碳纤维复合芯（共7篇）
碳纤维复合芯 篇1
1 碳纤维复合芯导线的施工特点
碳纤维复合芯导线作为增容导线进入我国市场运行多年, 已有几百条线路架线运行。碳纤维复合芯导线以良好的弧垂及大容量送电等特性, 解决了电网线路送电的瓶颈, 成为了导线发展的新方向。
碳纤维复合芯导线是由碳纤维复合芯棒与梯型软铝绞线组合而成。与传统的钢芯铝绞线相比, 碳纤维复合芯导线中的碳纤维复合芯棒替代了传统的钢芯, 梯型软铝绞线替代传统的圆形硬铝绞线, 使得其有独特的施工特性。相比传统的钢芯, 虽然碳纤维复合芯棒的抗拉强度约比其大2倍, 但碳纤维复合芯棒的最小弯曲半径为55d (d为碳纤维复合芯棒的直径) , 且不能在一个固定支点受到较强的弯曲力, 否则容易折断, 因此在施工中应避免碳纤维复合芯导线发生过小弯曲;相比圆形硬铝绞线, 梯型软铝绞线易受到外力的损伤, 因此在施工中碳纤维复合芯导线应防止磕碰;此外, 表面光滑的碳纤维复合芯棒与光滑的梯型软铝绞线之间握着力较差, 易发生“松股”、“灯笼”等情况, 因此在施工中应提高碳纤维复合芯导线的握着力, 避免“松股”、“灯笼”等情况的发生[1,2]。
2 施工器具
碳纤维复合芯导线的施工特点如图1所示, 在施工中应采用增强握着力以及满足弯曲半径要求的施工器具, 以顺利实现碳纤维复合芯导线的牵引和紧线。
2.1 牵引工具
由于普通钢芯铝绞线中铝绞线和钢芯都为圆形绞合结构, 且相邻层绞合方向相反, 具有很强的握着力, 因此可采用网套直接套在导线上进行牵引。但上述方法不适合牵引两层间握着力较差的碳纤维复合芯导线, 在实际施工中碳纤维复合芯导线牵引是采用加长型的网套 (有效长度≥2.5m) , 并且配合芯卡或铁管制作成的牵引头来完成的[3]。图2示出了芯卡的安装, 安装芯卡时应先按照芯卡的长度加上5mm去除铝层, 然后用0#砂纸把碳纤维复合芯棒打磨到发白, 用干净的毛巾擦拭芯棒, 套上芯卡, 再用胶带缠绕在芯卡上 (防止芯卡损伤蛇皮网套) , 最后套入网套并在尾部绑扎两道即可完成牵引头的制作。采用芯卡配合加长型网套制作牵引头牵引碳纤维复合芯导线方法的优点是芯卡可重复利用, 安装简单;缺点是该方法仅可在小档距、小张力的情况下使用。图3示出了铁管配合加长型网套制作的碳纤维复合芯导线牵引头, 制作时先将导线端头用手锯锯平, 然后按图3所示位置安装铁管并液压 ( (1) 号铁管液压的压力为60MPa, (2) 、 (3) 号铁管液压的压力为45~50MPa) , 再用胶布包覆在铁管表面, 并用14#细铁丝绑扎在网套的尾部, 用胶布包覆在绑扎线的表面, 最后在牵引网套与牵引绳间用合适的旋转连接器连接即可完成牵引头的制作。采用铁管配合加长型网套制作牵引头牵引碳纤维复合芯导线方法的优点是补强效果明显, 在实验室进行了5t拉力试验, 发现碳纤维复合芯棒无滑移, 适合大档距及大张力情况下牵引导线;缺点是铁管不能重复利用。
2.2 紧线工具
普通钢芯铝绞线紧线时使用的是卡线器, 如图4a) 所示。由于卡线器两个端头是刚性的, 卡线器受力时尾部与导线成一个翘角, 很容易损伤碳纤维复合芯导线, 因此在碳纤维复合芯导线线路施工中不建议使用。在实际施工中碳纤维复合芯导线紧线时使用的是预绞式耐张线夹, 如图4b) 所示。预绞式耐张线夹在受力时成直线, 没有角度, 可避免卡线器存在翘角及尾部刚性的问题, 而且其内护线条能保护软铝绞线不受损伤, 在施工中能保证碳纤维复合芯导线的安全。
2.3 导线弯曲半径对施工器具的要求
在施工中应特别注意碳纤维复合芯导线的弯曲半径, 避免在刚性点弯曲受力, 保证碳纤维复合芯导线的安全运行。因此施工器具中的滑车和张力机的轮径应满足一定要求:滑车的轮槽底径应大于导线直径的20倍, 轮槽深度应达到导线直径1.25倍, 轮槽口宽度应达到导线直径2.4倍, 而且应保证各种连接器能顺利通过;张力机的轮径应大于导线直径的40倍, 且与导线接触面应为衬胶或尼龙等不损伤导线的材质。
3 结束语
在实际施工中, 选择满足碳纤维复合芯导线要求的施工器具是保证施工质量的先决条件。虽然碳纤维复合芯导线在施工中遇到的握着力与弯曲半径的问题可由以上施工器具解决, 但在施工中也应注意其他方面, 如张力场中导线线盘的布置、张力机和第一基塔应保持在一条直线上;张力机离第一基塔的距离应大于挂线点离地高度的3倍;张力机中导线应选择左进右出等。
摘要：作为替代钢芯铝绞线的增容导线——碳纤维复合芯导线在施工方法上基本与钢芯铝绞线的相同, 但碳纤维复合芯导线材料、结构的变化导致其弯曲半径与握着力发生改变, 因此在施工中必须采用一些特殊施工器具来保证导线的安全架设。
关键词：碳纤维复合芯导线,弯曲半径,握着力
参考文献
[1]远东电缆有限公司.碳纤维导线施工手册[R].2011.[2]远东电缆有限公司.碳纤维导线样本[R].2009.[3]国家电网公司.Q/GDW 388—2009碳纤维复合芯铝绞线施工工艺及验收导则[S].2009.
碳纤维复合芯 篇2
关键词：聚丙烯腈；型芯；力学性能；比抗拉强度
DO工：10.15938/j.ihust.2016.01.004
中图分类号：7Q342+.31 文献标志码：A 文章编号：1007-2683（2016）01-OO18-04
0引言
聚丙烯腈的水解实质上是极性基团氰基的水解，氰基中极易被活化的碳氢键的水解性比较强.目前聚丙烯腈水解产物主要应用在絮凝剂、粘结剂及新型功能纤维的制备等方面，同时在聚丙烯腈废料回收再利用方面也有一定的作用.常用的水解聚丙烯腈的方法有三种：酸法水解、碱法水解和压力水解.酸法水解中，可以使用强酸让聚丙烯腈中容易水解的氰基发生水解反应，氰基首先转换为酰胺基，随着反应时间的增加，进一步将酰胺基水解液羧基.但是强酸的价格比较高，中和时，需要使用很多碱，提高了水解成本，反应过程中有较高的危险性，反应后有大量废水产生，对环境造成污染，所以在实际生产中很少采用酸法水解.
本文选用碱法水解.主要研究了聚丙烯腈在不同反应时间分子量分布对型芯力学性能的影响.同时对催化剂加入量、浴比进行优化，从而根据铸造要求，得出作为铸造粘结剂的最佳水解工艺.
1实验部分
1.1实验材料及设备
聚丙烯腈纤维（PAN）、蒸馏水、NaOH固体颗粒、石英砂.
