FRP增强木质复合学习课程

1、6.2 纤维增强聚合物 6.2.1常用高性能纤维 主要有三种：玻璃纤维、碳/石墨纤维以及合成纤维（卡夫拉纤维、芳纶纤维）。 新材料：玄武岩纤维 第1页/共73页第一页，编辑于星期五：二十点 六分。常用FRP增强纤维的性能纤维直径（m）密度(g/cm3) 拉伸模量（GPa）拉伸强度（GPa）延张性（）热膨胀变异系数（10-6/）热导率（W/m/）Specific heat(J/Kg/K) E玻璃纤维C玻璃纤维S玻璃纤维D玻璃纤维PAN 碳纤维Pith 碳纤维Rayon 碳纤维卡布拉纤维29卡布拉纤维49卡布拉纤维149Spectra 9008141071010116.51212382.542.4

2、92.492.141.67-1.092.201.53-1.661.441.481.470.9772.468.985.555.022851734544393621311791173.543.164.592.501.72-2.971.720.622.202.762.803.793.622.581.8-3.24.85.74.70.3-1.00.4-0.91.5-2.5342.22.81.9455.07.25.63.1-0.1-1.00.9-1.6-2-21.320140380.040.58407809409259501.420第2页/共73页第二页，编辑于星期五：二十点 六分。玄武岩连续纤维与其他纤

3、维物理性能各项性能各项性能-玻璃纤玻璃纤维维-玻璃纤玻璃纤维维玄武岩连续纤玄武岩连续纤维维(乌克兰乌克兰)玄武岩连续玄武岩连续纤维（加拿纤维（加拿大）大）Kevlar 49碳纤维碳纤维HS密度g/c32.55-2.622.46-2.492.65-3.052.81.441 78拉伸强度MPa3100-38004590-48303000-350048402758-30342500-3500最高使用温度350300650650250500弹性模量/GPa76-7888-9179393189124-131230-240断裂伸长率%4 75.63.23.12.31.2线膨胀率20/10-65.42.96

4、.5软化点 =107a/8501056960950第3页/共73页第三页，编辑于星期五：二十点 六分。玄武岩连续纤维与几种玻璃纤维组分化学成分化学成分玄武岩连续纤维（俄罗斯）玄武岩连续纤维（俄罗斯）(%)玄武岩连续纤维玄武岩连续纤维(乌克兰乌克兰)(%)C玻璃纤维玻璃纤维 ( %)E玻璃纤维玻璃纤维 (%)S玻璃纤维玻璃纤维 (%)SiO251.652.3465.7-67.752.0-53.465.0Al2O314.6-18.313.5-14.525.0B2O35.4-6.48.0-9.025.0CaO5.9-9.47.683.5-4.518.5-19.5Na2+K2O3.6-5.23.951

5、3-140-1TiO20.8-2.251.190-0.5Fe2O3FeO9.0-14.010.530-0.6F20-0.5其它0.09-0.1310第4页/共73页第四页，编辑于星期五：二十点 六分。玄武岩连续纤维和玻璃纤维在不同介质中煮沸后的质量损失率纤维类型粗纱在下列介质中煮沸3h的质量损失率（）在水中2N NaOH2N HCl玄武岩连续纤维1.62.752.2E玻璃纤维6.26.0038.9第5页/共73页第五页，编辑于星期五：二十点 六分。6.2.2 聚合物基体（树脂） 聚酯树脂乙烯树脂环氧树脂酚醛树脂聚氨酯 第6页/共73页第六页，编辑于星期五：二十点 六分。常用树脂的相关性能树脂密

6、度（g/cm3）拉伸模量（GPa）拉伸强度（MPa）压缩强度（MPa）延展率（）热膨胀系数（10-6/）热导率（W/m/）固化收缩率（）规定温度（J/Kg/K）玻璃转化温度Tg（）聚酯树脂乙烯树脂环氧树脂酚醛树脂1.101.501.151.101.401.251.41.24.53.04.02640906590351305590250127100200251518.51.8602005345700.20.10.2412161.51.1125018005011010015050250 第7页/共73页第七页，编辑于星期五：二十点 六分。6.2.3 FRP制造 FRP加工方法可以分为两类：敞口铸型工

7、艺和闭合铸型工艺。对于敞口铸型工艺，产品在单侧模具中成型，常用的有手糊成型技术和喷射成型技术。闭合铸型工艺包括纤维缠绕成型技术、拉挤成型技术、模压成型技术、热压罐成型技术、RTM成型技术和挤出成型技术。 2.4 FRP标准 第8页/共73页第八页，编辑于星期五：二十点 六分。树脂含量与拉伸强度的关系第9页/共73页第九页，编辑于星期五：二十点 六分。树脂含量与拉伸模量的关系第10页/共73页第十页，编辑于星期五：二十点 六分。6.3 FRP增强工程木质复合材料制造 1） FRP增强工程木质复合材料制造要点： 胶合 结合耐久性 偶联剂 材料性能评价方法第11页/共73页第十一页，编辑于星期五：二

