玻璃增强

玻璃增强（共7篇）

玻璃增强 篇1

摘要：通过对上海某大型主题乐园项目“明日世界”片区玻璃纤维增强塑料(简称GRP)的介绍,阐述了GRP构件的安装工艺及连接方法,同时结合现场实际遇到的问题,给出了相应的解决办法。

关键词：玻璃纤维增强塑料,GRP,安装,施工技术

玻璃纤维增强塑料,简称玻璃钢或GRP,是由合成树脂和玻璃纤维复合而成,具有质轻、高强、耐腐蚀、电绝缘性能好、热绝缘性能好、可设计性强、工艺性优良等优点。玻璃钢在上海某大型主题乐园项目“明日世界”片区主要被用于建筑围护、外立面造型、吊顶、室内复杂造型及装饰板等。

1 工程概况

某大型主题乐园项目位于上海浦东川沙新镇,东至唐黄路,南至航城路,西至A2公路,北至围场河,其中“明日世界”片区位于整个园区西侧,是乐园中乘坐型游乐项目集中的区域。GRP作为“明日世界”片区的重要装饰构件,在各个单体均有涵盖,总量超过2 000m2,其中光300A单体就包含857m2,单片造型面积最大的GRP位于301单体,为330m2。以下主要以301单体的GRP安装为例(见图1),介绍其施工工艺,同时针对其他单体不同的做法进行特别说明。

2 工程难点及解决办法

1) GRP造型整体面积大,板块受热胀冷缩影响严重

玻璃钢的热膨胀系数为2.7×10-6～7.2×10-6 m/K,301单体GRP造型墙整体面积为330m2,尽管深化后分割成多块单元板片,但由于板片拼接处仍需采用原材料进行填缝处理,仍属于一个整体,而且GRP处于室外环境,温度变化剧烈,热胀冷缩会对完成后的GRP造成破坏。

解决办法:在深化时,增加了2条伸缩缝,伸缩缝宽10mm,安装完成后,用密封胶进行填充,后置泡沫棒,2条伸缩缝分别位于造型墙的1/3处。

2) GRP表面肌理众多,施工难度大

GRP表面有许多菱形肌理,大小不一,排布无规律,给工厂生产造成困难的同时,也给现场施工造成很大难度,板块拼接处必须保证肌理对齐,否则将严重影响外观。

解决办法:在实体工程施工前,截取一段带表面肌理的GRP在现场进行实体样板制作,实体样板展现现场GRP安装的各种典型节点样式,在检验产品质量的同时,让工人提前熟悉整个安装过程及质量控制标准。样板经设计师验收通过后,再进行现场GRP的安装。

3)GRP双曲面造型,控制曲面弧度难度大

整个GRP造型呈双曲面,单块GRP板在未正式固定前,其曲面造型会有一定幅度的变化空间,如果板块未严格按照设计弧度安装,会造成板间错台、板缝宽度不一致,最终影响整个曲面效果。

解决办法:根据GRP的设计弧度制作PVC靠模,安装时,靠模紧贴GRP表面,将板弧度调整至与靠模一致,再将GRP板固定牢固(见图2)。

4)单片GRP板面积较大,长期受力易产生变形

根据图纸要求,GRP板厚只有5mm,通过单独的吊点悬挂于主框架上,长期受力,GRP表面容易产生变形。

解决办法:在GRP背面增加纵横双向加强肋,使整体性加强,不易变形,加强肋间距400mm×400mm(见图3)。

3 301单体GRP造型墙设计施工流程及操作要点

3.1 设计施工流程(见图4)

3.2 安装顺序

为便于工厂生产和现场安装,301GRP造型墙经深化后,分割为32块板,每块板大小及形状均不同,其中板块301-15面积最大,约为20m2,板块301-17面积最小,约为1.3m2。

为减小安装累计偏差,采用从中间向两边的安装顺序(见图5),先安装轴和轴之间编号为301P-15的GRP板,然后安排2个安装班组分别沿顺时针和逆时针方向安装,待板片安装到最边缘板时,采取现场实测实量,将301P-1及301P-32的实测尺寸发回工厂加工,生产好后再运至现场安装,保证收边处与混凝土墙紧密贴合。

3.3 操作要点

3.3.1 GRP板块安装固定

GRP板固定方式有2种:一种是悬吊方式;另一种是正面固定方式。悬吊方式应用于GRP板背后有足够空间可进行人员操作的情况;正面固定方式用于背部空间狭窄、人员无法进入的情况。悬吊方式是比较常用的固定形式。

301单体GRP板采用的是悬吊方式,固定于主龙骨上,GRP板在工厂生产时,预先放入T形预埋件,T形预埋件上预开条形孔,通过螺栓将角钢与板后预埋件连接,角钢与主龙骨焊接固定,板高度调整到位后,将螺母与角钢点焊固定(见图6)。

对于正面固定方式,在生产时,预埋件形式为铝片,同时GRP龙骨设计时,也是紧贴GRP背部,安装人员站在板正面用自攻螺栓在预埋件位置打入龙骨,自攻螺栓钉头沉入(GRP面以下,并用腻子填充(见图7)。

这种安装形式对GRP龙骨的表面平整度要求非常严格,正负偏差不能超过3mm,否则会对安装后的GRP表面平整度造成影响

3.3.2 GRP板块拼接处连接固定及接缝处理

因GRP固定方式不同,对应的拼接节点也有差异。

对于301单体悬吊固定方式,GRP板块在深化时都加入了整体翻边,翻边既可减小GRP板的变形,防止翘曲,同时在板拼接时,可以通过对拉螺栓将两块板的相邻翻边连在一起,对拉螺栓连接处,板翻边上应预先埋置30mm×30mm×2mm铝片,板与板之间嵌入5mm厚的PVC或铝片(见图8);对于正面固定的拼接,因为GRP板需紧贴龙骨,所以取消了翻边。

板拼缝处是GRP板强度的薄弱环节,如果拼接不好,容易引起表面错台等问题,因此在生产板时,在保证GRP板厚不减小的情况下,板拼接处各留置宽23mm、深5mm的凹槽,待所有GRP板安装完成并验收通过后,将凹槽打磨成毛面,采用浸透树脂的玻璃纤维填满凹槽接缝,玻璃纤维和树脂均采用生产板时的原材料。这种做法既保证了接缝处的强度,不易开裂,同时50mm宽的凹槽缝能将拼接处的轻微错台完美过渡。

