短纤维增强复合材料

2024-05-16

短纤维增强复合材料（精选12篇）

短纤维增强复合材料第1篇

关键词：纤维含量,纤维增强,性能

0前言

粉末冶金制备的金属陶瓷复合材料广泛用于制造摩擦制动器件和金刚石工具,但粉末冶金法决定了制品的强度,特别是抗拉强度低,冲击韧性差,致使制品的使用性能和使用寿命降低[1]。利用金属纤维的高强度,高模量对金属陶瓷复合材料进行强韧化,可大大提高其强度,改善基体的导热性能,对阻止表面裂纹的产生与扩展也能起到很好的作用,是对金属陶瓷复合材料进行强韧化的一种行之有效的措施[2]。

在用粉末冶金法制备316L不锈钢纤维增强的Sn-Cu- Fe-WC基复合材料的过程中,纤维含量是其中重要的一环。在一定纤维含量内,纤维含量愈高,对材料的增强效果越明显,但同时复合材料的混匀就越困难,采用短纤维更有利于粉末冶金工艺的实施。

1试验过程及结果

试验采用的是不同的纤维含量对Sn - Cu - Fe - WC纤维增强复合材料性能的影响,纤维含量分别为9%、15%和20%烧结温度都采用940 ℃,保温时间均为1 h,试验结果如下:

1) 纤维含量对密度的影响( 图1 ) ,随着纤维含量的增加,试样密度在逐渐下降,当纤维含量达到了20% 时, 试样密度达到了最低值。Sn - Cu - Fe - WC基体随纤维含量的升高,试样密度下降得很快。

2) 纤维含量对抗拉强度的影响。材料试样的抗拉强度随纤维量变化曲线( 图2) 。Sn - Cu - Fe - WC基体随纤维含量的增加抗拉强度不断升高,在纤维含量达到15% 时抗拉强度最大,随后开始降低。

3) 纤维含量对单位体积吸收能量值和断裂伸长率的影响。单位体积吸收能量值和断裂伸长率随着纤维含量变化分别如图3和图4所示,从( 图3、图4) 中可知,随着纤维量的升高,两者均呈现出下降的趋势,20%纤维量为最低值。

4) 纤维含量对硬度的影响( 图5) 。从图5中可看出明显的趋势: Sn - Cu - Fe - WC基体复合材料随纤维含量的增加,硬度值也在不断升高,在纤维含量15% 处达到最高值,随后硬度开始下降。

5) 纤维含量对弹性模量的影响,如图6所示。随着纤维含量增加复合材料的弹性模量逐渐降低。但下降趋势比较平缓。

2分析与讨论

在纤维增强的复合材料中纤维的含量是一个很重要的参数,纤维含量的不同将影响到增韧机理和复合材料的断裂模式。含量过低,不能充分发挥复合材料中增强材料的作用,反而成为多余夹杂甚至成为缺陷源。但是含量过高,易形成团聚,在基体中分散不均匀,纤维和基体之间不能形成一定厚度的过度层,既无法承担对纤维力的传递也不利于复合材料抗拉强度和断裂韧性值的提高。故合理的纤维体积含量是复合材料设计中重要的一环。基体材料在烧结中,异相材料的结合总会比同相材料结合差,纤维的加入等于添加了新的组元,这样就破坏了原有基体材料的结合性。而且, 短纤维的加入必然会对基体产生割裂作用[3]。所以,材料的孔隙会随着纤维的增加而增多,这样又引起密度的下降,拉伸时更加容易产生应力集中,烧结材料的塑性和韧性也会因此降低。但是,由于纤维另一方面起着强韧化效果,所以塑性和韧性的降低不是很明显。

试验中材料的抗拉强度、弹性模量和硬度都随纤维的增加而呈现先增大后减小的现象,这是因为随着纤维量的提高,有更多的纤维与基体紧密结合,高模量纤维的强化效果得以体现。而过多的纤维会对基体割裂作用增强,使得孔洞增加,所以在纤维达到一定值后性能随纤维增加反而下降[4]。图7和图8为940 ℃ 、保温时间都为1 h,基体添加9% 短纤维和基体添加20% 短纤维的SEM照片。从图8上可以明显看到,基体添加20% 短纤维后复合材料的孔隙率较多,而且纤维与基体的结合情况也不是很理想,结合面多处出现脱落; 相反,基体添加9% 短纤维孔隙率较少,纤维与基体的结合也比较紧密。

3结语

通过试验,对Sn - Cu - Fe - WC基体及其添加不同含量的纤维后的复合材料可以得到以下几点结论:

1) 材料的抗拉强度随着纤维含量的增加先升高,然后又快速降低; 密度、塑性和韧性都随着纤维含量的升高而下降,但下降的幅度并不大。硬度和弹性模量都随纤维含量升高先增加后减小,且增减幅度较大。

2) 纤维含量从9% 到15% 过程中,材料的抗拉强度明显增高,在15% 处达到最高值362 MPa; 纤维含量从15% 增加到20% 的过程中,复合材料的所有性能都在下降,说明20% 的纤维含量对烧结试样性能起到弱化作用。

3) 可以推断出烧结试样最佳的纤维含量为15% ,最高强度为362 MPa。

金属内衬纤维增强复合材料筒体设计第2篇

金属内衬纤维增强复合材料筒体设计

研究了金属内衬纤维增强复合材料筒体的设计方法,推导出了环向及螺旋加环向纤维缠绕的金属内衬筒体计算公式.以算例表明,该方法在保证壳体爆破强度前提下,达到了壳体减重和增加刚度的效果.本研究以固体火箭发动机壳体设计为背景,可以延伸用于一般压力容器.

作者：赵立晨 Zhao Lichen 作者单位：国防科技大学,长沙,410073 刊名：宇航材料工艺 ISTIC PKU英文刊名：AEROSPACE MATERIALS & TECHNOLOGY 年，卷(期)： 37(2) 分类号：V2 关键词：压力容器固体火箭发动机壳体纤维增强复合材料金属材料

短纤维增强复合材料第3篇

关键词：增强体；复合材料；结构加固

1 纤维增强复合材料特点

纤维增强复合材料（FRP）就是将纤维作为增强体与传统的工程材料复合应用。在土木工程领域中常用的纤维主要是：玻璃纤维（GFRP）、碳纤维（CFRP）和芳纶纤维（AFRP）。与钢材相比FRP材料可大大减轻结构自重，而且，在某些工程有特殊需要时FRP由于具有较强耐腐蚀性，可取代或部分取代传统的建筑材料，来满足其特殊设计要求。此外，FRP材料的弹性性能好，如在外力作用下发生变形后仍然可以恢复成原来的形状。这种特性使其非常适用于加固承受大的动荷载或冲击荷载情况下的结构构件。另外，FRP材料还具有很多传统材料所不具有的优势和特点，例如，较好的绝缘性并能隔热、抗电磁波而且热膨胀系数小等。因此在工程中有很大的灵活性，可设计性强。

2 FRP结构加固技术的发展

欧美一些发达国家在早20世纪80年代时就将FRP应用在了土木工程的结构加固方面，而国内在这方面的应用研究起步比较晚。但自从相关研究得到关注以来，国内各知名高校的专家学者也一直致力于FRP加固技术、设计理论、工程实践等方面的研究，并且也取得了一系列的创新成果。极大推进了FRP材料在我国工程结构中的应用。同时，为了更好的进行学者间的沟通交流、彼此提高技术水平，中国土木学会相关分会专门召开有关FRP应用研究的学术交流会和主题会议，并且在FRP加固规范的制定方面我国已编制并颁发了相关技术规程和施工标准，这些标准规程的使用对FRP的实际应用起到了较好的规范和指导作用。

3 FRP加固技术的实际应用

关于FRP对混凝土结构进行加固方面，国内外学者进行了大量的试验研究和相关工程实践，并已形成了一系列较为成熟的设计理论。一些成果资料显示，FRP片材应用到混凝土的梁、板加固中时可以很好的改善其抗弯、抗剪承载力，并且对于裂缝的开展有明显的控制效果；同时，在混凝土柱的加固过程中可使其的变形和滞回耗能能力得到明显提高，并且可显著改善混凝土柱的抗震性能。在不断的研究和实践中也发现了一些值得注意的问题，同时也对一些FRP加固新方法进行了研究和尝试。

3.1 在实验研究中发现了一个非常值得关注的问题，就是FRP与混凝土界面的粘结性能的问题。在工程实践中我们发现，采用非预应力抗弯加固时，FRP的有关性能得不到很好的利用。因此，破坏形态多为脆性破坏，因此在应力水平很低的情况下FRP片材也很容易与混凝土发生剥离，导致FRP无法有效发挥其强度高的优势，对于加固的效果产生了很大的影响。国外也有学者对于这个问题做了相关研究并提出了界面粘结强度模型和相关公式。但我们仍需要在这个问题上做更多的研究和尝试，找到更好的解决办法，使FRP的性能得到最大的发挥并取得更好的加固效果。

3.2 预应力FRP加固时的工作原理与预应力钢筋混凝土的原理相似，是用粘结材料将事先张拉好的FRP片材粘结到混凝土梁的受拉面上，使原混凝土结构与粘贴的FRP片材一同工作。有关FRP 片材加固的试验结果表明采用预应力碳纤维布（CFRP）时加固效果较好，因为碳纤维布（CFRP）在加固过程中充分利用了FRP轻质、高强的特点，并且结果显示，从开裂荷载、屈服荷载、极限荷载的提高幅度来看采用预应力加固的效果都要比非预应力情况下加固效果好，而且预加应力也缓解了碳纤维布（CFRP）的应力滞后问题。

3.3 碳纤维布（CFRP）和外包钢复合加固技术。为了充分发挥碳纤维布和钢材这两种材料各自不同的优势，有学者提出将碳纤维布（CFRP）和外包钢同时用于混凝土柱的加固中，使其共同作用来改善结构的抗弯性，且构件的刚度衰减慢，其破坏性与单独加固的构件相比更有预测性，对构件的抗震设计非常重要。复合加固可发挥材料各自的优势，使加固柱在极限应变、延性和耗能能力方面都有较大改善。

3.4 采用混杂纤维布（HFRP）进行结构加固。混杂纤维布是将各种不同的纤维混合在一起，使它们同时作为增强体的复合材料，这样可以将不同纤维各自的优点聚集在一起，共同发挥作用。关于采用混杂纤维布（HFRP）对构件进行加固的方法最早是由汕头大学的熊光晶教授提出的，熊教授在这方面和他的学生们做了大量的试验研究。相关数据表明，采用混杂纤维布（HFRP）加固混凝土梁，不仅可以使构件的承载力和延性有所提高，还可明显降低加固成本。因此，混杂纤维在FRP加固技术的应用中有很好的发展前景。

3.5 将FRP嵌入式加固。这种方法是用粘结材料将FRP粘结在原构件表面上事先留好的槽中，使FRP与原构件形成一个共同工作的整体，以此来改善原结构的各项力学性能。这种方法与原来直接在结构表面粘贴FRP的方法相比，嵌入式加固方法的FRP材料与原结构的粘接性更好，这样可以有效防止火灾对FRP材料的破坏，同时又充分利用了FRP材料的强度，实现有效提高构件承载力的目标。尤其在构件的负弯矩区加固具有极大的优势。这种嵌入式加固可以取得较好的加固效果，非常值得在相关应用研究中做更多的工作使方法可以更好地得到应用和推广。

4 结语

综上，凭借其质量轻、强度高、耐腐蚀等多种优势，FRP材料逐步在结构加固领域取得了一席之地，得到了广泛关注和认可，未来将通过更多的研究和探索争取使FRP材料在结构加固方面发挥更大的优势。然后，需要关注的是我们对FRP加固技术的研究虽然在理论和工程实践中都取得了一些成果，但距工程实际还有更多的问题需要研究和解决。关于材料的生产工艺、成本的降低和新性能的开发，相关技术规范与标准的制订等方面，都仍需要做大量的研究工作，努力加快工程实际应用的总结，使研究成果尽早转化为工程应用。

参考文献：

[1]王宗昌.建筑工程质量控制与防治[M].北京：化学工业出版社，2012.

