專利名稱：一種連續(xù)纖維-鋼絲復合板的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種連續(xù)纖維-鋼絲復合板，屬于土木、交通、水利等領域的新材
料開發(fā)。
背景技術：
目前，工程結構中最常用的纖維主要有碳纖維(Carbon Fiber)、玻璃纖維(GlassFiber)、芳纟侖纖維(Aramid Fiber)，各種纖維各有優(yōu)缺點 碳纖維強度高、彈性模量高、質量輕，但其極限應變小，并且原絲技術基本受國外壟斷和控制，在土木工程結構中應用成本太高。 玻璃纖維優(yōu)點是價格低，已經(jīng)國產(chǎn)化，拉伸強度較高；缺點是彈模低，耐久性不太理想，并且環(huán)境不友好。 芳綸纖維優(yōu)點是強度和彈模均較高，特別是具有較好的耐熱性和極好的韌性及抗沖擊性能。缺點是壓縮強度和壓縮模量較低，是有機纖維，耐潮濕和耐紫外輻射性差，表面與基體復合粘合性差。價格高，原絲技術也基本受國外壟斷和控制。[0006] 纖維增強復合材料(fiber reinforced polymer,簡稱FRP)是由纖維材料和基體材料按一定比例混合并經(jīng)過一定工藝復合形成的高性能新型材料。這種材料在20世紀40年代問世，起初用于航空、航天、國防等高科技領域，后來逐漸在汽車、化工、醫(yī)學等領域得到廣泛的應用。近年來，以其高強、輕質、耐腐蝕等優(yōu)點，開始在土木工程結構中得到廣泛應用，并受到工程界的廣泛關注。 由于土木工程的特殊性，F(xiàn)RP在該領域的應用存在的共性缺點，包括①延性差，現(xiàn)有FRP拉伸極限應變一般不大于3X，故無法滿足所增強的結構具有理想延性和高抗震性能的要求；②價格高，無法滿足土木工程結構材料低成本的要求，阻礙了其大范圍推廣應用；③抗剪能力差，F(xiàn)RP筋是一種晶體材料，縱向與橫向強度之比大(約為20 : l)，F(xiàn)RP的脆性易斷裂無法適應土木工程特殊施工工藝(如混凝土振搗、錨固、彎折等)的要求；④彈模低，即使是CFRP筋的彈模也只有150GPa左右，無法保證其增強后的結構具有很好的剛度，直接影響了結構正常使用階段性能；⑤性能離散，F(xiàn)RP筋力學性能比金屬材料更加離散； 部分纖維耐久性不理想，如玻璃纖維耐堿性能差；⑦耐火性能不理想；⑧在結構中使用，強度往往不能得到充分的發(fā)揮，浪費大。 要根本性解決以上瓶頸問題，推動FRP及相關材料在土木工程領域更加廣泛和科學的應用，必須開發(fā)更多的新材料，尤其需要注意兩點(l)纖維共同存在的一些缺點，決定了有時候多種纖維間單純的混雜改性不能很好地解決問題，必須與性能完全不同的材料進行復合；(2)在土木工程中特別是在新建結構中應用的新材料除了滿足高性能的要求外，還必須成本低且施工性理想等。

實用新型內容本實用新型針對現(xiàn)有技術的不足，提供一種新型強度高、彈模高、延性好、耐久性(耐疲勞性能、耐蠕變性能、耐腐蝕性等)好、成本低、施工性能好等綜合性能優(yōu)異的連續(xù)纖維_鋼絲復合板，該復合板既可用于土木工程及相關領域結構的加固補強和修復，也可直接用于結構材料，比如屋面板、橋面板等。為實現(xiàn)以上的技術目的，本實用新型采取以下的技術方案 —種連續(xù)纖維-鋼絲復合板，包括樹脂基體，所述樹脂基體內埋設有纖維材料制
