一种陶瓷增强纤维基复合材料、陶瓷增强纤维基复合管及其制备方法

摘要

本发明属建筑材料技术领域，公开了一种陶瓷增强纤维基复合材料、陶瓷增强纤维基复合管及其制备方法。该纤维复合材料主要由纤维基和陶瓷增强料组成；纤维基体包括至少一层纤维布。该复合材料的制备方法，包括以下步骤：向陶瓷增强料加入烧结助剂和有机粘结剂，经溶解制成陶瓷浆料，再将纤维基体层浸渍在陶瓷浆料中，经固化得陶瓷增强纤维基复合材料。一种陶瓷增强纤维基复合管混凝土柱，是将混凝土填充在陶瓷增强纤维基复合管中形成的。该陶瓷增强纤维基复合材料和管的机械性能好、耐腐蚀、耐高温，使得陶瓷增强纤维基复合管混凝土柱在建筑等领域均具有广泛的应用。

说明书

技术领域

本发明属于建筑材料技术领域，特别涉及一种陶瓷增强纤维基复合材料、陶瓷增强纤维基复合管及其制备方法。

背景技术

混凝土和钢管在建筑材料领域具有广泛应用，但是，在内部填充混凝土的钢管在缺少相应防腐措施的情况下，外部钢管极易锈蚀，导致承载力下降，使用寿命缩减，养护成本高。目前，已经有研究人员提出纤维增强塑料管，然后在纤维增强塑料管内部填充混凝土制备新管材代替内部填充混凝土的钢管，由于FRP(即纤维增强复合材料)具有很高的抗拉强度，在纤维增强塑料管内填充混凝土可起到与钢管混凝土同样的效果，尤其是FRP具有轻质、耐腐蚀和可设计性强等特性，近些年来在土木工程中得到了越来越多的关注，使其在建筑工程领域具有广泛的应用前景。然而，普通FRP管的防火性能较差，一般耐高温的温度为300℃左右，并且制备FRP管的部分树脂材料具有可燃性。

因此，为满足建筑工程需要，急需提供一种既抗腐蚀、又耐高温同时承载能力高的混凝土柱。

发明内容

本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提供一种陶瓷增强纤维基复合材料、陶瓷增强纤维基复合管及其制备方法。本发明提供的陶瓷增强纤维基复合材料的机械性能好、耐腐蚀、耐高温，利用所述陶瓷增强纤维基复合材料制备成陶瓷增强纤维基复合管，然后在陶瓷增强纤维基复合管内部填充混凝土，制得陶瓷增强纤维基复合管混凝土柱也具有良好的机械性能且耐腐蚀、耐高温性能优异。

因此，本发明提供一种陶瓷增强纤维基复合材料，主要由陶瓷增强料和纤维基体制得，所述陶瓷增强料包裹在所述纤维基体的表面；所述陶瓷增强料选自玻璃、玻璃陶瓷、氧化物或非氧化物中的至少一种，所述纤维基体包括至少一层纤维布。

作为上述方案的进一步改进，所述纤维布的类型包括单向纤维布。

作为上述方案的进一步改进，所述纤维基体包括至少三层单向纤维布，相邻所述单向纤维布的纹路方向存在夹角α，α≠0°。

优选地，纤维基体可为多层(例如三层、5层、7层，根据需要选择)，不同层的纤维布之间存在一定的角度和间距，将不同层的纤维布在模具上缠绕，得到需要的成型增强纤维层的形状，例如管状(将纤维基体缠绕成不同形状属于本领域常规技术)。

作为上述方案的进一步改进，所述纤维布的原料包括纤维，所述纤维选自氧化铝纤维，碳化硅系列纤维、氮化硅系列纤维或碳纤维中的至少一种。

优选地，所述纤维布的宽度为0.5-1m。纤维布是用选自氧化铝纤维，碳化硅系列纤维、氮化硅系列纤维或碳纤维中的至少一种纤维，经横向和竖向编织后形成，设定0.5-1m的宽度是根据一般管约束混凝士的高度设定的，便于后期加工，这只是根据实际应用时的一个优选宽度数据范围的列举，不应理解为是对纤维布的唯一限定。

