硅烷偶联剂改性的短切玄武岩纤维增强三元乙丙橡胶复合材料的研究

将玄武岩纤维(BF)用硅烷偶联剂KH570改性后,制备了玄武岩纤维增强三元乙丙橡胶(E-BF7)复合材料,研究了玄武岩纤维用量对复合材料力学性能、热稳定性、动态热力学性能、耐水性能以及耐化学液体性能的影响。结果表明:与未加纤维的三元乙丙橡胶相比,添加15份KH570改性的玄武岩纤维BF7得到的三元乙丙橡胶复合材料E-BF7-15,拥有更好的综合性能。其拉伸强度从12.49MPa提高到14.50MPa,提高了16.1%,撕裂强度从41.47MPa提高到51.67MPa,提高了24.6%,其耐水性和耐化学液体性能也得到明显提升。

玄武岩纤维纳米改性对增强环氧复合材料绝缘与力学性能的影响

使用纳米氧化铝对玄武岩纤维进行表面改性,采用层压法制造改性玄武岩纤维/环氧树脂复合材料(BFRP),并研究纳米Al_(2)O_(3)含量对改性复合材料绝缘与力学性能的影响。结果表明:质量分数为1.0%的纳米Al_(2)O_(3)改性的玄武岩纤维复合材料(1.0K-BFRP)界面改性效果最佳。与未改性的复合材料相比,1.0K-BFRP的介质损耗因数降低了38.13%,沿面闪络电压提高了42.96%,击穿电压提高了33.96%,表现出更加优越的绝缘性能;拉伸强度、弯曲强度、层间剪切强度分别提高了26.46%、48.19%、66.06%,玻璃化转变温度提高了4.49℃。

玄武岩纤维增强复合材料拉挤圆管抗弯性能研究

为使玄武岩纤维增强复合材料(Basalt Fiber Reinforced Polymer,BFRP)拉挤圆管在桥梁工程中得到更广泛地应用,对其抗弯性能进行试验及有限元分析。对2根长度为750 mm的BFRP拉挤圆管进行三点抗弯试验;采用LS-DYNA有限元软件对试验过程进行模拟,验证有限元模拟的正确性;在保持BFRP拉挤圆管总厚度不变的条件下,研究内、外层双向纤维布的铺设厚度和角度对抗弯性能的影响。结果表明:试件从加载至破坏分为线弹性阶段、下降阶段和残余阶段,试件破坏后残余强度较大且卸载后迅速回弹恢复几何形状;有限元模拟试件的荷载~滑移曲线、失效现象和试验结果吻合较好,有限元模拟正确;布置适量厚度的内、外层双向纤维布可以提高试件的抗弯承载力;将内、外层双向纤维布铺设方向由90°变为45°后,抗弯承载力进一步提高,随着外层45°纤维布厚度增加,破坏时的挠度下降。建议制作BFRP拉挤圆管时,布置适量厚度的双向纤维布,角度以45°为宜。

玄武岩纤维对水泥基复合材料抗折强度影响研究

本文以不同方式(单掺、混掺)研究玄武岩纤维掺量(0.1%、0.3%、0.5%)和纤维长度(6mm、9mm、12mm)对水泥基复合材料抗折强度的影响。结果表明:玄武岩纤维对水泥基复合材料的抗折强度起到明显提升作用,单掺时本实验最优掺量为0.3%,最佳长度为9mm。混掺最优方案为三种纤维长度等量混掺。

玄武岩纤维增强复合材料力学性能的研究进展

玄武岩纤维增强复合材料(BFRP)凭借优异的机械性能、热稳定性、耐化学性和耐酸碱腐蚀等优点被应用于航空航天、汽车、土木工程、建筑等各个领域,然而相比于玻纤和碳纤增强复合材料,国内外对BFRP的研究还较少,BFRP的力学性能仍有很大的提升空间。其中,基体与玄武岩纤维之间的界面结合性能对于提高复合材料的力学性能至关重要。综述了BFRP力学性能方面的研究现状,分析了纤维与基体界面结合性能对BFRP力学性能的影响,并总结了几种常见的增强BFRP中纤维与基体界面结合性能方法,以期对高性能BFRP的研究发展及高端应用提供参考。