品上層和纖維材料制品下層，且所述纖維材料制品上層和纖維材料制品下層之間的樹脂基體內至少埋設有鋼絲層。 所述纖維材料制品上層和纖維材料制品下層之間的樹脂基體內還埋設有纖維材料制品內層，且所述纖維材料制品內層與鋼絲層交替鋪排。 所述纖維材料為玄武巖纖維和/或玻璃纖維，所述纖維材料制品上層、纖維材料制品下層以及纖維材料制品內層由一張以上的單向纖維布同向平鋪而成，所述樹脂基體為熱固性樹脂。 所述熱固性樹脂為環(huán)氧樹脂、乙烯基樹脂、酚醛樹脂或不飽和樹脂。 所述鋼絲層由多根鋼絲按照單向纖維布的方向鋪排而成，或者由多根鋼絲繩按照
單向纖維布的方向鋪排而成，或者由多根鋼絲和鋼絲繩的混合體按照單向纖維布的方向鋪
排而成。 所述鋼絲層為三根以上的鋼絲編織成的鋼絲網(wǎng)。[0017] 所述鋼絲表面間隔地設置剪切鍵。[0018] 所述鋼絲為高強度鋼絲和/或高延性鋼絲。[0019] 所述鋼絲為異型截面鋼絲。 根據(jù)以上的技術方案，可以實現(xiàn)以下的有益效果 1.復合板中的纖維和鋼絲具有極強的互補性一般來說，纖維具有強度高、彈模低、延性差、耐久性好等特點，而鋼絲則強度低、彈模高、延性好、耐久性差等特點，把兩者進行復合，可做到揚長避短、優(yōu)勢互補，具體表現(xiàn)在①鋼絲的彈模高，纖維復合鋼絲可以提高板的彈模；②纖維是脆性材料，鋼絲是彈塑性材料，連續(xù)纖維_鋼絲復合板將具有很好的延性；③鋼絲和纖維復合，鋼絲外面包覆有樹脂和纖維，其耐腐蝕性能好，可以保證有良好的界面，從而保證其性能的很好地共同工作以及性能的充分發(fā)揮。 2.線彈性連續(xù)纖維的應力-應變關系曲線為線性，如


圖12所示，而彈塑性的鋼絲理想的應力-應變關系曲線呈二折線型，如
圖13所示，采用線彈性的連續(xù)纖維和彈塑性的鋼絲進行理想的復合后的連續(xù)纖維_鋼絲復合板具有以下優(yōu)點①初始階段鋼絲的作用將保證其具有較高的彈性模量；②鋼絲屈服后，復合板的剛度降低，但其應力-應變關系具有較為明顯的平臺，(相對于單一的纖維板)塑性性能得到體現(xiàn)；③纖維斷裂后，鋼絲繼續(xù)發(fā)揮作用，甚至能進入強化段，可保證復合板有良好的耗能能力和延性，其效果如
圖14所示；④鋼絲和纖維復合，鋼絲外面包覆有樹脂和纖維，其耐腐蝕性能好，可以保證有良好的界面，從而保證其性能的很好地共同工作以及性能的充分發(fā)揮。 3.從加固材料的角度講，相對于鋼板，連續(xù)纖維_鋼絲復合板輕質、高強、耐腐蝕、施工方便等；相對于單一的玄武巖纖維板或玻璃纖維板，復合板剛度高、延性好，有利于抗震加固；相對于碳纖維板，復合板價格便宜、延性好、并且加固鋼結構不會發(fā)生電化學腐蝕。[0024] 4.從結構材料的角度來講，相對于混凝土板，連續(xù)纖維-鋼絲復合板有以下優(yōu)點①輕，用的都是輕質材料；②綜合力學性能優(yōu)異，面板中纖維與鋼絲的混雜效應使其綜合力學性能優(yōu)(高剛度、高承載能力、高延性)；③抗沖擊性能好；④可設計性強，給設計人員提供了廣泛改變參數(shù)以優(yōu)化指標的可能性；⑤獨特的軍事功能，除了能良好吸收沖擊波外，還能很好地吸收雷達波，可以在軍事偽裝工程中得到應用。 5.從經(jīng)濟角度而言，BFRP-鋼絲復合板的與Lica-CFP系列碳纖維板以及日本三菱化學株式會社生產(chǎn)的E-Plate HM520相比，具有更高的性價比。[0026]以下結合附圖對本實用新型作進一步說明。
