高等材料工程

可做彈簧的水泥一MDF水泥簡介2008208591.引言新材料是發(fā)展高新技術的物質基礎，也是改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的必備條件，因此世界各工業(yè)發(fā)達國家都給予高度重視，把新材料的研究與開發(fā)列為關鍵技術的重要組成部分。在高性能水泥基材料領域，MDF水泥基復合材料的制備及研究是當前國際前沿研究課題之一。1981年英國帝國化學公司(Iel)的Birchall等人發(fā)明了一種新的加工技術來避免普通水泥漿體中大孔的產(chǎn)生，當時采用Portland水泥就很容易地使水泥漿體的抗折強度超過了60MPa，并于次年制成了世界第一根水泥彈簧。這種新的水泥漿體力學強度的提高直接歸功于消除了那些由于空氣引入或攪拌不充分形成的經(jīng)常存在于普通水泥漿體中的大孔或缺陷(>100pm)，.因而命名為無宏觀缺陷(Macro-Defect-Free)水泥，簡稱MDF水泥。MDF水泥材料的制備是由水泥加水溶性聚合物、少量水和甘油，經(jīng)高效剪切攪拌后，在一個較低溫度和壓力下成型而得，因此，這一材料是一種組成上不完全是無機水泥而含有部分有機聚合物的無機-有機復合材料。這種高性能水泥基材料具有的一系列優(yōu)異的物理力學性能引起了世界各國科技界及產(chǎn)業(yè)界的廣泛關注，可望應用于許多領域。有關MDF水泥材料的高強本質的理論研究問題，從這種材料一開始產(chǎn)生就被重視。隨著分析測試技術的發(fā)展，新的實驗現(xiàn)象被揭示，使已有的強度理論模型或被發(fā)展或被放棄，或者提出了新模型。本文對它的性能和應用進行了全面的介紹，并分析了其使用過程中存在的濕敏性問題及耐濕性改進措施。2.MDF水泥強度理論模型無宏觀缺陷(macro-defect-free,MDF)水泥材料由于克服了傳統(tǒng)水泥漿體的大脆性、低抗折強度，同時具有良好的聲學、低溫、電磁等性能，因而倍受重視。MDF水泥材料的抗折強度已由普通水泥的5?10MPa提高到150?250MPa,抗壓強度由50?100MPa提高到300MPa以上，斷裂韌性也由0.2?0.5MPam/2提高到超過3MPa-m1/2。有關MDF水泥材料的高強本質的理論研究問題，從這種材料一開始產(chǎn)生就被重視?？紫堵逝c強度關系模型在水泥混凝土材料強度性能影響因素方面，目前人們研究得最多的是孔結構,而孔結構中最簡單且最重要的參數(shù)就是孔隙率。從Powers開始，已相繼建立起來如下幾種典型形式的孔隙率與強度的經(jīng)驗關系式：TOC\o"1-5"\h\zPowers公式 R = Rxn (1)Balshin公式 R = R)0(1-p)n (2)Ryshkewitch公式 R = Rexp(-bp) (3)Schiller公式 p =p0exp(cR) (4)式(1)至(4)中n,b,c均為實驗常數(shù)，x膠空比,p為零強度孔隙率,R為零孔隙率強度。這些經(jīng)驗公式顯示，孔隙率是控制強度的決定性因素，降低孔隙率，便意味著提高強度。然而，根據(jù)上述傳統(tǒng)的強度理論發(fā)展起來的超細粉密實(DSP)水泥材料和熱壓水泥它們的孔隙率減小到與MDF料相近，抗壓強度甚至超過MDF水泥材料(DSP材料最大可達300MPa,熱壓水泥最大可超過650MPa)，但它們的抗折強度仍比MDF水泥材料約低1?2個數(shù)量級。由此看來,MDF水泥材料具有的高抗折強度，并不簡單是孔隙率決定的，其本質已超越了建立在傳統(tǒng)水泥漿體受壓破壞基礎之上的孔隙率與抗壓強度關系的上述理論模型。