基于数据库的玻璃纤维增强复合材料箍筋弯拉强度计算方法

玻璃纤维增强复合材料箍筋弯拉强度试验主要研究弯折半径与直径之比对弯拉强度的影响,直线段抗拉强度对弯拉强度的影响研究较少。本文基于ACI 440.3R-12中B.5试验方法,开展3组(9个弯拉试件)不同直线段抗拉强度的玻璃纤维增强复合材料箍筋弯拉强度试验研究。3组试件直线段抗拉强度分别为530(A组)、850(B组)和1100 MPa(C组),弯折半径与箍筋直径之比均为3。试验结果表明:所有试件均发生玻璃纤维增强复合材料箍筋弯折段被拉断的破坏模式;A、B、C组试件弯拉强度分别为325、445和530 MPa。本文系统收集了国内外已有93个弯拉试件,并结合本文9个弯拉试件建立了玻璃纤维增强复合材料箍筋弯拉强度试验数据库。基于数据库统计分析,提出了保证率不小于95%的玻璃纤维增强复合材料箍筋弯拉强度计算方法。

玄武岩纤维增强高密度聚乙烯复合材料的制备与性能研究

以高密度聚乙烯(HDPE)为基体、玄武岩纤维(BF)为增强材料,通过熔融共混、注塑成型制备了HDPE/BF复合材料,对比研究了未改性和硅烷偶联剂KH550改性对复合材料性能的影响,探究了不同BF含量对复合材料的热稳定性、导热性、加工流动性和力学性能的影响。结果表明:改性BF表面存在KH550分子,含改性BF的复合材料的各项性能均优于含未改性BF的复合材料;含10 wt%改性BF的复合材料使其流动速率提高了约65%,改性BF使HDPE的熔融温度最大提高了约3℃,但大幅降低了HDPE的结晶性能;含30 wt%改性BF的复合材料导热系数为0.3642 w/mK,比纯HDPE提高了17%。改性BF可以有效提高复合材料的力学性,尤其是15%含量时缺口冲击强度提升了65%。未改性BF对HDPE性能也有提高,但提升幅度均低于改性BF。

玄武岩纤维增强复合材料现状及发展前景研究

玄武岩纤维(BF)具有绿色环保、高强耐腐、隔音隔热等优点,广泛应用于各类玄武岩纤维复合材料(BFRP)的研发中。目前BFRP还存在制备工艺不足、产品质量不稳定、改性混掺工艺不足等问题,针对上述问题的研究缺乏系统性总结。为此,研究了当前BFRP的制备与生产工艺、增强机理及应用现状,总结并提出了BFRP的发展及应用困境,并给出了相应的建议和研究展望。研究表明:当前基于最优单掺纤维的BFRP不断应用于土建交通、石油运输、航空航天等领域中,并呈增长趋势;但高性能BF生产、纤维混掺、BF界面改性等新型BFRP制备工艺还存在生产成本高和成品质量不稳定等问题,制约了高性能低能耗BFRP研发;BFRP生产应用全过程的规范标准仍然不健全,限制了BFRP的推广应用。随着新工艺不断发展和高性能BF的陆续研发,BFRP性能将更优异、能耗更低,未来将是BFRP深度应用的时代。研究对于高性能低能耗BFRP的研发及应用具有一定参考价值。