圖1是本實用新型的連續(xù)纖維/鋼絲層內混雜示意圖，其中，圖l(a)是該結構立體結構圖，圖l(b)是該結構的截面圖； 圖2是本實用新型的連續(xù)纖維/鋼絲層間混雜示意圖，其中，圖2(a)是該結構立體結構圖，圖2(b)是該結構的截面圖； 圖3是本實用新型的高強和高延性鋼絲的混雜示意圖； 圖4是本實用新型采用不同形狀鋼絲示意圖，其中圖4(a)是采用方形鋼絲的結構示意圖，圖4(b)是采用三角形鋼絲的結構示意圖，圖4(c)是采用鋼絲繩的結構示意圖，圖4(d)則為鋼絲繩的繞制示意圖； 圖5是本實用新型的帶剪切鍵的鋼絲示意圖；[0033] 圖6是本實用新型的鋼絲網(wǎng)層間復合示意圖； 圖7是本實用新型的連續(xù)纖維_鋼絲復合板拉擠成型工藝示意圖； 圖8是本實用新型的連續(xù)纖維_鋼絲復合筋材示意圖； 圖9是本實用新型的連續(xù)纖維_鋼絲復合板手糊成型工藝示意圖；
圖10中，
圖10(a)是本實用新型的連續(xù)纖維/鋼絲層間混雜示意圖，
圖10(b)是
本實用新型的連續(xù)纖維/鋼絲夾心混雜示意圖；
圖11是本實用新型的鋼絲、纖維的本構曲線圖；
圖12是本實用新型的纖維的應力_應變理想曲線圖；
圖13是本實用新型的鋼絲的應力_應變理想曲線圖；
圖14是本實用新型的連續(xù)纖維-鋼絲復合板的應力-應變理想曲線圖。[0042]具體實施方式以下將結合附圖詳細地說明本實用新型的技術方案。 如
圖1至6以及圖8、
圖10所示，本實用新型所述的連續(xù)纖維-鋼絲復合板，包括樹脂基體3以及埋設于樹脂基體3內的纖維材料制品，所述樹脂基體3內還埋設有鋼絲材料制品，且所述樹脂基體3、纖維材料制品以及鋼絲材料制品復合連接成一體，所述纖維材料制品選自纖維織物11、纖維無捻粗紗12和纖維氈13，所述鋼絲制品選自鋼絲21、兩根以上鋼絲21搓捻而成的鋼絲繩22和三根以上鋼絲21組成的鋼絲網(wǎng)23，所述樹脂基體3為熱固性樹脂，本實用新型主要選用環(huán)氧樹脂、乙烯基樹脂、酚醛樹脂或不飽和聚酯樹脂。[0045] 另外本實用新型所述的纖維材料優(yōu)選玄武巖纖維和/或玻璃纖維，則纖維織物11、纖維無捻粗紗12和纖維氈13則包含前述玄武巖纖維和/或玻璃纖維。[0046] 如圖l所示，其為本實用新型所述的連續(xù)纖維/鋼絲層內混雜示意圖，其中，圖l(a)是該連續(xù)纖維/鋼絲層內混雜立體結構圖，圖l(b)則為該結構的截面圖，所述樹脂基體內埋設有纖維氈外層13，而在該纖維氈外層13的內部則包覆有多根同樣埋設于樹脂基 體3內的纖維無捻粗紗12、鋼絲21和/或鋼絲繩22，且纖維氈13、纖維無捻粗紗12以及鋼 絲21和/或鋼絲繩22通過不飽和樹脂復合連接成一體，這種產(chǎn)品主要運用拉擠成型工藝 生產(chǎn)，該工藝流程圖如圖7所示，具體包括以下步驟在成型設備牽引力的作用下，增強材 料如纖維無捻粗紗12、鋼絲21和/或鋼絲繩22以及纖維氈13等經(jīng)樹脂基體3 (如環(huán)氧樹脂 或不飽和聚酯樹脂)浸漬后通過模具系統(tǒng)6，并在其中受到高溫高壓后連續(xù)固化成型，經(jīng)過 張拉裝置7后，用切割器8切割即可連續(xù)得到尺寸穩(wěn)定的連續(xù)纖維-鋼絲復合板材。