透光复合材料
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建筑材料的高性能复合材料有哪些在现代建筑领域,高性能复合材料的应用越来越广泛,它们为建筑的设计和建造带来了诸多创新和突破。
高性能复合材料具有优异的性能,能够满足各种复杂的建筑需求。
接下来,让我们一起了解一下建筑材料中常见的高性能复合材料。
碳纤维增强复合材料(CFRP)是一种备受瞩目的高性能复合材料。
碳纤维具有高强度、高模量和轻质的特点,与树脂基体结合后,形成的 CFRP 具有出色的力学性能。
在建筑中,CFRP 可用于加固混凝土结构,如桥梁、梁柱等。
它能够显著提高结构的承载能力和耐久性,延长建筑的使用寿命。
此外,CFRP 还可用于制造新型的建筑构件,如预制板、屋面板等,其轻质的特性有助于减轻建筑的自重,降低基础造价。
玻璃纤维增强复合材料(GFRP)也是常见的高性能复合材料之一。
玻璃纤维成本相对较低,且具有良好的耐腐蚀性和绝缘性。
GFRP 在建筑中的应用十分广泛,如用于制作通风管道、水箱、遮阳板等。
它能够在恶劣的环境条件下保持稳定的性能,减少维护成本。
同时,GFRP 还可用于建筑外立面的装饰,赋予建筑独特的外观效果。
芳纶纤维增强复合材料(AFRP)具有高韧性和抗冲击性的特点。
在建筑抗震领域,AFRP 可用于加固结构节点和关键部位,提高建筑在地震作用下的安全性。
此外,AFRP 还可用于制造防弹和防爆建筑构件,保障特殊场所的安全。
除了纤维增强复合材料,聚合物基复合材料也在建筑中发挥着重要作用。
例如,聚碳酸酯板具有良好的透光性和耐冲击性,常用于建筑的采光顶和幕墙。
它能够让自然光线充分进入室内,减少人工照明的需求,同时提供有效的防护。
另外,热塑性复合材料在建筑中的应用也逐渐增多。
这类材料具有可回收、加工性能好等优点。
比如,它们可以被用于制造建筑模板,提高施工效率和降低成本。
金属基复合材料在一些特殊建筑中也有应用。
铝基复合材料具有轻质、高强的特点,可用于制造高层建筑的幕墙框架,减轻结构自重的同时保证结构的稳定性。
屋面采光板材料类型随着建筑工艺的发展和人们对室内采光的要求越来越高,屋面采光板材料也日益受到关注。
屋面采光板是一种应用于工业或民用建筑的采光材料,其作用是通过屋面和墙面的透光率将自然光线引入室内,使室内光线更加自然均匀,同时还能够起到遮阳隔热的作用。
屋面采光板材料类型繁多,下面就逐一介绍几种比较常见的材料类型。
PC阳光板PC(聚碳酸酯)阳光板是一种透明或半透明的高性能塑料板材,具有轻质、优良透光性和高耐候性等优点,被广泛用于民用和工业建筑的采光、遮阳、防雨及隔热等用途。
PC阳光板通常具有抗紫外线、化学腐蚀、抗冲击、防火等特性,选用合适的厚度和几何形状后,能够满足不同建筑物的需要。
PVC屋面采光板PVC屋面采光板是聚氯乙烯作为主要原材料的复合材料,它采用特别的三层结构,使得它在坚韧度和透光性能上都非常优良。
PVC屋面采光板具有优异的防水、遮阳、隔热、抗疲劳、装饰性能和透光性能,在民用建筑、体育馆、工厂、农业大棚等领域具有广泛的应用。
聚酯梯形波纹板聚酯梯形波纹板是以玻璃纤维为增强材料,加上聚酯树脂为基本原料生产的一种复合材料,具有较好的机械性能和较强的耐久性。
它透光性强,采光效果好,重量轻,不易破碎,耐腐蚀、耐酸碱和防紫外线等特点,被广泛应用于体育馆、保温房、黑恶化厂房、地库等建筑领域。
FRP玻璃钢采光板FRP玻璃钢采光板由玻璃纤维增强材料、树脂基材料、助剂等材料组成,是以固体表面不透明玻璃纤维为基础,采用玻璃纤维增强材料增强力学强度,进而得到一种具有防火、防腐、耐老化、抗紫外线、透光性良好的高性能采光板。
FRP玻璃钢采光板具有抗风、隔热、隔音等优点,常用于工厂车间、贵重物品库房、建筑物顶部采光、施工临时用房等场合。
结语以上几种屋面采光板材料类型仅仅是众多屋面采光材料中的一小部分,而每一种材料类型都有其自身独特的特点和应用场合。
在选择屋面采光板材料时,应该根据实际需要选取对应的材料,并进行具体的设计和实施。
四种常用FRP材料特性及其应用现状作者:欧盈来源:《科学导报·学术》2019年第23期摘 ;要:FRP是一种高性能复合材料,是当下土木工程领域中一个新的热点研究内容,本文就四种常用FRP的材料特性及其应用现状进行简要介绍。
关键词:CFRP;GFRP;BFRP;AFRP纤维增强复合材料(FRP)是由高性能纤维与基体材料根据一定比例混合,并经过一定工艺复合而成的一种新型复合材料,具有轻质、高强、耐久性好、耐腐蚀性好、可设计性强等优点,广泛应用于航空、航天、船舶、汽车、化工、医学和机械等领域。
近年来,FRP依靠其自身的优异性能,在土木工程领域备受关注,已成为结构加固和修复工程中使用的重要材料之一,多应用于混凝土构件,也可用作其他复合材料中的增强体。
常用的FRP包括碳纤维增强复合材料(CFRP)、玻璃纤维增强复合材料(GFRP)、玄武岩纤维增强复合材料(BFRP)和芳纶纤维增强复合材料(AFRP)。
1 CFRP碳纤维增强复合材料(CFRP)是以碳纤维为主要成分,树脂为基体材料,通过将碳纤维单向排列并按一定成型方法形成的复合材料,具有质量轻、抗拉强度高、耐久性好、耐腐蚀性强、施工简便等特点。
其抗拉强度约为3400MPa,弹性模量介于2.3×105 MPa~3.9×105MPa 之间[1]。
与钢材相比,CFRP的弹性模量高于钢材,其抗拉强度约为钢材的10倍,比强度可达钢材的20倍,但重量仅约为钢材的1/5。
同时,CFRP具有较好的疲劳性能,疲劳极限约为静荷强度的70%~80%[2]。
CFRP因其优异的性能,在宇航工业、航空工业、交通运输以及土木建筑方面得到了广泛应用。
在建筑工程中,CFRP的应用形式包括CFRP布、CFRP板、CFRP筋等。
