第十三讲玻璃钢_复合材料产品设计

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1、摊 书 嘴布心沁心气 墓础知识讲座葵 海默默翔翔拟冷劣 第十三讲玻璃钢复合材料产品设计 张崇杰 上海玻璃钢研究所 玻璃钢是一族材料的总称 , 它的许多优异 性能是通过设计才能在具体的玻璃钢产品上反 映出来 。 选择不同的树脂基体和纤维织物 , 可 以设计出各种不同性能的玻璃钢 。 当设计一个 玻璃钢制品时 , 就要 根据制品的使用要求 , 认 真研究 怎样才能充分利 用玻璃钢的特性 。 对于 不同的制品要用不同的玻璃钢 来制造 , 这已经 成了人们的常识 , 但也不能否认还存在用一种 玻璃钢 来制造各种产品的现象 , 这往往是导致 产品失败的原因 。 材料设计与产品设计同时进行是玻璃钢的 特点

2、之一 , 在制备材料的同时就制成了结构物 本身 。 如果说对金属等常规材料是根据产品要 求选择材料 , 那末对玻璃钢就有可能根据产品 要求设计材料 。 要设计一个好的玻璃钢制品 , 设计工作者除了要对产品的受力情况 、 使用环 境等了解清楚 外 , 还要对组成玻璃钢的原材料 性能及以成型工艺等有充分的认识 。 下面讨论 玻璃钢产品设计 中应注意的几个问题 。 是当温度到达某一值时 , 力学性能急剧下降 , 我们称这温度为临界温度 。 不同树脂基体有不 同的临界温度 。 一般 来说酚醛玻璃钢的临界温 度较高 , 环氧其次 , 聚醋较低 。 聚醋 玻璃 钢的弯曲强度 一温度曲线如图 所示 。对用不

3、 同 经纬比的玻璃布制得的玻璃钢进行试验 , 其临 界温度没有变化 , 这主要是树脂到达临界温度 时软化不能承力所致 。 当设计有温度要求的玻 璃钢制品时 , 就要把重点放在选择树脂类型 、 固化剂体系以及高温后处理工艺上 。 常用室温 固化聚醋玻璃钢的临界温度约在 左右 , 因 此 , 一般可用来制造室温下工作的产品 。 进一 步 的试验还表明 , 临界温度与拉 、 压 、 弯三种 受力形式无关 。 本嘴, 十 备 一 、 选用树脂基体的基本原则 书 之 日 。 一 的月 。 工 匕 视浪月箭 树脂基体在玻璃钢中的作用一方面是将分 散的纤维粘结成一个整体 , 同时已 固化的树脂 又是玻璃钢的

4、一部分 。 基体的性能将直接影响 玻璃钢的力学 、 物理 、 化学等性能 。 玻璃钢的耐温性能是由树脂确定的 。 玻璃 纤维的热稳定性较好 , 软化温度约 , 并 能在 以下正常工作 。 而树脂的耐温 性是 较低的 , 力学性能都随温 度升高而降低 , 特别 石 牛卜气卜咋 介。 温度 , 图室温固化聚醋玻璃钢弯曲 强度随温度的变化曲线 玻璃钢 的耐腐蚀性能也是由树脂决定的 。 表列出了聚醋玻璃钢在酸 、 碱等化学介质中 浸饱个月后的弯曲强度保留率 。 从表中可看 出 和聚醋玻璃钢的耐酸性能较 好 , 聚醋玻璃钢的耐碱性能较好 , 并且都 有 较 好的耐油性能 。 酚醛玻璃钢一般都具有较好的

5、,耐酸 性能 , 但耐碱性能较差 。 耐碱性能较好的 不同牌号聚醋玻璃钢在酸碱等介 质中漫泡个 月后的弯曲强度表 弯曲强度保留率终 硫酸 解 一 。 盐盐酸酸硝酸酸 杯 砚 耳 二兰 一竺一 是丁苯玻璃钢 。 当把玻璃钢作为防腐材料时 , 力学 性 能 的要求不常是主要矛盾 , 关键的是制品的耐腐 蚀性能 , 而试件的耐腐蚀性能 , 往往用试件在 腐蚀介质中的重量变化来衡量 。 耐腐蚀性好的 材料 , 重量变化小 , 而耐腐蚀性差的材料 , 重 量变化就大 。 表列出了各种玻璃钢在不同浓 度的酸碱介质中的重量变化 。 玻璃钢产品的工艺性能主要取决于树脂 。 不饱和聚醋树脂能在常温 、 接触压力