三孔瓶、DZTW电子调温电热套、JJ-1增力电动搅拌器、冷凝管、橡胶管、胶塞、温度计、玻璃烧杯、电子称、JD200-3电子天平、JW11-4型混砂机、SAC锤击式制样机、抗拉强度试样模具、SWG杠杆式万能强度试验机、沃特世Waters Breeze 2高效液相色谱仪、红外光谱仪.
1.2水解液的制备
在三孔烧瓶中，按一定比例加入聚丙烯腈纤维、蒸馏水和催化剂，升温沸腾，保温4～8 h，得到聚丙烯腈水解液.
1.3抗拉强度的测定
将石英砂与水解液混合后在混砂机中混砂10 min，用樁样机捣实后脱模取出“8”字试样，将制好的试样置于干燥箱中，加热到105℃保温指定时间后取出，放置0.5 h使试样完全冷却后待用.在杠杆式万能强度试验机上安装好抗拉夹具，将“8”字试样放人夹具中，夹紧后转动手轮，匀速加载，直到试样中间被拉断为止，试样断裂时对应的标尺上的数值即为试样的抗拉强度，读数为标尺上数值的0.5倍，粘结剂加入量为石英砂1%时，试样的抗拉强度为其比抗拉强度.
2结果与讨论
2.1水解液分子量分布对型芯力学性能的影响
聚丙烯腈的水解是分两步进行的.第一步是极性基团-CN基断裂水解成-CONH，基，第二步是由-CONH2基水解至-COOH基.
对水解过程中（催化剂加入量为聚丙烯腈的60%，蒸馏水的加入量为聚丙烯腈的8倍），不同反应时间的水解液进行测试，得到不同的凝胶渗透色谱图，寻求不同反应时间对应试样的比抗拉强度与分子量之间的关系.
数均分子量Mn是按分子数目统计平均而得；重均分子量Mw是按分子重量统计平均而得.这两种平均分子量的物理意义比较明确，而Z均分子量的物理意义却不太明确.多分散性为聚合物中分子量的不均一性，其值为Mw与Mn的比值.用它来衡量分子量分布的宽度.多分散性越大，那么材料性能越差.这种现象在低分子中不存在，但对高分子化合物的性能却有很大的影响.相对分子质量和多分散性问题都是制备新型材料必须控制的问题.
由图1、2和表1中可以看出，反应时间不同的4种水解液在凝胶渗透色谱图中的峰形基本没有变化，都出现一个大分子峰和一个小分子峰，大分子峰位和小分子峰位出现的时间变化不大；随着反应时间的增加，数均分子量和重均分子量均先增加后减小，当反应时间为7 h时达到最大值；随着水解时间的增加，试样的比抗拉强度先升高后降低，当反应时间为7 h时，比抗拉强度达到最大值0.308 MPa；所以聚丙烯腈的水解液的性能主要取决于其数均分子量和重均分子量的大小，当反应时间为7 h时，其力学性能最佳.这是因为水解液中，聚丙烯酰胺主要起粘结作用，反应物粘度很大时，其粘结强度并不高.随着反应时间的延长，聚丙烯酰胺的含量也随之增加，粘结强度不断升高到最大值.高温下，分子链间的降解反应与水解反应同时进行，反应时间过长，影响反应物粘结强度的主要因素变为分子链的降解反应，因此要严格控制反应程度.
2.2其他因素对水解液性能的影响
由图3可以得出，随着催化剂含量的增加，试样的比抗拉强度先升高后降低，当催化剂加入量为聚丙烯腈的60%时，比抗拉强度达到最大值，为0.308 MPa.继续增加催化剂用量时，试样的比抗拉强度反而降低.这是因为随着催化剂用量的增加，聚丙烯腈纤维的水解进行的越完全，羧基的产率也有增加的趋势，但是由于邻基排斥作用，即使使用再多的催化剂，也难以使水解程度达到百分之百，过量的强碱还会使大分子发生降解，而且催化剂用量的增大在一定程度上增加了试验成本，所以催化剂加入量为聚丙烯腈的60%时比较合理.
由图4可以得出，随着蒸馏水加入量的不断增加，试样的比抗拉强度呈先升高后降低的趋势，并且当蒸馏水的加入量为聚丙烯腈的8倍时，试样比抗拉强度达到最大值0.35 MPa.这是由于当蒸馏水量少时，聚丙烯腈纤维不能完全浸润在碱液中，反应不能够均匀的进行，如蒸馏水的加入量为聚丙烯腈的4倍时，反应7h后，三口瓶中仍然存在未溶解的聚丙烯腈纤维，并且溶液呈不透明絮状；当蒸馏水量多时，反应物中催化剂的浓度降低，水解反应速度也随之降低，同时水解程度也会下降.当蒸馏水的加入量超过聚丙烯腈的8倍时，水解产物的水解程度趋于平稳，基本无变化.
2.3聚丙烯腈纤维及其水解液的红外光谱分析
图5和图6分别为聚丙烯腈纤维及其水解产物的红外光谱图.其中聚丙烯腈纤维的水解条件为：催化剂加入量为聚丙烯腈的60%，蒸馏水的加入量为聚丙烯腈的8倍，反应时间为7h.
由图5、6可以看出，聚丙烯腈纤维的红外光谱图比水解纤维的红外光谱图峰多且复杂，这是因为聚丙烯腈纤维内含有二三单体，如丙烯酸甲酯（CH2=CHCOOCH3）、丙烯酸丁酯（CH2=CHCOOC4H9）、衣康酸（亚甲基丁二酸，CH2=CH（COOH）CH2COOH）等.该类物质在红外谱图中均出现峰，但在强碱性条件下即可水解，故聚丙烯腈纤维红外谱图比水解纤维红外谱图复杂.
聚丙烯腈纤维水解后在2241.28 cm-1处的C三N特征吸收峰几乎消失，同时二三单体的酯基和羧基在1732.6 cm-1处的特征吸收峰也几乎消失，说明聚丙烯腈纤维在该条件下水解较为完全；在1645.44 cm-1处有酰胺的C=O特征吸收峰，在1552.81 cm-1处有羧酸基的C=O特征吸收峰，说明聚丙烯腈纤维在该条件下水解得到了含有酰胺基团、羧酸基团等亲水基团的共聚物.
