復(fù)合材料玻璃鋼的技術(shù)與在徐工吊車上的應(yīng)用

行業(yè)磚家

復(fù)合材料就是用兩種或兩種以上不同性能、不同形態(tài)的組分材料通過(guò)復(fù)合手段組合而成的一種多相材料。從復(fù)合材料的組成與結(jié)構(gòu)分析，其中有一相是連續(xù)的稱為基體相，另一相是分散的、被基體包容的稱為增強(qiáng)相。增強(qiáng)相與基體相之間有一個(gè)交界面稱為復(fù)合材料界面，復(fù)合材料的各個(gè)相在界面上可以物理的分開。因此確切地說(shuō)，復(fù)合材料是由基體相、增強(qiáng)相和界面相組成的。
　　玻璃鋼是一種新型復(fù)合材料。玻璃鋼既非玻璃，也不是鋼，它的基體是一種高分子有機(jī)樹脂，用玻璃纖維或其他織物增強(qiáng)。因?yàn)樗哂胁ＡО愕耐该餍曰虬胪该餍裕哂袖撹F般的高強(qiáng)度而得名。它的科學(xué)名稱是玻璃纖維增強(qiáng)塑料（即ＦＲＰ）。
　　一、ＦＲＰ的優(yōu)點(diǎn)
　　玻璃鋼有三大優(yōu)點(diǎn)：
　　１．玻璃鋼的密度小，強(qiáng)度大，比鋼鐵結(jié)實(shí)，比鋁輕，比重只有普通鋼材的１／４－１／１６，而機(jī)械強(qiáng)度卻為鋼的３－４倍；
　　２．玻璃鋼具有瞬間耐高溫特性；
　　３．具有良好的耐酸堿腐蝕特性及不具有磁性；
　　４．絕緣絕熱、工藝性優(yōu)良。
　　二、ＦＲＰ的主要原材料
　　１．玻璃纖維及其制品
　　２．樹脂；
　　３．固化劑，促進(jìn)劑；
　　４．其他材料，如填料、稀釋劑、光穩(wěn)定劑等。
　　三、ＦＲＰ的主要分類
　　根據(jù)基體材料的不同，可主要分為酚醛玻璃鋼、環(huán)氧玻璃鋼、呋喃玻璃鋼、聚脂玻璃鋼等。
　　四、ＦＲＰ的成型方法
　　目前，玻璃鋼使用最多的成型方法有以下四種：
　　１．手糊法：是用人工使基體浸漬在增強(qiáng)材料上拉展重疊于模上，至所需厚度，在室溫常壓下使基體固化而成形。
　　２．纏繞法：將連續(xù)纖維束通過(guò)浸膠槽浸上樹脂膠液后纏繞在芯模上，常溫或加熱固化、脫模即成制品。
　　３．噴射法：把粗紗一邊連續(xù)不斷的切斷一邊同基體一同噴在模具上，堆積到所需的厚度使之壓緊整形，在室溫常壓下成型。
　　４．模壓法：即將一副陰陽(yáng)模安裝在壓力機(jī)上，浸膠玻璃纖維布疊后放在模腔中經(jīng)過(guò)加熱加壓，使之固化成型。
　　５．ＲＴＭ法，ＲＴＭ作為樹脂流動(dòng)成型工藝是一種較先進(jìn)的復(fù)合材料閉模生產(chǎn)工藝技術(shù)，其主要原理是在模具腔內(nèi)預(yù)先制作膠衣層并鋪放好增強(qiáng)材料，增強(qiáng)材料可以是直接鋪層織物或預(yù)成型制品，由低壓機(jī)自動(dòng)合模，用專用注射設(shè)備向模腔內(nèi)注入適合工藝要求的樹脂，并固化成型。成型過(guò)程中所用的模具多為復(fù)合材料模具，ＲＴＭ法就是手糊工藝的機(jī)械化，是有發(fā)展前途的ＦＲＰ產(chǎn)品成型方法。
　　我國(guó)有９０％以上的ＦＲＰ產(chǎn)品是手糊法生產(chǎn)的，其特點(diǎn)用濕態(tài)樹脂成型，設(shè)備簡(jiǎn)單，費(fèi)用少。但是機(jī)械化程度低，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，質(zhì)量不穩(wěn)定。手糊工藝可進(jìn)行高技術(shù)、高難度、有特殊性能要求的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，同時(shí)具有操作簡(jiǎn)便、投資少、成本低、產(chǎn)品大小、形狀復(fù)雜程度和產(chǎn)量不受限制的特點(diǎn)。
