复合材料应用研究

复合材料应用研究（共8篇）

复合材料应用研究 篇1

航空发动机复合材料的应用与研究

[摘要]：由于航空工业的迅猛发展，航空发动机复合材料应运而生，本文简单介绍了航空发动机复合材料的发展状况，以及主要的发展趋势，分析了发动机材料的各自独特的特性，并突显了复合材料在航空发动机发展中重要地位，为未来航空发动机的相关研究和研发奠定基础，使航空发动机相关制造工艺上再上一个新台阶。

[关键词]：发动机 C/C CMC 陶瓷基复合材料

中图分类号：V250.1 文献标识码：A 文章编号

1.引言

科学技术迅速发展，特别是尖端科学技术的突飞猛进，对材料性能提出了越来越高、越来越严和越来越多的要求，传统的单一材料已不能满足实际需要。这些都促进了人们对材料的研究逐步摆脱过去单纯靠经验的探索方法，而向着按预定材料的研究方向发展。此时，复合材料就应运而生。

2.发动机复合材料

飞机、发动机结构材料家族中，复合材料是新成员。它是现代科学技术不断进步的结果，也是材料设计方面的一个突破。它综合了各种材料如纤维、树脂、橡胶、金属、陶瓷等的优点，按需要设计、复合成为综合性能优异的新型材料，复合材料已成为21世纪航空结构的支柱性材料。

2.1 碳/碳复合材料

1958年美国Chance-Vought航空公司科研人员在测定碳纤维增强酚醛树脂基复合材料中的碳纤维含量时，由于实验过程中的操作失误，聚合物基体没有被氧化，反而被热解，意外地得到了C/C复合材料，从而诞生了C/C复合材料。

80年代初，美国就开始研制碳/碳涡轮盘和涡轮叶片，以后又先后进行了F100飞机发动机的燃烧室和喷管试验，JTD试验机低压整体涡轮盘及叶片试验（运行温度为1649，比高温合金涡轮盘高出555），还进行了1760 地面超速试验。德国、俄罗斯和日本已相继成功研制涡轮外环和整体涡轮。此外，90年代初期，美国已在实施将碳/碳用于超高飞行器的飞机结构材料的计划，以实现飞行器全碳/碳株结构的设计和制造。

面对当今航空发动机对材料的要求的不断提高，C/C复合材料的发展方向为：（1）发展C/C的低成本快速致密化工艺。C/C复合材料的生产周期过长和致密化不均匀是影响其成本的主要因素，应该重视发展高效、高性能的致密化工艺；（2）加强涂层C/C在发动机工作环境下的试验考核研究。

2.2 树脂基复合材料

树脂基复合材料是由以有机聚合物为基体的纤维增强材料，通常用玻璃纤维、碳纤维或芳纶纤维增强体，经过特殊工艺加工而成的一种先进的复合材料。随着材料技术不断发展，各种先进树脂基复合材料在航空工业用量持续增加。它具有重量轻、强度高、耐介质、耐高温性能好、耐冲击性能强等一系列突出的特点，在日益发展的航空工业上广泛应用。

为适应新一代飞机对高性能材料的需要，各发达国家对先进树脂基复合材料的研究和开发都投入了大量的人力和物力，近几年来，在材料性能提高、工艺改进、成本降低等方面取得了重大的突破和发展。

近年来先进树脂基复合材料的发展主要围绕提高工作温度、改善湿/热性能、增大断裂韧性、降低制造成本等几个关键技术进行，航空发动机复合材料用高温树脂以聚酰亚胺（PI）为基础。其现状及发展趋势主要是：（1）提高耐热性，（2）提高冲击韧性，（3）低成本复合材料制造技术。

2.3 陶瓷基复合材料

陶瓷基复合材料在航空工业领域是一种非常有发展前途的新型结构材料。特别是在航空发动机制造应用中，越来越显示出它的独到之处。陶瓷基复合材料除了具有重量轻、硬度高的优点以外，还具有优异的耐高温和高温抗腐蚀性能。目前陶瓷基复合材料在承受高温方面已经超过了金属耐热材料，并具在很好的力学性能和化学稳定性，是高性能涡轮发动机高温区理想的极好材料。

20世纪初期，主要的陶瓷基复合材料产品是以 或 纤维增强的 和 基复合材料，用于制造静止零件，如加力筒体、燃烧室瓦片、喷嘴、火焰稳定器等以代替高温合金。

陶瓷基复合材料（CMC）的密度仅为高温合金的1/3～1/4，最高使用温度为1650。其“耐高温和低密度”特性是金属和金属间化合物无法比拟的，因此美、英、法、日等发达国家一直把CMC列为新一代航空发动机材料的发展重点，并投入巨资进行研究。

目前世界各国针对下一代先进发动机对材料的要求，正集中研究氮化硅和碳化硅增强陶瓷材料。并取得了较大进展，有的已开始应用在现代航空发动机中。例如美国验证机的F120型发动机，它的高压涡轮密封装置，燃烧室的部分高温零件，均采用了陶瓷材料。法国的M88-2型发动机的燃烧室和喷管等也都采用了陶瓷基复合材料。

3.结束语

本文通过对复合材料发展的介绍，并列举出碳/碳复合材料、树脂基复合材料和陶瓷复合材料的应用情况，以及技术工艺等情况，在航空发动机的发展道路上展现了复合材料的光芒。对今后航空发动机新型复合材料的研制、改进有一定的意义。

参考文献

[1] 兰天.俄第六代航空发动机新材料和新工艺[M].上海：科技大世界学出版社，2000.[2] 刘伯操.航空材料选用目录[M].北京：中国航空工业公司出版社，1995.[3] IRWIN STAMBLER.Europe has own technology base to compete with ATS program in us[J].Gas Turbine Wrold，1995，25（6）：26-29.The research and application of aeroengine

composite materials

Zhu Li Luo Yanchun Chen Yu Wang Xin

（Air Force Aviation University，Changchun 130022，China）

ABSTRACT： With the rapid development of aviation industry，the aviation engine composite emerge as the times require，this paper simply introduces the development status of aeroengine composite materials，as well as the main trend of development，analysis the characteristics of engine materials are unique，and highlights the composite materials in aircraft engine development in an important position，to lay the foundation for the future research and development of aero engine，the engine manufacturing process to the last new step.Key words： engine； C/C； CMC； Ceramic matrix composite materials

复合材料应用研究 篇2

在现代工业生产中, 铜及其合金常作为结构金属材料和功能金属材料而得到广泛应用, 这是因为, 铜具有优异的性能特点。涉及至机械工业、电子工业、电器工业、航空航天领域及人们的日常生活中。但是金属铜的强度低, 耐磨损性能差, 耐热性能差, 高温下易氧化, 容易变形, 以及铜资源短缺等, 限制了铜在工业生产中的更广泛应用[1]。针对金属铜的性能缺点, 人们研究发现, 将硬度高, 热稳定性好, 热膨胀系数小, 耐磨损性能优异的陶瓷颗粒与铜进行复合, 形成颗粒增强铜基复合材料;或者在颗粒增强铜基复合材料加入石墨等固体润滑颗粒, 获得混杂颗粒增强铜基复合材料, 利用混合强化和阻碍位错运动的方式来提高铜基体的强度, 既可保持铜基体的良好导电性、导热性、抗强磁场等性能, 又能通过颗粒强化提高材料的强度、硬度及耐磨性能[2]。从而满足现代航空、航天、冶金、电器、机械等工业领域对导电材料综合性能所提出的新需要。