8、十点 六分。2 ） 胶接机理 机械理论 吸附和表面反映 静电 内部扩散spreadingpenetrationspreading第12页/共73页第十二页，编辑于星期五：二十点 六分。3)木材胶接注意事项 木材是一个多孔性材料 木材也是各向异性的 木材表面化学（成分）不同 木材会干缩湿涨第13页/共73页第十三页，编辑于星期五：二十点 六分。4)根据来源和当地的环境，木材通常干燥到512第14页/共73页第十四页，编辑于星期五：二十点 六分。5)FRP胶接注意事项 胶接主FRP板是无孔材料 要依靠化学键 FRP的尺寸稳定性要好的多 表面处理很重要（物理的、化学的手段）第15页/共73页第十五页

9、，编辑于星期五：二十点 六分。6)有关木材与FRP的胶接机理 机械理论 化学反应（共价键、酸碱、氢键、范德华力）第16页/共73页第十六页，编辑于星期五：二十点 六分。BFRP拉伸断面的SEM观察 图 a不饱和聚酯拉伸断面 图 b 酚醛树脂拉伸断面 图c 环氧FRP拉伸断面第17页/共73页第十七页，编辑于星期五：二十点 六分。7) FRP与木材胶接的关键问题 增强体的类型（E玻璃纤维还是碳纤维） 胶的耐久性和成本 表面处理和胶的固化操作都是可行的 胶接或者织物润湿是有效的 防腐剂和化学处理对木材性能的影响 环境和长期承载的影响第18页/共73页第十八页，编辑于星期五：二十点 六分。8)木材增

10、强方法 手工涂抹 树脂浸渍(SCRIMP) COMPRIS 连续成型 拉挤成型（酚醛玻纤，乙烯酯玻纤，聚氨酯玻纤） 碳纤维酚醛复合材料（日本开发）第19页/共73页第十九页，编辑于星期五：二十点 六分。9)手工涂抹 最简单而且使用最广 适用于修补和特殊的操作 足够的研究手段 可能对于商用的FRP/木材复合材料的加工不太实际 第20页/共73页第二十页，编辑于星期五：二十点 六分。第21页/共73页第二十一页，编辑于星期五：二十点 六分。10)真空封闭式 可以生产相对大的、高质量低成本的复合材料 生产方式非常多样 对于部分质量，工人的技术很重要 第22页/共73页第二十二页，编辑于星期五：二十点

11、 六分。第23页/共73页第二十三页，编辑于星期五：二十点 六分。11)海用复合树脂灌输模压工艺 SCRIMPTPI复合材料（公司）拥有专利 RTM、VARI和真空封闭式混合物 灌输是通过使用一种表面高渗透的材料达到穿 透整个厚度的效果 SCRIMP方法可以用来制作大尺寸且空隙含量低的 产品第24页/共73页第二十四页，编辑于星期五：二十点 六分。第25页/共73页第二十五页，编辑于星期五：二十点 六分。12)连续层压 应用于当前的木质复合 材料生产工艺相对容易 各种各样的体系，包括 热塑性和热固性的树脂第26页/共73页第二十六页，编辑于星期五：二十点 六分。13)拉挤成型应用于当前的集成材

12、和LVL生产工艺相对容易第27页/共73页第二十七页，编辑于星期五：二十点 六分。14)拉挤成型复合材料示意图第28页/共73页第二十八页，编辑于星期五：二十点 六分。15)碳纤维/苯酚复合单板 单向PAN碳纤维 新颖的酚醛树脂基体 酚醛树脂和浸渍纸形成三明治结构第29页/共73页第二十九页，编辑于星期五：二十点 六分。16)胶合质量检测 剪切测试（木块） ASTM905 循环分层测试 ASTM2559 1类模型破坏测试DCB ASTM D3433，D14胶粘剂委员会 ASTM D5528，D30复合材料委员会 单剪测试（疲劳破坏）第30页/共73页第三十页，编辑于星期五：二十点 六分。44.