CFRP布因其材质轻巧,外观效果及力学性能好,在加固与修复工程中备受青睐,主要用于构件受拉区,承受拉应力,多用于钢筋混凝土梁、板、柱的加强加固,可大幅度提高其承载能力。
Vol .30高等学校化学学报No .22009年2月 CHE M I CAL JOURNAL OF CH I N ESE UN I V ERSI TI ES 417~421纤维素超细纤维增强大豆分离蛋白透光复合膜性能研究陈观福寿,刘海清(福建师范大学化学与材料学院,福建省高分子材料重点实验室,福州350007)摘要 以醋酸纤维素为原料,由静电纺丝方法得到平均直径为430n m 的纤维素超细纤维,将该纤维与大豆分离蛋白复合制备了一种新型的超细纤维增强透光复合膜.采用扫描电镜、拉伸、三点弯曲和透光率试验等对其结构、力学和透光性进行了分析和表征.结果表明:超细纤维与大豆分离蛋白基体具有良好的界面相互作用;超细纤维对复合材料起到了增强增韧的效果.而且,复合膜具有良好的透光率.即使超细纤维质量分数达到13%,该膜在700n m 波长处的透光率仍然可以达到77%.关键词 静电纺丝;纤维素超细纤维;大豆分离蛋白;复合膜;透光率中图分类号 O631 文献标识码 A 文章编号 025120790(2009)022*******收稿日期:2008205212.基金项目:国家自然科学基金(批准号:50843030)和福建省自然科学基金(批准号:2006J0011)资助.联系人简介:刘海清,男,教授,主要从事纳米纤维方面的研究.E 2mail:haiqing .liu@g mail .com传统纤维增强复合材料的纤维主要是指玻璃纤维、芳香族聚酰胺纤维及碳纤维.其纤维的直径一般在十几微米以上.为了使纤维增强复合材料具有良好的透光率甚至光学透明,这些传统增强纤维与树脂基体之间的折光指数必须相近到小数点后第三位.同时,由于折光指数受温度的影响,常温下透明的复合材料在高温或低温环境下使用就会变成不透明的材料[1].与传统方法得到的纤维相比,静电纺丝得到的纤维直径可以达到几百甚至几十纳米[2,3],因而其具有很高的比表面积,使其与基体之间具有良好的界面相互作用,从而更有效地提高复合膜的力学性能.此外,由于静电纺丝纳米纤维的直径一般小于可见光波长,当作为一种电磁波的光线照射到复合材料内部纳米纤维与基体界面时,光在界面处只产生轻微甚至零散射,因此可以利用纳米纤维制备纤维增强透光复合材料[4].Ki m 等[5]的聚苯并咪唑(P B I )静电纺丝纳米纤维增强环氧树脂和橡胶研究发现,复合膜的拉伸强度和杨氏模量随着复合材料中纳米纤维膜含量的升高而增加;与纯橡胶膜材料比较,纳米纤维/橡胶复合材料的断裂强度和杨氏模量分别达到了原来的2倍和10倍.Bergshoef 等[6]将直径为50~200nm 的尼龙(Nyl on 24,6)电纺纤维与透明的环氧树脂基体复合,材料的模量与拉伸强度不仅得到了提高,而且保持了复合材料的透明性[7].由于该复合材料内的纤维质量分数仅为319%,因而并不能全面真实地反映纳米纤维增强材料的透光性与纤维含量的关系.本文旨在大幅度地提高增强纤维的质量分数至30%,研究这种高纤维含量复合材料的机械力学、透光等性能及相关的影响因素.为此,以纤维素超细纤维为纤维材料,以大豆分离蛋白为透明树脂基体,制备了一种具有良好透光效果的超细纤维复合膜.由于此类透光复合材料具有良好的弯曲强度和模量,因而它可望用于飞机、火车等高速运动工具需要耐压或承载的采光工程结构材料.1 实验部分1.1 试剂与仪器醋酸纤维素(CA )(M n =310×104,乙酰基含量3918%)购自美国A ldrich 公司.大豆分离蛋白(SP I )购于湖北杜邦云梦蛋白有限公司(DY MP ).其它化学试剂为市售.1.2 实验过程1.2.1 纤维素超细纤维的制备 以丙酮/N ,N 2二甲基乙酰胺(体积比2∶1)为溶剂,配制质量分数为20%的醋酸纤维素纺丝溶液.然后按文献[18]条件通过静电纺丝法制备醋酸纤维素超细纤维,经弱碱溶液水解后得到纤维素超细纤维.1.2.2 纤维素超细纤维/大豆分离蛋白复合膜的制备 将SP I 粉末加入到0105mol/L 的NaOH 水溶液中,加热搅拌溶解,离心除去不溶物.SP I/Na OH 溶液的质量分数约为5%.在SP I/Na OH 溶液中按SP I/甘油质量比为4∶1,2∶1,1∶1加入甘油[9].将已知厚度(0111~0135mm )和质量(011~015g )的纤维素膜放入50mL 新配制的上述SP I 溶液中.在平底玻璃槽中浸泡24h 后,在50℃下连续烘于60h .复合膜最终质量为019~1195g,厚度为014~110mm.如果采用洗涤法去除膜中的少量Na OH,甘油同时会溶出.由于增塑剂甘油的失去使得SP I 膜变脆易碎,因而为了保持膜的完整性,在实验中没有采用任何方法去除复合膜中的极少量的Na OH.复合膜按SP I/甘油质量比4∶1,2∶1和1∶1分别标记为CNM /SP I 21,CNM /SP I 22和CNM /SP I 23.通过改变纤维膜的厚度,可以得到一系列不同纤维含量的复合膜.1.2.3 复合膜的表征 复合膜的光透过率采用美国PerkinEl m er 公司La mbda850UV /V I S 分光光度计测定,波长范围为200~800n m ,测试温度25℃.拉伸试验及三点弯曲试验采用英国L l oyd 公司的LR5K 双立柱万能材料试验机进行,测试温度25℃,拉伸速度5mm /m in .每种复合膜平行测试4个样品,取各组数据的平均值.采用K B r 压片法由美国N icolet 5700红外光谱仪测量样品的红外光谱.