CPD模块3:复合材料和拉挤玻璃纤维

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复合材料概论

复合材料是由两种或两种以上具有不同性能的材料组合而成的。在复合材料中，单个材料很容易区分——它们彼此不溶解或混合。这些材料作为复合材料一起工作，提供独特的性能，通常优于单独的单个材料。

例如，玻璃或碳等材料具有很高的抗拉和抗压强度，但在固体形态下有许多随机的表面缺陷，可能导致材料开裂和失效。抗拉强度定义为材料在承受拉伸载荷时所承受的最大应力。抗压强度被定义为材料在承受将其推到一起的载荷时所承受的最大应力。通过以纤维形式生产材料，任何一点上的缺陷都减少到更少的数量。虽然这些纤维非常坚固，但它们仍然很容易受损。为了抵消这一点，复合材料由第二种材料组成，该材料具有克服这些缺陷的独特特性。这种互补材料往往相对较弱，但非常灵活和坚韧。这两种材料结合在一起，产生了具有独特和优越性能的复合材料。

组成复合材料的单个材料称为组分。

大多数复合材料有两种成分:增强材料和基体材料。加固材料有三种形式:

• 微粒-它们的尺寸很小，各个方向的尺寸大致相同。
• 不连续纤维-当一个维度比其他维度变长时，增强材料就变成纤维。不连续纤维的长度不同，通常相对较短。
• 连续纤维-这些有更少的中断，因此产生更高的性能属性。连续纤维用于大多数高性能产品，如航空航天结构和体育用品。复合材料通常在纤维方向上强度最大。

最常见的基质材料是塑料。基质材料，或粘结剂，把钢筋固定在一起，也在钢筋之间传递载荷。塑料基体材料通常以树脂的形式存在。

复合材料的使用可以追溯到几千年前，那时人们用来建造早期房屋的泥砖。干泥可以做坚固的墙，但很容易弯曲。当你试图拉伸一根稻草时，它似乎很结实，但当你扭曲和弯曲它时就不一样了。泥砖是一种以稻草为加固材料，以泥块为基体材料的复合材料。干燥后，泥砖变得坚固，可以抵抗撕裂和挤压，成为一种优秀的建筑材料。在现代建筑工业中，钢筋混凝土是一种常见的复合材料。

使用复合材料的优点

复合材料可以设计产生特定属性，性能可以预测和控制，以满足特定应用的要求。

例如，在航空学中，复合材料部件被设计为在满足轻量化要求的同时承受特定压力。

复合材料比大多数其他材料具有优越的性能特征。除了性能可预测性外，复合材料还抗疲劳，因此比其他材料耐用得多。复合材料在两个关键领域提供了强大的优势:

• 强度-它们具有令人难以置信的抗拉和抗压强度，以及高冲击强度。
• 尺寸稳定性-它们非常僵硬，而且很少有物质运动。

尽管如此，复合材料与其他材料相比仍然相对较轻。

玻璃纤维是一种复合材料，由细玻璃纤维编织成布，并与塑料或树脂粘合在一起。它被认为是第一种现代复合材料，自20世纪50年代以来一直被普遍使用。它也是最常见的复合材料，95%的船只都使用它;汽车以及重型建筑和商用车辆的车身和保险杠;运动器材包括高尔夫球杆、曲棍球杆、滑雪板和钓鱼竿;并越来越多地用于桥梁的跨度、护栏等施工构件。

玻璃纤维具有极高的强度重量比。连续玻璃纤维具有较高的抗拉强度，而树脂基体具有较高的抗压和冲击强度。玻璃纤维还具有较低的热膨胀系数，这意味着该材料在极端温度下的收缩和膨胀可以忽略不计，因此可以广泛用于冰柜或热水浴缸、门窗和光学纤维等。它也很耐用，能够抵抗潮湿和腐蚀，化学物质和环境因素，这使得它非常适合用于汽车，船只，地下储罐和随着时间的推移暴露于环境和化学因素的结构，如桥梁。

