FRP增強(qiáng)木質(zhì)復(fù)合PPT課件

1、6.2 纖維增強(qiáng)聚合物 6.2.1常用高性能纖維 主要有三種：玻璃纖維、碳/石墨纖維以及合成纖維（卡夫拉纖維、芳綸纖維）。 新材料：玄武巖纖維 第1頁/共73頁常用FRP增強(qiáng)纖維的性能纖維直徑（m）密度(g/cm3) 拉伸模量（GPa）拉伸強(qiáng)度（GPa）延張性（）熱膨脹變異系數(shù)（10-6/）熱導(dǎo)率（W/m/）Specific heat(J/Kg/K) E玻璃纖維C玻璃纖維S玻璃纖維D玻璃纖維PAN 碳纖維Pith 碳纖維Rayon 碳纖維卡布拉纖維29卡布拉纖維49卡布拉纖維149Spectra 9008141071010116.51212382.542.492.492.141.67-1.09

2、2.201.53-1.661.441.481.470.9772.468.985.555.022851734544393621311791173.543.164.592.501.72-2.971.720.622.202.762.803.793.622.581.8-3.24.85.74.70.3-1.00.4-0.91.5-2.5342.22.81.9455.07.25.63.1-0.1-1.00.9-1.6-2-21.320140380.040.58407809409259501.420第2頁/共73頁玄武巖連續(xù)纖維與其他纖維物理性能各項(xiàng)性能各項(xiàng)性能-玻璃纖玻璃纖維維-玻璃纖玻璃纖維維玄武巖連續(xù)

3、纖玄武巖連續(xù)纖維維(烏克蘭烏克蘭)玄武巖連續(xù)玄武巖連續(xù)纖維（加拿纖維（加拿大）大）Kevlar 49碳纖維碳纖維HS密度g/c32.55-2.622.46-2.492.65-3.052.81.441 78拉伸強(qiáng)度MPa3100-38004590-48303000-350048402758-30342500-3500最高使用溫度350300650650250500彈性模量/GPa76-7888-9179393189124-131230-240斷裂伸長率%4 75.63.23.12.31.2線膨脹率20/10-65.42.96.5軟化點(diǎn) =107a/8501056960950第3頁/共73頁玄武巖

4、連續(xù)纖維與幾種玻璃纖維組分化學(xué)成分化學(xué)成分玄武巖連續(xù)纖維（俄羅斯）玄武巖連續(xù)纖維（俄羅斯）(%)玄武巖連續(xù)纖維玄武巖連續(xù)纖維(烏克蘭烏克蘭)(%)C玻璃纖維玻璃纖維 ( %)E玻璃纖維玻璃纖維 (%)S玻璃纖維玻璃纖維 (%)SiO251.652.3465.7-67.752.0-53.465.0Al2O314.6-18.313.5-14.525.0B2O35.4-6.48.0-9.025.0CaO5.9-9.47.683.5-4.518.5-19.5Na2+K2O3.6-5.23.9513-140-1TiO20.8-2.251.190-0.5Fe2O3FeO9.0-14.010.530-0.6

5、F20-0.5其它0.09-0.1310第4頁/共73頁玄武巖連續(xù)纖維和玻璃纖維在不同介質(zhì)中煮沸后的質(zhì)量損失率纖維類型粗紗在下列介質(zhì)中煮沸3h的質(zhì)量損失率（）在水中2N NaOH2N HCl玄武巖連續(xù)纖維1.62.752.2E玻璃纖維6.26.0038.9第5頁/共73頁6.2.2 聚合物基體（樹脂） 聚酯樹脂乙烯樹脂環(huán)氧樹脂酚醛樹脂聚氨酯 第6頁/共73頁常用樹脂的相關(guān)性能樹脂密度（g/cm3）拉伸模量（GPa）拉伸強(qiáng)度（MPa）壓縮強(qiáng)度（MPa）延展率（）熱膨脹系數(shù)（10-6/）熱導(dǎo)率（W/m/）固化收縮率（）規(guī)定溫度（J/Kg/K）玻璃轉(zhuǎn)化溫度Tg（）聚酯樹脂乙烯樹脂環(huán)氧樹脂酚醛樹脂1.

6、101.501.151.101.401.251.41.24.53.04.02640906590351305590250127100200251518.51.8602005345700.20.10.2412161.51.1125018005011010015050250 第7頁/共73頁6.2.3 FRP制造 FRP加工方法可以分為兩類：敞口鑄型工藝和閉合鑄型工藝。對(duì)于敞口鑄型工藝，產(chǎn)品在單側(cè)模具中成型，常用的有手糊成型技術(shù)和噴射成型技術(shù)。閉合鑄型工藝包括纖維纏繞成型技術(shù)、拉擠成型技術(shù)、模壓成型技術(shù)、熱壓罐成型技術(shù)、RTM成型技術(shù)和擠出成型技術(shù)。 2.4 FRP標(biāo)準(zhǔn) 第8頁/共73頁樹脂含量與拉

