增重率的影响
苄基化改性麦草的影响因素主要有:麦草球磨预处理时间, 反应试剂的用量, 分散介质的用量, 催化剂用量, 相转移催化剂用量, 反应温度, 反应时间等。通过改变反应条件可得到不同增重率的苄基化麦草。增重率大小直接影响材料的热塑性。在几个影响苄基化产物增重率的因素中, 氢氧化钠溶液的浓度影响最大[6]。因此, 对NaOH浓度做单因素实验, 考虑经济性, 环境影响等因素, 其他反应条件固定为:麦草球磨预处理5h, 每2g球磨麦草加入6mL氯化苄, 分散介质二甲苯8mL, 10gNaOH作润胀剂和催化剂、0.02g十六烷基三甲基溴化铵作相转移催化剂, 在油浴温度为120℃下反应4h。其增重率随NaOH浓度变化如图1。
NaOH的质量分数为50%时增重率达最大180.87%, NaOH的浓度过低或过高时增重率均较低。在反应过程中, 随着反应的进行, NaOH的量不断消耗, 水不断增加, 当NaOH用量不足时, 不但麦草润胀效果不好, 氯化苄不易扩散渗入细胞壁与羟基发生反应, 且随着反应进行NaOH消耗到一定程度, 由于麦草苄基化反应速率由反应过程中的碱含量控制, 苄基化反应受阻, 产物的水解反应逐渐成为主反应, 因此, 初始NaOH浓度过低导致较低的增重率及苄基化试剂利用率。由此可见, 适当增加NaOH用量有利于苄基化反应。但NaOH浓度过高, 促进氯化苄和苄基醚键水解副反应, 同时加剧纤维素、半纤维素的降解, 增重率反而会下降。先前的研究[6]发现增重率约为80%的苄基化麦草注塑后具有较理想的力学性能, 因此选择30%的NaOH溶液作为反应的催化剂和润胀剂。
2.2 苄基化麦草基体分析
球磨预处理5h的麦草2g, 以30%氢氧化钠溶液10g作润胀剂和催化剂, 8mL二甲苯为分散介质, 在十六烷基三甲基溴化铵相转移催化剂存在下, 与6mL氯化苄反应制备得到增重率约为80%的麦草苄基化产物。对生成的产物进行红外和XRD分析。
由图2可看出, 麦草球磨预处理对其成分没有改变。经过苄基化改性后, 其化学结构发生了显著的变化。原麦草中3425cm﹣1处的羟基振动吸收峰由于羟基醚化而显著减弱, 而1496cm﹣1、1454cm﹣1处的两重峰和743cm﹣1、697cm﹣1处出现的强吸收峰是单取代苯环的特征吸收;另外, 3032cm﹣1处苯环的C-H伸缩振动峰及2926cm﹣1和2869cm﹣1处的脂肪族C-H伸缩振动吸收峰表明麦草成分中的部分羟基已经被苄基所取代, 在1069cm﹣1处醚键的C-O-C伸缩振动峰并没有出现较强烈地变化, 但这并不能说明醚化效果不明显, 因为吸附于秸秆表层的矿物微粒杂质的吸收峰也在1069cm-1附近[7]而苄基化改性前高浓度的氢氧化钠溶液润胀会使麦草中的矿物微粒杂质被脱除, 从而影响该处的吸收峰情况。
图3中原料麦粉具有纤维素Ⅰ的特征峰, 经过球磨预处理后, 原麦粉中纤维素晶体 (002) 平面2θ=22°与纤维素晶格 (101) 平面2θ=15.9°的反射峰全部移至2θ=19.7°, 且衍射峰强度显著减弱, 说明球磨预处理去晶化作用明显, 并且峰型特征向纤维素Ⅱ转变。苄基化改性后, 衍射峰强度继续减弱, 衍射峰位置继续向小角度转移, 说明其晶型在改性过程中发生了转变, 结构空间增大、密度下降, 这是因为引入苄基后不仅纤维素的晶格结构被破坏, 而且牢固包围纤维素微纤的半纤维素和木质素的凝聚态结构膨胀, 从而导致苄基化麦草密度降低[8]。
2.3 膨润土和凹凸棒土为增强材料的麦草苄基化产物复合材料的力学性能
经过苄基化改性后, 麦草改性产物获得了一定的热塑性, 可在180℃、45MPa下注塑成型。未加增强剂时, 苄基化麦草注塑后产品的拉伸强度和弯曲强度分别为22.5 MPa和32.4MPa。按一定的质量百分比添加膨润土和凹凸棒土作为增强剂共混后, 在注塑机中注塑后, 其力学性能的变化见图4。凹凸棒土和膨润土对苄基化麦草的拉伸强度和弯曲强度均有增强, 且均随着含量的增加先增加后降低。当膨润土含量为4%时, 膨润土/苄基化麦草复合材料的拉伸强度和弯曲强度均达最高, 分别为27.5MPa和39.1MPa, 比未加增强剂时分别增加了22.23%和20.68%。当凹凸棒土含量为3%时, 凹凸棒土/苄基化麦草复合材料的拉伸强度最高, 为26.4MPa, 凹凸棒土含量为4%时, 凹凸棒土/苄基化麦草复合材料的弯曲强度最高, 为37.3MPa, 比未加增强剂时分别增加了17.33%和15.12%。可见膨润土的增强效果优于凹凸棒土, 这可能是因为膨润土结构是由两个硅氧四面体夹一层铝氧八面体组成的2:1型层状晶体结构[9]。凹凸棒土是一种晶质水合镁铝硅酸盐矿物, 具有独特层链状结构的一维棒状纳米硅酸盐黏土矿物[10]。而实验中作为增强剂的膨润土是经过钠化改性的Na基膨润土, 比凹凸棒土在苄基化麦草中的分散更为均匀。但跟木粉作为增强剂相比, 其增强效果明显不如, 添加的量也不如木粉多, 这是因为其与苄基化麦草的相容性差, 最终致使其力学性能提高不够显著。若对凹凸棒土和膨润土进行有机化改性, 提高他们跟苄基化麦草的相容性, 相信其对复合材料力学性能会有进一步的提高。
2.4 球磨木粉为增强材料的麦草苄基化产物复合材料的力学性能
