纤维增强聚合物混凝土及其界面与阻尼机理研究

摘要

精密和超精密机械加工技术的发展和进步对机械加工设备加工精度的要求越来越高，机械基础件的材料对机械设备的性能特别是加工精度影响很大，研究开发新型的机械基础件材料是提高机械加工设备综合性能的有效手段之一。聚合物混凝土（Polymer Concrete，简称PC）具有良好的阻尼减振性能，用于制作机械基础件可以有效地提高机械加工设备的加工精度，受到了广泛关注。 本文首次将玻璃纤维和碳纤维应用到聚合物混凝土中，开发出可用作机械基础件材料的玻璃纤维增强聚合物混凝土（Glass Fiber Reinforced Polymer Concrete，简称GFRPC）和碳纤维增强聚合物混凝土（Carbon Fiber Reinforced Polymer Concrete，简称CFRPC），统称为纤维增强聚合物混凝土（Fiber Reinforced Polymer Concrete，简称FRPC）。 本文对纤维增强聚合物混凝土的组分特性、制作工艺、界面作用机理、阻尼减振机理和力学性能等方面的作用机理进行了系统研究，提出了适用于纤维增强聚合物混凝土的制作工艺；研究了纤维增强聚合物混凝土各相成分之间的界面作用机理，建立了界面结合的化学模型和物理模型；分析了纤维增强聚合物混凝土的阻尼减振机理，提出了其阻尼损耗因子和阻尼比的计算模型；研究了纤维增强聚合物混凝土中各相组分的用量和工艺等因素对其力学性能的影响，为优化纤维增强聚合物混凝土的配比、提高复合材料的性能提供了依据。 原材料是决定纤维增强聚合物混凝土性能的重要因素，本文系统研究了纤维增强聚合物混凝土各原材料组分的物理和化学特性，选定环氧树脂作为粘结剂并确定了所需的固化剂、稀释剂、增韧剂等处理剂，详述了环氧树脂在固化剂作用下的固化机理，介绍了纤维增强聚合物混凝土中所需骨料和增强纤维的性能要求和特性。 在理论分析的基础上，试验研究了纤维增强聚合物混凝土的制作工艺，制定了适合本文所选原材料的生产制作工艺流程。详细介绍了增强纤维的表面处理、纤维增强聚合物混凝土的成型工艺、半成品的养护工艺、脱模剂的选择、纤维增强聚合物混凝土机械基础件的设计原则以及产品的后续加工工艺等，建立了纤维增强聚合物混凝土从原材料预处理、复合材料的制备到产品结构设计和生产全过程的工艺流程体系。 分析了纤维增强聚合物混凝土的界面作用机理，建立了增强纤维与环氧树脂基体之间的化学键连接模型，以及花岗岩骨料颗粒与环氧树脂基体之间界面的物理作用模型。增强纤维表面处理后会在表面生成一些活性基团，这些基团可以与环氧树脂基体中的环氧基等活性基团发生化学反应，生成键能较大的化学键，使环氧树脂基体与增强纤维结合为一个整体。花岗岩骨料与环氧树脂基体之间的作用力有液体对固体的表面浸润作用以及固化后的环氧树脂基体与花岗岩骨料之间的机械锁结作用，两相之间通过物质的界面能、分子间相互吸附作用的范德华力和机械作用力实现界面结合。 研究了纤维增强复合材料的阻尼减振机理，分析了纤维增强聚合物混凝土阻尼性能的主要来源和影响因素，提出了纤维增强聚合物混凝土的阻尼损耗因子和阻尼比计算模型。纤维增强聚合物阻尼的主要来源是复合材料的基体，包括环氧树脂基体、花岗岩骨料颗粒和增强纤维本身的阻尼，其它因素引起的阻尼（界面阻尼、热弹性阻尼、粘塑性阻尼和材料破坏引起的阻尼等）对复合材料的阻尼性能也有一定影响。设计了两组正交试验研究纤维增强聚合物混凝土的各种组分的用量和配比以及不同的纤维种类对其阻尼性能的影响，得出了不同因素对复合材料阻尼性能的影响规律。 通过正交试验研究了原料配比等因素对纤维增强聚合物混凝土力学性能的影响（以抗压强度为衡量指标），得到了各因素对复合材料力学性能的影响规律，可以作为优化纤维增强聚合物混凝土原料配比的依据。正交试验研究了玻璃纤维增强聚合物混凝土和碳纤维增强聚合物混凝土的力学性能差异，以及增强纤维的长度和用量对复合材料力学性能的影响。由于碳纤维的力学性能优于玻璃纤维，在聚合物混凝土基体中可以承受更大的应力作用，对聚合物混凝土的增强效果优于玻璃纤维。对纤维增强聚合物混凝土机械基础件的动态性能进行了计算机仿真，并与灰铸铁基础件进行了比较，结果证明纤维增强聚合物混凝土具有更好的效果，是精密机械加工设备的理想基础件材料。