7、伸強(qiáng)度的關(guān)系第9頁/共73頁樹脂含量與拉伸模量的關(guān)系第10頁/共73頁6.3 FRP增強(qiáng)工程木質(zhì)復(fù)合材料制造 1） FRP增強(qiáng)工程木質(zhì)復(fù)合材料制造要點(diǎn)： 膠合 結(jié)合耐久性 偶聯(lián)劑 材料性能評(píng)價(jià)方法第11頁/共73頁2 ） 膠接機(jī)理 機(jī)械理論 吸附和表面反映 靜電 內(nèi)部擴(kuò)散spreadingpenetrationspreading第12頁/共73頁3)木材膠接注意事項(xiàng) 木材是一個(gè)多孔性材料 木材也是各向異性的 木材表面化學(xué)（成分）不同 木材會(huì)干縮濕漲第13頁/共73頁4)根據(jù)來源和當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境，木材通常干燥到512第14頁/共73頁5)FRP膠接注意事項(xiàng) 膠接主FRP板是無孔材料 要依靠化學(xué)鍵 F

8、RP的尺寸穩(wěn)定性要好的多 表面處理很重要（物理的、化學(xué)的手段）第15頁/共73頁6)有關(guān)木材與FRP的膠接機(jī)理 機(jī)械理論 化學(xué)反應(yīng)（共價(jià)鍵、酸堿、氫鍵、范德華力）第16頁/共73頁BFRP拉伸斷面的SEM觀察 圖 a不飽和聚酯拉伸斷面 圖 b 酚醛樹脂拉伸斷面 圖c 環(huán)氧FRP拉伸斷面第17頁/共73頁7) FRP與木材膠接的關(guān)鍵問題 增強(qiáng)體的類型（E玻璃纖維還是碳纖維） 膠的耐久性和成本 表面處理和膠的固化操作都是可行的 膠接或者織物潤濕是有效的 防腐劑和化學(xué)處理對(duì)木材性能的影響 環(huán)境和長期承載的影響第18頁/共73頁8)木材增強(qiáng)方法 手工涂抹 樹脂浸漬(SCRIMP) COMPRIS 連續(xù)

9、成型 拉擠成型（酚醛玻纖，乙烯酯玻纖，聚氨酯玻纖） 碳纖維酚醛復(fù)合材料（日本開發(fā)）第19頁/共73頁9)手工涂抹 最簡單而且使用最廣 適用于修補(bǔ)和特殊的操作 足夠的研究手段 可能對(duì)于商用的FRP/木材復(fù)合材料的加工不太實(shí)際 第20頁/共73頁第21頁/共73頁10)真空封閉式 可以生產(chǎn)相對(duì)大的、高質(zhì)量低成本的復(fù)合材料 生產(chǎn)方式非常多樣 對(duì)于部分質(zhì)量，工人的技術(shù)很重要 第22頁/共73頁第23頁/共73頁11)海用復(fù)合樹脂灌輸模壓工藝 SCRIMPTPI復(fù)合材料（公司）擁有專利 RTM、VARI和真空封閉式混合物 灌輸是通過使用一種表面高滲透的材料達(dá)到穿 透整個(gè)厚度的效果 SCRIMP方法可以用

10、來制作大尺寸且空隙含量低的 產(chǎn)品第24頁/共73頁第25頁/共73頁12)連續(xù)層壓 應(yīng)用于當(dāng)前的木質(zhì)復(fù)合 材料生產(chǎn)工藝相對(duì)容易 各種各樣的體系，包括 熱塑性和熱固性的樹脂第26頁/共73頁13)拉擠成型應(yīng)用于當(dāng)前的集成材和LVL生產(chǎn)工藝相對(duì)容易第27頁/共73頁14)拉擠成型復(fù)合材料示意圖第28頁/共73頁15)碳纖維/苯酚復(fù)合單板 單向PAN碳纖維 新穎的酚醛樹脂基體 酚醛樹脂和浸漬紙形成三明治結(jié)構(gòu)第29頁/共73頁16)膠合質(zhì)量檢測 剪切測試（木塊） ASTM905 循環(huán)分層測試 ASTM2559 1類模型破壞測試DCB ASTM D3433，D14膠粘劑委員會(huì) ASTM D5528，D3

11、0復(fù)合材料委員會(huì) 單剪測試（疲勞破壞）第30頁/共73頁44.4 (1.75)50.8 (2)19 (0.75)19 (0.75)50.8 (2)mm(in)FRPWood44.4 (1.75)50.8 (2)19 (0.75)19 (0.75)50.8 (2)mm(in)FRPWoodFor thick FRP materialsFor thin FRP materials17)ASTM905 剪切測試第31頁/共73頁18)ASTM2559 分層測試 Max FRP thickness Min FRP thickness FRP reinforcement (1 layer) glulam

