纖維增強(qiáng)聚合物混凝土及其界面與阻尼機(jī)理研究.pdf

1、精密和超精密機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步對(duì)機(jī)械加工設(shè)備加工精度的要求越來(lái)越高，機(jī)械基礎(chǔ)件的材料對(duì)機(jī)械設(shè)備的性能特別是加工精度影響很大，研究開(kāi)發(fā)新型的機(jī)械基礎(chǔ)件材料是提高機(jī)械加工設(shè)備綜合性能的有效手段之一。聚合物混凝土（Polymer Concrete，簡(jiǎn)稱PC）具有良好的阻尼減振性能，用于制作機(jī)械基礎(chǔ)件可以有效地提高機(jī)械加工設(shè)備的加工精度，受到了廣泛關(guān)注。 本文首次將玻璃纖維和碳纖維應(yīng)用到聚合物混凝土中，開(kāi)發(fā)出可用作機(jī)械基礎(chǔ)件材料的

2、玻璃纖維增強(qiáng)聚合物混凝土（Glass Fiber Reinforced Polymer Concrete，簡(jiǎn)稱GFRPC）和碳纖維增強(qiáng)聚合物混凝土（Carbon Fiber Reinforced Polymer Concrete，簡(jiǎn)稱CFRPC），統(tǒng)稱為纖維增強(qiáng)聚合物混凝土（Fiber Reinforced Polymer Concrete，簡(jiǎn)稱FRPC）。 本文對(duì)纖維增強(qiáng)聚合物混凝土的組分特性、制作工藝、界面作用機(jī)理、阻尼減振

3、機(jī)理和力學(xué)性能等方面的作用機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)研究，提出了適用于纖維增強(qiáng)聚合物混凝土的制作工藝；研究了纖維增強(qiáng)聚合物混凝土各相成分之間的界面作用機(jī)理，建立了界面結(jié)合的化學(xué)模型和物理模型；分析了纖維增強(qiáng)聚合物混凝土的阻尼減振機(jī)理，提出了其阻尼損耗因子和阻尼比的計(jì)算模型；研究了纖維增強(qiáng)聚合物混凝土中各相組分的用量和工藝等因素對(duì)其力學(xué)性能的影響，為優(yōu)化纖維增強(qiáng)聚合物混凝土的配比、提高復(fù)合材料的性能提供了依據(jù)。 原材料是決定纖維增強(qiáng)聚合物混凝

4、土性能的重要因素，本文系統(tǒng)研究了纖維增強(qiáng)聚合物混凝土各原材料組分的物理和化學(xué)特性，選定環(huán)氧樹(shù)脂作為粘結(jié)劑并確定了所需的固化劑、稀釋劑、增韌劑等處理劑，詳述了環(huán)氧樹(shù)脂在固化劑作用下的固化機(jī)理，介紹了纖維增強(qiáng)聚合物混凝土中所需骨料和增強(qiáng)纖維的性能要求和特性。 在理論分析的基礎(chǔ)上，試驗(yàn)研究了纖維增強(qiáng)聚合物混凝土的制作工藝，制定了適合本文所選原材料的生產(chǎn)制作工藝流程。詳細(xì)介紹了增強(qiáng)纖維的表面處理、纖維增強(qiáng)聚合物混凝土的成型工藝、半成品的

5、養(yǎng)護(hù)工藝、脫模劑的選擇、纖維增強(qiáng)聚合物混凝土機(jī)械基礎(chǔ)件的設(shè)計(jì)原則以及產(chǎn)品的后續(xù)加工工藝等，建立了纖維增強(qiáng)聚合物混凝土從原材料預(yù)處理、復(fù)合材料的制備到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)全過(guò)程的工藝流程體系。 分析了纖維增強(qiáng)聚合物混凝土的界面作用機(jī)理，建立了增強(qiáng)纖維與環(huán)氧樹(shù)脂基體之間的化學(xué)鍵連接模型，以及花崗巖骨料顆粒與環(huán)氧樹(shù)脂基體之間界面的物理作用模型。增強(qiáng)纖維表面處理后會(huì)在表面生成一些活性基團(tuán)，這些基團(tuán)可以與環(huán)氧樹(shù)脂基體中的環(huán)氧基等活性基團(tuán)發(fā)生

6、化學(xué)反應(yīng)，生成鍵能較大的化學(xué)鍵，使環(huán)氧樹(shù)脂基體與增強(qiáng)纖維結(jié)合為一個(gè)整體。花崗巖骨料與環(huán)氧樹(shù)脂基體之間的作用力有液體對(duì)固體的表面浸潤(rùn)作用以及固化后的環(huán)氧樹(shù)脂基體與花崗巖骨料之間的機(jī)械鎖結(jié)作用，兩相之間通過(guò)物質(zhì)的界面能、分子間相互吸附作用的范德華力和機(jī)械作用力實(shí)現(xiàn)界面結(jié)合。 研究了纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的阻尼減振機(jī)理，分析了纖維增強(qiáng)聚合物混凝土阻尼性能的主要來(lái)源和影響因素，提出了纖維增強(qiáng)聚合物混凝土的阻尼損耗因子和阻尼比計(jì)算模型。纖維增強(qiáng)

7、聚合物阻尼的主要來(lái)源是復(fù)合材料的基體，包括環(huán)氧樹(shù)脂基體、花崗巖骨料顆粒和增強(qiáng)纖維本身的阻尼，其它因素引起的阻尼（界面阻尼、熱彈性阻尼、粘塑性阻尼和材料破壞引起的阻尼等）對(duì)復(fù)合材料的阻尼性能也有一定影響。設(shè)計(jì)了兩組正交試驗(yàn)研究纖維增強(qiáng)聚合物混凝土的各種組分的用量和配比以及不同的纖維種類對(duì)其阻尼性能的影響，得出了不同因素對(duì)復(fù)合材料阻尼性能的影響規(guī)律。 通過(guò)正交試驗(yàn)研究了原料配比等因素對(duì)纖維增強(qiáng)聚合物混凝土力學(xué)性能的影響（以抗壓強(qiáng)度為

8、衡量指標(biāo)），得到了各因素對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響規(guī)律，可以作為優(yōu)化纖維增強(qiáng)聚合物混凝土原料配比的依據(jù)。正交試驗(yàn)研究了玻璃纖維增強(qiáng)聚合物混凝土和碳纖維增強(qiáng)聚合物混凝土的力學(xué)性能差異，以及增強(qiáng)纖維的長(zhǎng)度和用量對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。由于碳纖維的力學(xué)性能優(yōu)于玻璃纖維，在聚合物混凝土基體中可以承受更大的應(yīng)力作用，對(duì)聚合物混凝土的增強(qiáng)效果優(yōu)于玻璃纖維。對(duì)纖維增強(qiáng)聚合物混凝土機(jī)械基礎(chǔ)件的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真，并與灰鑄鐵基礎(chǔ)件進(jìn)行了比較，結(jié)果證