优选地，所述碳纤维的型号为：长6-40mm，厚0.1-0.3mm。这是对碳纤维型号的优选数据范围的列举，不应理解为是对碳纤维尺寸的唯一限定。

优选地，所述氧化物包括氧化铝或氧化锆等中的至少一种。

优选地，所述非氧化物包括碳化硅和氮化硅等等中的至少一种。

作为上述方案的进一步改进，部分所述陶瓷增强料填充在所述纤维基体的孔隙中。

本发明还提供上述陶瓷增强纤维基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

向陶瓷增强料加入烧结助剂和有机粘结剂，经溶解和搅拌，制成陶瓷浆料，再将纤维基体浸渍在陶瓷浆料中，经固化，制得所述陶瓷增强纤维基复合材料。

其中，所述陶瓷增强纤维基复合材料按重量份计，主要包括：陶瓷增强料100～200份，烧结助剂10～30份，有机粘结剂5～20份，溶剂为200～600份。所述有机粘结剂包括CMC(羧甲基纤维素钠)，所述烧结助剂包括B

所述陶瓷增强纤维基复合材料为各向异性材料，当将所述陶瓷增强纤维基复合材料用于制备管材时，所得陶瓷增强纤维基复合管的轴向刚度几乎与混凝土相同，环向刚度大，强度高，约束效果更加明显，并且经填充混凝土后制得的陶瓷增强纤维基复合管混凝土柱随加载过程约束刚度不降低，能够为管材内部的混凝土提供更加持久且有效的约束。

当使用碳纤维制成陶瓷增强纤维基复合管(简称管材)时，相邻所述单向纤维布的纹路方向的夹角为90°，其中，所述单向纤维布的排列方向(即纹路方向)的纵向沿着管材的轴线方向，提供纵向抗弯、抗拉承载力，横向单向纤维布的纹路方向沿着管材的环向方向，提供管材的环线约束力。

一种陶瓷增强纤维基复合管，是采用本发明所述的陶瓷增强纤维基复合材料制得。

一种陶瓷增强纤维基复合管的制备方法，包括以下步骤：将本发明所述的陶瓷增强纤维基复合材料经经干燥、剪裁后置于模具中铺层，热压烧结成型，再经保温，制得本发明所述的陶瓷增强纤维基复合材料。

其中，采用热压机进行热压，热压烧结的温度为800-1300℃，热压时的压力为6-20MPa，保温时长为1.5-3h。

该制备方法是照标准流程制作的，如上方法可使陶瓷基材料和纤维基体在高温条件下一次结合成型，较先热压成柱状结构，再进行浸渍的制备方法而言，通过本发明制备方法所得的陶瓷增强纤维基复合管中的层结构之间，以及陶瓷增强料与纤维基体中的各层纤维布之间的结合性更好，所得陶瓷增强纤维基复合管的综合性能更佳。

一种陶瓷增强纤维基复合管混凝土柱，是通过将混凝土填充在本发明所述的陶瓷增强纤维基复合管中制得。

优选地，所述混凝土的膨胀率为0.01％-0.06％；进一步优选地，所述混凝土的膨胀率为0.01％-0.04％。

优选地，所述混凝土选自建筑垃圾混凝土、回收骨料混凝土、尾矿混凝土或海水海砂混凝土中的至少一种。混凝土封闭填充在管内，约束内部混凝土，提升管的承载力，充分发挥废材的剩余价值，达到废材利用可持续发展的目的。

优选地，所述陶瓷增强纤维基复合管混凝土柱中还包括钢筋和/或箍筋。

本发明充分利用了陶瓷增强纤维基复合材料的增韧机理，包括纤维断裂、基体变形、裂纹弯曲和偏转、纤维脱粘、纤维拔出、分层裂纹、纤维桥接等提高复合材料韧性的主要吸能机制。最大限度地发挥了纤维韧性好、纵向拉伸强度高的材性优势，弥补了混凝土结构容易脆性破坏的劣势。制得的陶瓷增强纤维基复合管的耐火性能好，可满足特殊条件下的结构功能要求，极大拓展了陶瓷基复合材料应用的范围和领域。本发明制得的陶瓷增强纤维基复合管混凝土柱具有力学性能优、耐久性好、用材量低等优点，解决了一般管材防火性能差的问题，施工可操作性强，耗能较低，同时与当地陶瓷产业链关联密切，废弃材料可供回收。

相对于现有技术，本发明的有益效果如下：

(1)通过本发明制得的陶瓷增强纤维基复合管混凝土柱，利用所述陶瓷增强纤维基复合材料抗拉强度大的特性，使陶瓷增强纤维基复合管对混凝土形成很强且持续的约束，同时使陶瓷增强纤维基复合管具有较高的轴向承载力和变形能力。同时纤维基体具有很高的抗拉强度，当管受到混凝土的径向作用和由于自身的作用径向产生变形时，纤维基体可以通过对其环向的约束作用抑制其径向变形，从而达到约束混凝土的目的，增加了混凝土的抗压强度。轴向荷载下呈现双线性递增行为。能在高轴压力、强震作用下不出现混凝土压溃，具有很强的抗倒塌能力。