麦草的苄基化改性为非均相反应, 麦草粉颗粒上的表层反应由表及里逐层进行, 改性产物增重率越低, 表明改性得越不充分, 麦草内层未改性的纤维或微纤丝越多;反之, 增重率越高, 麦草改性得越充分, 剩余的纤维或微纤丝越少, 其苄基化产物热塑性越好, 流动性好。反应部分作为基体, 可起到粘结和均衡载荷的作用, 未改性或改性不完全部分作为自增强材料起到增强作用[11]。增重率为80%的苄基化麦草自增强材料的力学性能最好[6], 考虑到基体粘结性的影响, 以不同增重率苄基化产物作为基体, 考察不同质量分数的木粉对复合材料力学性能的影响, 结果如图5。
图5为木粉的含量对复合材料拉伸性能的影响。随着木粉含量的增加, 复合材料的拉伸强度和弯曲强度先增加后降低。当木粉含量在0~10%之间时, 随着木粉含量的增加, 其拉伸强度上升得较快, 木粉含量超过10%后, 复合材料的拉伸强度随木粉含量的变化不大, 继续增加木粉含量, 复合材料的拉伸强度开始下降。增重率为80%苄基化麦草的拉伸强度优于60%和100%的苄基化麦草。添加木粉对增重率为100%的苄基化麦草的增强效果要优于其余2个增重率的苄基化麦草, 增幅可达66.83%, 但还是小于80%的苄基化麦草的拉伸强度, 这进一步说明未改性部分对改性部分起到增强作用, 且其基体均匀性、粘结性要优于后续添加的木粉制备苄基化麦草复合材料。
图6为木粉的含量对复合材料弯曲性能的影响。随着木粉含量的增加, 复合材料的拉伸强度和弯曲强度先增加后降低。增重率为100%苄基化麦草的弯曲强度不如60%和80%的苄基化麦草。木粉增强剂对增重率为100%的苄基化麦草的增强效果较好。60%和80%的苄基化麦草的弯曲强度比较接近。
由木粉增强的增重率为80%苄基化麦草复合材料的拉伸强度和弯曲强度最大可达28.6MPa和42.8MPa, 增幅分别为27.11%和32.10%。由于木粉和苄基化麦草均属于木质纤维类, 其相容性较好, 且球磨木粉的颗粒较细, 在苄基化麦草中的分散效果也较好, 其增强效果优于凹凸棒土和膨润土。
3 结论
(1) 球磨麦草在30%的NaOH溶液作为反应的催化剂和润胀剂, 进行苄基化改性后可制备增重率约为85%的苄基化麦草, 红外显示其成功接上苄基, XRD说明麦草中的纤维素晶型已有原来的Ⅰ向Ⅱ型转变。
(2) 用凹凸棒土、膨润土和木粉对其进行增强时, 其力学性能均随着增强剂含量的增加, 先增加后降低。其中木粉的增强效果最佳, 增重率为80%的苄基化麦草复合材料的拉伸强度和弯曲强度分别由原来的22.5MPa和32.4MPa提高到了28.6MPa和48.7MPa, 增幅分别为27.11%和32.10%。
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纤维增强复合材料及新型结构体系 篇2
【摘要】
简单介绍土木工程材料的发展与历史、几大纤维原丝的生产工艺，介绍FRP材料的特性与种类并分析其优缺点，深入介绍为实现FRP材料高性能化所运用的技术及FRP四大加固技术，提出问题并探讨FRP材料增强新结构。【关键词】
FRP材料
结构
加固
增强新结构 引言
FRP 是复合材料，由于单一材料在性能方面或者其它方面无法 满足具体的需求，所以有了 FRP 的存在，FRP 是将两种或者两 种以上的材料组合而成的新型材料，它是一种高性能纤维复合材料和工程专用纤维复合材料。高性能 纤维复合材料属于高分子复合材料，它是由各种高性能纤维作 为增强体置于基体材料复合而成。其中高性能 纤维是指有高的 拉伸强度和压缩强度、耐磨擦、高的耐破坏力、低比重等优良 物性的纤维材料，它是近年来纤维高分子材料领域中发展迅速 的一类特种纤维。高性能 纤维的发展是一个国家综合实力的体 现，是建设现代化强国的重要物资基础。高性能纤维复合材料 是发展国防军工、航空航天、新能源及高科技产业的重要基础 原材 料，同时在建筑、通信、机械、环保、海洋开发、体育休 闲等国民经济领域具有广泛的用途。
１.土木工程材料的发展与历史
1.1历史
远古时期，人类于穴巢居住；石器时代，人们挖土凿石为洞（古崖居）、伐木搭竹为棚；封建时期，人们可用砖木建房；1760年欧洲工业革命，建筑材料实现了质的飞跃，其标志为钢材、水泥、混凝土的发明与应用；二十世纪开始后，复合材料及高分子材料得到快速发展。1.2传统土木工程材料的缺点（1）耐久性差：如钢筋，型钢，拉索等
（2）性能单一性，不可设计性：如震后可恢复性较差
（3）低强度重量比，限制结构的发展：如大跨斜拉桥，悬索桥等（4）无法实现自监测功能：结构安全性能隐患 1.3土木工程材料的基本性质
（1）材料的力学性质 A 强度与比强度 B 材料的弹性与塑性 C 脆性和韧性 D 硬度和耐磨性;（2）材料与水有关的性质: A 材料的亲水性与憎水性 B 材料的含 水状态 C 材料的吸湿性和吸水性 D 耐水性 E 抗渗性 F 抗冻性（3）材料的热性质: A 热容性B 导热性 C 热变形性
（4）材料的耐久性,是指用于构筑物的材料在环境的各种因素影响下, 能长久的保持其性能的性质
1.4土木工程材料的发展趋势
随着地球人口的增长，人类为了生存之需，土木工程材料未来至少应朝5个方向发展，及高空、地下、海洋、沙漠及太空。同时，绿色、高性能的材料亦是土木工程材料的发展趋势。2.纤维原丝
2.1我国鼓励发展的四大高科技纤维：碳纤维（CF）、芳纶（AF）、超高分子量聚乙烯纤维（UHMWPE）、连续玄武岩纤维（CBF）