玻璃纤维的维护成本低，这是决定将其用于建筑和建筑材料的重要因素。

可持续性

这张图(见图1)说明了三种不同窗户类型的估计生命周期成本:木材、PVC和玻璃纤维。如果使用得当，木窗可以使用一辈子

维护，维护的成本增加到窗口的总成本。PVC窗不需要维护，但30年后可能会变色或褪色，经常更换。虽然玻璃纤维窗的初始成本通常较高，但在60年的时间内可能会节省大量费用，因为它们更有弹性，而且几乎不需要维护。

拉挤玻璃纤维主要由硅砂制成，这是一种本质上无限的自然资源，也是一种不会导致环境退化的惰性材料。

制造成品玻璃纤维产品所需的能源比PVC或铝要少得多。

热效率

在检查窗户的热效率时，有三个因素是重要的(见图2):构成窗户框架和窗框的材料，暖边间隔条的热效率，以及玻璃本身的热效率。拉挤玻璃纤维的导电性远低于铝，类似于木材和PVC。

• Ultrex= 0.30 W/mK(瓦特每平方米每开尔文度)
• 聚氯乙烯= 0.29 W/mK
• 铝= 115至231 W/mK

将拉挤玻璃纤维与low-E玻璃和氩气相结合，可以生产一些最节能的门窗，大多数使用这种材料和玻璃组合的产品将超过L部分的要求。与标准的双层玻璃单元相比，这些产品可以减少房主30-40%的能源成本。

拉挤过程

拉挤是生产连续长度的增强玻璃纤维形状的制造过程(见图3)。这是一个连续的过程，因此可以高度自动化，这创造了一致性和效率，意味着产生很少的废料。

拉挤还可以产生一致的截面形状，这对于可预测、一致和可靠的性能非常重要，并有助于拉挤玻璃纤维的超强强度。由于其高强度重量比，拉挤玻璃纤维可以生产出非常薄壁的型材，同时满足最大的结构性能要求。这可以提高成本效益，也可以处理复杂的设计。

拉挤是一种高性价比的大批量制造工艺。

拉挤过程的步骤如下:

• 纤维增强通过树脂浴(因此称为“拉挤”)，并彻底涂覆或浸渍液态热固性树脂。
• 树脂涂层的纤维增强物被拉过一个加热的模具以固化树脂。在模具内部，热量被设定在一个精确的温度，以激活树脂的固化，将其从液体变为固体。这是定义最后部分的尺寸和形状的地方。
• 固体复合材料从模具中出来，并通过拉挤机连续地被拉。在这一点上，复合材料凝固，因为它冷却在模具的确切形状。
• 最后一步是将拉挤片切割到所需的长度。

有许多工艺变量，如拉速、模具温度、纤维和树脂的质量以及纤维体积，这些都可以影响最终产品的质量。

使用拉挤玻璃纤维产品的好处

玻璃纤维产品是热固性的。这是因为在拉挤过程中使用的热量会引起化学反应，从而永久地定义了零件的形状和尺寸。冷却过程产生的零件不能再被改造——这个过程是不可逆的。

在热塑性工艺中，在成形过程中使用热来软化或熔化材料，在零件冷却到软化点以下后，形状仍保持不变。

这种形状不是永久的，因为加热会软化材料，让它重新塑造。聚氯乙烯是一种热塑性材料。

挤压玻璃纤维明显强于PVC，并且在某些特性上强于同等重量的钢。例如:

• 应用于玻璃纤维= 414 MPa抗拉强度
• 钢= 228 MPa抗拉强度
• 聚氯乙烯= 45mpa抗拉强度

拉挤玻璃纤维也非常坚硬，所以它不太可能扭曲或翘曲。弯曲力是在材料中产生运动所需的力。

• Marvin architecture Ultrex窗户= 20693 MPa挠曲
• 聚氯乙烯= 2414 MPa弯曲

拉挤玻璃纤维具有极低的热膨胀率，由于拉挤玻璃纤维中玻璃浓度较高，与平板玻璃相同(见图4)。这意味着它在极端温度下不会膨胀和收缩，产生应力裂纹和密封失效的机会较少。拉挤玻璃纤维可在高达177°C的温度下抗变形。

4.8m阶梯板从-34℃到21℃的变化小于0.8mm。一块同等大小的PVC会改变大约4毫米。

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