短纤维增强复合材料第4篇

短纤维增强复合材料因具有耐高温、抗蠕变、高回弹性等良好的力学性能,已成为密封复合材料领域近年来的研究热点之一[1]。复合材料中各相之间的应力通过界面传递,短纤维增强复合材料的力学性能很大程度上取决于从基体到纤维的应力传递效率[2]。Cox剪滞理论是研究短纤维复合材料内应力传递规律的一种最重要方法,其几何模型为一根埋在固体基体中的纤维,并假设界面粘合完美,纤维只承受轴向荷载,末端没有应力传递,而基体和界面只承受剪切荷载[3]。尽管Cox理论作了很多假设,但其得到的应力分布趋势是正确的,因而剪滞理论模型常被研究人员所广泛引用[4,5,6,7,8]。

分析细观结构参数对材料间应力传递和分布规律的影响,对建立材料细观结构与宏观力学性能的关系、优化材料细观结构、预测复合材料的宏观力学性能有着极其重要的意义。短纤维增强复合材料中纤维、基体及纤维基体间的界面剪应力分布与材料细观力学参数(如短纤维长径比、体积分数和弹性模量及基体弹性模量等)有很大关联。Hsueh[5,6]分析了单纤维埋入无限长基体的模型中时纤维长径比、体积分数、纤维/基体模量比对应力分布的影响规律。康国政等[9]在短纤维增强金属基复合材料的单纤维轴对称和单纤维三维细观力学模型基础上,利用弹塑性有限元分析法,研究了短纤维长径比与材料应力传递的关系。Yazici等[10]分析了钢纤维的长径比和体积分数对钢纤维增强水泥基复合材料的压缩强度和弯曲强度等宏观力学性能的影响。

本研究建立单纤维双圆柱体胞细观力学模型,基于纤维和基体间完美粘合的假设,采用基体的Lame形式推导纤维轴向应力和纤维/基体间界面剪应力分布方程,分析细观结构参数(纤维、基体弹性模量、纤维长径比和体积分数)对短纤维增强复合材料内应力传递和轴向应力分布的影响。

1 细观力学模型及应力传递分析

图1为单纤维埋入基体的双圆柱代表体积单元细观力学模型。纤维半径和长度分别为a和2l,基体的半径和长度分别为b和2L,纤维的体积分数则可表示为Vf=a2l/b2L。纤维和基体视为各相同性,作用在基体上的载荷平行于纤维轴向,即沿z向。在外载荷σ0作用下,纤维和基体发生弹性变形。纤维径向和周向应力与轴向应力相比非常小,因此可以将其忽略,而只考虑纤维轴向位移和变形[5,6]。

纤维和基体的轴向位移、应变以及应力之间的关系可分别用式(1)和(2)表示:

$ε_{f} = \frac{d u_{f} (z)}{d z} = \frac{σ_{f} (z)}{E_{f}} (1)$

$ε_{m} (r, x) = \frac{d u_{m} (r, z)}{d z} = \frac{σ_{m} (r, z)}{E_{m}} (2)$

式中:σ、u、ε分别表示轴向应力、位移和应变,下标f和m分别表示纤维和基体,z、r分别为轴向和半径坐标,Ef、Em分别表示纤维和基体的弹性模量。

对于弹性基体,其内部的轴向剪应力可用Lame形式表示[11,12]:

$τ_{m} (r, z) = \frac{p_{m}}{r} + q_{m} r (3)$

式中:pm和qm为待定常数。当r=a时,τm(a,z)=-τi(z),τi(z)为纤维和基体间界面剪应力;当r=b时,τm(b,z)=0。由此可得:

$τ_{m} (r, z) = - \frac{(b^{2} - r^{2}) / r}{(b^{2} - a^{2}) / a} τ_{i} (z) (4)$

基体中剪应力也可表示为:

$τ_{m} (r, z) = G_{m} \frac{d u_{m} (r, z)}{d r} (5)$

式中:Gm为基体的剪切应力,且Gm=Em/[2(1+vm)],vm为基体的泊松比。

结合式(4)和(5),并沿r方向积分可得:

$u_{m} (r, z) - u_{m} (a, z) = - \frac{b^{2} \ln (r / a) - (r^{2} - a^{2}) / 2}{G_{m} (b^{2} - a^{2}) / a} τ_{i} (z)$

(6)

根据基体和纤维间界面粘结完美的边界条件,即uf(z)=um(a,z),并结合式(1)和(2),对式(6)进行微分可得:

$\frac{σ_{m} (r, z)}{E_{m}} - \frac{σ_{f} (z)}{E_{f}} = - \frac{b^{2} \ln (r / a) - (r^{2} - a^{2}) / 2}{G_{m} (b^{2} - a^{2}) / a} \frac{d τ_{i} (z)}{d z}$

(7)

基体中轴向平均应力可定义为:

$\bar{σ}_{Μ} (z) = \frac{2}{b^{2} - a^{2}} \int_{a}^{b} σ_{m} (r, z) r d r (8)$

联立式(7)和(8),得:

$\bar{σ}_{Μ} (z) = \frac{E_{m}}{E_{f}} σ_{f} (z) - A_{1} \frac{E_{m}}{G_{m}} \frac{d τ_{i} (z)}{d z} (9)$

式中:

$A_{1} = \frac{a [4 b^{4} \ln (b / a) - (3 b^{2} - a^{2}) (b^{2} - a^{2})]}{4 (b^{2} - a^{2})^{2}} (10)$

纤维和基体间界面剪应力和纤维轴向应力应满足平衡方程,即式(11):

$\frac{d σ_{f} (z)}{d z} = \frac{2}{a} τ_{i} (z) (11)$

基体承受平行于纤维轴向的载荷作用时,整个复合材料应满足应力平衡方程式(12):

$b^{2} σ_{0} = (b^{2} - a^{2}) \bar{σ}_{Μ} (z) + a^{2} σ_{f} (z) (12)$

联立式(9)、(11)和(12)可得纤维轴向应力方程,即式(13):

$\frac{d^{2} σ_{f} (z)}{d z^{2}} - A_{2} σ_{z} (z) + A_{3} σ_{0} = 0 (13)$

式中:

$A_{2} = \frac{2 G_{m} [a^{2} / (b^{2} - a^{2}) + E_{m} / E_{f}]}{a E_{m} A_{1}} (14)$

$A_{3} = \frac{2 G_{m} b^{2}}{(b^{2} - a^{2}) a E_{m} A_{1}} (15)$

求解式(13),得:

σf(z)=A0σ0+C1sinh(kz)+C2cosh(kz) (16)

式中:C1和C2为待求值, $k = \sqrt{A_{2}} ‚ A_{0} = \frac{b^{2}}{a^{2} + (b^{2} - a^{2}) E_{m} / E_{f}}$ 。

由式(11)和(16)得到纤维和基体间界面剪应力方程:

$τ_{i} (z) = \frac{a}{2} k [C_{1} c o s h (k z) + C_{2} s i n h (k z)] (17)$

单纤维复合材料中应力传递的试验研究结果表明纤维两端的纤维应变和应力为零,而在纤维中心部位达到最大值[13,14]。因此由边界条件,z=-l时,σf(-l)=0;z=l时,σf(l)=0。求得C1=0, $C_{2} = - \frac{A_{0}}{c o s h (k l)} σ_{0}$ 。

2 结果与讨论

2.1 模型计算结果分析

本研究计算中如无另外说明,参数取值分别为:a=5μm、b=15μm、l=50μm、Ef=100GPa、Em=2GPa(Ef/Em=50)、vm=0.35。假设纤维在基体中均匀分布,即2L-2l=2b-2a,则L=60μm。纤维轴向应力和界面剪应力沿纤维轴向长度方向分布可由式(16)和(17)计算得到。由于σf(z)和σi(z)分别是关于沿纤维轴向z的偶函数和奇函数,故本研究仅分析0≤z≤l时σf(z)和σi(z)的分布情况。纤维/基体模量比、纤维长径比和纤维体积分数对纤维轴向应力和界面剪应力分布的影响规律如图2-图4所示。

图2为不同Ef/Em时计算得到的纤维轴向应力和界面剪应力分布曲线。图2中Ef/Em分别取5、10、20和50,即Em分别取20GPa、10GPa、5GPa和2GPa。由图2(a)可见,纤维轴向应力最大值位于纤维中心位置;随着z增加,纤维轴向应力先缓慢减小,到纤维端部附近急剧减小至0。此外,随着Ef/Em值的增加,纤维轴向应力值也明显增加。由图2(b)可见,在纤维端部及附近有较大的界面剪应力值,且随着Ef/Em值的增加而增加。

图3为纤维长径比对纤维轴向应力和界面剪应力沿纤维轴向分布的影响。l/a分别为5、10、20和30,即l分别取25μm、50μm、100μm和150μm。由图3(a)可见,随着纤维长径比的增加,纤维轴向应力值先有较大的增加,而随着长径比的进一步增加,纤维轴向应力值没有明显变化,但沿纤维轴向上的纤维应力分布相对较均匀。图3(b)显示,随着长径比的增加,纤维轴向界面剪应力值增加较小,在纤维中心部位出现最小界面剪应力值,最大界面剪应力值出现在纤维端部,且较大长径比的纤维端部界面剪应力值也较大,但剪应力值随长径比增加较小。

图4为不同纤维体积分数时计算得到纤维轴向应力和界面剪应力分布曲线。图4中vf分别为0.0926、0.133、0.208和0.370,即b分别取7.5μm、10μm、12.5μm和15μm。由图4(a)可见,在较大的纤维体积分数下,随着纤维体积分数的增加,纤维的轴向应力反而减小,但纤维沿轴向的应力分布更加趋于均匀。图4(b)表明,除纤维端部及附近外,界面剪应力随着纤维体积分数的增加而减小;但当纤维体积分数较高(如vf=0.370)时,纤维端部的最大界面剪应力值最大。

2.2 结果的验证

将本研究所得的纤维轴向应力分布与Cox[3]和Hsueh[5]的研究结果进行对比,结果如图5所示。从图5可以看出,采用本研究建立的单向短纤维应力传递模型得到的纤维轴向应力分布规律与Cox和Hsueh模型反映的规律一致。且分析结果与Hsueh结果较为接近,随着纤维体积分数的增大、纤维/基体模量比的减小和纤维长径比的增大,与Cox分析结果的差值逐渐减小。