2.2碳纤维生产工艺
碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7~9倍，抗拉弹性模量为230~430Gpa亦高于钢。因此CFRP的比强度即材料的强度与其密度之比可达到2000Mpa/(g/cm3)以上，而A3钢的比强度仅为59Mpa/(g/cm3)左右，其比模量也比钢高。
2.3玻璃纤维生产工艺 池窑拉丝工艺又被称为一次成型工艺，这种生产工艺是将各种玻璃配合料在池窑熔化部经高温熔成玻璃液，在澄清部排除气泡成为均匀的玻璃液，再在成型通路中辅助加热，经池窑漏板，高速拉制成一定直径的玻璃纤维原丝。一座窑炉可以通过数条成型通路，安装上百台拉丝漏板同时生产。
2.4玄武岩纤维的制备
连续玄武岩纤维的生产流程图窑前料仓玄武岩矿石称量加料机浸润剂粗纱细纱其它制品烘干拉丝机原丝 2.4.1玄武岩的分布与作用 玄武岩(basalt)属基性火山岩。是地球洋壳和月球月海的最主要组成物质，也是地球陆壳和月球月陆的重要组成物质。玄武岩在地球上分布广泛，遍及各大洋和各大洲。月球玄武岩是构成月球的主要岩石之一。主要分布在深海洋脊、洋盆内群岛和海山岛、弧和活动大陆边缘、大陆内部，可作为基石研磨材料来磨金属、磨石料，同时可用于作过滤器、干燥器、催化剂等。
2.4.2连续玄武岩纤维 连续玄武岩纤维（Continuous Basalt Fibre 简称CBF）是以火山岩为原料经1500℃高温熔融后快速拉制而成的连续纤维，其外观为金褐色，属于非金属的无机纤维，被称为21 世纪无污染的“绿色工业原材料”。同时，连续玄武岩纤维是关乎国家安全的重要战略物资，是支撑高技术产业发展的新型高技术绿色纤维材料；又是国民经济发展新的基础材料 ；也是国民经济发展新的增长点的绿色原材料！2.4.3中国发展玄武岩连续纤维的前景
（1）原料，我国地域辽阔，玄武岩储量非常丰富，但不同玄武岩纤维需要不同类型的玄武岩（2）市场，中国本身就具有新材料应用的庞大市场（3）成本，中国具有低成本制造玄武岩纤维得天独厚的条件
（4）技术，全球玄武岩纤维的技术及规模尚处于初级阶段，这给我们追赶乃至超过国外的先进 技术水平提供了很大的发空间和市场机遇 3.纤维复合材料
纤维复合材料是以纤维材料作为增强材与基体结合形成的复合材料，简称FRP(Fiberreinforced polymer)。在城市工程中常用的FRP材料有：碳纤维FRP，芳纤 维FRP，玻璃纤维FRP和玄武岩纤维FRP。3.1 FRP材料的种类
（1）FRP 片材，包括 FRP 布和 FRP 板：主要用来粘贴在混凝土结构的表面对其进行加 固补强
（2）FRP 棒材，包括 FRP 筋和 FRP 索：主要在 FRP 筋混凝土结构、FRP 预应力混凝土 结构和桥索 中替代钢筋和钢绞线；（3）FRP 网格材和 FRP 格栅：作为混凝土结构中的配筋或简易工作平台
（4）FRP 拉挤型材：截面形式灵活多样，力学性能好，用途广，是 FRP 结构应用的主要 产品
（5）FRP 缠绕型材：主要用作 FRP 管混凝结构土，可以作为柱、桩，甚至梁，使构件 性能大大优于普通钢筋混凝土
（6）FRP 夹层结构和蜂窝板： 由上下面的 FRP 板和夹心材料组成，充分利用了面层 FRP 材 料强度，有很高的强度重量比和刚度重量比，是非常合理的构 件形式，主要在梁和桥板中应用
（7）还有一些其它工艺的 FRP 产品，如：模压产品、层压和卷管产品、热塑性成型产品以 及手糊产品（低压接触）等等 3.2 FRP材料的特性
（1）轻质高强。FRP 材料最突出的优点在于它有很高的比强度（极限强度/相对容重），即通常所说的轻质高强。FRP 的比强度是钢材的 20～50 倍，因此采用 FRP 将会大大减轻结构自重。在桥梁工程中，使用 FRP 结构或 FRP 组合结构作为上部结构可使桥梁的极 限跨度大大增加[4,5]，并且可以减小地震作用的影响（2）良好的耐腐蚀性。可以在酸、碱、氯盐和潮湿的环境中抵抗化学腐蚀,这是传统结构 材料难以比拟的。目前在化工建筑、地下工程和水下特殊工程中，FRP 材料耐腐蚀的优点已 经得到实际工程的证明
（3）良好的可设计性。与传统结构材料相比，这是 FRP 所独有的。工程师可以通过使用 不同纤维种类、控制纤维的含量和铺陈不同方向的纤维设计出各种强度和弹性模量的 FRP 产品。而且 FRP 产品成型方便，形状可灵活设计 4.纤维复合材料的高性能化
4.1混杂/复合技术 主要包括多种纤维混杂技术 与纤维与钢筋复合技术。其中，由于单种纤维性能较为单一，如碳纤维的价格高、抗冻融不佳、抗辐射差，玻璃纤维、玄武岩纤维等疲劳强度不高、蠕变大、耐碱腐蚀不佳等，从而产生了多种纤维混杂/复合技术。即将性能各异的多种纤维材料，按照不同的结构性能要求，进行混杂设计达到不同的力学性能，从而从根本上改变传统材料单一不可设计性。而纤维与钢筋复合技术则是通过复合界面粘结提升技术、树脂提升技术、筋材表面处理技术，实现钢筋与纤维有效混杂和复合，从而提高其性能。