目录

文摘

英文文摘

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第1章 绪 论

1.1混凝土聚合物复合材料概述

1.1.1混凝土聚合物复合材料的分类

1.1.2聚合物混凝土的应用

1.1.3纤维材料对聚合物混凝土的增强

1.2机械基础件的性能要求

1.2.1刚度要求

1.2.2动态特性要求

1.2.3热变形要求

1.2.4机床基础件常用材料现状

1.3纤维增强聚合物混凝土在机床基础件方面的应用

1.3.1国外研究现状

1.3.2国内研究现状

1.3.3存在的问题

1.4复合材料界面机理的研究现状

1.4.1界面浸润理论

1.4.2化学键理论

1.4.3变形层理论

1.4.4拘束层理论

1.4.5可逆水解理论

1.4.6扩散层理论

1.5纤维增强聚合物混凝土的阻尼机理研究现状

1.5.1灰铸铁的阻尼机理

1.5.2天然花岗岩的阻尼机理

1.5.3纤维增强复合材料的阻尼机理

1.6本课题研究目的、意义及主要内容

1.6.1研究目的和意义

1.6.2本课题的研究内容

第2章纤维增强聚合物混凝土的组分及其特性

2.1树脂系统

2.1.1有机树脂

2.1.2固化剂

2.1.3稀释剂

2.1.4增韧剂

2.2骨料

2.3增强纤维

2.4增强纤维表面处理剂

2.5本章小结

第3章纤维增强聚合物混凝土的制作工艺

3.1增强纤维的表面处理

3.1.1玻璃纤维的表面处理

3.1.2碳纤维的表面处理

3.2纤维增强聚合物混凝土的成型工艺

3.2.1纤维增强聚合物混凝土的混合搅拌

3.2.2纤维增强聚合物混凝土拌合物的振动密实

3.3纤维增强聚合物混凝土产品的养护

3.4脱模剂的选择

3.4.1脱模机理

3.4.2常用的脱模剂

3.5纤维增强聚合物混凝土机械基础件的设计

3.5.1机械基础件的结构设计

3.5.2金属预埋件的设计

3.5.3模具的设计

3.6纤维增强聚合物混凝土的机械加工

3.7本章小结

第4章纤维增强聚合物混凝土的界面作用机理

4.1复合材料的界面描述

4.2纤维增强聚合物混凝土的界面作用机理

4.2.1玻璃纤维和环氧树脂基体的界面机理

4.2.2碳纤维和环氧树脂基体的界面

4.2.3花岗岩骨料和环氧树脂基体的界面

4.3本章小结

第5章纤维增强聚合物混凝土的阻尼机理

5.1纤维增强聚合物复合材料的阻尼模型

5.2纤维增强聚合物混凝土的阻尼机理

5.2.1花岗岩骨料与环氧树脂基体界面的阻尼

5.2.2花岗岩骨料颗粒的级配引起的阻尼

5.3纤维增强聚合物混凝土阻尼性能的建模

5.4纤维增强聚合物混凝土阻尼比影响因素的试验

5.4.1试验因素对玻璃纤维增强聚合物混凝土阻尼比影响的正交试验

5.4.2纤维种类对纤维增强聚合物混凝土阻尼比影响的正交试验

5.5本章小结

第6章纤维增强聚合物混凝土力学性能的研究

6.1玻璃纤维增强聚合物混凝土力学性能的试验研究

6.1.1试验方案的确定

6.1.2抗压强度的测试

6.1.3试验结果分析

6.2不同纤维增强聚合物混凝土力学性能的试验研究

6.2.1试验方案的确定

6.2.2抗压强度的测量

6.2.3试验结果分析与讨论

6.3纤维增强聚合物混凝土的应用

6.4机械加工设备床身动态性能的计算机仿真

6.4.1机床床身结构的简化及有限元模型的建立

6.4.2机床床身的动态性能仿真

6.5本章小结

结 论

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文及专利

发表论文一

发表论文二