纤维增强玻璃陶瓷

纤维增强玻璃陶瓷（精选九篇）

纤维增强玻璃陶瓷 篇1

玻璃陶瓷是一种机械强度高、化学稳定性好、硬度高和电绝缘性好的新型无机材料, 因而它作为结构材料、光学材料、电学材料、建筑材料、生物材料等广泛应用于国防尖端技术、工业、建筑及生物医药等各个领域, 已成为新材料和新技术研究的热点之一[1,2,3]。与传统陶瓷材料相似, 玻璃陶瓷的韧性普遍较低, 断裂往往是突发的, 且其强度还难以与氧化铝、碳化硅等工程陶瓷材料媲美。因此, 如何改善玻璃陶瓷的机械性能是使该材料获得更广泛应用的关键。微观结构是决定材料性能的基础。对玻璃陶瓷成分的调整以及热处理制度的最优化, 可以改善玻璃陶瓷的微观结构, 消除缺陷, 从而达到增强玻璃陶瓷的目的。不少学者对此进行了大量的研究工作, 取得了一定的效果[4,5,6,7]。近年来, 人们对玻璃陶瓷增强增韧技术的研究进行了新的探讨, 目前公认的有效办法是对玻璃陶瓷进行纤维补强。纤维增强陶瓷基复合材料不仅有利于提高基体材料的强度, 也有利于提高材料的裂纹扩展抗力, 有效降低材料发生灾害性断裂的可能性, 改善材料的抗疲劳强度。本工作对该复合材料的摩擦磨损特性进行了系统的研究, 讨论了纤维含量、载荷等的影响, 并讨论了SiC纤维在摩擦行为过程中的作用。

1 实验方法

基础玻璃的组成列于表1。原料主要采用石英、长石、莹石、方解石和滑石等矿物原料及三氧化二铬、稀土氧化铈等化学试剂。按表1将化学纯原料球磨混合, 1500℃熔制, 水淬, 进一步强化球磨, 过300目筛。

纤维是日本碳公司制造的商标为Nicalon的SiC纤维束, 每束500根, 成份为 (Wt%) SiC 65.3, SiO223.0, C 11.7, 主要性能见表2。

采用异丙醇作溶剂, 5%的乙基纤维素作粘结剂, 水浴至完全溶解, 按一定比例和玻璃粉末配制成泥浆, 并在微粒球磨机上球磨1h, 粉末颗粒粒径为12μm左右。排丝是在自制的排丝机上进行, 通过调节橡皮轮的间隙来控制纤维体积分数。将排好的纤维挂上玻璃粉末的纤维烘千剪下, 切成60×60mm大小, 烧去有机粘结剂, 置于石墨模具进行热压。热压是在ZRYS-1真空热压烧结炉中进行, 由计算机控温, 保护气氛为氮气。热压完后降到930℃进行析晶处理。

复合材料显微硬度在HX-1000上进行, 施加载荷为50g, 时间为10s, 硬度值为10个不同部位的平均值;摩擦性能在UMT-2微观磨损试验机 (USA) 上进行, 实验条件:对偶件为不锈钢316L, 移动速度1mm/sec, 时间为60min;在精度为0.1mg的分析天平上称量试样磨损前后的质量, 其差值即为磨损量;用扫描电镜分析磨损表面的形貌。

2 结果与讨论

2.1 纤维含量的影响

图1给出了不同纤维含量复合材料的摩擦系数。从图1中可以看出, 随着SiC纤维含量的增加, 摩擦系数曲线逐渐降低, 但变化幅度较小。这表明SiC纤维的加入对复合材料表面微观形貌的影响小, 且SiC纤维的摩擦系数与基体材料较为接近。

表3是不同SiC纤维含量试样的磨损量及显微硬度。由表3可知, 随着纤维含量的增加, 当纤维含量 (体积) 低于25%时, 复合材料的磨损量明显降低, 而显微硬度却有较大提高, 超过25%时, 继续增加纤维的含量会导致复合材料磨损量增加, 耐磨性下降。这可能是由于纤维的含量高到一定的程度, 纤维与基体就不能充分地结触, 在它们之间出现大量空隙, 负荷难以实现从基体到纤维的传递, 纤维拔出功减小, 复合材料在反复接触疲劳应力的作用下, 纤维界面结合强度下降。

wt/%

2.2 载荷的影响

图2给出了纤维体积含量为25%时复合材料在不同负荷下的摩擦实验结果。从图4可以看出, SiC纤维增强复合材料的摩擦系数随着载荷的增大显现先增大后减小的趋势, 并且在载荷140N时达到最大值, 而磨损量随着载荷的增大而增加。这是由于载荷的增加, 复合材料表面所受到的循环作用力与摩擦力也越来越大, 同时受到的剪切破坏越来越强, 导致了表面大量的变形, 严重影响纤维与基体的结合强度, 因此复合材料的磨损加剧。但当载荷增加到140N时, 在高载荷、高应力的作用下, 产生的磨屑较细, 在对摩件反复滑动作用下生成了磨屑膜, 导致摩擦系数有所下降, 随着载荷的增加, 形成的磨屑膜越厚、越细, 摩擦系数就越小。

2.3 摩擦磨损机制

图3显示的是纤维体积含量为20%的复合材料在不同载荷下摩擦表面的SEM形貌。由图3可见, 在载荷为60N时 (图3a) , 在磨损表面可以发现沿磨损方向有较多的塑性流变和少量孔隙, 纤维形态比较明显, 表面有较浅的磨痕。这表明在较低载荷作用下, 磨损表面的失效形式主要是磨粒磨损, 产生的磨屑一部分附着在表面, 一部分填充进原始孔隙, 而附着在表面的磨屑由于颗粒较大, 又充当新的磨粒, 加快了表面的磨粒磨损, 甚至在局部位置可以看到明显的凹坑。当载荷增加到100N时 (图3b) , 在磨损表面可以观察到大量的凹坑、表面裂纹和表层基体的材料的脆性断裂。在摩擦过程中, 较硬的对摩件微凸体将压入试样中, 产生摩擦而引发磨损, 这将阻碍对摩件和试样间的相对运动, 因此摩擦系数和磨损量必然增加。裂纹的发展可能是由于较硬的磨屑对试样中纤维界面薄弱位置的反复辗压所造成的。同时, 复合材料的亚表面受到了周期性的应力作用, 因此塑性变形和层错不断积累, 最后形成了微观裂纹, 裂纹不断长大和连通, 导致了磨损表面的裂纹出现, 并形成了薄片状磨屑。在载荷为140N时 (图3c) , 磨损表面出现了较多的磨屑, 且颗粒较大, 比较松散, 分布也不均匀, 表面非常粗糙。这说明在较大载荷作用下, 表面层纤维与基体的结合强度遭到破坏, 摩擦表面磨粒磨损非常严重, 致使产生大量的磨屑, 而由于磨屑颗粒较大, 纤维互相之间以及与表面基体的结合不是很紧密, 以至表面形成不连续的磨屑层。在摩擦过程中, 虽然纤维起到了一定的限制作用, 但试样表面仍有滑动和塑性流动, 因此一些纤维最终被剥离而裸露出来。当载荷增加到180N时, 在高应力的辗压下摩擦表面可以看到大量细小的磨屑 (图3d) , 同时由于磨损所产生的温度使局部位置出现了一层明显的的膜状物。这说明随着载荷的增加, 摩擦表面的温度越高, 摩擦产生的磨屑细小、且数量多, 而这些磨屑又在载荷作用下, 被压实、致密, 形成了磨屑膜 (图3e) , 同时由于摩擦所首先的温度在表面局部位置形成轻微的粘着磨损。

3 结论

1) 随着SiC纤维含量的增加, 摩擦系数逐渐降低, 但变化幅度较小。而当纤维 (体积) 含量低于25%时, 复合材料的磨损量明显降低, 而显微硬度却有较大提高;超过25%时, 继续增加纤维的含量会导致复合材料耐磨性下降。