基于玄武岩纤维的功能化复合材料的研究进展

玄武岩纤维(BF)作为一种低成本、高性能的天然纤维已被列为21世纪中国新兴战略资源,也是制备先进复合材料的基础。在玄武岩纤维的实际应用中,纤维自身的性能以及在复合材料中的界面行为等是影响最终制品性能的关键因素。本文阐述了BF的化学组成,并探讨了组成对BF力学性能的影响。重点关注了BF的应用,详细介绍了BF的表面改性及力学增强。此外,从纤维的表面功能化改性、第三相功能粒子的添加以及BF自身性能的应用等几个方面总结了BF在电磁波防护、水处理、催化、抗菌及能源领域的研究进展。最后指出了BF复合材料目前存在的主要问题,并对未来的研究方向做出展望。

油酸钾浓度及玄武岩纤维取向对天然橡胶/玄武岩纤维复合材料性能的影响

通过油酸钾溶液对玄武岩纤维进行表面改性处理,研究了不同浓度的油酸钾溶液对玄武岩纤维表面处理及玄武岩纤维取向对天然橡胶(NR)/玄武岩纤维(BF)复合材料综合性能的影响。结果表明,随着油酸浓度的增大,复合材料的拉伸强度、撕裂强度及断裂伸长率均表现为先增大后减小,且在油酸钾溶液的质量分数为7%时取得最大值,拉伸强度提高了15.6%,撕裂强度提高了12.1%;BF经定向排列后,复合材料的Payne效应减弱,采用径向取向制备的复合材料,其拉伸强度提高了2.3%,断裂伸长率降低了17.8%,但磨耗增加了8.3%。扫描电镜缝隙表明,7%浓度的油酸钾可以均匀地包覆在BF表面,纤维在橡胶中分散性较好。

复合材料格栅结构筋条纤维形态与拉伸性能

复合材料格栅结构已大量应用于航空航天飞行器中,探究其力学性能具有重要的工程研究价值。为提高复合材料格栅结构的承载效率,提出一种基于“断筋”处理的纤维形态改善方法,通过有限元分析与试验验证的手段,研究了不同断筋比例对复合材料格栅结构节点处纤维形态和拉伸性能的影响。利用建立的有限元模型分析了断筋处理的复合材料格栅结构拉伸失效机理,仿真与试验结果误差均小于10%。结果表明:在成型过程中适当进行断筋处理,能够显著降低节点处纤维弯曲角度,提高拉伸性能。相较于不进行断筋处理,断筋比例为30%时,拉伸极限载荷提高了24.4%。

自修复与阻燃功能一体化玄武岩纤维增强环氧树脂基复合材料的制备及性能

纤维增强环氧树脂基复合材料(FREPC)在实际应用中常因裂纹失效和燃烧破坏而受到限制。文中将自制的DA加合物(DOPO-FU-BMI)与糠胺(FA)配合,引入到环氧树脂DGEBA中,通过热压成型工艺制备了兼具自修复和阻燃双重功能的玄武岩纤维增强环氧树脂基复合材料。结果表明,DA加合物在复合材料中实现了均匀分布,提升了材料的热稳定性和玻璃化转变温度;复合材料通过动态可逆化学键的可逆Diels-Alder(DA)反应实现了裂纹的修复,当DA加合物质量分数为20%时,经2次“冲击-修复”循环后复合材料的强度保留率仍高达92.5%;同时,复合材料发挥了玄武岩纤维的阻燃特性优势,引入DA加合物后使其阻燃性能进一步增强,极限氧指数最高可达44.5%,较未改性复合材料提升25.4%。