3 结论

本研究采用含有纤维和基体的单纤维双圆柱体包模型分析了材料中的应力传递,得到了纤维轴向应力和纤维基体间界面剪应力的计算方程。讨论了纤维/基体模量比、纤维长径比和纤维体积分数对纤维轴向应力和界面剪应力分布规律的影响。增加纤维/基体模量比和纤维长径比可以提高材料间的应力传递效率,且较大的纤维长径比使得纤维轴向应力分布更加均匀;在较高的纤维体积分数下,纤维的轴向应力和界面剪应力随着纤维体积分数的增加而减小,但纤维沿轴向的应力分布更加趋于均匀且纤维端部的界面剪应力值较大。

短纤维增强复合材料第5篇

碳纤维增强复合材料（CFRP）自问世以来就一直在军事领域特别是航空航天领域中发挥着重要作用。近年来随着应用研究的发展，国内外对其在海军舰艇上的应用越来越重视。CFRP在海军舰艇上应用时具有如下突出的优点：优良的力学性能；耐腐蚀（可耐酸、碱、海水侵蚀,水生物也难以附生）；大幅减重；优良的声、磁、电性能（透波、透声性好,无磁性,介电性能优良）；优良的设计、施工性；容易维护，维护费用远低于钢制舰艇。

早期CFRP仅仅应用在小型巡逻艇和登陆舰上。相对差的制造质量和船体刚度限制了其长度不能超过15m，排水量不超过20t。近年来随着低成本复合材料制造技术的提高，CFRP才开始应用在大型巡逻艇、气垫船、猎雷艇和护卫舰上。

近几年国外制造的新型舰艇中不乏大量使用CFRP的亮点之作。美国制造的短剑号隐身快艇

“短剑”高速快艇长24.4米，宽12.2米，吃水0.9米；排水量67吨；动力装置为4台“毛虫”柴油机，每台功率1650马力，由4具6叶螺旋桨推进，在载重37吨下航速可达50节。艇体采用了比传统的钢材更结实、更轻巧的CFRP。一次能够运载12名全副武装的“海豹”突击队员和1艘长11米的特种作战刚性充气艇。同时，可搭载1架小型无人机。

目前，“短剑”是美国使用CFRP一次成型制造的最大船体，在整体制造成形过程中不用焊接，更无需铆接，因此船体外表十分光滑，重量也大为降低。尽管目前的成本相对于普通的钢和铝合金偏高，但在这—技术成熟后，进行批量生产的成本将有较大的下降空间。作为试验艇，“短剑”的单艘造价约为600万美元，试验总成本在1250万美元之内。

综合“短剑”艇体的这种设计，以及CFRP的使用，不但使其获得了高速，也使其行驶过程中的稳定性更高，高速行驶中的沉浮现象大大减轻，即使在高速回转时，依然可以保持平稳行驶，从而增加了艇员的舒适度，提高了艇的适航安全陛，扩大了在内河和地形复杂的浅海使用范围。与此同时，由于其阻力的降低也使得“短剑”比普通快艇更加节省燃料。瑞典制造的维斯比级轻型护卫舰

维斯比级轻型护卫舰（Visby-class corvette）是瑞典皇家海军最新锐的舰艇之一，由于奇特的外形设计，很好的隐身性能，并采用喷水推进装置使该级舰具有很高的机动性，同时又可减少舰的吃水，使该舰能在浅水海区使用等优点，使其受到国际社会的广泛关注。

该级舰的最大特点是采用全新的隐身设计技术。舰壳材料并非采用常规钢材，也不是普通玻璃钢，而是CFRP，采用特殊真空注入技术建造而成。为了达到关键性能要求，壳体必须尽可能轻，因而壳体采用夹心结构，由聚氯乙烯夹心和碳纤维乙烯基酯层压板构成，它不但具有很高的强度和经久耐用性，还具有优良的抗冲击性能。

“维斯比”舰的舰体、甲板、上层建筑基本都是CFRP夹层板制成的。与传统材料相比，这种材料不仅结构坚实，强度可与钢铁相媲美，而且无磁性，有利于降低舰艇产生的磁场，并有良好的抗震性能，因而可执行反水雷任务。此外，CFRP夹层板光滑平糙，有助于取得良好的隐身效果。同时还可以绝热，对舰内各种机械设备产生的红外辐射有较好的屏蔽作用。另外，这种复合材料比重轻，可减轻舰体重量，且不象铜那样容易腐蚀，从而大幅度减少全寿命费用。

为了用CFRP建造如此大的舰船，瑞典海军花费了大量的时间进行了试验,研究出了真空辅助夹层灌输法生产工艺。CFRP夹层板的芯是PVC材料制成的板材，厚度不等，从纸张一样薄到9厘米厚都有，上面有细小的格槽，然后将乙烯薄层和碳纤维覆盖在PVC主芯上。这种方法的优点是纤维含量比手工铺设的要高，结构重量更低。

印尼制造的全碳纤维导弹巡逻艇

印尼PT Lindun公司在2012年推出一款全碳纤维导弹巡逻艇，该导弹巡逻艇艇长63米，采用先进的三体船身设计，将成为东南亚地区最先进的海军舰船。该舰采用激进的穿浪船体设计以改进适航性和稳定性，并且完全由CFRP制成，采用了真空导入工艺和乙烯酯树脂。用这些材料构建船身结构增强了该舰的隐身性，同时降低了使用期运行、维护的成本。

如果将舰船上可以使用碳纤维来提高性能的结构部分归类，大致可分为如下几方面。

CFRP上层建筑

60年代中期以来巡逻炮艇上的炮艇甲板室就开始采用复合材料，70年代早期，猎雷艇的上层建筑也开始采用复合材料。芬兰皇家海军的快速巡逻艇劳马（Rauma）的上层建筑也采用复合材料夹层结构，船体采用铝合金。复合材料甲板室要克服两个主要问题：即采用钢时出现的腐蚀和水上重量过大。对于小型海军舰艇（长度小于20m）来说，采用复合材料代替钢可以减轻约65%的重量。

与钢和铝相比，CFRP上层建筑存在很多缺点，例如制造成本高，因为其和钢甲板的连接处花费昂贵，对于中型护卫舰来说，上层建筑采用CFRP代替钢会给建筑成本增加40%~140%，尽管如此，许多舰船制造者和海军已开始接受更高的制造成本，因为可以节省使用周期成本，从而降低总体成本。

CFRP桅杆

20世纪60年代复合材料首次应用在桅杆上。传统的钢桅杆采用开放式结构，突出在外，会干扰本舰的雷达和通讯系统且易于腐蚀。美国海军于1995年着手研制先进全封闭式桅杆/传感器系统（AEM/S），整个结构高28m,直径达10.7m,是美国海军舰艇上最大的CFRP水上结构。试验设计制作的AEM/S由两个外表面向内倾斜10°的上下两个六角锥形体结构组成,上半部覆盖FSS可让本身特定的周波数穿过，下半部能反射雷达波或由雷达吸波材料所吸收。各种天线和有关设备都统一组合装备在该结构内，结构内部传感器的电波能以极低的损耗穿过结构物，结构的外部由能反射电波的CFRP板材构成。由于所有设备都在结构内部，可以防止风雨和盐份的侵害，对设备的维修保养十分有利。这种AEM/S系统完全脱离了传统的桅杆概念，并装备在斯普鲁恩斯（Spru-ance）级驱逐舰——USS Arthur W.Radford上，取代原来钢桅杆的主要部分（即接近船尾的部分）。AEM/S系统的成功极大地促进了先进CFRP桅杆技术与下一代美国海军海面作战的水上设计部分的结合。

CFRP螺旋桨

海军舰艇的螺旋桨材料一直以来都是镍铝铜合金，存在很多问题例如加工复杂叶片时花费高，叶片容易疲劳产生裂纹，声学阻尼性相对较差，振动时会带来噪音等等。因此海军设计者们不得不考虑其它材料，最引人注目的材料是不锈钢、钛合金以及CFRP。

CFRP螺旋桨系统的设计和性能高度机密，近年来的研究进展未见公开发表。不过众所周知，CFRP叶片中的纤维可以承受主要的水动力和离心力。CFRP叶片的好处是承载的纤维可以沿叶片的不同方向敷设从而使应变最小。因此可以通过设计纤维排列和堆积的顺序来优化叶片性能。纤维排列的方向影响叶片的推力、有效螺距和翘曲。因此叶片的设计和制造需要精确以确保获得最优性能。目前大批海军舰艇安装了CFRP螺旋桨，如登陆舰和扫雷艇。CFRP螺旋桨也用在鱼雷和小型船只上。

CFRP推进轴系

在减轻船体重量的趋势中，推进系统的动力传输部件的减重也提到了议事日程。典型的是在2或4台高速柴油机通过减速齿轮箱驱动喷水推进器的高速船上，无论柴油机与齿轮箱之间，还是齿轮箱和喷水推进装置之间的距离都缩短了。尤其是在双体船狭小的空间里要求错落布置4台柴油机，前部柴油机中发出的功率必须通过后部的柴油机传输出去。因此，这就要求配备重量最轻、部件最少的传动装置。而采用由碳纤维管材料的驱动轴，能够轻而易举地达到减轻传动部件重量的目的。

CFRP驱动轴的主要优点包括：明显地减轻了驱动轴的重量，轴越长，减重的量越大，复合轴减重的效果越明显；临界速度高，长轴系上通常不需要布置轴承，减少了轴承的数量，降低了成本，减轻了轴系，减少了部件，节省了轴承支撑件的成本以及减轻了重量；长寿命、低噪声、无腐蚀、无磨擦、免维修、不导电、无磁性。

高强度碳纤维绳索

文献检索表明日本已有相关碳纤维缆绳的报道，但技术保密非常严格，主要用途是海军军舰的缆绳和其他军用物品。

碳纤维突出的特点是强度和模量高，密度小，耐腐蚀性能好，膨胀系数低，耐高温蠕变性能好，摩擦系数小，自润滑，导电性高等特点。由于碳纤维既具有高于钢铁的拉伸模量和几倍乃至数十倍的拉伸强度，又具有纤维的可编织性能，以此作为基体材料制作碳纤维绳索，恰好可弥补钢丝绳和有机高分子绳索的不足，得到高性能的碳纤维绳索。碳纤维绳具有一系列优异的使用性能。与结构和直径相差不多的钢丝绳相比较，碳纤维绳具有巨大的优越性。碳纤维绳的重量还不到钢丝绳的四分之一，前者比后者轻得多，使用时省力；前者的弯曲刚性仅为后者的四分之一，前者易于弯曲便于作业，后者僵硬操作困难。此外，碳纤维绳的断裂伸长比钢丝绳小得多，应力-应变曲线为一直线，直至断裂，中间没有屈服点，因此，在多次重复使用时，不会有残余应变现象的发生。碳纤维复合材料绳索还具有良好的拉伸疲劳性能，在应力振幅小的条件下几乎没有疲劳现象发生，当应力振幅较大时也同样显示出优良的疲劳特性。碳纤维复合材料绳索耐腐蚀、不生锈和优良的耐候性也是钢丝绳无法与其相比的。

总之，碳纤维复合材料绳索，不仅重量轻，比强度、比模量高，而且耐腐蚀，在高温和低温环境中线膨胀系数小，性能稳定而柔软。具有传统绳索（天然纤维、有机纤维、无机纤维和钢丝绳等）无可比拟的优越性，将是传统绳索的更新换代产品。碳纤维绳索可以用于以下几个方面：支持（撑）性缆绳，如大跨度斜拉桥缆绳；增强混凝土，如海洋工程混凝土；舰船、海上作业船用缆绳；游艇支索；登山用绳索等。