(2)本发明制得的陶瓷增强纤维基复合管混凝土柱在提高截面性能的同时，减少材料用量，减轻了管的重量。相对于填充混凝土的钢管，可以实现更高的抗压承载力，且减少材料用量。

(3)本发明制备的陶瓷增强纤维基复合管的耐久性好。在恶劣环境下，该复合管化学性质稳定，无需考虑钢材的腐蚀问题，具有优异的耐腐性及耐酸性，可以抗拒建筑物经常遇到的各种酸、碱、盐对管的腐蚀。不需要定期维护，节省了大笔维修费用。

(4)本发明制得的陶瓷增强纤维基复合管解决一般管材防火性能差的问题，且其耐热性能优异，最高能耐温2000℃左右，可以在-50℃-900℃范围内长期工作。

(5)本发明制得的陶瓷增强纤维基复合管混凝土柱施工便捷。可以在工厂预制后直接运送至施工现场，吊装至指定位置，可以与装配式建筑有机结合，减少现场施工，大大节省了时间成本和人力物力。

(6)本发明制得的陶瓷增强纤维基复合管混凝土柱内可填充环境友好型混凝土，实现可持续发展。由于该混凝土柱本身具有较强的防腐性和耐磨性，因此可以将建筑垃圾混凝土、回收骨料混凝土、尾矿混凝土、海水海砂混凝土等环境友好型混凝土封闭填充在陶瓷增强纤维基复合管内，约束内部混凝土，提升其承载力，充分发挥废材的剩余价值，达到废材利用可持续发展的目的。

(7)本发明所述陶瓷增强纤维基复合材料是由纤维基体和陶瓷增强料组成，在混凝土灌注成型后，初凝时间提前，这是因为管中陶瓷粉末的混入会加快混凝土的水化反应，这对有早强要求的施工结构有一定帮助。

附图说明

图1为实施例3制得的陶瓷增强纤维基复合管混凝土柱的横截面示意图；

图2为实施例4制得的陶瓷增强纤维基复合管混凝土柱的横截面示意图。

具体实施方式

以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1陶瓷增强纤维基复合管和陶瓷增强纤维基复合管混凝土柱的制备

一种陶瓷增强纤维基复合管的制备方法，包括以下步骤：

将125份碳化硅陶瓷基经粉碎，加入10份CMC粉末、15份B

一种陶瓷增强纤维基复合管2混凝土柱，是通过将混凝土1(混凝土1的膨胀率为0.02％)填充在陶瓷增强纤维基复合管2中制得，且纤维基体22中单向碳纤维布的纹路方向沿着该陶瓷增强纤维基复合管2的轴线方向，即制得陶瓷增强纤维基复合管2混凝土柱。

实施例2陶瓷增强纤维基复合管和陶瓷增强纤维基复合管混凝土柱的制备

一种陶瓷增强纤维基复合管的制备方法，包括以下步骤：

将125份碳化硅陶瓷基经粉碎，加入10份CMC粉末、15份B

一种陶瓷增强纤维基复合管2混凝土柱，是通过将混凝土1(混凝土1的膨胀率为0.03％)填充在陶瓷增强纤维基复合管2中制得，且纤维基体22中单向碳纤维布的纹路方向沿着该陶瓷增强纤维基复合管2的环线方向，即制得陶瓷增强纤维基复合管2混凝土柱。

实施例3陶瓷增强纤维基复合管和陶瓷增强纤维基复合管混凝土柱的制备

一种陶瓷增强纤维基复合管的制备方法，包括以下步骤：

将125份碳化硅陶瓷基经粉碎，加入10份CMC粉末、15份B

一种陶瓷增强纤维基复合管2混凝土柱，是通过将混凝土1(混凝土1的膨胀率为0.04％)填充在陶瓷增强纤维基复合管2中制得，且其中的两层单向碳纤维布沿着管的环线方向，剩余的一层单向碳纤维布沿着该管的轴线方向，即制得陶瓷增强纤维基复合管2混凝土柱。

图1为实施例3制得的陶瓷增强纤维基复合管2混凝土柱的其中一种形式(中间层的单向碳纤维布的纹路方向沿管状模具的轴线方向，另两层单向碳纤维布的纹路方向沿管状模具的环线方向)的横截面示意图；图1中的1表示混凝土，2表示陶瓷增强纤维基复合管，21表示陶瓷增强料，22表示纤维基体(或单向纤维布)。

