碳纤维增强聚合物（共7篇）
碳纤维增强聚合物 篇1
0引言
随着材料科学的不断进步,纤维增强聚合物基复合材料以比强度、比刚度高、可设计性强等优点,在航空航天、汽车、船舶等应用材料中占有越来越大的比例[1,2,3]。上世纪末迅速发展的纳米科学是当今复合材料的又一研究重点,尤以碳纳米管最具代表性,其在纳观尺度的力学性能明显优于普通纤维或金属材料[4,5]。有文献[6]表明: 如果使用碳纳米管对聚合物基体改性,再与纤维混合制备成的复合材料,与未加入纳米增强相的纤维复合材料相比,界面粘合性能显著提高,抗冲击性能增强。因此,对纤维增强碳纳米管改性聚合物基复合材料冲击力学特性的研究将可能带来轻质材料工程应用的又一次飞跃。
本研究将采用非线性有限元方法数值模拟该复合材料板的动态冲击过程,讨论其冲击力学行为,为其结构件设计提供重要的理论依据。
1复合材料等效力学参数计算
首先,本研究确定碳纳米管改性聚合物基体材料的主要力学参数。基体材料选用聚酰胺,碳纳米管在复合材料中的体积百分比定为10% 。假设在理想加工条件下,碳纳米管均匀地分散在基体中,未出现卷曲和团聚等现象。因此,改性后的基体材料具有各向同性的材料属性。基于复合材料力学,可计算其主要力学参数[7]: 密度为1 421 kg /m3,弹性模量和剪切模量分别为105. 7 GPa和26. 5 GPa,泊松比为0. 31,拉伸强度、压缩强度及剪切强度分别为14. 2 GPa、14. 8 GPa和1. 1 GPa。
其次,计算纤维增强碳纳米管改性聚合物基复合材料的力学性能参数。基于复合材料强度和刚度理论,计算得到理想制造条件下复合材料正交各向异性的等效模量、泊松比及强度值[8]。
现用E、S分别表示刚度和强度; 下标1、2 分别代表沿纤维方向和垂直于纤维方向; f、m分别代表纤维和碳纳米管改性聚合物基体; c、t分别表示压缩和拉伸; υ 表示组分的体积百分含量; eT(+ )为基体横向失效应变。
复合材料的主要力学参数为:
( 1) 沿纤维方向的等效杨氏模量E1为:
( 2) 垂直于纤维方向的等效杨氏模量E1为:
( 3) 等效剪切模量E12为:
( 4) 主泊松比 μ12为:
( 5) 沿纤维方向的拉伸强度S1t为:
( 6) 沿纤维方向的压缩强度S1c为:
( 7) 垂直于纤维方向的拉伸强度S2t为:
式中: F— 应变集中系数。
F为:
( 8) 垂直于纤维方向的压缩强度S2c为:
( 9) 剪切强度S12为:
类似地,Fs为:
本研究分别以玻璃纤维和碳纤维为增强材料,其力学参数如参考文献[9]中所示,应用公式( 1 ~ 11) ,可计算得到纤维体积百分比为50% 。
碳纳米管体积百分比为10% 的玻璃/碳纤维增强碳纳米管改性聚酰胺基复合材料的主要力学参数如表1 所示。
材料1—玻璃纤维增强碳纳米管改性聚酰胺基复合材料;材料2—碳纤维增强碳纳米管改性聚酰胺基复合材料
2有限元数值模拟
本研究采用LS-DYNA非线性显式有限元软件,通过数值模拟单壁碳纳米管增强复合材料板在冲击载荷下的变形过程,参照Karakuzu等[10]对玻璃纤维/环氧树脂板的冲击试验数据,建立有限元模型。
复合材料板的几何尺寸为76. 2 mm × 76. 2 mm ×0. 36 mm,由于其厚度与其长度和宽度的比值均小于0. 1,属于典型的薄板结构,因此可使用SHELL163 壳单元进行网格划分,板件的厚度以实常数定义,网格尺寸为0. 9 mm × 0. 9 mm,其材料模型选用基于ChangChang失效准则的* MAT _ Enhanced _ Composite _ Damage[11],材料参数如表1 所示。笔者根据实验的边界条件[12],对复合材料板的外边界节点施加铰约束( 即限制平动自由度,释放转动自由度) 。
冲击物用直径12. 7 mm,质量5 kg的钢质半球形物体来模拟,材料模型为* MAT_Rigid( 弹性模量为210GPa,密度为7800kg / m3,泊松比为0. 3) ,本研究使用SOLID164 实体单元进行网格划分,并以MASS单元对冲头进行质量配重,其边界条件为释放沿着冲击方向的平动自由度,其余5 个自由度均为零。分别对冲击物施以不同的初始速度( 2 m/s,2. 8 m/s,3. 5 m/s) ,研究不同冲击能量( 10 J,20 J,30 J) 对复合材料板动力学响应的影响。本研究选取复合材料板为目标面,冲击物为接触面,定义面- 面接触,有限元模型如图1所示。
此外,为对比冲击锤头形状对复合材料板冲击行为的影响,本研究还计算了平头锤头的冲击过程。平头锤头的几何尺寸为10 mm × 10 mm × 5 mm。
3试验结果及分析
当半球形冲击锤头的初始冲击速度为2 m/s时,复合材料板的Von Mises应力分布结果如图2 所示。
从图2 中可知,应力波从冲击锤头与复合材料中心的接触区域开始,沿板件表面向周围区域扩散。由于锤头为半球体,所以其与复合材料板的初始接触为点- 面接触。随着冲击过程的进行,接触区域不断扩大,逐渐过渡为面- 面接触,且峰值应力不断增大。这与复合材料板的冲击实验结果一致[13]。
平头冲击锤头以初始冲击速度2 m/s冲击复合材料板时,板内应力波的传播过程。对比情况如图3 所示。
由图3 可知,与半球形锤头不同,平头锤头冲击复合材料板的初始接触区域为锤头在板内的投影。且在锤头与复合材料板相接触的4 个接触点处呈现明显的应力集中现象,这是由于锤头的形状所导致的。也是该原因导致了平头冲头冲击复合材料板的Von Mises应力峰值比半球形锤头冲击过程中的应力峰值大。
综合对比图2 与图3 可知,不论锤头的形状如何,随着冲击过程的进行,复合材料板内的Von Mises应力峰值均呈现逐渐升高的趋势。
在不同初始冲击速度下,半球形锤头冲击玻璃/碳纤维增强复合材料板的加速度时域曲线。对比情况如图4 所示。
从图4 中可以观察到,复合材料板内的加速度呈现“先增加后减少”的趋势,这是由冲击过程的不同阶段决定的。在低速冲击下,复合材料板的时程响应可分为压缩和回弹2 个阶段。在压缩阶段,随着冲头逐渐压缩复合材料板,加速度不断增大至峰值。在回弹阶段,冲头反方向运动并逐渐与复合材料板脱离接触。因此,冲击加速度逐渐减小至零。
另外,从图4 中还可以看出,随着锤头冲击初速度的增加,复合材料板内的加速度峰值不断增大,并且响应时间缩短。其原因为: 冲击初速度越大,代表输入到复合材料板的初始冲击能量越高。基于能量守恒可知,输入能量越高,锤头与复合材料板间的碰撞接触力越大,冲击加速度越大。
不同纤维增强相的碳纳米管改性聚合物基复合材料的力学性能的对比情况如表2 所示。
1—玻璃纤维增强单壁碳纳米管改性聚酰胺基复合材料,2—碳纤维增强单壁碳纳米管改性聚酰胺基复合材料
由表2 可知,在冲击速度相同的条件下,碳纤维与玻璃纤维相比,其增强复合材料在沿纤维方向及垂直纤维方向上的杨氏模量均较大,且冲击加速度峰值较大。这是由于在输入冲击能量相同的情况下,结构的刚度越大,冲击加速度峰值越大。
4结束语
应用复合材料力学,本研究计算了纤维增强碳纳米管改性聚酰胺基复合材料的主要力学参数,建立了该材料板件结构在冲击载荷下的有限元模型,研究了不同冲击能量对其力学响应的影响。得到如下结论:
( 1) 玻璃/碳纤维增强聚合物基纳米复合材料板在冲击力作用下,应力波从冲击中心区域沿板件的表面向其它区域传播,且应力峰值不断升高。
( 2) 冲击加速度随时间的变化过程可分为冲击压缩和回弹两个阶段。随着冲击速度的增加,板件内的加速度峰值增大。
( 3) 在冲击能量相同的条件下,碳纤维与玻璃纤维相比,其增强碳纳米管改性复合材料的刚度大,冲击加速度峰值大。
土木工程中纤维增强聚合物的应用 篇2
一、纤维增强聚合物的发展概述
(一) 纤维增强聚合物性能特点
纤维增强聚合物性能主要特点是性能的可设计性和各向异性, 可以根据不同聚合物和增强材料, 以及不同的配方、成型工艺等, 按不同的铺设方法达到各向不同的性能, 从而达到产品设计的目的。
增强纤维或织物, 能承受很大的拉伸力, 其本身质地柔软, 所以不能承受压缩力的, 当聚合物复合材料承受压缩载荷时, 就靠聚合物基体把增强纤维或织物粘结成整体时来承受。因此, 聚合物复合材料的压缩性能与聚合物的品种、性能、成型工艺、二者的界面等的关系紧密, 对于同一种复合材料来说, 压缩性能变化同样大。一般情况下高温高压成型时形成的压缩性能高, 有的甚至于高于拉伸性能。一般聚合物复合材料是不阻燃, 必须加阻燃剂, 按产品设计要求加不同阻燃剂及含量, 达到一定的氧指数, 指标等。FRP还具有较好的阻尼性, 本身的化学结构特性使得纤维聚合材料具备很强的降低振动和减噪功能, 这一点在土木建设工程中得到了广泛运用。
(二) 纤维增强聚合物发展现状
我国的纤维复合材料工业是从六十年代中期引进国外先进技术和设备而起起步的, 我国热塑性复合材料的产量和品种与工业发达国家相比, 依旧处于较低的水平上。八十年代中期, 尼龙、聚碳酸酷等开始小批量生产, 主要用于电子、电气及化工领域。国内基本形成生产体系复合材料的基本性能在很大程度上取决于增强材料的分散性、含量以及纤维与基体界面的粘结特性。目前, 国内以高强玻璃纤维应用最广, 基碳纤维生产能力较大, 但碳纤维品种和规格较少, 但是我国已经具备了加速发展的基础条件。国外碳纤维及复合材料业已步入良性循环, 而我国目前尚不具备国际竞争能力。
二、纤维增强聚合物在土木工程中的应用
与其他国家相比, 美国、日本为首的发达国家对FRP材料及加固后结构的性能研究已处于世界领先地位。混凝土结构固中应用最多的是CFRP材料, 我国CFRP在修复加固中的技术水平远不如国外, 随着我国材料技术的发展, 纤维聚合物在木工程的利用范围逐渐增加形成了几个主要分支。
FRP在土木工程中应用最为广泛的便是碳纤维修补增强技术。碳纤维复合材料修复补强技术包括由日本三菱化学公司提出Obayashi-Mitsubishi法, SIKA法、Mbrace法, 还有使用碳纤维预浸带人工环绕纠缠在需要增强的柱、梁的表面的绕纠缠法等。纤维聚合物的另一个应用领域是在建筑加固技术的应用, 作广泛的材料是碳纤维增强聚合物, 碳纤维增强聚合物具有很高的强度, 高强度高弹性的C F R P的极限抗拉强度高于普通钢的十倍以上, 且有耐腐蚀性及耐久性, 施工便等优点, 在许多情况下比其它加固方法更具有优势。
另外, 纤维聚合无替代混凝土也是其重要的应用领域之一, 钢筋锈蚀将严重地影响结构功能的正常发挥, 解决钢筋锈蚀所引起的混凝土结构耐久性问题的一种有效方法是采用FRP筋来代替钢筋和预应力钢筋。
三、FRP在在土木工程应用中的不足
近几年, 预应力FRP片材技术受到了较多的关注。但存在一些缺陷, 主要是:对无树脂连续纤维进行张拉时, 初始预应力过低, 松弛损失。因而影响效益。另外外贴式的加固.其耐久性还是一个难题。
其次:
技术标准不规范, 很多国家在上世纪90年代就完成了较多的规程, 我国直到1999年才着手于有关FRP加固修复混凝土结构的标准和编制, 在技术规范化上, 我们还有很多工作要做。
第三点:
工程应用盲目, 尽管FRP存在很多优越性, 但依旧有不足的地方, 我们在工程中要合理科学的运用FRP的长处, 而不是滥用, 随着合成材料技术的日渐成熟, 将会有跟多的纤维聚合物出现, 我们要选择最合适的方法应用, 同时, 考虑到FRP是合成开发的, 经济消耗还是很高, 在施工过程中, 能够使用传统材料的话在同样的技术标准下, 最好选择最经济的方案。随着国家有关部门的重视, 全体科研人员的不懈努力下, 统一协调市场开发力量, 促使引进技术和生产线尽早开动起来。无论产品品种、规格和性能、自动化程度, 还是生产能力, 都必然迈上一个新台阶。只要我们坚持不懈地努力工作, 这个目标离我们一定不会太远。
四、纤维增强聚合物在土木工程使用中的一些建议
FRP在土木工程中应用历史不长, 技术上与发达国家有一定差距, FRP在振动、耐腐蚀、控制中扮演十分重要的角色, 应当在复合材料的功能设计中占有一席之地。虽然复合材料研究目前已有了较大的发展, 但是如何能在实际工程中有效应用仍需要大力研究。我们面临的问题是, 基础及研究工作不够深入, 目前企业生产通常是从国外引进生产线, 由于对行业技术的不熟悉, 引进过程中存在很多盲目性。而我们的基础研究工作相当肤浅, 事前应用超前于理论研究, 实验研究多余理论分析, 在不少理论及设计实验方法上, 我们一片空白。根据本领域的研究现状来看, 其今后发展需要重点研究方向有一下几点:
一是提高各项性能预报的精度, 改进和发展聚合材料组分的基本弹性及其他性能的实验方法和测试手段;
二是将纤维复合材料和粘弹性在结构中一起使用, 两种材料优势互补。在阻尼、刚度和强度性能上能够获得单纯复合材料所达不到的理想效果, 是今后复合材料阻尼增强的一条有效途径。
另外复合材料的细观损伤及其演化过程产生的机理尚不清楚, 缺乏对此进行定量分析需要的共事和实验模型。
纤维增强聚合物发展的动力, 来源于人们对现代高技术领域内的先进复合材料在应用中的重要性和必要性在认识程度的提高。因为在利用先进复合材料发展新型建筑材料, 防腐、抗击、抗震的影响是最不容忽视的, 因此揭示纤维聚合物宏观能量耗散产生的内在机制, 建立复合材料性能预报的定量理论与方法, 根据工程需要选择合适的组分材料、设计阻尼性能优异的纤维增强复合材料, 以上诸多方面的纤维增强复合材料阻尼研究工作, 从理论和实践两方面都具有重大的现实意义。
参考文献
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[5]赵建生, 丁哲一, 张敏.碳纤维复合材料在基础设施和土木建筑中的应用[J].江苏建筑, 2008.