CFRP烟囱

复合材料烟囱具有质轻、成本低的优点,以及优良的热绝缘性能，而且能够削弱雷达信号从而提高舰船的隐身性，已在MCMV上成功应用多年。Vis-by级和La Fayette级护卫舰的烟囱都采用复合材料夹层结构。当前目标是在大型军舰上使用复合材料烟囱。

以下还有一些正在研发之中，准备使用碳纤维的部位及部件。舰舱壁、甲板、舱门

此方面的应用正处于研究之中，优点是质轻20%~40%，更低的磁特性，火灾时热传导低，阻声性能更好；缺点是制造和安装的成本比钢制的高20%~90%。CFRP和周围钢结构的联结处需要足够的抗内部冲击损坏的能力，此即为成本大幅增加的主要原因。

附件

许多海军正考虑将CFRP应用在武器外罩和甲板防护板上，及作为导弹冲击遮护板，以免受高速射弹和榴散弹的冲击。日本专家对于如何提升军舰的生存能力已做了具体研究论证，使用低成本成型法制造的CFRP为主题的上层船体构造在耐爆炸以及耐燃烧性能方面已经可以达到了军用舰船的使用标准。

方向舵

舰艇用CFRP方向舵正处于研发之中，预计其比现有的金属舵轻50%，成本低20%。

设备底座

一个复合材料的底座比同尺寸的钢底座轻58%，且可以提供足够的保护，使机械和设备免受水下冲击载荷、抵抗冲击损坏。此外由于它的阻尼性和无磁性，复合材料底座能够降低舰艇的声音和磁特性。

热交换器

海军舰艇上的热交换器要经受严酷的海水腐蚀和侵蚀，因此维护费用高。由此还降低了使用寿命。美国海军正在考虑使用CFRP的热交换器。

管道系统

复合材料在海军舰艇上的最早应用就是管道。1951，美国海军在一艘护航驱逐舰上安装了复合材料管道，望其比传统的黄铜管道便宜、质轻和更耐腐蚀，果复合材料管道在运输热水时迅速降解并开始渗漏。60年代，提高了复合材料管道的质量和耐久性后，国皇家海军将其安装在突击艇的压舱系统中。70年代早期，国海军在其巡逻护卫舰上也安装了复合材料管道。据估计，合材料管道的生产安装成本比黄铜或不锈钢管低15%50%。美英海军正继续挖掘复合材料管道的潜在应用价值。

短纤维增强复合材料第6篇

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

关于棉秆皮纤维增强复合材料的研究第7篇

关键词：棉秆皮纤维,环氧树脂,复合材料,性能

新疆是我国棉花生产基地, 棉秸秆利用有着重要的意义。棉秆皮纤维在新疆地区是比较丰富的可再生资源, 但目前棉秸秆处理方法为田间焚烧或打碎还田, 焚烧造成了农村生活环境的污染, 打碎还田处理的棉秸秆对后期的棉花种植产生不利影响。因此更好地利用棉秆皮纤维已经得到相关领域研究人员的关注, 同时也是经济社会可持续发展的需要。

将棉秆皮纤维和高分子树脂复合制备成复合材料, 是其利用的较佳途径之一。本课题选取新疆棉秸秆为原料, 从中提取了棉秆皮纤维, 并对棉秆皮纤维进行性能测试, 然后用棉秆皮纤维作为增强纤维, 用环氧树脂作为基体材料, 制备了棉秆皮纤维/环氧树脂复合材料, 研究了不同纤维含量对复合材料性能的影响。

1 实验部分

1.1 棉秆皮纤维的提取

棉秸秆采集于新疆生产建设兵团农一师七团, 地点为阿克苏地区, 属新疆南部棉区。

1.1.1 棉秸秆韧皮部剥取

本实验需要的是棉秸秆的韧皮, 需要从棉植株上分离出韧皮。首先将取回的棉秸秆, 截成20cm长, 放入水池中浸泡10d。然后手工剥取分离出韧皮。再通过机械的方法将棉秆皮去除部分表皮并使之结构松散。

1.1.2 棉秆皮纤维提取的工艺流程

棉秆皮纤维提取工艺流程如下:

1.1.3 棉秆皮纤维的提取方法和仪器

1.1.3. 1 主要药品

氢氧化钠, 双氧水, 亚硫酸钠, 浓硫酸 (98%) , 渗透剂, 净洗剂, 焦磷酸钠。

1.1.3. 2 主要仪器

橡胶锤, DZKW-D-2型电热恒温水浴锅, 烧杯, 温度计, 电子天平, 量筒, 玻璃棒, 移液管, 吸球, 药匙, 称量纸。

1.1.4 棉秆皮纤维的主要提取工艺

1.1.4. 1 打纤

打纤作用是将附在纤维表面的胶质和木质素等杂质, 用外力敲碎被去除。

1.1.4. 2 二煮氧漂法脱胶[1]( (浴比为1︰15)

预处理:用98%的浓硫酸 (3g/L) 进行酸洗, 放在水浴锅上, 温度为55℃, 时间为1h;时间到后, 在60℃的清水中洗5min, 洗两次, 然后在40℃的清水中洗5min, 洗一次。

第一次碱煮:分别称取氢氧化钠 (对纤维重15%) 、亚硫酸钠 (对纤维重2%) 、渗透剂 (对纤维重2%) 加入配好的软水中, 搅匀。将烧杯放在水浴锅上, 加热至40℃, 然后将棉秆皮放入, 保温5min后再将溶液温度升至98℃, 然后保温1h。时间到后, 在60℃的清水中洗5min, 洗两次;然后在40℃的清水中洗5min, 洗一次。

第二次碱煮:分别称取氢氧化钠 (对纤维重7%) 、亚硫酸钠 (对纤维重2%) 、渗透剂 (对纤维重2%) 、净洗剂 (对纤维重3%) 放入加有软水的烧杯中, 搅匀;将烧杯放在水浴锅上, 加热至40℃, 然后将棉秆皮放入, 保温5min后再将溶液温度升至98℃, 然后保温1h;时间到后, 在60℃的清水中洗5min, 洗两次, 然后在40℃的清水中洗5min, 洗一次。

氧漂:分别称取双氧水 (对纤维重8%) 、焦磷酸钠 (对纤维重3.5%) 、氢氧化钠 (对纤维重1.5%) 、渗透剂 (对纤维重2%) 放入加有软水的烧杯中, 搅匀;将烧杯放在水浴锅上, 加热至40℃, 然后将棉秆皮放入, 保温5min后再将溶液温度升至98℃, 然后保温1h;时间到后, 在60℃的清水中洗5min, 洗两次;然后在40℃的清水中洗5min, 洗一次。

1.2 棉秆皮纤维成分和结构分析

1.2.1 棉秆皮纤维成分测试方法与仪器设备

参照GB5881-86《苎麻理化性能试验取样方法》和GB/T 5889-1986《苎麻化学成分定量分析方法》进行棉秆皮纤维成分测试。

1.2.1. 1 主要药品

氢氧化钠, 硫酸, 草酸铵, 无水乙醇, 苯, 氯化钡。

1.2.1. 2 主要仪器

球型脂肪提取器 (250m L) 、球型冷凝管 (250m L) 、有塞三角烧瓶 (50m L) 、玻璃干燥器 (180m L) 、玻璃真空管、抽滤瓶 (1000m L) 、高型称量瓶 (准40㎜×70㎜) 、玻璃砂芯滤器、三角烧瓶 (500m L) 、量筒、托盘天平等。

1.2.2 棉秆皮纤维成分测试结果

1.2.2. 1 测试结果

对提取棉秆皮纤维进行成分分析, 测试结果如表1所示。

1.2.2. 2 结果分析

从上述结果看, 棉秆皮纤维的主要化学成分是纤维素, 其分子式为 (C6H10O5) n, (n为聚合度) 。纤维素中各元素组成:C=44.44%, H=6.17%, O=49.39%。

其化学结构图具有以下特点:

纤维素大分子仅由一种葡萄糖组成, 葡萄糖之间以1, 4-β苷键相连, 即相邻的两个葡萄糖单元上的C1和C4位的羟基, 脱水而形成的聚合物;

除两端的葡萄糖外, 中间每个单元具有三个羟基, 对纤维素的性质有重要影响;

纤维素链上的主要官能团是羟基, 羟基不仅影响纤维的化学性质, 而且也影响其物理性质。由于羟基作用, 容易形成氢键, 使纤维具有吸水性能, 吸湿率达到8%~12%。

纤维素分子的结构如1图。

1.2.3 棉秆皮纤维的细度测试

1.2.3. 1 测试标准

测量标准GB/T 12411-2006《黄、红麻纤维试验方法》。

1.2.3. 2 测试仪器

电子天平, 剪刀, 黑绒板, 镊子, 直尺, 钢针梳。

1.2.3. 3 测试结果

棉秆皮纤维细度测试结果见表2。

1.2.4 棉秆皮纤维的回潮率测试

1.2.4. 1 测试标准

参照GB5883-86《苎麻回潮率、含水率测试方法》。

1.2.4. 2 测试仪器

恒温烘箱、电子天平。

1.2.4. 3 测试结果

棉秆皮纤维回潮测试结果见表3。

1.2.5 棉秆皮纤维的强力测试

测量前, 将棉秆表皮纤维置于标准大气条件温度21℃、相对湿度65%的环境中至少24h。采用YG (B) 162D型电子束纤维强力仪来测试棉秆表皮纤维的各项力学性能, 如表4。

1.3 棉秆皮纤维/环氧树脂增强复合材料[2]的制备

1.3.1 实验原料与仪器

1.3.1. 1 主要原料

自制的棉秆皮纤维 (棉秆产自新疆农一师七团) ;凤凰牌环氧树脂 (WSR6101) , 江苏南通星辰合成材料有限公司;环氧树脂的稀释剂 (无色透明液体) 和固化剂 (棕黄色液体) , 江苏常州化工有限公司。

1.3.1. 2 使用仪器

500m L烧杯、50m L烧杯、玻璃棒和电子天平。

1.3.2 棉秆皮纤维预处理

纤维的长径比会影响纤维的机械性能, 进而影响复合材料的力学性能。长径比过大会影响纤维在聚合物中的分散, 使分散性能下降, 导致应力分布不均匀, 从而影响复合材料的力学性能;长径比过小会使得纤维传递应力下降, 最终使得复合材料的力学性能下降, 将纤维破碎成合适的长径比有利于提高复合材料的力学性能。根据多次的尝试, 将棉秆皮纤维剪成5mm左右的短纤维而制成的复合材料[3], 性能较好。

1.3.3 复合材料的制备

1.3.3. 1 复合材料的制备工艺流程

1.3.3. 2 实验过程

环氧树脂固化体系的配方:

环氧树脂100g;

稀释剂 (无色透明易挥发) 对树脂重40%左右;

固化剂 (棕黄色液体) 对树脂重25%左右;

固化条件:常温常压24h。

棉杆皮纤维/环氧树脂增强复合材料的制备:

将烘干后的棉秆皮纤维剪成短纤维后, 分别按照0.5%、1.0%和2.0%的量称好重量, 放在一边待用;称取3份同样重量的的环氧树脂, 按照配方量取稀释剂, 加入环氧树脂中, 搅拌5min后加入量取好的固化剂。搅拌均匀后, 会发现有很多气泡, 这时应用刷子扎破一些大的气泡, 待气泡较少时, 一点一点地加入棉秆皮纤维碎屑, 边加边搅拌, 待搅拌均匀后, 将3个烧杯放在实验室等待纤维与溶液充分的混合;5min后分别将混合好的溶液注入3个磨具中, 然后将磨具放在实验室中, 时间为24h。时间到后取出, 去除磨具, 将三个样品编号, 放置1~2d, 等待其完全固化对其进行性能测试。

复合材料的制备分组情况见表5。

1.4 复合材料的性能测试方法及标准

1.4.1 拉伸性能

拉伸实验是沿试样纵向主轴恒速拉伸, 直到断裂或应力 (负荷) 或应变 (伸长) 达到某一定值, 测量在这一过程中试样承受的负荷及其伸长量。通过测定试样的破坏力和标距伸长量求得试样的拉伸强度和断裂拉伸应变。根据试样的原始横截面积计算应力值, 见式 (1) 。

其中, σ———拉伸应力, 单位为兆帕 (MPa) ;

F———所测的对应负荷, 单位为牛顿 (N) ;

L——试样原始横截面积, 单位为mm2。

拉伸强度试验参照塑料拉伸性能的测定标准 (GB/T1040-2006) 测试。

1.4.2 吸湿性能

复合材料由纤维和基体材料复合而成, 其吸湿行为与各组分的吸湿性能及组分之间的结合强弱有密切的关系。固体材料与液体接触时, 液体分子会向固体材料内部扩散, 并以物理或化学的方式存在于固体中, 宏观表现为固体材料质量增加。质量增加的大小和速度是材料固有的性质, 即材料的吸水性。

测试标准:GB/T1037-4-1998《塑料吸水性能试验方法》, 选取10个试样, 在23℃时放置水中24h, 取出擦干, 称量, 精确到0.001g。

则吸水量可据式 (2) 计算。

其中:R———塑料的吸水百分量;

m0———试样吸水前重量 (g) ;

m1———试样吸水后重量 (g) 。

2 结果与分析

2.1 复合材料性能测试结果

性能测试结果如表6。

根据测试结果不难看出棉秆皮纤维的加入使得复合材料的拉伸强力和吸湿性能有了一定的提高。

3 结语

3.1 棉秆皮纤维的提取

从棉秸秆上剥去棉秆皮, 进行机械敲打, 进行化学脱胶, 对脱胶后的纤维进行成分含量测试, 纤维素为48.73%, 性能测试为回潮率13.04%、细度38.23dtex、断裂强力88.2c N。

3.2 棉秆皮纤维对复合材料性能的影响

在制备复合材料时, 加入不同量的棉秆皮纤维, 对制成的样品的各种性能有很大影响。棉秆皮纤维/环氧树脂复合材料的性能, 含量0.5%的样品吸湿性最低, 拉伸强力较低;含量1%的样品的拉伸强力性能比基体材料提高了10.6%, 吸湿性提高了22.83%;含量2%的样品的拉伸强力性能比基体材料提高了27.36%, 吸湿性提高了38.58%;因此总体看来, 含量2%的样品性能较好。

3.3 实验中存在的问题

棉秆皮纤维/环氧树脂复合材料[4]的制备过程中, 复合材料在固化期间不断放热, 在复合材料的表面产生气泡, 气泡的产生影响了复合材料的拉伸性能, 在后续的研究中, 着力于探讨减少气泡的方法, 以提高复合材料的拉伸性能。

参考文献

[1]朱正峰, 董新蕾.均匀设计在棉秆皮纤维化学脱胶中的应用[J].中原工程学院学报, 2008, 19 (3) :42-43.

[2]王荣国.复合材料概论[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社, 2004.

[3]杨文斌, 黄祖泰, 李坚, 刘一星.植物纤维/塑料复合材料作地板基材的研究[J].福建林学院学报, 2005, (1) :10-13.

碳纤维增强复合材料断裂试验分析第8篇

碳纤维增强树脂基复合材料 (简称CFRP) 是以树脂为基体, 碳纤维为增强体, 采用先进成型加工工艺制备成的高性能复合材料[1]。CFRP具有比强度高、比模量大、可设计性、抗疲劳性好、耐腐蚀、结构尺寸稳定性好, 以及便于大面积整体成型的独特优点和特殊的电磁性能和吸波隐身作用, 充分体现了集结构、承载和功能于一身的特点[2], 以至于在航空航天、交通运输、石油化工等领域被广泛应用。

对金属材料, 一般选用KIC和JIC来表征其断裂韧性, 适用于金属材料裂纹尖端无塑性区或者塑性区很小的I型裂纹自相似扩展。对延性材料, 即裂纹塑性区较大, 并且满足J主导区条件时, 用JIC来表征其断裂韧性。

对CFRP, 由于断裂机理的复杂性, 其破坏模式随着纤维、基体及界面性能的不同, 可能是Ⅰ型、Ⅱ型, 甚至是复合型, 因此不能直接将金属材料断裂韧性的表征参数用于复合材料。许多科学工作者在这方面做了大量研究工作, 但是复合材料断裂韧性的测试和表征仍没有完全解决, 仍有很多问题还需要进一步的研究。

2三点弯实验

2.1试件材料、尺寸及加载。本文采用T300/QY8911层合板单边缺口三点弯试件。试件尺寸为:60×10×4mm, 计算尺寸为:40mm×10mm×4mm, 即跨距为40mm, 均匀铺层单层厚度为0.125mm, 共40层, 层合板的铺层参数为[0°/90°/+45°/-45°]5s。

CFRP复合材料三点弯曲断裂试验的加载方式见图1。

2.2实验结果与分析。图2为a/W=0.216试件载荷-位移曲线, 从图中看出载荷-位移曲线在初始阶段为线弹性, 这一段没有明显的裂纹扩展, 裂纹尖端塑性区很小, 主要为弹性变形。随载荷进一步增加, 出现了非线性段, 裂纹尖端的塑性区在扩大, 在基体中形成了许多微裂纹, 但是试件并没有脆断, 而是随着载荷的进一步增加, 复合材料内部出现了纤维的桥联、拔出以及断裂。

2.3断裂韧性的计算。对于单边缺口梁三点弯曲试件, JIC的计算公式为:

式中, U为载荷点为pmax时, 载荷-位移曲线下的面积, B为试件的厚度, W为试件的宽度, a为裂纹长度。

应用上式得到不同初始裂纹长度的起裂JIC值见图3。从图中看出, 随着无量纲参数a/W的增加, JIC值总体趋势在减小, 存在尺寸效应, 当a0/W大于0.4时, JIC值逐渐平稳, 可以用来表征材料的断裂韧性。

3数值仿真

在Abaqus Standard中建立复合材料层合板的J积分有限元计算模型如图4。模型几何尺寸为60×10×4mm, 铺层参数为[45°/0°/90°/-45°]5s, 采用三维二次减缩壳单元 (S8R5) , 在裂纹尖端细化网格, 并进行奇异性处理。

模型的一端固定X、Y方向的自由度, 另一端固定Y方向的自由度。载荷加在模型中间裂纹面对应的节点上, 见图5。

4两种方法计算结果比较

试验值和有限元仿真结果的比较见图6, 从图中可以看出两种算法结果接近, 变化趋势一致, 说明J积分可以用来表征CFRP的断裂韧性。

5结论

5.1 CFRP层合板三点弯断裂试验宏观上表现出脆性的断裂特性, 属于线弹性断裂范畴。

5.2 J积分可以用来表征CFRP的断裂韧性。

摘要：通过复合材料层合板不同裂纹深度的三点弯曲试验分析弯曲断裂特性, 建立断裂韧性测的表征参数。应用ABAQUS有限元软件的模拟结果分析本文采用的断裂表征方法的合理性。结果表明:ABAQUS有限元软件模拟得到的J积分与试验的计算结果基本吻合, 说明用J积分表征复合材料层合板的断裂韧性是可行的。

关键词：复合材料,三点弯曲,断裂韧性,J积分

参考文献

[1]鲁云, 朱世杰, 马鸣图, 潘复生.先进复合材料[M].北京:机械工业出版社.2003.

短纤维增强复合材料第9篇

1 实验部分

1.1 试验原料

建筑石膏:采用山东泰安鹏程有限公司生产的建筑石膏粉, 灰白色粉末, 性能满足GBT 9776-2008《建筑石膏》的标准要求;棉花秸秆:取自济南市南郊农田。

1.2 实验步骤

棉花秸秆依次经破碎、取皮、打纤、洗涤、烘干等工序, 制得棉秆皮纤维。按比例称取石膏、水和纤维, 在搅拌器中搅拌均匀, 注入40 mm×40 mm×160 mm的模具内固化成型, 2 h后脱模, 脱模后的试样放入烘箱, 在40℃±2℃条件下烘干, 绝干后测试其各项性能。

2 结果与讨论

2.1 掺加工艺的确定

在棉秆皮纤维增强石膏复合材料的制备过程中, 当纤维的长度和掺量确定的情况下, 掺加工艺的不同会影响复合材料的各项性能, 所以要通过试验先确定出最佳的掺加工艺以便进一步的探索和研究。试验中选用9 mm~15 mm长的纤维, 纤维用量为石膏质量的2%, 分别采用先掺法、同掺法和后掺法, 制备棉秆皮纤维/石膏复合材料。先掺法是纤维先和水搅拌均匀再和石膏混合, 同掺法是纤维和石膏搅拌均匀再加水搅匀, 后掺法是石膏先与水搅匀后再与纤维混合。对三种掺加工艺制备的复合材料的性能进行测试, 考察抗折强度和抗压强度, 得出最佳掺加工艺, 试验结果见表1。

由表1的数据比较不同掺加工艺对复合材料力学性能的影响, 可以看出采用后掺法制备的棉秆皮纤维/石膏复合材料, 力学性能最优, 为最佳掺加工艺。这是由于采用后掺法时, 水先与石膏混合搅拌成均匀浆体, 再加入棉秆皮纤维搅拌均匀, 此种掺加工艺既保证了纤维分散均匀, 又能使纤维很好的得到石膏的包裹, 故后掺法要优于其他两种掺加工艺。

2.2 棉秆皮纤维最佳长度和最佳掺量的确定

为探讨不同纤维长度和纤维掺量对复合材料力学性能的影响, 试验中分别用不同长度和不同掺量的纤维对石膏进行增强, 测试其对石膏抗折强度的增强效果。试验结果见表2。

从表2可以看出, 当纤维长度为2 mm~8 mm时, 增强效果不明显, 这可能是由于纤维长度过短, 石膏与纤维机械结合不牢固, 不能明显起到增强抗折强度的作用, 纤维为16 mm~22 mm时, 增强效果也不理想, 这可能是因为纤维过长, 导致搅拌时纤维弯曲结团现象严重, 无法搅匀, 进而影响增强效果;当纤维掺量较小 (小于1%) 时, 不足以达到增强抗折的效果, 当棉秆皮纤维掺量过多时, 由于体积太大, 石膏无法充分包裹棉秆皮纤维, 使其成型效果不理想。当纤维长度为9 mm~15 mm, 掺量为石膏质量的3%时能明显增强石膏的抗折强度, 与未掺加纤维的试样相比, 抗折强度提高了33%。故棉秆皮纤维的最佳长度为9 mm~15 mm, 最佳掺量为3%。棉秆皮纤维增强石膏材料的断面如图1所示。