3结论
1）其他反应条件不变的情况下.随着反应时间的增加，数均分子量和重均分子量均先增加后减小，当反应时间为7 h时达到最大值；随着水解时间的增加，试样的比抗拉强度先升高后降低，当反应时间为7 h时，比抗拉强度达到最大值，为0.308 MPa；所以聚丙烯腈的水解液的性能主要取决于其数均分子量和重均分子量的大小，当反应时间为7 h时，其力学性能最佳.碱法水解多分散性变化不大，均在2左右，水解液性能比较稳定；
2）随着催化剂用量的增加，试样比抗拉强度也是先增大后减小，当PAN与NaOH的用量比值为1：0.6时，试样的比抗拉强度最大为0.308 MPa；随着浴比的增加，试样比抗拉强度同样是先增大后减小，当浴比为8时，试样的比抗拉强度最大为0.35 MPa：
碳纤维复合芯 篇3
随着全球经济的快速发展,电力需求也在迅速增长,输电线路因过载造成的断电事故频频发生,在土地资源越来越紧张的情况下,架空输电线路走廊的选择已受到极大的制约,提高原有架空输电线路走廊的传输容量、降低线路损耗已成为各国科技人员研究的方向。从20世纪90年代起,美国和日本的研究人员就对采用有机复合材料代替传统钢芯铝绞线中的钢芯作了大量的研究;2004 年美国CTC公司开发出了碳纤维/玻璃纤维复合芯软铝绞线,并成功投入商业运行;2006年远东复合技术有限公司从美国CTC公司引进生产碳纤维复合芯软铝绞线,并在国内多个省市挂网运行,获得了良好的经济效益和社会效益。目前,国内其他电线电缆厂家也纷纷与科研部门、大学合作生产国产碳纤维复合芯棒及导线。
碳纤维复合导线适应了国家“资源节约型、环境友好型和新技术、新材料、新工艺”的“两型三新”电网建设的需求,完全能满足国家电网增容改造的需要。但碳纤维复合芯导线属于新型增容导线,在国内尚未有国家标准,各个厂家只能按照各自技术水平制定企业标准指导生产,造成了产品质量参差不齐。对此,在国家相关部门的要求下,由上海电缆研究所牵头,多家碳纤维复合芯导线生产企业参与,制定了相关国家标准,为碳纤维复合芯导线的生产指明了方向,使之健康发展。
1 碳纤维复合芯导线的结构和特点
碳纤维复合芯导线是由碳纤维为中心层、玻璃纤维包覆、环氧树脂融合制成的复合芯棒为承力芯,软铝型线为导体的增容导线。与传统钢芯铝绞线相比,碳纤维复合芯导线具有重量轻、强度大、耐高温、耐腐蚀、抗蠕变、线损小、驰度低、线膨胀系数小、与环境亲和等一系列优异性能,实现了电力传输的节能、环保与安全。
2 碳纤维复合芯导线性能参数的计算
碳纤维复合芯棒和碳纤维复合芯导线相关性能参数的计算是产品生产的理论基础,不仅便于人工、材料等成本核算,对生产也具有指导性作用。
2.1 碳纤维复合芯棒性能参数的计算
根据国家标准GB/T 29324—2012 的相关要求［１］,我们对碳纤维复合芯棒抗拉强度、碳纤维复合芯棒密度等性能进行了设计,以指导生产。
碳纤维复合芯棒抗拉强度σｊ可按下式计算:
式中P１为玻璃纤维抗拉强度,取值2 800 MPa;P２为碳纤维抗拉强度,取值4 900 MPa;δ１为玻璃纤维体积分数,取值35%;δ２为碳纤维体积分数,取值35%。根据上式计算可得σｊ=2 290MPa,满足了标准要求(≥2 100MPa)。
碳纤维复合芯棒密度ρ可按下式计算:
式中ρ１为玻璃纤维密度,取值2.7g/cm３;ρ２为碳纤维密度,取值1.8g/cm３;ρ３为环氧树脂密度,取值1.2g/cm３;δ１为玻璃纤维体积分数,取值35%;δ２为碳纤维体积分数,取值35%;δ３为环氧树脂体积分数,取值30%。 根据上式计算可得ρ=1.94g/cm３,满足了标准要求(≤2.0g/cm３)。
2.2 碳纤维复合芯导线性能参数的计算
本公司长期从事碳纤维复合芯导线的制造,根据本公司企业标准碳纤维复合芯导线必须满足拉断力、单位长度质量、直流电阻等各项主要性能指标。碳纤维复合芯导线规格较多,限于篇幅关系,我们在本文中仅例举了JLRX/T-150/28和JLRX/T-240/28两种规格碳纤维复合芯导线的相关性能要求［２］,如表1所示。根据上述标准要求,我们对碳纤维复合芯导线拉断力、碳纤维复合芯导线的单位长度质量和碳纤维复合导线直流电阻等性能进行了设计,以指导生产。
碳纤维复合芯导线拉断力Tｊ可按下式计算:
式中S１为软铝型线的截面积,S２为碳纤维复合芯棒的截面积,σ１为绞线前软铝型线的最小抗拉强度,σ２为碳纤维复合芯棒的最小抗拉强度。
碳纤维复合芯导线的单位长度质量q可按下式计算:
式中λ 为绞入系数,取值1.02;ρ４为铝密度,取值2.703g/cm３;ρ５为碳纤维复合芯棒密度,取值2.0g/cm３。
碳纤维复合导线直流电阻R２０可按下式计算:
式中ρ２０为软铝型线的电阻率,取值0.027 37Ω·mm２/m。
3 碳纤维复合芯棒的制造
碳纤维复合芯棒具有线膨胀系数小、耐高温、抗拉强度大、重量轻等优点,能够取代传统钢芯铝绞线中的钢芯成为架空导线的承力元件。
3.1 碳纤维复合芯棒的原材料
碳纤维复合芯棒由碳纤维(35%)、玻璃纤维(35%)和环氧树脂(30%)组成,采用连续拉挤工艺生产［３］。其中碳纤维是一种力学性能优异的新材料,具有重量轻、强度大、密度小、线膨胀系数小等性能［４］。它是将聚丙烯腈(PAN)经过稳定化处理变成耐焰纤维,然后在惰性气体环境下进行高温焙烧碳化,使有机纤维失去部分碳和其他非碳原子,形成以碳为主要成分的纤维状物。其生产过程包括三个阶段:预氧化(200~300 ℃)、碳化(1 000~1 500 ℃)、石墨化(2 500~3 000℃)。此外,生产时还需利用液相或气相氧化法对其进行表面处理,赋予纤维化学活性,以增大对树脂的亲和性。生产碳纤维复合芯棒时采用的碳纤维原料为高性能T-700碳纤维,生产厂家有日本的TORAY公司、TOHO公司、Mitsubishi Rayon公司;美国的HEXCEL公司、ZOLTEK公司、ALDILA公司;德国的SGL公司;我国连云港的中复神鹰公司、常州的中简科技公司、邯郸的硅谷化工公司等。T-700碳纤维主要性能指标包括:抗拉强度≥4.9GPa,伸长率≥2.1%,弹性模量≥230GPa,密度≤1.8g/cm３,线密度为(800±50)g/km。碳纤维检验应按照GB/T 3362—2005《碳纤维复丝拉伸性能试验方法 》、GB/T3364—2005《碳纤维复直径和根数试验方法 》、ASTM D 4018—1999《碳纤维和石墨纤维连续纱性能试验方法》等标准执行。
玻璃纤维是一种性能优异的无机非金属材料,具有良好的黏着性、电绝缘性、耐湿性、化学温定性等性能［５］。它是将熔融玻璃先制成直径20 mm的玻璃球或棒,再以多种方式加热重熔后制成直径3~80μm的甚细纤维,通过铂合金板以机械拉丝方法拉制的无限长的纤维。生产碳纤维复合芯棒时采用的玻璃纤维原料为无碱玻璃纤维,生产厂家有美国的Saint-Gobain公司;我国泰安的泰山玻纤公司、北京的中国玻纤公司、无锡的美华化工公司等。无碱玻璃纤维主要性能指标包括:抗拉强度≥2.8GPa,伸长率≥4.5%,弹性模量≥80 GPa,密度≤2.7g/cm３,线密度为(1 100±100)g/km。玻璃纤维检验应按照GB/T 4202—2001《玻璃纤维产品代号》、GB/T 18369—2001 《玻璃纤维无捻粗砂 》、GB/T 7690—2001《增强材料纱线试验方法》等标准执行。