　　五、玻璃鋼力學(xué)性能
　　１．強(qiáng)度是材料在外力作用下，抵抗破壞的能力，即材料受力破壞時(shí)，物體內(nèi)的最大應(yīng)力值。工程機(jī)械所用的玻璃鋼拉伸強(qiáng)度在２６０－４００ＭＰａ左右。
　　２．剛度表示物體抵抗變形的能力，可用材料的拉伸彈性模量Ｅ來(lái)衡量，根據(jù)虎克定律σ＝Ｅε，Ｅ值越大，則材料的剛性越大，工程機(jī)械所用的玻璃鋼剛度在１．７×１０到３．４×１０左右。
　　可以看出，玻璃鋼的某些強(qiáng)度指標(biāo)并不低于普通碳鋼。如果用比強(qiáng)度（強(qiáng)度和比重之比）來(lái)衡量，玻璃鋼大大超過(guò)普通碳鋼。另外，玻璃纖維含碳量的高低，纖維直徑的粗細(xì)，織物的結(jié)構(gòu)形式以及纖維的表面處理，均會(huì)對(duì)玻璃鋼賦予不同的物理機(jī)械性能和化學(xué)性能。
　　六、玻璃鋼在工程機(jī)械上的應(yīng)用
　　我公司最早在工程機(jī)械上使用玻璃鋼是始于裝載機(jī)、壓路機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)罩（圖１所示）。

　　從方便機(jī)器的維修的角度考慮，決定將發(fā)動(dòng)機(jī)罩采用可翻轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)，鑒于玻璃鋼輕質(zhì)高強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，選用其作為可翻轉(zhuǎn)式機(jī)罩的材料。該發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)部采用鋼板焊制的骨架支撐，同時(shí)為保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度要求，在受力較大部位進(jìn)行金屬填埋（如圖３所示）；發(fā)動(dòng)機(jī)罩側(cè)板上壓制有凸起的加強(qiáng)筋，增加了機(jī)罩的剛度，減輕了薄板的振動(dòng)（如圖２所示）；在散熱水箱前部?jī)蓚?cè)各開了一個(gè)鐵絲網(wǎng)狀側(cè)門，使散熱更加良好。該機(jī)罩整體可通過(guò)起升機(jī)構(gòu)繞尾部鉸接點(diǎn)旋轉(zhuǎn)４５°以上，使發(fā)動(dòng)機(jī)全部暴露，維修空間大大增加。機(jī)罩表面光滑平整，棱邊、棱角均采用圓弧過(guò)渡，整體外觀線條流暢，視覺效果甚佳，而且較金屬機(jī)罩更加減振降噪。發(fā)動(dòng)機(jī)罩另一優(yōu)點(diǎn)在于，拆下翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上的銷軸，便可拆卸水箱。
　　經(jīng)過(guò)幾年的認(rèn)識(shí)和實(shí)踐，我們逐漸擴(kuò)大了玻璃鋼在工程機(jī)械上的使用范圍，駕駛室的頂蓋和圍板、輪胎擋泥板、儀表盤殼體等已經(jīng)使用或正在嘗試使用。
　　七、玻璃鋼不足及其改進(jìn)與發(fā)展