2) SiC纤维增强复合材料的摩擦系数随着载荷的增大显现先增大后减小的趋势, 并且在载荷140N时达到最大值, 而磨损量随着载荷的增大而增加。

3) SiC纤维增强复合材料的主要磨损失效形式为磨粒磨损。其裂纹源是在纤维界面薄弱位置。

摘要：在UMT-2微观磨损试验机 (USA) 上研究了SiC纤维增强铝硅酸盐玻璃陶瓷复合材料的摩擦学特性, 且对摩擦表面进行了SEM观察和分析。研究结果表明:随着SiC纤维含量的增加, 摩擦系数逐渐降低, 但变化幅度较小。而当纤维含量 (体积) 低于25%时, 复合材料的磨损量明显降低, 而显微硬度却有较大提高;超过25%时, 继续增加纤维的含量会导致复合材料耐磨性下降。SiC纤维增强铝硅酸盐玻璃陶瓷复合材料的摩擦系数随着载荷的增大显现先增大后减小的趋势, 并且在载荷140N时达到最大值, 而磨损量随着载荷的增大而增加。复合材料的主要磨损失效形式为磨粒磨损。

关键词：纤维增强玻璃陶瓷,复合材料,摩擦磨损,摩擦系数

参考文献

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纤维增强玻璃陶瓷 篇2

1.在精密天平上用称量瓶取5g玻璃纤维增强PA66原料。

2.将其与其他原料一起放入干燥机内（保证相同的温度和时间）进行干燥处理。

3.达到工艺规定的干燥处理条件后将称量瓶取出放入干燥皿内（避免在空气中吸收水分）冷却。

4.冷却至室温时，在称量其质量并记录数据。其质量损失即为水分的质量。

含水率按下列公式计算：

G1-G2α=————X100%

G1

α:为含水率。

G1：干燥前的塑料质量（g）。

G2：干燥前的塑料质量（g）。

纤维增强玻璃陶瓷 篇3

摘要：伴随着我国社会经济的不断发展，也相应的促进了我国化工行业的发展。丁苯树脂在化工行业应用中具有非常大的优势，并且被广泛的应用与化工制造中。本文主要针对于丁苯树脂的合成极其玻璃纤维增强塑料进行了相关方面的分析和研究，希望通过本文的探讨，能够进一步促进化工行业的良好发展。

关键词：丁苯树脂；合成；玻璃纤维；增强塑料

前言

在玻璃纤维增强塑料的制造过程中，需要应用到丁苯树脂，因此，需要对丁苯树脂的合成原理及其玻璃纤维增强塑料的制造方法进行研究，全面的做好相关的化工制造工作。

1 丁苯树脂的合成

1.1 丁苯树脂的原材料配比

丁苯树脂属于纯碳氢结构的共聚物，通过乙烯基单体与树脂外双键的交联固化，能够制成玻璃纤维增强塑料，如，层压晶、管材等，具有较强的介电性能、耐腐蚀性、吸水性小等优点[1]。丁苯树脂的原材料配比主要由丁二烯（含量>99%）80%、20号汽油（或甲苯，且无水）200%、二氧陆环（分析纯）20%、苯乙烯（精制）20%、金属钠（<0.2mm）、异丙醇（分析纯）0.2%等。

1.2 丁苯树脂的性能指标

丁苯树脂在配置性能指标的过程中，主要分为两种溶剂，一种是汽油，另一种是甲苯。在采用汽油作为丁苯树脂溶剂的情况下，聚合后的树脂分子量较高，聚合物呈现出黄色透明粘稠状，加乙烯基单体进行交联后的聚合物的粘度比较适合做玻璃纤维增强塑料而用的胶粘剂；而采用甲苯作为丁苯树脂溶剂的情况下，聚合后的树脂分力量较低，呈现出的是淡黄色的粘稠液。两种丁苯树脂的性能指标如下（如表1所示）：

表1 丁苯树脂性能表

酸碱值碘值外双键（%）内双键（%）比重特性粘度折光率含氧值

汽油溶剂0325～36555～6545～550.9517.8～20.51.5472～1.55030

甲苯溶剂0265～275 0.956.3～8.71.5430～1.55110

2 丁苯树脂玻璃纤维增强塑料的制法以及性能分析

2.1 丁苯树脂的固化和凝胶化

本节主要针对三种乙烯基单体的交联剂对聚合物丁苯树脂的反应温度、最小固化时间以及凝胶速度进行测定，并通过下图来分析几者之间的关系（如图1、图2所示）。

图1 乙烯基单体交联剂对聚合物丁苯树脂的最小固化时间影响

图2 乙烯基单体交联剂对聚合物丁苯树脂的凝胶时间影响

2.2 引发剂对聚合物丁苯树脂固化、凝胶化的影响

引发剂是乙烯基单体与丁苯树脂进行交联过程中采用的重要材料，常用的引发剂主要有过氧化二异丙苯、过氧化二叔丁基等，当然，引发剂的使用不仅局限在单一的材料，可同时采用两种或两种以上的材料混合物作为引发剂[2]。通过大量的实验证明，如果增加引发剂的浓度，那么，聚合物丁苯树脂的固化、凝胶的速度也会加快；如果引发剂浓度大于4%的话，对丁苯树脂的固化以及凝胶不会造成太大的影响，而在引发剂浓度低于2%的话，就会造成丁苯树脂材料得不到充分的硬化。另外，在使用引发剂的过程中，要注意对浓度的控制，因为浓度过大就会产生放热剧烈的现象，会导致丁苯树脂中形成大量的气泡，这对聚合物工艺成型极为不利，正常来说引发剂浓度选择4%为最佳浓度，不仅有利于工艺成型，还能增强玻璃纤维塑料的性能[3]。

2.3 丁苯树脂交联固化的性能

丁苯树脂玻璃纤维增强塑料被很多行业所使用，其中热稳定性相对来说比较重要。将丁苯树脂与引发剂、交联剂等材料混合之后，再对其进行加热固化，并将其固化的产物进行粉碎筛选，筛选孔要根据实际情况进行选取，一般采用80～100孔/时2，将筛选成粉状树脂之后放到热天平中，并以每小时100℃的升温速度对丁苯树脂进行加热，在大旗下的热失重对丁苯树脂的热稳定性进行评价[4]。通过评价实验分析，丁苯树脂的热稳定性在大气下的温度热分析大致为235℃～255℃，在本次的分析中，丁苯树脂的温度前后相对失重在1.3%～2.4%。另外，针对丁苯树脂交联固化物的电性能、机械性能进行分析，具體如下表（如表2所示）：

表2 丁苯树脂交联固化物的电性能、机械性能分析

抗压强度介电损耗角正切耐热比重静弯曲

强度介电常熟

乙烯基

甲苯12431.29×10-3921.055142.91

苯乙烯16041.48×10-31001.086832.84

2.4 丁苯树脂玻璃纤维增强塑料的制造工艺

丁苯树脂玻璃纤维增强塑料的制造工艺一方面要注重胶料的配置比例，另一方面就是成型工艺。对于胶料配置比例来说，其中采用的材料有多种，如，乙烯基甲苯40%、过氧化二异丙苯2%、过氧化环已酮2%、过氧化二叔丁基2%、丁苯树脂60%、二乙烯基苯7%。胶料配置比例非常重要，要严格按照相关工艺进行配置，否则会对后期的成型工艺造成影响。对于成型工艺来说，要先将通过有机硅烷处理过的玻璃布按照要求剪成指定的大小，并用烘箱将玻璃布中表面的水分烘干，再将丁苯树脂胶液均匀的涂抹到已经处理好的玻璃布上，按照要求用玻璃纸作出脱模剂，将交叉重叠后多余的的丁苯树脂以及产生的气泡进行有效的控制，然后再将其放入烘箱中进行加入固化处理，在这里需要注意的是固化条件要符合标准，否则很难成型，首先要将烘箱设置到80℃，并支持8小时左右，其次在将温度升高至100℃，持续2小时加热，再将温度升高至120℃，加热持续2小时，再次将温度提升至150℃，持续加热16小时至24小时，最后将烘箱温度升高至175℃，持续加热1小时之后，让成型的材料冷却至室温既可将其取出投入使用[5-6]。

