桥梁工程中的纤维增强树脂基复合材料应用进展

为满足恶劣环境条件下现代化桥梁工程高质量建造所需材料的力学性能、耐腐蚀性及耐疲劳性等要求,基于纤维增强树脂基复合材料的优异性能,从公路桥、观赏桥、梁式桥以及超大跨度悬索桥等不同工况要求下的桥梁建设出发,总结了纤维增强树脂基复合材料的发展与应用现状。指出纤维增强树脂基复合材料在桥梁工程应用中仍存在应力损失、受风力影响大及回收处理难等弊端,并提出了主要的解决思路。

纤维增强树脂基复合材料在船舶领域的应用综述

纤维增强树脂基复合材料(fiber reinforced polymer,FRP)因其具有耐化学腐蚀和耐候性好等优异性能,其大面积使用能够实现船舶的高航速、低排放、远续航,进而成为现代造船的理想材料之一.文中主要从成型工艺、应用现状及其发展趋势三个方面对FRP在船舶领域的应用前景进行概述与分析.首先,基于对多类型船用FRP复杂制备工艺的概述,统计了最常用的船舶FRP性能参数及分析了各类型FRP的应用优势;然后,根据FRP在船舶上的不同应用场景,对其在船体制造的应用现状进行了详细概述.最后,依据现代船舶装备发展需求,从船舶制造技术发展方向、应用场景及结构化发展等方面对船舶FRP应用发展趋势进行了全面分析.

掺废弃陶瓷纤维增强水泥基复合材料抗冻性能

采用陶瓷粉替代一部分水泥,陶瓷砂替代普通河砂,在水泥基材料中掺入不同体积掺量的聚乙烯醇(Polyvinyl Alcohol,PVA)纤维,制成掺入PVA纤维和陶瓷粉的水泥基复合材料砂浆试件。通过冻融循环试验分析质量损失率、相对动弹性模量的变化,并通过电化学阻抗测试和扫描电子显微镜观察研究砂浆试件的冻融损伤规律。结果表明:陶瓷粉中SiO_(2)和Al_(2)O_(3)含量远大于水泥中相应含量,且粒径小于20μm的颗粒占82.3%,火山灰效应和微集料效应可改善试件的密实度,提升复合材料的抗冻性能;PVA纤维掺量为2.2%,陶瓷粉掺量为30%,冻融循环100次时砂浆试件质量损失率最小,相对动弹性模量最大,连续导电路径电阻最大,冻融损伤程度最小;纤维和基体的接触面是该复合材料抗冻薄弱部位。

摩擦膜特征对陶瓷增强酚醛树脂基材料摩擦性能影响

针对目前对于摩擦膜物理特征与材料摩擦性能之间关系的研究较少的情况,选用大尺寸石英颗粒与酚醛树脂基体进行复合,利用销–盘式摩擦试验机对其摩擦磨损性能进行测试。摩擦结束后,采用纳米/微米压痕法表征颗粒表面摩擦膜的力学特性,并通过扫描电子显微镜观察摩擦膜微观形貌。测试结果显示,酚醛树脂粘结剂在21.9%~29.4%时,摩擦系数随树脂基体粘结剂含量增加而减小,这是由于摩擦膜强度逐渐降低,导致粘着摩擦力减小。另外,酚醛树脂基摩擦材料抗热衰退性与摩擦膜厚度成反比,这是由于有机粘结剂在高温下热降解对摩擦膜稳定性不利。陶瓷颗粒具有较高硬度,使得材料具有良好耐磨性。

SiO2颗粒增强酚醛树脂基摩擦材料力学性能研究

为探讨陶瓷颗粒对树脂基摩擦材料力学性能的影响,以SiO2颗粒增强酚醛树脂基摩擦材料为例,利用三点弯曲实验研究颗粒特征对弯曲强度的影响,建立材料内部弹性应力场分布模型,并从细观力学角度进行分析。实验结果表明:添加二氧化硅陶瓷颗粒后,复合材料的弯曲强度降低、弹性模量升高;复合材料弯曲断裂截面显示脆性断裂特征,断裂过程中裂纹遇到颗粒贯穿通过;复合材料弯曲强度随颗粒含量增加而降低,随颗粒弹性模量增加先减小后增大。理论分析表明:陶瓷复合树脂基摩擦材料内部最大应力值位于颗粒边缘处;最大应力值随颗粒与基体弹性模量比值增大而增大;复合材料的平均应力与颗粒的含量成正相关。实验和理论研究表明,陶瓷颗粒添加引起材料内部应力集中,且与颗粒弹性模量和颗粒含量成正相关。