2.3 棉秆皮纤维的掺加对复合材料性能的影响

棉秆皮纤维的掺入在提高石膏制品抗折强度的同时, 也会影响石膏制品的其他性能, 比如耐水性能和抗压强度。试验分别采用最佳长度 (9 mm~15 mm) 不同掺量的纤维增强石膏制成棉秆皮纤维/石膏复合材料试样, 对试样的力学性能和耐水性能进行测试, 以便研究纤维掺入对石膏性能的影响情况。试验分五组, 纤维掺量为0%~4%, 测试复合材料性能, 为更直观、清晰地反映纤维掺入后的影响, 将试验结果绘制图2~图4。

棉秆皮纤维掺量对复合材料力学性能的影响如图2所示。由图2可以看出, 随着纤维掺量的增加, 复合材料的抗折强度先升高后下降, 当掺量为3%时效果最佳, 而抗压强度一直下降。对于抗折强度而言, 当纤维掺量小于3%时, 随着纤维掺量的增加, 均匀分布在石膏基体中的纤维间距变小, 能有效地阻止微裂纹在石膏基体中扩展, 同时随着纤维含量的增加, 纤维与石膏集体之间的机械咬合力也不断增大, 宏观上表现为抗折强的增加;当纤维掺量超过最佳掺量, 由于纤维体积逐渐接近石膏粉的体积, 石膏不能完全包覆所有的纤维, 纤维与石膏基体的界面结合下降, 导致大量缺陷的产生, 使得成形效果很不理想, 抗折强度下降。对于抗压强度而言, 由于棉秆皮纤维的致密度小, 硬度远小于石膏的硬度, 不能发挥集料效应, 而成为缺陷产生的根源, 而当纤维掺量过多时, 还将导致纤维的结团, 缺陷将进一步增加, 表现为抗压强度的不断下降。

棉秆皮纤维掺加对试样耐水性能的影响如图3和图4所示, 由图可以看出, 随着棉秆皮纤维掺量的增加, 试样的吸水率不断升高, 软化系数先升高后降低。棉秆皮纤维是一种多孔、质轻、密度小、易吸水的纤维, 纤维的掺加使得复合材料的致密度减小, 孔隙率进一步增大, 宏观上表现为吸水率的升高;当纤维掺量小于3%时, 由于纤维本身具有吸水后抗折、抗压强度保留率高的特点, 导致其在石膏吸水后仍具有较好的增强效果, 故软化系数的升高;当纤维掺量大于4%时, 由于纤维体积过大, 纤维在石膏基体中结团, 石膏不能很好地包覆纤维, 纤维不能充分发挥增强作用, 从而软化系数降低。

3 结论

试验证明, 在用棉秆皮纤维增强石膏时, 棉秆皮纤维的最佳掺加工艺为后掺法。

棉秆皮纤维能明显提高石膏的抗折强度, 当纤维长度9 mm~15 mm, 掺量为石膏质量的3%时, 增强效果最好, 使石膏抗折强度由2.97 MPa升至3.96 MPa, 提高33%。

棉秆皮纤维提高石膏制品的抗折强度的同时降低了石膏的抗压强度, 与空白样相比, 复合材料的吸水率升高, 而耐水性并未下降。

参考文献

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[2]向才旺.建筑石膏及其制品[M].中国建材工业出版社, 1998.

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[5]葛曷一, 柳华实, 李国忠.玻璃纤维增强石膏配合比设计参数的选择[J].建材技术与应用, 2004, (1) .

[6]韩鲁佳, 闫巧娟, 刘向阳等.中国农作物秸秆资源及其利用现状[J].农业工程学报, 2002, 18 (3) .

[7]吴树栋.我国农作物秸秆综合利用现状[J].人造板通讯, 2005 (8) .

碳纤维增强树脂基复合材料的界面第10篇

本文主要从碳纤维、树脂、界面3个层次对碳纤维增强树脂基复合材料界面进行了评述,以期为优化界面、提高复合材料力学性能提供一定的理论指导。

1 碳纤维表面特性及改性

碳纤维表面特性直接影响复合材料的界面性质,进而影响到复合材料的宏观性能[6,7],而碳纤维比表面积小,表面活性低,与树脂的浸润性及两相粘结性差[1],复合时容易在界面上形成空隙和缺陷,增强相与基体材料之间难以形成有效的粘结。通常需对纤维表面进行改性来改善纤维与基体的润湿性,甚至在纤维与基体之间形成化学键结合,从而提高纤维与树脂之间的界面粘结强度,获得抗剪切强度较高的复合材料。因此,对碳纤维表面特性及改性的研究一直受到了界面工程研究者的关注。

1.1 碳纤维表面特性

与界面研究相关的碳纤维表面特性主要包括表面微结构、表面化学特性、浸润性等,其中表面微结构直接影响纤维与树脂的粘结特性。碳纤维表面粗糙度增大,能增加其与树脂的“锚定”作用,提高与树脂的层间剪切强度,进而影响复合材料的传载及承载特性[8]。碳纤维表面特性即表面化学结构中活性基团种类及含量直接影响了纤维与树脂的亲和性,活性基团能与树脂本身的官能团在复合时发生各种化学作用(极性作用、氢键或共价键),从而提高复合材料的层间剪切强度[9]。碳纤维的表面浸润性主要是指碳纤维表面自由能及其与液体或树脂的接触角大小,碳纤维表面能、表面粗糙度、表面沟槽结构及表面官能团等的协同作用都会影响浸润时的接触角及粘结状态。碳纤维表面特性的主要表征手段见表1。

1.2 碳纤维表面改性

碳纤维表面活性低,与树脂浸润性差,一般需对其进行表面改性。表面改性的方法主要包括表面氧化处理、表面涂层处理、等离子体表面改性、γ射线辐照、超临界流体表面处理及接枝5大类。本文重点介绍应用最广泛的表面氧化处理、表面涂层处理和等离子体表面改性。

1.2.1 表面氧化处理

氧化处理是最常用的碳纤维表面处理方法,主要包括气相氧化法、液相氧化法和阳极电解氧化法。

(1)气相氧化法

气相氧化法采用空气、氧气、臭氧或混合气体对碳纤维进行表面处理,引入极性官能团和提高表面粗糙度,从而改善碳纤维的表面活性。Lee W H等[10]将碳纤维在氧气与氮气的混合气体中进行氧化处理,结果表明:经气相氧化后的碳纤维表面羰基含量明显提高,且氧化处理的纤维增强复合材料剪切强度比未处理的提高了69%,这主要是由于表面官能团含量的增加起到了改善界面结合强度的作用。Park S J等[11]用O3对碳纤维的表面进行氧化处理,大大增加了碳纤维表面含氧官能团,提高了复合材料的界面性能。

气相氧化法所用设备简单,处理费用低,易于实现工业化,但对碳纤维拉伸强度损伤较大,目前还未实现在线配套使用。

(2)液相氧化法

碳纤维的液相氧化处理能有效改善碳纤维/树脂复合材料的层间剪切强度,且实验重复性好,不易使纤维产生过度的刻蚀和裂解,在实践中应用广泛[12]。液相氧化处理可使用硝酸、酸性高锰酸钾、酸性重铬酸钾、过氧化氢和过硫酸钾等作为氧化剂。Zhang G等[13]采用硫酸/硝酸处理碳纤维,使其表面产生羟基、羧基等活性官能团,有利于提高纤维与基体之间的粘结作用。

液相氧化所选择的氧化剂与氧化工艺较难控制,液相氧化时间长,在线配套较为困难。

(3)阳极电解氧化法

阳极电解氧化法具有氧化缓和、反应均匀、易于控制、处理效果显著、可连续化大批量进行处理等特点,是实际工业化生产中较为成熟的在线配套方法之一[14]。目前,日本东丽公司、英国Courtauclds公司、德国SGL公司等碳纤维表面处理均采用此方法[1]。

阳极氧化法主要利用碳纤维的导电性作为阳极板,阴极的材料一般采用石墨板、镍板等,电解质可采用硝酸、硫酸、磷酸、硼酸、氢氧化钾、氢氧化钠、碳酸铵、碳酸氢铵等,其中以硝酸、碳酸铵、碳酸氢铵等表面处理效果较好[1]。Lindsay B等[15]的研究表明,经阳极电解氧化处理后,碳纤维表面上的氧和氮的含量增加,并指出氢键、酸基作用是决定界面结合强度的关键因素。侯永平等[14]也采用阳极氧化法对高模石墨纤维进行连续氧化,可使复合材料的层间剪切强度从28.4MPa提高到80MPa以上,满足使用要求。

1.2.2 表面涂层处理

碳纤维表面涂层是通过物理、化学或物理化学的方法在碳纤维表面形成一层与纤维和与树脂基体热膨胀系数匹配性好、在高温下不出现引起其功能失效的组织和结构变化,既能润湿纤维又能润湿基体,具有较低的剪切强度和一定厚度的界面层,从而达到改善碳纤维/树脂基体界面性能的目的[16]。Rhee等[17]在碳纤维表面接枝了结构相似但与基体存在不同化学键合的聚合物涂层,结果显示能够与基体发生化学键作用的涂层能同时提高碳纤维/环氧复合材料的层间剪切强度和抗冲击强度。同样,碳纤维表面经偶联剂处理后,偶联剂一部分官能团与碳纤维表面结合形成化学键,另一部分与树脂形成化学键,也能起到提高复合材料的界面粘结强度的效果[18]。

1.2.3 等离子体表面改性

等离子体处理碳纤维表面,可以使其表面发生化学反应,引入活性基团,从而改善碳纤维的表面活性,包括高温和低温处理两种方式。该方法具有污染小、处理时间短、效果显著等优点。Montes-Moran M A 等[19]采用冷等离子对两种不同碳纤维(Ultrahigh tensile modulus, pitch-based and high-strength, PAN-based fibers)进行表面处理,对比研究了冷等离子体处理对界面性能的影响,结果表明:冷等离子体处理提高了两种碳纤维表面活性和浸润性,改善了复合材料的界面粘结性能。

但是,等离子的产生需要一定的真空环境,设备复杂,因此给碳纤维连续、稳定、长时间处理带来了一定困难,该方法仍处于研发阶段[20]。

2 树脂基体特性及改性

树脂基体在复合材料中不仅把分散的纤维粘结成一个整体,并且对纤维起到保护作用,使其在使用中免受摩擦损伤;树脂基体还承担着将载荷通过界面传递给纤维,同时将基体本身固有的耐热、耐腐蚀等其他特性赋予复合材料。因此,选用的树脂基体必须与纤维相容性好,能有效而均衡地传递载荷,且具有优良的综合性能。纤维与树脂在复合过程中的界面必须充分接触和浸润,复合材料的界面效应不仅与纤维表面状态特征有关,而且与树脂本身的特性也密切相关,树脂的化学结构、力学性能及热性能等都影响着复合材料的界面性能和破坏机理。