4.2 FRP智能化 FRP智能化主要体现在两种材料的应用上，即混杂碳纤维传感材料与自传感FRP智能筋/索。首先，单种碳纤维在出现断裂前尽管线性好，但在很大一个应变区间电阻变化率很 小，一般在1-2%以下，在现场很难进行精确测量；且在通常情况下，碳纤维电阻的快速变化往往伴随着碳纤维的最终断裂，导致有效测量范围较窄。所以，我们运用碳纤维传感混杂技术与碳纤维传感增敏技术来降低小电阻变化率所对应的应变范围，同时在整个测量范围内，可以使电阻随应变的变化出降现一个阶梯状变化的关系。
其次，由于分布式光纤传感具有分布式的测量优势和光学测量的稳定性，是最佳的传感元件之一，但是光纤本身比较脆弱，与土木工程的恶劣环境不能相容，而FRP具有优异的力学性能和耐久性能，且与光纤之间存在天然的物理相容性，所以我们将光纤与FRP进行复合，得到了自传感BFRP智能材料。这种智能材料具有优良的传感性能、高强的力学性能、卓越的耐久性能，同时在环保、价格上具有较高的综合优势，被认为具有广泛应用前途。
5.纤维复合材料加固结构 相比于FRP加固，传统加固方法具有施工周期长、难度大、费用高、复杂结构不易加固、不能高效修复和提升钢筋混凝土(RC)结构功能等缺点。而如今在国际上FRP加固重大工程结构技术已进入主流地位。如：澳大利亚西门大桥40余公里桥段采用FRP加固；3.11东日本大地震显示了FRP加固铁路高架桥效果优于钢材。现今，纤维复合材料加固结构共有以下五大技术： 一是FRP抗弯/抗剪承载力加固技术，此技术是单将FRP片材（板材）粘贴于钢筋混凝土梁的底面和侧面，这是提高钢筋混凝土构件抗弯/抗剪承载力的一个有效措施。首先，FRP将与受拉钢筋一起提供抗弯作用从而起到抗弯加固的作用，其破坏的主要模式为FRP拉断、顶部混凝土压碎、FRP-混凝土界面剥离三种方式；其次，粘贴于混凝土梁/柱侧面的FRP与抗剪腹筋作用类似，是用于限制混凝土斜裂缝发展，从而起到抗剪加固的作用，其主要破坏模式为FRP拉断、FRP-混凝土界面剥离。
二是FRP抗震加固技术，由于FRP材料具有高强、轻、薄、易于施工的特点，因此与传统的包钢或增大混凝土截面加固方法相比，FRP材料具有明显优势。FRP抗震加固可以通过包裹粘贴或封闭缠绕纤维布，或在柱外侧套上预制成型的FRP管来实现，此技术对柱抗震加固具有重大贡献，可提高混凝土的变形能力、柱延性、柱抗剪能力与抗压强度，同时降低轴压比。
三是FRP预应力加固技术，此技术的三大步骤为：预张拉不含浸纤维布、粘结和养护、剪断释放端部纤维布。预应力FRP加固混凝土能显著提高构件的开裂荷载、屈服荷载和极限荷载，改善受弯构件在长期荷载的力学性能，提高构件的疲劳寿命；预应力CFRP加固钢梁后，其屈服荷载和极限荷载相对于对比梁都有明显的提高，其提高的程度随着预应力CFRP的用量和预应力水平的提高而增大；预应力CFRP加固对钢梁的刚度提高作用也比较明显，对低强度的钢材，提高效果更明显。而采用预应力FRP加固工程结构的关键问题在于预应力的施加体系、预应力控制值、预应力损失和端部的锚固。
四是FRP网格水下加固技术，此技术通过预制、潜水、安装、压浆四个步骤来实现，通过FRP网格水下加固技术，结构受力性能和耐久性能均显著提高，同时，此技术已形成了一套完整的施工功法，大大降低了成本与工期。6.纤维复合材料增强新结构
6.1背景问题及提出 目前土木工程在材料上存在三大问题：其一是是钢材腐蚀问题严重，基础设施服役周期长，钢材腐蚀因素过多，给世界各国带来巨大损失，尤其是基础设施建设规模已超过世界上其他国家总和的我国，面临的局面尤其严峻。同时，国家海洋战略中需要建造各种海洋工程设施，导致钢材在海洋环境中的腐蚀问题更加突出。其二是重大工程结构各项性能亟需高度提升，在现今的工程中，正常使用条件下的部分结构仍然存在短命及安全隐患问题（预应力混凝土大跨箱梁桥几乎是“无箱不裂”，结构下挠现象突出，工程结构倒塌事件多有发生），同时极端荷载（地震、爆炸、冲击）作用下重大结构的安全设计还没有完全解决，各种快速修复要求的可修复性设计的基础理论也未建立。最后是重大工程结构的轻量化，现在的高层建筑、大跨桥梁等重大工程结构85%以上是自重，这巨大重量意味着结构的高负荷、高地震响应和高成本。因此，需要轻量化进行结构减压和超越，以实现其高性能和长寿命。6.2损伤可控结构抗震设计理论
现有规范抗震设计要求“中震可修“，但无定量的计算方法，同时其变形性大、不可修复，而新型抗震设计要求”中、大震可修“，其变形性小，但缺乏理论指导与设计方法，由此诞生了损伤可控结构抗震设计理论。其原理如下图所示：
6.3全BFRP筋增强混凝土结构 与传统材料相比，全BFRP筋具有以下三大优点:粘结性能提升、弯折搭接更灵活、承载能力（抗弯承载、抗剪承载）更强。其计算如下（粘结滑移）（弯折搭接）MuEuA(hxc/2)（抗弯承载力）
V0.7ftbh0ffAfh0/s（抗剪承载力）
6.4 FRP索结构 FRP索结构的一个应用为体外预应力索。体外预应力索的布索方式分为单纯型和混合型。单纯型将预应力索部分布在构件截面以外，混合型则将预应力索部分布置在构件截面以外，部分布置在构件截面以内。截面以外的预应力索大多锚固在桥梁支座外或中间横隔梁上，中间通过设置转向来改变索的方向，因此一般情况下体外预应力索多呈折线型。由此可知，索只能在转向块处与混凝土接触，因此能够大大减少预应力摩擦损失，提高预应力效益。索布置在腹板以外，避免了体内布筋时腹板中由于波纹板较密，腹板不易振实的缺点。此外，索布置在体外，可以很方便的维护和替换。