3.3.3 GRP与混凝土连接的典型节点

301单体GRP两侧与混凝土墙相接,顶部与混凝土楼板相接,其连接节点类似。施工步骤:首先根据GRP板边预埋铝板的位置,确定固定点位置,将预先钻好孔的不锈钢角码用膨胀螺栓固定在混凝土上;再用自攻螺栓将GRP板与不锈钢角码固定,使螺栓头置于饰面水平以下,螺钉头部位用腻子填充;GRP板与混凝土的10mm缝隙采用密封胶填充,并每隔500mm固定一处(见图9)。

4 GRP消声处理

GRP板位于游客可接触部位时,需对其进行消声处理,避免游客敲击GRP面板时发出过大声响。常规做法有2种:一是采用硅酸盐水泥砂浆涂抹于GRP背面,厚25mm,无加强筋;二是采用松散填砂或碎石填于GRP板背后空腔处。

对于第1种方式,如果在安装前抹灰,增加了板的自重,使板块的搬运和安装难度加大,如果安装完成后抹灰,板后需有足够的操作空间;第2种方法的优点是材料易得,施工方便,只需直接往安装好的GRP板后填充砂或碎石即可,缺点是砂或碎石长期在板后堆积,堆积高度越高,板后封闭空间越大,GRP板面承受的压力就越大,给GRP的使用寿命带来不利影响。现场需进行消声处理的区域,GRP板后空间基本在200～400mm,满足不了在GRP背后抹灰的操作空间,消声高度需1.5m,如果填碎石或砂,会给板面带来很大压力,尤其在GRP板底部。

为现场更易操作同时满足消声要求,尝试采用新的吸声填料,在GRP板后铺满混有树脂的陶粒。

为测试该做法的实际效果,特意制作了1块400mm×400mm的GRP小样,在其背后铺满20mm厚的陶粒,并用树脂黏结于GRP上,树脂凝固后对GRP正面进行敲击,同在与未进行消声处理的GRP进行对比,测试结果证明该做法能满足消声要求。

陶粒质量很轻,可以在GRP板安装前施工,而且胶凝材料采用的是树脂,与GRP板本身的原材料一致,能与其黏结牢固。施工时,先将GRP板背面朝上平放于地面,将陶粒倒在板背面,均匀铺开,达到适宜厚度后(一般为20～30mm),在其上浇筑树脂,使陶粒与GRP板黏结牢固,陶粒安装高度为1.5m。

5 结语

GRP材料相比较传统的建筑材料优势明显,从上世纪90年代开始,GRP已经在我国大型建筑应用中取得很好的效果,如东方明珠电视塔大堂双曲面屋盖及内装饰件(总面积约5 000m2);方舟大厦尖顶及拼装屋面(约300m2)等,随着上海该大型主题乐园的建成,GRP将会被更广泛地进入人们的视野中。

参考文献

[1]中国建筑科学研究院.建筑工程施工质量验收统—标准:GB50300-2013[S].北京:中国建筑工业出版社,2013.

玻璃增强 篇2

关键词：玻璃纤维,预成型,标线带,PVC

近几年,为改善道路涂料标线的缺陷,专家开始研发一种新型的道路交通标线带[1,2,3,4,5,6,7,8,9]。先以工业方式生产预成型标线后送到施工道路现场进行简单敷设即可,能在很大程度提高施工效率,而且耐久、耐候、耐磨等方面的性能大大提高,从本质上解决涂料标线存在的缺陷问题。道路标线带(简称标线带)在国外发达国家已被广泛使用。本文标线材料的基体采用通用聚氯乙烯树脂,采用模压工艺制备标线带材料。

1 实验部分

1.1 试验原材料

聚氯乙烯树脂(SG2),四平昊华化工有限公司;邻苯二甲酸二辛酯(DOP,分析纯),天津市光复精细化工研究所;硬脂酸钙(CP),沈阳海沃德化工原料销售中心;钛白粉(R-930),上海钛白粉制造有限公司;石英砂(325目),辽宁兴发石英砂厂;重钙粉(800目),辽宁兴发石英砂厂;滑石粉(800目),吉林梨树县大顶山启翔矿业有限公司;玻璃丝布(平纹,136 g/m2),沈阳市欣欣昌隆复合材料有限公司;玻璃纤维短切毡(MC300,300 g/m2),山东土工材料有限公司。

1.2 玻纤增强树脂基标线材料的制备

按不同配比将增塑剂DOP、硬脂酸钙、PVC树脂粉末混合均匀后添加钛白粉、滑石粉、重钙、石英砂等颜填料,用双辊塑炼机辊压数分钟,制成厚度约1 mm压片。

实验室研究用模压成型方法,金属模具分上下模,可拆卸,采用平板硫化机进行温度与压力控制。将一层玻璃纤维毡、一层PVC压片、一层玻璃纤维布、一层PVC压片依次放入模具内并合上模具。调节平板硫化机温度,使模具温度稳定在160～180 ℃后,将模具放入平板硫化机内;同时控制压力在1 MPa左右,维持温度与压力1 min后降温并取出制品;制品底层带有大量的玻璃纤维毡,另一侧为玻璃纤维布增强的PVC基材。

1.3 性能测试

(1)耐水性能测试:

测定预成型标线带的耐水性按《玻璃纤维增强塑料耐水性试验方法》(GB/T2575-1989)进行。

(2)力学性能测试:

根据《纤维增强塑料拉伸性能试验方法》GB/T1447-2005中规定,测量任意三点的宽度和厚度取平均值;采用万能拉力机测试并采集数据。

(3)粘结性能测试:

试验中混凝土棱柱体的尺寸是100×50×50 mm3。首先在混凝土表面涂上底胶,然后找平,待找平层固化后(24 h),粘贴片材;根据胶的黏度,通过调整涂胶量来控制胶层的厚度(一般在1 mm左右),在试件上方施加5 N 的力至完全固化。胶粘剂为自制沥青改性环氧树脂胶,片材与混凝土试件接触面积约50×50 mm2。室温固化2 d后测其黏结强度,每组试验6个试件。

(4)遮盖率性能的测定:

采用C84-III型反射率测定仪测定,并计算求得对比率(遮盖率)。

(5)耐磨性能的测定:

按《道路预成型标线带》(GB/T24717-2009)进行,标线带在1000 g载荷200转后,测量减重量。

2 试验结果与讨论

2.1 颜填料对标线材料遮盖力的影响

颜填料的添加对标线材料遮盖力的影响采用四因素三水平正交试验分析,PVC取100 g,DOP取50 g,硬脂酸钙取2 g,其余见表1。测量出工作白板RW值和黑板RB值,通过遮盖率=RB/RW×100%,得出各个遮盖率的值;利用正交设计分析,选出最优的配方及各个试剂的掺量。由此可以得出:钛白粉对遮盖率的影响最大,其次是滑石粉,接着是重钙、石英砂。根据表中结果,选用9号方案是最佳的粉料用量。

2.2 标线材料的力学性能分析

颜填料的添加为9号方案,PVC取100 g,硬脂酸钙取2 g,调整DOP用量,制备玻璃纤维增强PVC基标线带,厚度约2 mm。图1中(a)DOP用量为50 g,(b)DOP用量为60 g;当DOP用量低时,标线带最大拉伸强度为19.9 MPa,之后可能因为玻璃纤维布断裂而导致应力随应变反而减小,PVC基体出现较大的变形,伸长率高达724%;当DOP用量相对高时,标线带最大拉伸强度为10.6 MPa,可能是因为基体强度过低而传递应力性能变差,导致标线带力学性能略有变差,之后PVC基体出现较大的变形,伸长率高达1130%;应力应变曲线表明抗撕裂强度达到要求的同时,标线具有极佳的柔韧性。

(a)DOP 50 g;(b)DOP 60 g

2.3 标线材料耐水分析

颜填料的添加为9号方案,PVC取100 g,硬脂酸钙取2 g,调整DOP用量,制备标线带,厚度约2 mm。按规定测定吸水率,如图2所示。可以得出:DOP用量为PVC基体的50%时,标线带在水环境吸水率随着时间的增长幅度非常的小,1000 h后吸水率为0.6%,略高于纯PVC基体,这是因为标线带一侧裸露在外的玻璃纤维毡吸水所致;DOP用量为PVC基体的60%时,标线带在水环境吸水率随着时间的增长幅度也非常的小,1000 h后吸水率为0.8%,可能是因为增塑剂增加导致基体结构致密下降所致。

2.4 耐磨性能的分析

调整DOP用量,其他配方同上,制备PVC基标线带,试样耐磨性小于国家的标准规定60 mg,详细见表2所示。由此可知,DOP填量增加,标线带的磨耗量先是减小而后又增加,可能是因为增塑剂含量低时,基体脆性大而耐磨性差、颜填料不能被基体充分浸润,导致润滑性不好;当增加增塑剂时,基体的润滑性显著增加,基体对颜填料浸润性大大提高,致磨耗性改善;增塑剂继续增加后,基体虽然浸润颜填料能力增加,但是基体力学性能却严重下降,对颜填料粘附性不足,磨耗性反而又变差。总之,玻璃纤维增强PVC基标线材料具有良好的耐磨性能,增加了标线的耐久性。

2.5 沥青改性环氧胶对标线带与基底的粘结性能的影响

调整DOP用量,其他配方同上,制备PVC基标线带,厚度约2 mm。同时采用沥青改性环氧胶粘结片材与混凝土基底,粘结性能的影响结果如图3。

从3图中可以看出,DOP含量较低时,粘结性能并不好,可能是因为基体树脂压延时黏度过高而使纤维浸渍不好,应力剥离时使纤维易于拔出PVC基体,表现为与基底粘结强度不高;当DOP增加到50%时,基体树脂黏度降低而有利于浸润纤维,应力剥离时纤维难于从PVC基体拔出,表现为粘结强度提高,高达5.0 MPa;当DOP进一步增加时,树脂虽然能够浸润纤维,但应力剥离时纤维亦容易从PVC基体拨出,而使粘结强度降低。

3 结 语

采用玻璃纤维布为增强材料,用聚氯乙烯树脂并添加各种填料为基体,制备标线带。对制作的标线试样进行耐水性能的测定,随着时间的增长,试样的质量变化非常的小,表明了标线材料的耐水性能非常的优良。力学性能实验表明,玻璃纤维对标线的增强作用非常的明显,提高了标线的抗撕裂强度,同时标线具有极佳的柔韧性,延长标线的使用寿命。粘结性能分析表明标线带与基材的粘结强度比较高,标线具有良好的耐磨性,增加了耐久性能。

参考文献

[1]陆和生.一种道路交通标线带的加工方法[P].中国专利:200410052182.3,2006-05-24.

[2]陆和生,刘泽伦,刘志远.一种道路交通标线带用压敏胶及其制备方法[P].中国专利:200510037498.X,2007-04-04.

[3]F.WANG,X.N ZENG,Y.K YANG.Fluorescigenic pavement reflecting adhesive tape and manufacturing method thereof[P].European:CN101875823,2010-11-03.

[4]R.B.Goodyer.Marking tape[P].US Patent:5953826,1999-09-21.

[5]S.Passarino.Pavement marking tape with support base comprising a highly saturated acrylon itrile elastomer grafted with a zinc salt of methy-acrylic acid[P].United States Patent:5,422,162,1995-06-06.

[6]S.Passarino.Conformable pavement marking tape[P].EP:0673455A1,1997-07-09.

[7]Haunschild.Pavement marking tape[P].United States Patent:5,981,033,1999-09-09.

[8]D.C May.Pavement marking tape[P].United States Patent:4,648,689,1987-03-10.