高性能纤维增强树脂基复合材料湿热老化研究进展

高性能纤维增强树脂基复合材料具有卓越的结构整体性及抗分层等特性,在诸多工业领域中具有广泛适用性。在其储藏及使用时,制件强度会不可避免地因湿热老化造成降解和退化。探讨和揭示高性能纤维增强树脂基复合材料在不同湿热老化环境下的力学响应,对其结构件的耐久性、安全服役性能和寿命预估具有至关重要的意义。综述了国内外高性能纤维增强树脂基复合材料湿热老化方面的研究进展,介绍了其吸湿机理以及在湿热环境下的老化机理。梳理了湿热老化环境对于高性能纤维增强树脂基复合材料力学性能的影响,寿命预测模型等。最后指出了高性能纤维增强树脂基复合材料老化研究存在的问题、面临的挑战,对未来研究发展方向提出了展望。

碳纤维增强树脂基摩擦材料摩擦磨损性能

为提高树脂基摩擦材料摩擦因数稳定性,改善其抗热衰退性能。以碳纤维作为增强纤维,采用热压成型工艺制备碳纤维增强树脂基摩擦材料;用XD-MSM型定速摩擦试验机测定摩擦磨损性能,研究了不同含量碳纤维增强对树脂基摩擦材料摩擦磨损性能的影响;利用VK-X200三维激光扫描显微镜观察了摩擦材料磨损后表面的微观形貌并探讨其磨损机理。结果表明,碳纤维增强树脂基摩擦材料的硬度、压缩强度和剪切强度均得到提高,并随碳纤维含量的增加而逐渐增大;碳纤维增强作用提高了树脂基摩擦材料的耐磨性和摩擦因数的稳定性,改变了树脂基摩擦材料的摩擦磨损形式;碳纤维含量为4wt%的增强树脂基摩擦材料摩擦因数稳定性较高,抗热衰退性能较好,磨损机制主要为疲劳磨损。

三维网络陶瓷增强铝基复合材料的干摩擦磨损性能

设计和制备了一种新型的三维网络陶瓷(骨架)增强铝合金复合材料。研究了铝合金及不同成分复合材料在不同温度及载荷下的摩擦系数和磨损率;用扫描电镜(SEM)观察其磨损表面,并分析了三维网络陶瓷(骨架)对铝合金磨损机制的影响。结果表明:复合材料的耐磨性远优于铝合金,而且随着三维网络陶瓷体积分数、温度及载荷的增加,复合材料的抗磨损性能明显提高;这种新型复合材料的摩擦系数随载荷变化保持稳定;在很宽的温度范围内,摩擦系数的稳定性均优于铝合金。这是由于三维网络陶瓷在磨损表面形成硬的微凸体起承载作用,其独特的结构制约了基体合金的塑性变形和高温软化,有利于磨损表面氧化膜的留存。

复合矿物纤维增强低树脂基摩擦材料性能研究

以复合矿物纤维为主要增强纤维,采用一次热压成型技术,制备出不同复合矿物纤维含量的低树脂基摩擦材料,利用洛氏硬度计测量其洛氏硬度、定速式摩擦试验机测试其摩擦磨损性能,探究复合矿物纤维含量对低树脂基摩擦材料摩擦磨损性能的影响;采用扫描电子显微镜观察磨损表面的微观形貌,进行磨损机制的探讨。结果表明:复合矿物纤维能显著提高低树脂基摩擦材料的摩擦因数,且适当复合矿物纤维含量的低树脂基摩擦材料具有良好的摩擦热稳定性,但在高温试验下,过多的复合矿物纤维会使低树脂基摩擦材料出现严重的热衰退现象;随着复合矿物纤维含量的增多,洛氏硬度硬度先平稳后下降,摩擦因数呈先升后降状态,磨损率先平稳缓慢增加,后剧烈增加。SEM分析表明,在高温试验下,随着复合矿物纤维含量的升高,低树脂基摩擦材料的磨损形式逐渐从黏着磨损和磨粒磨损转化为热分解磨损、脆性脱落和磨粒磨损。

增强纤维对陶瓷基摩擦材料摩擦磨损性能的影响

采用热压烧结法制备纤维增强陶瓷基摩擦材料,研究了钢纤维、钢纤维/莫来石纤维、莫来石纤维、钢纤维/硅酸铝纤维以及硅酸铝纤维增强陶瓷基摩擦材料的摩擦磨损特性.研究结果表明:不同纤维对陶瓷基摩擦材料摩擦系数的影响较为复杂.相比较添加单一纤维增强摩擦材料的情况,钢纤维增强的试样具有较好的耐磨性能,其次为莫来石纤维增强的试样,硅酸铝纤维增强的试样表现出最差的耐磨性能,钢纤维/莫来石纤维和钢纤维/硅酸铝纤维增强试样的磨损均低于相应的陶瓷纤维增强的试样;在高温下以莫来石纤维增强的试样,其磨损形式以磨粒磨损为主,而以硅酸铝纤维和钢纤维/硅酸铝纤维增强的试样的主要磨损形式为黏着磨损,钢纤维和钢纤维/莫来石纤维增强的试样的磨损属于磨粒磨损和黏着磨损.