复合膜的微观形貌采用日本JEOL 公司的JS M 26700F 型冷场发射扫描电子显微镜(SE M )观察,将复合膜试样在液氮中放置5m in,取出试样迅速掰断,断面镀金,观察其截面形貌.2 结果与讨论2.1 纤维素超细纤维膜(CN M )图1为醋酸纤维素和纤维素超细纤维的扫描电镜照片.由图1可以看出,两种纤维均为表面光滑的圆形结构,纤维的平均直径约为430n m.说明水解过程并没有改变纤维的形貌和大小,这与文献[8]报道的结果一致.醋酸纤维素超细纤维经水解后的红外光谱结果显示,1750c m -1(νC O )的吸收峰完全消失,证明乙酰基被完全水解转变为羟基.与传统纺丝方法得到的纤维不同,静电纺丝法的纤维长度最长为几厘米,它们任意排列形成似无纺布的多孔纤维膜.这种纤维膜的性质具有各向同性,因而,由它增强的复合材料的力学性能表现出各向同性.F i g .1 SE M i m ages of cellulose acet a te(A)and cellulose nanof i bers(B)2.2 CN M /SP I 复合膜截面结构图2为SP I 和CNM /SP I 复合膜的截面照片图.SP I 膜的截面比较光滑[图2(A )].对于CNM /SP I 复合膜,纤维素超细纤维杂乱地分布于SP I 树脂中[图2(B ),(C )].纤维/SP I 界面处没有明显的裂缝.另外,纤维表面黏附了树脂基体材料[图2(C )],说明超细纤维与SP I 基体在界面处形成了良好的界面结合层结构.纤维素超细纤维表面具有丰富的羟基,容易与SP I 分子上的氨基、羧基和羟基形成强烈的氢键结构,从而形成紧密的界面层.复合膜的FTI R 谱图并没有显示新的吸收峰,说明超细纤维与SP I 基体之间并没有形成化学键.在断面处,可以看到有少量纤维被拔出后留下的空洞,这是因为如果增强纤维的末端正好处在界面附近十分之几微米,复合膜被掰断时增强纤维就容易被拔出.814高等学校化学学报 Vol .30 F i g .2 SE M i m ages of fractured surface of SP I f il m (A),and CN M /SP I 22co m positef il m [(B)×1000,(C)×5000]The mass fracti ons of glycer ol and cellul ose nanofiber were 30%and 1216%,res pectively .2.3 透光率测试结果分析图3(A )表明CNM /SP I 复合膜材料在可见光波长范围内(600~800nm )具有较好的透光率.从图3(A )中可以看出,随着复合膜中CNM 含量的增加,复合膜的透光率逐渐降低.它在700nm 处的透光率随CNM 含量的增加几乎线性下降,斜率为-0189[图3(B )],但纤维质量分数为3015%的复合膜在700nm 波长处的透光率仍高达63%.静电纺丝得到的CNM 为白色膜[图4(A )],它由直径约为430n m 的纤维组成(图1).纤维直径与可见光波长的低限(400n m )相当,因而作为一种电磁波的光在纤维/树脂界面仅发生较弱的光散射,从而使复合材料具有良好的透光率.而且超细纤维超细直径有利于超细纤维与大豆蛋白树脂基体形成良好的界面黏合作用,有利于减弱光在界面处的散射损失.纤维/树脂的界面随着纤维含量的增加而增多,对入射光的折射与反射次数和程度也相应增加,导致透光率随纤维含量增加而降低[10].同时膜的透光率是判断高分子材料相容性优劣的手段之一[11].CNM /SP I 复合材料的良好透光率说明了复合材料内纤维/树脂具有良好的界面相容性.图4是CNM /SP I 复合膜的透光效果图.随着复合膜中CNM 含量的增加,复合膜下的字母越来越模糊.此现象与图3(B )结果一致.F i g .3 L i ght tran s m itt ance of CN M /SP I 22co m posite f il m s w ith var i ed CN M ma ss fracti on(A)andco m posite f il m s a t 700nm a s a functi on of CN M ma ss fracti on(B)Mass fracti on content of CNM:a .0%;b .717%;c .1216%;d .3015%.F i g .4 Appearance of CN M (A),SP I f il m (B),and CN M /SP I 22co m posite f il m s w ith CN M ma ssfracti on s of 717%(C)and 1216%(D )2.4 力学性能分析2.4.1 纤维膜含量对力学强度的影响 图5示出了CNM /SP I 复合膜力学性能与CNM 含量的关系.914 No .2 陈观福寿等:纤维素超细纤维增强大豆分离蛋白透光复合膜性能研究可以看出,复合膜的拉伸强度和杨氏模量随着CNM 含量的增加而提高.与纯大豆分离蛋白膜相比,甘油含量为30%纤维的复合膜(CNM /SP I 22)的应力和杨氏模量分别为2519和50112MPa,约为原来的1018和2615倍.而20%甘油系列复合膜(CNM /SP I 21)的力学强度的增强效果则更为明显.纤维增强复合材料由纤维增强相、基体相和界面相组成.纤维的作用是承受载荷和提供强度,基体作用是保护和固定纤维,在纤维端部分以界面剪切的方式向纤维传递载荷.影响纤维增强复合材料强度的主要因素是纤维的强度、含量及和基体的界面结合情况.在纤维增强树脂复合材料中,基体树脂通过界面将应力传递给高强度纤维,从而提高了复合材料的力学性能[12].