玻璃增强 篇3

1 生物玻璃

生物玻璃(bioglass)是能实现特定的生物、生理功能的玻璃总称。将生物玻璃植入人体骨缺损部位,它能与骨组织直接结合,起到修复骨组织、恢复其功能的作用。生物玻璃主要成分有Na2O、CaO、SiO2和P2O5,若添加少量其他成分,如MgO2、CaF2则可得到一系列有实用价值的生物玻璃。跟一般的玻璃不同之处就是生物玻璃降低了Si的含量(<60%),同时增加Na跟P的含量,提高了P/Ca比例。其重要成分里含有磷元素跟钙元素,所以也广泛应用于骨修复[3]。生物玻璃的机械强度低,只能用于承力不大的体位,如耳小骨、指骨等的修复。目前,生物玻璃大多数涂敷于钛合金或不锈钢表面,结合金属的机械强度来作骨置换。

2 实验

2.1 将生物玻璃与Si O2、P2O5、Na2O、CaO混合(见图1),发现煅烧至1200oC时,随着生物玻璃含量的增加,HA支架的机械强度也增强;而煅烧至1300oC时,随着生物玻璃的含量增加,支架的机械强度反而下降[4]。

2.2 Goller等人[5]比较不同生物玻璃,结合煅烧温度,观察生物玻璃加入HA的不同含量对磷酸钙陶瓷机械性能的影响。生物玻璃Ⅰ仅仅是由P2O5和CaO两种氧化物在1200oC煅烧而成。生物玻璃Ⅱ则在生物玻璃Ⅰ成分的基础上加入Na2CO3,三种氧化物在1200oC下煅烧形成。从图2可以看到,随着生物玻璃Ⅰ含量的增加,支架的机械强度也随之增强;但在1200oC下煅烧形成的支架强度明显高于在1300oC下所形成的。

从图3与图2比较发现,含有生物玻璃II的支架的机械强度明显低于含有生物玻璃I的支架。但此实验并不能证明,含三种氧化物的生物玻璃复合材料的机械强度就低于含二种氧化物的生物玻璃,只是加入适量的Na2CO3后所产生的结果。同时从图3可以看出,在煅烧至1200℃时随着生物玻璃含量的增加,支架的机械强度增强;在煅烧至1300℃的时,支架的机械强度反而下降。

2.3 Kapoor等人[6]将CaO、P2O5、Na2O氧化物混合制备的生物玻璃,发现在煅烧至1250oC时,发现混合支架的机械强度随着生物玻璃含量的提高而增强见图4。

2.4 由SiO、Na2O、CaO、Al2O3、MgO等5种氧化物材料混合制备得到的生物玻璃,被马莉等人[7]用于增强HA烧结的高温粘接剂。从图5可以看出,当生物玻璃含量不变3wt.%的情况下,随着煅烧温度的上升(<1200oC),支架的机械强度也相应增强。同时从图6曲线显示,在相同温度下,随着生物玻璃含量的增加,磷酸钙支架的机械强度也相应提高。

3 讨论

3.1 烧结温度对磷酸钙陶瓷性能和强度的影响

在烧结初期,颗粒之间开始只有点接触,但是随着温度的升高,一方面羟基磷灰石(HA)内部颗粒增大,颗粒间接触面积扩大,并且由于表面能的作用使颗粒聚集,体积收缩,气孔率减少,致密化程度升高;另一方面,生物玻璃在700oC时开始软化,从玻璃固体相逐渐熔化成玻璃液相。在高温和表面能的作用下,玻璃液相以空隙作为通道,通过表面扩散和流动等物质迁移形式,在HA颗粒或团聚体表面形成一层液相膜,促进HA颗粒及团聚体的移动和重排,以达到最密实的排布,从而使样品体积收缩,气孔率减少,致密化程度升高,这样就导致了样品强度的增强。而在1300oC时,随着温度的上升,部分HA与生物玻璃发生反应,致使原料中的羟基磷灰石缺钙,而缺钙HA由于不稳定,部分HA逐渐转变成b-磷酸钙(b-TCP)相。注意到图1实验曲线与图3实验曲线所使用的生物玻璃都含有钠的氧化物,高温下会形成以TCP为基的钠的化合物,此化合物的机械强度相对较差,从而影响了整个多孔材料的机械性能。同时注意到图4实验曲线与图5实验曲线同样使用了氧化钠作为生物玻璃的添加成分,但其烧结温度为均为1250oC(<1300oC),不会影响整体材料的机械性能。

3.2 生物玻璃含量对多孔生物陶瓷性能和强度的影响

在烧结温度相同的情况下,随着生物玻璃含量的增加,多孔陶瓷样品的收缩率逐渐减小,孔隙率逐渐减小,抗弯强度逐渐增大。这是由于添加生物玻璃会在样品烧结时产生液相,坯体内的陶瓷颗粒会受到毛细管力的作用以及液相本身的粘性流动,使颗粒调整位置、重新分布以达到最密实的排布,故使样品逐渐致密化,即孔隙率减小。同时,液态生物玻璃可以修复HA在风干时所形成的裂痕,从而提高多空支架的机械强度。

3.3 生物玻璃成分对多孔生物陶瓷性能和强度的影响

以上6个实验分别用6种不同的生物玻璃测试,不能得出某种生物玻璃是最适合增加机械性能的材料。但生物玻璃中所含有的成分会影响其机械性能。在图3所示的实验曲线中减少了CaO,增加了Na2CO3,不能得出两种氧化物合成的生物玻璃一定比三种氧化物合成的生物玻璃具有较好的机械性能的结论,而在图3所示的实验曲线中可以发现,Ca的含量直接影响生物玻璃的机械性能,从而影响多孔陶瓷支架的机械强度。

4 结论

不同实验者由于所使用的材料与支架不同,虽然最终的具体数值不存在可比性,但从他们所得到的实验曲线趋势可以反映温度以及生物玻璃的含量对HA多孔陶瓷机械性能的影响。

4.1 生物陶瓷在煅烧至1200oC时,支架的机械强度随着生物玻璃量增加而增强;而当在1300oC情况下,支架的机械强度反而因为生物玻璃量的增加而降低。

4.2 生物玻璃含量对多孔生物陶瓷的物相组成也有一定的影响,但影响较小。此外,生物玻璃的加入使样品的机械性能强度明显提高。

4.3 生物玻璃的组成成分对多孔陶瓷性能跟其含有的成分有较大影响。

摘要：骨修复材料的选择一直是困扰研发和临床的新问题,主要涉及材料的坚固性以及其生物相容性。磷酸钙陶瓷属于生物活性陶瓷,成为人工骨替代的研究热点,但材料本身的机械强度制约了其发展。在磷酸钙陶瓷里加入生物玻璃不仅增强了它的坚固性,更提高了其生物活性。

关键词：生物玻璃,羟基磷灰石,支架强度

参考文献

[1]Suchanek W,Yoshimura M;Processing and properties of hydroxyapatite-based biomaterials for use as hard tissue replacement implants[J].Mater Res.1998.13:94-117.