环氧树脂是一种热固性树脂,具有力学性能好、黏结性能强、固化收缩率小、绝缘性能好、耐腐蚀等性能［６］。它是由对苯二酚和环氧氯丙烷或用过氧化苯甲醚和烯烃反应生成。由于分子结构中含有活泼的环氧基团,使环氧树脂可与多种类型的固化剂发生交联反应而形成不溶、不熔的具有三向网状结构的高聚物。生产碳纤维复合芯棒时采用的环氧树脂原料为高温韧性E-51环氧树脂,生产厂家有美国的DOW公司、Shell公司;瑞士的CIBA公司;日本的东都化成公司;我国岳阳的巴陵石化公司、无锡的三木化工公司、大连的齐化化工公司、无锡的蓝星树脂公司等。高温韧性E-51环氧树脂主要性能指标包括:玻璃化温度≥190 ℃;密度≤1.2g/cm３;黏度500~3 000cps(即0.5~3.0Pa·s);环氧当量≥145g/eq。环氧树脂检验应按照GB 13657—1992《双酚A型环氧树脂》、HG2-741-72《E型环氧树脂(E-51、E-44、E-42、E-20、E-12)》(化工标准)、GB12007.4—1989《环氧树脂黏度测定方法 》、GB12007.5—1989《环氧树脂密度的测定方法比重瓶法》、GB/T 22567—2008《电气绝缘材料测定玻璃化转变温度的试验方法》等标准执行。
3.2 碳纤维复合芯棒的生产工艺
碳纤维复合芯棒的生产工艺流程如图1所示。碳纤维复合芯棒生产时,环氧树脂按比例加入固化剂、促进剂、稀释剂等混合后,加入树脂槽,碳纤维和玻璃纤维浸润树脂进入固化模固化成型后即成为复合芯。在碳纤维复合芯棒生产中,需对主要工艺环节进行精确控制,具体包括:a.混料时,环氧树脂必须与固化剂、促进剂、稀释剂混合均匀,保持树脂性能的统一性,严禁混入任何杂质,严格控制混胶温度和湿度,采用差热扫描分析仪测试树脂放热特性。b.放线时,放线架必须保证放线张力均匀一致,每次生产前应用手持拉力测量仪测量各个纤维的放线张力。c.连续拉挤时,必须保证碳纤维和玻璃纤维充分浸润环氧树脂,保持环氧树脂黏度的稳定,调整好预成型模具,合理设计分线板,保证玻璃纤维完全包裹住碳纤维,降低碳纤维复合芯棒的偏心度。d.连续拉挤时,加热系统采取保温措施,使固化区温度稳定,每次生产前用热电偶测试拉挤模具内腔每个区域的温度,为实际生产提供参考。
4 软铝型线的制造
碳纤维复合芯导线由软铝线包裹,不仅结构紧密而且外表光滑,与同直径的普通导线相比拥有更大的载流量并有利于提高导线的电晕起始电压,减少电晕损失。软铝型线是碳纤维复合芯导线的导电部分,它是重熔用铝锭经过连铸连轧变成铝杆再采用国际先进的“conform”技术挤压而成。
软铝型线生产用铝锭是采用氧化铝-冰晶石熔盐电解法生产的重熔用铝锭,铝锭牌号为AL99.85或AL99.90,铝锭检验应按照GB 1196—2008《重熔用铝锭》标准规定用光谱分析仪进行检测。
软铝型线生产过程中的连铸连轧是采用电工铝杆连铸连轧生产线将重熔用铝锭进行熔铝、稀土优化、硼化、精炼除气、铝液过滤、浇铸等工艺最后轧制成铝杆。 铝杆应按GB/T 3954—2008《电工圆铝杆》标准进行检测,其主要性能指标包括:尺寸偏差,伸长率≥8%,直流电阻率ρ２０≤28.01nΩ·m,抗拉强度110 MPa≤σ≤130MPa。
软铝型线的生产工艺流程如图2所示,软铝型线采用“conform”挤压法生产,可以得到组织致密、全软退火状态、机械性能均匀一致、外表光洁、高导电率的高品质软铝型线。软铝型线应按国家标准进行检测,其主要性能指标包括:丝径,抗拉强度60 MPa≤σ１≤95 MPa,直流电阻率ρ２０≤0.027 37Ω·mm２/m［７］。
5 碳纤维复合芯导线的制造
碳纤维复合芯导线的制造(即碳纤维复合芯导线绞线)就是采用框绞机将碳纤维复合芯棒与软铝型线绞制成成品导线。碳纤维复合芯导线的生产工艺流程如图3所示。在碳纤维复合芯导线绞线过程中,应严格控制导线的结构尺寸、绞向及节径比、绞笼张力、生产线长度、收排线等。值得注意的是,碳纤维复合芯导线上盘时层间垫纸需匀整,以防止导线压伤、擦伤,在架设投运时产生电晕放电。
6 结束语
碳纤维复合芯 篇4
以丙烯腈为原料,制备PAN·CF的工艺流程很长[5,6]。其中预氧化过程是一个关键工序,通过控制停留时间、选择合适的温谱等工艺条件,可以制备出结构优良的PAN·OF,在此基础上制备出力学性能优良的PAN·CF。笔者利用超薄切片机、显微镜、SEM、材料试验机等分析仪器对AN/MA/IA三元共聚PAN·F在制备PAN·CF的预氧化工序进行了表征和分析。
1 实验部分
1.1 原材料
实验所用PAN·F:均为中国石油吉林石化公司研究院不同时期生产的原丝,规格均为6K。AG80胶:国内某厂生产。环氧618胶:国内某厂生产。环氧胶固化剂:国内某厂生产。
1.2 试样制备
保持PAN·F的碳化纺位数量不变,保持PAN·F预氧化过程的停留时间不变,保持碳化及后部工艺不变,以空气为介质,在四段氧化炉中连续运行,改变氧化炉温谱制备PAN·OF,在线取样丝。
1.3 性能测试
1.3.1 PAN·OF皮芯结构
用AG80胶液将PAN·OF制成样条,烘干。使用德国Leica公司EM KMR2型超薄切片机将样条切成50~100nm的薄片,再将样片用Olympus CX41光学显微镜放大1000倍以上进行观察并测量皮芯结构(如图1所示)。每个样品测量10~20根单丝的横截面半径(rs)和芯部半径(rc),取其平均值。计算出皮芯面积比(Fs):
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1.3.2 PAN·CF力学性能
用环氧618或环氧6101胶液将PAN·CF制成样条,烘干。使用美国因斯特朗公司INSTRON5866材料试验机,按照GB/T3362-2005碳纤维复丝拉伸性能试验方法进行力学性能测试。有效试样不小于6个,测试复丝拉伸强度(σ);使用模量引伸计测试弹性模量(E)。
σ=undefined
式中:σ-拉伸强度,(MPa);P-破坏载荷,(N);ρ-复丝密度,(kg/m3);t-复丝线密度,(kg/m)。
E=undefined
式中:E-拉伸弹性模量(弹性模量),(GPa);ΔP-应力应变曲线上截取的载荷值,(N);L-加强片的试样长度,(mm);ΔL-加强片之间的试样长度对应于ΔP的变形增量,(mm)。
2 结果与讨论
2.1 皮芯结构的形成
很多品种的纤维在制备过程中都会形成皮芯结构。比如:张建春等研究的Lyocell纤维[7],姜岩等研究的Air-Textured yarn纤维等[8]。王延相等研究的碳纤维前躯体之一PAN·F 也有皮芯结构[9,10]。我们在开展相关研究中使用日立公司SN3000SEM观察,证明了PAN·F皮芯结构的存在,如图2所示。
各种纤维的皮芯结构具有各自不同的特征,PAN·F 的皮芯结构主要是在湿法纺丝凝固过程中产生的,湿法纺丝遵循着Fick第一扩散定律,即:dm=undefined
式中:dm-在dt时间内通过的传质通量;undefined-浓度梯度;D-扩散系数;A-扩散通过的截面积;dt-扩散时间。
PAN·F的皮与芯的化学物质组成是相同的,王启芬等研究认为PAN·F 的皮芯结构可以传递到PAN·OF及PAN·CF[11],说明PAN·F的某些特征具有遗传性。
PAN·F的预氧化制备PAN·OF过程也是双扩散的过程,空气介质中的氧由表及里向纤维内部扩散,内部的小分子气体产物向外扩散,随着氧与碳链发生环化反应,线型的PAN·F大分子逐渐形成交联的梯形结构。PAN·OF的皮与芯的化学物质组成是不同的,因为氧最先直接与纤维外部接触,发生化学反应,形成的体型大分子阻碍了氧向纤维深处扩散,所以PAN·OF皮的部分含氧量高于芯的部分,刘杰等人的研究证明了这一点[12]。我们早期利用光学显微镜研究的PAN·OF皮芯结构如图3所示。