考虑切削能耗和表面质量的碳纤维增强树脂基复合材料加工工艺参数优化决策

碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)二次加工能耗与质量的影响要素相比于传统材料加工更为复杂,导致现有相关经验公式难以适用。基于此,以CFRP二次加工的切削力分析为切入点,对考虑能耗和质量的CFRP加工工艺参数优化决策问题开展研究。首先分析纤维方向角对CFRP加工形式的影响,推导了切削力模型;然后建立了以切削三要素和纤维方向角为变量,以切削能耗和表面粗糙度为目标的多目标优化模型,并提出了多样化突变驱动的粒子群优化算法(DM-PSO)与层次分析法(AHP)集成的工艺参数优化决策方法;最后通过铣削试验设计验证了上述模型和方法的可行性和优越性。

混杂纤维增强低树脂基摩擦材料磨损机理及性能研究

目的改善刹车片摩擦材料的耐磨性和降低制动噪声。方法通过正交试验设计摩擦材料配方,利用极差分析法探究混杂纤维对低树脂基摩擦材料性能的影响,并采用扫描电子显微镜观察摩擦材料磨损表面和磨屑的微观形貌,使用能谱仪分析磨屑的元素组成,以研究其磨损机理。结果混杂纤维增强低树脂基摩擦材料具有良好的耐磨性,其洛氏硬度维持在50~80HRM之间,剪切强度均处于11~16 MPa的适宜范围。随着树脂的质量分数从8%逐渐增加到10%,混杂纤维增强树脂基摩擦材料磨屑中O元素的质量分数降低了33.7%,Cu元素的质量分数降低了20.1%。结论丁腈胶粉对摩擦材料磨损率的影响最大,铜纤维对摩擦系数的影响最大,且铜纤维在摩擦过程中会在摩擦表面形成一层"转移膜",可以导出摩擦产生的高热量,从而缓解热衰退。酚醛树脂含量的变化影响摩擦材料的磨损机制,随着树脂含量的增加,摩擦材料由疲劳磨损转变为磨粒磨损。

CR 200J用树脂基摩擦材料的正交试验及多指标加权优选

为制备CR 200J用高耐磨树脂基摩擦材料,采用正交试验法设计不同含量的减摩组分(鳞片石墨、石油焦)与增摩组分(NFJ高温黏结剂、腰果壳油摩擦粉)的树脂基摩擦材料配方。通过热压成型法制备出样品,在制动压力0.8 MPa和转速3300、4200、5400 r/min下测试试样的平均摩擦因数,并计算试样的体积磨损率、热衰退性能及对偶质量磨损。对试样的平均摩擦因数、体积磨损率、热衰退性能及对偶质量磨损进行极差分析及均一化处理,使用多指标权重优选了综合性能优异的配方。结果表明:鳞片石墨在高转速下对材料的平均摩擦因数起稳定作用及降低材料的热衰退性能,而石油焦在低速制动过程中可稳定材料的平均摩擦因数;NFJ高温黏结剂对材料的各项性能影响不显著,而腰果壳油摩擦粉在高转速下表现出优异的黏弹性,有利于提高材料的平均摩擦因数,降低材料的体积磨损率及对偶质量磨损。使用多指标权重优选得到较好的配方,其中鳞片石墨、石油焦、NFJ高温黏结剂、腰果壳油摩擦粉的质量分数分别为1%、4%、3%、6%。

稀土复合纳米材料改性树脂基制动片摩擦学性能

为提升风电偏航树脂基制动片高温下的摩擦磨损性能,采用稀土和纳米材料对树脂基制动片进行改性。采用热压成型工艺制备改性树脂基制动片,对试样进行力学性能测试和摩擦磨损试验。采用SEM、EDS、XRD对试验后试样摩擦表面进行观察和分析,探究稀土和纳米材料对树脂基复合材料的作用机制。结果表明:添加稀土和纳米材料后试样的相关力学性能和摩擦学性能均有提高,其中质量分数1%的氧化铈和氧化钇、4%的纳米二氧化硅可使复合材料350℃高温下的摩擦因数提高9.09%,磨损率下降64.28%。稀土和纳米二氧化硅通过优异的界面效应,提高了高温下试样的抗热衰退性,降低了高温下试样的磨损量,使试样磨损形式从磨粒磨损为主转变为黏着磨损为主。