Griffith斷裂力學模型在低水灰條件下通過機械剪切、熱壓成型和干熱養(yǎng)護工藝制備的MDF水泥材料不僅降低了孔隙率(體積孔隙率可達1%甚至更低)，而且有可能完全排除有害大孔(>100Lm)。Birchall等人和Alford率先以脆性斷裂的Griffith方程為基礎研究了MDF水泥材料的破壞，理論上用經(jīng)典的Griffith判據(jù)描述為：R=(Er/pc)1/2 (5)式(5)中R為抗折強度，E為彈性模量，r為斷裂能，c為臨界裂紋長度，等價于大孔尺寸。由此推斷MDF水泥材料的抗折強度只決定于大孔尺寸，與孔隙率無關，傳統(tǒng)的孔隙率與強度關系很大程度上是偶然的，因為減小孔隙率的同時也降低了臨界裂紋尺寸。纖維拔出模型Eden和Bailey在研究Portland水泥基MDF材料的斷裂行為時提出：大孔或凝膠孔的排除不是MDF材料的主要增強機制，重要的在于聚合物在互鎖的CSH纖維界面起著粘合劑的作用，從而提高了纖維狀水化產(chǎn)物CSH拔出的剪切應力,使斷裂變難，導致材料高強。用公式表示為：R=PdlrN (6)式⑹中R是彎曲應力，d、l分別是單根CSH纖維的直徑和長度，Pdl則是單根CSH纖維的表面積,N是單位面積斷裂表面上CSH纖維的數(shù)量。事實上，纖維拔出模型是不切合實際的，正如后來人們所指出的，即使是Portland水泥基MDF材料,更不用說鋁酸鹽水泥基MDF材料，它們的斷裂表面根本就不存在CSH纖維。4微觀結構模型MDF水泥材料更應該直接被看作是水泥基的有機-無機的高性能復合材料，聚合物除了作為加工助劑外，還應是一重要的結構組成。從復合材料觀點來看，聚合物與水泥之間的界面結構與微觀化學對MDF水泥材料的高強與高韌性，應扮演著一個重要的角色，這一觀點今天已普遍為人們所接受。3.MDF水泥的性能特點可與某些陶瓷MDF水泥基復合材料在微觀結構與化學上的特殊性，使得它具有一系列的優(yōu)異性能。僅管強度在許多研究中被作為衡量MDF材料質量的指標,但該材料的其它性能在特殊應用上顯得更為重要。已發(fā)現(xiàn)許多具有特殊性能的第二相材料摻入MDF材料中對其強度沒有多大影響，但可以改善材料的硬度、耐磨性、導熱或導電性以及韌性等。力學性能MDF材料力學性能指標不僅大大超過了普通水泥，且、鋼、高分子材料相比擬。在MDF材料中加入SIC粉末或晶須可以增進抗折強度、斷裂韌性并改善耐磨性。各種纖維加入MDF材料中能進一步改進其斷裂韌性和抗沖擊性能。配制得較好的纖維增強MDF水泥基層壓復合材料斷裂能可以從未增強的約1kJ/m2增加到接近100kJ/m2，沖擊韌性從約5kJ/m2增加到120kJ/m2。介電性能MDF材料在1-10kHz之間的平均介電常數(shù)是9.0，體積電阻率在109-1011Q?cm之間。MDF材料的介電性能還可以通過摻加SiO或硅灰來加以改善。耐電壓強度增為9.0。使用空心微細球形顆粒，介電常數(shù)可以進一步降為3.0,這能與常用作介電絕緣材料的環(huán)氧玻璃鋼的介電性能相媲美。因此，MDF材料可開發(fā)為介電材料。電磁屏蔽性能MDF材料本身并無明顯的電磁輻射屏蔽作用，但通過摻入一些金屬粒子或碳纖維可以達此目的。例如，摻入30%的鐵粉(粒徑要求小于100pm)的MDF材料除仍然保持良好的力學性能外，對300-1000MHz電磁波具有40-57dB良好的衰減效果。聲學性能一般情況下，彈性模量高的材料，聲學阻尼性能極差，如鋼、鋁。這類材料做重型機械底座不能起減震作用。聲學阻尼性能好的材料，如木材、粗紙板、塑料等，它們的彈性模量太小，在重負載下極易變形°MDF材料同時具有較好的聲學阻尼性能和較高的楊氏模量，因此可以作為要有足夠強度的聲學阻尼材料應用。