纤维在承受拉伸载荷断裂时,周围的基体被拉伸变形,产生大量新的表面从而消耗了能量.F i g .5 Effect of CN M ma ss fracti on on stress(A),Y oung ′s m odulus(B),and stra i n (C)ofCN M /SP I co m posite f il m sa .CNM /SP I 21;b .CNM /SP I 22;c .CNM /SP I 23.弹性弯曲模量是复合材料的重要力学性能之一,它主要取决于基体和纤维本身的力学性能以及纤维体积分数、长度和取向分布.从图6可以看出,复合膜的弯曲强度和弯曲模量都随着纤维含量的增加而逐渐提高.30%甘油、1913%纤维的复合膜(CNM /SP I 22),其弯曲模量和弯曲强度分别为918GPa,190MPa,较SP I 膜提高了413倍和417倍.这主要是由于在CNM /SP I 复合膜中,超细纤维和大豆分离蛋白基体共同承受载荷,但是超细纤维仍是载荷的主要承担者.当复合膜受到弯曲应力时,应力会由基体通过界面均匀地传递给各个纤维,从而得到有效的分散,复合膜的力学性能便得到改善.因此,超细纤维含量的提高可增加CNM /SP I 复合膜的弯曲模量和弯曲强度.F i g .6 Effect of CN M ma ss fracti on on flexura l m odulus(A)and flexura l strength(B)of CN M /SP I co m posite f il m sa .CNM /SP I 22;b .CNM /SP I 23.2.4.2 甘油含量的影响 图5和6表明,对于CNM 含量相同的复合膜,其力学性能随膜中甘油含量的减小而增加.纤维质量分数为16%,甘油质量分数为50%,30%和20%时,复合膜的屈服点应力分别为1512,1617和2317MPa,而杨氏模量分别为36017,37418和63119MPa (图5);从图6可以看出,纤维质量分数为16%,甘油质量分数为50%和30%时,复合膜的弯曲模量分别为710和810GPa,而弯曲强度没有明显增加,约为120MPa .甘油是SP I 的优异增塑剂,有利于SP I 的成型加工[13].另外,甘油小分子能与纤维素超细纤维的羟基形成氢键,在一定程度上起到破坏纤维素分子内强烈氢键的作用,起到一定的增塑作用,从而增加了CNM /SP I 复合膜材料的韧性,使材料变得柔软而富有弹性.024高等学校化学学报 Vol .30 参 考 文 献[1] Naganuma T .,Kaga wa Y ..J.Mater .Sci .[J ],2003,38(14):3103—3109[2] W annat ong L.,Sirivat A.,Supahol p P .,et al ..Poly m.I nt .[J ],2004,53(11):1851—1859[3] HUANG Hui 2M in (黄绘敏),L I Zhen 2Yu (李振宇),Y ANG Fan (杨帆),et al ..Chem.J.Chinese Universities (高等学校化学学报)[J ],2007,28(6):1200—1202[4] Huang Z .M.,Zhang Y .Z .,KotakiM.,et al pos .Sci .Technol .[J ],2003,63(15):2223—2253[5] Ki m J.S .,Reneker D.H..Poly pos .[J ],1999,20(1):124—131[6] Bergshoef M.M.,Vancs o G .J..Adv .Mater .[J ],1999,11(16):1362—1365[7] Naganuma T .,Kaga wa Y ..Acta .Mater .[J ],1999,47(17):4321—4327[8] L iu Hai 2Q ing,H sieh You 2Lo .J.Poly m.Sci .Pol .Phys .B [J ],2002,40(18):2119—2129[9] Rhi m J.W.,Gennadi os A.,Handa A.,et al ..J.Agr .Food .Che m.[J ],2000,48(10):4937—4941[10] WU Hui (巫辉),L I J ian 2Zong (李建宗).Poly m.Mater .Sci .&Eng .(高分子材料科学与工程)[J ],1995,11(4):57—62[11] W eaver K . D.,St offer J.O.,Day D.E ..Poly pos .[J ],1993,14(6):515—523[12] HAO Yuan 2Kai (郝元垲),X I A O Jia 2Yu (肖加余).H igh 2perf or mance Composite Materials (高性能复合材料学)[M ],Beijing:Che m ical I ndustry Press,2004:174—198[13] Lu Y .S .,W eng L.H.,Zhang L.N..B i omacr omolecules[J ],2004,5:1046—1051Stud i es of Ultraf i n e Cellulose F i ber Re i n forced Soy Prote i n Isol a teCo m posite F ilm w ith H i gh L i ght Tran s m itt anceCHE N Guan 2Fu 2Shou,L I U Hai 2Q ing 3(College of Che m istry and M aterials Science,Fujian N or m al U niversity,Key L aboratory