6.5FRP组合结构 FRP 组合结构包括混杂FRP-混凝土组合结构、钢-FRP组合桁架结构体系与FRP桥面板-钢梁结构。它是指将 FRP 与传统结构材料，主要是混凝土和钢材，通过受力形式上的组合，共同工作来承受荷载的结构形式。FRP 与混凝土通过合理的组合方式使 FRP 型材与混凝土共同受力，发挥各自的优势，达到提高受 力性能、降低造价、增强耐久性、便于施工的目的。FRP 与钢材组合，可发挥出钢材的高弹性模量和 FRP 耐腐蚀、耐疲劳性能好的优势，达到互补的效果。可在拉挤 FRP 型材时，直接将钢筋和钢丝嵌入 型材中成型；也可在钢结构外部采用 FRP 型材封闭，一方面防止钢结构锈蚀，另一方面可与钢结构共 同受力。还可用钢结构骨架与 FRP 织物蒙皮结合的组成蒙皮结构。结语
随着经济高速发展和技术飞速进步，世界各国对土木工程的要求越来越高。在有些条件下传统建 筑材料很难满足这种发展要求。FRP 复合材料具有轻质，高强，耐腐蚀，抗疲劳，耐久性好，多功能，适用面广，可设计和易加工等多种优点。在重要的土木工程中，如超大跨，超高层，地下结构，海洋 工程，高耐久性的应用，以及特殊环境工程，永久性工程，结构加固修复，大型工程结构的在役监测 等的应用，都具着巨大的优越性。它可以满足现代土木工程，对新型建筑材料提出更新，更高的要求。FRP 复合材料作为一种新型的有发展潜力的建筑材料与技术，并不是要取代传统的建筑材料-钢材与混 凝土，而是做为传统建材的一个重要补充。FRP 复合材料在土木工程中的应用技术与材料研究开发,在 当今世界上已成为复合材料界与土木工程界共同研究开发的一个热点。该技术研究开发成功后将会极 大地推动现代土木工程的技术进步。它还将为现代复合材料产业开辟出巨大的应用市场，因而具有非 常广阔的发展应用前景。参考文献
[1] 叶列平，冯鹏.FRP 在工程结构中的应用与发展．土木工程学报，2006，03：24—34 [2] 王全凤，杨勇新，岳清瑞.FRP 复合材料及其在土木工程中的应用研究．华侨大学学7 报，2005，01
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复合增强 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
复合增强 篇5
复合固体推进剂颗粒相互作用的增强效应分析
应用Eshelby-Mori-Tanaka的细观力学理论,考虑两种类型颗粒之间相互作用的影响,从颗粒与基体的本构关系出发,计入更多的`微细观信息,从而建立了更加合理的复合固体推进剂线粘弹本构方程.
作 者：彭威 周建平任均国 邓守春 PENG Wei ZHOU Jian-ping REN Jun-guo DENG Shou-chun 作者单位：国防科技大学航天技术系,长沙,410073刊 名：固体火箭技术 ISTIC EI PKU英文刊名：JOURNAL OF SOLID ROCKET TECHNOLOGY年，卷(期)：200023(1)分类号：V512关键词：复合推进剂 微观力学 粘弹性理论
复合增强 篇6
摘要：针对石墨烯在铝基体中分散不均匀的问题，采用电荷吸引的方法，将用Hummers法制备的带负电荷氧化石墨烯加入到表面处理后带有正电荷的铝粉中，得到氧化石墨烯/铝复合粉末，最后采用粉末冶金制备出石墨烯增强铝基复合材料.使用扫描电子显微镜，X射线衍射仪和傅里叶变换红外光谱仪等对石墨烯增强铝基复合材料的显微组织和力学性能进行研究.实验结果表明：石墨烯均匀的分散在复合材料中，相比于纯铝，石墨烯的质量分数仅为0. 5%时，石墨烯增强铝基复合材料的维氏硬度和抗拉强度分别提高了19.7%和20%.
关键词：石墨烯；铝基复合材料；粉末冶金；力学性能
DOI：IO.15938/j.jhust.2015.03.012
中图分类号：TB331
文献标志码：A
文章编号：1007-2683（2015）03-0061-05
0 引 言
铝基复合材料具有密度小，耐蚀性强，导电导热性能优异，加工性能好等优点成为当前金属基复合材料研究的主流.随着汽车和航空航天领域的发展，尤其是在太空空间，电离辐射等恶劣环境中对金属基复合材料的比强度，比模量，耐蚀性，导电导热等性能要求更高，传统的陶瓷纤维和颗粒增强体已经不能满足对材料的要求，相比于陶瓷纤维增强体碳纤维和石墨颗粒增强体因为因为高的导热性，低的热膨胀系数，优异的阻尼能力和非常好的自润滑性能引起了许多研究者的关注.在最近几年因为石墨烯（Craphene）优异的机械性能和物理性能被认为是最理想的金属基复合材料增强体，相比于碳纳米管，石墨烯的二维结构使石墨烯更容易控制和分散在铝基体中，为进一步提高铝基复合材料的性能提供了新的途径.
但是因为石墨烯较大的比表面积，其在铝基体中很容易发生团聚现象，而传统的球磨分散方法并不能保证将石墨烯均匀的分散在铝基体中，同时在球磨过程中会形成加工硬化减弱石墨烯的增强效果.因此，为了将石墨烯均匀分散在铝基体中，本文首次采用了一种电荷吸引的方、法，，首先利用阳离子表面活性剂对铝粉进行表面修饰使其表面带有正电荷，再利用化学法制备带有大量的负电荷的氧化石墨烯（GO，graphere oxide）通过电荷吸引的方法使氧化石墨烯均匀分散在铝粉表面.最后采用粉末冶金的方法合成石墨烯增强铝基复合材料，通过电荷吸引的设计，解决石墨烯在铝粉中分散不均匀的现象.