低溫性能某些體心立方晶系的金屬材料如鐵、低碳鋼、鎢、銅和鑰等，在低溫下其晶格內(nèi)極易產(chǎn)生微裂紋，這些裂紋尖端又產(chǎn)生應力集中，導致低溫易脆斷。某些塑料，例如聚氯乙烯和尼龍，僅管在77OK時楊氏模量和抗拉強度比室溫時增大1倍以上，但在低溫下也變脆。因此，這些材料不宜在低溫中使用。相反，與室溫時比較，MDF材料在低溫(770K)時的抗折強度、楊氏模量和應力集中系數(shù)Kic值都有所增加，意味著低溫下能阻止裂紋生長。另一重要方面是，MDF材料在室溫時的熱導率比金屬低2個數(shù)量級，約lw/mK，在低溫時仍比金屬低很多。此外，MDF材料的滲透率也較低，因此，這一材料適合于各種低溫下應用。卜表為MDF水泥潛在應用:

應用領域舉例說明(1)聲學大型機器、儀器的減震底座，勒聲器機殼、唱盤高保真音材料⑵低溫慵存、輔送低溫液悻的容器、管道或低溫超導裝置的組件⑶介電免緣材料印刷線路板基底、絕蜂器件、抗靜電地板［電弧隔板、保險絲瞥、捕座、開關(4)電磁輻射屏蔽防止計算機、與達和輸送電線等設備遭受電磁波干擾的屏蔽材料(5)T具、模具材料塑料加工用工具、蒸壓,模(工作溫度155175°C)；抗壓模具〔工一'作溫度150’C):彈氤齒輪、軸承等°與金屬比，優(yōu)點是易成型旦無需:機械加工,利用這一點」H本還由MDF材料加一IH了小部模型中(6)特種建筑材料承重樓板、天花板、隔板、裝飾板、裝飾瓦片，優(yōu)點是可壓出凹凸花紋十成品上訂嘖涂各神顏料或鍍金屬，表面光潔亮澤'硬度高.耐磨性好且抗腐蝕十混嚓土快速修補材料、路面鋪尾、橋面板、供路枕軌、鑲嵌制品(固途在高盤混凝土表層)等匚(7)危險廢料處理由于該材料”有高強度、高韌性、低滲透性以及宜好的抗溶劑和耐酸堿腐蝕性能，所以可用作盛裝核廢渣、廢液等危險廢料的客器，以及作特種耐蝕管材U(8)護甲/防彈裝甲材料利用該材料良好的沖擊韌性，可祥人員和交通工具的護甲、重要工業(yè)或軍用建筑的外墻板或隔板；纖維增強MDF水泥材料可擋住以75如/$速度心行的于彈或彈片,并能抗多次射擊，防彈效果好于碳化硼和氧化鋁陶瓷裝甲材料，目.可制成大而積的裝甲和各種堂雜形狀。(9)生物醫(yī)學材料作為外科、骨科,牙科的移植材料使用4.MDF水泥的濕敏性及改性措施眾所周知普通水泥具有水硬性，這是水泥被作為廣泛的建筑材料的重要原因。MDF水泥基復合材料具有優(yōu)異的物理力學性能，可是為什么MDF水泥的實際應用并不像預期的那樣好.這其中固然有工藝方面的因素，但更為重要的是，迄今為止，人們還未從根本上解決MDF水泥耐水性差的問題。濕度對MDF材料的有害影響從1987年后己被公認，當這一材料置于較高的相對濕度（＞60%）環(huán)境或浸于水中，其抗折強度最終會降為原始強度的40%以下（浸水28d由250Mpa降到100Mpa，介電常數(shù)和介電損耗因子增加50%以上，而體積電阻降低幾個數(shù)量級。這些現(xiàn)象己公認主要是該復合材料中親水性的聚合物成分（其體積可達MDF復合材料的15%—20%）吸濕引起的。改進MDF材料濕敏性的根本措施是：消除聚合物傳遞濕度的主要途徑（采用憎水性聚合物或對現(xiàn)有MDF材料中親水性聚合物進行化學交聯(lián)改性）和最大限度地降低未反應水泥的含量（采用耐水基材部分代替水泥）。改性措施有：聚合物浸漬法用異氛酸鹽化合物通過尿烷鍵交聯(lián)PVA分子鏈通過用硼酸、有機格絡合物交聯(lián)劑使PVA不可溶來改進MDF材料的耐水性防水涂層采用憎水性聚合物替代傳統(tǒng)的水溶性聚合物制備MDF材料采用偶聯(lián)劑對MDF材料進行改性5.結論MDF水泥基復合