2.5 丁苯树脂玻璃纤维塑料的性能

白榴石增强的牙科玻璃陶瓷的研究 篇4

玻璃陶瓷用于修复牙体缺损和部分牙列缺损越来越受到口腔患者的欢迎。在诸多的牙科陶瓷中,人们往往用内部增强剂来提高陶瓷的强度。所谓内部增强剂就是陶瓷材料中的主要结晶相。不同种类的牙科陶瓷因其结晶相的不同而意味着内部增强剂也不一样。SiO2-Al2O3-K2O系统玻璃陶瓷是以白榴石为增强剂的牙科陶瓷,白榴石就是结晶相,陶瓷材料中的白榴石或是在熔块中形成,或合成后以粉末形式加入到陶瓷粉中,其含量、形态以及在玻璃陶瓷中的分布都对玻璃陶瓷性能有较大的影响。目前白榴石增强的玻璃陶瓷在牙科修复中广泛使用,由于我国生产的玻璃陶瓷还存在色度欠佳和力学性能不好等缺点,所以目前口腔修复所用的玻璃陶瓷基本依靠从国外进口,价格较昂贵。因此,有必要对玻璃陶瓷材料进行深入细致的研究,不断完善产品性能、降低生产成本,有利于国产牙科玻璃陶瓷的生产和应用[1,2]。本实验根据白榴石增强的玻璃陶瓷化学式K2O·Al2O3·4SiO2,选用与之相关d化工原料进行热处理,合成玻璃陶瓷,研究了玻璃陶瓷的生成情况,并进一步研究了添加部分白榴石晶体后对玻璃陶瓷材料的微观结构和强度的影响。

1 实验

1.1 玻璃陶瓷的制备

1.1.1 实验原料

实验所用的主要原料有:K2CO3(纯度≥99%,成都化学试剂厂),Al2O3(纯度≥99.6%,上海五四化学试剂有限公司),SiO2(纯度≥99.39%,上海化学试剂厂),CaCO3(纯度≥98%,上海市奉贤城试剂厂),TiO2(纯度≥99%,北京盈利精细化学品有限公司),Na2CO3(纯度≥99.8%,河南焦作市化工三厂),ZrO2(纯度≥99%,成都化学试剂厂),BaCO3(纯度≥99%,上海化学试剂厂),所有实验原料粒度均高于200目,均采用分析纯或化学纯。

1.1.2 实验配方

制备低熔点玻璃相K2O-A12O3-SiO2系统玻璃陶瓷配方见表1。

1.1.3 玻璃陶瓷的制备工艺

1)将各原料过200目标准筛,用分析天平进行称量;

2)将各原料充分混匀,待烧;

3)将混合料放入石英坩锅中并置于中温炉中,升温至1400℃,保温3h;

4)将熔化后的配合料倒入冷水中,进行冷淬处理,然后取出,干燥后密封备用,得到试样1。

5)把部分试样1磨细后过200目筛,与自制的200目白榴石细粉按8∶2的质量百分比混合,然后放入中温炉中,加热至1000℃,保温1小时,冷却后取出密封备用,得到试样2。

1.2 性能测试

1.2.1 X射线衍射物相分析

取部分试样1,磨细后用荷兰Philip公司产的X’Per Pro型X射线衍射仪进行物相分析。

1.2.2 试样的显微结构检测

将部分试样1和试样2,敲碎,取新鲜的较平整的断面,用5%HF处理30s,然后用美国FEI公司产的Quanta 400型扫描电镜做显微结构检测。

1.2.3 试样的抗压强度检测

1.2.3. 1 试样的配方

将前面制得的试样1磨细后与自制的白榴石粉(均过200目筛)按表2所示的组成比例混合。

1.2.3. 2 试样抗压强度检测

制作φ20mm×10mm的模具,将混合均匀后的玻璃陶瓷粉末与蒸馏水按100g∶40mL的比例调拌成糊状,分别充填于模具内。待其干燥后取出试样。每组各制备5个,放入中温炉内加热至1000℃,并保温1小时。待冷却后取出用HT-8391/9C型混凝土抗压试验机(台湾弘达仪器股份公司产)测试试样的抗压强度,每组取平均值。

2 结果与讨论

试样1的X衍射图如图1所示,显示其主要是玻璃相物质。

试样1的显微结构见图2,在大量的玻璃相基质中零星分布着一些大小不一的白色颗粒状物质,白色颗粒物质的EDS分析结果显示为白榴石。

表3中的EDS成分分析结果表明该白色颗粒物质为白榴石晶体。

表4中的EDS成分分析表明该基质部分为K2O-A12O3-SiO2玻璃陶瓷的玻璃相。

结合以上图1、图2及表3、表4的实验结果,表明该制备方式在1400℃温度下制得的玻璃陶瓷主要是玻璃相,有很少量的白榴石晶体存在。这可能是由于在本实验条件下,在1400℃温度下白榴石较难析晶,这与我们预期的实验结果有出入。根据K2O-A12O3-SiO2系统相图[3],白榴石形成温度在1600℃左右。有关研究表明,一般热处理方法由K2O、Al2O3和SiO2直接合成白榴石很难产生大量的白榴石晶体。张飚[4]等发现在1600℃温度下,通过控制析晶温度可析出大量的白榴石晶体。文进[5]等采用预烧结并对预烧试样进行二次煅烧,白榴石合成率提高,且能在1400℃合成高质量的白榴石晶体。

为了在制备玻璃陶瓷时有大量的高质量白榴石晶体析出,结合本实验结果可考虑控制析晶温度或者改进烧结方式。

试样2的SEM照片如图4(a)、(b)、(c)、(d)所示,可以看到,玻璃陶瓷试样中玻璃相和结晶相紧密结合,晶粒尺寸大约为0.05~0.5μm,图中清晰可见柱状或粒状的白色白榴石晶体,这些白色的晶体均匀分布于玻璃陶瓷的玻璃相基质中。

图4为添加白榴石后,玻璃陶瓷抗压强度的变化曲线,结果显示添加白榴石后,玻璃陶瓷的强度明显增大。这可能是以下几个方面共同作用的结果:白榴石的膨胀系数(25~27×10-6/K)远远大于K2O-A12O3-SiO2系统玻璃陶瓷的膨胀系数(7~9×10-6/K),产生压应力,导致强度增大;图3的显微结构也显示细小的白榴石晶粒均匀地分散于玻璃基质中,当系统的主裂纹遇到白榴石晶粒时,白榴石晶体的存在可阻止裂纹进一步的扩展;另外微裂纹也发挥着增韧作用,这三者共同作用的结果导致随着白榴石含量的增加,压应力增强,显微结构得到增强,微裂纹增加阻止了裂纹进一步扩展,使得玻璃陶瓷的强度也随之增大[4,5]。

在以白榴石为增强剂的玻璃陶瓷中,白榴石的含量、形态及其在玻璃陶瓷中的分布等对玻璃陶瓷的性能都有较大的影响,这些将有待于更进一步的研究。

3 结论

1)在本实验条件下制得的玻璃陶瓷主要是玻璃相,只有很少量的白榴石晶体。

2)添加的白榴石晶体呈柱状或粒状与玻璃相基质紧密结合,并均匀地分布于玻璃陶瓷的玻璃相基质中。

3)添加白榴石可明显提高玻璃陶瓷的强度。

参考文献

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玻璃纤维增强聚酰胺性能的研究 篇5

玻璃纤维增强复合材料,是以聚合物为基体,以玻璃纤维为增强材料而制成的复合材料,综合了聚合物和玻璃纤维的性能。玻璃纤维增强的复合材料按纤维的长度分类,可分为长纤维复合材料和短纤维复合材料。玻璃纤维按化学组分可分为无碱铝硼硅酸盐(简称无碱纤维)和有碱无硼硅酸盐(简称中碱纤维)。玻璃纤维可用于增强PA、ABS、聚酰胺、PET等热塑性塑料,也可用于增强环氧聚酰胺、酚醛聚酰胺等热固性塑料。玻璃纤维增强塑料具有比强度高、耐腐蚀、隔热、成型收缩率小等优点。此外,利用玻璃纤维增强可以使塑料的拉伸性能大幅度提高。本文以通用聚酰胺为基体,利用短切玻璃纤维(事先用硅烷偶联剂进行表面处理)对其进行共混改性,并对复合材料体系中玻璃纤维的含量及各项性能进行了较详细的研究和讨论。

1 实验部分

1.1 主要原料

聚酰胺6(PA6,相对黏度3.8),无碱短玻璃纤维(长度3.0 mm,直径10～14 μm),3-氨基三乙氧基硅烷(KH-550)。

1.2 主要设备

高速捏合机GH～10,双螺杆挤出机SHJ30A(长径比25),注塑机HTB80,AG-20I型电子式万能试验机,C-25型摆锤冲击试验机,101C-1型电热鼓风干燥箱,JSM-6380LV型扫描电子显微镜(二次电子像分辨率60×10-10 m)。