1 实 验
1.1 氧化石墨烯的制备
首先采用改进的Hummers法制备氧化石墨烯，在冰浴条件下将0.5g天然石墨（≥99.0%），0.5g NaN03（≥99%）和23 mL浓硫酸（>95%）加入到锥形瓶中，然后将3g KMn04（≥99.5%）缓慢加入到锥形瓶中，控制温度不要超过20℃，混合后将烧杯移人温度为35 +5℃恒温水浴锅内反应1h，形成粘稠状液体.然后向上述锥形瓶中缓慢加入40 ml去离子水，水浴温度控制在90 +5℃，反应30 min，最后向锥形瓶中加入100 ml去离子水停止反应，再加入6 mL 30% H202使混合液颜色从棕色变为亮黄色，然后分别用浓度5%的稀盐酸和去离子水洗涤过滤3次，取出过滤产物，用足量去离子水溶解，超声波处理2h后形成氧化石墨烯胶体.
1.2复合材料的制备
将10g铝粉（10 - 30 μm）放入到烧杯中，然后加入质量分数为0.5%的十六烷基三甲基溴化铵溶液100 mL，室温下搅拌1h，最后进行洗涤，干燥，将处理后的铝粉放入到烧杯中加入100 mL去离子水，然后将质量分数0.5%的氧化石墨烯胶体缓慢加入到烧杯中，不断搅拌，直到溶液颜色由深棕色变为无色透明，最后过滤，干燥获得氧化石墨烯/Al复合粉体.将获得的复合粉体加入到直径为φ50的模具中，Ar气保护，在600℃，25 MPa压力下，烧结1h.同时在烧结过程中利用高温将氧化石墨烯还原，制备出石墨烯增强铝基复合材料.
1.3表征方法
采用多晶X射线衍射仪X' Pert PRO型对氧化石墨衍射峰和复合材料进行分析，采用EQUI-NOX255型红外光谱分析仪对氧化石墨烯的结构进行分析，采用FEI SIRION 200型扫描电镜观察氧化石墨烯样品的表面形貌和其分散情况.采用EveroneMH-6型显微维氏硬度计对材料的硬度进行测量；采用AGS-J型万能试验机对复合材料的拉伸性能进行检测.
2 结果与分析
2.1 氧化石墨烯的形貌与结构
图1为石墨和氧化石墨烯的XRD图谱如图所示，高纯石墨粉在20=26.5°处有一个特征衍射峰，代表石墨（002）晶面（d=0.34 nm），峰形窄而尖锐，表明所选用石墨原料的结晶度较好.经Hummer法在石墨粉内引入大量官能团与缺陷后，石墨的（002）晶面的衍射峰消失，而在20=100附近出现一个新的特征峰，并且峰的强度很弱，这表明石墨层间距离增加，结晶度变差.这是因为经过化学氧化处理，在石墨片层面内及边缘处引入了大量的含氧基团，官能团的嵌入是造成层间距加大的一个重要原因.同时，强酸作用破坏了石墨原本完美的晶型而产生大量缺陷，导致氧化石墨结晶度变差，无序性增加.
图2为氧化石墨烯的SEM图和FT-IR图，从图中可以看出氧化石墨烯在3410 cm-1附近有一个明显的吸收峰，应归属于氧化石墨烯结构中羟基的OH伸缩振动；图中2920、2850 cm-1处峰分别归属于CH2的反对称、对称伸缩振动峰；1737 cm-1位置的吸收峰应归属于羰基或羧基（C=0）的伸缩振动峰；1638 cm-1附近的吸收峰归属于C=C的伸缩振动；1397 cm-1附近的峰归属于结构中羟基的OH变形振动；1060 cm-1附近的峰归属于环氧基团（C-O-C）的伸缩振动.正因为上述极性基团的存在，氧化石墨烯在水溶液中经超声处理后，结构片层表面带有很强负电荷，同时因为这些基团的存在使得氧化石墨烯表面上存在大量的褶皱和缺陷，边缘处出现向内卷曲和折叠的现象.
图3为纯铝粉和复合粉体的SEM照片，从图中可以清晰的看到呈片状的氧化石墨烯薄片包覆在经过修饰后的铝粉表面，氧化石墨烯片在铝基体中分散的比较均匀，并没有明显的团聚现象的发生.
2.2石墨烯增强铝基复合材料的组织与性能
，
图4为复合材料的XRD图谱，从图中可以看出，复合材料经过烧结后并未出现明显的碳化物相.证明所制得的复合材料并没有发生明显的界面反应，复合材料强度的提高，主要是由石墨烯与铝基体的复合引起的，
图5（a）为质量分数0.5%graphene/AI复合材料的SEM照片，从图中可以看到石墨烯薄片聚集在晶粒边界处，分别对点A和点B进行能谱分析，结果如图5（b）和5（c）所示.在铝基体的晶粒内部铝元素量为100%，无石墨烯存在，在晶粒的边界处，也就是颜色较深的地方，可以检测出碳元素的存在，证明颜色较深的部位即为石墨烯薄片，可见石墨烯分散比较一致均匀，分散情况较好，且没有发现特别明显的团聚现象，粉末冶金过程对石墨烯的分散并没有影响.
图6，7分别为纯铝和复合材料的硬度测试和拉伸测试结果，可见当石墨烯的加入量仅为0.5%时复合材料的硬度值达到33 HV，相比与纯铝提高了19.7%；复合材料的抗拉强度达到了105 MPa，相比于纯铝提高了20%.但是复合材料的延伸率相比于纯铝发生了明显的下降，这主要是因为复合材料中石墨烯主要分布在颗粒边界处，当受到外力作用时，裂纹会优先在颗粒边界处形核，并不断扩展发生断裂，石墨烯的含量越高，复合材料的塑形越差.