[2]张爱娟.模拟体液中类骨羟基磷灰石的合成[J].山东大学学报,2010,40(3):86-89.

[3]Shi DL.Biomaterial and Tissue Engineering[M].Springer.New York.2004.

[4]Gultekin G,Hande D,Faik N,et al.Processing and characterization of bioglass reinforced hydroxyapatite composites[J].Ceramics International,2003,29:721-724.

[5]Faik N,Zhet O,Gu l.Sintering effects on mechanical properties of glass-reinforced hydroxyapatite composites[J].Ceramics International,2002,28:617-621

[6]Seema K and Uma B.Preparation and bioactivity evaluation of bone like hydroxyapatite-bioglass composite[J].International Journal of Chemical and Biological Engineering,2010,3(1):24-28.

玻璃增强 篇4

关键词：微晶玻璃,可机械加工,增强

引言

20世纪70年代,G B Beall[1]和D G Crossman[2]等研制出了可加工微晶玻璃,此类微晶玻璃可借用普通金属加工机床对其进行车、铣、刨、锯、磨、钻孔等制备形状复杂的部件[3],从而使微晶玻璃在修复学的领域能得到广泛应用。特别是CAD/CAM[4]技术和快速成形技术的介入,大大缩短了修复体的加工周期,提高了加工精度,在国外得到了广泛的应用。但在应用中,可切削微晶玻璃的缺点也逐渐地暴露出来:由于云母属层状硅酸盐,层间结合力十分薄弱,故易在层间(001)面上解理,在可切削性得到提高的同时却导致了强度的下降。近年来,人们为提高可切削微晶玻璃的强度做了不少工作[5,6,7],本文阐述了可加工微晶玻璃的组成体系、制备方法、结构性能,着重介绍了可机械加工微晶玻璃增强机理的研究进展,展望了可机械加工微晶玻璃的应用前景。

1 可机械加工微晶玻璃的结构与性能

可机械加工的微晶玻璃主要是以云母为主晶相的微晶玻璃。云母的基本分子式是X0.5~1Y2~3Z4O10(OH,F)2,它是一个多远系统[8],含有碱金属或大碱土金属离子X,X是12配位的大离子,直径为0.1~0.16nm,通常为K+、Na+或Ca2+,小碱土金属离子Y或八面体配位的AL(Y)和Z离子,Z通常是AL、Si四面体之和,是4配位的网络形成剂,离子直径为0.03~0.05nm,以及O2-、OH-、F-阴离子。

云母为层状结构,结构中的Si4+部分被Al3+或B2+所取代,因而有多余的负电荷,复网层间有碱金属离子进入,起到平衡负电荷及联系复网层的作用。由于碱金属离子大多数是配位数为1的价离子,与氧的结合力很微弱,云母在复网层上易产生解理,因此可在不破坏微晶玻璃的情况下进行机械加工。除了机械加工以外,这种材料还有如下优良性能:耐高温、电绝缘性、高机械性能、抗弯强度达120MPa。

2 可机械加工微晶玻璃的制备方法及应用

云母微晶玻璃的制备方法有烧结法、熔融法和溶胶凝胶法,以熔融法用得最多[9]。用熔融法制备微晶玻璃时,可分为3个主要阶段,首先通过传统熔体冷却的方法制得含成核剂的基础玻璃,然后根据差热分析和线胀系数测试结果确定合理的热处理制度,最后根据确定的热处理制度对基础玻璃进行微晶化处理。

可机械加工微晶玻璃因其良好的理化及可机械加工性能,在生物医学、微电子技术、国防尖端技术、机械制造和化学化工等领域都有广泛的应用。在临床上,医疗修复所用替换或修补材料除了应满足生体的生物学性能、病毒与病理学性能以及综合理化性能要求外,还应能方便地精确加工成各种形状。可机械加工的生物微晶玻璃具有与人体骨齿相似的多相组织结构、良好的生物相容性及可机械加工性能,被认为是较理想的骨齿替代与修补材料。可机械加工微晶玻璃具有线胀系数易于调节、耐侵蚀、耐磨损、不导电、不导磁、比重轻等突出优点,使其在航空航天及机械密封等领域上得到较早的应用。云母微晶玻璃具有形状记忆合金的特性,材料在外力作用下会产生形变,受热会恢复到原来的形状[10]。这一发现开辟了微晶玻璃在记忆功能材料领域的应用,在高温和腐蚀性强的环境中使用这种材料比用合金更有优势。

3 可切削微晶玻璃的增强

3.1 改变热处理制度提高强度

Habelitz、Garl等[11,12,13,14]首先用热挤压的方法制备出了具有各向异性显微结构的云母微晶玻璃,将云母微晶玻璃在824℃、25MPa的压力下进行热挤压,随后在900~1100℃进行热处理,得到的试样具有明显的环状纤维结构,且片状氟金云母晶体沿垂直于挤压方向排成线状,热处理温度越高,试样径厚比越大。

梁开明等[15,16,17]用热压的方法制得了具有定向显微结构的云母微晶玻璃,从而使被残余玻璃相包围的片状云母晶体受到类似于力偶的外力矩而发生转动,从而使片状云母晶体沿垂直于受压方向分布。试样的断裂韧性KIC、维氏硬度HV及弹性模量E等在垂直于压制方向的数值比平行于压制方向的数值分别高出350%、30%及15%,其强度与断裂韧性比热压前有了很大提高。随着热处理温度的升高和压制压力的上升,抗弯强度、断裂韧性也随之提高,但试样的抗弯强度存在一最大值。关于热压、热挤压微晶玻璃的可切削性方面,热压后可切削性有所下降,这是由于定向分布的云母晶体缺乏相互交联的结构,但由于其存在强烈的环状纤维结构,使得可切削性并未显示出各向异性。