1.3 试样制备

用10%偶联剂KH50对玻璃纤维进行表面处理,混合均匀后通过双螺杆挤出机造粒。挤出机各段温度为210 ℃、220 ℃、225 ℃、230 ℃、230 ℃,机头温度为215 ℃。制备的共混粒料在鼓风干燥箱于90 ℃干燥8 h,然后注射成复合材料试样进行性能测试。

1.4 性能测试

冲击性能,按GB/T 1043-1993进行测试;

弯曲性能,按GB/T 9341-2000进行测试;

拉伸强度,按GB 1042-1992进行测试。

2 结果与讨论

2.1 玻璃纤维用量对复合材料性能的影响

图1、图2和图3分别为玻璃纤维不同含量对聚酰胺复合材料的拉伸强度、拉伸模量、弯曲强度、弯曲模量和冲击性能的影响关系图。从图1和图2可以看出,伴随着玻璃纤维加入量的增大,聚酰胺复合材料的拉伸性能和弯曲性能呈先上升后降低趋势,当玻璃纤维用量约为30%时,材料的拉伸强度、拉伸模量和弯曲强度、弯曲模量最好,这时的拉伸强度、弹性模量、弯曲强度和弯曲模量分别增长了45.8%、100.1%、57.1%和110.4%。

在聚酰胺复合材料中,玻璃纤维起着骨架结构增强作用,以承担应力和载荷。同时,玻璃纤维还可以促进聚酰胺结晶,起成核剂作用,可在一定程度上提高材料的强度。图1是玻璃纤维用量对聚酰胺复合材料拉伸性能的影响。从图1可以看出,随着玻璃纤维用量的增加,聚酰胺复合材料的断裂伸长率呈下降趋势,拉伸强度先减小后增大。这可能是由于加入少量玻璃纤维时,纤维与纤维之间相互作用比较弱,纤维缠结的程度很低,使得分子之间的作用力减小,拉伸强度降低[4]。当玻璃纤维用量增大时,大量的玻璃纤维在基体中形成三维空间交叉结构,部分纤维会发生缠结,从而使拉伸强度逐渐提高。

图2是玻璃纤维用量对聚酰胺复合材料弯曲性能的影响。从图2可以看出,随着玻璃纤维用量的增加,复合材料的弯曲强度和弯曲模量均呈上升趋势。这是因为当聚酰胺/玻璃纤维复合材料受到弯曲时,聚酰胺会发生塑性屈服,因而玻璃纤维承受的应力要比聚酰胺大得多。这时,纤维周围的聚酰胺就存在一个应力变小的区域,在这个区域中纤维要有一定程度的交迭,才能使其传递外力作用,提高材料的强度。因而聚酰胺复合材料的弯曲性能与玻璃纤维含量有直接关系,即弯曲强度和弯曲模量会随玻璃纤维用量增加而提高。

由图3可以看出,随着玻璃纤维的加入,聚酰胺复合材料的冲击强度先升高后降低,在玻璃纤维含量为30%时,冲击强度最高,为5.3 kJ·cm-2。

玻璃纤维增强聚酰胺复合材料的缺口冲击强度随玻璃纤维含量的增加有较大幅度的提高,但当玻璃纤维质量分数高于30%时却出现降低趋势。聚酰胺复合材料吸收冲击能的方式有聚酰胺变形和裂纹扩展至断裂、纤维抽出、纤维断裂3种[5]。由于韧性聚酰胺与刚性纤维在冲击载荷作用下变形能力的差异,聚酰胺基体较大的变形导致沿纤维弯曲方向产生间隙,因此一方面使纤维抽出时吸收的能量较小,另一方面则降低了纤维断裂的可能性。当长玻璃纤维质量分数低于30%时,可以认为聚酰胺变形在复合材料缺口冲击强度中的贡献占主导地位;而当玻璃纤维质量分数高于30%时,聚酰胺含量的减少,同时由于螺杆的剪切及其与纤维的相互摩擦使纤维的长度明显变短,导致纤维从聚酰胺中抽出更加容易。这种情况下,复合材料承载面受压、背面受拉,弯曲性能对玻璃纤维的依赖关系与拉伸性能的情形基本一致。在冲击载荷作用下,玻璃纤维的抽出或断裂可吸收大量冲击能,从而使复合材料的冲击强度明显提高[6]。另外,玻璃纤维的端部是裂纹增长的引发点,玻璃纤维端头数量相对较少,也使冲击强度提高。由上述结果可得出,玻璃纤维对聚酰胺复合材料有很好的提高力学性能的作用,在聚酰胺复合材料冲击韧性提高的情况下,可较大幅度提高聚酰胺复合材料的强度。

2.2 扫描电镜观察

图4为聚酰胺复合材料试样的拉伸断口扫描电镜分析。界面破坏形式除了内聚和粘结破坏外,往往更多是混合破坏。内聚破坏反映的是被复合物本身的性质差;粘结破坏反映的是界面的性质差;而混合破坏则说明纤维、基体和界面三者的力学性质相近,这是较理想的结果。图中玻璃纤维粘附有少量聚酰胺,表明界面结合得到了一定改善,但这种结合主要以物理结合为主,所以聚酰胺与玻璃纤维的界面结合比较弱,容易发生脱粘破坏;图中可以看出界面层既有脱粘破坏,又有内聚破坏,玻璃纤维表面附着较多的聚酰胺[7],这是界面层化学键合而改善了界面粘结作用,从而提高了复合材料的力学性能。

玻璃纤维以乱向均匀分散于聚酰胺复合材料中,在玻璃纤维增强聚酰胺复合材料成型后,使之处于限制收缩的状态。环境因素的影响,聚酰胺收缩使材料内产生拉应力,在不掺玻璃纤维的聚酰胺中,当该拉应力达到聚酰胺的抗拉强度时,聚酰胺即产生内部裂缝而断开,此时应力消失。当聚酰胺复合材料中分散有纵横交错的玻璃纤维时,由于玻璃纤维本身具有较大的抗拉强度,当玻璃纤维因限制收缩而产生拉应力时,大量玻璃纤维的存在使应力被分散,不致发生应力集中现象[8]。同时微裂缝的发展过程必然受到横跨在裂缝间的玻璃纤维的阻碍,消耗了能量,抑制了裂缝的进一步扩展,断裂过程被延缓。

3 结论

(1)伴随着玻璃纤维加入量的增大,聚酰胺复合材料的拉伸性能和弯曲性能呈先上升后降低趋势,当玻璃纤维用量约为30%时,材料的拉伸强度、拉伸模量和弯曲强度、弯曲模量最好,这时的拉伸强度、弹性模量、弯曲强度和弯曲模量分别增长了45.8%、100.1%、57.1%和110.4%。聚酰胺复合材料的冲击强度先升高后降低,在玻璃纤维含量为30%时,冲击强度最高,为5.3 kJ·cm-2。

(2) 聚酰胺复合材料断口扫描电镜分析,玻璃纤维改善复合材料的界面状况,有提高聚酰胺复合材料力学性能的作用,因为玻纤表面能够与聚酰胺之间形成紧密的结合。

参考文献

[1]钟世云,许乾慰,王公善.聚合物的降解与稳定化[M].北京:化学工业出版社,2002.

[2]闻荻江.复合材料原理[M].武汉:武汉工业大学出版社,1998.

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[5]何曼君,陈维孝,董西侠.高分子物理[M].上海:复旦大学出版社,1988.183.

[6]彭治汉,施祖培.塑料工业手册———聚酰胺[M].北京:化学工业出版社,2001.491.

[7]赵若飞,周晓东,戴干策.玻璃纤维增强热塑性复合材料的增强方式及纤维长度控制[J].纤维复合材料,2000,(1):19.

