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玻璃鋼復(fù)合材料拉擠型材耐久性概述(一)

時(shí)間：2022-10-11 08:30:04 瀏覽量：

一、走進(jìn)復(fù)材拉擠型材
所謂纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(Fiber Reinforced-Polymer Composites, 簡稱FRP或復(fù)材)，就是由增強(qiáng)纖維材料（玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維等），與基體材料經(jīng)過纏繞，模壓或拉擠等成型工藝而形成的復(fù)合材料。FRP拉擠型材，就是由拉擠工藝連續(xù)生產(chǎn)的長條形FRP制品。

FRP拉擠型材

FRP按照纖維、基體材料不同而分為很多種類，雖性能各有一定差異，但普遍具有輕質(zhì)高強(qiáng)的特點(diǎn)，在建筑、交通、制造業(yè)等領(lǐng)域中都有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢。
FRP在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用歷史較為短暫，現(xiàn)有研究已表明FRP的力學(xué)性能在長期環(huán)境作用下會(huì)表現(xiàn)出不同程度的下降，因此，對(duì)其耐久性的研究將直接影響FRP的設(shè)計(jì)和使用，也對(duì)未來推廣FRP材料具有重要的意義。
土木工程結(jié)構(gòu)往往具有長達(dá)數(shù)十年的設(shè)計(jì)使用壽命，而在試驗(yàn)室環(huán)境下FRP的耐久性試驗(yàn)僅能進(jìn)行數(shù)十個(gè)月。因此，為了測試FRP的耐久性，常在試驗(yàn)室內(nèi)利用有限的時(shí)間進(jìn)行加速老化試驗(yàn)來模擬FRP在數(shù)十年后的表現(xiàn)。自然界的風(fēng)吹雨打等因素，對(duì)FRP的老化起決定性作用的因素有：浸水/潮濕、浸堿溶液、浸酸溶液、高/低溫、紫外輻射、凍融循環(huán)、干濕循環(huán)及其組合作用等。
自20世紀(jì)70年代以來，就有很多相關(guān)的試驗(yàn)，總結(jié)起來，主要是以下幾個(gè)方面：
>溶液條件：浸水條件下FRP的老化嚴(yán)重。水的入侵會(huì)導(dǎo)致纖維和樹脂的界面破壞，從而影響FRP的力學(xué)性能；浸水時(shí)間的增長、堿性環(huán)境和高溫環(huán)境都會(huì)加劇復(fù)材的腐蝕。
>水的溶解作用：水對(duì)FRP的溶解作用受到多方面影響，如溫度、孔隙率等。
>外部應(yīng)力作用：短期來看，纖維在外部應(yīng)力下被拉直，有利于FRP強(qiáng)度的增強(qiáng)；但長期來看，外加應(yīng)力會(huì)增加FRP的吸水率，導(dǎo)致材料的加速老化。
>高溫：高溫對(duì)FRP的抗壓強(qiáng)度、質(zhì)量損失和抗沖擊能力都有顯著的影響。
>低溫：單純低溫條件的影響較小，但在潮濕環(huán)境下，低溫和水入侵的共同作用會(huì)導(dǎo)致FRP內(nèi)部產(chǎn)生裂紋以及纖維和樹脂的界面分離，不利于材料耐久性。
>自然環(huán)境：自然條件下FRP往往面臨多種環(huán)境條件。溫度、水和紫外線的共同作用下，F(xiàn)RP的后固化效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致彈模增大；同時(shí)海水的侵蝕問題往往比陸地上更為嚴(yán)重。
>試驗(yàn)因素：全世界范圍內(nèi)的FRP耐久性試驗(yàn)具有較大的離散度，因此難以直接從試驗(yàn)中得到一個(gè)通用的結(jié)論。FRP材料的離散度主要體現(xiàn)在：
1.老化機(jī)理復(fù)雜，F(xiàn)RP的腐蝕可能發(fā)生在樹脂、樹脂與纖維的界面以及纖維；
2.纖維和樹脂種類繁多，不同的FRP常由不同搭配及比例的纖維和樹脂組成，因此試驗(yàn)結(jié)果會(huì)有差異；
3.FRP生產(chǎn)工藝不同，會(huì)導(dǎo)致材料的纖維含量、材料的組織結(jié)構(gòu)等產(chǎn)生差異，從而對(duì)材料的力學(xué)性能和耐久性能產(chǎn)生影響。
那么，大家關(guān)心的FRP拉擠型材的耐久性究竟怎樣呢？

二、老化機(jī)理
既然FRP在環(huán)境作用下會(huì)發(fā)生老化，那么老化具體是如何發(fā)生的呢？
導(dǎo)致老化有外因也有內(nèi)因，在不同因素的作用下，其老化機(jī)理也有所不同。