2.2 PAN·OF皮芯结构的控制
因为PAN·F的皮芯结构可以遗传给PAN·OF及PAN·CF,所以控制PAN·OF皮芯结构首先要控制PAN·F的皮芯结构,除了要控制纺丝过程中凝固的工艺条件之外,还要注意控制可以产生皮芯结构的PAN·F干燥及热定型的工艺条件,减弱或消除PAN·F的皮芯结构是控制PAN·OF皮芯结构的基础。图4是我们在试验过程中改善后的PAN·F横截面电镜扫描图。
其次,PAN·F的细旦化可以有效地减弱或消除其皮芯结构,进一步为预氧化的均质化消除皮芯结构发挥重要的作用。高强PAN·CF与高强中模PAN·CF细旦化原丝的主要控制参数见表1。
细旦化的PAN·F使皮芯结构明显减弱,见图5。
第三,在细旦化PAN·F的基础上,根据PAN·F的组成特征,调整氧化温谱,可以有效地减少或消除PAN·OF的皮芯结构,使PAN·OF的微观结构实现均质化、致密化。使用光学显微镜研究不同氧化温谱下的皮芯结构,试验结果见图6。
2.3PAN·OF皮芯结构对PAN·CF力学性能的影响
胡秀颖等在进行梯度升温预氧化实验过程中发现[13],随着温度从235℃升至275℃,氧化反应逐渐向芯部进行,具有皮芯结构的PAN·OF在低温碳化和高温碳化后,皮、芯之间产生界面应力,导致PAN·CF抗拉强度下降。刘福杰等使用Raman光谱研究了M60J的微观结构[14],确认M60J具有皮芯结构,这种结构是导致其抗拉强度较低的原因之一。随着氧化温度的提高,环化的大分子向片层方向发展,氧化温度超过250℃时片层结构更加明显[15],这种片层结构影响着大分子的交联、芳构化和大分子重排,直接影响着PAN·CF的力学性能。刘杰等研究了高强碳纤维的PAN·OF皮芯结构对PAN·CF力学性能的影响[16],随着PAN·OF皮芯结构Fs的增大,其对应PAN·CF的抗拉强度呈现先增大后减小的趋势。
注:喷丝板孔尺寸的设计可以参照Hagen-Poiseuille方程,Q=undefined。
笔者在开展高强中模碳纤维的研制过程中,研究了三元组分PAN·F在195~265℃不同氧化温谱(每个温谱包含4个温区控制,每个温区的停留时间相同、温度不同)条件下的PAN·OF的Fs值与其对应PAN·CF的力学性能关系,见表2。
从表2中可见,不同的氧化温谱制备的PAN·OF的Fs值区别较大,与其对应PAN·CF的力学性能也有着显著的差异。均质化(Fs=100)的PAN·OF制备的PAN·CF的力学性能优良。温谱1、温谱6、温谱8对应PAN·OF的截面与其对应PAN·CF的SEM截面对比,见图7。
从图7中可见,温谱1的皮芯结构在PAN·CF中被部分遗传,温谱6、温谱8的均质化氧化纤维制备的PAN·CF没有明显的皮芯结构,且其力学性能优于有皮芯结构的纤维。
3 结论
(1)PAN·OF的皮芯结构产生的原因主要源自于原丝的皮芯结构,尤其是湿法纺丝过程中,原丝容易形成皮芯结构;还有一部分源自于预氧化过程的条件控制,剧烈的氧化反应容易形成皮芯结构。影响了碳纤维的力学性能。
(2)通过原丝的细旦化以及氧化温谱的调整,可以降低或消除PAN·OF的皮芯结构,使其均质化。在生产过程中,首要的问题是要解决原丝的均质化,然后在此基础上调整合适的氧化温谱,使氧化过程在更加温和的条件下完成。
(3)均质化的PAN·OF可以制备出力学性能更加优良的碳纤维。通过优化氧化温谱,加之适宜的碳化及后部处理工艺,可以制备出抗拉强度5600 MPa以上,弹性模量290GPa以上的碳纤维。
摘要：在使用PAN.F(聚丙烯腈原丝)为前躯体制备PAN.CF(聚丙烯腈基碳纤维)的过程中,经过预氧化反应生成的PAN.OF(聚丙烯腈基氧化纤维,俗称预氧丝)是其非常重要的中间过程,PAN.OF的皮芯结构直接影响着PAN.CF的力学性能。借助超薄切片机、电子显微镜、扫描电镜和材料试验机等表征测试手段,系统研究了PAN.OF的皮芯结构对PAN.CF力学性能的影响。研究认为:通过原丝的细旦化和预氧化过程条件的优化可以有效控制或消除PAN.OF的皮芯结构,得到抗拉强度5600MPa以上,弹性模量290GPa以上的碳纤维。
同忻矿自制纤维芯胶带快速切边机 篇5
同煤集团同忻矿成功制作了纤维芯胶带快速切边机。通过使用该装置,该矿不仅实现了废旧胶带的重复利用,而且提高了胶带切割速度,减轻了工人劳动强度。纤维芯胶带在运输使用中,会造成边缘磨损,甚至会使纤维芯外露,从而缠绕在输送机框架及滚筒托辊等部位,造成输送机负荷增大或运转失灵。由于没有适宜的设备和方法,旧胶带复用一直是个难题。为此,同忻矿将动力源、传动系统、抗偏装置、驱动轮、挤压轮、移动刀架、导向槽等部分集中组装起来,再利用现有的钢板、角钢等焊接到一起,形成移动机;利用钢板、槽钢、螺栓制造可移动刀架,可在切割范围内任意调整;用挤压轮可压紧胶带,在胶带入口处两侧各设置一个竖的抗偏托辊,中间设置一个横放的托带托辊;在切割后胶带的出口处用角铁加工两个可以调整宽度的抗偏槽,防止其跑偏。
碳纤维复合芯 篇6
自上世纪六十年代以来, 复合材料技术迅速发展, 由于具有低密度、高阻尼和无磁性等特点, 复合材料在舰艇上的应用也越来越广泛, 其中夹芯复合材料减振装置基座就是其中之一。舰艇上各种动力机械和装置系统工作时都可以引起船体振动, 并向周围辐射噪声。各种设备及装置系统的振动和噪声不仅严重影响舰艇的使用性能, 而且直接影响到舰艇的声隐身性能和战斗力。
目前减振装置在设计时一般将基座视为刚性结构, 而基座结构占据了大量的舰艇结构重量和设备安装空间, 一艘近三千吨的中型潜艇, 各种机械和设备的钢制基座总数近一千座, 总重量300~400吨。国外的先期研究结果证明[1,2]:三明治夹芯复合材料, 通过表层和芯层的合理设计而具有良好的阻尼和吸振特性, 将其应用于舰艇设备基座结构的设计, 通过与现役减振系统的有机配合, 将进一步提高舰艇设备的减振降噪水平[3]。采用复合材料基座不仅能够有效降低基座结构的重量, 同时能够有效提高机械、设备抗水下冲击的能力, 同时由于复合材料的高阻尼和无磁特性, 复合材料基座还能有效减少舰艇的声、磁特征信号。复合材料基座集基座结构承载与减振功能于一体通过与减振器进行综合设计, 无论是从理念上, 还是从发展前景上来看都具有重大意义[4]。
目前在舰艇设备减振技术的发展方面, 常用的手段主要包括浮筏技术, 橡胶隔振技术, 增加基座质量技术以及各种类型的减振器、阻尼器的设计技术, 而将基座结构与减振设备一体化的设计技术目前在我国还未见应用。本文根据夹芯结构原理, 设计了直立支撑和弧形支撑两种类型的复合材料基座, 通过对其进行试验研究, 并对其减振效果及影响因素进行了分析。本文结论可为舰艇不同装备减振基座的选择提供参考。
2 夹芯复合材料基座结构设计
2.1 夹芯结构原理及优点
夹芯结构采用上面板与下面板之间夹着芯材, 用粘结剂将三者粘结成为整体结构。夹芯结构传递荷载的方式类似于工字梁[5]。当夹芯结构承受载荷时, 上面板被拉伸, 下面板被压缩, 芯材传递二者的剪切力, 使上、下面板和芯材三者成为一个整体结构;芯材可以有效地增大夹芯结构的厚度, 提高断面的惯性矩, 使整个夹芯结构更加坚固, 能够经受住大载荷, 满足高强结构的要求。