聚吡咯共轭结构对碳纤维增强树脂基复合材料热循环稳定性能的影响

为解决碳纤维增强树脂基复合材料(CFRPs)存在的碳纤维与基体间界面黏结性较弱和在热循环过程中因热膨胀系数不匹配而产生界面破坏的问题,通过低温聚合得到含有较多共轭结构的聚吡咯(PPy)对预处理后碳纤维(CF)进行表面改性,分别在0、30、60℃下制得碳纤维/聚吡咯复合纤维(PPy/CF),并研究了不同聚合温度下制备的CFRPs的界面结合性能、热膨胀性能和热循环稳定性能。结果表明:PPy/CF-0纤维的表面粗糙度与CF相比增加了2.09倍,这有利于树脂锚定在碳纤维表面,从而提高界面结合性能;并且PPy/CF-0纤维表面的聚吡咯层具有较完善的共轭结构,整体表现为负热膨胀系数,使得复合材料的层间剪切强度和界面剪切强度分别达到了CF的1.56倍和1.70倍;此外还使得CFRPs的热循环稳定性有了较明显的提升,经100次热循环实验后,其剪切强度仍能保持在初始数值的70%以上。

多组分纤维混杂增强树脂基摩擦材料研究

为提高摩擦材料高温下的摩擦磨损性能和摩擦因数的稳定性,利用正交试验法对多种纤维增强酚醛树脂基摩擦材料的配方进行优化设计,并通过极差分析,探讨多种纤维及含量对摩擦材料性能的影响及摩擦材料的磨损机制。研究表明:混杂纤维增强树脂基摩擦材料有着优异的耐磨性。陶瓷纤维硬度较高,开散混料后能够均匀分布在树脂基体内,对酚醛树脂基摩擦材料硬度、内剪切强度以及摩擦因数影响最大;碳纤维具有耐高温、耐磨和自润滑的特性,其含量变化对酚醛树脂基摩擦材料磨损率影响最大;在高温下,碳纤维对磨损率影响更加显著,其在摩擦过程中逐渐磨损且分布至整个摩擦面,可显著地降低材料磨损率。纤维含量的不同致使磨损机制发生改变,主要磨损有磨粒磨损、热磨损、疲劳磨损和黏着磨损。

网络陶瓷增强铝基复合材料的摩擦磨损性能

采用压铸技术成功制备了网络陶瓷(骨架)增强铝基复合材料,研究了其在干摩擦条件下的滑动摩擦磨损行为。结果表明,复合材料的耐磨性能远优于基体合金,主要是由于网络陶瓷(骨架)裸露在磨损表面,成为微凸体,起承载作用,抑制或延迟了基体从轻微磨损向严重磨损的转变。同时将载荷分散至各个方向,抑制了磨损面基体合金因塑性变形产生的流失。

摩擦时间对CaSO_4晶须增强树脂基复合材料摩擦学性能的影响

采用模压成型工艺制备CaSO_4晶须增强树脂基复合材料,并选用一种市售材料作对比,研究摩擦时间对两种材料摩擦学性能的影响,利用SEM及EDAX观测磨损表面形貌及成分变化,分析其磨损机理.结果表明:随着摩擦时间的变化,自制材料摩擦系数维持在0.45左右,制动平稳性较好,磨损机理以磨粒磨损为主;市售材料摩擦系数在0.32~0.36范围内波动,制动过程易产生颤动和噪声,磨损机理以粘着磨损和热疲劳磨损为主;两种材料摩擦表面平均温度及其磨损率均随着摩擦时间的延长而逐渐升高,且与对偶件存在明显的粘着效应.

制动频率对CaSO_4晶须增强树脂基复合摩擦材料性能的影响

采用热模压成型工艺制备CaSO_4晶须增强树脂基复合摩擦材料(试样A),并选用一种市售材料(试样B)作对比,研究制动频率对两种材料摩擦学性能的影响,利用SEM及EDAX观测磨损表面形貌与表面膜成分变化,并分析其磨损影响机理。结果表明:随着制动频率的变化,由于CaSO_4晶须的增韧补强作用,试样A的摩擦因数始终维持在较高水平0.48左右,制动平稳可靠,对偶件损伤程度轻,磨损机理以磨粒磨损为主;而试样B的摩擦因数则是先降低后升高,且对制动速率的变化敏感,磨损机理以黏着磨损和氧化磨损为主。两种材料摩擦表面温度及磨损率均随着制动频率的变化而升高,但在制动频率小于35次时,两种材料均表现出良好的耐磨性。

纤维增强树脂基复合材料的搅拌摩擦焊研究

利用搅拌摩擦焊实现了纤维增强树脂基复合材料的焊接,获得了焊接接头力学性能并分析了接头形成和断裂机制。结果表明,由于搅拌摩擦焊过程中搅拌针的摩擦剪切及对塑化材料的挤压作用,使树脂基体发生塑化并带动碳纤维迁移形成焊接接头,在搅拌头旋转速度950 r/min,焊接速度38 mm/min时,接头拉伸强度可以达到52.43 MPa,接近母材强度的51%,焊接接头的断裂机制主要为基体剪切断裂和纤维-基体界面脱粘。