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玄武岩纤维增强复合材料胶粘接头力学性能及失效机制研究

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玄武岩纤维增强复合材料胶粘接头力学性能及失效机制研究

作者：王书豪湖南大学

学位级别：硕士

轻量化技术对于解决汽车节能环保问题具有重要意义。近年来,利用天然纤维作为增强材料来实现轻量化引起了人们的广泛关注。玄武岩纤维增强复合材料(BFRP)作为一种廉价、性能优良的替代材料越发得到重视。然而,复合材料与其他材料连接问... 详细信息

轻量化技术对于解决汽车节能环保问题具有重要意义。近年来,利用天然纤维作为增强材料来实现轻量化引起了人们的广泛关注。玄武岩纤维增强复合材料(BFRP)作为一种廉价、性能优良的替代材料越发得到重视。然而,复合材料与其他材料连接问题成为阻碍其大规模应用的巨大挑战。胶接技术以其较强的力学性能和良好的适应性等优势,广泛应用于纤维增强复合材料(FRP)的连接。目前,已有学者对碳纤维增强复合材料(CFRP)等材料的胶粘接头进行了相关研究,而对BFRP胶粘接头缺乏系统的研究。因此,为了指导BFRP材料在汽车中的应用,本文通过试验、仿真、微观表征等手段对BFRP胶粘接头的力学性能、失效行为、服役性能开展了一系列研究和分析,主要研究内容和结论如下:(1)研究了胶粘剂属性和基板材料对接头力学性能的影响,并基于响应面分析法建立了三个工艺参数(铝合金基板厚度、搭接区长度、加载方向与玄武岩纤维的角度)对接头的力学性能影响的预测模型。结果表明接头的强度、刚度取决于被粘物的屈服强度和刚度,BFRP-BFRP胶粘接头具有更高的峰值载荷,而BFRP-铝合金胶粘接头的刚度更大,脆性胶可以提升胶粘接头的强度和断裂吸收能。引入了剪切强度τ作为评估胶粘剂强度利用率的评价指标,基于响应面分析法建立了τ的预测模型并对最佳参数的区间进行预测。根据模型分析了工艺参数的耦合作用,纤维方向与接头强度呈负相关,而搭接区长度和铝合金基板厚度呈正相关。(2)基于双线性内聚力本构和牵引分离混合模型建立胶粘接头的二维有限元模型,并与数字图像相关(DIC)技术记录的失效过程进行对比,通过试验结果验证其准确性。分析了损伤变量、应力场和应变场的演化规律。直观揭示了不同的基板材料、胶粘剂属性以及工艺参数对接头裂纹扩展和失效模式的影响规律。结果表明二维有限元模型能够较为准确的预测BFRP胶粘接头的力学性能和应力应变分布。(3)应用DIC、扫描电镜(SEM)、X射线能谱分析(EDS)等技术手段研究了BFRP胶粘接头在高速剪切和中性盐雾腐蚀条件下的服役性能和失效机理。结果表明加载速率与接头强度存在显著的正相关关系。在高加载速率下,接头产生应力波,出现多个峰值。不同的加载速率影响了接头的失效行为,破坏模式从铝合金母材断裂转变为混合破坏,薄层内聚破坏的比例随加载速率升高而增大,失效位移减小;最大剥离应变随之增加,初始裂纹的萌生位置转移至铝合金基板边缘。另一方面,BFRP胶粘接头耐腐蚀性能良好。随着盐雾腐蚀时间增加,接头腐蚀加速。腐蚀20天后,BFRP-Al接头峰值载荷下降16.2%,BFRP-BFRP接头峰值载荷下降9.5%。盐雾液滴从粘接区侧边缘和两端向胶层的中心渗透,在铝合金表面形成点蚀小孔,破坏界面结合作用,提高了BFRP-Al接头界面破坏比例。

关键词：玄武岩纤维增强复合材料胶粘接头工艺参数预测模型失效行为服役性能

玄武岩纤维增强复合材料加固受损混凝土梁抗剪性能研究

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玄武岩纤维增强复合材料加固受损混凝土梁抗剪性能研究

作者：柳亚男辽宁工业大学

学位级别：硕士

随着社会的发展和国家对于建筑行业的要求，对于一些还没有到达设计使用年限，但在使用过程中出现不同程度受损的建筑物，拆了重建既不经济也不符合国家对建筑行业的要求，因此采取适合的方法对受损的建筑构件进行加固显得尤为重要。利... 详细信息

