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纖維增強材料的應用

纖維增強材料的應用
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但可經受較大的應變往往具有粘彈性和彈塑性是韌性材料。纖維增強復合材料由纖維的長短可分為短纖維增強復合材料、長纖維復合材料和雜亂短纖維增強復合材料。纖維增強復合材料由于纖維和基體的不同品種很多如碳纖維增強環氧、硼纖維增強環氧、Kevlar纖維增強環氧、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“復合材料”。廣義上，復合材料是指由兩種或兩種以上不同性質或不同組織的組分（單元）構成的材料。從工程概念上講，復合材料是指以人工方式將兩種或多種性質不同，但由可性能互補的材料復合起來做成的新材料。復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稱為增強體。顧名思義，增強體為纖維物質的復合材料就是纖維增強體。
常見的纖維增強復合材料[1~3](Fibre Reinforced Plastics,簡稱FRP)包括玻璃纖維增強復合材料(Glass Fibre Reinforced Plastics,簡稱GFRP)、碳纖維增強復合材料(Carbon Fibre Reinforced Plastics,簡稱CFRP)、芳綸纖維增強復合材料(Aramid Fibre Reinforced Plas- tics,簡稱AFRP)。目前,已經研究開發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是迄今為止應用于土木工程領域早、技術成熟,也是用量大的一種高性能纖維復合材料。AFRP 在建筑材料方面的應用主要是用于增強混凝土,具有較好的增強效果,現已成功應用于橋梁、碼頭及化工廠等的設施。FRP的應用形式主要有纖維布(單向和雙向)、片材(以膠粘劑浸漬而成)、連續纖維筋、纖維殼、各種形狀的型材、短切纖維及組合結構體系等。由于FRP補強材料具有:質量輕;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相近;(6)耐腐蝕、非電磁性;可設計性及工藝性好等優點,因而在結構加固及改造工程中得到了廣泛關注。在土木建筑工程領域的應用是FRP今后發展的重要方向之一。 FRP加固修補技術 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,把纖維粘貼于結構或構件表面,形成復合材料體 FRP,通過其與結構或構件的協同工作,達到對結構構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的加固修補方法相比,粘貼FRP加固修補混凝土結構具有明顯的技術優勢,主要表現在: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;纖維布質輕且薄,加固后原結構構件截面、荷載增加均不大,不影響原建筑物的使用功能;加固施工時對現有結構擾動小,可明顯提高現有結構的力學性能、耐久性和耐腐蝕性等而不會影響現有結構的整體性等。 FRP加固修補技術的應用方式有兩種,一是直接應用于新建結構中,二是用于舊有結構的維修加固,以取得良好的建筑效果。FRP用于舊有結構修復與加固時的形式主要是在梁、板、柱以及砌體結構中。FRP的應用領域主要體現在橋梁結構、民用建筑結構等領域中。FRP應用研究現狀上世紀60年代美國開始對FRP進行開發,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致建筑結構和橋梁結構使用性能退化,而將FRP的研究重新提上日程。南達科他礦業理工大學開發了類似于鋼絞線的 CFRP絞線(由7股線組成),現在其他大學和研究機構正致力于FRP筋的研究與應用探討[11]。美國加州州立理工大學和俄勒岡州立大學聯合進行的課題,不僅對一座3跨的小橋實地進行了加固,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果進行了有限元分析,得到了令人滿意的結果。
美國加州大學圣地亞哥分校研究發展了計算機測試模型,用三向有限元技術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。加州大學圣地亞哥分校和佛羅里達大學的研究都表明了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增強環氧樹脂層壓材料修復補強橋梁,研究表明橋梁的強度大大提高、彈性響應略有增加,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果,在理論上論證了CF增強聚合物層壓材料加固修復鋼筋混凝土橋梁的可行性。E.Cosenza 等[13]分析了評估發展長螺紋纖維增強聚合物基復合材料(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域的各個方面,而且會議還專門組織了 “復合材料橋梁結構比賽”,展出了幾十個不同結構的復合材料橋梁。
纖維增強復合材料的性能體現在以下方面：
比強度高比剛度大成型工藝好材料性能可以設計抗疲勞性能好。破損安全性能好。多數增強纖維拉伸時的斷裂應變很小、疊層復合材料的層間剪切強度和層間拉伸強度很低、影響復合材料性能的因素很多會引起復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合材料雖然某些性能很好但價格昂貴、纖維增強復合材料與傳統的金屬材料相比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同時減少對相鄰結構件的影響
顆粒增強復合材料