6、下 固化 , 具有较好的工艺性能 , 因此适于制造船壳 、 车 身 、 雷达罩 、 波形 瓦等大型的手糊制品 。 另外 , 一些力学性能如玻璃钢的压缩强 度 、 剪切弹性模量和强度 、 疲劳强度等也都与 树脂的内聚强度以及它对纤维的粘结力有关 。 卜 阵 卜 协 一了 口 通 连 一 通 一一 。 曰红。 一 遗 通 岁 口一 一 ” 月下笋乙刀片了一一一一肉了乙口“户一 去另,幻的 户,妇一,曰八今曰一一,内出丫 口 一比从一 号 山闻” 月 匕曰 甘甘 树 、 几种玻璃钢在酸碱介质下漫泡一年后的重量变化百分 比 卜 、 示 、 质 玻璃钢种类 山勺 廿 ,曰 占,二 一 八讨 一 一 踌鸯

7、万 一 。 聚酷 玻璃钢 味喃一环 环氧 氧玻璃钢聚酉 旨玻璃钢 聚西括 玻璃 训 表 不下下不 , 碱布玻璃钢玻璃钢 氢氧化钠 一 一 一 丁苯 玻璃钢 一 。 一 , 。 , 二二 一 一丝上 一 玻璃钢 一 十一 十 , 一卜 十 卜 一一 十 从 一 疏 盐改 一 一 一 。 一 十斗 一十 , 一 一 二 一 一 一 十十 十 一 二 、 选用增强材料时应考 虑的几个问题 单向玻璃钢可以用单丝 片或股纱在一个方 向上铺陈 。 对于荷载情况清楚而产品的重量又 要求比较严格的产品 , 可以考虑用这 种铺陈 。单 向玻璃钢的力学模型如图所示 , 力学性能可 以用混合定律估算 , 模量与强度

8、表达式如下 丫 万氏 玻璃纤维有较高的拉伸强度和扬氏模量 , “ , , , 与树脂基体相比 , 强度和模量均约高倍 。 因此 在分析玻璃钢的强度等力学特性时 , 可以把纤 维作为矛盾的主要方面来考虑 。 对于受力结构 产品 , 合理使用纤维成了设计的中心问题 。 在 设计产品时 , 一般有下列三种类型的玻璃钢 、 单向玻瑞钢 犯圃 图单向玻璃钢的力学模型 二 。, 十 。 一 , 。 二 二 十 一 , 一 林 二 协 , 卜 一 式中 、 林一一分别为扬氏 模量 、 剪 切模量 、 泊松比 一一截面积分数 下标 、 一一分别表示纤维 和 树脂 基体 多 下标 、 一分别表示沿纤维 方向 和

9、垂直纤维方向 。 二 , 一 二 。 了。 式 中 。、 分别为拉应力和 剪 应 力 。 由此可知 , 单向玻璃钢的强度和弹性模量随树 脂含量的增加而减小 。 从上面的分析中可见 , 纬向强度很弱 , 不 利于充分利用玻璃钢的单向力学性能 , 所以在 设计手糊成型的制品时 , 常使用有一些纬向纤 维的单向织物 , 如单向布等 。 应注 意的 是 , 纬纱量不宜过少 , 最少的纬向纤维量是这 样考虑的 , 即在树脂开裂后 , 在纬向仍有相 当 于树脂抗力的纤维量在承受荷载 , 纬向纤维所 占的面积分数 , 为 二 。 通常 , 纬向纤维量应占横截面积的一 , 以树脂含量为计 , 则纤维截面积含

10、量 为 , 经纬纤维量比为 , 一 , 。 、 双向玻璃钢 双 向玻璃钢可以用 玻璃布或单丝片作 “、 。 铺 陈 , 在及 。 方向上可以有相同的强 度或弹性模量 , 也可以有一定比例的强度和弹 性模量 , 其数值是较高的 , 但在 。 方向上则 较低 。 对 于一般矩形或近似矩形的平板或薄壳 形构件 , 可以设计成这类铺陈 。 其弹性模量及 弓虽度估算如下 ,。 一 , 。 二 一 纬向强度和模量也可用 同样方法求得 。 、 准各向同性玻璃钢 准各向同性玻璃钢可以用短切纤维预混料 压成也可以用短切纤维毡制成 , 其树脂含量 范围为 , 或可以用玻璃布作 、 士 、“ 铺陈 , 其纤维含量在

11、左右 。 这类玻璃钢在铺陈平面 内各个方向上有相同的 强度和弹性模量 , 但其绝对值是低的 。 对于强 度和刚度要求不高的产品 , 或者对于荷载情况 不甚清楚而只能要求各向同性性能时 , 可 以 选用这种类型 。 短切纤维毡除了能设计准各向 同性玻璃钢用 之外 , 还用来提高玻璃钢的层间 强度 、 冲击性能以及制作防渗漏 、 耐腐蚀用的 富树脂层等 。 图绘 出了三种玻璃钢的方向性性能 。 卜 准 兰 叭 。 巧 二钻 夕 一再几奋 一 一一 加一一 一 了 口片 咚 。 。 。 夕矿 单向玻璃钢双向玻璃翎各向同性玻璃钢 图三种玻璃钢的方向性性能 知道了弹性主方向的弹性常数以后 , 任意方向弹