碳纤维增强聚合物 篇3
关键词：纤维,泡沫复合材料,增强机理,模量预测
聚合物泡沫材料以其品种丰富和工艺简单而备受关注。为了进一步提高性能,使其能够满足交通和运载工具轻量化、重要缓冲包装材料和需耐更高温度领域对轻质材料的强度、刚度和耐热性能等要求,研发人员对聚合物泡沫材料的高性能化开展了广泛而细致的研究。常用改性方法主要有改变聚合物的结构、添加助剂、添加填料和改变泡体结构等,而选用纤维进行增强改性,制成纤维/聚合物泡沫复合材料是应用最为广泛的方法之一[1]。
纤维增强聚合物泡沫复合材料是一种以聚合物为基体、增强纤维和气体共存的三相复合材料,不仅具有泡沫塑料的轻质,更兼有纤维增强复合材料的高强度、低压缩等特性,有望使泡沫产品进入耐承载结构材料领域,拓宽应用范围[2]。至今,国内外已在纤维/聚合物泡沫复合材料的发泡机理、成型工艺及力学性能等方面发表了相当多的研究论文,取得了大量有意义的成果。本文将从分析纤维增强聚合物泡沫复合材料的影响因素出发,简要地对增强机理和力学性能的理论预测模型进行综述。
1 力学性能的影响因素
对纤维/聚合物泡沫复合材料而言,影响其力学性能的因素主要来自两个方面。
一方面,泡沫复合材料的本质满足泡沫材料这一基本特性,因而影响泡沫结构基本性能的诸多因素,如密度、基体树脂的结构与性能、泡体结构、开闭孔类型、泡径尺寸与分布、泡壁厚度等,也是聚合物基泡沫复合材料的物理、化学及力学性能的重要影响因素。
Cunningham A等[3]曾提出聚氨酯(PU)硬质泡沫的性能与各种因素关系的模拟方程:
Y=y(ρ,CC, CS,PM, GE, etc.) (1)
式中:Y为泡沫材料的性能;ρ为泡沫体的表观密度;CC为化学组成;CS为泡体结构;PM为聚合物形态结构;GE为闭合气孔种类。
在这些因素中,往往又以表观密度的影响最为显著。徐涛等[4]的研究发现泡沫体的表观密度对短玻璃纤维(SGF)/PU泡沫复合材料的微观结构和力学性能的影响很大:当SGF/PU泡沫复合材料的密度从0.1g/cm3提高到0.5g/cm3时,其压缩强度和模量分别从1.93MPa和33MPa急增到17.91MPa和330MPa左右;分析发现在低密度下,增强纤维有1/2裸露在气孔中,与PU基体的有效接触面积仅有1/2,随着表观密度的提高, SGF能够被PU基体有效包覆而获得较好的增强效果。杨继年等[5]的研究也发现表观密度显著影响了SGF/聚丙烯(PP)泡沫复合材料的泡孔结构和力学性能:密度从0.32g/cm3增加到0.45g/cm3时,试样获得了更为均匀细密且多为闭孔结构的泡孔,冲击韧性和抗压强度分别从4.29kJ/m2和6.57MPa提高到17.87kJ/m2和20.57MPa,增幅均在1倍以上。
另一方面,增强体的性能(包括种类、含量及在基体中的分散状况)和界面结构(包括不同增强相与基体之间的界面结合)也是影响纤维/聚合物基泡沫复合材料性能的重要因素。为了提高聚合物基体的物理-力学性能而引入的增强体,也会对复合体系的发泡性能产生强烈的影响,最典型的表现就是外加增强体的引入在聚合物的发泡过程中起到了一定的异质形核的效应,增大了气泡的形核效率,大幅降低了发泡体系的平均泡孔直径、显著提高了泡孔密度,增幅往往能达到1个数量级以上,这对于提高泡沫复合材料的性能,尤其是力学性能具有显著的效果[6,7,8,9,10,11,12]。此外,增强纤维通过与聚合物溶液(或熔体)之间形成的内摩擦等交互作用,也会使基体树脂(尤其是热塑性聚合物熔体)的流动性明显降低,在大多数情况下会造成发泡体系的熔体强度(粘度)增大而影响复合材料熔体的发泡性能[13,14,15,16,17,18]:若外加增强体以适当的质量分数引入到基体中并能均匀分散,对于抑制气泡的过分膨胀、泡孔的坍塌与合并和避免出现泡体结构的不完整现象具有改善作用;若添加量过大,外加增强体的引入将会使发泡体系的熔体强度(粘度)急剧增大,导致部分气泡在形核之后无法正常膨胀、熔体中的溶解气体由于过度聚集而形成局部大泡孔的现象,反而恶化泡沫复合材料的发泡效果,进而导致其力学性能的降低。
杨继年等[19]在研究中发现,通过添加不同种类的相容剂对SGF-PP之间的界面结构进行优化设计,可制备出力学性能迥异的SGF/PP泡沫复合材料,如添加马来酸酐接枝PP,主要提升材料的强度,而引入马来酸酐接枝聚烯烃弹性体,则可使冲击韧度提升幅度达到77%;显示了增强纤维与基体的界面效应是影响泡沫复合材料力学性能的重要因素,在建立理论预测模型的过程中具有不可或缺的地位。
在这些诸多影响因素中,既存在着相对独立的因素,如泡沫体的表观密度和基体聚合物的性能,也存在着具有交互作用的因素,如泡孔结构的演变、增强体的性能以及界面结构等。因此,在特定的材料体系中,需要综合考虑影响最终性能变化的因素并分析其中的主次性,才能准确有效地揭示纤维增强聚合物泡沫复合材料性能变化本质,为后续实验方案的设计与优化提供正确的思路。
2 纤维的增强机理
泡沫材料在拉伸应力作用下,一旦聚合物支柱(泡壁的交界)断裂,与其相连的泡壁也即刻开裂,裂纹迅速延伸到下一个树脂柱或树脂交点上,如同鱼网的拉伸破坏,呈跳跃式地选择薄弱支柱逐个破坏;外加增强纤维的引入使得泡沫复合材料的拉伸破坏行为发生了变化,当产生损伤时,裂纹在基体中的扩展可以有多种形式,对此Cotgreave T[20]、李国忠[21]、闻荻江[22]等已做了较为详细的描述。纤维/聚合物泡沫复合材料在应力下的破坏与裂纹产生的难易、裂纹扩展的快慢及纤维在体系内的存在状况密切相关:在拉伸应力的作用下,材料的薄弱部位首先产生裂纹,而纤维的存在提高了产生裂纹的初始应力值,对裂纹的出现起到了一定的抑制作用;当裂纹出现并在扩展过程中遇到纤维时,由于纤维的强度要远高于基体,可能出现裂纹的终止、偏转并平行于纤维的轴向、纤维脱粘拔出、纤维带着基体拔出和纤维拉断等多种情况,而实际的破坏行为往往是上述几种形式的综合,破坏时以哪种形式为多,决定了增强效应的优劣[22]。
在压缩应力的作用下,泡沫材料的破坏主要是由基体支柱的弯曲、扭转变形,从而依次导致泡壁及支柱的失稳破坏引起的;经过纤维增强后,纤维可以有效地对支柱进行增强和减弱泡孔变形,且纤维还可以贯穿若干个泡孔,使得纤维周向一定范围内的泡孔以纤维为核心,联成了一个较大的柱体而有效地提高了压缩应力和模量[21,22]。因此,优化增强纤维在发泡体系中的分布和分散,将显著影响纤维的增强效果和复合体系的失效机制,也是进一步提高其力学性能的关键之处。
3 模量的理论预测模型
纤维/聚合物泡沫复合材料的力学性能受诸多极其复杂因素的影响,目前还没有形成一个具有普遍适用性的数学模型能从理论上进行较为准确的预测。大多数的模量预测模型都是基于纤维增强聚合物复合材料的基础上,通过对关键参数进行适当的修正,使之能延伸运用于纤维增强聚合物泡沫复合材料中。
用于预测泡沫复合材料模量的理论模型主要有简单共混模型[23]、平方律加和公式[24]、Halpin-Tsai模型[25]以及目前应用较为广泛的Halpin-Kerner模型[26]。Halpin-Kerner模型是基于未增强发泡材料得到的泡沫复合材料的模量预测模型,表达式为:
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式中:ER为短纤维增强泡沫复合材料的模量;EU为未增强泡沫材料的模量;Vf为短纤维的体积分数;Vg为气泡的体积分数;V*g为忽略泡沫复合材料中的纤维相而形成的两相体系(含基体和气体)中的气体体积分数;A、B均为常数,分别由式(3)和式(4)给出。
A=2L/d (3)
undefined
式中:L/d为纤维的长径比;Ef为短纤维的模量;EM为聚合物基体的模量。
王建华等[27]采用Halpin-Kerner模型预测短纤维/硬质PU泡沫复合材料的压缩模量,发现理论计算值普遍高于实测值,且密度越大相差的幅度也越大,他归结为模型建立在增强纤维与基体界面结合良好、纤维呈取向排列且泡孔分布均匀等理想条件的基础上,与实际材料体系存在偏差的缘故。
若从复合材料的混合定律出发,将未增强泡沫材料看作是以气体为填料的两相“复合材料”,则未增强泡沫材料的模量可由式(5)给出。
EU=EMVM+EgVg (5)
式中:VM为泡沫材料中基体的体积含量;Eg为泡沫材料中气体的模量。
由于该“复合材料”中的气体填料的模量和质量可近似等于0,因此未增强泡沫材料的质量即等同于聚合物基体的质量,根据质量、密度和体积之间的关系,可将式(5)改写成式(6):
EU/EM=ρU/ρM (6)
式中:ρU为未增强泡沫材料的密度;ρM为聚合物基体的密度。
进一步,可将式(2)改写为:
undefined
(7)
式中:E*R为短纤维增强复合材料的模量。
将式(6)代入式(7)中,可得到修正后的Halpin-Kerner模型,如式(8)所示。
undefined
(8)
林桂等[23,28]以式(8)中的相对密度(ρU/ρM)为自变量、相对压缩模量(ER/E*R)为因变量,绘制了短纤维增强橡胶泡沫复合材料的理论预测曲线,并与实测值进行了对比,发现由于同样没有考虑纤维的取向以及界面结合等因素,在相对密度较低时,理论预测值稍有偏大;只有当相对密度高于0.7时,理论预测值才能较好地与实验值相符。
通过以上的分析,我们发现建立纤维/聚合物泡沫复合材料的模量预测模型的难点主要在于两个方面:一方面,泡孔结构的存在及其与外加增强材料之间的复杂交互作用,导致泡沫复合材料在发泡过程的不可控性增大,对泡孔结构、孔径的尺寸与分布、泡壁的厚度等因素与力学性能之间的关系往往难以进行定量的描述,给理论预测模型的建立带来了极大的困难;另一方面,由于在模型的建立过程中很难考虑增强纤维在基体中的存在状况及其与基体间的界面效应,往往导致模型的理论值大于实测值。
为了进一步弄清楚短纤维在基体中的分布状况对泡沫复合材料的弹性模量的影响规律,Wang B等[29]用有限元方法建立了SGF增强PP泡沫复合材料的三维立体模型,其中泡孔结构采用“Tetrakaidecahedral”泡孔模型在空间密排,SGF随机处于泡壁或泡孔边缘处,其长度和取向分布服从高斯概率密度函数;他们详细考察了SGF的含量、尺寸及分布和取向度对弹性模量的影响规律,发现提高纤维体积分数、增加纤维长度或使其择优取向等手段都能获得较高的弹性模量,且将模拟结果与公开的报道进行比较后发现模拟结果能较好地反映实验结果,但仍没能模拟出纤维与基体之间的界面效应对力学性能的影响规律。
4 结语
碳纤维增强聚合物 篇4
众所周知,层压板是复合材料飞机结构件中最基本的结构元件,如加筋板、加层板等蒙皮类典型构件都是在层压板基础上制造出来的。传统的复合材料层压板是通过将预浸料按照一定的铺层角度进行铺叠,然后在高温和高压下固化成型。这种结构中热固性基体树脂起着黏结和传递载荷的作用,由于各铺层之间没有纤维增强,因而沿厚度方向及铺层之间的强度比较低,对横向载荷特别是低速冲击载荷非常敏感,容易产生层间裂纹,进而分层,导致整体结构损伤和破坏。通常聚合物基复合材料的几何不连续处,如自由边、变厚度区域和孔边易产生高的层间应力以及服役过程中因冰雹、飞机跑道上飞起的碎石或维修人员不慎跌落的工具及粗暴踩踏等都可能会造成分层损伤;而这类损伤往往表面痕迹很小,目视勉强可检(BVID),但是在继续使用中,会继续扩展,从而在材料内部产生很大范围的损伤。复合材料受低能量冲击后,对压缩载荷和层间剪切载荷的阻抗作用都非常弱,特别是含冲击损伤复合材料层压板的静压缩剩余强度一般只有未损伤材料的40%左右[2],同时静压缩剩余强度要远低于静拉伸剩余强度[3,4]。可见,冲击损伤导致层压板复合材料的性能得不到充分发挥,对飞机的飞行安全造成极大威胁[5]。