2 颗粒增强铜基复合材料的制备方法

颗粒增强铜基复合材料是通过陶瓷颗粒, 利用混合强化和第二相粒子阻碍位错运动的方式来对铜基体进行强化。铜基复合材料中增强颗粒的选择既要满足增强体与铜基体的化学稳定性与相容性要求, 还要满足增强颗粒的力学性能及物理性能要求, 例如颗粒的弹性模量、抗拉强度等力学性能, 颗粒的密度、热稳定性、热膨胀系数等物理性能要求, 颗粒的粒径大小、形状等几何形状要求, 也要满足增强材料的价格及对铜基复合材料生产工艺的要求。铜基复合材料中经常采用的增强体颗粒有碳化物陶瓷、氮化物陶瓷、氧化物陶瓷、金刚石颗粒以及其他增强颗粒。碳化物陶瓷颗粒主要有Si C、B4C、WC;氮化物陶瓷颗粒主要有Ti N、Al N;氧化物陶瓷颗粒主要有Al2O3、Si O2, 其他还有C、Si等增强颗粒。随着材料科学与工程的发展, Ti3Si C2、Ti3Al C、Ti2Al C也用于铜基复合材料的增强材料。Si C颗粒具有良好导热性及热稳定性, 而且硬度高、弹性模量高、低成本、密度低等优良特性, 并且价格便宜, 易于获得, 是制备颗粒增强铜基复合材料是人们选用较多的增强颗粒。

当铜基复合材料的增强颗粒选定以后, 就可以采用不同的制备工艺合成颗粒增强铜基复合材料。

一是原位自生成法制备颗粒增强铜基复合材料, 该方法的特点是在复合材料的制造过程中, 增强体在铜基体中原位自生形核, 然后在铜基体中生长。在增强体原位自生形成过程中, 可以是相应元素之间的反应形成新的颗粒, 也可以是加入元素或化合物之间的反应生成颗粒, 还可以是合金熔体中自发结晶出增强颗粒。原位自生过程有利于铜基体与增强体之间具有良好的相容性, 增强体与铜基体结合牢固, 增强体与铜基体界面洁净, 增强体表面无污染, 使得原位自生成法制备颗粒增强铜基复合材料具有较优异的综合力学性能。

二是机械合金化法制备颗粒增强铜基复合材料, 该方法的特点是铜金属粉末和强化物质按一定比例混粉后, 再在高能球磨机反复球磨, 通过相应组分之间的变形, 粉碎和粘合而进行合金化, 最后获得均匀化的复合材料粉体。由于增强颗粒在高能球磨过程中, 利用磨球的撞击、变形提供能量, 在球磨过程中可以原位反应形成增强相。所以机械合金化可以将熔点相差悬殊的两种金属、金属间化合物进行合金化或复合化, 从而制备用其他方法难以制备的颗粒增强铜基复合材料。

三是粉末冶金法制备颗粒增强铜基复合材料, 该方法的特点是先通过混粉将不同体积分数的铜粉与增强颗粒粉末均匀化, 然后进行复合粉末成型及粉末烧结, 达到冶金结合, 形成颗粒增强铜基复合材料。粉末冶金法制备颗粒增强铜基复合材料, 增强体的体积分数可以在较大的范围内变化, 工艺成熟, 材料性能较好, 可以根据需要对铜基复合材料块体进行二次加工, 但生产效率低, 高致密化生产工艺复杂。

四是内氧化法制备颗粒增强铜基复合材料, 该方法的特点是先将铜铝合金通过雾化沉积工艺制备成相应的粉末, 再将铜铝合金粉末和氧化剂混合, , 控制一定的氧化气氛, 使合金元素氧化形成弥散分布的铜—氧化铝粉末, 然后压制、烧结制备铜基复合材料。内氧化法可以制备均匀分布的、细小的、具有良好热稳定性的氧化物颗粒如弥散强化的铜基复合材料。

3 颗粒增强铜基复合材料的应用

颗粒增强铜基复合材料兼顾了金属铜与陶瓷材料的性能特点, 具有良好的导电性和导热性, 表现出优良的综合力学性能、其在电器、冶金、机械等领域的应用范围正在不断扩大。一是颗粒增强铜基复合材料在集成电路引线框架材料中的应用, 引线框架是电子线路板等微电子技术等高新技术领域应用的重要构件, 高强度、高导电铜基复合材料引线框架具有热膨胀系数小、尺寸稳定性好、磁化系数小等性能特点, 有利于提高集成电路提可靠性, 提高集成电路引线框架。二是颗粒增强铜基复合材料在电触头材料、点焊电极材料中的应用, 电触头材料、点焊电极材料要求有高强度, 高硬度, 高耐磨性, 高导电率及良好的导热特性, 耐热性, 一定的抗点蚀性能。颗粒增强铜基复合材料继承了陶瓷颗粒耐热性、耐磨性的性能特点, 具有高强度、高导电率的性能优势, 尤其是具有高的软化点, 在受热后不软化的性能特点, 特别适应制造电触头材料、点焊电极材料。三是颗粒增强铜基复合材料在接触线材料、连铸机结晶器材料中的应用, 接触线材料、连铸机结晶器材料要求具有良好的导电性、导热性, 耐磨性, 高温强度高, 颗粒增强铜基复合材料具有高的强度、高的软化点和高的耐高温磨损性能, 有利于提高接触线和连铸机结晶器的使用寿命及可靠性。特别是在颗粒增强铜基复合材料加入石墨等固体润滑颗粒, 获得混杂颗粒增强铜基复合材料, 利用混合强化和阻碍位错运动的方式来提高铜基体的强度, 石墨提高减摩性能, 既可保持铜基体的良好导电性、导热性、抗强磁场等性能, 又能通过颗粒强化提高材料的硬度及耐磨性能。

摘要：结合铜的力学性能、物理性能、化学性能、工艺性能等方面的优点及缺点, 说明了颗粒增强铜基复合材料的性能特点, 分析了颗粒增强铜基复合材料的制备方法, 论述了颗粒增强铜基复合材料在电器、冶金、机械等领域的应用。

关键词：颗粒增强,铜基复合材料,制备方法

参考文献

[1]王瑾, 解念锁, 冯小明, 艾桃桃.SiCp/Cu梯度复合材料的压缩性能研究[J].热加工工艺, 2011.

复合材料数字化技术应用研究 篇3

关键词：复合材料；数字化；FiberSIM

中图分类号：TH744 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）02-0010-04

从数字化技术应用角度，我国航空企业的复合材料数字化设计制造技术仍处于很低的水平，仅是某些数字化单项技术的应用，不具有组合性和连续性。

而欧美的航空公司（波音和空客）在飞机研制中将数字化技术应用到设计、制造、管理的整个过程当中，从最初的设计建模，到工艺准备、工装设计，再到后期的产品检验，每个环节无一不用到了数字化技术。国外的这些应用成果表明，必须建立集成的数字化设计制造环境，这样才能真正地打通复合材料构件数字化生产线，打造出飞机复材结构件的精品。

1 复合材料数字化设计与制造环境

1.1 设计数字化

1.1.1 目前的软件环境。建立了以万兆以太网为干线的企业园区网，拥有上千台先进计算机、大型服务器和PDM系统等良好的硬件基础。拥有CATIAV4、CATIAV5工作平台，实现了复合材料构件100%的计算机辅助设计。拥有复合材料专用设计软件FiberSIM、Covers、CPD，结构分析软件MSC、Patran、Nastran、Dytran、Fatigure、Beasy、Nasgrow、优化软件COMPASS等。图1和图2为应用设计软件进行数字化设计。

1.1.2 FiberSIM和CPD工程设计软件。FiberSIM和CPD软件是集成于CAD系统中的一个软件工具包，它可以使CAD系统成为高性能的设计和制造复合材料零件的软件工具。FiberSIM和CPD软件可以进行复合材料零件的结构分析、工程设计、曲面展开、铺层定义、自动排料等，并通过相应接口将定义信息传递至自动剪裁机、激光铺层定位仪和检测设备，完全取消了图纸并提供了复合材料零件数字化定义的单一产品数据源，不会由于不正确或不完整的尺寸以及数据转换错误造成返工，极大地减少了检验工作量，产品精度大大提高。