夹芯结构增加框架空间后比重小、坚固、跨度大, 还可大大提高刚度。此外还有下列优点:吸收更多的能量以提高强度, 承载时板变形, 弹性吸收能量, 然后释放应变能, 封闭框架结构的挠曲较小;结构性能较好, 因为框架易产生局部应力, 是产生缺陷的根源, 也增加重量, 减少框架就能提高材料的整体结构性能;抗渗透性好, 如果上面板破裂, 芯材可吸收大量能量, 使下面板不受损;能满足特殊局部载荷、整体载荷的要求, 密度低、刚度大、结构稳定, 可充分利用所有组成材料的全部机械性能;蜂窝夹芯结构可采取模压或其他工艺, 加工成各种构件, 也可制成箱式断面等形式以提高构件的结构性能。因此在设计过程中可以采用箱式结构。
总之, 夹芯结构具有密度小、结构性能好 (特别是刚度大、惯性矩大) 、设计自由、易于维护等优点, 是新颖的优秀材料。用箱式结构夹芯复合材料制作基座可以在具有足够刚度与强度的同时减轻重量, 达到结构最佳化、材料优化不浪费的尽善尽美的程度。
2.2 夹芯复合材料基座结构设计方案
根据2.1中夹芯结构的特点, 本文提出两种夹芯复合材料基座设计方案。方案 (1) :面板由纤维复合材料芯1、2构成, 并由结构3支撑, 在两层之间的空腔中填充隔振阻尼材料4, 可以选择各种发泡隔振材料, 如发泡聚氨酯橡胶, 并可以根据关心的振动频率来确定材料的厚度和孔隙率。方案 (2) :基座面板由纤维复合材料层1、2构成, 并由结构5支撑, 在两层之间的空腔中填充隔振阻尼材料4, 支撑结构5可加大基座的弯曲强度和刚度, 此方案与方案 (1) 比较, 具有更好的柔度特性。模型尺寸:长190mm, 宽110mm, 高100mm, 方案 (2) 中弧形支撑的曲率半径为140mm。
在骨架中填充低密度的芯材可提高结构的强度和刚度。同时, 具有相同承载能力的夹芯结构要比实体结构轻好几倍。此外, 芯材还起到加强了整体强度, 降低了单位体积的成本、降低了结构振动等作用。芯材的作用机理是将剪切力从上下夹层传向内层, 这样使得上下夹层在静载荷和动载荷下都能保持稳定, 并且可以通过吸收冲击能量来提供抗破坏性能。芯材大致上可以分成三类:泡沫类 (可以视情况选择柔度) ;蜂窝类以及膜袋制法的三维织物或无纺布。芯材4可以选择高分子阻尼材料, 如聚氨酯、橡胶等, 并可以根据设备主要的振动频率来确定材料的选取。
3 夹芯复合材料基座减振试验
3.1 试验设计
为了解不同支撑方式和夹芯材料对基座减振降噪效果的影响, 分别以不同支撑方式的不加芯骨架结构和夹芯基座结构作为对象进行减振试验。试验用钢架底板模拟船底板工况制成模型, 将试验模型固定于钢架上, 旋紧固定螺旋;将一小型电机安装到模型的面板上, 通过测量模型上下的加速度信号, 来考核不同方案基座的减振效果;采取调节电机转速的方法分别在1500r/min、600r/min对各测点进行测量并记录数据, 来分析不同频率输入载荷对基座减振效果的影响。
试验中在试验模型上面板布置4个测点 (其中两个测点布置于电机安装用底板板面上) , 测量其加速度信号, 作为模型上面板受到的振动激励;在钢架底板上距模型下面板较近处布置4个测点, 测量其加速度信号, 检验电机激励引起的振动通过模型后的降低值, 对试验模型的减振效果进行考察;分析试验结果, 比较两种复合材料基座及其骨架减振效果, 并分析试验结果误差产生的原因。试验测点布置图和模型照片见图1。
3.2 试验结果
舰艇机械振动的频率范围一般为10Hz-2000Hz, 因而在试验分析时主要对0Hz-2500Hz频率范围内的振动进行分析。
通过振动数据采集系统得到各测点的加速度响应值的时间频谱, 通过数据转换, 得出各测点的加速度线性谱。1、2测点位于复合材料基座上表面, 3、4测点位于设备安装底板上, 这四个点作为加速度激励信号的输入。相对应的各个加速度激励信号输出点为5、6、7、8位于试验钢架上靠近复合材料基座处, 作为加速度响应信号输出。分别对比直支撑和弧形支撑复合材料骨架和加入芯材后的基座1、5测点, 2、6测点, 3、7测点, 4、8测点的加速度线性谱见图2至图5。
由加速度传递函数线性谱图可以看出, 主要振动峰值出现在200HZ之前以及800HZ以后, 此时虚线的峰值大大高于实线的峰值, 而且跳动较虚线大。这说明复合材料基座及其骨架结构的减振效果良好。从频谱图上可以看出, 实线的加速度峰值相对于虚线的加速度峰值有着向左下偏移的趋势。这说明复合材料基座在降低振动的同时将高阶频率的振动变成相对较低阶频率的振动。这与高分子材料的减振机理相符合。
在试验中采用“加速度分贝”来表示振动级, 则加速度均值a的分贝数可以表示为:
其中a1表示复合材料基座面板上安装的1、2、3、4各个测点测得的加速度幅值在0-2500HZ上积分, a2表示相对应的5、6、7、8各个测点加速度线性谱在各频带上的求和。根据 (1) 式分别对电机转速为1500r/min、600 r/min弧形支撑和直支撑基座及其骨架结构的减振效果进行计算结果如表1-2所示。
3.3 试验结果分析
3.3.1 骨架形式对减振效果的影响
弧形支撑比直支撑具有更好的可设计性, 在相同条件下能够保证一定基座刚度, 并可以通过调整曲率半径来改变应变[4]。所以, 直观上感觉弧形基座的减振效果应该比直支撑基座好, 因为基座振动造成了弧形支撑基座曲率变化, 以至于基座的刚度变化, 从而造成了阻尼效果的变化。但是从试验结果来看, 不同形式骨架夹芯复合材料基座的减振效果与输入载荷的频率有关, 在高频载荷作用下弧形支撑基座减振效果好于直支撑基座, 在低频载荷作用下弧形支撑基座减振效果反而不如直支撑基座。这是由于基座的隔振效果由阻抗和阻尼共同决定, 两种基座刚度相差不大, 但弧形支撑骨架是在高频激励下阻尼运动剧烈, 所以此时隔振效果较好;而在低频段, 弧形支撑骨架基座更利于能量传递, 所以此时弧形支撑骨架基座的隔振效果没有直支撑骨架基座好。
3.3.2 夹芯材料对减振效果的影响
加入芯材后的复合材料基座的减振效果明显高于单纯的骨架结构。对于基座, 大部分测点减振效果都在10db以上, 平均减少振动12db以上;而基座骨架减振效果大部分测点在5db以下。这表明芯材在基座减振过程中吸收了大部分的能量, 芯材选取对基座的减振效果非常重要。
4 结束语
通过夹芯复合材料基座减振试验可以看出复合材料基座具有良好的减振效果;复合材料基座的减振效果与输入载荷的频率有关, 在高频率载荷激励下, 弧形支撑基座减振效果略好于直支撑基座;在低频载荷作用下直支撑基座减振效果好于弧形支撑基座, 不同环境可以选择不同的基座。合理选用夹芯复合材料基座可以提高舰艇设备的减振降噪水平, 复合材料减振基座在舰艇上具有广泛的应用前景。
摘要：为研究夹芯复合材料基座的减振效果影响因素及适用范围, 设计了两种不同支撑骨架形式的夹芯复合材料基座, 并对骨架和基座分别进行了减振试验, 试验中记录了输入和输出测点的加速度信号, 将测试结果进行频谱分析, 利用加速度分贝来表示振级, 计算了两种骨架和基座在不同频率输入载荷激励作用下的减振效果。通过对试验结果分析发现:在高频率载荷激励下, 弧形支撑基座减振效果略好于直支撑基座;在低频载荷作用下直支撑基座减振效果好于弧形支撑基座。
关键词：夹芯复合材料,基座,减振效果
参考文献
[1]Cao J, Joachim L G.Test of a redesigned glass-fiber reinforced vinyl ester to steel joint for use between a naval GRP superstruc-ture and a steel hull[J].Composite Structures, 2003, 60 (4) :439-445.