玻璃纤维增强聚酰胺性能的研究 篇6

20世纪30年代后, 玻璃纤维以其无毒、质轻等优势在军事方面、建筑、汽车、化工等工业中对于轴承、齿轮的制造发挥了巨大的作用。特别是在耐腐蚀化学领域中, 得到了广泛的应用。

1 实验部分

1.1 材料

PA66:EPR27 (原生料) , 2730G (玻璃纤维增强料, 含30%玻璃纤维) 。

1.2 仪器设备

选用的是德国Sartorius公司的型号为BS110S的数显分析天平;电液伺服试验机分别选用的是英国INSTRON公司的产品, 型号为INSTRON1341, 其拉伸速度为5mm/min;电液和英国MTS公司的产品, 型号为MTS810, 弯曲速度2mm/min, 跨距64mm, 弯曲扰度6mm, 紫外加速仪是Q-U-V型, 由美国Q-Panel公司生产;还有扫描电子显微镜日本日立公司生产, 加速电压为1kV～40kV, 二次电子像分辨率60×10m-10m。

1.3 性能测试

按照GB/T16422.3-1997进行进行紫外加速试验, 光源为313nm, 光照是60°×8h, 冷凝为50℃×4h。将原始试样制备完毕后存放于棕色干燥器中, 避光保存。在进行试验之前要对所有用于试验的试样进行称重并作为原始质量, 然后放入紫外加速仪中开始试验。按照一定的时间规律去除, 轻拭表面的水分, 干燥2d后迅速用分析天平称量。按照计算公式得出结果, 并于原始质量进行比较。

2 玻璃纤维对PA66老化形貌的影响

对于解释玻璃纤维对于增强PA66老化过程来说, 观察期表面变化的过程是非常关键的。图1是样品在分别老化3周和6周时的扫描电镜图, 可以看出EPE27的原始模样在经过3周的老化后, 有了明显的裂纹而六周之后原先的大块又分裂成了小块并且表面以及发生了脱落, 形成凹坑。而用玻璃纤维增强的2730G在3周后只是出现了细小均匀的裂纹, 即使是在6周后, 其裂纹程度也明显小于EPR27。从EPR27的表面刻有看出老化周时均匀平整的表面列分有近12μm, 而且裂缝比较深。而2730G随着老化时间的增加, 裸露的玻璃纤维也在增加, 雷锋宽度约为612μm, 而且很钱。由此, 可以看出运用了玻璃纤维, 可以阻止裂纹的深入发展, 减缓了PA66的老化速度。

3 结论

(1) 玻璃纤维能够明显增强聚酰胺的拉伸强度和弯曲强度, 紫外老化后的力学性能保持率也明显提高。

(2) 玻璃纤维能够增强聚酰胺紫外老化后的吸湿率明显比没有增强聚酰胺的吸湿率要低。

(3) 玻璃纤维能够增强聚酰胺抗老化机理的原理在于玻璃纤维能够阻止聚酰胺老化裂纹的进一步深化, 而且阻止外界因素对聚酰胺本体的进一步腐蚀, 使其大大减缓了老化速度。

4 结语

到现在为止, 聚酰胺被用于工程塑料已经有了将近50年。世界工业的发展对聚酰胺的需求量一直居工程塑料的首位。而随着科技的发展, 聚酰胺工业在长期发展中取得了许多喜人的成果, 相信聚酰胺在未来的工业发展中将会获得更加广阔的天地。通过实验, 我们可以看出玻璃纤维对在增强聚酰胺的弯曲强度、拉伸强度方面有着非常明显的效果, 显著增强了聚酰胺的抗老化机理。对于工业飞速发展的今天来说, 这无疑是有着非常重大意义的。因此应该将这项技术推而广之。

摘要：本文将以30%玻璃增强的聚酰胺66 (PA66) 作为实验对象, 通过使用紫外加速仪研究了辐照时间对PA66的吸湿率、形貌的影响等进行了分析与研究。实验表明使用玻璃纤维增强的聚酰胺经过紫外线的老化后的吸湿率能够明显的比为使用玻璃纤维增强的聚酰胺要低。玻璃纤维能够显著增强聚酰胺的拉伸强度、弯曲强度等。

关键词：玻璃纤维,聚酰胺,复合材料,增强,力学性能

参考文献

[1]钟世云, 许乾慰, 王公善.聚合物的降解与稳定化[M].北京:化学工业出版社, 2002.

[2]闻荻江.复合材料原理[M].武汉:武汉工业大学出版社, 1998.

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[4]娄葵阳, 陈祥宝.纤维混杂——热塑性复合材料制备的先进工艺[J].材料导报, 1997, 11 (2) :69.

[5]何曼君, 陈维孝, 董西侠.高分子物理[M].上海:复旦大学出版社, 1988.183

玻璃纤维增强菱镁板力学性能的研究 篇7

玻璃纤维对菱镁板增强机理可用纤维对水泥基体系增强作用进行解释, 纤维对水泥基体系的增强作用, 目前通常采用两种理论来解释。其中之一是由英国Swamy, Mangat提出的“复合材料机理”。主要从复合材料的混合原理出发, 将纤维增强的水泥基体系看作纤维的强化体系, 即认为纤维掺入后, 水泥基体系强度、抗裂性等与纤维的掺入量, 方向、长径比以及粘结力有关, 纤维品种不同, 与水泥基体系基体的界面作用大小不同;基体中纤维的含量、分布及长径比等, 都会影响纤维的增强效果。下面针对上述理论分别从几个方面进行研究。

1 试验部分

1.1 试验用原料

(1) 轻烧氧化镁, 采用辽宁省海城一菱镁粉厂产品, 其化学成分见表1。

(2) 氯化镁:

选用山东省海化集团的产品, 具体指标见表2:

(3) 锯粉:

细度:通过10目筛, 含水率<10%, 掺加量一般占轻烧氧化镁重量的10-30%。

(4) 玻璃纤维布选用

众所周知, 在玻璃纤维制造技术相同的情况下, 无碱比中碱的强度高15-25%, 中碱比高碱的强度高10-15%, 而抗碱介于无碱和中碱之间, 抗碱和无碱玻璃纤维价格较高, 高碱玻璃纤维强度低且不耐腐蚀, 所以中碱玻璃纤维用于菱镁制品的加筋材料较合适, 选择厚度0.2、0.4 mm厚中碱玻璃纤维网格布作试验。

(5) 菱镁胶凝材料改性剂

山东省建筑科学研究院研制生产的缓凝剂, 抗吸潮返卤剂 (符合菱镁胶凝材料改性剂WB/T1023-2005标准) 。

1.2 试验方法

1.2.1 试件制作

先在模具内涂脱模剂, 再制备胶结料 (胶结料配方见表3) , 然后铺一层胶结料约厚一毫米, 再铺一层玻纤布, 按照这种方式, 用不同的玻璃纤维布层数分别成型250×250×10 mm3板材, 抹平、盖上塑料薄膜, 室内自然养护, 24 h脱模, 养护28 d后其中3块板测抗弯强度 (2) , 一块切割成120×15 mm2尺寸5块测抗冲击强度 (2) 。

表3中卤水比重为1.20 g/cm3。

1.2.2 试验仪器

水泥胶砂搅拌机JJ-5, 抗弯试验机TYE-10, 摆锤抗冲击试验机XJJ-5。

2 试验结果及分析

2.1 玻纤布层数对玻璃纤维增强菱镁板材抗弯强度的影响

在玻璃纤维增强菱镁板材中, 玻璃纤维布层数对抗弯强度大小起较大作用, 表4数据表明, 抗弯强度随玻纤布层数的增加而提高。

表4中使用的玻璃纤维布为0.2 mm厚中碱玻璃纤维网格布。

2.2 玻璃纤维布铺设方式的影响

采用同样层数的玻璃纤维布, 制作同样厚度的板材, 纤维布采取不同的铺设方式, 板材的抗弯强度不同, 结果见表5。

表5中1#采用在板材两表面铺设玻璃纤维布的方式, 2#采用在板材厚度方向均匀铺设玻璃纤维布的方式, 1#强度比2#高出26.9%。众所周知:一个物体在外力的作用下, 它在各个不同的部位所产生的内应力大小、方向是不同的。例如:一块板材在外部荷载的作用下 (如果在弹性受力阶段) 其内应力分布情况是越接近板材的表面, 其应力越大, 越接近中性层其应力越小, 直到中性层, 其内部应力为零。这也就是说, 在板材厚度中心线附近的玻璃纤维根本起不到增强作用, 这样就可以解释1#比2#强度高的问题。

2.3 纤维含量不同对玻璃纤维增强菱镁板材冲击强度的影响

按照1.2.1试样制备方法, 表6中玻璃纤维布层数制备试样, 测得抗冲击强度, 具体结果见表6。

从表6中看出, 纤维含量增加了, 抗冲击强度增加114.6%, 增加了一倍还多。菱镁水泥属脆性材料, 抗冲击强度的高低主要取决于玻璃纤维布的强度。

2.4 表面刮涂树脂对玻璃纤维增强菱镁板材抗弯强度的影响

用表3的胶结料, 0.2 mm厚玻璃纤维布3层成型250×250×10 mm3板9块, 养护28 d后, 3块直接测抗弯强度, 其余6块板材中3块一组表面分别刮上表7中2#和3#的树脂, 利用树脂具有很高的粘结强度和抗弯强度特点, 可以明显提高复合后板材的抗弯强度。