玄武岩纤维/玄武岩颗粒增强高密度聚乙烯复合材料性能

玄武岩纤维(BF)和玄武岩颗粒(BP)增强高密度聚乙烯(PE-HD)力学性能优良,特别是硬度较高,用于防白蚁高压电缆护套的制造。首先利用硅烷偶联剂KH550对BF和BP进行表面改性,然后利用转矩流变仪熔融共混BP、BF和PE-HD,最后通过微型注塑机制备不同填料含量的PE-HD/BF/BP复合材料。通过扫描电子显微镜、差示扫描量热仪、同步热分析仪、万能试验机、动态力学性能分析仪、邵氏硬度计、流变仪等研究复合材料的形态、力学性能、结晶性能、热稳定性能及流变性能等。结果表明,与PE-HD相比,BF和BP填料的引入显著增强了PE-HD/BF/BP复合材料的力学性能和热稳定性能,当BF含量为20份,BP含量为10份时(BF20BP10),复合材料的力学性能最优,拉伸强度和拉伸弹性模量分别为47.51 MPa和3331.39 MPa,分别增加了41.7%和211%,硬度达到70.2HD,明显超出防白蚁电缆对硬度的要求,即大于65HD,因此具有更优异的防白蚁啃食性能。与其它配方相比,BF20BP10复合材料具有较高的结晶度、储能模量,较小的损耗因子。因此,PE-HD/BF/BP复合材料的最优配方为BF含量20份,BP含量10份,制备获得的样品具有优异的硬度、良好的热稳定性和流变性能,有望在电缆护套材料领域得到广泛的应用。

岩土工程用玄武岩纤维复合材料耐久性研究

为了提高长期使用条件下玄武岩纤维复合材料的耐久性,针对岩土工程用玄武岩纤维复合材料展开研究。以双向编织的玄武岩纤维板为实验材料,采用非破坏性试件的实验方法,测试了玄武岩纤维板在紫外辐照下的耐久性。实验结果显示,在紫外线的辐照下,玄武岩纤维板试件的表面发黄,而且光泽度逐渐消失,导致其质量明显下降;试件在纵向拉伸条件下的破坏模式仍然保持脆性破坏,紫外老化对荷载与位移关系、应力与应变关系几乎没有任何影响;紫外老化初期,试件的力学性能逐渐提高,以非破坏性试件的弹性模量作为实验的评价指标,能够有效降低实验误差。

纳米改性玄武岩纤维对复合材料力学性能的影响机制分析

本文为了解决纳米改性玄武岩纤维对复合材料力学性能的影响机制。对比化学改性与物理改性方法,本研究采用三种改性途径,即化学改性、物理改性和纳米改性,对玄武岩纤维进行表面处理。通过对比这三种方法的不同之处,我们发现纳米改性技术能够更好地调整基材与纤维间的界面性能,增加纤维的粗糙度,从而增强两者之间的黏着力。将改性前后的纤维放入复合材料中,通过拉伸试验、弯曲试验和疲劳试验对其力学性能进行全面考察。经纳米改性后的玄武岩纤维表面性能得到进一步提升,纤维与基体的界面结合力增强。结果表明,在去除掉基质的影响下,经过纳米改性的玄武岩纤维能显著提高复合材料的抗拉强度和弯曲强度,将前者提高了25%,后者则增加了18%。同时,纳米改性还能显著延长材料的使用寿命(疲劳寿命),尤其在长时间和高频率交替应力环境下表现更为突出。这一优势将极大地促进玄武岩纤维在军事、工业领域的推广应用。这些性能的提升归因于纳米改性剂对纤维表面的优化作用,有效改善了纤维与基体的相容性。进一步优化复合材料的性能,为高性能复合材料的设计与应用提供有力支持。

纤维增强复合材料(FRP)配筋混凝土结构研究综述

新型建材纤维增强复合材料(FRP)具有高抗拉强度、低密度和耐腐蚀性能优良等特性,是一种具有巨大潜力的工程材料。如今,传统的钢筋混凝土结构面临钢筋易锈蚀的问题,给社会造成了较大的经济损失,维护和修复成本高昂。通过在特定环境中将钢筋替换为FRP筋,不仅能够有效解决钢筋混凝土结构的耐久性问题,而且能够进一步优化其工作性能,延长使用寿命,降低维护成本。首先简述了FRP筋混凝土结构的国内外研究进展,随后对FRP筋、FRP筋混凝土及预应力FRP筋混凝土结构的特性进行了阐述,最后对FRP筋混凝土结构的重要发展问题进行了总结,并对其未来的发展前景进行了展望。