1.1.3 生产制造数字化复合材料的生产规模、生产能力与生产设备关系紧密，生产规模的扩大与产品质量的提高都要有高质量的设备作基础。哈飞的复合材料发展的每一个阶段，都配备了与生产发展相配套的设备。到目前为止，我厂已经具备铺层定位系统、数控下料机等工艺设备。表1为我厂复合材料主要生产设备。

1.2 铣床

1.2.1 自动铺带系统。复合材料制造工时中，手工铺层所需工时约占总工时的60%或更高，而且质量不稳定（一般铺层取向有±2°的误差，铺层间隙不均匀）。纤维缠绕法铺层自动化、效率高，多用于形状规则的筒形、板形构件，为此开发了ATL（Automated Tape Laing）自动铺带技术。

ATL技术中铺放头单轴向运动，只能铺30°范围内的外形，带宽3～12英寸，铺带速度为每分钟40m。美国波音Cinati Machine与Cytec共同努力于70年代中期开始研制自动铺带机，现已发展了三代Tape Laing Machine：

第一代：平面、窄带、带宽3英寸

第二代：大型平面、宽带、带宽12英寸

第三代：铺曲面，称“外形铺带机”CTLM

主要工作过程：预浸料分配→稍加热→与纸分离→铺下、切断、压实，关键是铺带头，具有扇形端，随零件外形走动、均匀施压。该技术可节省86%的铺贴工时，10%的材料，废品率仅3%～5%，手工为25%～30%。取向均匀性都比手工铺贴好，提高了制件的精度和质量，降低了成本。据悉，目前已售出50多台，价格约为每台300万美元。

1.2.2 自动铺丝系统。由于带子太宽，所以ATL技术难于铺出有双曲率的形状复杂的构件，因此，在ATL技术和纤维缠绕技术的基础上发展了AFP（Automated Fiber Placement）自动纤维铺放技术，该技术自20世纪80年代中期研发，1989年Cincinati Machine设计了第一台AFPM，并于1990年交付使用。

AFP技术中，丝束是预浸无捻纤维束，宽度为3mm的窄带，厚度0.14mm，长度以km计，铺放速度为每分钟6m，计算机程序控制，铺放精度可达3‰，铺层时可进行压实或固化。

窄的丝束可以更好地控制纤维取向，只增强那些应该增强的部位，而不会将周围部分随之过分增强。由于铺放头可以单独铺放及切割每一丝束，所以AFP技术易于构成厚截面和变截面以及制造几何形状复杂的大型构件，并且具有速度快、精度高、质量好、材料利用率高的特点，加上大面积整体成形技术可降低成本50%。自动纤维铺放机如图3所示：

1.2.3 自动下料系统。为减少手工下料错误，使下料过程更准确、更快捷，采用专门的数控切割设备来进行预浸料的平面切割。转化后的数据文件被用于控制切割设备的运行，从而避免手工操作不可缺少的切割样板，有助于为铺层排料和特形铣等后续应用提供必要的信息。

1.2.4 激光铺层定位系统。激光铺层定位系统是由一个工作站附带若干台铺层定位仪而构成的。工作时定位仪将激光投射在工装的定位元件上。确定位置后即开始工作，按工作站预先编制的软件将激光投射在工装预定的区域，表明要铺层的位置、形状、材料种类代号及方向。该系统不仅提高了铺层准确性，而且实现了整个过程脱离图纸，从而极大地提高了劳动生产率。

2 研究内容与过程

本课题以转包B787复合材料翼身整流罩494Z2202-3为基础，研究复合材料数字化技术的应用。首先，哈飞的设计、工艺和质量人员对波音公司提供的《纤维增强复合材料件制造规范》（BAC5317）要求统一认识。其次，分析波音公司提供的复合材料板件数模，按规范要求进行铺层扩展补充设计，并生成供制造车间数控切割设备下料的铺层展开图和供激光铺层定位系统投影的激光投影程序。最后，由制造车间对铺层展开图进行排板下料，并按激光铺层定位系统的投影和BAC5317要求进行铺层，铺层结束后，按规定的温度、压力和时间进行固化。固化结束后进行切边钻孔，并按BAC5317要求进行C扫描和无损检测（NDI）。

B787复合材料翼身整流罩板件曲面比较复杂，零件的结构尺寸为2700×1300mm，板件均为蜂窝夹层结构，采用对称设计，铺层主要以0°、±45°和90°三种为主，在每一个件中至少有10%某方向的铺层，以防止树脂直接受力。铺层递减宽度相等，均大于或等于2.54mm，以避免层剪破坏。该件有6块蜂窝，6块蜂窝为变厚度蜂窝，厚度为25.4～46mm不等，加工起来非常困难。蜂窝边缘采用切20°

角形式，采用大圆角过渡，板件铺层为29层。

B787板件所选用的材料为环氧胶膜（BMS5-154）、铝箔（BMS8-336）、玻璃纤维环氧加强布（BMS8-79）、碳纤维环氧加强布（BMS8-168）和泰德拉膜，在上表面蒙皮采用一层厚0.1mm的铝箔来达到防雷击的目的。

以上所有零件的几何形状、结构尺寸、尺寸公差、材料属性、工艺信息都包含在CATIA数模和FiberSIM软件中。图4为用FiberSIM软件显示板件模型各种设计信息。

根据每一层的边界生成投影文件；根据每一层的展开图生成下料文件，将这两个文件分别输入到投影设备和下料设备中，投影设备在工装表面投影出每一层的轮廓，自动下料机按照下料文件上的信息在预浸料上裁减出每一层的平面展开状态的形状，最后将下料机裁减出的每一层按照工装上所投影出的轮廓铺贴上去，当所有层都铺贴完成后到热压罐里固化成形，经过切割最终成型出产品。

3 结语

通过对波音787翼身整流罩的数字化设计与制造研究，应用复合材料数字化设计制造技术与传统设计、制造方法相比：制造周期缩短30%；原材料节省20%。

通过对复合材料数字化技术应用进行全面研究，可以极大地推动我国复合材料设计与制造水平，实现复合材料设计、工艺、制造一体化，数字化技术的应用将成为今后我国航空企业工段技术的主要发展方向。

参考文献

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[2] 杨乃宾，章怡宁．复合材料飞机结构设计[M]．北京：航空工业出版社，2002．

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[4] 戴棣，谢富原．航空复合材料结构的先进制造技术[A]．航空复合材料预研二十年回顾与展望研讨会论文集[C]．2001．

[5] 沃丁柱．复合材料大全[M]．北京：化学工业出版社，2000．

[6] IBM．Composite Covering．1999．

[7] IBM，CATIA．Composite Covering Users Guide Version4．1999．

作者简介：张鹏宇（1980-），男，辽宁阜新人，供职于中航工业哈飞飞机设计研究所，研究方向：飞机结构设计。

纳米材料研究现状及应用前景要点 篇4

摘要：文章总结了纳米粉体材料、纳米纤维材料、纳米薄膜材料、纳米块体材料、纳米复合材料和纳米结构的制备方法，综述了纳米材料的性能和目前主要应用领域，并简单展望了纳米科技在未来的应用。

关键词：纳米材料；纳米材料制备；纳米材料性能；应用 0 引言

自从1984年德国科学家Gleiter等人首次用惰性气体凝聚法成功地制得铁纳米微粒以来，纳米材料的制备、性能和应用等各方面的研究取得了重大进展。纳米材料的研究已从最初的单相金属发展到了合金、化合物、金属无机载体、金属 有机载体和化合物无机载体、化合物有机载体等复合材料以及纳米管、纳米丝等一维材料，制备方法及应用领域日新月异。

纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料，包括纳米粉体(零维纳米材料，又称纳米粉末、纳米微粒、纳米颗粒、纳米粒子等)、纳米纤维(一维纳米材料)、纳米薄膜(二维纳米材料)、纳米块体(三维纳米材料)、纳米复合材料和纳米结构等。纳米粉体是一种介于原子、分子与宏观物体之间的、处于中间物态的固体颗粒，一般指粒度在100nm以下的粉末材料。纳米粉体研究开发时间最长、技术最成熟，是制备其他纳米材料的基础。纳米粉体可用于：高密度磁记录材料、吸波隐身材料、磁流体材料、防辐射材料、单晶硅和精密光学器件抛光材料、微芯片导热基片与布线材料、微电子封装材料、光电子材料、先进的电池电极材料、太阳能电池材料、高效催化剂、高效助燃剂、敏感元件、高韧性陶瓷材料、人体修复材料、抗癌制剂等。纳米纤维指直径为纳米尺度而长度较大的线状材料，如纳米碳管，可用于微导线、微光纤(未来量子计算机与光子计算机的重要元件)材料、新型激光或发光二极管材料等。纳米薄膜分为颗粒膜与致密膜。颗粒薄膜是纳米颗粒粘在一起，中间有极为细小的间隙的薄膜；致密膜指膜层致密但晶粒尺寸为纳米级的薄膜。可用于气体催化材料、过滤器材料、高密度磁记录材料、光敏材料、平面显示器材料、超导材料等。纳米块体是将纳米粉末高压成型或控制金属液体结晶而得到的纳米晶粒材料，主要用途为超高强度材料、智能金属材料等。纳米复合材料包括纳米微粒与纳米微粒复合(0-0 复合)、纳米微粒与常规块体复合(0-3复合)、纳米微粒与薄膜复合(0-2 复合)、不同材质纳米薄膜层状复合(2-2 复合)等。纳米复合材料可利用已知纳米材料奇特的物理、化学性能进行设计，具有优良的综合性能，可应用于航空、航天及人们日常生产、生活的各个领域。纳米结构是以纳米尺度的物质单元为基础，按一定规律构筑或营造的一种新体系。这些物质单元包括纳米微粒、稳定的团簇或人造原子、纳米管、纳米棒、纳米丝以及纳米尺寸的孔洞等。

我国于20世纪80年代末开始进行纳米材料的研究，近年来，在纳米材料基础研究领域，取得了重大的进展，已能采用多种方法制备金属与合金氧化物、氮化物、碳化物等化合物纳米粉体，研制了相应的设备，做到了纳米微粒的尺寸可控，并研制了纳米薄膜和纳米块体。在纳米材料的表征、团聚体的起因和消除、表面吸附和脱附、纳米复合等许多方面有所创新。成功地研制出致密度高、形状复杂、性能优越的纳米陶瓷；在世界上首次发现纳米氧化锆晶粒在拉伸疲劳中应力集中区出现超塑性形变； 在颗粒膜的巨磁电阻效应、磁光效应和自旋波共振等方面做出了创新性的成果；在国际上首次发现纳米类钙钛矿化合物微粒的磁熵变超过金属Gd；发展了非晶完全晶化制备纳米合金的新方法；发现全致密纳米合金中的反常Hall-Petch效应等。纳米材料制备技术现状

纳米粉体、纳米纤维、纳米薄膜、纳米块体、纳米复合材料和纳米结构等纳米材料的制备方法有的相同，有的不相同，有的原理上相同，但工艺上有显著的差异。关于纳米材料的制备方法方面的文献较多，各种制备方法的工艺过程、特点及适用范围在相关的文献中均有较详细的介绍[ 1][ 12],[ 13]-[ 21] 2.1 纳米材料的力学和热学性能

纳米材料由于其独特的结构，因而与常规材料相比，在力学和热学上表现出一些奇异的特性。实验表明，粒径达8nm的铁的强度为常规材料的数倍，其硬度是常规材料的近千倍。长期以来，为解决陶瓷在常温下的易碎问题不断寻找陶瓷增韧技术，如今纳米陶瓷的出现轻而易举地解决了这个难题。实验证明，纳米TiO2在800-1000热处理后，其断裂韧性比常规TiO2多晶和单晶都高，而其在常温下的塑性形变竟高达100%。中科院金属研究所曾成功地将纳米铁经反复锻压，其形变高达300%。

目前各种发动机采用的材料都是金属，而人们一直期望能用性能优异的高强陶瓷取代金属，这也是未来发动机发展的方向。而纳米陶瓷的出现为人们打开了希望之门。纳米陶瓷的超高强度，优异的韧塑性使其取代金属用来制作机械构件成为可能。中科院上海硅酸盐研究所制成的纳米陶瓷在800下具有良好的弹性。

纳米微粒由于颗粒小，表面原子比例高，表面能高，表面原子近邻配位不全，化学活性大，因而其烧结温度和熔点都有不同程度的下降。常规Al2O3烧结温度在1650以上，而在一定的条件下，纳米Al2O3可在1200左右烧结。利用纳米材料的这一特性，可以在低温下烧结一些高熔点材料，如SiC，WC，BC等。另一方面，由于纳米微粒具有低温烧结，流动性大，烧结收缩大的特性，可以作为烧结过程的活性剂，起到加速烧结过程，降低烧结温度，缩短烧结时间的作用。有人曾作过实验，在普通钨粉中加入0.1%-0.5%的纳米镍粉，其烧成温度从3000降到1200-1300。复相材料由于不同相的熔点及相变温度不同而烧结困难，但纳米粒子的小尺寸效应和表面效应，不仅使各相熔点降低，各相转变温度也会降低。在低温下就能烧结成性能良好的复相材料。纳米固体低温烧结特性还被广泛用于电子线路衬底，低温蒸镀印刷和金属陶瓷的低温接合等。

此外，利用纳米微粒构成的海绵体状和轻烧结体可制成多种用途的器件，广泛应用于各种过滤器、活性电极材料、化学成分探测器和热变换器，例如备受人们关注的汽车尾气净化器。有报道说，以色列科学家成功地用Al2O3制备出耐高温的保温泡沫材料，其气孔率高达94%，能承受1700的高温。

2.2 纳米材料的光学特性

纳米粒子的一个明显特征是尺寸小。当纳米粒子的粒径与超导相干波长，玻尔半径以及电子的德布罗意波长相当、甚至更小时，其量子尺寸效应将十分显著，使得纳米材料呈现出与众不同的光学特性。

纳米材料对可见光具有反射率低、吸收率高的特性。一般来说，大块金属都具有不同颜色的光泽。但实验证明，金属纳米微粒几乎都呈黑色。如铂金纳米粒子反射率仅有1%，这表明它们对可见光的低反射率、高吸收率导致粒子变黑。由于体积效应，能级间距的增大和纳米的量子限域效应，纳米粒子对光的吸收还表现出蓝移现象。利用纳米材料的这一特性，制成紫外吸收材料，可用作半导体器件的紫外线过滤器。还可在稀土荧光粉中掺入纳米粉，吸收掉日光灯发射出的有害紫外线。将其应用在纺织物中，与粘胶纤维相混合，制成的功能粘胶纤维，具有抗紫外线、抗电磁波和抗可见光的特性，可用来制做宇航服。

2.3 纳米材料的化学活性、敏感性

化学催化剂是一种不断接受热源使化学反应稳定进行的功能材料。催化剂的作用主要有以下几个方面:一是提高反应速度和效率，缩短反应时间；二是改善反应的条件，如降低反应温度、压强、真空度等；三是在决定反应的路径方面，使化学反应按预计的方向进行，即具有选择性。从以上不难看出，人们总是期望单位质量催化剂表面能同时接纳尽可能多的反应物，纳米微粒的表面积效应恰好符合了这一点。而且纳米粒子表面不光滑，形成凹凸不平的原子台阶，此外原子表面悬键多，反应活性大。这些都有利于加速化学反应，提高催化剂的反应活性。例如采用纳米Ni 作为火箭固体燃料的催化剂，燃烧率可提高100倍。纳米材料不仅能极大提高催化剂的催化活性，而且还表现出令人惊异的化学选择性。这在有机化学工业上有着广阔的应用前景，可用来提高原料的利用率，降低生产成本。如在环辛二烯加氢生成环辛烯的反应中，常规的Ni催化剂选择性仅为24，而采用粒径为30nm的Ni时选择性提高到210，是原来的9倍。