热压、热挤压的不足之处在于热处理的要求条件比较苛刻,对设备要求较高,对于工业化的生产难度较大。

3.2 金属离子替换及添加其它氧化物提高强度

除了通过改变热处理制度提高强度,还可以通过碱土金属离子(如Ca2+、Ba2+、Sr2+)等来取代碱金属离子,使层间联结强度提高,宏观表现为材料的强度提高。因为云母属层状硅酸盐,其层与层之间由碱金属离子Li+、Na+、K+等联结起来,键能小,键强低,其解理常常发生在层间(001)面上。Uno等[5]制备了Ba2+云母微晶玻璃,其抗弯强度最高可达350MPa,是传统云母微晶玻璃的2~3倍,可切削性也未见下降,李红等[18]制备了Ca云母微晶玻璃,使其抗弯强度也得到了很大的提高。断裂韧性为2.17MPa·m1/2,比目前临床用VITA提高了一倍,切削性能优良的断裂和加工断口主要是云母层间的解理断裂和准解理断裂;故切削面光滑,易于保证加工的精度。同时说明提高云母层间结合强度是此类材料增强的本质所在。目前有关用Sr2+取代的报道尚不多见,这可能与含Sr2+微晶玻璃熔制温度高(1550~1650℃)[19,20],工艺条件苛刻有一定关系。

在利用碱土金属离子取代碱金属离子提高强度的同时,我们还可以再添加一些具有增韧机理的氧化物进一步起到提高强度的作用,自从Gravie等[21]发现ZrO2的相变增韧行为以来,ZrO2增韧结构陶瓷(如Al2O3、Si3N4等)已有较大进展[22,23]。但ZrO2增韧微晶玻璃从八十年代才逐渐发展起来,ZrO2增韧可切削微晶玻璃的研究还显得很不够。李红等[18]成功制备出了一种ZrO2增韧Ca云母可切削微晶玻璃使抗弯强度达到184Mpa,断裂韧性达2.2MPa。Uno等[5]通过引入ZrO2得到了弥散分布的纳米ZrO2/云母复合微晶玻璃,这种材料强度高达500MPa,关于ZrO2在可切削微晶玻璃中的增韧机理,Uno认为是相变增韧,而Baik等[24]认为是裂纹偏转增韧,但两者都没有充分的证据来阐述自己的观点,所以还需要我们在这方面更深入实验的研究,提出更有说服性的理论依据。

3.3 掺杂其它晶相提高强度

云母微晶玻璃的可加工性能取决于析出云母晶体的纵横比和云母间的相互交错程度。一般认为,云母晶体的相互交错度越大,纵横比越大,则微晶玻璃的可加工性越好。但是由于云母晶体具有的片层状结构使得云母微晶玻璃的强度较低,因此提高云母微晶玻璃的强度成为研究的内容之一。以上两种提高强度的方法出现的较早。最近Taruta[25,26]等利用烧结法制备尖晶石/云母、堇青石/云母的复合材料,提高了材料的强度。Taruta把形成两种晶相的玻璃原料按不同比例进行混合,尝试用不同的热处理制度最终制得了可机械加工的堇青石/云母复合材料,这种材料与传统的云母微晶玻璃相比强度有了很大的提高,而且还有很好的机械加工性能。

田清波等[27]通过调整SiO2-MgO-Al2O3-K2O-F基础玻璃的组成和热处理条件,制备了云母/莫来石复合可加工微晶玻璃。应用扫描电子显微镜和X射线衍射技术研究了可加工微晶玻璃的析晶特征。结果表明:当玻璃中添加3.0%的V2O5后,在试样中同时析出莫来石和云母晶体,但没有形成莫来石/云母复合的组织。含V2O5 8.0%的玻璃在等温析晶中,从表面析出莫来石和粗大枝状的云母晶体,云母间相互交错程度较低,只有在随炉升温的情况下,云母晶体以莫来石相为核心异质生长,形成均匀分布的云母/莫来石复合微晶玻璃材料。Emad M.El Meliegy[28]利用同时结晶的方法得到云母和β-锂辉石固溶体,通过调整两项的比例得到低膨胀系数且易于切削牙科陶瓷材料。其中的β-锂辉石成份有增强基体强度的作用,所以当它的含量超过50%时就会降低其机械加工性能。通过调整β-锂辉石的含量从而得到膨胀系数小于4×10-7/℃且具有好的机械加工性能的材料。

4 结语

玻璃增强 篇5

纤维增强复合材料是一种新型的复合材料, 它具有许多优点, 比如质量较轻、抗腐蚀性较强、保温效果好等。较为常见的纤维增强复合材料包括玻璃纤维增强复合材料, 由于其各个方面具有的优势, 能充分满足极为恶劣条件下的工作需求, 还能充分满足现代建筑施工的要求。因此, 这种复合材料被运用到越来越多的领域。其主要产品以玻璃钢制品和铁氟龙制品为主, 占领了70%~80%的材料市场。作为新兴产业的代表者, 在这个提倡节能环保的社会中, 玻璃钢复合材料有着非常大的优势, 因为它不仅有着节能环保的特点, 比较符合现如今市场的需求, 且我国一直在发展基础设施的建设以及灾区重建等各项工程, 这都会带动该产业的迅速发展。

2 主要合成材料

玻璃纤维增强复合材料的主要合成材料分为玻璃纤维和合成树脂两种。玻璃纤维在其中起着极其重要的作用, 合成树脂起着辅助作用, 使其能有效融合。在玻璃纤维增强复合材料中, 玻璃纤维与树脂两种物质既是两个独立的个体, 也是不可分割的一个整体。只有玻璃纤维是无法合成完整的工程结构材料的。只有它们融合成一个完整的个体, 才能最大限度地发挥各自的作用。因此, 玻璃纤维增强复合材料是集玻璃纤维与树脂两种材料所有优点的一种新型复合材料, 它不仅能在普遍条件下提升产品的各项性能, 还能在高温条件下使用, 前景美好。

3 背景、现状及发展前景

3.1 背景和发现现状

经过尽20年的发展, 我国的玻璃纤维行业终于走上了正轨, 也使我国成为了玻璃纤维的生产强国, 在世界上也占据着较为重要的位置。但我们都知道, 要想开拓一个新行业, 是一件非常困难的事情。在发展初期, 常常会走入误区, 导致产品深加工发展严重停滞, 产品的竞争力大幅度下滑。2009年底, 我国的玻璃纤维也刚刚走过寒冬, 盼望着春天的到来, 但现实总是不尽如人意, 我们连连遭受了来自欧盟、印度等各国的反倾销诉讼, 这使我们的玻璃纤维行业的前景更加恶化。我国多年以来的玻璃纤维制品一直以无捻粗纱等初级产品作为主要方向, 明显的缺点是产业的竞争力不足。对此, 我们进行了必要的改革, 进行了全面的更新, 重点发展玻璃纤维制品加工行业, 扩大产品开发的应用的区域, 更加重视建设高品质的制品深加工体系。经过我们的不断努力, 获得了令人高兴的成绩, 积极地融入节能环保、新能源的新领域, 不断地向高层次的方向发展, 以便能更好地满足日益变化的市场需求。

