玄武岩纤维/环氧树脂复合材料的湿热老化及高温性能研究

论文摘要

纤维增强复合材料(FRP)以其优异的力学性能和耐腐蚀性能,被认为是解决钢筋锈蚀问题的有效途径之一,正逐渐受到世界各国的重视。但是由于高分子复合材料的耐久性问题没有金属材料研究地那么深入和广泛,并且FRP的树脂基体抗高温性能较差,FRP性能退化机理、高温使用数据的缺少等都限制了FRP在土木领域上的应用。本文采用升温加速试验方法,系统研究了单向连续玄武岩纤维布增强环氧树脂(BFRP)湿法成型片材在蒸馏水和碱溶液浸泡下的长期性能退化行为,考察了BFRP片材的拉伸强度、弹性模量、伸长率、微观结构、玻璃化温度及显微硬度等性能随浸泡时间的变化规律。结果表明,BFRP复合材料片材浸泡于蒸馏水及碱溶液1.5年,其吸水过程符合两阶段模型和Langmuir模型,最大吸水量随浸泡温度和时间增加而不断上升。BFRP片材浸泡在蒸馏水和碱溶液内,树脂基体降解、纤维/树脂界面脱粘、纤维被刻蚀破坏等,导致BFRP材料拉伸强度的大幅度下降。由于树脂基体易燃烧,高温下容易软化、热降解,FRP及其增强结构高温火灾下的应用与安全设计是影响FRP在土木工程应用的关键因素之一。本文研究了单向连续玄武岩纤维/环氧树脂复合材料湿法成型片材在高温中及高温处理后的拉伸性能与玻璃化转变温度的变化。试验表明,当拉伸温度超过其玻璃化温度以后,BFRP片材的拉伸强度迅速下降,并随着温度的升高(低于350°C),其强度趋向一稳定值,约为其室温性能的50%左右;其相对拉伸模量随着温度升高而直线下降。经高温处理并冷却到室温后,BFRP片材的力学性能大部分得到恢复,材料拉伸强度的下降量与其重量损失量成线性关系。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 1.2 FRP复合材料湿热耐久性研究
• 1.2.1 湿热环境对FRP复合材料性能的影响
• 1.2.2 FRP在湿热环境中的水吸收过程
• 1.2.3 国内外对FRP复合材料耐久性能的研究现状
• 1.3 FRP高温性能研究
• 1.3.1 FRP复合材料的高温力学性能
• 1.3.2 FRP高温力学性能国内外研究现状
• 1.4 本文主要研究工作
• 第二章 实验部分
• 2.1 实验原料
• 2.2 试样制备
• 2.3 实验设备
• 2.4 湿热老化试验研究
• 2.4.1 加速试验条件
• 2.4.3 耐久性能研究试验方案
• 2.5 高温性能试验研究
• 2.5.1 高温中BFRP片材的力学性能测试
• 2.5.2 高温后BFRP片材力学性能测试
• 2.6 试验方法
• 2.6.1 力学性能测试
• 2.6.2 质量变化率测定
• 2.6.3 玻璃化温度测量
• 2.6.4 显微硬度测试
• 2.6.5 SEM观测
• 第三章 BFRP片材在蒸馏水及碱溶液浸泡下的耐久性能研究
• 3.1 BFRP复合材料的水吸收与扩散
• 3.1.1 蒸馏水浸泡下BFRP片材的水吸收与扩散
• 3.1.2 碱溶液浸泡下BFRP片材的水吸收与扩散
• 3.2 BFRP片材的力学性能
• 3.2.1 蒸馏水及碱溶液浸泡对BFRP片材拉伸强度的影响
• 3.2.2 蒸馏水及碱溶液浸泡下BFRP片材的强度寿命预测
• 3.2.3 蒸馏水及碱溶液浸泡下BFRP片材的极限伸长率变化
• 3.2.4 蒸馏水及碱溶液浸泡下BFRP片材的弹性模量变化
• 3.2.5 干湿BFRP片材的力学性能
• 3.3 BFRP拉伸片材断口SEM分析
• 3.3.1 BFRP拉伸断口纤维表面变化
• 3.3.2 BFRP拉伸断口纤维与树脂的粘结SEM照片
• 3.4 BFRP片材的显微硬度
• 3.5 BFRP片材的玻璃化温度
• 3.6 本章小结
• 第四章 BFRP片材的高温性能研究
• 4.1 高温中BFRP片材的力学性能
• 4.1.1 BFRP片材的纤维含量
• 4.1.2 高温中BFRP片材的拉伸性能
• 4.1.3 BFRP片材高温中拉伸后的玻璃化转变温度
• 4.2 高温处理后BFRP片材的力学性能研究
• 4.2.1 高温处理后BFRP片材的拉伸性能变化
• 4.2.2 高温处理后BFRP片材重量变化
• 4.2.3 高温处理后BFRP片材玻璃化温度变化
• 4.2.4 高温处理后BFRP片材的显微硬度变化
• 4.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