of Polym erM aterials of Fujian P rovince,Fuzhou 350007,China )Abstract U ltrafine cellul ose fibers with the dia meter of ca .430n m were synthesized by electr os p inning .The cellul ose fibers were e mbedded int o s oy p r otein is olate (SP I )t o fabricate reinf orced composite fil m s .Their light trans m ittance,mor phol ogy and mechanical p r operties were characterized by scanning electr on m icr oscopy (SE M ),tensile test and three 2point bending test .Due t o the ultrafine dia meter of cellul ose nanofibers,the composite fil m showed i m p r oved fiber/resin interfacial adhesi on .This led t o high visible light trans m ittance even though the composite fil m had a fiber mass fracti on as high as 30%.The composite fil m exhibited i m p r oved mechanical p r operties as compared t o the neat SP I fil m .Keywords Electr os p inning;U ltrafine cellul ose fiber;Soybean p r otein is olate;Composite me mbrane;L ight trans m ittance(Ed .:D,Z )124 No .2 陈观福寿等:纤维素超细纤维增强大豆分离蛋白透光复合膜性能研究。
复合材料的光学特性和应用复合材料是由两种或两种以上的材料组成的材料,这些材料不同的性质和结构,以及交错的分子结构使其在光学特性上有独特的表现。
本文将介绍复合材料的光学特性和应用。
一、复合材料的光学特性1. 折射率和色散折射率是光线在物质中传播时发生的弯曲程度的度量。
复合材料由于其不同种类的物质组合,因此可以具有不同的折射率。
通过混合不同种类的材料,可以实现具有指定折射率的复合材料的制备。
此外,复合材料的折射率还受到色散的影响。
色散是指折射率随波长而变化的现象,不同种类的复合材料具有不同程度的色散现象。
2. 吸收和透射复合材料的光学吸收性取决于其成分的基本光学特性。
一些复合材料可以成为具有较高吸收性的过滤器和阻隔材料。
透明复合材料可用于制造光学器件以及玻璃和纤维等材料的替代品。
3. 反射和散射反射是一种光线从物体反弹的现象,而散射是一种指光线在物体上分散的现象。
复合材料可以表现出不同程度的反射和散射现象,这些表现可用于创建反光码和其他反光材料的替代品。
4. 抗反射和透光性抗反射是指物体表面反射光的抑制,从而改善光学效果和观察质量。
透光性是指通过物质的光线透射的程度。
许多复合材料具有优异的抗反射和透光性能,这使它们成为生产光学器件、镜头、光电视和触摸屏等应用的理想材料。
二、复合材料的应用1. 生产光学器件复合材料的独特光学特性和物理特性,使它成为很多激光装置、光学仪器、光纤通信、太阳能电池和紫外线漏斗的首选制造材料。
2. 电视和电子显示屏在电视和电子显示屏中,复合材料可以用于制造各种颜色显示器件。
特定的复合材料可以使显示器具有更清晰的图像显示。
3. 配件和装饰材料复合材料可用于制造汽车零件和室内装饰,具有轻便、强度大、耐腐蚀等特点,为汽车工业和建筑工业等带来了革命性的性能环境。
4. 航空航天航空航天工业中使用的复合材料具有密度低、强度高、热稳定性高、耐腐蚀、耐磨损等特点,广泛应用于制造飞机、航天器、卫星和火箭等。
科普|光功能复合材料技术与应用光功能复合材料是具有光学或光电功能特性的复合材料,它可以由具有光功能特性的功能体与普通基体或具有光功能特性的基体复合而成。
光与固体材料相互作用时,会导致电子极化或者电子能态转变,发生透射、反射、散射和吸收等过程,导致材料的光学性能发生变化。
其中研究和应用较为广泛的有透光功能复合材料、电致发光功能复合材料、电致变色功能复合材料和光电转换功能复合材料等。
由于功能特性不同,所涉及的光功能组分及其基体也有不同。
随着世界各国对环境保护的重视以及人们环保意识的增强,开展长寿命、低本钱、良好的环境亲和性的高性能智能材料已是大势所趋,开发具有采光、调光、聚光、蓄光、光电转换、热电转换等多种功能/智能特性的新型光功能复合材料将成为重要研究方向之一。
一、透光透光功能复合材料主要指玻璃纤维增强透明基体的复合材料,其透明基体可以是透明的聚合物、玻璃、单晶或玻璃陶瓷等。
其中,透明的玻璃纤维增强复合材料按树脂种类可分为不饱和聚酯、丙烯酸酯类树脂等;按纤维种类可分为玻璃纤维毡〔各向同性〕、单向布或无捻方格布〔各向异性〕等。
常用的采光制品可以分为三类:〔1〕平板及波形板;〔2〕夹层结构采光板;〔3〕壳体结构采光罩。
设计高性能透光功能复合材料的关键之一是控制复合材料中各组分的散射强度。
散射是发生在材料折射率改变的界面上的光反射。
这些界面包括材料的相界面、外表、裂纹等。