为了提高复合材料界面粘结力及调节界面效应与宏观性能间的关系,必须掌握树脂本身的物理、化学、固化特性及其成型工艺特点。树脂基体应具有高强度、高韧性、高的延伸率及耐高温性,通常树脂基体的断裂伸长率应以纤维断裂伸长率的2~3倍为宜[21]。

但是作为复合材料基体的树脂裂纹扩展属于典型的脆性扩展,固化后存在韧性不足、耐冲击性较差和容易开裂等缺点,难以满足工程技术的要求,因此树脂的改性,尤其是树脂的增韧改性一直是国内外研究人员的“热门”课题[22]。目前环氧树脂的增韧途径主要有3种[23]:(1)在环氧基体中加入橡胶弹性体、热塑性树脂或液晶聚合物等分散相来增韧;(2)用热固性树脂连续贯穿于环氧树脂网络中形成互穿、半互穿网络结构来增韧;(3)用含有“柔性链段”的固化剂固化环氧,在交联网络中引入柔性链段,提高网链分子的柔顺性,达到增韧的目的。而对于耐湿热良好的双马来酰亚胺树脂,其增韧改性包括烯丙基化合物增韧、二元胺增韧、热塑性树脂增韧、橡胶增韧、不同结构BMI树脂共聚增韧等[24],归纳起来,双马树脂增韧改性主要有两种途径:一是降低交联密度;二是制备微观两相或多相结构树脂[25]。

3 界面的分析表征方法

界面是复合材料的重要组成部分,对复合材料性能具有重要的影响,因此需对其界面进行准确表征。对界面的分析表征主要有两个方面:一是分析界面结构和组成;二是测定界面结合强度[4,26]。

3.1 界面结构和组成的表征方法

界面的组成和结构分析一般采用近代先进的分析测试技术,如SEM、AFM可以给出纤维表面、复合材料断口形貌和界面微观结构;纳米压痕法和力调制模式下的AFM可用于表征纤维、树脂和复合材料界面硬度的变化,给出界面的厚度[27,28,29]。

此外,采用SEM、AFM还可检测复合材料断口形貌和破坏模式,进而分析界面结合情况。一般来说,复合材料界面粘接好的表现是:复合材料剪切断口界面几乎没有开裂,纤维几乎无拔出现象,表现出纤维与树脂同时断裂。而界面的结合很差的表现形式是:未处理的复合材料剪切断口界面上纤维与基体树脂开裂严重,界面分离明显,存在大量拔脱的碳纤维。拔出的碳纤维长度较长,表面光洁,基本上未粘附树脂,碳纤维拔出后在基体树脂中残留有深的隧洞[30]。但是,界面内部即使是同一组成部分其内部组成和性质也有很大的差别,使得界面的结构和组成定量研究十分困难,需要进一步改进检测手段。

3.2 界面结合强度的表征方法

表征复合材料界面强度的方法一般分为两类:宏观复合材料测试方法和单纤维模型复合材料测试方法。宏观复合材料测试方法是以复合材料宏观性能来评价纤维与基体界面的应力状态,包括三点短梁弯曲、偏轴拉伸、导槽剪切、Iosipescu剪切、诺尔环(NOL)等实验方法[31,32]。单纤维模型复合材料测试方法主要包括单纤维拔出法、单纤维临界断裂法、微脱粘实验法、纤维顶出法等,其中,微脱粘实验测试是定量测定复合材料界面结合强度较为可靠的方法[33,34],三点短梁弯曲法是间接反映复合材料界面结合强度最常用的宏观测试方法。

4 界面研究路线

根据上述分析,确定纤维/树脂界面研究路线如图1所示。

首先采用SEM、AFM等测试纤维表面的沟槽形态及分布、微孔状态、粗糙度等,并采用XPS对纤维表面化学特性进行表征,结合树脂的物理化学特性分析,研究纤维与树脂基体的物理化学作用,借助表面形态理论、官能团理论和表面能理论探讨界面结合方式及作用机理。然后测试纤维表面能及与树脂的接触角,研究纤维与树脂基体之间的浸润性。最后采用AFM分析界面微结构,借助微脱粘实验、三点短梁弯曲等测试方法,分析界面粘结性能,并结合复合材料界面断口形貌分析,确定纤维/树脂的界面相容性及匹配性。

5 界面研究前景与趋势

综上所述,界面对复合材料的性能有重要影响,界面问题仍然是研究工作者今后值得深入研究的课题,期待在以下几个方面有所突破。

(1)界面层可被看作是由增强纤维和树脂基体的界面再加上增强纤维和树脂表面的薄层构成,界面层的厚度为纳米级,界面结构和性能的检测手段需进一步改善。

(2)界面作用机理尚未得到统一认识,尤其是界面化学反应、界面应力、界面相微观结构等界面微观性能与复合材料宏观性能之间的关系有待进一步明确[35]。

短纤维增强复合材料第11篇

【摘要】本文介绍了沥青纤维增强型废胎胶粉减噪微表处结构的特点，并在此基础上进一步阐述了它的施工方法、用料设计方法及其有益效果。

【关键词】沥青纤维增强型；废胎胶粉；减噪；微表处

【Abstract】This article describes the noise characteristics of waste tire rubber powder micro-surfacing asphalt fiber-reinforced structure， and further elaborated on the basis of its construction methods， materials and design methods benefit.

【Key words】Fiber-reinforced asphalt；Waste tire rubber powder；Noise；Micro-Surfacing

1. 前言

微表處是由不同粒径的石料按比例范围混配成集料，集料再和改性乳化沥青、水和添加剂（如果需要）配合搅拌成改性乳化沥青稀浆混合料，并迅速摊铺在原路面上，经养护成型的路面结构层。由于微表处具有经济、高效、抗滑性能强、常温施工等优点，MS-3型微表处已经被大量的应用于道路施工和养护。但是，微表处存在如下缺点：一是微表处与原路面附着力差，导致微表处脱落；二是微表处抗反射裂缝能力差，导致原路面裂缝向上反射，微表处层会产生对应的裂缝；三是微表处行车噪音大，一方面影响行车的舒适性，另一方面污染周围环境。这些都是需要解决的问题。

2. 沥青纤维增强型减噪微表处结构

沥青纤维增强型废胎胶粉微表处结构如图1所示。沥青纤维增强型废胎胶粉微表处，包括沥青层+纤维层+沥青层+掺加废胎胶粉的微表处。

3. 沥青纤维增强型废胎胶粉微表处施工方法及用料控制范围

（1）沥青纤维增强型废胎胶粉微表处的施工方法是首先在原路面上洒一层沥青（第一层沥青），然后在第一层沥青上撒一层纤维，再在纤维上撒一层沥青（第二层沥青），最后做掺加废胎胶粉的微表处（称为废胎胶粉微表处或者减噪微表处）。

（2）沥青包括各种热（改性）沥青、（改性）乳化沥青和稀释沥青。工程实践中常用改性乳化沥青，其每层用量为：0.8Kg/m2～1.6Kg/m2。

（3）纤维包括玻璃纤维、聚丙烯睛纶纤维、聚酷纤维、木质素纤维、矿物纤维以及钢纤维等。工程实践中常用5cm～10cm长的玻璃纤维，其用量为：80g/m2～160g/m2。

（4）废胎胶粉微表处是用掺加废胎胶粉的改性乳化沥青稀浆混合料做成的。工程实践中常用MS-3型，其用量为：10Kg/m2～22Kg/m2，包括石质集料、废胎胶粉、改性乳化沥青、水和添加剂（如果需要），其中：

（5）集料的级配符合现行规范要求即可。

（6）粉集比为1.5%～3%，粉集比是废胎胶粉与集料总质量的比值，采用内掺法，废胎胶粉作为集料的一部分使用；

（7）油石比为7%～10%，油石比是改性乳化沥青蒸发残留物与集料总质量的比值；

（8）水集比为4%～10%，水集比是总用水量与集料总质量的比值，总用水量是指改性乳化沥青中所含水量与外加水量的和。

4. 沥青纤维增强型废胎胶粉微表处用料设计

4.1材料选择、用量与配合比设计。

4.1.1原材料选择。

原材料的质量符合现行公路工程相关规范的要求即可。

4.1.2沥青纤维增强层用量的确定。

第一层沥青、纤维和第二层沥青的单位面积用量是根据经验确定的。

4.1.3MS-3型改性乳化沥青废胎胶粉稀浆混合料的配合比设计，具体步骤为：

4.1.3.1改性乳化沥青废胎胶粉稀浆混合料集料配合比。

集料级配为：满足现行规范要求。

（1）选择粉集比。石质集料级配偏细时，宜选择较大的粉集比；石质集料级配偏粗时，宜选择较小的粉集比。优选地，粉集比的范围为：1.5%～3%。粉集比选定后计算废胎胶粉用量，然后用等质量的废胎胶粉代换0.6mm～1.18mm的石质集料。选用废胎胶粉的粒径为20目～30目，换算成毫米为0.6mm～0.8mm，而0.6mm～1.18mm的石质集料包含于石屑中，所以用等质量的废胎胶粉代换0.6mm～1.18mm的石质集料也就是用等质量的废胎胶粉代换石屑，代换后集料的级配比例会发生变化，但这种变化很小，不影响稀浆混合料的施工性能和路用性能，可以忽略不计。

（2）废胎胶粉用量确定后，可确定集料的配合比，即4.75mm～9.5mm碎石∶米石∶石屑∶废胎胶粉∶矿粉的比值。施工时，将按此比值配合集料。

4.1.3.2油石比。

（1）油石比的范围为：7%～10%。实施时，油石比的可选范围是根据（T0752-2011）《稀浆混合料湿轮磨耗试验》和（T0755-2011）《稀浆混合料负荷轮粘砂试验》确定的，由（T0752-2011）《稀浆混合料湿轮磨耗试验》确定最小值，由（T0755-2011）《稀浆混合料负荷轮粘砂试验》确定最大值，然后再结合经验确定一个油石比值。

（2）油石比确定后，根据改性乳化沥青中蒸发残留物的含量计算出改性乳化沥青的用量。

4.1.3.3外加用水量。

水集比的范围为：4%～10%。实施时，外加用水量是根据（T0751-1993）《乳化沥青稀浆封层混合料稠度试验》确定的。要求稀浆混合料的稠度控制在2cm～3cm之间，确定外加用水量。

4.1.3.4可拌和时间。

（1）根据（T0757-2011）《稀浆混合料拌和试验》检验稀浆混合料的可拌和时间。优选地，可拌和时间不小于120s。如果可拌和时间不能满足要求，可使用添加剂进行调整，并通过试验确定添加剂的用量。添加剂并不是必须使用的，当可拌和时间不能满足要求时才使用。

（2）由上所述，可以确定改性乳化沥青废胎胶粉稀浆混合料的配合比，即：集料（包括废胎胶粉）∶改性乳化沥青∶外加水∶添加剂（如果需要）的比值，它是调整稀浆封层机各种材料控制系统的依据。

4.1.3.5确定开放交通时间。

根据（T0754-2011）《稀浆混合料黏聚力试验》测量改性乳化沥青废胎胶粉稀浆混合料试件黏聚力达到2.0N·m的时间。施工时，此时间作为确定开放交通时间的参考。