纳米微粒具有大的比表面积，高的表面活性以及与气体相互作用强等特性，导致纳米微粒对周围环境的变化十分敏感。如光、温度、湿度、气氛、压强的微小变化都会引起其表面或界面离子价态和电子迁移的变化。这正满足了传感器功能上所要求的灵敏度高、响应速度快以及检测范围广的要求。目前科学家已发现多种纳米材料对一些特定的物质具有敏感反应。

2.4 纳米材料的电学、磁学效应

超顺磁性是纳米微粒的一大磁学特性。当纳米微粒尺寸小到一定临界值时，其磁化率就不再服从经典的居里一外斯定律而进入超顺磁状态。科学家认为纳米微粒出现超顺磁性，其原因在于粒径小于临界值，各向异性能减小到与热运动能可比拟时，磁化方向就不在固定的一个异磁方向。异磁方向作无规律的变化，这就导致了超顺磁化的出现。磁性液体正是利用纳米微粒的这一特性而制成的。磁液体是由具有超顺磁性的强磁性微颗粒包一层长链有机分子的界面活性剂，弥散于一定的基液中形成的胶体，具有固体的强磁性和液体的流动性，在工业废液处理方面有着独特的优势和广阔的应用前景。

纳米微粒进入临界尺寸呈现出超顺磁性，但在粒径大于临界尺寸时，却表现出高的矫顽力。另外，当纳米粒子的尺寸小到一定值时，每个粒子就是一个单磁畴，实际上就成为永久磁铁。具有上述两种特性的磁性纳米粉是未来磁记录材料的发展趋势。磁记录材料发展的总趋势是大容量、高密度、高速度和低成本。例如，要求记录材料具备每1cm2 记录信息1000万条以上，这就要求每条信息记录在几个平方微米内，只有纳米的尺寸才能达到这一点。磁性纳米材料具有尺寸小、单磁畴结构、矫顽力高等特性，使得制作的磁记录材料具有稳定性好、图象清晰、信噪比高、失真十分小等优点。日本松下电器公司已成功研制出纳米磁记录材料，我国也开展了这方面的研究工作，而且取得了不少重要的成果。纳米材料的主要应用[22]-[27]

借助于纳米材料的各种特殊性质，科学家们在各个研究领域都取得了性的突破，这同时也促进了纳米材料应用的越来越广泛化。3.1特殊性能材料的生产

材料科学领域无疑会是纳米材料的重要应用领域。高熔点材料的烧结纳米材料的小尺寸效应(即体积效应)使得其在低温下烧结就可获得质地优异的烧结体(如SiC、WC、BC等)，且不用添加剂仍能保持其良好的性能。另一方面，由于纳米材料具有烧结温度低、流动性大、渗透力强、烧结收缩大等烧结特性，所以它又可作为烧结过程的活化剂使用，以加快烧结过程、缩短烧结时间、降低烧结温度。例如普通钨粉需在3 000℃高温时烧结，而当掺入0.1%-0.5%的纳米镍粉后，烧结成形温度可降低到1200℃-1311℃。复合材料的烧结由于不同材料的熔点和相变温度各不相同，所以把它们烧结成复合材料是比较困难的。纳米材料的小尺寸效应和表面效应，不仅使其熔点降低，且相变温度也降低了，从而在低温下就能进行固相反应，得到烧结性能好的复合材料。纳米陶瓷材料的制备通常的陶瓷是借助于高温高压使各种颗粒融合在一起制成的。由于纳米材料粒径非常小、熔点低、相变温度低，故在低温低压下就可用它们作原料生产出质地致密、性能优异的纳米陶瓷。纳米陶瓷具有塑性强、硬度高、耐高温、耐腐蚀、耐磨的性能，它还具有高磁化率、高矫顽力、低饱和磁矩、低磁耗以及光吸收效应，这些都将成为材料开拓应用的一个崭新领域，并将会对高技术和新材料的开发产生重要作用。

3.2生物医学中的纳米技术应用

从蛋白质、DNA、RNA到病毒，都在1-100nm的尺度范围，从而纳米结构也是生命现象中基本的东西。细胞中的细胞器和其它的结构单元都是执行某种功能的“纳米机械”，细胞就象一个个“纳米车间”，植物中的光合作用等都是“纳米工厂”的典型例子。遗传基因序列的自组装排列做到了原子级的结构精确，神经系统的信息传递和反馈等都是纳米科技的完美典范。生物合成和生物过程已成为启发和制造新的纳米结构的源泉，研究人员正效法生物特性来实现技术上的纳米级控制和操纵。纳米微粒的尺寸常常比生物体内的细胞、红血球还要小，这就为医学研究提供了新的契机。目前已得到较好应用的实例有：利用纳米SiO2微粒实现细胞分离的技术，纳米微粒，特别是纳米金(Au)粒子的细胞内部染色，表面包覆磁性纳米微粒的新型药物或抗体进行局部定向治疗等。

正在研制的生物芯片包括细胞芯片、蛋白质芯片(生物分子芯片)和基因芯片(即DNA芯片)等，都具有集成、并行和快速检测的优点，已成为纳米生物工程的前沿科技。将直接应用于临床诊断，药物开发和人类遗传诊断。植入人体后可使人们随时随地都可享受医疗，而且可在动态检测中发现疾病的先兆信息，使早期诊断和预防成为可能。纳米生物材料也可以分为两类，一类是适合于生物体内的纳米材料，如各式纳米传感器，用于疾病的早期诊断、监测和治疗。各式纳米机械系统可以快速地辨别病区所在，并定向地将药物注入病区而不伤害正常的组织或清除心脑血管中的血栓、脂肪沉积物，甚至可以用其吞噬病毒，杀死癌细胞。另一类是利用生物分子的活性而研制的纳米材料，它们可以不被用于生物体，而被用于其它纳米技术或微制造。

3.3纳米生物计算机开发

生物计算机的主要原材料之一是生物工程技术产生的蛋白质分子，并以此作为生物芯片。在这种芯片中，信息以波的形式传播，其运算速度要比当今最新一代计算机快10倍以至几万倍，能量消耗仅相当于普通计算机的几亿分之一，存贮信息的空间仅占百亿分之一。由于蛋白质分子能自我组合，再生新的微型电路，从而使得生物计算机具有生物体的一些特点，如能发挥生物本身的调节机能、自动修复芯片上发生的故障，还能使其模仿人脑的机制等。世界上第一台生物计算机是由美国于1994年11月首次研制成功的。

科学家们预言，实用的生物分子计算机将于今后几年问世，它将对未来世界产生重大影响。制造这类计算机离不开纳米技术。生物纳米计算机和纳米机器人的结合体则是另一类更高层次上的可以进行人机对话的装置，它一旦研制成功，有可能在1秒钟完成数十亿次操作，届时人类的劳动方式将产生彻底的变革。

目前纳米科学技术正处在重大突破的前夜，它已取得一系列成果，使全世界为之震动，并引起关心未来发展的全世界科学家的思索。人们正注视着纳米科学技术领域不断涌现出的奇异现象和新进展，这一领域前景十分诱人。它与其它学科相互渗透和交叉，可以形成许多新的学科或学科群，其有关发展将对经济建设、国防实力、科技发展乃至整个社会文明进步产生巨大影响。