复合材料中常见的损伤包括整体变形、基体塑性变形、基体破碎、分层、纤维拔出及纤维断裂等。这些损伤模式,特别是层间分层,在复合材料的裂纹发展和能量吸收中起到了重要作用。
1 冲击实验描述
通常,金属材料由于其塑性本质而无须重点考虑冲击损伤的威胁;在加载过程中,金属材料经历塑性屈服,随之又发生应变硬化,以恒定的速率发生较大的应变;这个过程会吸收大量能量。但是纤维增强树脂基复合材料受到冲击时,由于其本征脆性,仅能够通过弹性变形(而非塑性变形)来吸收能量,材料内部结构会发生广泛的微观结构损伤,其中包含裸眼可视的冲击损伤;大多数复合材料层合板的层间强度较低,受到冲击后产生高的层间应力(剪切和拉伸作用)会进一步引起结构分层,这会显著降低结构耐久性。冲击的损伤模式及损伤程度受到很多参数的影响[6],例如冲头的形状、质量、冲击速率和纤维基体类型、界面、纤维体积分数、铺层数量、铺层次序、铺层角度、层压板的几何形状以及边界条件甚至固定试样的锁紧力等。
1.1 冲击速率
根据冲击速率大小,材料的冲击一般可以分类为低速冲击(low velocity impact)、中速冲击(intermediate velocity impact)、高速冲击(high velocity impact)、超高速冲击(hyper velocity impact)[7],如图1所示。
图1层合板的冲击响应类型(a)高速冲击;(b)中速冲击;(c)低速冲击[10]Fig.1 Impact response type of laminate(a)high velocity impact;(b)intermediate velocity impact;(c)low velocity impact[10]
1)低速冲击,也被命名为大质量冲击。通常由工具坠落所致。Sjoblom等[8]和Shivakumar等[9]定义低速冲击发生的速率范围为1~10m/s,具体值取决于受冲材料的刚度、组分性能和冲头质量、刚度等。低速冲击中材料结构发生了整体运动,由于冲击接触持续时间足够长,结构整体可以对冲击作出响应,从而吸收更多的弹性能量。
2)中速冲击。如二次爆炸残骸、公路上飞行的物体残骸。中速冲击的速率范围为10~50m/s,其兼具低速和高速冲击的特征。
3)高速冲击。通常为小型武器交火或者爆炸性弹头碎片。结构对高速冲击的响应受到沿着材料厚度方向传播的冲击应力波控制;这个过程中应力波传播速率很快,结构不足以对应力波产生动态响应,因而仅产生了局部损伤。高速冲击中结构的边界效应可以忽略,这是由于应力波达到边界处前冲击事件已经结束。高度冲击的速率范围为50~1000m/s。
4)超高速冲击。速率大于2~5km/s,如近地轨道中,空间碎片(space debris)或轨道碎片(orbital debris)对航天器的冲击[10,11]。
当损伤是人们首要关心的内容时,Joshi和Sun建议根据损伤类型来对冲击进行分类[12]。因此低速冲击的特征主要为分层和基体裂纹,而高速冲击的特征主要为穿透导致的纤维断裂。
Robinson和Davies将低速冲击定义为一类应力波没有对结构中应力分布产生任何显著作用的冲击,并给出了简单的模型以描述从低速冲击向高速冲击的转变[13,14]。他们认为当应力波通过复合材料层压板时,冲头下方的圆柱体区域将产生均匀的压缩应变(εc)[13]:
式中:Vi为冲头冲击速率;Vs为材料中声音的速率。
对于失效应变介于0.5%~1%之间的环氧树脂基复合材料体系,利用该方程可以得出:当冲击速率为10~20m/s时,应力波开始影响结构中的应力分布。
1.2 冲击测试仪器
从复合材料结构设计的积木式验证方法角度,目前对复合材料结构冲击实验的研究还大量集中于层压板;这种实验件体积较小且容易获得,结构最常见。为了模拟外来物体对复合材料层压板造成实际冲击的情况,许多研究者已经进行了大量研究,并建议了一些测试步骤。冲头初始动能是人们首要考虑的一个重要参数,然而即便冲头初始冲击动能相同,低速冲击对大质量复合材料层压板产生的损伤程度也可能与高速冲击对小质量层压板造成的不同。
通常,实验研究的目的是试图以一种可控的方式来还原实际应用条件。因此,对于飞机起飞或着陆时从跑道上卷起的石头、螺钉、轮胎碎片等情况,冲头常常需要模拟小质量高速率的物体,此时空气炮是最佳的选择。Yaghoubi等[15]和Sevkat等[16]采用由压缩空气控制的冲击设备来进行冲击实验,图2中Sevkat等[16]利用高速气枪进行了S2玻纤/IM7石墨纤维混杂平纹织物增强SC-79增韧树脂基复合材料梁的弹道冲击实验,实验速率最高可达442m/s。
另外需要关心的内容是大质量物体对复合材料结构的低速冲击,常见为生产或维护用工具的掉落,叉车、卡车和工作平台这一类维护设施的撞击和维修人员无意中产生的粗暴踩踏等。这种情况可以使用落锤冲击试验机来进行模拟。这种测试装置是目前国内外使用最广泛的一类冲击试验机,又叫塔式冲击装置,见图3[17]。它得以广泛使用不仅仅是由于其原理简单、成本相对较低、技术发展最成熟,更重要的是落重式冲击可以较好地模拟航空用复合材料常见的低速冲击。
图2 弹道冲击测试用高速气枪[16]Fig.2 High-speed gas guns for ballistic impact tests[16]
图3 落锤冲击测试装置[17]Fig.3 Drop weight impact test setup[17]
除了使用冲头下落路径为直线的落重式冲击设备外,还有一类模拟低速冲击的摆锤式冲击试验机,被称之为Charpy冲击试验机。Charpy试验机在冲击过程中,摆锤和连接摆锤的旋转臂做圆周运动,摆动到最低点时就会冲击实验件;通过表盘可以读出材料在测试过程中吸收的能量。Pegoretti等[18]使用Charpy冲击试验机研究了环氧/碳纤维层压板的层间断裂韧性和冲击能量之间的关系;他们根据冲击结果定义柔性指数为损伤扩展能量与起始损伤能量的比值,数据表明随着柔性指数增大,层间断裂韧性显著降低。
2 冲击损伤类型
复合材料层压板冲击损伤的特点主要体现在损伤的敏感性、隐蔽性、危害性以及损伤机理的复杂性。复合材料层压板的冲击是一个相当复杂的过程,应力波在材料中不同方向的传播速率有差异,沿纤维方向的应力传播要比垂直纤维方向快。由于复合材料具有各向异性,缺陷或损伤存在多层次、多模式、彼此间相互作用且缺乏规律性等特点[19],这给研究冲击损伤问题带来了许多困难。
分层是复合材料最主要的结构损伤,会导致材料整体刚度和强度显著降低。为了控制冲击造成的分层,了解损伤行为是必不可少的。低速冲击损伤大体表现出两个基本特征:一是冲击位置下面小的局部凹坑区域,主要为基体裂纹和纤维断裂;二是凹坑周围区域,主要为基体裂纹和分层[20]。分层是材料弯曲导致的横向剪切应力作用的结果;而基体裂纹是轴向应力作用的结果。如果人们考虑简支梁的弯曲,最终轴向应力在梁的上部呈压缩状态,而在下部呈拉伸状态,最大横向剪切应力朝向梁的中央[21]。
准各向同性复合材料层压板受到低速冲击将经历类似于三点弯曲梁的应力状态,但更加复杂[4]。这将产生如图4所示的典型损伤,表现为在中央面出现最大的分层和剪切诱导裂纹,而在复合材料背面产生弯曲诱导基体裂纹[19]。
图4 受低速冲击纤维增强复合材料典型损伤示意图[4]Fig.4 Illustration of typical damage within an FRP composite subjected to low velocity impact[4]
2.1 基体损伤
基体损伤是受横向低速冲击复合材料层压板产生的初始失效模式,常常表现为基体裂纹及纤维和基体之间的脱粘。基体裂纹是由于纤维和基体间弯曲刚度不匹配所致。在单向纤维增强复合材料中,基体裂纹平行于纤维方向,存在于铺层面内[22]。实验中观察到的基体裂纹有两种类型:剪切裂纹和拉伸(弯曲)裂纹。剪切裂纹[22]是材料内高的横向剪切应力作用而形成,其与铺层表面成一定角度(倾斜角度约为45°);横向剪切应力的大小与接触力和接触面积相关。图4中底部层出现的特征是垂直于铺层表面的裂纹为拉伸(弯曲)裂纹,这是由于面内法向应力超过了铺层的横向拉伸应力所致。
复合材料层压板的弯曲应力与弯曲变形密切相关[23]。Cantwell等[24]强调冲击试样的整体结构决定了基体裂纹的类型:长而薄的试样,受到冲击将发生过度的横向弯曲变形,在位置较低的铺层内产生弯曲裂纹;而短而厚的试样,刚性更大,在冲头下的铺层中,形成了横向剪切裂纹。
通常认为[25,26],复合材料层压板受到冲击时,内部结构损伤演变是由远离冲击点的拉伸(弯曲)裂纹与接近冲击点边界的剪切裂纹共同作用的结果。
2.2 分层
分层,即相邻铺层间的脱粘,表现为铺层间富树脂区域的开裂。由于分层显著降低了复合材料层压板的压缩强度,因而其在所有冲击损伤类型中人们最为关心。分层是相邻铺层间弯曲刚度不匹配而产生弯曲应力作用的结果。实验研究表明分层仅能发生在方向不同的铺层界面处;如果两个相邻铺层具有相同的纤维方向,那么在它们的界面处将不能产生分层[27]。
分层损伤的形状一般为椭圆形或者花生形,分层损伤的主轴与界面下方铺层纤维方向一致;这在图5中作出了说明。必须注意的是分层形状相当不规则,这给分层损伤方向的确定带来了困难。渗透剂增强X射线图形技术可以在一定程度上展示分层和基质损伤[28],但是无法提供结构损伤的三维信息;另外一种方法是超声C扫描技术,它可以提供沿着层合板厚度方向损伤的投影叠加,特别是新近发展的B扫描技术可以显示出冲击损伤的准三维图片[29]。红外热波法和声发射检测技术也被用来进行冲击损伤的检测[30]。
图5 分层增长方向示意图[4]Fig.5 Illustration of the delamination growth direction[4]
Liu和Malvern[17]定义了相邻铺层间的弯曲不匹配系数,该系数包含弯曲刚度项,并成功预测了0°/90°铺层的花生形损伤。Hong和Liu[31]使用3M公司的薄玻璃纤维/石墨纤维预浸带,分别制备了两种铺层类型的层压板;一种是[0°5/θ5/0°5],另外一种是[θ3/0°3/θ3],θ等于0,15,30,45,60,90°。结果表明相邻铺层间的角度差越大,那么其弯曲刚度不匹配系数越大,界面处的分层损伤面积也越大;同时他们还研究了铺层次序和层压板厚度对分层损伤的影响,结果显示铺层次序和层压板厚度也是影响分层损伤的重要因素。
分层损伤尺寸常常定义为超声C扫描中获得的损伤面积。冲击起始动能对分层面积的影响研究表明[32],在达到小的阈值能量后,随着动能的增大,分层损伤尺寸线性增大。但分层的阈值很难从实验角度确定,这是由于从一个试样到另外一个存在实验的离散性,因而需要多次测试才能确定起始分层所需的初始动能阈值水平。