实施例4陶瓷增强纤维基复合管和陶瓷增强纤维基复合管混凝土柱的制备

一种陶瓷增强纤维基复合管2，其制备方法与实施例3相同。

一种陶瓷增强纤维基复合管2混凝土柱，通过先在陶瓷增强纤维基复合管2内设置钢筋和箍筋，然后将混凝土1(混凝土1的膨胀率为0.04％)填充在陶瓷增强纤维基复合管2中，即制得陶瓷增强纤维基复合管2混凝土柱。

图2为实施例4制得的陶瓷增强纤维基复合管混凝土柱的横截面示意图；图2中的1表示混凝土，2表示陶瓷增强纤维基复合管，21表示陶瓷增强料，22表示纤维基体(或单向纤维布)，3表示钢筋，4表示箍筋。

产品效果测试

1.陶瓷增强纤维基复合材料的性能测试

取实施例1制得的陶瓷增强纤维基复合材料，然后测试其在不同温度下的断裂应力(MPa)、断裂应变(％)、基体开裂应力(MPa)、弹性模量(Gpa)，结果如表1所示。

表1陶瓷增强纤维基复合材料的性能测试结果

由于陶瓷增强纤维基复合材料中纤维的断裂应变大于陶瓷增强料的断裂应变，因此材料的最终拉伸强度由纤维控制。陶瓷增强料的沉积温度附近(1100℃-1300℃)材料的拉伸强度、断裂应力达到了最大值，这也反映了碳陶瓷增强纤维基复合材料在高温条件下优异的力学性能；以陶瓷增强料沉积温度为分界点，温度降低或者升高，碳陶瓷增强纤维基复合材料的断裂应变都呈现上升的趋势。这说明随温度升高，材料的塑形应变增大，延性更好。

相比于一般混凝土柱，钢材在正温范围内，温度约在200℃以上时，随着温度的升高，钢材的抗拉强度、屈服点和弹性模量的趋势是强度降低、塑性增大；温度在250℃左右，钢材的抗拉强度略有提高，而塑性却降低，因而钢材呈现脆性，在此区域对钢材再加热，钢材可能产生裂逢。此外，当温度达到250℃-350℃范围内时，钢材将产生徐变现象，钢材的性能受到不同程度的损伤。一般的，当钢材在升温1小时，恒温加热1小时后进行检测，结果是有屈服台阶的16Mn钢筋在900℃以下时的强度和延伸率变化很小，温度达到1000℃时，钢材强度下降10％；无屈服台阶的冷拔低碳钢丝经过2小时升温至600℃以下，则强度受到影响不大；而温度在600℃以上时的极限强度下降达40％。

相比于一般的纤维复合材料，FRP材料所用树脂基体可分为热固性树脂和热塑性树脂。高温下热固性树脂受热分解、结焦；热塑性树脂受热软化、熔化。目前土木工程中应用的胶粘剂基体为热固性树脂，在温度达到120℃左右时，树脂会发生玻璃化反应，当温度临近树脂玻璃化温度时，胶粘剂强度和刚度发生显著下降，在玻璃化温度上下浮动的10℃-20℃的时间间隔内，胶粘剂弹性模量和剪切模量约降低90％左右。

因为碳陶瓷增强纤维基复合材料内部独特的链状结构可以延迟与氧气的反应，从而使得碳陶瓷增强纤维基复合材料在高温下具有较高的稳定性。碳陶瓷增强纤维基复合材料主要由碳化硅基体和碳纤维组成，因此碳化硅的原子结构以及碳原子排列形式是决定碳陶瓷增强纤维基复合材料弹性模量的关键因素。而碳化硅和碳纤维的原子排列结构的转化温度最低为2000℃，在试验的测试温度范围内温度对碳陶瓷增强纤维基复合材料的初始弹性模量影响很小，在宏观上表现为不同温度下材料的初始弹性模量基本恒定，材料的热稳定性好，即实施例1制得的陶瓷增强纤维基复合材料可耐受2000℃。

对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下还可以做出若干简单推演或替换，而不必经过创造性的劳动。因此，本领域技术人员根据本发明的揭示，对本发明做出的简单改进都应该在本发明的保护范围之内。上述实施例为本发明的优选实施例，凡与本发明类似的工艺及所作的等效变化，均应属于本发明的保护范畴。