柔性复合材料的发展现状与展望

1、天津纷织工学院学报一九/ 又/又3期年第JO U R N A L O F T IA N JININ S T IT U T E O FN o 。 3( 1 9 8 8T E X T IL E S C I丑 N C E A N D T E C H N O L O G YS U M N o 。 1 8柔性复合材料的发展现状与展望汤宝润摘要本文 对当前正在迅速发展的 柔性 复合材抖作 了介绍 。 文 中分析 了关于 此类材 料的研究 、 开 发 的现状, 并对 其未来发展趋势作 了展 望和探讨。关健词:柔性复合 材料, 土 工布 , 帘予布。柔性复合材料在当代人们生活 、 工业和工程上的应用 日益广泛

2、。 柔性材料也可以称为柔性 复合材料。 现在, 一般是将两种以上的柔性材料, 或两种以上的不同模量的柔性材料所组成 的新材料, 定义为柔性复合材料。 例如橡胶 与帘子布组成的轮胎及传送带,沥青与基布组成的油毡, 不 同纤维混合所织造的混纺织物, 以及各种聚醋纤维用粘合剂而制成的土 工布等均属于柔性复合材料。 但是, 国内对正在迅速发展的柔性复合材料的宣传甚少, 在理论研究上较少而又不系统。 为待根据应用上的要求进行实验, 并总 结其柔性复合材料的 内在规律, 促进柔性复合材料的发展。近几 年来, 在工程上兴起的柔性复合材料有: 弹性铺覆涂层织物、 大地薄膜和土工布等, 在土建、 水利及交通工程

3、上有较多的应用。 例如弹性铺覆涂层织物已广泛用于 充气建筑物和各种类型的平面承重建筑物, 在这些建筑物的应用中, 它能 以最少的材料获得最大的跨度和覆盖面积, 这样的予应力平面结构是 由高强合成长丝 织物经聚合物双面涂层而成, 它的基本性能有: 既防水又不透气, 机械强度高, 不易变形, 坚牢度好。 大地薄膜在2 。年前才间世, 其产品有均匀的单层薄膜和强化多层薄膜 , 它具有不透水、 柔性好、 伸缩性好等特性, 多年来一直用于水利工程中加固泥土 堤坝, 并以此 来 抑 制 水流。 土工布在土建和水利工程中有许多新用途, 通常是为排水、 过滤、 分隔、 加固、 防侵蚀 和抗化学等主 要性能。

4、为此, 人们必须根据不同用途, 正确地选择机 织物和非织造布柔性复合材料, 在很多情况下应按技术和经济情况选用不 同的土工 布, 并 以此解决土工布的技术要求。柔性复合材料科学是研究材料的流动和变形的科学。 这种材料既不服从胡克定律也不服从牛顿定律, 它界于胡克固体和牛顿液体之间的一种复杂材料。 柔性复合材料均属本文于 IQs 了年一1 月2 吕日收到1 了了于高分子材料和纺织材料的组 合材料, 按它的性能和应用条件来说, 属于 复杂材料。早在1 0 多年前, 人们就知道并非所有的材料都服从胡克定律或牛顿定律, W e b c r 在 1 8 3 5 年发现, 当一个荷载作用 在一 根丝 绸线

5、上时, 产生一个如同胡克定律所表 示 的 伸长 , 此时伸长是瞬时产生的, 称为 瞬时弹性变形, 随着时 间的延长而伸长, 称为缓弹性变形, 但伸长不遵守胡克定律, 随着再继续延长时间而出现 的流动, 称为塑性变形。 另外 ,当卸去荷载时, 立即产生一个收缩, 其收缩与时间无关, 接着随时间的延长其收缩直至 达到初始长度, 或者随着时间的延长其流动部分的伸长不能完全恢复到初始 长度。经w e b e r 的实验证实某些材料的伸长依赖与时间, 由于这些观察导致B 。 lt z m a n n 在1 8 7 4年提出如下假设及本构方程: ,应力的现在状态。 ( )t 依赖于材料过去的和现在的应变。