Dorey等[33,34,35]也在该领域进行了广泛的研究,结果表明分层损伤最可能发生在层间剪切强度低、跨距短和厚度大(不超过6mm)的复合材料层压板中。他提供了复合材料发生分层损伤时所吸收能量(E)的简单表达式:
式中:τ为层间剪切强度(ILSS);w为跨距;L为未支撑试样长度;Ef为弯曲模量;t为厚度。
受到冲击的复合材料层压板结构中将产生许多基体裂纹,其分布形式复杂而难以预测;事实上也没有必要作这样的预测,因为基体裂纹不会显著地降低层压板剩余压缩强度。但是,基体裂纹可能引发随后的结构损伤,如分层。对于厚的层压板,局部高的接触应力将在受冲物体的第一层引入了基体裂纹;损伤从顶部向底部扩展,导致松树型损伤模式,见图6(a)。对于薄的层压板,冲击将导致层压板背部产生高的弯曲应力,结果在受冲物体最低层引入基体弯曲裂纹,随后损伤从底部向顶部扩展,导致了反松树型损伤模式,见图6(b)。
(a)松树型;(b)反松树型[27](a)pine tree;(b)reversed pine tree[27]
图6 复合材料典型损伤模式示意图Fig.6 Illustration of typical damage patterns within a composite
2.3 基体裂纹与起始分层间的相互作用
当冲击能量达到分层阈值能量后,复合材料结构中将产生分层。Choi等[36]的研究探讨了基体裂纹和分层之间的关系,结果表明分层一般并不会精确地发生在某一确定界面区域,而是可能随机发生在任何一个地方。Joshi和Sun[37]研究了0°/90°/0°铺层中分层与基体裂纹的关系;他们得出,当相邻铺层界面上方的剪切裂纹到达了下方铺层时,由于铺层纤维方向的改变,裂纹将被阻止,从能量耗散的观点,随后该裂纹需要在铺层界面处继续扩展以消耗剩余能量,这种损伤形式称之为分层。Garg[38]提出基体裂纹引发分层是由于界面处层间法向应力和剪切应力共同作用的结果,有研究[28,39,40,41]表明在张开模式(I型)下,弯曲裂纹诱导产生了分层,还有研究则认为在纯面内剪切模式(II型)[27]或者面内和面外剪切混合模式(III型)下[39]剪切裂纹诱导产生了分层。Hojo和Kageyama等[42,43]发现碳纤维增强复合材料在I型和II型模式下表现出的分层阻抗作用是不同的。
Chang等[44]利用三维有限元分析模拟了基体裂纹相邻区域的应力状态。他们也认为,分层的引发是基体裂纹I型扩展的结果,具体是由结构中基体裂纹诱导产生的面外法向应力和沿着界面高的层间剪切应力作用所致。
弯曲裂纹和剪切裂纹都能够引发分层,但是剪切裂纹诱导的分层是不稳定的,而弯曲裂纹诱导的分层则以一种稳定的方式而扩展,其范围与施加载荷成正比例[34]。
2.4 纤维断裂
纤维断裂发生所需的能量远高于基体裂纹和分层。纤维断裂,倘若出现在冲头下方,则是局部高的拉伸应力和凹坑效应(主要受剪切应力控制)作用的结果;倘若出现在非冲击面(冲击背面),则是高弯曲应力作用的结果。纤维断裂通常是灾难性穿透发生的预兆。复合材料层合板背部弯曲导致纤维断裂所需的能量(E),可以使用Dorey[34]给出的方程来描述:
式中:σ为弯曲强度;w为宽度;L为未支撑试样长度;t为试样厚度;Ef为弯曲模量。
当复合材料结构中所用纤维的断裂应变较低时,那么低冲击能量下产生的分层损伤将会减少,这是由于纤维断裂会吸收一部分冲击能量。
2.5 穿透
穿透表现为冲头完全穿过复合材料,是材料的宏观失效模式[45]。Cantwell和Morton[24]研究表明对碳纤维增强复合材料,随着试样厚度的增加,冲击穿透所需的能量快速增大。El-Habak[46]研究了玻璃纤维增强复合材料的穿透现象,结果表明玻璃纤维的表面处理在决定穿透载荷值方面起了关键作用,而基体对穿透载荷有较小影响。Dorey[34]提供了非常简单的模式以分析穿透现象,给出的穿透吸收能量(E)方程为:
式中:γ为纤维断裂能量;D为冲头直径;t为板材厚度。
3 影响冲击损伤的参数
研究人员已经进行了大量的实验研究以理解各种参数对冲击损伤的影响,通常将参数分为两类:一类是冲头的特征参数,另外一类是受冲材料的结构参数。冲头的特征参数包括冲头质量、形状、刚度和入射角等。通常,受冲材料的结构参数,例如复合材料的组分性能影响结构的总体刚度和接触刚度,因此对结构的动态响应产生显著影响;组分性能包括基体、纤维和纤维/基体的界面性能等,它们控制着冲击损伤的引发和扩展。同时复合材料层压板的厚度、尺寸、铺层、缝纫等也影响着冲击损伤;最后其他参数包括预加载和环境条件等也应该给予重视[47]。
3.1 冲头特征
冲头形状和质量在冲击损伤的演变中扮演着重要角色。在过去的研究中,使用最普遍的冲头形状为半球形。然而,生产或维护期间掉落的工具可能并不常常具有半球形外观,因此,一些研究者还研究了其他形状的冲头,比如末端平头和锥形头[48]。
复合材料层压板的冲击后剩余强度(拉伸强度和压缩强度)受到了冲击损伤面积和损伤扩展机理的影响[49,50,51,52]。不同形状及尺寸的冲头会导致复合材料层压板中产生不同的损伤机理和损伤面积,材料的剩余强度也将相应改变。因此,研究不同的冲头形状及尺寸对复合材料层压板的损伤阻抗和损伤容限的影响是非常重要的。
Mitrevski等[48]分别使用半球形、尖顶和圆锥形冲头冲击碳纤维/环氧层压板,所有冲头直径均为12mm,外形如图7所示。研究发现,受圆锥形冲头作用的试样吸收能量最多,产生的穿透深度最大;钝化半球形冲头产生的峰值载荷最大,持续接触时间最短;半球形冲头作用层压板中损伤发展所需的载荷最大,其次为尖头与锥形冲头。
图7三种不同外形铁质冲头(a)半球形;(b)尖顶;(c)圆锥形[48]Fig.7 Three steel nose shapes of impactor(a)hemispherical tup;(b)ogival tup;(c)conical tup[48]
Kondo等[53]分别使用半球形、圆锥形、平坦形和金字塔形的冲头在不同的冲击能量下(1.0~10.5J/mm)对T800S/3900-2B复合材料层压板进行动态冲击测试。所用冲头的外观见图8。研究表明,即使冲击能量相同,碳纤维增强复合材料层压板的冲击响应(接触力和持续时间)、分层损伤的形状和尺寸也依赖于冲头的形状。具有锋利尖端的冲头(如圆锥和金字塔形)导致了低的峰值载荷、大的分层面积和低的冲击后压缩强度(Compression Strength After Impact,CAI),而平坦和半球形冲头则给出了高的峰值载荷、小的沿厚度损伤累积和高的CAI强度。
图8 不同冲头总览[53]Fig.8 Overview of impactors[53]
Wakayama等[54]研究了半径依次为3,10,20mm的半球形冲头对长纤维缠绕碳纤维增强复合材料冲击后压缩强度的影响。结果表明随着冲头半径增大,复合材料失效模式从纤维断裂转变为分层损伤,所有试样的冲击后压缩强度都增大。
3.2 层压板结构
复合材料层压板的刚度依赖于层压板厚度、铺层、尺寸及材料性能,此外,边界条件对冲击损伤也有较大的影响。
3.2.1 层压板厚度
Yang和Cantwell研究了玻纤增强环氧基复合材料层压板的低速冲击起始损伤,考虑因素包括层合板的厚度(t)、尺寸、冲头直径和测试温度等[55]。结果表明起始损伤阈值载荷(Pcrit)随着t3/2而变化。对于给定厚度,在所研究的层压板几何外形范围内,Pcrit与层压板的尺寸无关;同时发现测试温度升高后,Pcrit同样遵循t3/2的变化规律。此外,随着冲头直径的增大,Pcrit稳定增大。
Datta等研究了冲击能量和层压板厚度对碳纤维增强复合材料低速冲击损伤容限的影响[56]。对于恒定厚度,随着冲击能量增大,起始损伤对应的阈值载荷降低;对于恒定的冲击能量,随着层压板厚度增大,起始损伤对应的阈值载荷也增大。同时,他们还定义了复合材料结构中“损伤机理”发生转变对应的临界厚度tcrit,低于该临界厚度值,损伤机理受弹性弯曲控制,而高于该临界厚度值,则损伤机理受接触变形控制。
3.2.2 纤维编织
研究表明,碳纤维二维编织体增强复合材料层压板初始损伤对应的冲击能量门槛值与单向铺层板(非编织层压板)相当,此时结构内部发生的损伤也极为相似[57]。在相同能量下,二维编织层压板的冲击损伤面积相比于单向铺层板要小得多。二维编织层压板的损伤模式主要为层间分层,只在靠近背面的个别铺层内会有少量纤维拉伸断裂,不会出现纤维劈裂等损伤模式。与非编织板类似,二维编织层压板结构中距离冲击面越远,那么在界面发生的分层面积也越大,但是分层面积的变化不像非编织板那么剧烈。
Baucom等[58]研究了增强体几何外形对编织复合材料层压板在重复冲击下损伤扩展的影响。复合材料增强体系分别包含2D平纹织物,双轴经编增强织物和3D正交机织物。结果表明2D平纹织物增强层压板中损伤扩展半径最小,而3D正交机织物增强复合材料最大。3D复合材料具有最佳的穿透阻抗能力,相比于其他体系耗散了更多的能量。
3.2.3 层压板铺层顺序
铺层顺序对层压板的冲击损伤具有非常重要的作用[49]。通常认为纤维方向相同的铺层间是不会发生分层的。对于厚度相同但是内部铺层方向不同的层压板,相邻铺层角度差越大,那么冲击后层压板的分层面积也将越大。增加单个铺层的厚度也将导致分层面积增大。同时,材料经向和纬向模量差越大,那么铺层间的弯曲刚度不匹配性也越高,同时也增大了分层。然而,起始损伤依赖于基体和纤维/基体界面,对铺层具有非常小或者几乎没有依赖性。
温卫东等[59]研究了不同的铺层顺序对T300/BMP-316复合材料层压板冲击损伤的影响。结果表明铺层顺序对冲击损伤投影面积影响不大,但对层压板的冲击损伤形状有影响。
Hitchen等[51]研究了铺层顺序对碳纤维/环氧复合材料冲击损伤的影响。研究发现,层压板的主要损伤模式是分层,且在每个铺层界面几乎都发生了分层。铺层顺序影响起始分层吸收的能量、层压板冲击前(后)的压缩强度及冲击损伤区域。冲击后压缩强度取决于最大分层面积,随着分层面积的增大而减小。
3.2.4 缝纫
为了阻止或减少复合材料层压板的分层损伤,研究人员发展了缝纫技术;这种技术被应用于碳纤维复合材料的自由边缘处以改善层间性能,提高材料的面内拉伸强度[60]。随着工艺的改进,低成本缝纫技术被认为是改善复合材料抗层间开裂性能较有前景的方法[61]。通常使用的缝线材料有碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维等,其中以芳纶纤维应用比较广泛。
由于存在厚度方向的纤维约束,缝纫层压板相比一般的二维层压板具有一些独特的优点。缝纫增强了复合材料的层间剪切强度,层间的损伤机理由二维层合板的剪切破坏变成拉伸破坏[62]。然而,并不是所有的缝纫方式都能带来积极的效果,有时可能会适得其反,其中的关键因素是缝纫密度和缝纫方式。研究发现缝纫密度存在一个最优范围,如果超过这个范围,不仅会降低层压板的面内力学性能,而且对层间剪切性能也会产生不利影响[62]。