12、性常数可由下式求得 建 二 二 欲一 “ 武 一 “ 冻一 益 “ ” 卜 , 件。 十 “口 , 卜 丁 、瓦 丫 一它 丁 下 厄于 一 分 夕 下标 、 表示在座标系中的与方向 夕表 示轴与轴的夹角 。 在玻璃钢复合材料制品中 , 除了大 量 使 用玻璃纤维以外 , 当对制品的重量 、 强度 、 刚 度等有特殊要求时 , 有时也使用碳纤维等其 它高性能的纤维 。 碳纤维是五十年代发展起来 的一种新材料 , 它与其它材料相比 , 其特点主 要是比重轻 、 比强度高 、 比模量高 、 导 电性能 好等等 。 目前产量还不高 、 日本占首位 。 碳纤 维又分为高强度纤维简称 、 高模量 纤 维

13、简称和一般性能纤维简称 三种 。 但由于碳纤维的价格较贵 , 应用还不 普遍 , 目前大多与玻璃纤维等混杂使用 。 在玻璃钢制品中 , 安全系数取多大 , 还没 有一个统一的标准 。 对于大型制品一般可参用 下 列数值 正常情况 短期静载 二 一 长期静载 交变荷载 重复冲击荷载 二 也可用在金属材料的安全系数上进行修正的办 祛 。 表列 出了玻璃钢与钢相比较时应考虑的 附加安全系数 。 一般情况下 , 玻璃钢制品的安 全系数可近似地取钢材安全系数的倍 。 玻璃钢对于钢安全系数的附加系数表 三 、 一些基本结构的设计 、 拉伸构件 由于玻璃钢具有相当高的拉伸强度 , 且此 用玻璃钢制造受拉结构

14、物是合适的 。 最常用的 是容器 、 管道类的产品 。 这类结构物是双向受 拉的构件 , 多数采用玻璃纤维粗纱缠绕或玻璃 布带卷绕等方法制造 。 图所示为玻璃钢压力 容器 , 容器的周向应力往往是纵向应 力的 倍 , 因此设计时也应该把周向纤维量设计成 纵 向纤维量的倍 。 但目前还有一些压力容器 如贮罐等是采用平衡型布铺设的 , 这样纵 向纤维不能充分利用 。 也可以用单向纤维作 双螺旋缠绕 , 其缠绕角 , 缠绕方案 很多 , 不在 赘述 。 刃玻瑞布擞绕 湿态强度降低 材料性能离散性 没有屈服点 缺口敏感度及其它 勿单向 纤维缠绕 长期荷载追加安全系数 图玻璃钢压力容器 、 弯曲构件 玻

15、璃钢的弹性模量是低的 , 常用的双向坡 璃钢 , 其主 向弹性模量仅为钢材的 。 如果 一 以比刚度这个指标来衡量 , 那么玻璃钢的比刚 度仅与木材相 当 。 因此 , 当设计有刚度要求的 结构物时 , 应注意到这一点 。 但结构物的刚度既 与材料的弹性模量有关 , 也与结构物的形状有 关 。提 高刚度要从两方面考虑 , 一是寻求多种高 模量的材料二是利用玻璃钢的易成型性 , 把截 面形式尽量设计成曲面杂形结构或夹层结构 , 来提高玻璃钢制品的刚度 。 图是两块重量几 乎相等的玻璃钢层合板 , 通过比较可以发现 , 单层板改成夹层板后 , 弯曲刚度可 提高约 倍 。 前还没有较好的办法 , 因

16、为它的破坏机理还不 清楚 。 在结构设计 中 , 对于玻璃钢压缩强 度可以用它的拉伸强度 , 但对于单向玻璃钢 , 则只能用拉伸强度的 。 在设计受压构件时 , 必须注意的一个问题 是失稳 。 玻璃钢的弹性模量是低的 , 要提高临 界力就要增大截面惯性矩 , 也就是使材料尽可 能分布到离截面主轴较远的地方 。 用圆管作为 承压构件是比较恰当的 。 外压容器是较好的受 压构件 , 应用在海洋深潜等领域 , 前途是光 明 的 。 四 、 选择成型工艺 , , 图单层板与夹层板的刚度比较 、 剪切构件 玻璃钢的剪切弹性模量也比较低 , 金属的 剪切模量约为拉压弹性模量的理 。 , 玻璃钢却 要小得多 , 双向玻璃钢一般只有 , 而单向 玻璃钢的剪切模量只有主弹性模量的 。 所 以 , 在设计有抗扭要求的制品时 , 不能掉以轻 心 。 有时虽可以用栖牲一些纵 向弹性模量的方 法来换取剪切模量的提高