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复合材料的优异物理力学及化学性能是其进入基础设施建设领域的决定性因素

放大字体  缩小字体 发布日期:2019-03-08  浏览次数:1 选择视力保护色:

[摘要]  中华不锈钢网特别报道:玻璃纤维(GF)具有高拉伸强度和高弹性模量,作为增强相已被广泛用于改善聚合物复合材料的性能41.纤维

  中华不锈钢网特别报道:玻璃纤维(GF)具有高拉伸强度和高弹性模量,作为增强相已被广泛用于改善聚合物复合材料的性能>41.纤维与聚合物基体之间的界面结合力是决定聚合物复合材料力学性能的重要因素,并主要受纤维表面处理的影响W.目前,通常用硅烷偶联剂处理玻璃纤维表面以改善复合材料中纤维与基体的结合力研究了玻璃纤维增强PTFE的力学性能,但没有明确地说明玻璃纤维的表面处理方法。
  
  添加少量稀土元素可以改善材料的性能!14~17),但用稀土作为表面改性剂处理玻璃纤维表面以提高复合材料界面结合力的研究报道尚不多见。本文用稀土元素配制稀土表面改性剂,通过拉伸性能测试和SEM分析,探讨了稀土处理玻璃纤维表面时的最佳用量及其对玻璃纤维增强PTFE复合材料拉伸性能的影响。
  
  2试验部分2.1材料察其对不同玻璃纤维含量的GF/PTFE复合材料拉伸性能的影响。从可以看出,经SGS、SGS/RES和RES处理的GF/PTFE复合材料的拉伸性能优于未经处理GF/PTFE复合材料的。在这些表面改性剂中,RES对提高GF/PTFE复合材料的界面结合力最有效;而SGS/RES比SGS有效从可以看出,对于不同的玻璃纤维含量RES对提高GF/PTFE复合材料的界面结合力仍然是最有效的但是对于同一种表面改性剂,GF/PTFE复合材料拉伸强度和伸长率随着玻璃纤维含量的增大而减小3.2断□形貌分祈为不同表面改性剂处理的GF/PTFE复合材料拉伸断口的SEM照片RES溶液和SGS/RES溶液的浓度均为0.3wt%.从⑷可以看出,由于玻璃纤维未经处理,GF/PTFE复合材料在玻璃纤维与PTFE的界面处出现光滑分层剥离,表明PTFE树脂与玻璃纤维的亲和性欠佳不能与其相互作用,从而致使玻璃纤维与PTFE之间的界面结合力不好;从(b)可以看出,与未经处理的玻璃纤维表面相比,经硅烷偶联剂SGS处理的玻璃纤维表面零散地粘结着少量的PTFE,这表明玻璃纤维经SGS处理后与PTFE之间的界面结合力有所改善;而经SGS/RES处理的玻璃纤维表面与经SGS处理的相比,界面处粘结的PTFE形成一层薄的“网衣”,这表明玻璃纤维经SGS/RES处理后与PTFE之间的界面结合力得到进一步改善 ;(d)示出了经RES表面处理的玻璃纤维填充PTFE复合材料的拉伸断口形貌,可以看出经RES处理的玻璃纤维表面包缚着的PTFE合材料的拉伸强度和断裂伸长率数据一致,表明稀土元素的作用极大地改善了玻璃纤维与PTFE之间的亲和性,并且证实RES能够最有效地改善玻璃纤维与PTFE之间的界面结合力。
  
  复合材料的技术经济竞争能力优势在一般情况下,复合材料的制造成本远比传统材料贵甚至贵很多。成本问题过去是,今后仍然是制约其在基础设施中扩大应用的不利因素。但是,在特定建设条件和使用环境下,从直接建设成本或者在某些条件下的寿命期建设成本来看,复合材料结构的经济竞争能力是很有优势的。特别是,老旧基础设施的维修,已有基础设施承载能力的升级,复合材料的成本优势已为工程实践所证实,已经得到公认。例如,玻璃钢筋混凝土用于海岸护堤工程的实际工程结算报告证实,比普通钢筋混凝土节约建设成本3%.复合材料桥面板系统可比传统材料节约成本高达17%.钢筋混凝土结构因钢筋锈蚀丧失承载能力而最终发生灾难性破坏,已经成为世界性难题,在解决这个问题的诸多方案中,环氧涂层钢筋的推广使用有一定效果,但这种钢筋比普通钢筋贵得多,这使玻璃钢筋在竞争中处于更有利地位。
  
  据估算采用传统建筑材料的工程寿命一般为50年而采用复合材料预计可延长到75年提高50%.上述经济竞争能力的基础是较为配套的原材技术进步和原材料价格下降,这种技术经济上的优势会进一步增强。
  