在玻璃纤维增强菱镁板表面刮树脂约一毫米厚, 加一层0.2玻纤布, 抗弯强度分别提高47.1%和36.8%。

2.5 胶结料粘结力对玻璃纤维增强菱镁板材抗弯强度的影响

菱镁胶结料是无机脆性材料, 为降低板材密度, 增加韧性, 材料中还要加入部分锯粉, 锯粉颗粒较粗, 造成浆料较粗糙, 对玻璃纤维的浸润、渗透能力很差, 对玻璃纤维的握裹力较小。玻璃纤维菱镁水泥板在破坏试验时, 纤维有两种失效方式, 其一是玻璃纤维从水泥中拔出;其二是玻璃纤维在复合材料受弯或冲击时, 玻璃纤维剪切断裂。根据复合材料力学原理, 纤维的拔出取决于纤维与水泥基体的界面摩擦阻力, 摩擦阻力越大, 纤维越不易拔出, 此时纤维会断裂。界面摩擦阻力与胶结料粘结力、纤维表面处理剂性能、纤维的长度、直径等因素有关。

表3中均铺设3层0.2 mm厚玻璃纤维布, 1#锯粉加量较多, 胶结料抗折强度较高, 说明是锯粉的纤维增强作用的结果;抗压强度较低, 说明加入较多的锯粉后, 降低了料浆的握裹力, 对玻璃纤维布粘结力较小, 这也可以解释板材抗弯强度较低的问题。

2.6 改性玻璃纤维增强菱镁板材性能

综合运用上述成果, 掺加山东省建筑科学研究院生产的缓凝剂, 抗吸潮返卤剂研制的玻璃纤维增强菱镁板, 综合性能见表9。

经过改性的玻璃纤维增强菱镁板材, 物理力学性能完全能满足或超过JC688-2006玻镁平板的要求, 冲击强度是要求最小值的6.4倍, 握螺钉力是要求最小值的1.5倍, 干缩率是要求最小值的36%, 湿涨率是要求最小值的30%。

3 结论

(1) 胶结料对玻璃纤维的粘结力越大, 玻璃纤维增强菱镁板材力学性能越高;

(2) 玻璃纤维含量越高, 玻璃纤维增强菱镁板材力学性能越高。

(3) 选用合适的玻璃纤维布铺放方式, 能充分发挥玻璃纤维布对玻璃纤维增强菱镁板材抗弯强度的提高作用。

(4) 用环氧树脂或196树脂刮涂玻璃纤维增强菱镁板材表面, 提高了复合材料抗弯强度。

(5) 经过综合改性研制的玻璃纤维增强菱镁板材, 性能超过JC 688-2006玻镁平板的要求。

参考文献

[1]马捷, 等.纤维增韧技术在建筑腻子中的应用.化学建材, 2007 (23) :4.

[2]玻镁风管JC/T646-2006.

[3]丁茂林.中碱玻纤在氯氧镁复合材料中的作用.玻璃纤维, 2000.

[4]邓德华.MgO/MgC l2摩尔比对玻璃纤维氯氧镁水泥复合材料力学性能的影响.混凝土与水泥制品, 2001.

[5]玻镁平板JC688-2006.

玻璃纤维增强塑料窗的保温性能研究 篇8

1 各种材质外窗对比分析

建筑外窗产品主要包括塑钢窗、木窗、断桥铝合金窗和玻璃纤维增强塑料窗(以下简称“玻璃钢窗”)等。塑钢门窗主要采用化工材料,本身具有较好的保温隔热性能,在节能方面具有较大的优势,但是此类窗易老化、变形。另外,塑钢门窗在保温和结构受力方面是通过塑料异型材和其中空腔内的钢骨架来共同实现的,其自重较大,且门窗作为建筑外围护结构,具有一定的结构受力要求,作为材料本身的受力存在此类隐患,选用值得斟酌。

木窗材料通常采用优质原木的集成材,具有不易变形、保温性能好、装饰效果等多项优点。国家政策一直倡导“节能减排”,建筑市场也向着发展绿色建筑的方向迈进,一方面“节能减排”应属于疏导的范畴,减少能源的利用,以达到降低污染的目的;另一方面,降低排放污染损害的措施,还是要扩大森林覆盖率,利用植被对大气污染的净化作用,将无法消弥的这部分污染处理掉。从这个角度考虑,以木材作为门窗的主要材料,有损大局。

断桥铝合金窗。铝通过加入不同成分的合金元素,可以达到较高的强度,具有较好的延展性和可加工性,可以通过一定的工艺制备出较为复杂的形状,有利于设计师根据具体的需求选择最佳的设计方向,不受工艺的限制。但是,铝合金材料是热的良导体,不属于节能材料。而普通铝合金型材的传热系数则是普通中空玻璃的传热系数的2倍以上,断桥铝合金型材虽然好一些,但其传热系数仍比普通中空玻璃的传热系数高出30%～40%[2]。采用低辐射中空玻璃的断桥铝合金窗,它的传热系数才能达到采用普通中空玻璃的玻璃钢窗或塑料窗的传热系数水平。而低辐射中空玻璃的价格远远高于普通中空玻璃的价格,这就使得断桥铝合金门窗的成本大大提升。

玻璃钢窗是最近几年才出现的新的品类,继承了塑钢门窗较好的保温性能,同时其内部主体为玻璃纤维材料,大大提升了材料强度,无需采用内部穿插钢骨架进行加强,是其最大优势。玻璃钢窗是继木、钢、铝、塑后又一新型门窗。玻璃钢窗综合了其他类门窗的防腐、保温、节能性能,更具有自身的独特性能:在阳光直接照射下无膨胀,在寒冷的气候下无收缩,轻质高强无需金属加固,耐老化使用寿命长,其综合性能优于其他类门窗。并且价格适中,适合中高档消费,符合我国门窗行业发展国情。虽然其也存在产能不足,生产效率较低和加工工艺成熟度不高的问题,但随着技术的发展,玻璃钢生产量及加工工艺成熟度会大大提高。

建筑外窗的使用能耗体现在外窗的节能性能和长期使用性能上。基于以上对比分析,玻璃钢窗最优,表现在良好的节能效果和稳定持久的使用性能;塑料门窗和断桥铝合金门窗持平,塑料门窗的优势在节能效果好,缺点在长久使用性能变差;断桥铝合金门窗的优势在于长久使用变形小,缺点在于节能效果稍差。所以玻璃钢窗应该是值得大力推广的高品质节能窗产品。

2 玻璃纤维增强塑料门窗的特点

玻璃钢也称玻璃纤维增强塑料,是由不饱和聚酯树脂与玻璃纤维结合在一起挤拉成型所形成的一种复合材料。不饱和聚酯树脂是玻璃钢中的基质,起到传递剪力和包裹纤维的作用;玻璃纤维是以玻璃在高温熔融状态下拉丝而成,玻璃纤维的直径都很小,表面经过偶联剂处理后提高了树脂的层间粘结力,在玻璃钢中是增强材料,主要提供强度。玻璃钢这一独特的材料结构,使它具有强度高、耐腐蚀、阻燃、保温等优良特性。

2.1 轻质高强

经实际检测,玻璃钢型材的密度在1.8～2.0g/cm2,它比钢轻4～5倍,而强度却很大,与普通碳钢接近,纵向弯曲强度约为505MPa、弯曲弹性模量约为14200MPa[3],所以玻璃钢型材的空腔内不需钢管辅助增强,完全依靠自身结构支撑,就其力学性能而言可直接替代钢窗。

2.2 节能保温

玻璃钢型材传热系数约为1.0W/(m·K),只有金属的1/100～1/1000,是优良的绝热材料[4]。另外,玻璃钢型材为空腔结构,所有的缝隙均有胶条、毛条密封,因此隔热保温效果显著。