Aymerich等[63]研究对比了缝纫与未缝纫石墨纤维/环氧层压板的低速冲击性能,所用的两个正交铺层分别为[0°3/90°3]s和[0°/90°]3s。在铺层为[0°3/90°3]s的缝纫与未缝纫层压板中,起始损伤都表现为最底层0°铺层的基体拉伸裂纹,接下来发生90°铺层的基体剪切裂纹;缝纫层压板表现出了更佳的损伤阻抗,分层面积也减小了,然而,材料的CAI性能却并不理想。对于铺层为[0°/90°]3s的缝纫与未缝纫层压板中,冲击起始损伤都为底部0°铺层的基体拉伸裂纹,接下来为0°和90°铺层的基体剪切裂纹,随后在层压板不同铺层界面处引发了分层;这里缝纫并未显著地改变总的层间损伤模式或纤维断裂数量,但是影响了冲击损伤沿着厚度方向的分布,表现为增大了层压板下部铺层的纤维断裂,并在接近冲击侧的界面处形成了分层;高能量的冲击下,缝纫层压板吸收了更多的能量;在所研究的整个能量范围内,缝纫显著改善了层压板的CAI强度。
Tan等[64]研究了缝纫密度和缝纫线宽度对层压板低速冲击损伤的影响。对损伤表面的研究表明,缝纫预制体既可以引发裂纹,又可以终止裂纹。在密集缝纫的层压板中观察到了更长的基体裂纹,而在适度缝纫的层压板中则观察到了孤立的基体裂纹。缝纫密度和缝纫线宽度没有影响层压板起始分层能量及损伤吸收总能量,但是影响了结构损伤机理,如基体裂纹、分层、缝纫脱粘等损伤中各自消耗能量占总能量的比例。
3.3 复合材料组分性能
纤维增强复合材料的力学性能决定于组分材料的性能(基体树脂的类型和数量、纤维分布和方向等);此外,树脂/纤维的界面也在载荷转移机理中起了重要的作用。
3.3.1 纤维
纤维是复合材料中主要的载荷承受组分,它提供了复合材料大部分的强度和刚度。最常用的纤维是玻璃纤维、碳纤维和Kevlar纤维。碳纤维的强度和刚度最高,因而被广泛地应用在航空工业;然而,它也是最脆的,失效应变仅为0.5%~2.4%。玻璃纤维的强度和刚度较低,但是失效应变更高(约为3.2%[65]),且相比于碳纤维价格更低。玻璃纤维增强复合材料是应用最广泛的材料,其中E型和S型玻璃纤维由于最佳的成本性能比而应用最广。Kevlar纤维的力学性能介于碳纤维和玻璃纤维之间[66]。
3.3.2 纤维混杂
储存在纤维中的弹性能量是评价复合材料损伤阻抗的重要参数之一[67]。该能量对应于纤维应力-应变曲线下的面积,从该曲线中同时还可以得到纤维的模量和失效应变。E-玻璃纤维吸收的弹性能要比碳纤维高约3倍,因而可以通过将高断裂应变的纤维与低断裂应变的碳纤维混杂使用,得到的材料吸收能量更强,能够更加有效地改善复合材料的损伤阻抗和损伤容限。
大量科研工作者已经研究了纤维混杂对高速冲击行为的影响[68,69,70]。Hosur等[71]研究了四种不同混杂层压板的低速冲击响应。他们指出,相比于碳纤维/环氧层压板,混杂复合材料的冲击载荷承受能力得到显著的改善,只是刚度略有下降。
熊杰等[72]研究了不同铺层方式的芳香族聚酰胺纤维、高强聚乙烯醇纤维混杂织物与酚醛/PVB树脂复合层压板的准静态和抗冲击侵彻性能。结果表明,在高强维纶织物中加入芳香族聚酰胺织物层后,层压板的准静态刚度得到显著改善。随着芳纶混杂体积分数的提高,复合材料层压板的准静态侵彻阻抗、穿透能量将随之增加。
Gustin等[73]进行了Kevlar/碳纤维混杂复合材料的低速冲击研究。结果表明,相比于纯粹的碳纤维增强体,当混杂丝束表面为Kevlar纤维时,复合材料的能量吸收最大值和冲击载荷最大值都提高了近10%。这是由于如果两种纤维结合较紧密,可以把混杂界面视为一个整体,当载荷作用于混杂相时,将从断裂应变较低的碳纤维传递到韧性更高的Kevlar纤维上,使复合材料的抗冲击损伤阻抗显著提高。
3.3.3 基体韧性
纤维增强聚合物基复合材料中,通常所用的基体为热固性树脂(TS),它具有保护纤维及连接/稳定化纤维的作用。TS由于具有良好的湿热性能,被大量使用在飞机结构中;然而,TS本征脆性,对裂纹扩展抵抗作用较弱。为了减小树脂基复合材料的损伤,改善层间断裂韧性,通常的方法为在热固性树脂中添加橡胶或者热塑性颗粒[74];这些添加材料在一定的条件下通过发生化学反应诱导相分离而在基体中形成共溶的均相韧化组织,或者形成一个分散的第二相,如形成互穿网络或者相反转结构。这种复相结构可以增大基体树脂的断裂应变,增强断裂韧性且没有降低Tg,同时还保持了TS优越的力学性能。但是将热塑性树脂混入TS中显著地增大了混合物的黏度,且降低了耐溶剂性,使树脂的工艺性能变差。再者,复合材料中纤维的存在阻碍了基体树脂的塑性屈服,基体树脂断裂韧性的提高并不能完全转化为树脂基复合材料韧性的改善[75]。
相比于热固性复合材料,热塑性树脂(例如,PEEK)基复合材料的断裂韧性表现出数量级的增长。然而,热塑性复合材料低的热稳定性和差的耐化学品性以及弱的纤维/基体界面阻碍了其在结构领域的应用[76]。当然,随着材料工艺性能的改善、成本的降低以及使用经验的积累,热塑性基复合材料体系将更加有竞争力。
通过对大量复合材料体系的实验结果分析可以得出以下结论:
(1)复合材料冲击损伤与树脂韧性密切相关。Gottesman等[77]使用不同基体树脂制备了复合材料。结果表明,在相同的冲击能量水平下,脆性环氧(3502)基复合材料中产生的损伤要远高于韧性基体(F155)复合材料和热塑性基体(PEEK)复合材料。
(2)复合材料层压板的CAI值很大程度上也由基体树脂韧性决定[78,79]。研究表明复合材料的CAI值与基体树脂的最大失效应变及层间断裂韧性呈正比关系[80],尤其与II型层间断裂韧性之间存在最佳的对应关系[81]。纤维性能相似但基体树脂不同的复合材料体系表现出了显著不同的CAI值。
3.3.4 纤维/基体界面
纤维和基体之间的界面区域至关重要,它可以有效传递载荷。界面强度取决于纤维和基体,常见的改性方法包括树脂基体改性法及纤维表面改性法,如气(液)相氧化法,电化学氧化法,等离子体接枝法,表面涂层处理,γ射线辐照法等[81,82]。
Bader等[83]分别使用未经处理(I型)及经过处理(II型和III型)的三种单向碳纤维制备了环氧基复合材料,然后进行了冲击测试。结果表明,II型和III型碳纤维复合材料的纤维/树脂界面最强,而I型复合材料的界面最弱。冲击损伤阻抗与纤维的断裂应变能相关,而与纤维/树脂的界面强度依赖程度较小。界面改性改变了结构损伤扩展的模式,在高界面强度下,复合材料以脆性方式失效,相对吸收较少的能量;在低界面强度下,复合材料中发生了多重分层,吸收的能量增大了约3倍,但同时发生了结构的广泛崩溃;在适中的界面强度下,复合材料产生了逐步的损伤,吸收的能量相对较高,且避免了结构崩溃。
3.4 其他影响参数
3.4.1 预加载
服役中飞机机体结构往往面临许多冲击威胁,例如飞鸟、跑道碎石、冰雹和跌落工具的冲撞等,以及战争条件下射弹、弹片等的撞击损伤;为了提高结构的损伤容限,有必要进行结构优化设计,过去通常在静态下通过撞击实验来确定撞击极限(即造成损伤的撞击)[84]。事实上,飞机的结构普遍存在应力作用:这种预应力既可以产生在制造/组装过程中,也可以发生在服役过程中,如飞行期间飞机主翼的上表面主要受到面内压缩载荷作用,而下表面主要受到面内拉伸载荷作用。这种预应力对于结构的冲击响应具有显著影响,往往导致不同的损伤机理。然而,还没有太多关于预应力状态下复合材料的冲击响应研究[85,86]。
Whittingham等[85]对碳纤维增强复合材料施加单轴或双轴的面内预应力,然后分别使用两种冲击能量进行实验;施加的预应力包括拉伸和压缩预加载荷。结果表明,在低冲击能量下,凹坑深度和峰值载荷与预应力的类型无关。
Kursun等[86]研究了三种预加载荷对玻璃纤维/环氧复合材料层压板动态冲击响应的影响;三种预加载荷分别为拉伸-拉伸载荷,拉伸-压缩(剪切)载荷和压缩-压缩载荷。结果表明预加载增大了材料的刚度;随着预加载增大,损伤水平没有显著改变。在压缩-压缩预加载下,临界弯曲发生在8kN或者更高的水平上,损伤阻抗降低;在拉伸-拉伸预加载下,当预加载增大时,复合材料层压板的变形程度降低。
3.4.2 环境条件
由于复合材料大多数在户外使用,因而不可避免地会受到环境条件的影响,如高温、高湿、紫外线、臭氧、低气压、微生物等,这会导致复合材料发生老化,从而引起使用性能的降低甚至失效。
复合材料环境实验方法一般分为自然环境和实验室环境两大类。其中,实验室环境实验根据实际需求,在实验室条件下控制温度、湿度、光辐射、盐雾、淋雨、微生物等环境因素,来模拟实际环境。实验室环境实验方法的优点在于控制精确度较高,重现性好,实验周期短;缺点在于可能与自然环境老化的机理不符。
自然环境实验是根据复合材料或产品的实际使用环境,选择与实际使用环境相似的典型自然环境实验站(点)进行暴露实验。自然环境实验的结果更加真实可靠,一般可用于考察复合材料(从材料级到产品级)制品在特定自然环境中的实际行为,为复合材料产品的设计、制造、使用和维护提供真实的依据,在考察复合材料工艺对特定自然环境的适应性方面尤其有效。
程小全等[87]研究了三种不同环境条件对树脂膜渗透成型工艺制备缝纫织物增强复合材料层压板低速冲击后压缩性能的影响。结果表明,缝纫改变了含冲击损伤层压板的压缩破坏机理,大幅度提高了层压板在常温干态下的CAI值,但是对高温湿态下的CAI值影响不大。
潘文革等[88]研究了在室温和湿热条件下二维编织玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料层压板的冲击后压缩性能。结果表明,该体系复合材料吸湿严重,且吸湿后材料性能发生退化,退化程度与试件厚度有关。材料达到平衡吸湿后,室温环境下的冲击损伤阻抗能力有所下降,冲击能量平均下降19.2%;在70℃,相对湿度85%环境下,CAI值平均下降54.3%。
Ibekwe等[89]研究了单向玻璃纤维增强层压板和正交层压板梁的低速冲击响应。结果表明温度对层压板的低速冲击响应具有显著影响;高温下试样冲击损伤程度要小于低温条件;随着温度降低,CAI值和弹性模量先增大后降低。
4 结束语
碳纤维增强聚合物 篇5
已有研究表明[3,4,5,6,7],地聚合物混凝土具有良好的力学性能,强度高、耐久性好,进一步应用研究具有重要意义。但与高分子材料相比,地聚合物材料的脆性较大,针对该缺点,国内外学者采用掺入高性能纤维等手段进行改性研究,取得了一定成果[8]。
本文借鉴水泥、陶瓷的改性手段,采用在地聚合物混凝土中加入高性能的玄武岩纤维和碳纤维的方法进行改性试验研究,探索制备具有优异力学性能的地聚合物混凝土的新方法。
1 试验
1.1 原料
水泥:P·O42.5R秦岭水泥;矿渣:韩城龙门钢铁有限公司提供,比表面积不小于490 m2/kg,密度2.97 g/cm3,28 d活性指数不小于95%;粉煤灰:韩城第二发电厂提供,比表面积不小于355 m2/kg,密度2.05 g/cm3。
硅酸钠水玻璃:南京合一化工厂提供,液态,模数为3.0～3.3;氢氧化钠:东莞市乔声电子科技有限公司提供,白色片状固体。
细骨料:灞河中砂,细度模数2.78,密度2.63 g/cm3,堆积密度1.50 g/cm3,含泥量1.1%,级配合格;粗骨料:泾阳县石灰石碎石,粒径5～10 mm占15%、10～20 mm占85%,密度2.70g/cm3,堆积密度1.62 g/cm3,含泥量0.2%。