冷却塔是我国最为普遍, 也是发展最好的应用玻璃钢材料的设备, 甚至已经接近国际水平。此产品应用到了很多领域, 比如石油、化工、供水、交通运输、运动以及游乐器材等。与许多国家相比, 我国虽然仍处于玻璃钢工业初级阶段, 但应用市场的开发空间较大。

3.2 玻璃纤维增强复核材料的发展前景

3.2.1 美国

美国的玻璃钢产量占全世界的40%, 最大的应用方向为陆上运输, 大约是总销量的1/3, 主要的用途就是用在汽车的车身板件以及发动机室的零部件等方面。建筑方面运用复合材料也占据了一定的地位, 建筑行业的飞速发展使玻璃纤维复合材料在淋浴室、住宅其他设备方面都有着较为广泛的应用。此外, 还应用在船舶领域, 比如应用在玻璃钢船、喷气艇等方面。

随着对复合材料的不断研究以及技术的不断更新, 人类对航空、通信等方面的研究越来越多, 对复合材料的需求也在不断增加。由此可见, 复合材料在航天航空方面会越来越受到重视。

3.2.2 德国

德国复合材料之所以能发展起来的大部分原因是其化学产业、汽车行业等的快速发展。我们都知道德国是一个生产名牌汽车的大国, 比如我们所熟知的奔驰、大众等知名品牌, 因此, 生产这些汽车所需要的前脸、车门、顶棚等许多部位都会采用复合材料, 因此, 复合材料在汽车行业的发展前景是非常可观的。

4 发展过程中存在的问题

在玻璃纤维增强复合材料应用的过程中, 也存在着许多问题, 尤其是在疏水性这一方面。纤维有一个明显的特点是在表面吸收水分之后会加速微裂纹的扩展, 机械性变差, 进而导致纤维的耐磨性、耐折性变差。因此, 我们对纤维的表面进行了疏水处理, 使其表面阻力变小, 这可有效提升城市输水系统的送水效率, 同时做到节能环保。此外, 我们对水上的运动器械也进行了合理的疏水处理, 使其的运动阻力变小, 有效提升了其各方面的运动效果, 使水上运动的发展前景变更加乐观。

5 改变性能的技术

5.1 添加氟化碳粒子

据研究表明, 氟化碳粒子有着非常高的分散性和粉末流动性, 且对水的接触角为140°。对于这种粒子, 我们可以用于复合材料的疏水、疏油等处理, 其是一种固体粉末, 即使在非常恶劣的条件下也能表现出非常优良的性能。但是这种物质也有一定的缺点, 即很难在其他材料上以一种稳定的形式分散, 所以, 可能不会完全发挥疏水性能。

5.2 低温等离子体处理

低温等离子体技术在近年来发展非常迅速, 其操作简单明了, 可以在常温条件下产生高速电子, 气体能发生许多不同的化学反应。因此, 其常用于复合材料的疏水性聚合物加工。这种方法是不会对材料本身的性能造成任何影响的, 因此, 许多科研人员都致力于研究低温等离子体技术。

在氟系气体在低温等离子表面的疏水处理方面和离子注入表面疏水处理方面, 我们常常运用四氟化碳作为非聚合气体, 经过一系列的处理可产生大量的氟原子。放电后, 各方面的疏水能力都得到了较为有效的优化, 1 min后就能实现接触角为110°, 且极其稳定。根据科学的测量发现, 这种情况发生原因是其表面上生成了多种疏水的离子基。但它也存在着一定的缺点, 因为这种反应属于气相反应, 这种反应的主要特点是反应较为复杂、反应不方便控制等, 还有待我们进行更加深入的研究和探讨。

在研究辉光放电等离子处理时, 使四氟乙烯在其表面沉淀, 并进行有效的连续处理, 间歇进行等离子处理。与连续处理的结果相比, 当DC大于10%时, 水的接触角也不会大于120°。然而, 当DC值较低时, 就能得到更好的疏水性能, 接触角甚至最大能达到165°。XPS分析显示, 当DC值变得较低时, 碳氟化率会变得更高, 导致这一现象出现的主要原因是二氟化碳的出现。图1为当DC值达到5%时超疏水膜材料的XPS谱线图。从图1中我们可以看出, 二氟化碳的强度比其他元素更强。图2中的IR图谱更加可以证明, 当DC值变得较小时, 碳碳双键明显有所减少, 等离子处理中分子发生了变化, 进而导致谱带发生了较大的改变。

6 张力玻璃纤维增强复合材料的原理

材料表面的疏水性能主要的影响因素在于材料的临界表面张力、水的接触角。表面张力越小或对水的接触角越大, 材料的疏水性能会越来越强。同时, 其他具有腐蚀性的液体也较难对此材料有所影响。因此, 临界表面张力和水的接触角都会对材料的各项性能造成较大的影响, 从而延长材料的使用时间。

实现疏水理想化状态的原理之一就是使复核材料形成具有低表面张力、有一定厚度的物质, 从而使复合材料具有较高的疏水能力。为了使复合材料表面的疏水性能变得更强, 必须增强其表面张力或增大其对水的接触角, 在不改变其本质的条件下, 在表面材料中加入含氟基因, 从而达到提升液体浸润性的目的。同时, 可提升材料的稳定性, 使其具有较高的疏水性。

碳氟表面的活性剂水溶液的表面张力最低可至15 m N/m。当它在溶液中的质量分数达到0.005 3~0.13时, 就能使水中的表面张力降至最低。然而, 一般碳氢表面的张力要想达到30 m N/m, 活性剂在溶液中的质量分数就需要控制在0.13左右。如图3和图4所示, 由于一系列的化学反应, 使固体表面的张力有所下降, 因此, 能更好地提升材料的疏水能力。