碳纤维增强复合材料筋对“弱柱节点”抗震性能的影响研究

为研究“弱柱节点”内置碳纤维增强复合材料(CFRP)筋对节点抗震性能的影响,设计并开展不同CFRP筋配筋率的两组“弱柱节点”双向等幅低周往复荷载试验,研究此类节点的破坏类级及破坏形式方面的差异。试验结果表明:内置CFRP筋的配筋率是影响“弱柱节点”破坏程度的重要因素;“弱柱节点”内置CFRP筋时,CFRP筋配筋量越大,节点的承载力不一定越高,CFRP筋配筋率较低且采用小直径CFRP筋时,节点的承载力和变形性能均有所提高;“弱柱节点”内置CFRP筋,需要控制CFRP用量在合适的范围内,才能更好地改善和提高“弱柱节点”的抗震性能,实现结构纠错、容错,降低“弱柱”造成的结构抗震性能影响。

玄武岩织物-钢-PVA工程水泥基复合材料单轴受压力学性能研究

本文研究了玄武岩织物和混杂短切纤维(钢纤维及PVA纤维,短切纤维总体积掺量为2%)复合作用对玄武岩织物-钢-PVA工程水泥基复合材料(BTR-HyECC)单轴受压力学性能的影响,并通过圆柱体单轴受压试验测得各试件受压性能指标,并绘制出应力-应变曲线。结果表明:当钢纤维掺量为0%(体积分数,下同)时,随着玄武岩织物的加入,试件的抗压强度、峰值应变以及抗压韧性显著提高;当钢纤维掺量增加到1%时,试件抗压强度和弹性模量达到最大;当钢纤维掺量为1.5%时,试件变形能力和抗压韧性达到最佳。基于试验数据,建立了适用于BTR-HyECC的单轴受压本构方程,拟合曲线与试验曲线吻合较好。

35 MPa玄武岩纤维增强复合材料气瓶快速充装温升数值模拟

复合材料气瓶在压缩天然气(CNG)、氢气等快速充装过程中存在温升效应,当温升过于显著时,极易导致纤维增强层的损伤,威胁车用供气系统安全。为提升CNG汽车续航里程和推动玄武岩纤维在汽车中的应用,以CNG充装为例,通过建立二维CFD计算模型,对35 MPa玄武岩纤维增强复合材料气瓶快充温升过程进行数值模拟。结果表明:在设定的45 MPa充装背压、293 K环境温度、2 MPa瓶内初始气压的条件下,经过5 min的快速充装,瓶内气体最高温度可达333 K(60℃),温升为40 K,符合ISO 11439–2013《天然气汽车车载高压气瓶》的标准;进一步按单一变量原则,分别改变快充时间、环境温度和瓶内初始气压,得出气瓶在设定条件和ISO 11439–2013的要求下,最短充装时间和最高充装环境温度分别为100 s和305 K(32℃),而瓶内初始压力均满足标准要求。由研究结果可知,应适当减缓35 MPa玄武岩纤维增强复合材料气瓶在炎热环境中的充装速度,以保证气瓶能长时间安全使用。

高性能水泥基复合材料在混掺纤维条件下的抗压性能分析

使用纤维材料改良水泥基复合材料基本性能时通常使用单一尺寸、单一种类纤维,而掺加不同品种的纤维并在正混杂效应条件下,能够有效弥补单一纤维对复合材料的增强效果不足问题,优化力学性能,拓展应用范围。基于此,设计试验制备钢纤维、玄武岩纤维混掺的混凝土材料并设计试验分析不同纤维种类及掺量条件下复合材料抗压性能差异。试验结果表明,掺入玄武岩纤维后复合材料裂缝生成得到有效抑制,且峰值压应变和峰值压应力均显著提升;掺入钢纤维后复合材料峰值压应力后试件变形能力得到显著增强;混掺纤维条件下,相较于1.0%混杂纤维,2.0%混杂纤维抗压能力更强,且峰值压应变提升6.74%,峰值压应力提升5.76%。