13、4 (1.75)50.8 (2)19 (0.75)19 (0.75)50.8 (2)mm(in)FRPWood44.4 (1.75)50.8 (2)19 (0.75)19 (0.75)50.8 (2)mm(in)FRPWoodFor thick FRP materialsFor thin FRP materials17)ASTM905 剪切测试第31页/共73页第三十一页，编辑于星期五：二十点 六分。18)ASTM2559 分层测试第32页/共73页第三十二页，编辑于星期五：二十点 六分。19)木材/FRP界面疲劳性质（两种模型）第33页/共73页第三十三页，编辑于星期五：二十点 六分。20)

14、胶粘剂 酚类胶粘剂 间苯二酚甲醛 苯酚改性间苯二酚甲醛 环氧树脂 异氰酸类 聚氨酯 乙烯酯 聚酯第34页/共73页第三十四页，编辑于星期五：二十点 六分。21)偶联剂 偶联剂对于环氧、聚 酯、聚氨酯、乙烯酯 胶接木材的耐久性有 很大的改善作用。 偶联剂已经用来生产 性能很好的室外的FRP复合材料，这些复合材料是用各种树脂直接将各种FRP粘到木材上去的第35页/共73页第三十五页，编辑于星期五：二十点 六分。22)木材/FRP胶接性能评价的方法论 目标：在相关的性能范围内，确定一整套简单而完整的材料的刚度、强度、韧性和耐久性的测试方法 为改进材料性能规范提供必要的数据和建议第36页/共73页第三

15、十六页，编辑于星期五：二十点 六分。23)长期的性能表现 FRP增强体和FRP/木材胶接界面： 环境 木材防腐剂和处理压力 由于疲劳载荷引起的应力循环和持续载荷引起的蠕变第37页/共73页第三十七页，编辑于星期五：二十点 六分。24)环境 耐水 耐干燥、耐热 结冰解冻循环 模拟室外暴露（UV紫外线） 浸泡干燥循环第38页/共73页第三十八页，编辑于星期五：二十点 六分。25)木材防腐剂和处理压力 油溶性 煤杂芬油 含铜环烷酸盐 水溶性 CCA（大的结构材会产生大的尺寸变化）第39页/共73页第三十九页，编辑于星期五：二十点 六分。26)长期的性能表现指标 FRP的物理力学性能： 玻璃化温度 纵

16、向和横向的拉伸强度 纵向和横向的弹性模量 外观上层间的剪切强度 纵向压缩强度第40页/共73页第四十页，编辑于星期五：二十点 六分。27)FRP/木材界面性能： 外观上的剪切强度 压缩载荷 拉伸载荷 韧性破裂第41页/共73页第四十一页，编辑于星期五：二十点 六分。6.4 FRP增强工程木质复合材料开发与应用6.4.1 FRP增强集成材（Glulam） 6.4.2 FRP增强结构人造板 6.4.3 FRP增强LVL和工字梁 6.4.4 FRP其他工程木质产品6.4.5 FRP修复木结构第42页/共73页第四十二页，编辑于星期五：二十点 六分。FRP-集成材（Glulam） 木材聚合体复合材料

17、FRPglulam 表面加强板 挤压木塑复合材料 贴面板材第43页/共73页第四十三页，编辑于星期五：二十点 六分。北京林业大学BFRP增强结构用集成材开发第44页/共73页第四十四页，编辑于星期五：二十点 六分。第45页/共73页第四十五页，编辑于星期五：二十点 六分。第46页/共73页第四十六页，编辑于星期五：二十点 六分。生产试验材料及产品第47页/共73页第四十七页，编辑于星期五：二十点 六分。图31. Ep-BFRP/结构用集成材组坯示意图第48页/共73页第四十八页，编辑于星期五：二十点 六分。L9 (34)正交试验表竹材类型：1代表展开竹板材；2代表弦向横拼竹板材；3代表径向横拼

18、竹板材。试验号试验号加压时间加压时间 (min)压力压力 (MPa)竹材类型竹材类型11 (60)1 (1.0)1 (1)212 (1.2)2 (2)313 (1.4)3 (3)42 (90)125223623173 (120)1383219332第49页/共73页第四十九页，编辑于星期五：二十点 六分。竹板处理第50页/共73页第五十页，编辑于星期五：二十点 六分。 图34.剪切试件破坏形式 a.木材间的剪切破坏 b. 具有一定木破率 c. BFRP/木材界面破坏 第51页/共73页第五十一页，编辑于星期五：二十点 六分。图3.1试件湿态 图3.2试件干燥后ASTM D2559三次循环处理后，BFRP/木材界面形态，木材/木材界面剥离形态：木材/木材BFRP/木材木材/木材BFRP/木材第52页/共73页第五十二页，编辑于星期五：二十点 六分。剪切试验竹材破坏率45%FRP破坏率40%剪切强度14.2MPa竹材破坏率0FRP破坏率75%剪切强度10.6MPa竹材破坏率7% FRP破坏率25%剪切强度5.4MPa第53页/共73页第五十三页，编辑于星期五：二十点 六分。 浸渍剥离 煮沸剥离第54页/共7