5. 施工工艺

（1）第一步、封闭交通；

（2）第二步、检查验收原路面，其要符合相关规范要求；

（3）第三步、沥青纤维增强层采用同步施工，洒布第一层沥青、撒布纤维和洒布第二层沥青使用一台纤维封层机一次完成；

当洒布沥青采用热（改性）沥青时，待沥青温度接近常温才进行减噪微表处施工；当洒布沥青采用（改性）乳化沥青时，待水分基本蒸发完才进行减噪微表处施工；当洒布沥青采用稀释沥青时，待稀释剂基本挥发完才进行减噪微表处施工；

（4）第四步、集料干燥，集料的设计配合比就是施工配合比。按施工配合比，即4.75mm～9.5mm碎石∶米石∶石屑∶废胎胶粉∶矿粉的比例，把各种集料混合。

（5）第五步、把配合好的集料、改性乳化沥青、水和添加剂（如果需要）都装进稀浆封层机，依据改性乳化沥青废胎胶粉稀浆混合料的施工配合比，即集料（包括废胎胶粉）∶改性乳化沥青∶外加水∶添加剂（如果需要）的比例，对稀浆封层机进行标定，分别确定集料、改性乳化沥青、外加水和添加剂（如果需要）的控制参数；

（6）第六步、把稀浆封层机开到施工现场，边搅拌边摊铺；

（7）第七步、修补摊铺不平处和接缝处；

（8）第八步、进行养生，使黏聚力达到不小于2.0N·m；

（9）第九步、开放交通。

6. 沥青纤维增强型废胎胶粉微表处的有益效果

沥青纤维增强型废胎胶粉微表处的有益效果主要表现在以下几个方面：

（1）与原路面的附着力强，延缓微表处脱落，增加使用寿命；

（2）增强微表处的抗反射裂缝能力，减少和延缓微表处产生裂缝；

（3）行车噪音减小3dB～5dB。由于废胎胶粉的使用，增加了沥青膜的厚度，并且废胎胶粉具有弹性，达到减小行车噪音的效果；

（4）废胎胶粉使用量较大，环境保护效益明显；

（5）增强型减噪微表处用途广泛，可用于新建路面的磨耗层、抗滑层、防水层等，也可用于已建路面的养护罩面，还可用于修补车辙、桥面铺装等。

参考文献

[1] JT/T797-2011 路用废胎硫化橡胶粉.

[2]孙雅珍，赵颖华. 新型纤维增强沥青路面的研究[J]. 华东公路， 2002，（02）.

[3]朱春凤.玻璃纤维改善沥青混凝土性能的理论和试验研究[D].吉林：吉林大学，2007.

[4]交通部公路科學研究院.微表处和稀浆封层技术指南[S].北京：人民交通出版社，2006.

[5]虎增富，等.乳化沥青及稀浆封层技术[M].北京：人民交通出版社，2001.

[6]姜云焕，等.改性稀浆封层施工技术[M].河北：石油工业出版社，2001.

短纤维增强复合材料第12篇

1. 水泥基复合材料栅栏片总体设计

铁路防护栅栏片的技术要求为:其设计载荷抗人为破坏力≥1.0k N/m (集中载荷不大于1.0k N) , 抗风压荷载0.6k Pa, 最大抗地震烈度为8度。综合要求为:提供一种兼具自重轻、比强度高、比刚度大、抗老化、无锈蚀、长期使用安全可靠等性能, 综合性价比优于钢筋混凝土栅栏片, 且适于大批量钢模工厂化生产, 便于运输、安装、施工的纤维增强水泥基复合材料铁路防护栅栏片。

为达上述目的特将该栅栏片设计为5层对称复合结构, 沿主平面垂直方向由外向内依次为:功能表面层1、强度层2、主体结构层3和强度层2、功能表面层1, 且相同层的材料配方相同。层复合结构是依据各层分别承担的技术功能不同而采用相应的复合材料配方和成型工艺, 经复合而制成的。

各层复合结构的组分材料配比和主要技术性能分别简介如下;

⑴功能表面层1为短切合成纤维和超细针状硅灰石纤维共同增强聚合物改性水泥细砂浆, 并在外侧粘贴合成纤维无纺布共同构成复合材料表面层。其基体粘合剂为硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、高强硫铝酸盐水泥、高强铁铝酸盐水泥中的一种, 并以其作为计量基准 (w) 与其它组分材料配合。上述两纤维增强聚合物改性水泥细砂浆复合材料层的基体组分为聚合物改性水泥砂浆, 其组成配合比一般为水泥∶细集料∶功能填料∶聚合物∶增强纤维∶水=30∶35∶10∶2∶5∶15。其细集料为粒径≤0.3㎜的石英粉、石粉、轻砂等无机粉料中一种或混合使用;其功能填料为活化粉煤灰和硅粉 (灰) 中的一种或混合使用;其聚合物为聚醋酸乙烯乳液、聚丙烯酸脂乳液等中的一种, 控制其干态用量为3%~8% (w) 和水灰比45%~60%;其增强纤维为硅灰石短纤维, 用量为10%~15% (w) , 短切合成纤维为1% (w) , 无纺布用量为1-2层, 不以其质量计;其水用量应综合考虑水灰比、水胶比而定。为了不加大用水量而提高其工艺性, 聚合物改性水泥细砂浆中可添加适量的减水剂、缓凝剂等助剂, 其用量按其使用说明而定。为改善栏片的防水、耐水性, 应加入防水剂, 其用量按其使用说明而定。其功能表面层是用上述纤维增强聚合物改性水泥细砂浆复合材料采用喷涂工艺与铺覆工艺制成, 其厚度一般≤3㎜。

性能:本层集短切合成纤维与硅灰石超细纤维混杂增强、抗裂、降收缩, 聚合物细砂浆结构致密、抗渗、防腐蚀、耐磨, 合成纤维无纺布层密封、抗冲击、耐腐蚀和功能填料的诸多技术性能等四大优势于一体, 能同时发挥抗老化层、密封层、耐蚀层、防水层、保护层多种功能, 是保证栅栏片长期安全可靠工作的重要屏障。

⑵增强层2为数层连续纤维网与短纤维共同增强聚合物改性水泥砂浆复合材料强度层。其连续纤维网为网孔尺寸5㎜×5㎜-10㎜×10㎜的耐碱玻璃纤维网或相同网孔尺寸的聚丙烯、聚氯乙烯、聚酰胺塑料纤维网中的一种。该网格布的层数根据栅栏片所要求的抗冲、抗折强度和网纤维的拉伸断裂强度计算确定, 一般≥3层。其短纤维为硅灰石纤维, 用量为15%~20% (w) 和长度为≤5㎜短切合成纤维为1% (w) , 其基体粘合剂为硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥中的一种, 并以其作为计量基准 (w) , 其聚合物改性剂为聚丙烯酸脂乳液、聚醋酸乙烯乳液等水包油乳液中的一种, 控制其干态用量为3%~8% (w) 和水灰比45%~55%。其组成配合比一般为水泥∶细集料∶功能填料∶聚合物∶增强纤维∶水=30∶36∶10∶2∶6∶20。其细集料为粒径≤2㎜的石英砂、碎石粒和功能填料粒径≤0.3㎜的粉煤灰、硅灰等。轻集料为粒径≤2㎜的闭孔珍珠岩、浮石颗粒等, 各种粒料均按级配合。其聚合物为聚醋酸乙烯乳液、聚丙烯酸乳液等中的一种, 控制其干态用量为3%~8% (w) 和水灰比55%~70%。其用水量和外加剂的使用原则与功能表面层一致, 轻集料的吸水率较大配置前应对其进行预湿处理。该连续纤维增强层是用上述连续纤维、短纤维共同增强聚合物改性水泥砂浆复合材料, 采用喷涂工艺、注模工艺或铺覆工艺制成, 其纤维网层数可根据栅栏片所受拉应力由纤维网承担计算得出。

性能:本层为栅栏片的主强度层, 可单独承受由外载荷所产生的全部拉应力, 并通过连续纤维与短纤维协效, 增大其抗挠曲能力, 在减少开裂, 保证密封、抗渗、防腐蚀的同时可有效提高栅栏片抗冲击、抗弯曲强度, 以保障其使用安全。

⑶本体结构层3为短纤维增强轻集料混凝土主体结构。其短纤维为长度≤15㎜的聚丙烯纤维, 用量为1% (w) 左右。该轻集料混凝土的组成配合比一般为水泥∶轻集料∶聚合物∶短纤维∶水=30∶50∶2∶0.35∶20。其轻集料为粒径≤3㎜的轻细集料如漂珠、轻砂、闭口珍珠岩等和粒径5~15㎜轻粗集料如球状陶粒、碎石状浮石等, 二者配合使用, 一般轻细集料体积率占35%~50%。其水泥、聚合物、水的使用原则与纤维增强层⑵相同。因轻集料的吸水率较大, 配料前需对其进行预湿处理。水泥外加剂采用既减水又早强、消泡的减水剂, 如AN-2硫酸钠A型减水剂等。

本体结构层3是由上述组分材料配置而成的短纤维增强轻集料混凝土, 控制其坍落度≤50㎜, 表观密度1500~1800㎏/m³, 抗压强度不小于20MPa, 采用注模工艺或铺覆工艺制成。

性能:以本层为主提供栅栏片所需刚度和抗压强度, 增强短纤维可改善其抗挠曲韧性, 并在满足其力学性能的前提下有效减轻自重, 节省运输、安装成本, 提高栅栏片的性价比。

2. 水泥基复合材料栅栏片成型工艺

实施工艺过程是在模具内按功能表面层—强度层—主体结构层—强度层—表面层顺序分层制备, 由五层复合而制成整体栏片。工艺流程见图1

3. 水泥基复合材料栅栏片性能检测

济南铁路物资总公司科技开发中心、济南铁路科技开发中心委托山东省建材工业新型材料检测中心对FRC水泥基复合材料铁路栅栏构件和C30钢筋混凝土铁路栅栏构件分别进行抗弯力学性能检测, 结果如表1所示。两种材料构件的长度相等, 截面积相等, 而成本相当, 经比较FRC构件比C30构件的重量降低30%以上, 而抗弯强度提高30.7%, 使用安全系数≥8, 性能更加安全可靠。

4. 结语

纤维增强水泥基复合材料 (FRC) 及其制品是当今世界工程材料界竞相研发的热点, 新技术、新产品不断涌现。工程实践表明, FRC比钢筋混凝土和预应力混凝土更适于制造承受弯曲、冲击或应力方向不明, 形状比较复杂的制品, 铁路防护栅栏和高速公路护栏就十分适于用FRC制造, 其单位面积重量可比钢筋混凝土制品降低30%以上。而弯曲强度提高20%以上, 使用年限可提高50%以上, 并有效降低维护费用, 综合性价比明显提高, 在防护栅栏应用推广方面具有广阔的前景, 其社会效益、经济效益显著。

注:C30钢筋混凝土栅栏片构件按铁路线路防护栅栏设计图集规范制造

摘要：介绍一种使用年限30年, 采用钢模工厂化预制, 现场拼装组合埋设使用的综合性价比优于钢筋混凝土栅栏片的高速铁路用纤维增强水泥基复合材料铁路防护栅栏片研制。

参考文献

[1]中铁第一勘察设计院集团有限公司.铁路线路防护栅栏图号:通线 (2010) 8001铁路工程建设通用参考图[Q].北京:铁道部经济规划研究院 (发布) 2010年4月

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