减水剂:FDN萘系减水剂,广州建宝新型建材有限公司提供;水:自来水。
碳纤维:日本东丽公司提供,短切长度6 mm;玄武岩纤维:横店集团上海俄金玄武岩纤维有限公司提供,短切长度18 mm,2种纤维的物理和力学性能指标见表1。
1.2 配合比设计
本试验在参考相关资料的基础上通过试配来确定地聚合物混凝土的合适配比,参照以往试验的研究成果[3,4,5,6],最终确定2种地聚合物混凝土的配比,素混凝土的配合比按照C50的强度等级设计。
采用不同掺量的玄武岩纤维和碳纤维来增强地聚合物混凝土。定义水与矿渣和粉煤灰的质量比为水胶比(W/B),玄武岩纤维和碳纤维的体积掺量均分别为0、0.1%、0.2%、0.3%,试验基体配比见表2。
2 试验结果对比分析
试件制备参考GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验法标准》,尺寸为150 mm×150 mm×150 mm。对制备的试件进行标准养护[(20±2)℃、相对湿度大于95%],采用压力试验机测试混凝土试件的28 d抗压强度。
2.1 玄武岩纤维对不同基体增强效果的对比分析
玄武岩纤维掺量对水胶比分别为0.26和0.31的地聚合物混凝土以及素混凝土抗压强度的影响如图1所示。
由图1可见,对于水胶比为0.31的地聚合物混凝土,其抗压强度随玄武岩纤维掺量的增大呈增长趋势,掺量为0.3%时增幅可达31.5%;对于水胶比为0.26的地聚合物混凝土没有增强作用,其抗压强度在玄武岩纤维掺量为0.2%时降幅最大达14.9%;对素混凝土基体而言,其抗压强度随玄武岩纤维掺量的增大呈减小趋势,掺量为0.3%时降幅最大达16.2%。
2.2 碳纤维对不同基体混凝土的增强效果分析
碳纤维体积掺量对混凝土抗压强度的影响见图2。
由图2可见,对于水胶比为0.26和0.31的地聚合物混凝土基体,在碳纤维掺量在0～0.3%时,掺入碳纤维对其均有增强作用,其抗压强度在碳纤维掺量为0.3%时增幅最大,分别可达34.8%和28.3%;但对于素混凝土,其抗压强度随碳纤维掺量的增大呈减小趋势,掺量为0.3%时降幅最大,达6.3%。
2.3 玄武岩纤维和碳纤维对相同基体增强效果的对比分析
为了对比玄武岩纤维和碳纤维的增强效果,考察用玄武岩纤维和碳纤维分别增强3种基体时,混凝土抗压强度的变化(见图3)。
由图3可见:
(1)对于水胶比为0.26的地聚合物混凝土基体,碳纤维提高了基体强度,纤维体积掺量为0.3%时,抗压强度增幅最大,达34.8%;玄武岩纤维降低了基体的强度,纤维体积掺量为0.2%时,抗压强度降幅最大,达14.9%。
(2)对于水胶比为0.31的地聚合物混凝土基体,碳纤维和玄武岩纤维均提高了基体强度,纤维体积掺量为0.3%时,基体抗压强度的增幅最大,分别达28.3%和31.5%。
(3)对于素混凝土基体,虽然当纤维体积掺量为0.1%时,碳纤维提高了基体强度,但总体看来,碳纤维和玄武岩纤维均降低了基体强度。随着纤维体积掺量的增大,2种试件的抗压强度均呈减小趋势,掺量为0.3%时基体抗压强度的降幅最大,分别达6.3%和16.2%。
比较2种纤维对地聚合物混凝土基体和素混凝土基体的增强效果可以发现,碳纤维对地聚合物混凝土基体起到了增强效果,但对素混凝土基体没有起到增强效果;玄武岩纤维对素混凝土和水胶比为0.26的地聚合物混凝土基体也没有起到增强效果,但对水胶比为0.31的地聚合物混凝土基体起到了增强效果,说明玄武岩纤维对地聚合物混凝土的增强受基体配比的影响很大。
3 纤维增强机理分析
类似于一般的混凝土类材料,地聚合物混凝土在承受荷载前已存在微裂纹和孔洞等微损伤,这些损伤多数为粗骨料与水泥砂浆之间的界面裂纹,随着荷载增加,界面微裂纹诱发开裂,逐渐扩展,直至断裂。地聚合物混凝土存在脆性较大的缺点,加入纤维的主要目的在于克服其弱点。一般情况下,纤维在基体材料中主要起着3方面的作用[9]。
(1)阻裂作用。纤维可阻止基体中微裂缝的产生与发展,这种阻裂作用存在于基体硬化的整个阶段,均匀分布于基体中的纤维可承受因塑性收缩引起的拉应力,从而阻止或减少裂缝的生成与扩展,基体硬化后,因周围环境温度与湿度的变化而使干缩引起的拉应力超过其抗拉强度时,也极易生成大量裂缝,此时,纤维也可阻止或减少裂缝的生成。
(2)增强作用。纤维的加入可以改善基体的微观结构,使材料结构更加密实,减少内部微裂纹等缺陷,加入纤维可使材料的强度有充分保证。当所用纤维的品种与掺量合适时,可使复合材料的强度较基体有一定的提高。
(3)增韧作用。在荷载作用下,即使基体发生开裂,纤维可横跨裂缝承受拉应力,并可使复合材料具有一定的韧性。
在纤维增强水泥基复合材料中,纤维能否同时起到以上3方面的作用,或只起到其中2方面或单一作用,就纤维本身而论,主要取决于纤维品种、纤维长度与长径比、纤维的体积率、纤维取向和纤维外形与表面状况5个因素,水泥基体在纤维增强水泥基复合材料中主要起着黏结纤维、承受外压和传递应力的作用,影响水泥基体作用效果的主要因素是它本身的组成,包括:原料性能与组成,水灰比等因素。
纤维能否起到预期的阻裂增强作用,也受纤维特性和基体组成特性等多种因素的影响;在纤维含量及特征参数适宜,能使混合料均匀搅拌成型的情况下,纤维增强水泥基复合材料强度的大小取决于基体的性能,掺入纤维并不一定提高基体强度,有时甚至会降低基体强度,纤维的掺入能否提高基体强度及提高幅度的大小与基体的组成特征有很大关系。
从试验结果来看,采用碳纤维增强地聚合物混凝土基体时,可以达到预期的阻裂、增强效果,能提高地聚合物混凝土的抗压强度;但采用玄武岩纤维增强地聚合物混凝土基体时,阻裂、增强作用受基体组成特征的影响很大,对水胶比为0.31的地聚合物混凝土基体可以起到阻裂、增强作用,对水胶比为0.26的地聚合物混凝土基体则没有提高抗压强度;碳纤维和玄武岩纤维对素混凝土基体没有增强作用。
4 结语
(1)纤维对地聚合物混凝土的增强效应受纤维种类、纤维掺量和基体配比等因素的影响。
(2)碳纤维对地聚合物混凝土基体有明显的增强效果,掺量为0.3%时抗压强度增幅最大,达34.8%,且对水胶比为0.26的基体增强效果明显。
(3)玄武岩纤维对地聚合物混凝土基体的增强效果受基体配比的影响较大,对水胶比为0.26的地聚合物混凝土没有增强效果;但对水胶比为0.31的地聚合物混凝土增强效果明显,纤维掺量为0.3%时28 d抗压强度增幅可达31.5%。
(4)碳纤维对地聚合物混凝土的增强效果优于玄武岩纤维,碳纤维和玄武岩纤维对素混凝土没有起到增强作用。
由于纤维增强地聚合物混凝土的力学性能受多种因素的影响,要深入研究其力学性能的影响因素及变化规律,必须进行大量的系统试验。地聚合物混凝土是极具发展前景的一种新型混凝土类材料,利用高性能纤维材料改善地聚合物混凝土的力学性能是一种有效手段,随着试验研究的逐步深入和工程应用的逐渐扩大,纤维增强地聚合物混凝土可望成为一种发展前景良好,应用范围广泛的建筑材料。
参考文献
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碳纤维增强聚合物 篇6
关键词：纤维增强聚合物筋,力学性能,混凝土结构,研究,应用
1 前言
钢筋混凝土结构现已经成为世界上应用最广泛的结构形式。但是由于在钢筋混凝土的使用中, 钢筋锈蚀常常造成结构耐久性差, 不仅影响结构功能的正常发挥, 还会严重降低结构的使用寿命。据国外资料介绍[1], 目前美国的近60万座钢筋混凝上桥梁中, 有近10万座钢筋腐蚀严重。英国、德国、前苏联、日本等国每年均花巨资用于混凝上结构的耐久性修复, 其中钢筋锈蚀占相当大的比例。华盛顿林肯纪念馆、杰佛逊纪念馆, 柏林议会大厦等重要建筑物都曾发现钢筋锈蚀引起的损坏现象。可见钢筋锈蚀是世界范围内广泛存在、严重威胁结构物安全的一个耐久性问题。
为了解决钢筋混凝土中的钢筋锈蚀问题, 提高结构耐久性, 国内外学者自20世纪60年代开始致力于研究各种保护钢筋混凝上结构免受腐蚀的措施, 总体来说可分为增加钢筋保护层厚度、采用钢筋表面涂层、采用不锈钢筋、采用纤维增强聚合物筋、混凝土中掺加钢筋阻锈剂、混凝上表面涂覆封闭、电化学防护等等。经过近50年的分析研究, 无论是从防腐性能、经济性、施工性还是从生产的难易程度等来考虑, 纤维增强聚合物筋代替钢筋被一致认为是较理想的解决办法。
2 纤维增强聚合物筋的类型及发展
纤维增强聚合物 (Fiber Reinforced Polymer简称FRP) 筋是以纤维为增强材料, 以合成树脂为基体材料, 并掺入适量辅助剂 (如交联单体、引发剂、促发剂、蚀变剂、阻燃剂、阴聚剂、填料、颜料等) 经拉挤成型技术和必要的表面处理形成的一种新型复合材料。在纤维增强聚合物筋中, 常用的纤维有玻璃纤维 (GFRP) , 碳纤维 (CFRP) 、阿拉米德纤维 (AFRP) ;常用的基体材料有不饱和聚醋树脂、环氧树脂、乙烯基醋树脂。这些FRP筋中, GFRP筋研制最早。早在1942年, 美国橡胶公司将玻璃纤维和碳酸树脂复合、固化, 制成了玻璃纤维增强塑料。1970年, 欧洲首先开始将玻璃纤维增强塑料制成GFRP筋应用于混凝土结构, 并开展了一些有关的初步试验研究。CFRP筋是美国联合碳化物公司在1959年开发的, 该公司生产了以人造丝为原料的世界上第一种高弹模的碳纤维增强塑料。AFRP筋是美国杜邦公司于1972年开发生产的, 它也具有轻质、高强、高弹模等特点, 而且价格比碳纤维便宜。
3 FR P筋的生产工艺
纤维增强聚合物筋按加工成型方法可分为编织型、绳索型、拉挤型等。由于拉挤型具有作业速度快、质量控制好、生产成本低等特点, 已成为国内外大多数公司生产纤维增强聚合物筋的普遍方法。拉挤型FRP筋生产工艺过程见图1所示:
作为混凝土结构配筋用的FRP筋, 其外形可做成光圆、螺纹、矩形及工字形等, 这也是国外较常用的四种形式的FRP筋。此外, 也可直接将FRP筋制作成网板用于板的配筋, 或直接将连续纤维制作成FRP板用于各种结构的加固。
4 FR P筋的力学性能
FRP筋中纤维的体积含量一般为60%～70%, 质量比约为70%～80%, 纤维含量越高, FRP筋的强度也越高, 挤压成型也越困难。表1为几种纤维增强聚合物筋与高强钢丝的物理力学性能对比。作为一种新型复合材料, FRP筋与普通钢筋或高强钢丝相比具有以下特点:
⑴抗拉强度高。顺纤维方向抗拉强度远大于普通钢筋, 但均匀性差, 各向异性, 抗剪和抗多轴向力强度低。
⑵耐腐蚀性能好。FRP筋不会生锈, 且具有良好的耐腐蚀性, 特别适合于海洋工程和新建化工厂。
⑶密度小。从表1可以看出, 各种FRP筋的密度一般仅为钢筋的16%～25%, 有利于减轻结构自重。
⑷弹性模量较低。FRP筋的弹性模量约为钢筋的25%～75%。
⑸热胀系数与混凝土比较接近。
⑹抗疲劳性能优良。根据试验资料, CFRP筋与AFRP筋的抗疲劳性能要明显优于钢筋;GFRP筋的抗疲劳性能略低于钢筋, 但能够满足结构构件对抗疲劳的要求。
⑺电磁绝缘性好。可广泛应用于雷达站、医院、机场等对抗电磁干扰有特殊要求的建筑物。
