纖維增強復(fù)合材料備受人們關(guān)注,它具有十分顯著的特點。與金屬材料或其他無機材料相比,它的質(zhì)量輕、比強度高、耐腐蝕、電絕緣、耐瞬時超高溫、傳熱慢、隔音、防水、易著色、能透過電磁波,是一種兼具功能和結(jié)構(gòu)特性的新型材料。
玻璃纖維增強復(fù)合材料(俗稱“玻璃鋼”)是發(fā)展較早的一種復(fù)合材料,它是以玻璃纖維及其制品為增強材料,以熱固性或熱塑性樹脂為基體,通過一定的成型工藝而制成的一種結(jié)構(gòu)物。它的學(xué)名為玻璃纖維增強塑料。1958年原建材部部長賴際發(fā)提出來一個通俗而又形象的名稱“玻璃鋼”,現(xiàn)在已被國內(nèi)外同行業(yè)界所認(rèn)同。
通過對此類玻璃鋼復(fù)合材料構(gòu)造的分析,與傳統(tǒng)材料相比,復(fù)合材料有以下特點。①材料的可設(shè)計性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的多層次性為復(fù)合材料及其結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來了極大的靈活性。復(fù)合材料的力學(xué)、機械及熱、聲、光、電、防腐、抗老化等物理、化學(xué)性能都可按制件的使用要求和環(huán)境條件要求,通過組分材料的選擇和匹配、鋪層設(shè)計及界面控制等材料設(shè)計手段,最大限度地達(dá)到預(yù)期目的,以滿足工程設(shè)備的使用性能。
②可同時提供表面防腐和結(jié)構(gòu)防腐性能防腐蝕用復(fù)合材料既能提供優(yōu)良的防腐蝕性能,又能作為結(jié)構(gòu)材料,提供優(yōu)良的力學(xué)性能,達(dá)到結(jié)構(gòu)防腐蝕性。
而普通的防腐蝕材料,諸如防腐蝕涂料、內(nèi)襯橡膠板材、膠泥襯砌塊材(耐酸瓷板、鑄石板、花崗石塊材等),則只能作為防腐蝕層使用。一旦這類防腐蝕層出現(xiàn)破壞,將使受保護的部分結(jié)構(gòu)受到腐蝕侵害,導(dǎo)致主體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)安全隱患。
③復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計包含材料設(shè)計傳統(tǒng)材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計中,只需按要求合理選擇定型化的標(biāo)準(zhǔn)材料。而在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計中,材料是由結(jié)構(gòu)設(shè)計者根據(jù)設(shè)計條件自行設(shè)計的。如上所述,復(fù)合材料結(jié)構(gòu)往往是材料與結(jié)構(gòu)同時形成的,且材料也具有可設(shè)計性。因此,復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計是包含材料設(shè)計在內(nèi)的一種新的結(jié)構(gòu)設(shè)計,它可以從材料和結(jié)構(gòu)兩方面考慮,設(shè)計人員可以根據(jù)結(jié)構(gòu)物的特點,對結(jié)構(gòu)物中不同的部位,視其不同的受力狀態(tài)設(shè)計不同性能的復(fù)合材料。
④材料性能對復(fù)合工藝的依賴性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在形成過程中有組分材料的物理和化學(xué)變化發(fā)生,不同成型工藝所用原材料種類、增強材料形式、纖維體積含量和鋪設(shè)方案也不盡相同。因此,構(gòu)件的性能對工藝方法、工藝參數(shù)、工藝過程等依賴性很大,同時也由于在成型過程中很難準(zhǔn)確地控制工藝參數(shù),所以一般來說復(fù)合材料構(gòu)件的性能分散性也是比較大的。
對于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)物,因為結(jié)構(gòu)和材料是一體,使成型制造的各種結(jié)構(gòu)物造型比較容易實現(xiàn),甚至可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)物的整體設(shè)計。而這一優(yōu)越性的發(fā)揮依賴于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造工藝設(shè)計的密切結(jié)合。合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)該考慮到制造工藝的可能性,制造工藝設(shè)計則應(yīng)最大限度地保證實現(xiàn)結(jié)構(gòu)物的最優(yōu)設(shè)計。
⑤復(fù)合材料具有各向異性和非均質(zhì)性的力學(xué)性能特點從力學(xué)分析的角度看,復(fù)合材料與常規(guī)材料(如金屬材料)的顯著區(qū)別是,后者被看作是均質(zhì)的和各向同性的,而前者是非均質(zhì)和各向異性的。所謂均質(zhì)就是物體內(nèi)各點的性能相同,也就是說,物體的性能不是物體內(nèi)位置的函數(shù);而非均質(zhì)正好與此相反。所謂各向同性就是在物體內(nèi)一點的各個方向上都具有相同的性能;而各向異性則表明某點的性能是該點方向的函數(shù)。
由于復(fù)合材料具有強烈的各向異性和非均質(zhì)性的特點,因而在外力作用下其變形特征不同于一般各向同性材料。一種外力常??梢砸鸲喾N基本變形,其單層和層合板的強度及各種參數(shù)都是方向的函數(shù)。所以,研究復(fù)合材料的力學(xué)性能時,要注意它的復(fù)雜性和特異性。在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時除了要考慮結(jié)構(gòu)物中的最大應(yīng)力,還要注意因材料各向異性特點反映出來的薄弱環(huán)節(jié),這主要是剪切性能和橫向性能遠(yuǎn)弱于纖維方向性能。
⑥優(yōu)良的綜合性能由于防腐蝕用復(fù)合材料所具備的組成特點,使得選用復(fù)合材料作防腐蝕材料的制品或部位,可同時具備優(yōu)良的防腐蝕性能、電性能(導(dǎo)電或絕緣)、熱性能(導(dǎo)熱或絕熱)。
例如,玻璃纖維和樹脂材料本身為電絕緣和絕熱材料,具有優(yōu)良的電絕緣性能和絕熱性能。但是,我們可以根據(jù)實際需要,通過在防腐蝕樹脂中引人導(dǎo)電或?qū)峤M分,從而使得復(fù)合材料具備相應(yīng)的導(dǎo)電性能或?qū)嵝阅堋?br /> ⑦良好的表面性能防腐蝕復(fù)合材料在制作成型的過程中,可以通過調(diào)節(jié)模板的表面狀況、表面層樹脂及增強材料的品種以及制作工藝,使防腐蝕復(fù)合材料制品形成極為光滑的表面。并且使得該表面可根據(jù)需要而具備疏水、疏油、耐磨、導(dǎo)熱、導(dǎo)靜電、防結(jié)垢等特殊性能。