7 抗腐蚀性能方面的评价方法

如何正确使用玻璃纤维增强复合材料是人们一直所关注的问题, 延长其使用的寿命也是人们所期望的。因此, 依据测出玻璃纤维复合材料的耐腐蚀性, 然后进行较为明确的评价是极其重要的。有关这种测验的方法, 现在有许多种, 我们能运用这些方法测出玻璃纤维复合材料抗腐蚀性的具体数据。但因评价方法不具有统一性, 不同的使用者会给出各种各样的评价, 有时甚至相差十万八千里, 因此, 会导致在应用上出现一定的困难。我们可以依据试样及介质的变化数据进行直接评价, 这种试验评价的相关标准如表1所示。

8 结束语

随着如今社会各个行业的逐渐发展, 我国的玻璃纤维增强复合材料工业也获得了一定的发展, 在产品的种类、产量以及技术水平等各个方面都有了巨大的提升, 在我国的经济发展中起着极为重要的作用。近年来, 我国从其他各个国家先后引入了较多的先进设备, 装备水平大大提升了。笔者相信, 我国以后在复合材料这一方面的发展前景将会变得越来越好, 也将带动我国社会经济等方面的发展。

参考文献

[1]戚德海, 徐永军, 沈开亮.长玻璃纤维增强热塑性塑料的开发应用[J].工程塑料应用, 2007 (04) .

[2]王秋峰, 周晓东, 侯静强.长纤维增强热塑性复合材料的浸渍技术与成型工艺[J].纤维复合材料, 2006 (02) .

[3]张宁, 李忠恒, 陶宇.长玻纤增强聚丙烯复合材料的研究[J].塑料工业, 2006 (12) .

[4]杨景锋, 王齐华, 杨丽君.纤维增强聚合物基复合材料的界面性能[J].高分子材料科学与工程, 2005 (03) .

[5]姜润喜, 周洪梅, 韩克清.长玻纤增强PET复合材料的力学性能研究[J].塑料工业, 2005 (07) .

玻璃增强 篇6

通过对玻璃纤维增强塑料夹砂管的环刚度、管刚度、刚度等级概念进行分析, 明确了环刚度的内涵是管道在外载作用下抵抗变形的一种能力, 管刚度与环刚度并不是同一个概念, 而刚度等级是管材初始特定环刚度的级别。由环刚度的相关概念分析了环刚度设计与测试的基本方法, 并根据设计规范的要求对实际工程中所需要的刚度等级从变形和稳定性两个方面进行了分析, 得到了确定刚度等级的基本原则和方法及其与埋设条件之间的关系。对正确理解玻璃纤维增强塑料夹砂管的环刚度以及环刚度的设计、测试及选择都具有一定的参考意义。

(摘自玻璃纤维网)

玻璃增强 篇7

1 试验部分

1.1 原材料及设备

试验中所用到的主要原材料见表1。

1.2 复合材料制备与测试

采用手糊成型制备玻璃纤维增强塑料板材。

研究用的所有样条均是从同一块板材, 同一方向上取样, 且分散取样。故所有的样条结构相同, 原材料相同, 制作环境也相同。所有样条测试前, 均在干燥器内放置24小时。

弯曲性能试验按《GB/T 1446-2005纤维增强塑料性能试验方法总则》和《GB/T1449-2005纤维增强塑料弯曲性能试验方法》。本试验所有样条的测试速度相同, 为2 mm/min。测试结果选取8个有效试样的平均值。

2 结果与讨论

2.1 加工精细度对FRP弯曲测试结果的影响

样条从板材上切割下来后, 加工面比较粗糙。为了了解加工的精细程度是否对弯曲测试结果产生影响, 对精修和粗糙的样条分别测试。测试结果如下, 见表2。

A组样条切割时留有一定余量, 余量用砂纸精修。B组样条切割下来后直接测试。两组样条外形尺寸相同, 且取样方向与布纹平行。两组测试均选取无明显层剪破坏的数据。两组样条的制作过程中, 都尽力保证加工面平直, 避免因加工平整度而导致的测试结果分散性。

从表2中可以看出, 原材料相同、结构相同、制作环境相同, 测试方法也相同的样条, A组经过精修的工序后, 强度提高了5.4%, 离散系数也明显低于B组。但是精修对模量的影响并不显著。

2.2 取样方向偏差对FRP弯曲测试结果的影响

复合材料是各向异性材料, 所以测试前应根据测试目的明确取样方向。目前取样方向选择与材料的主方向平行。但实际制作时, 由于手工操作的因素, 并不能严格保证方格布经纬成直线。所以, 这种制品取样时, 样条虽与表层的布纹平行, 但不能保证里层布纹也与样条平行。

制备两组外形尺寸相同, 且精修过的样条, 对其分别进行弯曲性能测试。A组样条与布纹平行, C组样条取样时与布纹偏离15°。两组测试均选取无明显层剪破坏的数据。测试结果见表3。

从表3中可以看出, C组弯曲强度的测试结果相对A组降低9.16%, 两组强度离散系数相差不大, 均比较小。两组的弯曲弹性模量无明显差异。

2.3 破坏的有效性层剪破坏数据取舍对FRP弯曲测试结果的影响

从精修且与布纹平行的样条中挑出那些明显有层剪破坏样条的测试数据与A组比照, 见表4。

从表4可以看出, 发生层剪破坏的样条强度测试结果偏低16.24%。

3 结论

样条加工时, 必须要经过精修的工序。精修能提高强度测试结果, 降低离散系数, 但对模量无明显影响。要说明的是, 精修并不是提高材料的强度, 而是改善切割导致的强度降低, 使测试结果更接近材料本质。

取样角度的偏差能降低强度测试结果, 但对模量无明显影响。根据现阶段弯曲测试目的, 取样时样条必须严格与布层平行。制样时, 也应仔细认真的铺覆每一层方格布。

当样条发生层剪破坏后, 测试强度偏低。整理数据时应舍弃那些明显带有层剪破坏模式的数据

摘要：本文对弯曲性能测试中, 样条的取样方式, 加工方式和数据取舍进行比照试验, 研究了测试过程中存在的人为因素对弯曲测试结果的影响。

关键词：复合材料,玻璃纤维增强塑料,弯曲

参考文献