[2]Li W L, Lavrich P.Prediction of power flows through machine vi-bration isolators[J].Journal of Sound and Vibration, 1999, 224 (4) :757-774.
[3]罗忠, 朱锡, 简林安, 等.承载/隔振夹芯复合材料基座设计[J].武汉理工大学学报, 2009, 31 (16) :19-22.
[4]毛亮, 梅志远, 罗忠, 等.夹芯复合材料基座结构设计与强度分析[J].海军工程大学学报, 2008, 20 (1) :98-102.
浅谈夹芯保温复合墙体的利与弊 篇7
1 夹芯保温墙体的发展与系统构成
1.1 夹芯保温墙体的发展
夹芯保温复合墙体最早起源于古希腊和古罗马建筑中的空腔墙, 19世纪前期, 空腔墙在英国出现, 并被证明能有效阻止水汽渗透[1], 19世纪后期出现在美国。直至1937年, 夹芯墙被官方和相关组织机构认可后才被大量应用于底层建筑的外承重墙体。1940年后, 随着人们对其优势的认识才得到进一步推广, 成为普遍应用的典型节能墙体, 在国外应用广泛并具有完整的设计和构造规定。英国、加拿大、欧洲国家均有实例且被应用于高品质建筑当中 (据悉, 美国将外墙保温建筑一般用于廉价房, 而夹心保温墙则被广泛应用于富人区的建筑) 。
1900年前后, 夹芯复合墙体在我国黑龙江、内蒙古、甘肃、辽宁等严寒地区和寒冷地区的节能住宅小区中得到应用。其中一些省市已有夹心保温墙的设计与施工技术规定, 对推广夹心保温墙, 实施节能目标、确保工程质量起了重要的保证作用[8]。我国在借鉴国外经验和大量试验的基础上, 将这种新型复合墙体纳入到GB 50003-2001《砌体结构设计规范》中, 并将其规定的构造原则编入到相应的国家标准图集中, 如《混凝土砌块墙体构造》、03SG615《配筋混凝土砌块砌体建筑结构构造》、04G329《建筑物抗震构造详图》等。目前, 在国外该墙体的应用已经很成熟, 而国内对于夹芯墙的应用及系统研究起步较晚, 夹芯墙作为一种新型结构墙体, 对其实验和理论研究远远不够, 相应的设计与结构构造还很不成熟和完善。
1.2 夹芯保温墙体的系统构成
夹芯保温墙体一般是由两层砌筑的墙体, 中间加保温层构成。内外两层墙的间距为50 mm~70 mm, 并用适当数量的经过局部防腐处理的拉结钢筋网片或拉结钢筋穿过保温层, 钢筋的两端 (有弯钩) 砌筑在内、外叶墙里, 以实现内、外叶墙的连接, 使三层牢固结合。外侧墙体与保温层之间要预留25 mm~50 mm的密闭空气层, 从而将外界的湿气隔绝在主体结构之外。夹芯保温复合墙体的系统构造如图1所示。
选用的保温材料是塑料布密封包装的膨胀珍珠岩保温板、水泥珍珠岩保温板、加气混凝土保温扳、聚苯乙烯泡沫塑料板、岩棉板、玻璃棉板等, 保温板两侧的内叶墙和外叶墙, 在不承重的前提下可采用砖砌体或混凝土空心砌块砌体, 也可采用同一种材料。目前, 我国该墙体有两种复合型式:多孔砖夹芯墙体和混凝土砌块夹芯墙体。外墙夹芯保温可分为填充式外墙夹芯保温和发泡式夹芯保温。填充式外墙夹芯保温即在外墙体内、外叶墙之间放置保温板材。发泡式夹芯保温即在内、外叶墙中采用现场发泡, 使泡沫塑料充填于夹芯墙中。
2 夹芯保温墙体的综合效益分析
2.1 节能效益分析
材料的导热系数λ, 墙厚ζ, 材料两边的表面湿度为θ1, θ2, S为材料的表面积, T为热量η通过材料的时间, 有以下关系:
当材料的一侧受到周期性波动热作用时, 表面温度将按照同一周期波动, 通过表面的热流波动的振幅Am与材料表面温度波动的振幅An之比, 叫做材料的蓄热系数[3]。它反映了这种材料对波动热作用反应的灵敏程度, 是衡量保温隔热材料储热能力的重要性能指标。蓄热系数大的材料热稳定性较好, 它取决于材料的导热系数、比热、表观密度以及热流波动的周期。蓄热系数可用下式计算:
其中Z为热流波动周期, 以小时计, 如以1 d为周期的供热则为24 h。
夹芯复合墙体也可看作一个整体, 其储热能力也可用蓄热系数来表示。一定时间内, 室外温度呈周期性的波动变化, 而室内温度相对较为稳定。根据 (1) 式, 当其他条件相同时, 材料的导热系数与相等时间内通过材料的热量成线性正比。根据蓄热系数与导热系数的正比线性关系, 可由蓄热系数计算出通过墙体并被储存的热量η。
对于外保温η=η1+η2, 式中η1为保温层变化过程单位面积墙体多吸收的热量;η2为结构层变化过程单位面积墙体多吸收的热量;对于夹芯保温η=η1+η2+η3, 式中η1为240 mm内结构层 (内叶墙) 变化过程单位面积墙体多吸收的热量;η2为保温层变化过程单位面积墙体多吸收的热量;η3为120 mm外结构层 (外叶墙) 变化过程单位面积墙体多吸收的热量。
2.2 环境资源效益分析
建筑体系的总能耗越小越有利于节约资源和环境保护, 越有利于可持续发展。总能耗包括使用能耗和主要墙材生产能耗。其中, 使用能耗又包括采暖 (降温) 能耗和墙体建造能耗。
使用夹芯保温墙体材料为国家节约了土地资源, 每立方米墙体节约578块粘土实心砖, 按每亩耕地生产实心砖60.6万块、每万块标准砖用煤0.62 t计算, 1万m3墙体可节约耕地9.54亩, 节约用煤358.36 t。1万m3墙体可节约费用:
9.54×10+358.36×0.05=113.32万元
在住房使用时, 同样舒适条件的前提下, 新型墙体结构每年因结构节能节约用采暖用煤以及夏季节约制冷空调用电, 可实现节能65%。空调和采暖设备运转率的下降, 在减少温室气体排放量的同时, 可有效改善室内空气质量, 缓解冬、夏两季用电紧张的局面。