3.4新的国防科技革命

纳米技术将对国防军事领域带来革命性的影响。例如：纳米电子器件将用于虚拟训练系统和战场上的实时联系；对化学、生物、核武器的纳米探测系统；新型纳米材料可以提高常规武器的打击与防护能力；由纳米微机械系统制造的小型机器人可以完成特殊的侦察和打击任务；纳米卫星可用一枚小型运载火箭发射千百颗，按不同轨道组成卫星网，监视地球上的每一个角落，使战场更加透明。而纳米材料在隐身技术上的应用尤其引人注目。在雷达隐身技术中，超高频(SHF，GHz)段电磁波吸波材料的制备是关键。纳米材料正被作为新一代隐身材料加以研制。由于纳米材料的界面组元所占比例大，纳米颗粒表面原子比例高，不饱和键和悬挂键增多。大量悬挂键的存在使界面极化，吸收频带展宽。高的比表面积造成多重散射。纳米材料的量子尺寸效应使得电子的能级分裂，分裂的能级间距正处于微波的能量范围，为纳米材料创造了新的吸波通道。纳米材料中的原子、电子在微波场的辐照下，运动加剧，增加电磁能转化为热能的效率，从而提高对电磁波的吸收性能。美国研制的“超黑粉”纳米吸波材料对雷达波的吸收率达99％，法国最近研制的CoNi纳米颗粒被覆绝缘层的纳米复合材料，在2-7GHz范围内，其m￠和m￠￠几乎均大于6。最近国外正致力于研究可覆盖厘米波、毫米波、红外、可见光等波段的纳米复合材料，并提出了单个吸收粒子匹配设计机理，这样可以充分发挥单位质量损耗层的作用。纳米材料在具备良好的吸波功能的同时，普遍兼备了薄、轻、宽、强等特点。纳米材料中的硼化物、碳化物，铁氧体，包括纳米纤维及纳米碳管在隐身材料方面的应用都将大有作为。

3.5其他领域

除此之外，纳米材料还在诸如海水净化、航空航天、环境能源、微电子学等其他领域也有着逐渐广泛的应用，纳米材料在这些领域都在逐渐发挥着光和热。纳米材料的应用前景展望

在未来的几十年中，纳米技术将逐步渗透到科学技术的各个领域，并在很大程度上改变人们的生产和生活观念。纳米技术将影响的几个领域[ 10][ 22]：

(1)海水脱盐净化技术。由于人口的快速增长，预计到2025年，全球将有48 个

国家、32%的人口面临着缺水的困境。而解决缺水困难的根本出路就是海水脱盐净化技术，碳纳米管的发现及纳米技术的发展为这一技术提供了一种可能的发展方向。

(2)照明系统。在照明中用于制造发光二极管的半导体将逐渐在纳米尺寸范围内制作，在纳米尺度上制作的发光二极管的效率现在已经可以与可见光谱上白炽光源相媲美，由于其小巧精致、耐用性以及低发热特性，将很快在展览、汽车照明灯、普通照明以及指示器中获得广泛应用。

(3)医学和生物领域。纳米技术将使适用于制药的化学物质的数量增加约1 倍；

可用尺寸为50-100nm的纳米颗粒对肿瘤部位进行治疗，因为更大的粒子无法穿过肿瘤上的小孔，纳米颗粒却能轻松进入肿瘤内部；纳米技术将使癌症在仅有少量癌细胞出现的早期即被检出。

(4)微电子和计算机。纳米结构的微处理器的效率将提高100万倍，并实现兆兆比特的存储器，研制量子计算机和光子计算机。

(5)环境和能源。利用纳米技术发展绿色能源和环境处理技术，减少污染和恢复被破坏的环境；制备孔径1nm的纳米孔材料作为催化剂的载体，用以消除水和空气中的污染；成倍提高太阳能电池的能量转换效率等。利用纳米材料特殊的磁、光、电等性质，还可以开发出无以计数的新型材料，21世纪的纳米材料必将在微电子、信息、能源、环保、通讯、航空航天、工农业生产以及人们的日常生活等领域中发挥出巨大的作用，从而促进生产力的提高，推动社会的发展。参考文献

[1]Mo C M, Li Y H, Liu Y S.Applied Phsics Lett ers,1998,83(8): 4389.[2]张修庆, 朱心昆, 颜丙勇等.材料科学与工程[J].2001, 19(2):95.[3]黄钧声, 任山.材料科学与工程[J].2001, 19(2): 76.[4]刘维平, 黄庆梅.材料科学与工艺[J].1998, 6(1): 100.[5]Eckert J, Halzer J C, Krill C E.J Appl Phys, 1993, 73(6):2794.[6]陈春霞, 钱思明, 宫峰飞等.材料研究学报[J].2000, 14(3):335.[7]Kornmann X, Lindberg H, Berglund L A.Polymer, 2001, 42(1): 893.[8] Carroll D L, Redlich P, Ajayan P M.Phys Rev Let t, 1997, 78(4): 2811.[ 9] Hat t a N, Murata K.Chem Phys Let t, 1994, 217(4): 398.[10] 张立德, 牟季美.纳米材料和纳米结构[ M].北京: 科学出版

复合材料应用研究 篇5

智能土木结构能有效解决评估土木工程结构的力度、完整安全性和结构持久性的问题。通过在土木结构工程里面安装一个个传感器，构成传感器网络，全面监控土木结构的性能。智能材料在土木结构工程方面的应用前景十分广阔，它现在主要应用在高层建筑、桥梁、大型水力发电工程等项目中。而一些大型体积的混凝土结构项目像采油平台、大水坝和船闸等，也已经尝试植入传感器并构建智能土木结构工程。智能材料在近年的应用发展大局来看，大规模分布式智能传感器也被应用于对公共建筑的检测，为智能结构提供数据基础。

4.2新材料高性能化发展

高性能化是通过研制新兴建筑材料来实现工程的智能结构和功能一体化的过程。一些特性各异的材料被研发以适应各种需求。如高耐久性材料、高保温性材料、高抗震性材料、优异装饰性材料、高吸声性材料、轻质材料、及优异防水性材料都有专门的适用领域。轻骨料混凝土、加气混凝土、高强混凝土、空心砖、石膏板等新兴建筑材料应用于土木工程，材料自重大大减轻，建筑建设发展空间更大，有利于向大跨度方向进一步发展，适应土木工程发展的大战略。

4.3新材料复合化发展

材料复合的过程，即将FRP材料通过各种方法附于构件表面承受外力，使得原构件的受力性能大大提升。目前，FRP已经在加固各类土木工程结构时发挥了很大作用。其涉及的领域从桥梁和建筑结构扩大到水工结构、地下结构以及隧道等。FRP筋重量较轻且强度大，具有的高耐腐蚀性可以避免钢筋锈蚀而损害，同时也减少了维护结构的费用和时间。它具有的非磁性能应用到一些有无铁磁性要求的特殊工程中。FRP筋在也被广泛用在桥梁建设和岩土采挖工程的加筋土中。我国目前已经能生产索产品及其配套锚夹具和多种FRP筋。重点研究FRP筋混凝土与FRP筋之间的界面粘结性能问题研究和FRP筋特殊弹脆性材料的力学性能研究。

4.4新材料环保化发展

土木工程新材料的发展中最重要的是绿色化、节能化。我国的建筑材料的更新在加快，建筑节能化力度也在逐步加大，建筑的防水保温能力也在不断提高。随着人们对于绿色环保生活更加关注，居住环境、装修材料等越来越倾向于健康方面，绿色建筑材料得到大力推广。水泥是因其耗能高污染大,应尽可能地少采用,。尽可能地多使用以工业废渣等为原材料的新型混凝土。我国人民生活水平在不断提高,环境与社会的效益也逐步被关注,充分开发利用好工业废渣必将是土木工程实现可持续化转变中的一个重要课题。

5结论

现代建筑的理念随着科技化和信息化社会的进步而发生翻天覆地的变化。将新型材料应用于现代土木工程，能够提升工程质量，提高工程检水平，实现作业现场环保化。我们要有完备的能力充分掌握新材料，使其得到更好的应用，这需要相关学者和科研工作者的不懈努力。我们相信，新型材料在土木工程中的应用必将越来越宽广，市场空间也越来越大。

参考文献：

[1]张正雄.土木工程材料[M].人民交通出版社,.

[2]周海波.土木工程材料研究[S].江西科学技术出版社,.

复合材料应用研究 篇6

作为第三代超分子大环化合物的代表,杯芳烃具有特殊的分子识别能力和独特的`结构易修饰性.将杯芳烃掺杂或键合于高分子材料中,可得到各种具有分子识别功能的高分子材料.本文综述了含杯芳烃的高分子材料在化学传感器、色谱及传输分离等方面的研究和应用.