6、 ,在全部时间内, 应力和应变之 间关系都是线性的, 并且可 用叠加原 理。在此假设的基础上 ,B ol tz m a n n 得到本构方程为 :a ( t卜B (卜t , )d e ( t产)d t ,!d t ,其中B ( t 一 t ) 是记忆函数, 通常假定材料有一个衰减记 忆, 也就是远过去的变形 比近过去的变形对cT ( t) 的 影响要小。、 目前常用代 表粘性材料的粘壶 和代表弹性材料的弹簧而组合, 可得到B ol tz m a n n 本构方程的表达式, 这是 线性粘弹性材料本构方程, 而线性粘弹性的研究, 开 始 于 上 世纪 , 一直到本世纪初5 。年代达到它的成熟阶段。

7、 力学家实测 了许多材料, 特别是高分子材料的蠕变和松弛函数, 并记录了这种材料函数随温度的变化, 只要是小变形的 , 能够得到理论和实验很好地符合, 也可以说研究柔性复合材料处于低应变的物理非线性时,仍可采用小位移及小应变假设, 这种非线性机理是物理损伤, 功一能升温软化和 时效。在工程上, 习惯根据应力应变曲线的形状来判断材料是否属于物理非线性。 但这对柔性复合材料并不适用。 这时需要进行 比例性和叠加性两种检验, 并且根据等时性应力应变曲线来反映柔性复合材料的物理非线性, 在恒定应力作用下 蠕变实验可看到等时应力应变曲线, 它反映柔性复合材料的物理非线性。 为此, 目前有三类方法表征柔性

8、复合材料的物理非线性, 即采用经验方法、 理性方法和半经验法。 经验方法是纯工程性的,它认为存在着经验的状态方程f ( 。 , e , t , T ) = O , 它只能代表一 定范围 内的柔性 复合材料 函数, 不易推广为本构方程, 同时, 它的应用范围受到了局 限性; 理性方法, 无论是从建立应变能 函数着手的G r e e n 方法, 还是直接假定本构泛函 的C ua h y 方法, 都必须采用非线性泛函展开定理 , 用线性泛函的多重积分来表达本构泛函, 但材料函数的数目多, 所以并未获得工程上应用; 工程上 认为最有效的是半经验的单重积分方法, 在解释粘弹性体大变形时, S m i h

9、t 曾对线粘弹性理论作半经验的扩展, 并在应用中获得满 意的结果。 柔性复合材料是兴起的分支, 它以粘弹性力学为理论基础, 同时与石油化学和纺织材料有密切的联系。 目前 , 较多地应用于水利工程、 道路工程、 铁道工程、 房屋建筑、工业产品和人们生活上穿着等领域。 例如土工织物, 在设计时要考虑土 工织物的特性,11母:宾片二.一种是水力学 特性: 如织物孔径、 孔隙率和渗透性等; 一 种是机械特性: 如织物的应力应变关系 、 拉 伸强 度、 撕裂强度、 顶破强度、 冲击强度、 模量 、 摩擦性能、 蠕变和应力松弛等; 一 种是耐久性: 如抗日光、 耐高温、 抗化学侵蚀和抗生物分解等, 另外还

10、要考虑的是物理特性: 如厚度和重量等。根据柔性复合材料的应用条件及所研究的问题分别论述如下 :土工织 物土 工织物是近 年来兴起的一 种新型材料, 它具有强度高, 造价低廉, 施工简便, 易于 保证工程质量 , 反滤效果好等优点, 在欧美、 日本和我国已经普遍使用, 但在计算和实验方 法上还不统一, 缺少国际 和国 内的统一 标准, 为此, 根据使用条件需要研究以下几个方面 的问题 : 应力应变特性, 土 工织物作为加强材料, 当土工织物埋在土 体中计其应力应变特性 比未埋在土体中土工织物的应 力应变特性会得到明显的改善 , 但在设计时 往往 忽略了这个有利因 素, 其原因是设计者很难掌握土体

11、内土工织物的各种特性, 顶 破强度和 冲击强 度等, 对土工织物的强度必须经得起运输搬动和施工操作, 所有这一切都要土工织 物具有一定的顶破强度、 撕裂强度和冲击强度等, 拉伸特性, 土工织物在拉伸时沿着织物平面均匀承受荷载, 同时有方向性, 而拉力大小决定于整个土 体结构变形, 拉伸性能通常是 由垂直于织物平面的局部冲击力引起的, 一般认为单 向拉伸试验可广泛用于评 价土工织 物的特性。 但土工织物均是埋在土 体内部, 而试验并不能完全描述土工织物的准确的应力应变关系, 为此试验 结果与实际应用不相符合, 有待对试验模拟实际应用间题需要深入研究。 另外 , 拉伸时加荷速率及温度等均影响试验结