夹芯保温墙体能够尽可能使原材料少用甚至不用天然资源, 多用甚至全部使用各种工业废弃物, 节约了资源。减少了外墙装饰的工期、人工及费用, 有利于保证工期, 同时, 减少了外墙面长期维修费用。在复合保温墙体中, 混凝土砌块和多孔砖成为了代替实心粘土砖的理想墙体材料。前两者在生产过程中不仅节能、节地、有利于环境保护, 而且施工速度块, 密度小质量轻, 减少了基础费用和砌筑砂浆的使用量, 墙厚变薄的同时增加了使用面积, 降低了综合造价。
2.3 应用经济性分析
随着保温层厚度的增加, 导热系数越小, 保温性能越好, 但成本增加。必须根据实际工程需要选择保温性能好且经济适宜的保温层厚度。
保温墙体材料的造价比传统材料要高, 但其造价所占比例仅占整个建筑成本的5%, 通过节能节省下的采暖 (制冷) 费用, 以及环保效益等还是较为经济的。并且, 夹芯保温墙体具有良好的抗侵蚀能力, 一定程度上还能延长建筑物的使用寿命。
2.4 社会效益分析
使用夹芯保温复合墙体的工程, 室内减少了户内散热器的占用面积, 增大了房间的使用面积;减少了耕地的侵占, 保护了生态环境;此类墙体的推广和应用, 使建筑节能效果显著提高, 满足了人们的生活需求, 促进了墙材的革新和建筑节能的发展;作为新型保温节能体系, 为大力推广应用环保型建筑开创了先例。
3 夹芯保温墙体在工程中存在的问题及解决途径
3.1 热桥结露问题及解决途径
在我国的严寒地区, 夹芯保温复合外墙节能建筑的热桥结露问题具有普遍性, 这关系到住户的房屋能否正常使用, 关系到人民的居住卫生, 也与房屋的维修费用和使用费用密切相关, 所以应重视并采取有效措施来解决它。
在水平和竖直方向上设置的拉结钢筋或者钢丝网片也成为一个小热桥, 也会对外墙的非耗热量有一定的影响。当保温层未对混凝土梁、柱等进行保温时, 金属连接件易成为热桥部分, 这些部分的结露问题就更加突出, 保温工程的施工难度变大, 而且夹芯保温工程都属于隐蔽工程, 难于检查保温工程的质量。当夹芯保温层是从混凝土梁、柱的外侧通过时, 已对混凝土梁、柱等进行了保温。这种保温构造就能较好的解决冬季热桥部位的结露问题。
可通过一些措施改善夹芯保温复合墙体热桥结露的现象, 如采用轻骨料混凝土, 采用ESP技术, 采用保温砂浆和保温粉, 在夹芯保温复合外墙的混凝土过梁、圈梁等部位采用钢丝网架聚苯乙烯发泡板, 以及采取一定的通风排潮措施来防止热桥内表面冬季结露。
3.2 施工中的问题
在施工中应注意:外墙转角处保温层应适当加厚;在有苯板水平及竖向接缝处尽量避开砌块接缝, 采用企口拼接, 并应有粘接等封缝措施;伸缩缝内应满填苯板, 并采取有效措施加强接缝四周的密封围护。
在砌块住宅建筑施工过程中, 时常会发生一些局部结构或构造调整, 由于缺乏土建、热工知识和不重视专业沟通, 往往忽略了某些调整会引起结构保温性能的变化而没有采取相应的加强措施, 导致围护结构达不到应有的保温效果。因此, 要求保温施工前, 技术人员应充分熟悉图纸, 明确设计要求和施工工艺、步骤、节点做法, 编制施工方案, 并对各工序施工班组进行详细技术交底。提高施工队伍的技术素质, 尤其是现场施工技术人员的技术素质。
另外, 砌块节能住宅的节能手段中大部分是通过加强围护结构保温性能来实现的, 这就要求土建专业应熟练掌握建筑热工原理及计算, 才能在砌块复合保温结构设计时得心应手, 有利于保温设计的合理性。此外加强施工监理力度也非常重要。
3.3 推广应用
对于高层建筑, 其外墙主墙体多为钢筋混凝土, 保温性能差, 大多采用保温砂浆材料进行内保温, 这种结构的外墙平均传热系数约为2.4 W/m2·K, 并且这种保温措施在质量控制和居民的装修要求上都存在不足, 以至于有些开发商根本不按设计要求进行保温处理, 这样一来, 不采取任何保温措施的高层或小高层建筑的外墙平均传热系数大于3 W/m2·K, 与《节能标准》小于1.5 W/m2·K的要求相差甚远。若采用夹芯保温, 外墙平均传热系数约为1.0 W/m2·K, 节能综合指标超出标准25%。
高层建筑保温层抗风压, 特别是抵抗负风压的问题, 有可能将保温板吸落。因此, 对于外保温来说, 首先保温层应有十分可靠的固定措施以确保在最大风荷载时保温层不致脱落, 其次, 高层建筑所有的面砖粘结层必须能经受住多面风雨侵蚀、温度变化而始终保持牢固。使用夹芯保温墙体能够很好的改善这些问题, 但必须注意对金属连接件部位的保温, 尽量减小或避免产生热桥影响墙体的保温及抗震性能。
通过一住宅实例计算分析, 复合结构住宅的外横墙、外纵墙采用粉煤灰轻质墙板内加聚苯乙烯泡沫塑料时, 其墙体满足居住建筑新的节能标准65%的要求。
4 结语
夹芯保温复合墙体作为新型节能墙体, 对保温材料的选材要求不高, 其防水、耐候等性能均良好, 具有良好的受力性能和抗震性能。
夹芯墙的外叶墙和夹芯层对内叶墙的防护或保护极大地减少了内叶墙受外界气候的影响, 对承重结构的耐久性, 消除或减少砌体的裂缝, 都具有非常重要的作用。
夹芯墙的外叶墙可按需要由各种装饰功能的砌块组成, 尤其是采用高强高密度装饰劈离砌块, 除满足建筑美学功能外, 还可满足室外最苛刻的耐久性要求, 这是其他墙体难以达到的。
参考文献
[1]徐洛屹.墙体材料的评价体系[M].北京.中国建材工业出版社.2007 (06) .
[2]美国建筑官员理事会编.建设部标准定额研究所译.美国节能模式规范[S].2000.
[3]杨志明.居住建筑节能技术经济评价应用研究[D]上海交通大学硕士学位论文, 2006.12.
[4]Giffin, T.M.Life-cycle costing application for building energy code compliance[J].ASHRAE Transactions, v91, n pt1B, 1985, p603-608.