作 者：王丽 施宪法 胡晓均 刘宇 作者单位：王丽,胡晓均,刘宇(同济大学化学系,上海,92)

施宪法(同济大学化学系,上海,200092;南京大学配位化学国家重点实验室,南京,210093)

复合材料在土木工程中的应用研究 篇7

FRP就是纤维增强复合材料, 其发展历史十分悠久, 人们在上个世纪五六十年代就开始尝试将纤维增强复合材料运用到民用建筑当中, 在1961 年, 英国有一座教堂的尖顶中就应用了玻璃纤维增强复合材料, 之后, 利物浦也利用玻璃纤维增强复合材料作为连系梁建立起了一座人行天桥。玻璃纤维增强复合材料在我国的应用是在上个世纪五十年代末期, 我国开始尝试将玻璃纤维束应用到混凝土的构件中, 发展到了七八十年代的时候, 玻璃纤维增强复合材料开始在我国结构工程中得到了大面积的应用, 并且针对玻璃纤维增强复合材料的研究也取得了一系列的成果。

一、工程结构加固补强

复合材料在社会上的各行各业中都有着很多的应用, 其主要是通过各种方法将玻璃纤维增强复合材料附着在构件表面上受力, 这样一来就可以有效增强原有构件的受力性能。我国在上个世纪八十年代的时候就尝试在工程实践中利用混凝土结构外贴玻璃纤维增强复合材料内夹高强钢丝的加固方法, 但是尝试这个加固方法的主要目的只是为了起到防腐的作用, 并且将混凝土与钢丝相结合, 因而这种尝试并没有得到广泛的推广。[2]在九十年代初期, 对瑞士的多跨连续箱形梁桥使用了碳纤维增强复合材料进行了加固并取得了很好的效果之后, 纤维增强复合材料的加固结构修复技术开始在全球范围内得到了研究与普及, 取得了很快的发展, 并且在实际的工程中得到了大量的应用。1988 年, 我国成功完成了第一项碳纤维增强复合材料加固工程, 进而也就开始了我国的纤维增强复合材料的发展之路, 尤其是2008 年汶川大地震之后, 纤维增强复合材料加固技术更是极大的支持了建筑重建工作以及加固修复震损结构工作。在现阶段内。纤维增强复合材料在各种类型的结构加固中都得到了大量的成功运用, 比如在混凝土结构、钢结构等方面, 另外, 纤维增强复合材料除了涉及桥梁与建筑领域的结构之外, 同时还涉及到了地下结构、水工结构以及隧道等等, 所涉及的领域十分广泛。纤维增强复合材料的加固形式十分多样, 主要包括纤维增强复合材料布缠绕加固混凝土柱、将纤维增强复合材料片材贴在梁与板手拉面、利用纤维增强复合材料片材包裹梁、柱构件。[3]

二、纤维增强复合材料

在纤维增强复合材料中, 纤维占了一半以上的含量, 纤维增强复合材料筋的重量相对很轻, 只有普通钢筋重量的百分之二十左右, 但是其强度十分大, 是普通钢筋强度的六倍之多。纤维增强复合材料具有很好的耐腐蚀性, 这也是其能够代替钢筋的重要因素之一, 这能够防止因为钢筋锈蚀而对结构造成的损害, 并且还明显减少了结构的维护时间与费用。同时, 纤维增强复合材料还具有良好的非磁性, 能够满足某些特殊工程的无铁磁性的要求。在桥梁工程中, 纤维增强复合材料索有着很多的应用, 比如其可以作为缆索运用到悬索桥或斜拉桥中, 或者是作为预应力筋运用到混凝土桥中。[4]

在上个世纪六十年代初期的时候, 一些发达国家就开始对纤维增强复合材料配筋在混凝土梁中的应用进行研究, 包括美国、日本等等, 其研究的内容主要就是如何利用纤维增强复合材料减少近海区域或寒冷地区的钢筋混凝土结构的盐蚀危害。此外, 在这些发达国家, 纤维增强复合材料在岩土工程的加筋土中也有着很多的应用, 并且由于纤维增强复合材料具有安装简洁、耐久性强、价格低廉等优势, 使得其得到了越来越广泛的应用。

我国对纤维增强复合材料配筋在混凝土梁中的应用的研究也比较早, 到目前为止, 我国已经能够生产出多种纤维增强复合材料筋、索产品以及与其相配套的夹具, 随着研究的力度不断加大, 促使我国在实际的实践中也取得了一定的研究成果。[5]在研究纤维增强复合材料筋混凝土的过程中, 主要是研究两个方面的内容:首先是混凝土与纤维增强复合材料之间的截面的粘结性能的问题, 这是因为这两者的粘结性能都很差, 不同的筋材形式与表面处理形式, 最后得到的粘结性能也是具有差异的;其次是特殊力学性能, 纤维增强复合材料筋是一种弹脆性材料, 因此与传统钢筋混凝土构件相比, 应用了纤维增强复合材料筋的混凝土的构件的受力性能也是不同的, 这也成为了相关学者在今后都将进行重点关注的研究内容。

结语:

综上可知, 与纤维增强复合材料的其他应用领域相比, 复合材料在土木工程中的应用条件更加具有复杂性, 土木工程行业正处于高速发展的阶段, 虽然现代混凝土与钢材的大量应用有着很长的历史, 但是其应用仍需要进一步加强与完善。纤维增强复合材料具有多样化的应用形式, 其在未来必定会得到更加广泛的应用, 发展前景十分广阔。

参考文献

[1]王全凤, 杨勇新, 岳清瑞.FRP复合材料及其在土木工程中的应用研究[J].华侨大学学报 (自然科学版) , 2005, 01:1-6.

[2]邓文, 崔建伟, 张慧萍, 晏雄.纤维复合材料在土木建筑工程中的应用[J].产业用纺织品, 2008, 06:28-32.

[3]季园园, 韩庆华, 芦燕, 刘锡良.CFRP在土木工程中的应用研究[J].结构工程师, 2014, 05:210-219.

[4]颜录科, 寇开昌, 哈恩华, 颜海燕.纤维增强复合材料在土木建筑工程中的应用研究与进展[J].中国塑料, 2004, 04:3-7.

关于贫胶粒材料的应用研究 篇8

摘 要：碾压混凝土坝和面板堆石坝是目前坝工界设计采用的的两种主要的筑坝技术。贫胶粗粒料筑坝技术是综合了面板堆石坝和碾压混凝土坝在筑坝材料、结构设计和施工工艺等方面的优点而产生和发展起来的一种新坝型，其采用贫胶凝材料，就地利用开挖弃渣或天然砂砾石料等各种粗粒料，经现场简易拌和，采用振动碾碾压施工的新型筑坝技术，具有就地取材、造价经济、受地质条件限制小、抗震性能好、施工速度快的特点，以及最大程度上避免植被和土地被破坏、对环境影响小、绿色环保的优点，是一种极富潜力的新筑坝技术。同时，做为一种新的设计理念的突破，笔者认为在民用建筑方面也有广阔的应用前景。

关键词：贫胶粗粒料；应用；水工碾压混凝土

1 贫胶粗粒料的性质和特点

1.1 贫胶粗粒料的性质

(1)贫胶粗粒料的性能介于砂石料和混凝土之间：相对于砂石料有较高的抗剪和抗压强度，较高的变形模量和较强的抗冲能力，同时又不像混凝土材料那样要求胶凝材料包裹细骨料并填满粗骨料间隙形成实体；(2)不需要采料场或仅需要就近布置的小规模料场，可以利用开挖弃渣，能够显著降低骨材料成本；(3)能够利用常规混凝土难以利用的低质量骨料：如当地的岩质材料无需或仅需简单的调整即可用于制作贫胶粗粒料，从而有效利用当地材料；(4)贫胶粗粒料的制备仅需要简单的制作设备；(5)贫胶粗粒料的上坝运输、摊铺和振动压实采用与RCC相似的施工工艺；(6)贫胶粗粒料的性质离散性较大且抗渗性相对砼较差。