　　玻璃鋼雖有很多優(yōu)點(diǎn)，但它也不是萬(wàn)能材料，玻璃鋼的剪切強(qiáng)度只是其拉伸強(qiáng)度的５０％，玻璃鋼的層剪切強(qiáng)度只有其拉伸強(qiáng)度的５％－１０％，這樣在構(gòu)件連接時(shí)，連接處就是一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，我們?yōu)榱藦浹a(bǔ)玻璃鋼在這些方面的不足，在制作成品時(shí)，采取了如下措施：
　　１．所有螺紋部分采用埋置金屬螺母的結(jié)構(gòu)形式，保證螺扣的耐磨性；
　　２．連接部位埋置金屬筋板，增加其剪切強(qiáng)度和剛度。
　　一般樹脂都是不耐燃的，因?yàn)闃渲闹饕煞质翘肌洹⒀醯龋箻渲腿迹梢栽跇渲肿又幸刖哂凶韵ㄐ缘幕衔镒鳛樘盍稀＿@類化合物有：
　　１．有機(jī)鹵化物，如氯化石蠟；
　　２．無(wú)機(jī)阻燃劑類，如氫氧化鋁、明礬等。
　　氫氧化鋁的阻燃機(jī)理是：一是受熱后分解失水時(shí)吸收了大量的熱，起降溫作用，使樹脂放出的可燃性氣體相應(yīng)減少；二是放出的水蒸氣稀釋了可燃性氣體，同時(shí)也作為臨時(shí)覆蓋物起隔氧作用。
　　和許多材料一樣，ＦＲＰ的強(qiáng)度隨溫度的升高而下降（表１），當(dāng)溫度上升到某一值時(shí)，強(qiáng)度急劇下降。玻璃纖維的熱穩(wěn)定性要好，而通用型的環(huán)氧的熱變溫度僅為４０℃～８０℃，因此要提高ＦＲＰ的耐熱性，關(guān)鍵是選擇較好的樹脂。
在玻璃鋼誕生半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，現(xiàn)在的玻璃鋼成型不限于手糊、模壓、纏繞等，新的工藝方法如ＲＴＭ、ＲＲＩＭ、滾動(dòng)模壓ＳＭＣ成型、拉擠、熱壓罐等相繼出現(xiàn)，大大改善了復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)、性能，提高了成型速度和制造質(zhì)量。正是由于以上原因，各種新產(chǎn)品日新月異，加速了玻璃鋼在各個(gè)領(lǐng)域中的實(shí)用化進(jìn)程。
　　玻璃鋼不僅在工程機(jī)械上應(yīng)用廣泛，在輕型飛機(jī)、汽車、船舶中的地位也舉足輕重，如汽車蓄電池托架、保險(xiǎn)杠、前后車燈、高頂頂蓋、儀表盤。
　　具有優(yōu)良的抗腐蝕特性的玻璃鋼也應(yīng)運(yùn)而生，在化學(xué)工業(yè)中，反應(yīng)罐、貯罐、攪拌器、管道等大顯神威，節(jié)省了大量金屬。
　　玻璃鋼在建筑業(yè)也備受青睞。許多新建的體育館、展覽館、商廈的巨大屋頂都是由玻璃鋼制成的。
　　較發(fā)達(dá)國(guó)家比，我國(guó)玻璃鋼的應(yīng)用起步較晚，尚有許多問(wèn)題還有待解決。目前應(yīng)首先設(shè)法降低高性能纖維原料的價(jià)格，其次是研究開發(fā)出可使產(chǎn)品質(zhì)量更穩(wěn)定、生產(chǎn)效率更高、成型加工費(fèi)用更低的新工藝技術(shù)。
　　八、結(jié)束語(yǔ)
　　綜上所述，在許多領(lǐng)域都顯示了它強(qiáng)大的生命力。有理由相信，隨著我國(guó)材料工業(yè)發(fā)展，將會(huì)開發(fā)出各種性能更好的玻璃鋼，隨著制造業(yè)的發(fā)展需要，玻璃鋼或其他復(fù)合材料將在未來(lái)的生活中會(huì)扮演越來(lái)越重要的角色。