玄武岩纤维增强树脂基复合材料的性能试验及应用研究

摘要

在科学技术迅速发展的现代，尤其是在航空航天、生命科学等各高精尖领域，单一的传统材料已不能满足行业的材料性能要求。玄武岩纤维作为一种天然的矿物纤维，取材广且制备无污染，具有轻质高强、耐腐蚀能力强、与各类树脂、金属等材料间有良好的兼容性等特点，是21世纪最具发展前景的一种纤维材料，与之相对应的玄武岩纤维增强复合材料(BFRP)也成为复合材料中的后起之秀。本文通过制备BFRP试件的基础力学试验、紫外线加速老化试验、抗腐蚀盐雾试验、超低温拉伸-弯曲试验，对比分析各试验所得的相关力学强度性能指标，获得BFRP的相对最佳配比方案及其在长时间紫外线老化、化学腐蚀、超低温(-60℃)环境下的性能变化规律，以探索BFRP在铁路防护栅栏立柱上的创新应用。主要研究工作及结论如下：　　(1)通过制定的以玄武岩纤维掺量、树脂基类型为变量的BFRP配合比方案，运用SMC-高温模压成型工艺，制备足量不同配比的试验试件；对试件进行拉伸试验、弯曲试验基本力学试验，得到各组试件的拉伸强度、拉伸弹性模量、断裂伸长率、弯曲强度、弯曲弹性模量等强度指标，综合分析各配比方案的优劣。得出结论：以邻苯型不饱和聚酯树脂为基体的试件各强度指标值均普遍高于同等掺量的间苯型复合材料；玄武岩纤维掺量为30%时，试件的各强度指标值均普遍高于20%、40%掺量的同树脂基试件，以此得出相对最佳的BFRP配比方案A：短切玄武岩纤维掺量为30%，树脂基体采用邻苯型不饱和聚酯树脂。　　(2)依据获得的配比方案A，设置是否加入0.03%的抗紫外线剂为变量，制备BFRP拉伸、弯曲试件，分别将试件在UVA-340紫外加速老化试验机中进行0h、104h、208h、520h时间的紫外线照射，再分别将试件进行拉伸、弯曲试验测试，对试验所获取的各强度指标进行综合分析，得到BFRP在长时间受紫外线老化照射下的性能变化规律：BFRP试件的各力学强度指标随紫外线照射时间的增加总体上都呈短期内先有小幅度上升再趋于稳定，最后再下降的过程；加入抗紫外线剂与否，试件在紫外线辐照作用下的力学性能变化规律相近，但加入抗紫外线剂的试件的抗紫外老化性能要优于未加入试件40%左右；经520h紫外线照射后，BFRP试件的各力学强度下降幅度普遍都在6%以下，说明BFRP的抗紫外老化性能良好。　　(3)通过对配比方案A制备的FLS1/FWQ1试件组进行48小时的盐雾试验；对DLS1/DWQ1试件组进行超低温(-60℃)试验处理，再分别对试件进行拉伸、弯曲试验，对试验所获取的各强度指标进行综合分析，得到BFRP材料在盐雾腐蚀、超低温恶劣条件下的性能变化规律。试验表明：BFRP试件在经盐雾腐蚀48h后，其各强度指标总体呈下降趋势，但下降的幅度均在5%内；BFRP试件在超低温-60℃条件下与标椎实验室温度23℃相比，BFRP的拉伸强度下降最大为4.2%，断裂伸长率、弯曲弹性模量等性能均能保持不变，说明BFRP在较长时间高浓度盐雾腐蚀下能够保持其自身强度，低温环境对BFRP的强度影响极小，具有极强的耐久性能。　　(4)探究BFRP材料在铁路防护栅栏立柱上的创新应用，以BFRP材料作为方型钢立柱的外保护层所构成的新型防护立柱替代传统钢筋砼立柱的可行性表明：通过热熔模压成型工艺制成的新型立柱，具有质量轻便、强度刚度优越、耐久性能优异、运输安装便捷、后期维护方便等优势，可在多种情况下替代传统的钢筋砼立柱。

目录

声明

第1 章绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国内外对玄武岩纤维的研究现状

1.2.2 国内外对纤维增强复合材料的研究现状

1.3.1 研究内容

1.3.2 技术路线

1.4 本章小结

第2 章玄武岩纤维复合材料组分和配比设计

2.1 概述

2.2.1 玄武岩纤维

2.2.2 间苯型、邻苯型不饱和聚酯树脂

2.2.3 碳酸钙填料

2.2.4硅烷偶联剂、抗紫外线剂等各类添加剂

2.3 BFRP 配比设计

2.4 BFRP 试件制备工艺

2.5 本章小结

第3 章 BFRP 的基本力学性能试验研究

3.1 概述

3.2 试验设计

3.3.1 试验方法

3.3.2试验仪器

3.3.3试验步骤

3.3.4试验结果及分析

3.4.1试验方法

3.4.2试验仪器

3.4.3试验步骤

3.4.4试验结果及分析

3.5 本章小结

第4 章 BFRP 的抗紫外老化性能试验研究

4.1 概述

4.2.1试验方法

4.2.2试验设计

4.2.3试验仪器

4.2.4试验步骤

4.3 试验结果数据分析

4.4 本章小结

第5 章 BFRP 的特殊耐久性能试验研究

5.1概述

5.2.1试验原理

5.2.2试验设计

5.2.3试验仪器

5.2.4试验过程

5.2.5 试验结果数据分析

5.3.1试验原理

5.3.2试验设计

5.3.3试验仪器

5.3.4试验步骤

5.3.5试验结果数据分析

5.4 本章小结

第6 章玄武岩纤维增强复合材料的应用研究

6.1 概述

6.2.1盐泽土地区

6.2.2高寒、高海拔山区

6.3 新型BFRP 栅栏立柱的构成

6.4 新型立柱制备工艺探索

6.5 新型BFRP 栅栏立柱与传统钢筋砼立柱对比

6.6 本章小结

结论与展望

结论

展望

致谢

参考文献