材料中的杂质和组分波动亦是产生散射的重要原因之一。
散射除会导致光损耗外,还对复合材料的透明性产生重要影响。
透光复合材料的设计主要需满足光学性能要求,因此一般需考虑以下几点:〔1〕通过匹配光功能复合材料各个组分的折射率可以获得高透明性,组分折射率越接近,透明性越好;〔2〕减少复合材料中各相粒子尺寸至100nm以下,也能使复合材料接近透明;〔3〕复合材料成型加工过程中产生的取向及各向异性,将会明显改变折射率,从而对复合材料的光学透明性或其他光学性能产生不利影响;〔4〕光功能复合材料应尽量防止杂质掺入。
复合材料测试标准1. 材料特性与分类复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料通过物理或化学的方法结合而成的新材料。
根据组成和结构特点,复合材料可分为功能复合材料、结构复合材料、智能复合材料等。
测试标准应首先明确材料的组成、结构以及分类,以便对其性能进行准确评估。
2. 尺寸稳定性复合材料的尺寸稳定性对其制造和使用至关重要。
通过测量复合材料的热膨胀系数和残余应力,可以评估其尺寸稳定性。
在测试过程中,需要注意试样的制备、环境控制以及测量设备的精度。
3. 物理性能复合材料的物理性能包括密度、吸水性、透光性、绝缘性等。
这些性能的测试结果可以反映复合材料的基本特性,为产品设计、优化和选材提供依据。
测试方法应参照相关标准进行,确保结果的准确性和可比性。
4. 机械性能复合材料的机械性能对其在载荷作用下的表现有重要影响。
常见的机械性能测试包括拉伸、压缩、弯曲、冲击等。
这些测试可以评估复合材料的强度、刚度、韧性等指标,反映其在不同环境下的行为特性。
测试过程中需注意加载速度、试样形状和尺寸等因素对结果的影响。
5. 热性能复合材料的热性能包括热膨胀系数、热导率、比热容等。
这些性能与温度密切相关,反映了材料在温度变化下的稳定性和能量传递能力。
通过热分析方法(如DSC、TGA等)可以对复合材料的热性能进行评估。
测试过程中应控制加热/冷却速度,保持温度的准确性。
6. 耐候性能复合材料的耐候性能是指其在自然环境条件下的耐久性和稳定性。
通过模拟不同气候条件(如紫外线、湿度、温度等)下的暴露试验,可以评估复合材料的耐候性能。
测试过程中应注意试样的安装方式、暴露面的保护以及环境条件的控制。
7. 疲劳性能复合材料的疲劳性能是指在交变载荷作用下的抗疲劳能力。
通过疲劳试验可以评估复合材料在周期性载荷作用下的强度和裂纹扩展特性。
测试过程中应注意加载波形、循环次数、应力水平等因素的控制,同时保持试样的清洁和干燥。
8. 环境适应性复合材料的环境适应性是指其在特定环境条件下的稳定性和耐受性。
透光石透光石的性能及应用:透光石(又称“人造石透光板”)是一种新型的复合材料,因其具有无毒性、无放射性、阻燃性、不粘油、不渗污、抗菌防霉、耐磨、耐冲击、易保养、拼接无缝、任意造型等优点,正逐步成为装修建材市场上的新宠。
透光石性能:透光石是天然石材与现代科技的完美结合,具有纹理清新自然,色泽光润,手感舒适等优点,透光石性能:1.透光石有无毒性、无放射性、阻燃性、不沾油、不渗污、抗菌防霉、耐磨、耐冲击、易保养、拼接无缝、任意造型等优点。
石头通透赛过玻璃。
色彩缤纷的石头制作的发光顶光线柔和、温馨,比工艺玻璃更适合在家居中使用。
色彩丰富、易打理,属于绿色环保建材,并可根据客户需要随意弯曲。
2.份量轻(与天然石材相比)、硬度高、耐油耐脏耐腐蚀。
板材不变形,防火抗老化,无辐射、抗渗透等,可根据客户的需求随意弯曲,无缝粘接,真正达到浑然天成的境界。
3.性能好:强度高、抗老化、吸水率低、无污染、无辐射、安装方便不易破碎,安全使用周期长,是绿色环保建材。
4.透光石是一种高档饰材,独具晶莹通透之特点,配上艳丽悦目多元化之色彩,将单调枯燥之平面巧妙地幻化为立体之视觉艺术,各种花纹如行云流水,优美典雅、光洁清丽,美唤美伦,恒久不变,具有透明透光的质感。
5.既具有天然大理石花纹的典雅豪华又具有现代艺术风格的品位,幅面宽、长度长、强度高,无辐射性,品种规格齐全,兼备大理石、玉石的天然质感和坚固的质地,且无毛细孔、色彩丰富、易打理、加工快捷,安装后重量公为天然石材1/4左右,能较大幅度减轻建筑物自重,安装简便施工环境整洁,比天然石材更有优势。
属于绿色环保建材,是当今建筑行业中最时尚的装饰材料。
6.100度开水浸泡透光石不弯曲、不变形;7.吊顶1200×1200×6mm始终保持平整;8.天然透光石长期户外接受太阳暴晒、风吹雨淋仍然保持色彩稳定;户外零下30度温度下天然透光石不开裂。
9.天然透光石表面最高抛亮光可做镜面使用。
成果研究应用报告——大规格无影透光云石吊顶结构新型技术透光石(又称“人造石透光板”)是一种新型的复合材料,因其具有无毒性、无放射性、阻燃性、不粘油、不渗污、抗菌防霉、耐磨、耐冲击、易保养、拼接无缝、任意造型等优点,正逐步成为装修建材市场上的新宠。
该产品既具有天然大理石花纹的典雅豪华又具有现代艺术风格的品位。
在国际国内建筑装璜行业中已广泛使用,该产品幅面宽、长度长、强度高,无辐射性,品种规格齐全,具体运用于各种建筑物的透光幕墙,透光吊顶,透光家具,高级透光灯饰等,安装后重量公为天然石材1/4左右,能较大幅度减轻建筑物自重,安装简便施工环境整洁,比天然石材更有优势,是当今建筑行业中最时尚的装饰材料。
透光云石应用范围广可以用来做墙体装饰和天花吊顶等。
通过不同的模具成形后,可制作成透光背景墙、异型灯饰、透光吊顶、透光吧台、透光地铺、地面透光立柱、透光灯柱、及各种不同造型的透光台面及透光艺术品、摆件等等透光云石,一般分为天然的和人工的,现在市面上较多的是人工合成的透光云石。
天然的透光云石,成品较少,材质脆,透光度差,一般没有大块面的成材,因此造价较高。