1.2 贫胶粗粒坝的主要特点

(1)在天然砂石料或开挖弃渣料中掺入少量胶凝材料并经振动碾压形成的贫胶粗粒料，其力学性能介于堆石料和混凝土之间，比堆石料的强度要高，但比混凝土的强度低。材料性质上的特点决定了这种坝型的断面介于重力坝和堆石坝之间。

(2)水泥掺量少是贫胶粗粒料筑坝技术的主要特点之一。低水泥掺量就意味着水化热减小，温升较小。

(3)适于在强震区建设。坝体应力水平较低，大坝整体稳定安全性及抗震安全性都较高。

(4)特别适合于中小型水利水电工程或临时工程：贫胶粗粒料筑坝技术是介于传统土石坝和重力坝之间的一种新筑坝技术，它兼备两种坝型的优点，具有一些自身独特的优势。

2 贫胶粗粒料材料试验研究

2.1 试验方法的选择

根据对贫胶粗粒料特性的初步分析，在材料试验的初步研究基础上可知，贫胶粗粒料的特性介于堆石体与碾压砼之间，但与与碾压砼更为接近，可以说是降低了较大强度指标、防渗能力的碾压砼，因此材料试验研究方法与RCC基本相同。

2.2 实验过程

鉴于贫胶粗粒料的最大粒径为150~250mm，比通常用于水工建筑物的骨料粒径120mm要大，若采用常规的15cm立方体试件做试验，必然需要剔除较大粒径，试验所取得的力学指标可能与实际施工差异较大。为了更好的反映贫胶粗粒料的特性，使试验的数据与工程实际更接近，采用了40cm立方体试件进行试验。笔者在柬埔寨甘再水电站和加纳布维水电站进行了现场实验。

2.2.1 天然砂砾料组原材料

(1)天然砂砾料：取自工地开挖料。

(2)胶凝材料：

水泥、粉煤灰为贫胶粗粒料材料主要胶凝材料，粉煤灰仍为其首选掺合料。

采用42.5MPa普通硅酸盐水泥。粉煤灰使用山东日照粉煤灰。

2.2.2 开挖弃渣组原材料

(1)开挖弃渣：坝基开挖出碴混合料，最大粒径40mm。

(2)胶凝材料

水泥：采用加纳生产的GHACEM42.5Mpa水泥。

粉煤灰：采用山东日照Ⅰ级灰

2.3 贫胶粗粒料配合比设计

笔者就实践用过的围堰设计进行说明。

2.3.1 设计参数

围堰设计基本设计参数：容重≥21.56KN/m³；抗剪断系数c/、f/按实测；渗透系数按实测；胶凝材料用量初拟为60kg/m3～80kg/m3；强度设计龄期按90d。

2.3.2 初拟配合比

围堰胶凝材料总量初拟60kg/m3、70kg/m3、80kg/m3(粉煤灰掺量为50%)，根据我院近年来对贫胶粗粒料材料试验研究，着重研究含砂率在20%～40%间波动时，抗压强度与砂率关系。初定配合比如下表。

2.4 贫胶粗粒料性能

2.4.1 拌合物性能

下表列出了三种砂率配比的贫胶粗粒料材料拌和效果。成型后的试件表面基本密实。

贫胶粗粒料为低胶凝材料的混凝土，水具有一定的润滑作用，低Vc值能使其更易泛浆形成凝聚体，可碾性较好。故贫胶粗粒料Vc值宜控制在5s左右。

2.4.2 抗压强度

初拟4种贫胶粗粒料配比，采用40cm×40cm×40cm试件尺寸，进行了28d、90d、180d抗压强度试验。

任一贫胶粗粒料配合比其强度随龄期增长而增加，180d后增长趋缓。若以180d龄期的强度为100%，则各龄期的强度增长率大致为：28d为40%～52%；90d为67%～81%，360d为105%～115%。

贫胶粗粒料材料强度依赖于胶凝材料用量，同一种砂率，强度随胶凝材料用量的增加而有较大幅度的增长。相同胶凝材料用量下，不同砂率配比的强度随砂率的增加而明显减少。结合多年来工程贫胶粗粒料材料试验结果，不同龄期时抗压强度与砂率间的关系曲线见图。

2.4.3 抗剪断参数

注：上表中抗剪断试件的配合比为水泥35kg/m³、粉煤灰35kg/m³采用开挖料

2.4.4 弹性模量和极限拉伸值

贫胶粗粒料弹性模量随砂率增加而减少，180d龄期时，在8300MPa～13520MPa间。贫胶粗粒料材料和普通混凝土一样是弹塑性材料。当最大压缩荷载没有超过贫胶粗粒料材料的线性极限强度时，贫胶粗粒料材料呈现出弹性状态。

由于贫胶粗粒料材料浆体很少，它的抗拉强度低，变形性能小。极拉强度随砂率增加而明显减少，极限拉伸值相对来说变化不甚明显。

2.4.5渗透性能

从渗透系数试验结果可以看出，砂砾料的渗透系数在10-2～10^-3数量级间，属半透水材料，其渗透系数与砂率大小成反比；由于砂率较小时，砾石间空隙率大，存在渗水通道，而砂多时，内部骨料不架空，渗透系数略小。贫胶粗粒料的渗透系数在10-5～10-6数量级间，同样胶凝材料用量下，贫胶粗粒料的渗透系数与砂率成正比，主要得益于砂率小时，贫胶粗粒料的强度较高，抗渗能力强。

3 结论与建议

(1)贫胶粗粒料是具有一定强度的干硬凝聚体，其容重在22.05KN/m³～23.52KN/m³范围内。当混合砂砾料含砂量在20%～40%范围时，贫胶粗粒料与碾压混凝土一样是由粗骨料分散在砂浆中所组成的两相材料，其中砂浆为连续相，粗骨料为分散相。

(2)同一龄期下，贫胶粗粒料强度是胶凝材料用量、砂砾石级配、用水量关系的函数。贫胶粗粒料强度不仅取决于水灰比，还与贫胶粗粒料中的可碾性指标浆砂比关系密切。选取合适砂率有利于强度以及渗透等耐久等性能。若砂率增大，浆砂比减小，骨料总比表面积较大，拌合物需水量明显增大，同时贫胶粗粒料为贫浆混凝土，浆体不足以填充细骨料间的空隙，混凝土略显疏松，振动不易液化泛浆，可碾性差，强度降低较多。

(3)180d龄期时，贫胶粗粒料弹性模量达到10000MPa以上，贫胶粗粒料单轴抗压应力～应变关系表明，贫胶粗粒料和普通混凝土一样是弹塑性材料。当最大压缩荷载没有超过贫胶粗粒料的线性极限强度时，贫胶粗粒料呈现出弹性状态。

(4)贫胶粗粒料浆体很少，抗拉强度低，变形性能小。极限拉伸强度随砂率增加而明显减少，极限拉伸值相对来说变化不甚明显。180d龄期时，砂率从20%～31%(天砂砾料)～40%，相应的轴拉强度变化为0.78MPa～0.52MPa～0.44MPa，极拉值变化范围为0.70×10^-4～0.60×10^-4～0.63×10^-4。

(5)渗透系数试验结果表明贫胶粗粒料的渗透系数在10^-5～10^-6数量级间。

(6)贫胶粗粒料母材：坝址附近天然砂砾石可开挖料来源丰富，平均含砂率31%左右，天然料场成层交替分布，均匀性尚可，天然料场中砾石呈连续分布，颗粒级配比较理想。试验结果表明当采用骨料最大粒径为400mm时，天然砂砾料含砂量在20%～27%范围时，强度随砂率增加降低幅度较小；砂率在27%～35%时，可适当增加水泥用量来提高强度；含砂率大于35%时对强度影响较大，需将天然砂砾料简单筛除后再利用。