随着社会的发展和国家对于建筑行业的要求，对于一些还没有到达设计使用年限，但在使用过程中出现不同程度受损的建筑物，拆了重建既不经济也不符合国家对建筑行业的要求，因此采取适合的方法对受损的建筑构件进行加固显得尤为重要。利用纤维增强复合材料加固钢筋混凝土构件已成为加固行业中的一种趋势，而且已在土木工程中得到了较为广泛的应用。目前纤维增强复合材料加固钢筋混凝土构件已经有了较多的试验研究，但对加固受损的钢筋混凝土构件研究相对较少，因此加固技术和理论研究仍需完善。本文采用粘贴玄武岩纤维布和嵌入玄武岩纤维筋两种方法对7根受损混凝土梁进行抗剪加固，通过试验研究表明，应用玄武岩纤维布和玄武岩纤维筋加固受损混凝土梁均有比较明显的效果，玄武岩纤维增强复合材料加固后的受损混凝土梁在变形性能和抗剪承载力方面均有所提高。通过观察加固后受损混凝土梁的试验加载过程，分析了加固后受损混凝土梁的破坏形态及影响加固效果的因素。加固后受损混凝土梁的破坏形态包括弯曲破坏、剪切破坏和剥离破坏三种破坏形态。影响加固效果的因素有玄武岩纤维增强复合材料的粘贴方式、试件的剪跨比、混凝土强度等因素。根据对试验结果的整理和分析，提出了玄武岩纤维增强复合材料加固受损混凝土梁抗剪承载力的理论计算模型和理论计算公式，通过理论计算公式计算出的理论值与试验值基本吻合。应用有限元软件对玄武岩纤维布抗剪加固受损混凝土梁进行数值模拟，研究受损混凝土梁加固后的力学性能。通过数值模拟得出的抗剪承载力及应变云图与通过试验得出的结论基本一致。

关键词：玄武岩纤维增强复合材料受损混凝土梁有效应变承载力拉压杆模型

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玄武岩纤维增强复合材料板螺栓连接试验研究

防护工程 2019年第6期38卷 51-57页

作者：郑磊姜厚文张鏖陈胜云王雪明李驰弦军事科学院国防工程研究院北京100850 山西晋投玄武岩开发有限公司山西大同037010 同济大学上海200092

为研究玄武岩纤维增强复合材料(BFRP)拉挤成型板材螺栓连接节点承载力性能,重点分析了螺栓直径D、数量B、边距Sw和端距E对BFRP拉挤成型板材螺栓连接节点承载力的影响规律。研究结果表明:对于不同的节点连接参数,典型的BFRP拉挤成型板材... 详细信息

为研究玄武岩纤维增强复合材料(BFRP)拉挤成型板材螺栓连接节点承载力性能,重点分析了螺栓直径D、数量B、边距Sw和端距E对BFRP拉挤成型板材螺栓连接节点承载力的影响规律。研究结果表明:对于不同的节点连接参数,典型的BFRP拉挤成型板材螺栓连接节点载荷-位移曲线先呈现出从线性到非线性增加的趋势;到达极限荷载后连接节点进入失效阶段,承载力下降较快,而且随着参数的变化,破坏形式由渐进破坏逐渐呈现出瞬间脆性破坏的趋势。无论上述参数如何变化,其最终破坏模式均为劈裂或者剪切破坏。

关键词：玄武岩纤维增强复合材料拉挤成型板材螺栓连接节点承载力破坏模式

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玄武岩纤维增强复合材料及其界面研究进展

建筑施工 2015年第5期37卷 592-593,640页

作者：王希俊韩振华尹婷婷上海建工集团工程研究总院上海201114

介绍了玄武岩纤维增强复合材料(BFRP)及其界面的研究现状,探讨了目前对界面研究的不同改性方式,并对不同改性方式对提高纤维与树脂两者之间结合强度的有效性进行了分析,通过对目前BFRP界面研究的总结,提出了对未来研究的展望。

关键词：建筑材料玄武岩纤维玄武岩纤维增强复合材料界面力学性能

氧化铒掺杂玄武岩纤维增强复合材料的辐射屏蔽及力学性能研究

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氧化铒掺杂玄武岩纤维增强复合材料的辐射屏蔽及力学性能研究

玄武岩纤维增强复合材料结构光伏支架的发展趋势

第十九届全国复合材料学术会议

作者：李然顾轶卓杨中甲王绍凯李敏张佐光北京航空航天大学材料科学与工程学院

本文制备了氧化铒(ErO)掺杂玄武岩纤维(BF)增强复合材料,采用多道γ谱仪测试了此复合材料对30ke V62ke V能量范围内γ射线的屏蔽性能,比较了稀土氧化物及对复合材料γ射线屏蔽性能的影响,并考察了复合材料的弯曲、层间剪切性能和玻璃化... 详细信息