3 结 论
天然纤维增强复合材料吸声性能研究 篇7
噪声的控制分为三种途径[2]:在声源处降低噪声幅值;在声波传播途径中阻隔、吸收声能; 在声音接收点采取保护措施,减少噪声影响。而实际应用中,最有效的噪声控制就是通过吸声材料来达到降噪的效果。
天然纤维由于比强度高、比模量高、价格低廉、可回收、可降解、可再生、绿色环保等特性而作为增强体在复合材料中得到广泛应用[3]。其织物、非织造布作为吸声材料也备受科学家和研究者的青睐[4,5,6,7,8],Muller和Krobjlowski通过Alpha-cabin和双传声器阻抗管研究了棉制绒头织物的吸声性能,发现了其优良的吸声性能[4];Parikh等[5]发现天然纤维针织毡能够有效降低汽车内噪音;张辉等[8]选用大麻、涤纶和棉纱线织造了不同规格的织物,分析了织物紧度、组织和化学试剂对大麻织物吸声系数的影响。而对于天然纤维增强复合材料的吸声性能却报道较少。
本工作着眼于绿色环保吸声材料的研制,以天然纤维增强复合材料层合板和蜂窝夹芯结构为对象,研究了其吸声性能,并和传统的合成纤维增强复合材料层合板和蜂窝夹芯结构进行比较,分析了其在吸声降噪领域的应用前景。
1 实验
1.1 实验材料
选用江西井竹麻业有限公司生产的平纹编织苎麻布,浙江宏成纺织整理有限公司生产的平纹编织黄麻布,常州天马集团公司生产的平纹编织玻璃纤维布以及上海怡昌碳纤维材料有限公司生产的平纹编织炭纤维布作为增强材料。层合板树脂基体采用Cytec公司生产的6070酚醛树脂。蜂窝夹芯结构树脂基体来自上海科拉斯复合材料有限公司生产的乙烯基聚酯(聚酯∶固化剂∶促进剂=100∶2∶1.5)。纸蜂窝来自美国Hexcel公司。
1.2 试样制备
分别采用苎麻纤维、黄麻纤维、玻璃纤维以及炭纤维织物作为增强材料,酚醛树脂作为层合板基体材料,乙烯基聚酯作为蜂窝夹芯结构树脂基体,纸蜂窝作为芯层材料,利用热压成型法分别进行了复合材料层合板以及蜂窝夹芯结构的制备。
1.3 吸声性能测试
根据ASTM E—1050测试标准[9],采用传递函数法进行吸声性能测试,如图1所示。
此测试方法将试样置于阻抗管一端,利用固定在阻抗管另一端的信号发生器发出宽带信号,通过采集传声器的声压信号,得到总声场的传递函数H
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式中:p1,p2分别为1号传声器(Mic.1)和2号传声器(Mic.2)处所测得的反射声压。而试样表面的复反射系数R为
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式中:k为波数;s为传声器之间的距离;l为1号传声器(Mic.1)到试样表面的距离。这样,就可以得到声波垂直入射时材料的吸声系数α
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和声阻抗比undefined
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式中:z,ρc分别为材料和空气的特征阻抗。
选用4206A型双传声器阻抗测量管测量材料的吸声性能,测量管内径为100mm,测试频率范围为50~1600Hz,试样如图2所示。
2 结果与讨论
2.1 层合板吸声性能
图3,4分别是厚度为3mm的四种纤维增强复合材料层合板的吸声系数频率谱和在250,500,1000,1500Hz频率下的吸声系数。可以看出,四种纤维增强复合材料层合板均在400Hz频率附近出现较为明显的吸声峰值。这可能与酚醛树脂分子链段单键内旋转,运动滑移产生内摩擦而消耗外部能量有关[10]。而经过比较发现,天然纤维(苎麻或黄麻)增强复合材料层合板较合成纤维(玻璃纤维或炭纤维)增强复合材料层合板具有更为优异的吸声性能,而且在高频范围的优势更为明显。四种纤维增强复合材料层合板的吸声系数大小顺序按增强材料排序为苎麻纤维>黄麻纤维>玻璃纤维>炭纤维。通常,工程上把吸声系数大于0.2的材料称为吸声材料。可以看出,不论是合成纤维增强复合材料层合板还是天然纤维增强复合材料层合板都不能达到吸声材料的标准。
吸声材料的表面阻抗是影响材料吸声性能的主要因素之一[11]。四种纤维增强复合材料层合板的表面
阻抗比如图5所示。声阻抗比的实部和虚部为材料的声阻比和声抗比,分别反映材料的声耗散能力和声反射能力[12]。从图5(a)中可以看出,苎麻纤维增强复合材料在全频率段都具有较优异的声耗散性能。但是由于其在频率段500~1000Hz声抗比远远偏离零点(见图5(b)),材料表面阻抗与空气的特征阻抗不匹配,因此表现为声反射较大,声波难以进入材料内部,使得其优异的声耗散性能在1000Hz以后才得以体现(见图3)。而对于黄麻纤维增强复合材料,虽然其声耗散性能并不突出,但是由于其声抗比更接近零值,声反射较小,因此也具有较好的吸声性能。这同时也表明,材
料的吸声性能由声耗散和声反射性能共同作用而决定的。
2.2 蜂窝夹芯结构的吸声性能
夹芯结构通常具有良好的吸声性能[7]。因此,本工作又以蜂窝夹芯结构为对象,采用纸蜂窝作为芯层材料,苎麻纤维或玻璃纤维增强材料作为面板材料,研究了蜂窝夹芯结构的吸声性能。
图6为玻璃纤维和苎麻纤维增强蜂窝夹芯结构的吸声系数频率谱。可以看出,苎麻纤维增强蜂窝夹芯结构在全频率段都具有良好的吸声性能,吸声系数峰值高达0.4。
图7为苎麻纤维和玻璃纤维增强蜂窝夹芯结构的表面阻抗比。可以看出,苎麻纤维增强蜂窝夹芯结构