顆粒增強體是用以改善復合材料的力學性能，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的金屬加工工藝進行二次加工等優點，已經成為金屬基復合材料領域重要的研究方向。顆粒增強金屬基復合材料的主要基體有鋁、鎂鈦、銅和鐵等，其中鋁基復合材料發展快；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合材料。鎂基復合材料因其密度小，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領域的重視。顆粒增強鎂基復合材料與連續纖維增強、非連續 (短纖維、晶須等)纖維增強鎂基復合材料相比，具有力學性能呈各向同性、制備工藝簡單、增強體價格低廉、易成型、易機械加工等特點，是目前有可能實現低成本、規模化商業生產的鎂基復合材料
目前,美國土木工程師學會(ASCE)、混凝土學會(ACI)和試驗材料學會(ASTM)正在編制相應的行業標準與規范。由英國貿易與工業部資助的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品。
Ｓ玻璃纖維（或稱Ｒ玻璃纖維），可大大提高復合材料的強度和剛度，適用于宇航業和軍事工業等方面的應用領域，以滿足其高技術性能的要求。另外，在運輸業、運動器械、娛樂器具等方面，也有廣泛的應用。
Ｄ玻璃纖維，其介電性能較為優越，在電子工業應用上，已占有絕對的優勢。
玻璃纖維增強材料，也可按連續的或不連續的形式，進行分類。
２、連續型玻纖增強材料
連續型增強材料，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，無定向連續纖維氈等。其他還有：玻纖布與非織物氈，連續纖維氈與短切原絲氈，以及各種多層工程專用連續型增強材料等復合型增強材料。此外，還有編縫的或織縫的三向預成型纖維增強材料等。
無捻粗紗的生產制造方法有兩種，一種是經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。無捻粗紗性能的發揮，還與所使用的工藝條件有關，例如紡織，連續預浸漬，短切等。無捻粗紗，近開發出一個新的品種，稱“加圈無捻粗紗”，即在粗紗的垂直方向上，加有環圈。它可提高單向復合材料的橫向強度，尤其適合于拉擠玻璃鋼制品使用。
預浸漬無捻粗紗，通常是Ｒ玻璃纖維浸漬環氧樹脂，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，并使用粘結劑進行粘結成氈。其使用粘結劑的種類和數量，可根據應用的情況而定。連續纖維氈常用于對模成型工藝，以及某些定型的批量產品和電子線路板等。
３、非連續纖維增強材料，有短切纖維、短切纖維氈、短切纖維預成型材料、連續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劑制成。粘結劑可溶于苯乙烯，其用量約為３～１０%，也可根據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，這是玻璃鋼生產企業所必須引起注意的一個重要方面?，F就國外的一些成功經驗，總結歸納如下：
單向強度玻璃鋼制品　通常采用連續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）、增強反應注射模塑（ＲＲＩＭ）、結構反應注射模塑（ＳＲＩＭ）等工藝方法，所用增強材料的類型，有玻纖氈、預成型材料、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，就與樹脂進行預混合后使用的。而預成型材料，大多采用在定向纖維組成的篩網上，噴射短切纖維和粘結劑，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，經常與樹脂預先混合，而后再加壓成型，其生產成本較為低廉。
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。若采用長纖維預浸料，可對預浸漬連續無捻粗紗，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原絲，進行連續浸漬工序，而后壓制成型。某些情況下，是將連續無捻粗紗，采用機械方式定向，以使制品達到更高的機械強度和模量。
預浸漬帶　這是采用對連續無捻粗紗或雙向織物，進行預浸漬樹脂而制成。對于熱固性樹脂，通過加熱預浸料，使之達到Ｂ階狀態。而對于熱塑性樹脂，可通過冷卻至室溫，而達到Ｂ階狀態。不管熱固預浸料，還是熱塑預浸料，均可在放入壓機后，經過加熱加壓，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定性能以及材料的耐久性等等，并使玻璃鋼材料在各個領域，獲得了廣泛的應用。
應該看到，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，玻璃纖維就會恢復到原來的長度。
其二，玻璃纖維沒有磁滯現象。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，會突然發生斷裂現象。例如，常用的Ｅ玻纖單向增強的復合材料，在一個定量載荷下，經過一定的時間常會發生應力斷裂現象。經過測試，其抗拉強度將隨時間的延續而衰減，初始時衰減很快，將喪失１/３的初始值。但其后，將在５０年內才衰減到原始值的１/２。
纖維增強的和顆粒增強的復合材料有什么區別
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合材料統稱.
一種較容易批量制造、加工、成形和成本較低的金屬基復合材料.也是研究發展較成熟的復合材料.
這類復合材料的組成范圍寬廣,可根據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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