人工合成的透光云石,原理等同于厨房橱柜上的人造大理石,只不过切片厚度一般在5mm左右,具有透光不透视的效果。
透光云石吊顶的常规做法为:1)使用螺丝杆吊杆固定龙骨。
2)在龙骨上固定光源,后将透光石用广告钉固定在龙骨上。
现有技术中,透光云石顶采用小规格加明龙骨安装,产生阴影,影响观感现,且透光云石厚度至少达到20mm,浪费天然资源,易出现质量问题,材料本身存在安全隐患。
常规透光云石吊顶存在以下弊端:1、采用小规格加明龙骨安装,产生阴影,影响观感。
2、透光云石厚度至少达到20mm,浪费天然资源,易出现质量问题,材料本身存在安全隐患。
本实用新型的目的是解决传统工艺产生的阴影问题,避免带框搁置而影响观感效果,消除材料本身带来的安全隐患,增强了质量的稳定性,提升装饰效果的观感度;并且节约天然材料,既增加装饰效果,又提高质量和效益。
透光复合材料蒙晓霞,1100501227中国计量学院材料学院11材料2班,杭州 310018摘要透光复合材料是一种新型采光材料,它具有强度高、韧性好、比重小、不易碎、易成型等优点,在工农业与民用建筑等领域中得到日益广泛的应用,本文将从透光复合材料的优缺点及其分类、结构、原材料及其制备工艺和应用发展等方面展开做简要的相关介绍。
关键词透光,玻璃钢,透明树脂,玻璃纤维,手糊成型,防老化随着现代科技的迅速发展,多年来沿用的采光材料——玻璃,已不能满足现代工农业技术发展的要求。
因此,探求新的采光材料,越来越引起人们的重视。
透光复合材料是一种新型的复合材料类采光材料,发展至今已有60多年的历史,主要研究方向为:提高机械化生产水平;提高耐老化性能,延长使用寿命;开发新产品,扩大使用范围。
美国1949年首先研究出不饱和聚酯透明玻璃钢,20世纪60年代初期,透明玻璃钢才在建筑工程中得到推广应用,我国研究透明玻璃钢始于1965年,1975年武汉理工大学研究成功透光率达89%的高透明玻璃钢,从而扩大了透明玻璃钢的使用范围。
如今,我国在透光玻璃钢防老化、工艺设备及应用技术等方面均取得了很大的进展。
1 透光复合材料的特点透光复合材料是的一种以玻璃纤维或金属细丝增强合成树脂而复合制成的新型透光材料,俗称透明玻璃钢,又称为透明增强塑料或透明复合材料。
其技术性能在很多方面都优于普通玻璃。
1.1透明玻璃钢的技术优越性1)透明玻璃钢的抗冲击性能优越。
不怕冰雹和碰撞,不像玻璃那样容易自爆,因此也比玻璃安全,可以用在玻璃不能胜任的地方,省去了采光窗口上下的防护网,提高采光系数。
2)透光率高。
透明玻璃钢的透光率可达85%~90%,接近于玻璃,但它有足够的强度和刚度,兼有采光和结构材料的特点,是一种既能透光又能承受荷载的多功能材料,可以减少采光工程的结构材料如窗框窗扇,从而降低造价,提高采光系数。
3)轻质高强。
透明玻璃钢的相对密度(1.5~1.9)小于玻璃,约为玻璃的60%~76%,其拉伸强度、弯曲强度比玻璃高1~8倍。
因此,使用透明玻璃钢能大大降低采光制品的自重,增大产品尺寸,提高采光工程的安装效率等。
4)透光均匀。
属非均质透光材料,光线透过时能产生散射作用。
因此,用透明玻璃钢采光的建筑工程,室内光照均匀、无光斑、不眩目。
5)热导率小。
隔热性强。
6)成型工艺简单。
一次能够生产出造型复杂、尺寸任意的采光制品。
7)施工运输方便。
制品质量小,抗冲击韧性大,施工运输过程损坏率低,可降低工程造价。
8)设计自由度大。
透明玻璃钢最大的优点就是可按设计要求任意配色,使产品色泽鲜艳、美观,适用于各类装饰工程。
1.2透明玻璃钢的缺点1)耐久性差。
一般未经防护处理的透明玻璃钢,使用3~4年后强度和透光率便会降低。
但是如果采用防老化措施(如用聚氟乙烯薄膜保护),其使用寿命可达20年以上。
2)透明度低。
透明玻璃钢的透明度最高达80%,比玻璃(99%)低很多。
2 透光复合材料的分类1)透光复合材料按其所用的树脂基体不同:一是不饱和聚醋树脂透光复合材料。
二是丙烯酸类树脂透光复合材料。
三是透明聚氯乙烯、聚碳酸醋塑料透光复合材料。
2)按使用的增强材料和形态分为玻璃纤维布或玻璃纤维毡增强的透光复合材料和金属纤维网增强塑料透光复合材料。
3)按使用的增强材料的种类:一是无碱玻璃纤维透光复合材料,国内外大部分透光复合材料制品都是使用这种材料。
二是中碱玻璃纤维透过复合材料,其价格便宜,可用在要求一般的采光工程中。
4)按透光复合材料在平面内承受的各向力学性能:一种各向同性透光复合材料(主要是指用玻璃纤维毡增强)。
二是各向异性透光复合材料(主要是指用玻璃纤维布或金属网增强的复合材料),这类透明玻璃钢的强度较高。
透光复合材料的品种很多,性能与有所区别,各种透光材料性能比较如下表所示:3 透光复合材料的结构和制品透明玻璃钢的结构有夹层结构和板结构,其中夹层结构发展较快且应用广泛。
玻璃钢夹层结构是指蒙皮玻璃钢、芯材玻璃布蜂窝或泡沫塑料所组成的结构材料。
玻璃钢夹层结构按其所用的夹芯材料的类别通常可分为三种:泡沫夹层结构、玻板夹层结构和蜂窝夹层结构。
透明玻璃钢采光制品大致分为以下三种:1)透光平板或波形板。
产量最大,规格最多,用途也最广。
2)壳体形式采光罩。
整体性能和密封性能优良,主要用于建筑屋顶采光。
3)夹芯结构式采光板。
夹层结构透明玻璃钢采光板的导热系数小,能够起到双层窗的功能,既采光又保温,可以用于寒冷地区的屋顶和墙面采光。
4透光复合材料的原材料生产透明玻璃钢的原材料主要是玻璃纤维和透明树脂。
玻璃纤维在透明玻璃钢中起增强作用,是受力组分,分无碱和中碱两种。
常用的纤维制品有无捻粗纱、短切纤维毡和无捻粗纱布等。
一般选用单丝直径比较粗的玻璃纤维制品,纤维直径比较粗,则纤维制品的比表面积较小,容易被树脂浸润,对提高透明玻璃钢的透光率有利。