⑻塑性变形小。图2为FRP筋、普通钢筋与预应力钢丝的σ-ε曲线。从变化曲线可以看出, 在达到极限抗拉强度之前FRP筋的σ-ε曲线基本呈线性关系, 无塑性变形发生。
⑼热稳定性较差。一般来说, FRP筋的弯曲强度在温度超过200℃后明显下降, 因此在一些特殊的建筑中需要考虑温度对FRP筋的影响。
⑽存在徐变断裂现象。FRP筋在持续高荷载作用下会因徐变断裂而破坏, 当持续荷载产生的拉应力达到极限抗拉强度的75%～80%时, FRP筋的使用寿命会受到影响, 如果拉应力在极限抗拉强度的60%以内时, 徐变引起断裂的可能性极小, 其影响可以忽视。
5 FR P筋的应用现状[2,3,4,5,6]
FRP筋的应用主要有以下几个方面:
⑴由于FRP筋轻质高强及抗腐蚀性好, 常用做混凝土桥梁大梁和板中的配筋或外部加固筋。
⑵用做斜拉桥的拉索。
⑶用做预应力筋。由于FRP筋具有较小的弹性模量及低松弛性能, 可以降低由于混凝土徐变和收缩引起的预应力损失, 还可减小由于预应力筋松弛引起的预应力损失。
⑷用于码头结构、混凝土槽道及喷射混凝土。
⑸由于FRP筋的非磁性, 可用于雷达站结构中。
⑹由于重量较轻携带方便, 可用于极地考察站结构的建设中。
⑺可用做水泥路面的传力杆, 因为普通钢筋传力杆的腐蚀会引起混凝土路面的剥落, 降低路面的使用性和耐久性。
⑻用做地锚。
国外对纤维增强聚合物筋的研究和应用都比较早。日本已将FRP筋用于混凝土桥梁的梁板配筋 (包括普通受力筋和内外预应力筋束) 以及悬索桥和斜拉桥上的斜拉索、栈桥和堤岸墙等海洋结构加固及混凝土渠道、地锚和喷射混凝土配筋等。建筑工程方面应用实例有一些民用建筑的主梁配筋及南极洲观察站结构配筋等。日本是第一个将CFRP绞线和AFRP筋作为混凝土桥梁预应力筋的国家。1988年, CFRP绞线首先在日本249号国道位于石川县的先张预应力混凝土板式公路桥新宫桥上作预应力筋。该桥所用的CFRP绞线公称断面积为76mm2, 重158kg/km, 弹性系数为1.32×105～1.47×105MPa, 张拉强度达1840MPa。
在1988～1992年4年期间, 日本国内用FRP筋修建了一系列工程, 不同类型的FRP筋性能和试验研究以及所需锚固系统都已完成。为探测采用FRP力筋的预应力混凝土构件的承载力和耐久性, 做了静载及疲劳试验。
北美在FRP筋的研究和应用方面也比较领先, 美国已经设计和施工了多项供研究及示范用的工程实例。较为著名的有南佛罗里达大学所做的桩试验、美国海军的码头和驳岸工程、联邦公路管理局的预应力大梁试验和密歇根州的桥梁工程。1994～1996年间, 美国海军在加州Hueneme港的海军设施工程服务中心设计并建造出由FRP预应力桩和上承板构成的码头。设计人员在桩和墩的设计中都使用了预应力FRP筋, 把FRP筋用在结构的一些预应力部位的同时, 考虑了打桩过程中对混凝土约束的刚度要求。迄今工程结构性能良好, 该项工程设计目标是75年内不需修缮。美国联邦公路管理局的研究计划包括制订FRP预应力大梁的桥面板设计指南, 以CFRP筋束为基础, 已于2000年初完成。加拿大在FRP筋的应用方面比较突出的工程有曼尼托省的Taylor桥、亚伯达省的Crowchild桥和魁北克省的Joffre桥。
欧洲在FRP筋的研究的应用方面做了大量的工作。1986年, 德国第一次将GFRP筋应用于塞尔多夫的乌伦贝克两跨连续梁街道公路天桥。慕尼黑的迪威达系统国际公司重点开发研制了用于岩土工程的GFRP筋条和CFRP筋条。1995年英国建造的人行天桥是欧洲第一座全部用GFRP配筋的人行桥;瑞士温特图尔的Storchen斜拉桥 (全长124m) 用了2根35m长的CFRP拉索, 在提契洛地区的双跨箱梁长69m, 采用4根梁体外张拉预应力CFRP拉索;荷兰某预应力钢筋厂研制了名“为碳应力”的碳纤维线材 (#5.3mm) 用于预应力混凝土基础上, 解决了桥墩附近预应力钢筋因河中涡流而腐蚀的问题;丹麦的Herning斜拉桥是迄今为止全部采用CFRP斜拉索已建成的最长的桥梁。
我国对于FRP筋的研究才刚刚起步, 仅有郑州大学、同济大学、哈尔滨工业大学等开始进行了研究, FRP筋应用于工程实际也还比较少。江苏大学西山人行天桥是国内第一座采用CFRP索建造的斜拉桥, 全桥长度 (30+18.4) m, 宽度5.0m, 设计荷载3.5kN/m2, 为独塔双索面桥, 索塔两侧各布置4对拉索。斜拉索采用日本三菱公司生产的Leadline型直径8mm的CFRP棒材。该桥采用3种类型的斜拉索, 共16根, 包括2束16-D8、2束11-D8、6束6-D8。深圳的地铁工程采用了美国HughesBrother生产的GFRP筋作为盾构法掘进竖井的混凝土墙, 从目前的使用情况来看, 其性能完全能满足要求。
6 FR P筋的研究现状[7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17]
6.1 FR P筋的粘结锚固性能研究
为了保证FRP筋与混凝土能良好地协同工作, 要求FRP筋与混凝土有优良的粘结锚固性能, 这里主要介绍下FRP筋粘结锚固性能研究的典型成果。
20世纪80年代开始国外学者就对FRP筋的粘结锚固强度进行研究。1987年Ralph A Chapman和Surendra PShah通过立方体中心拔出试验对不同埋置深度和不同养护时间 (1～28d) 的FRP光圆筋和FRP螺纹筋的荷载滑移特征进行了对比研究, 建立了FRP筋早期粘结强度的修正公式。1987年和1991年Pleimann进行了一系列FRP筋混凝土立方体中心拉拔试验, 提出了FRP筋的锚固长度计算公式。1992年Chaallal通过混凝土立方体中心拉拔试验研究了GFRP筋与普通混凝土及高强混凝土之间的粘结性能。并建议GFRP筋在普通混凝土和高强度混凝土中的锚固长度可近似取为20倍GFRP筋直径。1993年Vicki L Brown和Charles L Bartholomew通过试验对FRP筋与混凝土之间的粘结强度进行了研究。1996年M R Ehsani和Hsaadat manesh对48个梁式试件、18个拔出试验和36个弯钩试验进行的静载试验, 推导并修正了计算有弯钩和无弯钩的GFRP筋锚固长度的理论计算公式, 建议了混凝土保护层厚度和GFRP筋位置影响的约束参数。Zenon Achillide和Kypros Pilakoutas通过130个立方体拔出试件, 研究了不同类型FRP筋的粘结性能及粘结滑移曲线, 探讨了影响粘结应力的各种因素。
国内也有部分学者对FRP筋的粘结锚固性能进行了研究。同济大学的薛伟辰等通过立方体中心拔出试验和梁式试验对FRP筋与普通混凝土、纤维混凝土、水泥浆和环氧树脂之间的粘结锚固性能进行了试验研究, 试验研究表明, FRP筋与低强度普通混凝土的粘结强度与钢筋相比降低较小, 仅为6%左右, 而对于强度较高的混凝土, 其粘结强度降低达21%～23%;FRP筋与环氧树脂的粘结强度很高, 这为FRP筋用于预应力混凝土结构时的锚具研制提供了参考;FRP筋的粘结强度取决于核心位置处纤维塑料与表面外缠肋之间的粘结强度。郑州工业大学高丹盈利用拉拔试验和梁式试验得到了FRP筋与混凝土粘结性能的试验结果, 根据结果分析了混凝土强度、锚固长度、FRP筋直径、混凝土浇筑深度对粘结性能的影响, 并提出了FRP筋锚固长度的计算公式。
6.2 FR P筋混凝土受弯构件受力性能研究
FRP筋的较低弹性模量 (约为钢筋的25%～75%) 和线性变形特征决定了如果在混凝土构件中要想充分发挥其强度, 构件就会产生过大的挠度或裂缝, 并且构件在破坏时是完全脆性的。因此国内外学者对于FRP筋混凝土受弯构件的挠度、抗裂度及延性研究较多。有关学者进行的6根FRP筋混凝土梁加载试验表明, FRP筋混凝土梁的结构性能在很多方面类似于钢筋混凝土。加载过程中首先在FRP筋混凝土梁的跨中截面出现裂缝, 并且随着荷载的增大, 裂缝垂直向上延伸, 最后贯穿整个截面。但是由于FRP筋的弹性模量低, FRP筋混凝土梁的挠度要比相应的钢筋混凝土梁大3～4倍, 裂缝宽度也相应大得多。
高丹盈等通过对62根FRP筋混凝土梁的弯曲试验研究, 分析了FRP筋混凝土梁的正截面性能:FRP筋混凝土梁裂缝间距和宽度随着FRP筋配筋率的增加而减小。FRP筋的类型对裂缝间距和宽度有一定影响;在使用荷载作用下, FRP筋混凝土梁的挠度较同条件下的钢筋混凝土梁大;FRP筋的配筋率对抗裂承载力的影响十分有限, 可以忽略;当FRP筋的配筋率在一定范围内, FRP筋混凝土超筋梁的极限抗弯承载力随着配筋率的增大而增加;FRP筋混凝土梁受拉破坏的荷载挠度曲线以截面初裂为界限点分为两个线性阶段, 正截面开裂前, 荷载挠度曲线基本为线性, 梁截面刚度较大;正截面开裂后, 荷载挠度曲线出现转折点, 随着荷载增加, 纯弯段正裂缝发展, 剪跨段斜裂缝产生并向梁的受压加荷点扩展, 梁的刚度较截面开裂前减少。
由于FRP筋塑性变形小, 其配筋构件在破坏前没有足够的延性, 往往不能满足抗震设计要求。有关学者提出了混杂配筋的概念, 并通过对8根梁的弯曲对比试验得出如下结论:混杂配筋混凝土梁的延性不如钢筋混凝土梁, 但是可以控制其延性系数在3以上, 因此只要合理控制配筋率Af/As (Af为FRP筋截面面积, As为钢筋截面面积) 的值, 其延性可以满足抗震设计要求。
6.3 FR P筋的耐久性能研究
混凝土结构物通常设计年限均要求达到50至100年, 在这段时间里, 在各种不同的环境中, FRP筋是否有足够的耐久性能呢?因些我们有必要对FRP筋混凝土结构的耐久性能进行系统的研究。目前国内外关于FRP筋的耐久性研究还很少, 对FRP筋耐久性认识不够, 这里主要介绍目前国内外的一些FRP筋耐久性的试验和理论研究进展。
FRP筋在氯化物的环境下不会腐蚀, 但是实际工程往往会出现许多不同的恶劣环境, 如果FRP筋会在这些环境中腐蚀, 那么当使用它作为混凝土结构的加强筋就必须进一步考虑。Taketo Uomoto的研究表明, 在酸性环境中, 当温度达到80℃时, 才可能观察到FRP筋的退化, 而在40℃以下, GFRP筋与CFRP筋都不会发生退化现象;在强紫外线情况下FRP筋暴露3年的时间, 其中GFRP筋的强度下降1%～19%, CFRP筋的强度下降9%～17%;在经过300次冻融循环后, GFRP筋强度只下降8%, 而CFRP筋几乎没有任何影响;当温度从-10℃增加到60℃时, FRP筋的强度和模量分别下降20%和30%, 但是FRP筋结构所处温度在350℃以内时, 强度下降均在25%以内。同济大学的周长东等对火灾高温下的GFRP筋的力学性能重点进行了研究, 研究表明, 随着温度的升高, GFRP筋的强度和弹性模量均会下降, 强度受温度的影响更明显, 在温度高于270℃时, GFRP筋的强度急剧下降;当GFRP筋经历高温再恢复到室温后, 在温度低于190℃时, GFRP筋的强度可以恢复至室温时的强度, 在温度高于190℃时, GFRP筋的强度不能恢复;GFRP筋的基体材料在温度低于190℃时, 逐渐受热玻化而失去粘结时, 基体材料将会碳化和热分解, 其粘结性能不能再恢复;并建议在GFRP筋混凝土结构强度设计时, 为了安全起见, 取230℃时的GFRP筋的抗拉强度为其极限抗拉强度。Clarkej和Sheard的FRP筋加速腐蚀试验研究表明, 在强碱性环境中, GFRP筋的耐久抗拉强度比原有极限抗拉强度下降0～75%, 而其抗拉刚度在多数情况下下降0～20%, 并会在长期的持续拉伸应力下由于应力断裂而失效, 而CFRP筋的影响不大。国外有关学者的研究表明, 把FRP筋浸渍在各种各样的盐溶液中, 与没有浸渍的FRP筋相比并没有明显的差异, 这说明FRP筋具有很好的耐盐性。
