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FRP玻璃鋼復(fù)合材料論壇

標(biāo)題: 什么是復(fù)合材料（2） [打印本頁(yè)]

作者: 玄武 時(shí)間: 2011-6-15 10:59
標(biāo)題: 什么是復(fù)合材料（2）
．復(fù)合材料與樹(shù)脂基體
　　
　　1．什么是復(fù)合材料的定義國(guó)內(nèi)外業(yè)界有各種說(shuō)法。英國(guó)人赫爾提出復(fù)合材料分三類：天然復(fù)合材料，如木材、骨骼、肌肉等；細(xì)觀復(fù)合材料，如合金、增強(qiáng)塑料等；宏觀復(fù)合材料，如鋼筋混凝土等。適合于工程結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料定義應(yīng)包含以下三點(diǎn)內(nèi)容：
　　
　?。?）含兩種或兩種以上物理性質(zhì)不同并可用機(jī)械方法分離的多相材料（區(qū)別與混合物和合金）；
　　
　?。?）可人為控制將一種材料分布到其它材料中，以達(dá)最佳性能；
　　
　?。?）性能優(yōu)于單獨(dú)組分材料，并具獨(dú)特性能。
　　
　　科學(xué)家把復(fù)合材料這種揚(yáng)長(zhǎng)避短的作用稱為復(fù)合效應(yīng)。人們利用復(fù)合效應(yīng)可自由選擇復(fù)合材料組成物質(zhì)，人為設(shè)計(jì)各種新型復(fù)合材料，把材料科學(xué)推進(jìn)到了一個(gè)新階段。因此，國(guó)外把復(fù)合材料稱為第四代材料，又稱“設(shè)計(jì)材料”。
　　
　　2．復(fù)合材料的分類工程上生產(chǎn)與應(yīng)用的復(fù)合材料內(nèi)含兩類材料：增強(qiáng)材料與基體材料。
　　
　　增強(qiáng)材料作用：提供強(qiáng)度與剛度
　　
　　形態(tài)：多為纖維狀
　　
　　材質(zhì)：玻璃纖維、碳纖維、芳倫（Kevlar）纖維、硼纖維、碳化硅纖維等。
　　
　　基體材料作用：將增強(qiáng)材料粘接成固態(tài)整體，保護(hù)增強(qiáng)材料，傳遞荷載，阻止裂紋擴(kuò)展；材質(zhì)：合成樹(shù)脂。分為熱固性樹(shù)脂與熱塑性樹(shù)脂兩大類；金屬；陶瓷；水泥
　　
　　根據(jù)基體的不同復(fù)合材料又細(xì)分為：
　　
　　聚合物基復(fù)合材料，又稱纖維增強(qiáng)塑料。分為纖維增強(qiáng)熱固性塑料FRP與纖維增強(qiáng)熱塑性塑料FRTP。應(yīng)用最廣的為玻璃纖維增強(qiáng)塑料GRP（GlassReforcedPlastics）；金屬基復(fù)合材料，如連續(xù)或非連續(xù)硼纖維、碳纖維增強(qiáng)鋁鎂、鈦、鎳等金屬基體；陶瓷基復(fù)合材料，如碳纖維、碳化硅（SiC）晶須增強(qiáng)陶瓷，極大提高了陶瓷的韌性（提高斷裂韌性最高可達(dá)9倍以上）；水泥基復(fù)合材料，如碳纖維、玻璃纖維、植物纖維增強(qiáng)水泥等；碳纖維增強(qiáng)碳基體稱為C/C復(fù)合材料。上述諸種復(fù)合材料，目前全世界產(chǎn)量最大應(yīng)用最廣（約90%以上）首推聚合物基復(fù)合材料。
　　
　　3．聚合物基復(fù)合材料的特性
　　
　?。?）輕質(zhì)高強(qiáng)。以CFRP為例：與鋼相比，比重僅為鋼的1/5，比強(qiáng)度為鋼的8倍，比模量為3.6倍，疲勞強(qiáng)度為2.7倍，抗拉強(qiáng)度為1.4倍。
　　
　　（2）耐腐蝕性優(yōu)異。全世界每年腐蝕金屬約1.2億噸，我國(guó)金屬腐蝕損失每年約600億以上。FRP因根本不發(fā)生金屬的電化學(xué)腐蝕，可取代昂貴的不銹鋼。
　　
　　（3）制造容易，生產(chǎn)率高。美國(guó)阿特拉斯導(dǎo)彈，用纖維纏繞聚合物基復(fù)合材料殼體取代合金鋼，生產(chǎn)周期縮短為1/3。波音公司某型飛機(jī)由11000個(gè)金屬零部件組成，改用聚合物基復(fù)合材料僅為1500個(gè)零部件，減少90%。
　　
　　（4）可設(shè)計(jì)性好。纖維增強(qiáng)材料的數(shù)量與方向可根據(jù)受力情況調(diào)變；以最大程度提高結(jié)構(gòu)抗力。如纖維纏繞成型的FRP容器或管道，選定纖維纏繞角為5444，則可實(shí)現(xiàn)軸向環(huán)向等強(qiáng)度。而金屬壓力容器與管道卻實(shí)現(xiàn)不了。