2.3 尺寸稳定性好

玻璃钢型材的线膨胀系数与玻璃及墙体很接近,热胀冷缩相对变形很小,窗框不会因为温度升高而产生挤压变形或遇冷收缩造成与墙体之间的裂胶现象。因而,玻璃钢门窗尺寸稳定性好,温度的变化不会影响门窗的正常使用功能。

2.4 耐腐蚀性好

玻璃钢是优良的耐腐蚀材料,对酸、碱、盐、油等各种腐蚀介质以及潮湿都有较好的抵抗能力,不会锈蚀,寿命长。因此,采用玻璃钢窗,可减少更换门窗的麻烦,节省开支。

另外,玻璃钢窗饰面采用特殊工艺表面处理,颜色丰富,耐擦洗、不易褪色、观感舒适,并且价格适中,适合中高档消费,符合我国的国情。

3 玻璃钢窗保温性能分析

根据目前市面上玻璃钢窗产品使用的情况,选择尺寸规格为1470mm×1470mm的60系列和70系列的玻璃钢窗作为研究对象。主要从型材的断面腔型、玻璃的配置两方面考虑,利用MQMC建筑幕墙门窗热工性能计算软件对整窗进行模拟计算,进而对玻璃钢窗保温性能进行分析。玻璃钢窗模型如图1所示。

根据相关规程,冬季标准计算条件为:室内空气温度Tin=20℃、室外空气温度Tout=-20℃、室内对流换热系数hc,in=3.6W/(m2·K)、室外对流换热系数hc,out=16W/(m2·K)、室内平均辐射温度Trm,in=20℃、室外平均辐射温度Trm,out=-20℃、太阳辐射照度Is=300W/m2。传热系数计算采用冬季标准计算,取Is=0W/m2,计算窗户的传热系数时,窗边框的室外对流换热系数hc,out=8W/(m2·K),边框附近玻璃边缘(65mm内)的室外对流换热系数hc,out=12W/(m2·K)。

3.1 60系列玻璃钢窗

玻璃钢窗的总面积是2.16m2,其中框的总面积是0.67m2,框窗比例为31%,选择4种不同配置的玻璃系统进行模拟计算,计算结果见表1;重要节点的等温线分布见图2-4。

从计算结果可以看出:

(1)玻璃传热系数从1.16W/(m·K)降为0.91W/(m·K),即降低21.6%时,整窗的传热系数降低了10.6%;

(2)玻璃传热系数从0.91W/(m·K)降为0.65W/(m·K),即降低28.6%时,整窗的传热系数降低了14.0%;

(3)玻璃传热系数从0.65W/(m·K)降为0.47W/(m·K),即降低2 7.7%时,整窗的传热系数降低了8.6%。

在保持窗框型材断面腔型不变,玻璃传热系数降低59.5%时,整窗的传热系数降低29.8%。

3.2 70系列玻璃钢窗

玻璃钢窗的总面积是2.16m2,其中框的总面积是0.67m2,框窗比例为31%,选择4种不同配置的玻璃系统进行模拟计算,计算结果见表2;重要节点的等温线分布图见图5-7。

从计算结果可以看出:

(1)玻璃传热系数从1.16W/(m·K)降为0.91W/(m·K),即降低21.6%时,整窗的传热系数降低了10.2%;

(2)玻璃传热系数从0.91W/(m·K)降为0.65W/(m·K),即降低28.6%时,整窗的传热系数降低了17.2%;

(3)玻璃传热系数从0.65W/(m·K)降为0.47W/(m·K),即降低27.7%时,整窗的传热系数降低了10.4%。

在保持窗框型材断面腔型不变,玻璃传热系数降低59.5%时,整窗的传热系数降低33.4%。

3.3 60系列和70系列玻璃钢窗保温效果对比分析

通过60系列和70系列玻璃钢窗模拟结果可知,在玻璃传热系数相同的情况下,70系列玻璃钢窗的整窗传热系数低于60系列的玻璃钢窗的整窗传热系数,平均降幅达到12.3%;在窗框断面腔型保持不变的情况下,随着玻璃传热系数的降低,整窗的传热系数随之降低,在降低到一定程度后,整窗的传热系数降低趋势减弱,但70系列玻璃钢窗整窗的传热系数降低的趋势较60系列玻璃钢窗整窗的传热系数降低的趋势明显,即在不断提升玻璃保温效果的情况下,60系列和70系列的玻璃钢窗整窗保温效果不断提高,提高到一定程度之后玻璃对整窗保温效果的影响减弱,但70系列的玻璃钢窗较60系列的玻璃钢窗的保温效果更明显。

综上所述,不断改变玻璃的保温效果有利于玻璃钢整窗的节能,但考虑到经济可行性,不能只把目光放到改变玻璃的保温效果上,也要在型材本身找到有利于建筑节能的突破点,通过不断改变玻璃钢型材断面腔型结构来提升玻璃钢整窗的保温效果。

4 结束语

在建筑节能中,不仅要提高外墙的保温性能,也要相应地提高建筑外窗产品的保温性能。通过模拟分析可知,玻璃钢窗具有优良的节能潜力,符合当今社会的发展需求。但玻璃钢窗也有自己独特的规律,需要不断地分析研究。

在外窗产品的设计上严格要求,不断研究分析,得到保温效果更好的外窗产品,在政府大力支持和门窗企业等有关科研人员的积极参与下,研制出适合我国北方地区及沿海地区使用的新型节能窗产品,并广泛应用于建筑工程上,建筑节能将能达到理想的效果。

参考文献

[1]张云霞,朱琨.节能窗的研究应用现状及存在问题探讨[J].能源与环境,2008(3):13-15.

[2]傅申森.断桥铝合金节能门窗[J].住宅科技,2007(12):38-41.

[3]薛忠民.中国玻璃钢,复合材料发展回顾与展望[J].玻璃钢/复合材料,2015(1):5-12.

玻璃纤维增强复合材料钻削试验研究 篇9

纤维增强复合材料是由两种或多种不同性能的材料用物理和化学方法在宏观尺度上复合而成的一种完全不同于其组成材料的新型材料[1],具有比强度和比刚度高、耐高温、耐腐蚀等优异的特性,被广泛应用于航空航天、兵器、建筑、车辆等领域[2,3]。与传统的金属材料相比,纤维增强复合材料具有各向异性、硬度高、层间强度低、导热性差等特点,属于典型的难加工材料。在钻削过程中,易产生分层、劈裂等缺陷,从而导致复合材料零件报废[4,5]。

国内外学者通过大量的试验,发现分层与钻削过程中的轴向力密切相关,而横刃是产生轴向力的主要原因,因此减小横刃长度可以有效减小轴向力,减少分层缺陷的发生[6,7,8]。普通钻尖麻花钻制孔时,横刃与加工对象的接触为线接触,定心精度较差,很难保证加工孔的位置精度和几何精度;在钻头钻出复合材料的过程中,由于横刃的推挤作用,出口侧加工质量较差,分层缺陷尤为明显。为了减小钻头横刃长度,减小轴向力,改善复合材料的加工质量,人们一直对麻花钻的钻尖进行研究和改进,由此S刃钻尖麻花钻应运而生[9]。目前,对于玻璃纤维增强复合材料(glass fiber reinforced plastics,GFRP)的加工,鲜有应用S刃钻尖麻花钻的报道。笔者选用S刃钻尖TIN涂层麻花钻对GFRP进行孔加工试验研究。

1 试验条件和试验方法

1.1 试验条件

钻削试验在VMCL600立式加工中心上进行,该加工中心的最高主轴转速为12 000r/min,最大进给速度为10m/min。试件为玻璃纤维层合板,该材料增强体是高强玻璃纤维,基体材料是环氧树脂,正交双向编织,厚度约为15mm;试验中选用S刃钻尖TIN涂层麻花钻和普通钻尖两种刀具。S刃钻尖麻花钻如图1所示,从正面投影可看到钻尖中部突出,呈抛物线状;从端面投影看,钻头横刃被修磨成S形。

轴向力测量系统由YDX-Ⅲ9702压电式传感器(X、Y、Z向测力范围-3000～3000N,Z向灵敏度为±4.26pC/N,X、Y向灵敏度为±8.16pC/N,分辨力为±9.8mN),YE5850电荷放大器,以及自主开发的虚拟仪器构成。文中提取的钻削轴向力为钻头钻出复合材料过程中轴向力的最大值。在钻头钻出复合材料的过程中,出口侧材料变薄、区域刚度减小,最易发生分层缺陷。采用分层因子fd表示复合材料层间的分层情况,这是检测复合材料层间分层综合情况时最常用的评价指标,公式表示如下:

式中,Dmax为出口侧分层区域最大直径;D为孔的直径,这里为钻头直径12mm。

1.2 试验方法

采用预钻导向孔工艺,如图2所示,即先在试件上预钻通孔,排除普通钻尖麻花钻横刃对轴向力的影响;然后在此基础上用钻头直径为12mm的普通钻尖麻花钻继续钻孔,但必须保证两孔的同轴度,研究普通钻尖麻花钻横刃对轴向力的影响。图2中,F为轴向力;d为钻头直径;c为横刃长度;H为试样厚度。

选用S刃钻尖麻花钻,利用单因素试验研究主轴转速、进给速度对钻削轴向力和分层的影响,分析轴向力与分层的关系。通过与普通钻尖比较,研究S刃钻尖横刃对轴向力的影响。试验钻削参数见表1,所有试验均在干切削条件下进行。

2 切削表面微观形态分析

通过SEM对复合材料孔壁表面进行微观观察,分析切削表面微观结构,以及玻璃纤维的断裂形貌和破坏机理。

由图3可以看出,孔壁表面主要由纤维和涂附在纤维周围的树脂组成,左右侧纤维相互垂直,证实纤维为正交双向布置。图3a中,左侧玻璃纤维断口基本与树脂平齐,局部区域甚至很难看清纤维断口,只能看见涂附在孔壁表面的树脂。这主要是由于此处纤维受垂直自身轴线的剪切应力作用,且切削方向是纤维剪切强度最低的方向,比较容易沿孔壁表面切断;但在实际钻削过程中,钻头切削部分处于半封闭状态,切削产生的热量不易散失,导致切削区域温度升高,树脂材料软化最终黏附在断口表面,致使不能完全看清纤维断口,影响孔加工表面的表面粗糙度。从图3a右侧可以看见大量纤维断口和黏附在孔壁表面的纤维断屑,纤维断口形貌呈多样化,但基本与纤维轴线成一定的角度。

观察发现,采用S刃钻尖麻花钻加工后的玻璃纤维断裂形貌主要有3种典型断口。图3b中,纤维断口较平整,基本由一个平面组成,表面质量理想。因此,可将这种纤维断口称为平滑断口,其断裂原因可能是垂直于纤维自身轴线的剪切应力超过了纤维的抗剪强度而产生破坏。图3c中,纤维断口表面基本由两个平面组成,一般称这种断口为弯曲断口,弯曲应力是造成这种断口的主要原因。图3d中的纤维断口并不与自身轴线垂直,而呈倾斜断裂状态,该纤维断口可能是因剪切和拉伸应力共同作用而造成破坏造成,一般把这种断口称为倾斜断口。从对玻璃纤维断口形貌的观察分析可看出,纤维断口没有明显颈缩现象,即玻璃纤维断裂时截面积没有显著缩小,可见玻璃纤维呈脆性断裂。

从上面分析可看出,S刃钻尖麻花钻钻削GFRP时,孔壁表面没有发现由于纤维断口高度不一或纤维被从基体拔出留下的空洞,且纤维断口比较集中,孔加工质量理想。

3 试验结果与分析

3.1 轴向力的结果分析

在孔加工过程中,轴向力变化有相似的规律:钻头切入试件后,轴向力急剧增大,当主切削刃完全参与切削时,轴向力达到最大值。在钻头未钻出试件前,轴向力处于稳定状态,变化不大;随着钻头钻出复合材料,轴向力开始减小,主切削刃完全钻出后,轴向力下降为零。

3.1.1 不同钻尖的影响

图4为主轴转速n=1000r/min时,不同钻尖关于进给速度vf与轴向力关系图,具体数值见表2。表2中,F为无预钻导向孔普通钻尖钻削轴向力;Fs为无预钻导向孔S刃钻尖钻削轴向力;Fo为有预钻导向孔普通钻尖钻削轴向力,即排除横刃影响的轴向力。

由图4可以看出,无论是普通钻尖还是S刃钻尖麻花钻,进给速度vf越大,轴向力愈大,这主要由于进给速度提高,单位时间里切削量增加,刀具克服被加工材料变形抗力增加,因此轴向力增大。进给速度相同时,S刃钻尖钻削轴向力明显小于普通钻尖钻削轴向力。分析认为有两方面原因:一是S刃钻尖改善了钻头的切削性能,且主切削刃的外圆周处为圆弧过渡,在钻削中,纤维和树脂被瞬间切断,变形抗力较小;二是S刃钻尖钻削轴向力小,钻头磨损较轻,切屑对前刀面以及后刀面对已加工表面的摩擦阻力较小。

由表2可以看出,普通钻尖横刃引起的轴向力大约占整个轴向力的50%～70%;而S刃钻尖麻花钻可以有效减小轴向力,与普通钻尖相比,减小范围在30%～40%之间。分析认为其主要原因是,普通钻尖麻花钻横刃较长,且为负前角切削,在钻削过程中更多地表现为推挤作用而非切削,因此轴向力较大;而S刃钻尖麻花钻横刃为曲线刃,基本消除了负前角,在实际切削过程中与试件的接触为点接触,这样就避免了横刃的推挤作用,减小了钻削轴向力,改善了钻头的切削性能。

3.1.2 主轴转速n与进给速度vf的影响

图5为S刃钻尖麻花钻钻削GFRP时主轴转速n、进给速度vf与轴向力的关系图。

由图5可以看出,进给速度vf越大,轴向力愈大。主轴转速n较高时,轴向力随进给速度的变化越明显,在n=3000r/min时,进给速度为120mm/min时的轴向力较30mm/min时的轴向力增加了约2.5倍。vf一定时,随主轴转速n增大,轴向力有增加的趋势。在vf=90mm/min,120mm/min时,随着主轴转速n增大,轴向力明显增加;而在vf=30mm/min时,轴向力变化不显著。从上述分析知道,减小进给速度和主轴转速可以有效减小轴向力。但进给速度减小,会降低孔的加工效率,不符合生产实际需要,所以选择最优钻削参数时,还需考虑效率因素。

3.2 分层结果分析

玻璃纤维层合板层间强度较低,在钻削力和钻削热共同作用下,当纤维层之间产生的层间应力超过了复合材料层间黏结强度时,树脂断裂,层间界面脱粘,产生分层。

3.2.1 主轴转速n、进给速度vf与分层因子fd

图6为S刃钻尖麻花钻钻削GFRP时主轴转速n、进给速度vf与分层因子的关系图。

由图6可以看出,进给速度vf越大,分层因子越大,即出口表面分层缺陷越大。主轴转速n较大时,随着进给速度的增加,分层因子增速加快,这与轴向力随进给速度的变化趋势相仿。主轴转速n越大,出口侧的分层缺陷越大。在vf=30mm/min时,分层因子随主轴转速变化很小;而进给速度较大时,随着主轴转速n增大,分层因子急剧增大。由图5与图6分析比较可以看出,轴向力与分层因子随钻削参数的改变具有相似的变化规律,这充分说明出口侧的分层缺陷与钻削轴向力有关。

3.2.2 轴向力F与分层因子fd

图7为S刃钻尖麻花钻钻削GFRP时轴向力与分层因子变化关系图。

由图7可以看出,轴向力F越大,分层因子愈大,且分层因子值基本集中在一条直线附近,呈线性增加趋势。图7证实了轴向力是引起分层缺陷的主要原因。选用S刃钻尖麻花钻钻削GFRP,可以有效减小轴向力,因此可以减小分层缺陷的大小,甚至可以避免分层缺陷的发生;同时刀具磨损减慢,刀具寿命延长,真正实现优质、高效加工。

4 结论

(1)切削加工表面主要由纤维和涂附在纤维周围的树脂组成;玻璃纤维断口呈明显脆性断裂特征,主要有平滑断口、弯曲断口和倾斜断口3种典型形貌。

(2)采用S刃钻尖麻花钻可以有效减小钻削轴向力,与普通钻尖麻花钻相比,减小幅值为30%～40%。

(3)进给速度vf、主轴转速n越大,轴向力和分层因子越大。轴向力越大,分层因子越大。

(4)S刃钻尖麻花钻头完全可以胜任玻璃纤维增强复合材料的钻孔加工,可以有效减小轴向力,减少分层缺陷的发生,提高孔的加工质量。

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