12、 section 6 layers of 19 mm (”) each 127 mm (5 ”) 127 mm (5 ”) 第32頁/共73頁19)木材/FRP界面疲勞性質(zhì)（兩種模型） Wood laminations FRP layer Fracture mechanics test: Double - cantilever (Mode I) Strength test: Single - lap shear by tension loading 第33頁/共73頁20)膠粘劑 酚類膠粘劑 間苯二酚甲醛 苯酚改性間苯二酚甲醛 環(huán)氧樹脂 異氰酸類 聚氨酯 乙烯酯 聚酯第34頁/共73頁21)偶

13、聯(lián)劑 偶聯(lián)劑對(duì)于環(huán)氧、聚 酯、聚氨酯、乙烯酯 膠接木材的耐久性有 很大的改善作用。 偶聯(lián)劑已經(jīng)用來生產(chǎn) 性能很好的室外的FRP復(fù)合材料，這些復(fù)合材料是用各種樹脂直接將各種FRP粘到木材上去的ResorcinolPhenolPhenol-resorcinol formaldehyde resin第35頁/共73頁22)木材/FRP膠接性能評(píng)價(jià)的方法論 目標(biāo)：在相關(guān)的性能范圍內(nèi)，確定一整套簡單而完整的材料的剛度、強(qiáng)度、韌性和耐久性的測試方法 為改進(jìn)材料性能規(guī)范提供必要的數(shù)據(jù)和建議第36頁/共73頁23)長期的性能表現(xiàn) FRP增強(qiáng)體和FRP/木材膠接界面： 環(huán)境 木材防腐劑和處理壓力 由于疲勞載荷引

14、起的應(yīng)力循環(huán)和持續(xù)載荷引起的蠕變第37頁/共73頁24)環(huán)境 耐水 耐干燥、耐熱 結(jié)冰解凍循環(huán) 模擬室外暴露（UV紫外線） 浸泡干燥循環(huán)第38頁/共73頁25)木材防腐劑和處理壓力 油溶性 煤雜芬油 含銅環(huán)烷酸鹽 水溶性 CCA（大的結(jié)構(gòu)材會(huì)產(chǎn)生大的尺寸變化）第39頁/共73頁26)長期的性能表現(xiàn)指標(biāo) FRP的物理力學(xué)性能： 玻璃化溫度 縱向和橫向的拉伸強(qiáng)度 縱向和橫向的彈性模量 外觀上層間的剪切強(qiáng)度 縱向壓縮強(qiáng)度第40頁/共73頁27)FRP/木材界面性能： 外觀上的剪切強(qiáng)度 壓縮載荷 拉伸載荷 韌性破裂第41頁/共73頁6.4 FRP增強(qiáng)工程木質(zhì)復(fù)合材料開發(fā)與應(yīng)用6.4.1 FRP增強(qiáng)集成

15、材（Glulam） 6.4.2 FRP增強(qiáng)結(jié)構(gòu)人造板 6.4.3 FRP增強(qiáng)LVL和工字梁 6.4.4 FRP其他工程木質(zhì)產(chǎn)品6.4.5 FRP修復(fù)木結(jié)構(gòu)第42頁/共73頁FRP-集成材（Glulam） 木材聚合體復(fù)合材料 FRPglulam 表面加強(qiáng)板 擠壓木塑復(fù)合材料 貼面板材第43頁/共73頁北京林業(yè)大學(xué)BFRP增強(qiáng)結(jié)構(gòu)用集成材開發(fā)第44頁/共73頁第45頁/共73頁第46頁/共73頁生產(chǎn)試驗(yàn)材料及產(chǎn)品第47頁/共73頁圖31. Ep-BFRP/結(jié)構(gòu)用集成材組坯示意圖第48頁/共73頁L9 (34)正交試驗(yàn)表竹材類型：1代表展開竹板材；2代表弦向橫拼竹板材；3代表徑向橫拼竹板材。試驗(yàn)號(hào)試

16、驗(yàn)號(hào)加壓時(shí)間加壓時(shí)間 (min)壓力壓力 (MPa)竹材類型竹材類型11 (60)1 (1.0)1 (1)212 (1.2)2 (2)313 (1.4)3 (3)42 (90)125223623173 (120)1383219332第49頁/共73頁竹板處理第50頁/共73頁 圖34.剪切試件破壞形式 a.木材間的剪切破壞 b. 具有一定木破率 c. BFRP/木材界面破壞 第51頁/共73頁圖3.1試件濕態(tài) 圖3.2試件干燥后ASTM D2559三次循環(huán)處理后，BFRP/木材界面形態(tài)，木材/木材界面剝離形態(tài)：木材/木材BFRP/木材木材/木材BFRP/木材第52頁/共73頁剪切試驗(yàn)竹材破壞率45%FRP破壞率40%剪切強(qiáng)度14.2MPa竹材破壞率0FRP破壞率75%剪切強(qiáng)度10.6MPa竹材破壞率7% FRP破壞率25%剪切強(qiáng)度5