以上所有研究均是在比正常使用时所处环境更加恶劣的条件下得出的结论, 正常使用情况下, FRP筋应用到混凝土结构, 除了暴露在外时, 紫外线会影响到它的性能以外, 在耐久性能上没有特殊的问题。但是由于FRP筋的热稳定性较差, 其应用于高温环境中的混凝土构件中时, 还不得不考虑对其采取保护措施来降低FRP筋周围的温度。
7 需进一步研究的问题
7.1 FR P筋的抗火性能
FRP筋的抗火性能不如普通钢筋, 因而到目前为止, FRP筋常被用于桥梁结构或不需要进行抗火设计的建筑结构中, 这是制约FRP筋在土木工程中大量应用的一个重要因素。虽然目前采用理论分析的方法可以计算出FRP筋的耐火极限, 但如采用防火保护的方法保护FRP筋达到规定的耐火极限时不发生破坏, 其需要的防火保护层厚度非常不现实, 难以被工程设计人员接受。所以, 如何提高FRP筋的抗火能力, 将是以后继续研究的一个热点。另一个值得注意的问题是FRP筋在经历高温时, 基体材料会散发出对人体有害的气体, 这又在材料改性方面向对研究人员提出了新的挑战。
沙特国王大学的测试表明[17]:在350℃时, CFRP筋只有其正常温度下承载能力的35%、抗拉弹性模量的40%, 而AFRP筋则分别为15%和40%。Sakashita等人分别对用AFRP、CFRP、GFRP和钢板加固的钢筋混凝土梁进行受热性能的研究, 先把所有的试件在100℃的温度中加热3h, 接着持续加热升温至1000℃, 再加热3h, 同时让梁受弯, 并监测梁跨中的竖向变形, 结果见表2。
7.2 预应力FR P筋锚、夹具的研制
为了充分利用FRP筋抗拉强度高的特性, 对FRP筋混凝土结构施加预应力显然是一种有效的手段, 这样一方面可以充分利用FRP筋的材料特性, 又能有效减少FRP筋混凝土梁的挠度变形, 还可以推迟裂缝的出现和减小裂缝开展的宽度。
锚、夹具的研制是预应力FRP筋应用的关键问题。但由于FRP筋的抗剪强度和抗挤压强度都很低, 这样普通预应力钢筋的锚、夹具不再适用, 否则会因为横向强度低而导致锚固区的过早实效, 预应力FRP筋的锚、夹具需专门研制。由于FRP筋的轴向抗拉强度与横向压缩强度之比高达20:1, 这就给锚、夹具的研制带来很大困难;同时, 又由于纤维材料种类的不同和FRP筋的力学性能不同, 相应的预应力锚、夹具也有所区别。但是, 设计良好的锚、夹具应沿着FRP筋的纵向有均匀的接触应力, 避免在其两端出现应力集中现象;而且应使工程设计人员有一定的设计灵活性, 包括可以方便地进行设计状况的变更。
目前比较常用的锚具系统主要有锲块锚、灌浆锚和套管锚三种类型, 性能基本能够满足工程的需要, 但是在极限状态下锚具经常先于材料破坏, 表明这方面还有待进一步的提高。
另一方面, 迄今为止还没有一种锚具系统能保证所有FRP筋达到最佳的预应力传递。这个问题也给各位学者以后的研究提出了挑战。
7.3 热塑性FR P筋的研制
采用通常的基体材料如聚酯、环氧树脂、乙烯基酯等生产出的FRP筋均为热固性FRP筋。由于这些热固性基体材料的分子结构易受热分解, 所以热固性FRP筋的弯折部分存在纤维弯折和应力集中现象, 其强度将减少50%～60%, 所以其成型后形状不能改变, 更不能随意弯折。热固性FRP筋的这种特点对其应用带来一定的限制, 如很难制作箍筋、弯起钢筋、大曲率的曲线预应力筋或折线预应力筋等;更不能在施工现场进行FRP筋端部的弯钩制作和FRP箍筋的成型, 必须在工厂预制, 这也给施工造成不便。
近几年来, 国外一些学者已开始研制、生产热塑性FRP筋, 这也将在国内成为一个新的研究热点。热塑性FRP筋能够灵活地适应混凝土结构对钢筋弯曲性能的要求, 而且在加热和压力的作用下可以重新成型, 这将极大地推动其在混凝土结构中的使用。
8 结语
随着科学技术的进步, 世界各国对土木工程的要求越来越高。在某些条件下, 传统的建筑材料已经很难满足这种要求。FRP筋的高强、轻质、耐腐蚀、抗疲劳、抗磁性、电绝缘性、徐变小、比重小、低弹性模量等性质, 能够满足这种要求, 奠定了其在土木工程中应用的基础。但FRP筋的价格、脆性、锚固等因素仍然阻碍了它的广泛应用。
不过从总体上讲, 由于FRP筋作为一种新型的有发展潜力的建筑材料, 其本身具有许多优点, 并不是要完全取代传统的建筑材料—钢材与混凝土, 而是作为传统建材的一个重要补充, 推动世界各国现代土木工程技术的不断进步。以后随着FRP材料性能的改善, 以及研究工作的不断深入和计算方法的不断改进, FRP筋在混凝土结构中的应用将会更加广泛。
参考文献
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[2]山下武秋.新素材 (炭素纤维复合材) を用いた桥[J].土木施工, 1989, (5) :1-2.
[3]张强, 朱华民, 译.FRP材料在日本预应力混凝土桥梁及其它结构中的应用[J].国外桥梁, 1996, (3) :31-35.
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[5]Jens Christoffersen, Lar Hauge.Use of Non-corrodi-ble Reinforcement in Concrete Bridge[C]//Current and Future Trends in Bridge Design, Con-struction and Main-tenance.Singapore, 1999.
碳纤维增强聚合物 篇7
关键词：银纳米粒子,复合纳米材料,电纺丝,制备
聚合物与贵金属粒子结合来制备贵金属粒子/有机复合纳米材料, 可大大提高结构高分子材料参与电子转移和输运的能力, 拓宽其可能应用的范围, 因而具有巨大的应用潜力。近年来, 以纳米银粒子填充聚合物合成功能性复合材料已经取得很大进展, 已经报道的聚合物有聚乙烯醇、聚吡咯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯等。纳米复合材料由于分散相与基体相之间的界面面积特别大, 如分散相粒径为15～20nm 时, 其界面面积高达160～640 m2/g , 当分散相和基体的性质充分结合起来时, 将对基体的物理和化学性质产生特殊的作用。银/聚合物复合材料同时具有了纳米银和聚合物的优良特性, 并赋予材料一些特异或新的功能, 从而使其在光子学、电子学、生物医学和信息材料学等诸多领域具有广阔的应用前景[1,2,3,4,5] 。因此其制备与应用已经成为目前纳米材料研究领域关注的热点课题。
静电纺丝法是通过高压静电来制备连续的聚合物纳米纤维的重要方法。它是将高分子、纳米微粒/聚合物溶液或熔融体在几千至几万伏的高压静电场作用下产生正电荷, 带电荷的高分子或纳米微粒/聚合物溶液或熔体首先在喷射孔处形成Taylor圆锥形液滴, 在高压电场所产生的拉伸力克服了液滴的表面张力后, 该带电液滴形成喷射流, 由于电场的作用以及自生电荷的相互排斥而发生劈裂, 该喷射流进一步被拉伸, 然后由于溶剂挥发或熔体冷却而固化, 最后以无纺布状的形式形成纤维状纳米材料[6,7,8]。
1 银纳米粒子/聚合物复合纳米纤维的制备
在电纺丝方法的研究初期, 人们将注意力主要集中在单组分高分子纤维的制备方法和电纺丝理论的研究方面。自本世纪初, 这一领域的研究开始转移到有机/无机纳米复合材料的制备, 特别是一维有机/无机纳米复合材料的研究。近年来, 运用电纺丝技术将贵金属纳米粒子引入聚合物纳米纤维矩阵中已倍受人们关注, 其中最早被研究的是将银纳米粒子添加到聚合物纳米纤维当中, 可以获得具有相应功能的银纳米粒子/聚合物复合纳米纤维。
运用电纺丝技术制备银纳米粒子/聚合物复合纳米纤维在当前纳米材料研究中占有极其重要的地位。丙烯腈上的腈基 (CN) 贡献出它们外层轨道的孤对电子和银的空轨道形成配位键, 银离子可以和丙烯腈上的 CN 键络合, 使得聚丙烯腈 (PAN) 成为银的理想载体。在2003年, Yang等在首次获得表面光滑、尺寸均匀、直径较细的PAN纳米纤维后, 这为原位合成银纳米粒子提供了非常好的条件, 最后在还原剂作用下, 采用液相原位化学还原法先制备银纳米粒子, 银离子被还原为单质银, 并迅速被PAN 包裹起来, 形成了相应的溶胶。又将 (PAN) 保护的银溶胶利用静电纺丝技术制备了银/PAN复合纤维, 并且发现银纳米粒子的晶体结构在高压电场下能保持稳定, 从而为进行该类研究打下了很好的基础[9]。PAN纤维及银/PAN纤维的电镜照片见图1。
2006年, Yang等在聚乙烯吡咯烷酮 (PVP) 溶液中, 采用液相原位化学还原法, 乙醇直接还原银离子得到银纳米粒子;在PVP上的O原子有孤对电子与银粒子的外层电子空轨道形成配合键, 生成的银粒子就被高分子包覆起来, 阻止了粒子之间紧密接触而生成沉淀。并用以上溶液为原料来制备银/PVP复合纳米纤维, 并且对其拉曼光谱性质进行了研究[10]。
抗菌材料中的核心成分是抗菌剂。抗菌剂根据其基质材料的不同, 可以分为天然抗菌剂、有机抗菌剂和无机抗菌剂三种。无机抗菌剂是通过将无机材料固有的稳定性和抗菌成分的抗菌高效性及广谱性相结合, 比有机抗菌剂有更为显著的优点, 在抗菌陶瓷、抗菌搪瓷、抗菌塑料、抗菌纤维制品及抗菌涂料等方面都有广泛的应用。银系无机抗菌剂以其优越的抗菌性能得到了广泛的关注。为提高抗菌剂的活性和使用分散性能, 以纳米粉体为载体的抗菌剂成为研究热点。Youk的研究小组研究含有银纳米粒子的聚合物纳米纤维及其抗菌性能的研究方面成果显著。最初, 他们对如何控制稳定的纳米银粒子的尺寸和晶型, 改善其形貌, 避免纳米银粒子制备后的团聚现象, 在聚合物基质内制备出尺寸均一、形状可控的纳米银粒子做了较为细致的研究。他们制备了含有银纳米粒子的PAN纳米纤维、PVP纳米纤维及PVP/聚乙烯醇 (PVA) 复合纤维, 对这类含有银纳米粒子的聚合物纳米纤维制备条件进行了初步探索[11,12]。Son等采用电纺硝酸银/纤维素复合溶液, 得到含有银盐的纤维素纤维, 通过紫外灯照射还原阴离子, 得到了银纳米粒子/CA复合纳米纤维;复合纤维对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和绿脓杆菌具有较好的抗菌性能[13,14]。
Youk等报道了银/PVA复合纤维的制备过程, 并对其生物抗菌性能进行了研究, 表明复合纤维对金黄色葡萄球菌和肺炎克雷伯菌具有较好的抗菌性能[15,16]。最近, 他们在非水溶性聚合物纳米纤维内掺杂了银纳米粒子制得了银/PCL-PU复合纤维, 这种非水溶性的抗菌纤维必将有良好的应用前景[17]。
2 结 语