的声耗散和声反射性能都优于玻璃纤维增强蜂窝夹芯结构。正是因为苎麻纤维增强蜂窝夹芯结构拥有优异的声耗散和声反射性能,才使得苎麻纤维增强蜂窝夹芯结构具有卓越的吸声性能。
3 结论
(1)材料的吸声性能由材料的声耗散性能和声反射性能共同决定。
(2)与合成纤维增强复合材料层合板相比,天然纤维增强复合材料层合板具有更优异的吸声性能。但在50~1600Hz频率范围内,其吸声系数均低于0.2,达不到吸声材料的标准,需通过材料设计,进一步提高这种材料的吸声性能。
(3)苎麻纤维增强蜂窝夹芯结构具有较玻璃纤维增强蜂窝夹芯结构更好的吸声性能。在50~1600Hz频率范围内,其峰值吸声系数高达0.4,能够满足吸声材料的要求。
摘要：采用热压成型法制备天然纤维增强复合材料层合板和蜂窝夹芯结构,利用双传声器阻抗管进行吸声性能测试,并与合成纤维增强复合材料层合板和蜂窝夹芯结构进行对比。结果表明:与合成纤维增强复合材料层合板相比,天然纤维增强复合材料层合板虽然具有更优异的吸声性能,但是仍不能满足吸声材料的要求,需通过材料设计进一步提高这种材料的吸声性能。而天然纤维增强蜂窝夹芯结构具有优异的吸声性能,吸声系数峰值高达0.4,可以被用作吸声材料。
关键词：天然纤维,吸声系数,表面阻抗,阻抗匹配
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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。
复合增强 篇9
由于现代交通运载工具制造规范的日益完善和实施, 引起了其内装工程设计、工艺和材料的变化;同时人们对乘坐环境的要求也日渐提高, 讲究安全、舒适、美观, 从而引起了从简单划分、布置, 到科学、系统地布置和设计的变化。这种变化主要体现在结构防火的分隔设计、内装材料的发展及工艺更新上, 以有效地阻止、控制火灾的发生和火势的蔓延, 从而保障人们生命与财产的安全。事实证明, 改革传统内装材料, 严格限制可燃材料, 广泛采用不燃材料, 是现代交通运载工具内装发展的必然趋势。
现代交通运载工具内部采用结构防火和绝缘设计, 这对内装材料是一次革命。原来经常采用的可燃、易燃围壁结构, 一般已不采用。内装材料已从第一代的蛭石板、石膏板等, 发展到第二代硅酸钙板和第三代的复合岩棉板, 现已向航空上用的轻质泡沫复合材料发展。这些新型复合材料符合规范的防火等级, 而且外表色彩可根据总体色彩设计的要求, 可任意选用, 施工工艺简单、方便。
2 酚醛泡沫填充三维纤维织物增强复合材料的研制
酚醛泡沫填充三维纤维织物增强复合材料是以酚醛泡沫保温材料为基体, 三维纤维织物增强复合材料为骨架材料制得的一种新型复合材料。其结构如图1所示。这种巧妙的结构设计, 使该复合材料融入了酚醛泡沫材料优异的轻质、隔音、保温和防火性能, 又通过引入三维立体增强结构, 有效克服了酚醛泡沫性脆、强度不足的问题, 同时克服了传统蜂窝、泡沫等夹芯结构复合材料易分层、耐冲击性能差的缺点。
2.1 酚醛泡沫填充三维纤维织物增强复合材料的制备
酚醛泡沫填充三维纤维织物增强复合材料是在三维纤维织物增强复合材7料内部填充酚醛发泡树脂, 并进行发泡制得的一种泡沫填充三维立体增强复合材料。其制备工艺流程设计如图2所示。
2.2 酚醛泡沫填充三维纤维织物增强复合材料的性能
2.2.1 物理机械性能
酚醛泡沫填充三维纤维织物增强复合材料的物理机械性能, 如表1所示。
由表1可知, 酚醛泡沫填充三维纤维织物增强复合材料具有优异的物理机械性能。传统酚醛泡沫材料具有脆性、强度不足、粉化率较高等问题, 应用也比较困难。酚醛泡沫填充三维纤维织物增强复合材料通过在酚醛泡沫结构中引入三维立体增强结构, 有效克服了酚醛泡沫性脆、强度不足的问题, 大大提高了复合材料的各项物理机械性能。
2.2.2 保温、隔音及环保性能
现代交通运载工具对内装材料的节能保温、隔音降噪、安全环保提出了更高的要求。酚醛泡沫导热系数低, 隔音性能好、环境友好, 将酚醛泡沫填充入三维纤维织物增强复合材料能显著提高材料的上述性能, 满足现代交通运载工具对内装材料的新要求。表2是酚醛泡沫填充三维纤维织物增强复合材料的保温、隔音、环保性能表。
2.2.3 消防安全性能
酚醛树脂具有有机高分子材料低热导率的优异性能, 也具有无机保温材料优异的防火性能。与聚氨酯、聚苯乙烯、橡塑泡沫等有机高分子材料比较, 酚醛树脂具有难燃、产烟毒性在准安全三级以上、耐火焰穿透、遇火即炭化无滴落、火焰蔓延速率小、耐高温等特性, 是一种安全阻燃材料。酚醛泡沫填充三维纤维织物增强复合材料所使用的成型树脂和填充泡沫树脂都是酚醛树脂, 因此该复合材料具有良好的消防安全性能, 符合现代交通运载工具内装发展“严格限制可燃材料, 广泛采用不燃材料”的必然趋势。表3为酚醛泡沫填充三维纤维织物增强复合材料的消防安全性能表。
3 酚醛泡沫填充三维纤维织物增强复合材料的应用
酚醛泡沫填充3D纤维织物增强复合材料在原材料选择、材料结构设计以及材料连续化成型加工等方面都具有一定的创新性和引领性。其成功开发不仅能取代同类进口产品, 而且能为现代交通载运工具内饰材料提供新轻量化、高强度的替代材料, 满足国内、外市场对交通载运工具制造提出的节能、环保要求, 同时大大降低制造成本。因此, 该复合材料在船舶、公路客车、高速列车等现代交通运载工具内饰材料领域, 具有广阔的应用前景。
参考文献
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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.