1、在浸水/潮濕條件下的老化機(jī)理

FRP在浸水或高濕度環(huán)境下的老化機(jī)理

>纖維：碳纖維和玻璃纖維等無機(jī)纖維不會(huì)吸水，但樹脂吸水引起的微裂紋會(huì)在樹脂和纖維界面擴(kuò)張，最終導(dǎo)致纖維開裂。有機(jī)纖維吸水會(huì)直接導(dǎo)致纖維的膨脹和開裂。
>樹脂基體：環(huán)境中的水主要通過滲透和毛細(xì)現(xiàn)象入侵到FRP中。水入侵后會(huì)引起樹脂的膨脹，產(chǎn)生微裂紋。此外，水入侵使材料產(chǎn)生塑化和水解，導(dǎo)致材料軟化等。當(dāng)干燥后，材料的塑化是部分可逆的，但水解是不可逆的，它會(huì)導(dǎo)致材料永久性損壞。
>纖維-樹脂基體界面：界面為水的進(jìn)入提供了方便的通道，對(duì)于界面質(zhì)量較差的FRP材料，該通道效應(yīng)更為明顯。沿纖維-基體界面吸收的水會(huì)引起界面的溶脹和微裂紋的擴(kuò)散。此外，纖維-基體會(huì)發(fā)生脫膠，部分基體材料可能會(huì)溶解在入侵界面的水中，直接降低了FRP材料的層間剪切強(qiáng)度。
>水入侵的影響：水進(jìn)入樹脂基體和纖維-基體界面可能會(huì)進(jìn)一步加寬初始裂紋，并產(chǎn)生新的裂紋和空隙，從而允許將額外的水吸收到FRP材料中，加劇降解機(jī)制。水的入侵會(huì)影響纖維為主的性能，即拉伸性能，并顯著降低基體和界面為主的性能，即彎曲和剪切性能。

2、在酸堿溶液條件下的老化機(jī)理
堿性和酸性溶液會(huì)以類似于水入侵的方式老化FRP材料。兩種溶液都可以通過滲透作用進(jìn)入材料，之后在基體和纖維-基體界面中引起溶脹，導(dǎo)致微裂紋的形成和傳播，從而降低了材料的強(qiáng)度和彈模。根據(jù)現(xiàn)有研究數(shù)據(jù)，通常堿性溶液對(duì)FRP材料的力學(xué)性能影響更大。

3、在高溫條件下的老化機(jī)理

高溫的降解機(jī)理

高溫與溶液共同作用時(shí)，能夠加速水、堿、酸溶液引起的老化作用；而高溫單獨(dú)作用也會(huì)影響FRP的力學(xué)性能。
高溫會(huì)影響FRP的樹脂基體的粘彈性。當(dāng)環(huán)境溫度接近或高于FRP的玻璃轉(zhuǎn)化溫度時(shí)，樹脂基體軟化，不能在纖維和基體之間傳遞應(yīng)力，從而導(dǎo)致基體彈模降低和纖維-基體界面劣化。因此，在高溫下，F(xiàn)RP材料的失效模式受纖維控制，表現(xiàn)為纖維束的突然脆性斷裂。

4、在紫外線輻射下的老化機(jī)理
FRP在紫外線輻射下易發(fā)生化學(xué)降解，衰老從“皮膚”開始。紫外輻照會(huì)導(dǎo)致樹脂基體表面氧化，破壞分子之間的化學(xué)鍵并影響材料的表面光澤。然而，由于紫外線輻射而降低的機(jī)械性能僅限于材料內(nèi)約10μm深度，對(duì)力學(xué)性能的影響幾乎可以忽略不計(jì)。

5、在凍融循環(huán)條件下的老化機(jī)理
水和凍融循環(huán)的耦合作用可以使浸泡的材料產(chǎn)生老化，但是干燥的材料在凍融循環(huán)下的老化常可以忽略。有試驗(yàn)表明，凍融循環(huán)下的GFRP材料（玻璃鋼）的彎曲剛度不降反升，這是由于樹脂基體在低溫下的硬化行為所致。因此，凍融循環(huán)對(duì)FRP材料的力學(xué)性能沒有明顯的不利影響。

6、在干濕循環(huán)條件下的老化機(jī)理
干濕循環(huán)對(duì)FRP的老化機(jī)理與水溶液所引起的老化機(jī)理相似，本質(zhì)上是水或水基溶液引發(fā)了老化過程。

7、在自然條件下的老化機(jī)理
自然條件下FRP的老化往往是以上各個(gè)機(jī)理的共同作用。

總結(jié)起來，引起FRP老化的長期環(huán)境作用主要有以上幾種，這些外部條件綜合作用于FRP的纖維、基體、以及界面。在定性地分析了老化機(jī)理之后，讓我們來看看具體的試驗(yàn)數(shù)據(jù)吧。
未完，接下頁，玻璃鋼復(fù)合材料拉擠型材耐久性概述（二）

文章來源：FengSLab

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