另外， 改變模具系統(tǒng)將可得到不同形狀的連續(xù)纖維_鋼絲復合材料，如圖8所示的連續(xù)纖維_鋼 絲復合筋材即是通過相應的模具系統(tǒng)獲得，通過拉擠成型工藝獲得的復合板，具備以下優(yōu) 點各組分混合均勻、充分；界面性能穩(wěn)定；生產(chǎn)效率也比較高。 如圖2所示，其為本實用新型所述的連續(xù)纖維/鋼絲層間混雜示意圖，其中，圖 2(a)是該連續(xù)纖維/鋼絲層間混雜的立體結構圖，圖2(b)則為該結構的截面圖，所述樹脂 基體內埋設有纖維織物上層4和纖維織物下層，且該纖維織物上層4和纖維織物下層之間 的樹脂基體內還埋設有鋼絲層5和纖維織物內層，所述鋼絲層5與纖維織物內層交替鋪排， 所述纖維織物內層和/或纖維織物上層4由一張以上的單向纖維布同向平鋪而成，所述鋼 絲層5則由多根鋼絲21和/或者鋼絲繩22按照單向纖維布的方向鋪排而成，這類產(chǎn)品主 要通過手糊成型工藝生產(chǎn)，該工藝示意圖如圖9所示，具體包括以下步驟在復合板手工糊 制平臺上，先平鋪纖維織物上層4，所述纖維織物上層4為單層單向纖維布或者多層單向纖 維布組成，然后用樹脂基體3環(huán)氧樹脂充分浸漬的纖維織物上層4，接著在前述纖維織物上 層4上，用數(shù)根細直徑鋼絲21以一定間距沿著單向纖維布的方向鋪排，以形成鋼絲層5，所 述復合板手工糊制平臺上設置用于固定鋼絲21的金屬條9以及用于維持鋼絲21之間間距 的螺紋牙條IO，然后根據(jù)纖維織物內層與鋼絲層5兩者的不同鋪層方式，該混雜復合板可 分為層間混雜和夾心混雜(a)層間混雜如
圖10(a)所示，層間混雜一般采取交替鋪層，即 纖維織物內層與鋼絲層5交替鋪層，鋪層方式可以用通式n/n-l表示，其中，n表示纖維層 的層數(shù)，n-l表示鋼絲層的層數(shù)，纖維織物上層4和/或纖維織物內層的厚度可以由單向纖 維布層數(shù)以及所浸漬的樹脂基體3的量來控制，而鋼絲層5的厚度主要通過鋼絲21的直徑 來確定；(b)夾心混雜如
圖10(b)所示，夾心混雜即指樹脂基體內只埋設有纖維織物上層4 以及包覆于該纖維織物上層4內的鋼絲層5，其通式為m/l/m， m表示浸漬過的多層纖維布 組成纖維織物上層4， 1為芯部的鋼絲層5。 為進一步提高連續(xù)纖維_鋼絲復合板的性能，可以直接使用綜合性能優(yōu)異的單一 鋼絲21，比如預應力刻痕鋼絲、螺旋肋鋼絲等，也可以在鋼絲層5中采用混雜，如圖3所示， 鋼絲21的混雜是利用高強度鋼絲212和高延性鋼絲213的混合使用實現(xiàn)的。高強度鋼絲 212、高延性鋼絲213、連續(xù)纖維材料制品的實際本構曲線如
圖11所示，高強度鋼絲212的混 雜保證復合板具有足夠的強度，同時，高延性鋼絲213的復合保證連續(xù)纖維材料制品和高 強度鋼絲212斷裂后能量逐步釋放。 纖維與鋼絲復合的關鍵問題在于兩者之間能否很好地共同受力，即兩者之間的粘 結性能是否足夠好，為提高復合板內部鋼絲21與樹脂基體3之間的粘結性能，可采用以下 方法(1)直接選用刻痕鋼絲、螺旋肋鋼絲等表面比較粗糙的鋼絲21 ; (2)選擇的異型截面 如方形截面鋼絲214以及三角形截面鋼絲215等，如圖4所示，其中，圖4 (a)是采用方形鋼絲的結構示意圖，圖4(b)是采用三角形鋼絲的結構示意圖，在截面積相同的情況下，三角 形、矩形和方形截面的周長比圓形截面的周長要大，因此，在鋼絲21長度一定以及鋼絲21 體積含量一定的條件下，周長大的截面其與基體的粘結面積要大，因而界面的粘結強度也 