12、果; 蠕变和应力松弛, 土工织物常常应 用于永久性工程中, 而蠕变和应力松弛在设计中作为主 要考虑的因素, 为此 , 必须深入地研究土工织物 的应力应变关系, 以及土 体和织物间荷载转换机理, 为 弄清土 工织物在长期荷载作用下蠕变和应力松弛特性, 利用土 工织物的蠕变特性改善土工结构的稳定性和防 止滑动间题, 另外土工织物发生 应力松弛且不能承受设计要求的荷载, 使得土 工结构的稳定性可能会迅速发生变化, 造成无任何先兆 而 破坏 ,尽管满足蠕变和应力松弛的要求, 由于使用条件时温度变化也可能使土 工结 构破坏 。轮胎橡胶与帘子布复合而成为轮胎, 其中帘子 布主要是为了加强橡胶的作用, 防止

13、轮胎膨胀, 因此 , 帘子布具有特性为: 强度高、 耐疲劳性好、 与橡胶粘合性好和尺寸稳定性好等。工业建布机织物或非织造织物的网袋, 对工业生产所带来的污染气体进行过滤, 为了 防止筛眼堵塞, 要求过滤网袋应保持振动状态, 使得流入的气体产生波动, 在这过程中滤布易受应力作用而变形, 同时滤布由于摩擦而产生磨损, 滤布的力学特性随着操作温度而变化。 为此, 必 须研究滤布的应力应变使用条件。安全带安全带在长期使用过程中产生的周期性应力应变、 冲击强度、 磨损和蠕变等特性,为此研究适应各种恶劣条件下可靠性问题,绳家11夕目前在大力开发海底的矿产资源 , 使矿物采集提升到陆地。 或油 田 的 挖掘

14、 飞 听使川的绳索要求强度 高和耐 久性能好 同时 要求既轻 又柔性 好, 必须对复合绳索的强度、 令形和模量进行实验研究。屋面防水材料目前多数油毡都用非织造 布作为基 布, 要求油毡保持防水特性, 但 由丁汐卜界环境温度变化, 使其尺寸有所变化。 为此 , 必须研究在温 度变化情况下油毡的强度 、 断裂和沥青的流变等问题。防火工作服防火工 作服是阻止 热量传递到皮肤的隔热材料, 同时 要求工作服穿着舒适 , 为了保持工 作服具有舒适性 , 必须满足一 定的力学性能: 如弹性 、 强度 、 变形和抗弯刚度等。除上所 述外, 柔性复合材料在服 装、 装饰、 医用卫生 、 电工绝 缘材料及包装材料

15、等方面 广泛应 用, 研究的间题较复杂, 其中很多问题 急待探讨。参考文 献1 汤宝润 柔性复合材料的流变特征研究流变学进展 ( I )成都科技大学出版社1 9 8 7 年2 S e e o n d In t e r n a t io n a l e o n fe r e n e e o , : G e o t o x t ilo s (IV ) 1 9 8 3 i三简讯我院计算机服装辅助设计系统通过市级鉴定我院 自动化系副教授李兰友、 顾葆琴、 康健宁等五位同志共同研究成功的计算机服装辅助设 计系统 于1 9 8 8 年 5 月2 4 日通过市级鉴定。 与会专家经过科学分 析和现场考察以 后, 一 致认为该系 统的设 计能力 已达到国内先进 水平。 这 套汁算机 服装辅助设 计系统可进行服装样片设计、 衣片摧板、 人机交互 排料、 储存等项复杂技术工作。 并且有操作方便和较高的实用价值。 在我国当前服装工业迅 猛发展 的条件下; 该系统 特别受到有关中小服装企业、 厂 家的重视和欢迎。( 部平 明 )程启教授与朱钱敏合作编译的 服装设计基础 一书出版我 院服装系程启教授与朱钮 敏合作编译的 服装设计基础