树脂的作用是把玻璃纤维牢固地黏结在一起,使纤维能共同受力。
常用的树脂有丙烯酸类树脂和不饱和聚酯树脂。
丙烯酸类树脂主要是以甲基丙烯酸甲酯为单体聚合的树脂,透明性好、耐老化性好,为了使树脂的折光率与玻璃纤维接近,也使用苯乙烯改性的聚甲基丙烯酸甲酯树脂。
此外,丙烯酸类树脂透紫外线能力较强,由于其折射率调节范围较大,故对中碱和无碱玻璃纤维都能适用。
透明型不饱和聚酯树脂也是甲基丙烯酸甲酯改性的,以提高其耐光性能。
透明型不饱和聚酯树脂的发展历史较长,技术比较成熟,价格也比较便宜。
透明玻璃钢是一种既能承重又能透光的复合材料。
透光材料本身特性决定其对光学性能要求比对强度的要求要高。
透明玻璃钢对玻璃纤维和树脂原料的光学性能要求有二:一是要求玻璃纤维和树脂本身的透光率高;二是要求玻璃纤维和树脂复合成玻璃钢后的透光性能要好。
所以首先就要提高玻璃纤维和树脂固化体的透光率,其次是要求玻璃纤维和树脂固化体的折射率保持一致。
丙烯酸类树脂能适有碱和无碱玻璃纤维的折射率,而不饱和聚酯的折射率不能和无碱纤维相匹配。
从我国的实际情况分析,两者均有发展前途,但目前国内仍以不饱和聚酯透明玻璃钢为主。
国外生产透明玻璃钢的增强材料,主要是玻璃纤维毡。
毡片分为增强毡和表面毡两种。
其优点有毡片价格便宜、易浸透树脂、树脂含量高(可达75%)、透光率高、厚度对透光率的影响小,但用毡制成的透明玻璃钢强度低,厚度较大,因而提高了生产成本。
而国内生产透明玻璃钢板材除机械化连续生产机组用毡外,一般都是用无捻粗纱布。
用玻璃纤维布生产透明玻璃钢的特点是强度高,树脂含量少(50%左右),板材的厚度可降低到0.8mm左右。
其主要缺点是产品厚度对透光率影响较大,价格比玻璃毡高。
另外,为防止成型的复合材料制品在模具上粘着,需要在制品与模具之间施加一类隔离膜来使制品容易从模具中脱出,同时保证制品表面质量和模具完好无损。
这就是要用到脱模剂了,脱模剂分为内部润滑性和外部润滑性。
内部润滑性脱模剂主要是提高聚合物分子本身的润滑性,所以要求要和树脂聚合物有一定程度的亲和性或相容性。
外部润滑性脱模剂是提高模具与聚合物之间的润滑性,因而对它的选择很重要。
对脱模剂一般要求如下:使用方便、干燥时间短;操作安全、无毒;均匀光滑、成膜性好;对模具无腐蚀,对树脂固化无影响;对树脂的粘附力低;配制容易、价格便宜。
5 透光复合材料的制备工艺透明玻璃钢可以使用普通玻璃钢的生产工艺进行生产。
透明玻璃钢平板、波形板和夹层板的生产工艺主要有手糊工艺和机械化成型工艺,国内生产透明玻璃钢板材以手糊工艺为主。
手糊成型工艺又称接触成型,是树脂基复合材料生产中最早使用和应用最普遍的一种成型方法。
手糊成型工艺是以加有固化剂的树脂混合液为基体,以玻璃纤维及其织物为增强材料,在涂有脱模剂的模具上以手工铺放结合,使二者粘接在一起,制造玻璃钢制品的一种工艺方法。
手糊成型的主要工序是在操作平台上完成薄膜、玻璃纤维布或毡的铺设、刮涂树脂等工作。
用无捻粗纱布时,一般铺设3—4层,树脂含量为48.5%~52%。
用短切纤维毡时,树脂容易浸透,虽然不能直接用刮板在纤维毡上刮,气泡仍机械化成型工艺既可以使用短切纤维毡,也可以使用玻璃布,分为纵波形板生产工艺和横波波形板生产工艺两种,主要工艺步骤为玻璃纤维布或毡的准备、浸渍树脂、赶除气泡、加热固化、裁切或卷取(横波波形板)。
透明玻璃钢壳体采光罩一般用手糊工艺或喷射工艺成型。
6 透光复合材料的发展与防老化制造透明玻璃钢用的透明树脂的发展方向,主要是提高其耐光性、耐水性、耐磨性和自熄性等。
不饱和聚酯树脂的研究重点是提高其耐老化性能,防止变黄、延长使用寿命。
丙烯酸类树脂透紫外线能力比不饱和聚酯好,产品不易变黄,其研究重点是提高硬度、减少收缩等。
如今,透明玻璃钢主要研究方向为:提高机械化生产水平;提高耐老化性能,延长使用寿命;开发新产品,扩大使用范围。
其中就研究透明玻璃钢的老化机理,探求防止老化的技术措施,延长其使用寿命,是当前发展这种材料的重要课题,也是一直以来的研究重点。
透明玻璃钢在使用过程中,因受自然环境的影响,物理力学性能逐渐变坏,最后失去使用价值,这种现象称为老化。
透明玻璃钢的耐久性按品位分三等(其玻璃纤维含量均在30%左右):一般产品使用3~4年,加防护处理的可使用7~10年,特殊处理的使用15~20年。
老化现象主要表现为:光泽减退,颜色变黄;表面树脂剥蚀,玻璃纤维外露,玻璃钢表面发毛及灰尘污染;玻璃纤维和树脂间的粘接破坏,玻璃纤维纹理显露,玻璃钢发白;透明玻璃钢的强度和透光率降低。
透明玻璃钢的老化机理概括地讲,可分为物理因素和化学因素两大类:物理因素包括温度变化,应力作用、机械磨损等,化学因素包括光、热、氧及化学介质(水、酸、碱、盐雾等)作用。
在这些因素中,影响最大的是光、机械磨损和湿热等。
防光老化的措施主要有两点:1)改变不饱和聚酯树脂的原料组成。
提高玻璃钢中树脂含量或者在不饱和聚酯树脂中加入甲基甲烯酸甲酯单体代替部分苯乙烯,都能有效地提高透明玻璃钢的耐光性。
2)加入光稳定剂。
采用添加优先吸收紫外线化学物质,可以有效地控制由光化学反应所引起的老化。
在不饱和聚酯树脂中加入紫外线吸收剂,可以减缓透明玻璃钢老化进行速度,减缓透光率降低和颜色变黄。
光稳定剂也称紫外线吸收剂,是一种能够吸收紫外线或减少紫外线破坏作用的化学物质。
它可以强烈地吸收高能量紫外线,并能将吸收的紫外线能转为热的形式或无破坏作用的长光波形式放出,使聚合物的分子免受紫外线破坏。
紫外线吸收剂的种类很多,其吸收紫外线的性能也不一样,在选择光稳定剂时,必须了解树脂的敏感波长,因为只有选用能吸收其敏感波长的紫外线吸收剂,才能提高树脂的光稳定性。
对于透明玻璃钢来讲,在选择紫外线吸收剂时,还应该考虑它对玻璃钢的染色性和经济效果。
紫外线屏蔽剂和紫外线淬灭剂是有效的紫外线稳定剂。