要高；(3)將鋼絲層5的單根鋼絲21用鋼絲繩22來代替，如圖4(c)和圖(d)所示，其中， 圖4(c)是采用鋼絲繩的結構示意圖，圖4(d)則為鋼絲繩的繞制示意圖，所述鋼絲繩22由 兩根或兩根以上的鋼絲21搓捻在一起形成，則鋼絲繩22的表面比較粗糙，這可以提供其與 樹脂基體3之間一個比較大的機械咬合力，同樣可以提高界面粘結強度；(4)事先在鋼絲21 表面以間隔地綁扎或焊接短鋼絲形成如圖5所示的帶剪切鍵211的鋼絲；(5)選用鋼絲網(wǎng) 23來提高鋼絲21與纖維材料制品之間的粘結性能，所述鋼絲網(wǎng)23由三根以上的鋼絲21編 制而成，其與纖維材料制品復合的結構示意圖如圖6所示；(6)可以綜合應用以上各種方法 達到理想的粘結性能。
權利要求一種連續(xù)纖維-鋼絲復合板，包括樹脂基體，其特征在于，所述樹脂基體內埋設有纖維材料制品上層和纖維材料制品下層，且所述纖維材料制品上層和纖維材料制品下層之間的樹脂基體內至少埋設有鋼絲層。
2. 根據(jù)權利要求l所述的連續(xù)纖維-鋼絲復合板，其特征在于，所述纖維材料制品上層和纖維材料制品下層之間的樹脂基體內還埋設有纖維材料制品內層，且所述纖維材料制品內層與鋼絲層交替鋪排。
3. 根據(jù)權利要求1或2所述的連續(xù)纖維-鋼絲復合板，其特征在于，所述纖維材料為玄武巖纖維或玻璃纖維，所述纖維材料制品上層、纖維材料制品下層以及纖維材料制品內層由一張以上的單向纖維布同向平鋪而成，所述樹脂基體為熱固性樹脂。
4. 根據(jù)權利要求3所述的連續(xù)纖維_鋼絲復合板，其特征在于，所述熱固性樹脂為環(huán)氧樹脂、乙烯基樹脂、酚醛樹脂或不飽和樹脂。
5. 根據(jù)權利要求3所述的連續(xù)纖維_鋼絲復合板，其特征在于，所述鋼絲層由多根鋼絲按照單向纖維布的方向鋪排而成，或者由多根鋼絲繩按照單向纖維布的方向鋪排而成。
6. 根據(jù)權利要求3所述的連續(xù)纖維-鋼絲復合板，其特征在于，所述鋼絲層為三根以上的鋼絲編織成的鋼絲網(wǎng)。
7. 根據(jù)權利要求3所述的連續(xù)纖維-鋼絲復合板，其特征在于，所述鋼絲表面間隔地設置剪切鍵。
8. 根據(jù)權利要求3所述的連續(xù)纖維_鋼絲復合板，其特征在于，所述鋼絲為高強度鋼絲或高延性鋼絲。
9. 根據(jù)權利要求3所述的連續(xù)纖維_鋼絲復合板，其特征在于，所述鋼絲為圓形、三角形或者方形截面鋼絲。
專利摘要本實用新型涉及一種連續(xù)纖維-鋼絲復合板，所述樹脂基體內埋設有纖維材料制品上層和纖維材料制品下層，且所述纖維材料制品上層和纖維材料制品下層之間的樹脂基體內至少埋設有鋼絲層，由此知，本實用新型所提供的連續(xù)纖維-鋼絲復合板分別保留了纖維材料制品和鋼絲制品的優(yōu)點，強度高、彈模高、延性好、耐久性好、且有穩(wěn)定二次剛度等綜合性能優(yōu)異的連續(xù)纖維-鋼絲復合板，另外該復合板既可用于土木工程及相關領域結構的加固補強和修復，也可直接用于結構材料，比如屋面板、橋面板。
文檔編號F16S1/00GK201539681SQ20092004411
公開日2010年8月4日 申請日期2009年6月18日 優(yōu)先權日2009年6月18日
發(fā)明者馮武強, 吳剛, 吳智深, 歐進萍, 王言磊 申請人:東南大學;大連理工大學;浙江石金玄武巖纖維有限公司