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　?。?）抗震性優(yōu)良。CFRP的自振頻率為鋼的1.9倍。振動(dòng)阻尼高，同尺寸梁實(shí)驗(yàn)：CFRP梁2.5min停止振動(dòng)，鋼梁需9min。
　　
　　（6）其它優(yōu)異性能如透波性、隔熱性等。
　　
　　4．聚合物基復(fù)合材料的應(yīng)用
　　
　　上世紀(jì)40年代美國(guó)最早用GRP制造飛機(jī)組合部件及航空氣瓶。先進(jìn)聚合物基復(fù)合材料在世界各國(guó)飛機(jī)上的應(yīng)用（占總重量百分比）：
　　
　　美國(guó)F-2226%蘇-2720%
　　
　　法EF-200043%中國(guó)殲-106%
　　
　　波音-7779900kg/架空中客車A34011000kg/架
　　
　　發(fā)達(dá)國(guó)家各型導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)殼體90%以上采用纖維纏繞聚合物基復(fù)合材料。
　　
　　民用方面大家所熟知的玻璃鋼就不想多說(shuō)了，僅就幾個(gè)方面概略介紹一下。
　　
　　汽車業(yè)的應(yīng)用上世紀(jì)90年代汽車鋼材應(yīng)用比例下降到14—15%。2000年美國(guó)每五輛汽車就有一輛為FRP制造車身。歐美SMC（纖維增強(qiáng)不飽和樹(shù)脂基體的片狀膜塑料）產(chǎn)量年遞增10%以上，美國(guó)SMC產(chǎn)量的80%以上用于汽車。我國(guó)SMC生產(chǎn)線引進(jìn)與自制共30余條，年設(shè)計(jì)產(chǎn)量9萬(wàn)噸以上。玻璃氈增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料（GMT），全世界年增長(zhǎng)率為25%以上，95%用于汽車工業(yè)。
　　
　　汽車用天燃?xì)鈿馄?，采用碳纖維纏繞樹(shù)脂基復(fù)合材料制造，市場(chǎng)潛力巨大。我國(guó)石油短缺，天燃?xì)獾膬?chǔ)量豐富。汽車燃料對(duì)環(huán)境污染小。氣瓶重量輕，耐腐蝕，工作壓力20—100Mpa，壽命15—20年。
　　
　　土木工程結(jié)構(gòu)的補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)應(yīng)用碳纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料對(duì)橋梁、隧道、水工構(gòu)筑物及高層建筑等土木工程結(jié)構(gòu)的修復(fù)可謂方興未艾。與傳統(tǒng)修復(fù)技術(shù)比，輕質(zhì)高強(qiáng)，耐腐蝕；施工便捷，可在有限空間施工，不需大型機(jī)具；修復(fù)費(fèi)用僅為傳統(tǒng)修復(fù)費(fèi)用的1/4左右；施工周期為1/2—1/3；可修復(fù)復(fù)雜曲面形體。將特制光纖FBG傳感器置入碳纖維聚合物復(fù)合材料中，構(gòu)成智能先進(jìn)復(fù)合材料。用其對(duì)損壞的橋梁等重要構(gòu)筑物進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固修復(fù)，不僅具有傳統(tǒng)修復(fù)無(wú)可比擬的優(yōu)越性，而且可實(shí)現(xiàn)對(duì)構(gòu)筑物三維局部應(yīng)力、疲勞損傷進(jìn)行長(zhǎng)期實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，并及時(shí)作出評(píng)估。
　　
　　化工環(huán)保耐腐蝕設(shè)備及玻璃鋼管道由于GRP具有優(yōu)良耐腐蝕性，美國(guó)、日本在化工環(huán)保設(shè)備方面的應(yīng)用已列GRP市場(chǎng)的3—4位。采用玻璃纖維纏繞成型不飽和聚酯與環(huán)氧樹(shù)脂基體的復(fù)合材料管道性能優(yōu)異，市場(chǎng)巨大，GRP管道已成為美國(guó)第三大運(yùn)輸手段（裝備）。美國(guó)在德克薩斯、阿克拉荷馬、加利福尼亞三州的鹽堿地上與地下實(shí)際使用20年后，進(jìn)行爆破試驗(yàn)，爆破壓力并沒(méi)有降低。此外，根據(jù)我的計(jì)算：由于GRP管道流體阻力小，泵能耗比金屬管降低30%左右；可直埋地下，安裝費(fèi)用節(jié)省約15—50%。據(jù)意大利威德羅西那公司試驗(yàn)：鑄鐵與GRP兩種管道，管徑500mm，管長(zhǎng)6m。同樣施工條件，埋設(shè)管線長(zhǎng)均為1000m。施工期GRP管僅用1天，而鑄鐵管卻需30天。綜合經(jīng)濟(jì)效益，玻璃鋼管不僅優(yōu)于普通碳鋼管而且也優(yōu)于不銹鋼管。
　　
　　玻璃鋼船日本漁船的70%采用GRP制造。比木船輕30%，能耗降低；使用壽命：木船為10年，GRP船為20年；維修容易；可提高捕撈量35%。

摘自：http://www.zxxk.com/huodong/2009jsj/Info.aspx?InfoID=113088
　　

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