  积累了大量的材料、性能、结构设计,施工安装及工程考核技术数据,为复合材料在基础设施中的应用,奠定了坚实的技术基础。
  
  复合材料在广阔的应用领域中得到广泛认可。
  
  复合材料在航空、航天、造船、石油化工、交通运输以及其他工业和民用应用所显示的可行性、优越性和高度可靠性,已获得社会认可。甚至有人把复合材料称为太空材料,对其在基础设施中的应用,具有强烈的吸引力。正如有人所说:这是复合材料从太空成功地降落到地球上“。
  
  归纳起来,最能突出体现上述理由的工程领域是:老旧或遭受意外破损的基础设施的维修;老旧基础设施的技术更新;已有基础设施工程抗震等级和承载能力的提高和升级;d新建基础设施工程,尤其是恶劣环境中的某些工程,例如海洋工程、滨海设施或者建设场地的运输条件困难或施工条件恶劣,例如高山、峡谷及各类河流等;e某些对电磁屏蔽或透过有些特殊要求的场合。例如机场设施、通讯建筑结构或磁悬浮列车路轨等。
  
  中华不锈钢网特别报道:毫无疑问,复合材料在基础设施中的应用之所以能有今天这样令人振奋的结果,是工程界和材料领域的通力合作、勇敢探索和开拓经历了二、三十年的发展历程,完成了一系列深入细致的研究的结果。
  
  料,成熟的制造技术和批的生产规模随着工趾年后相继建成。1993£年收集到的10座新建玻璃实际上,上个世纪70年代,欧美各工业发达国家的相当一部分老旧基础设施的使用寿命已经期满,传统建筑材料性能方面存在的固有问题,促使工程界探索采用新型工程材料的可行性,一开始就把目标瞄准复合材料,探索领域大多集中在利用玻璃钢增强筋制造予应力混凝土构件的研究方面。德国在上个世纪70年代初着手用聚酯玻璃钢杆做为老旧桥梁后张式加固筋的研究,杆的直径5mm和7mm.1978年实现商品化生产,并完成予应力施加系统的研究。加强筋里配置光学纤维敏感测试元件,以便日后实施承载结构的在线监测。世界上采用玻璃钢杆实施加固的第一座桥梁工程于1986年在德国完成。随后,欧洲其他国家、美国、加拿大以及日本等国先后开展同类研究,相继完成若干旧桥改造,一系列新的玻璃钢步行桥和公路桥于1991 a玻璃钢管与混凝土的组合结构一玻璃钢混凝土柱,具有较高的轴压强度和极限应变;我国在这一领域起步并不晚。70年代中期就有过用玻璃钢修补旧的或新建的有结构性缺陷的公路桥的实践。1982年9月在北京远郊建成第1座玻璃钢公路桥。截止90年代中期,我国先后建成8座玻璃钢桥,全部采用手糊工艺,其中7座都是步行桥。
  
  这些桥一般来说使用效果良妊也有不成功的例子。这些都可为我国开拓复合材料在基础设施中的应用提供经验和教训。可惜,其后的10年左右国外在这一领域进展加快,而我国却基本处于停顿。最近几年国内几听相关大学在玻璃钢筋增强混凝土研究方面逐渐开展起来,有的课题Ml入省部级发展计划;哈尔滨工业大学黄龙男在〈〈玻璃钢管混凝土轴心压缩本构关系及结构设计的研究中,通过玻璃钢管混凝土的实验分析和理论研究得出如下结论:b.玻璃钢管的纤维铺设方向较明显影响玻璃钢混凝土的强度和稳定。这是优于钢管混凝土的特点之一,可提供较大的设计灵活性;c除了防腐性能优异外,玻璃钢混凝土柱的稳定性也优于钢管混凝土;d在轴压荷载作用下,玻璃钢管的泊松效应使其对核心混凝土的约束效力明显降低。缠绕角越小,这种影响越明显。在混凝土柱设计时,这是必须考虑设计参数;e给出了轴心受压条件下玻璃钢管柱的设计方法。
  
  应当说,这项研究成果取得了若干突破性进展。但是,本文作者作为该生的导师之一应当说明,上述几点只限于玻璃钢管混凝土的轴心受压状态,也只能算是起点。其他更复杂的载荷条件、碳纤维、芳纶复合材料以及混杂纤维复合材料管约束混凝土的力学特性及设计方法,尚待进一步深入研究。
  
  尽管复合材料在基础设施工程的市场开发和应用研究,在世界范围内取得相当明显的进展,若干国家都制定相应的工程标准和规范,示范工程的经济效益和社会效益都相当明显,比较普遍得到社会认可。但必须指出,就其发展阶段而言,目前尚处于发展初期,应用技术多处于实验考核阶段尚待修正和完善;在建工程多数仍属示范性质。总之,目前仍处于试验开发阶段,只要我们抓住时机,赶上国际发展趋势,目前是最好时机。中华不锈钢网特别报道

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