本文制备了氧化铒(ErO)掺杂玄武岩纤维(BF)增强复合材料,采用多道γ谱仪测试了此复合材料对30ke V62ke V能量范围内γ射线的屏蔽性能,比较了稀土氧化物及对复合材料γ射线屏蔽性能的影响,并考察了复合材料的弯曲、层间剪切性能和玻璃化转变温度的变化。实验结果表明,未添加氧化铒增强体的玄武岩纤维增强复合材料具有略高于金属铝的屏蔽性能,ErO能够明显提高复合材料的辐射屏蔽性能,其中在铒元素的K吸收限附近(31ke V-80ke V)提高效果最为明显。同时,在低能辐射下(31ke V-80ke V),与铝相比,有明显的减重效果。氧化铒掺杂玄武岩纤维增强复合材料的弯曲强度随稀土氧化物含量的加入呈下降的趋势,弯曲模量随氧化铒粉体的添加而增大;复合材料的层间剪切强度和玻璃化转变温度随氧化铒粉体的加入而略有提高。由此可见,采用添加量的氧化铒粉体,可以在保证力学性能的前提下提高玄武岩纤维复合材料的辐射屏蔽性能,有望作为辐射防护复合材料的高性能增强体。

关键词：玄武岩纤维增强复合材料氧化铒 γ射线屏蔽性能力学性能

来源： cnki会议评论

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玄武岩纤维增强复合材料结构光伏支架的发展趋势

高温作用后GFRP/BFRP筋拉伸性能试验研究及强度折减计算

第四届全国太阳能电池材料与器件大会

作者：王帮建刘建勋匡荛海南大学海洋科学与工程学院东南大学材料科学与工程学院

双碳背景下新能源被提到了优先发展的位置。光伏发电作为新型电力系统的核心组成部分,其组件成本虽已显著下降,但进一步降低成本的空间面临挑战,难以跟随新型光伏电池组件的下降速度,需要探索新的降本策略。新兴纤维增强树脂基复合材料(... 详细信息

双碳背景下新能源被提到了优先发展的位置。光伏发电作为新型电力系统的核心组成部分,其组件成本虽已显著下降,但进一步降低成本的空间面临挑战,难以跟随新型光伏电池组件的下降速度,需要探索新的降本策略。新兴纤维增强树脂基复合材料(FRP)因轻质、高强、耐腐蚀,在结构工程领域应用拓展迅速。常用有碳纤维复合材料(CFRP),力学性能最优但价格过高;玻璃纤维复合材料(GFRP)是应用广泛的主流产品,性价比优于钢结构,但由于蠕变断裂应力低、蠕变率大,作为主要承力构件的应用受限。GFRP尤其是聚氨酯体系的耐紫外性能弱,弹性模量为30-45GPa;玄武岩纤维复合材料(BFRP)相较前二种FRP是更新的材料,具有比GFRP高30%的短期力学性能;弹性模量为40-60GPa;具有突出的耐腐蚀、耐高温、耐紫外和耐疲劳性能,具有高蠕变断裂应力和蠕变率低特点,预期在实现结构向轻量、长寿命及经济化发展方向中将表现出明显优势,被我国列为关键战略材料并已产业化,但仍存在着连接性能差、弹性模量低、变形大等FRP共性弱点。针对上述共性弱点,行业正从如下方面开展研究:一,纤维受力一致性不佳是型材性能显著低于单丝并具有高离散性的重要原因。化学成分对纤维性能有显著影响,但二者间准确量化关系由于生产工艺差异尚未取得统一认识,所报道的性能差异较大。要明确各影响因素和性能之间量化关系,还需要进一步开展从成分到生产工艺一体化研究,在先进生产工艺基础上进行统一分析,并重点降低BFRP产品的离散性。二,BFRP结构抗剪强度仅为抗拉强度的5-20%,连接效率不足30%,其薄弱的连接和横向性能使结构轻量化和经济性优势得不到体现。采用封闭截面、基于多向编织方案的构件端部强化、基于高模量高延性材料嵌件和套筒的新型连接方式、芯材强化等手段均可提高连接效率、刚度和延展性,并能形成更合理传力路径和应力分布,使结构在长期循环荷载和高温条件下性能减速退化。因此,胶栓混接作为基本连接方案还需要结合多种新的节点强化和连接方式开发可靠设计方法。三,BFRP结构跨度大和质量轻等特点决定了风荷载是支架设计主要荷载之一,由于BFRP光伏支架系统低刚度,风致振动会加速损伤发展。近地面风场实际风速剖面和湍流强度与规范存在较大偏差,其中的结构及阵列对应的风致响应研究开展较少。参考类似研究方法,需要开展对单体、小规模、有限数量结构体系的风洞试验研究、反映大规模或群体阵列数值模拟研究。四,实际应用中一般都是环境与荷载耦合作用,具有更为复杂损伤机理。因BF透光性显著低于GF,紫外损伤并不显著,但结构长时间在较高温度、湿度和含盐条件下运行,水分、氯离子和较高温度都会导致构件性能下降并恶化其离散性并由于BFRP结构更低的刚度,较强的风致振动会加速损伤的发展。对于环境-荷载耦合作用下BFRP结构需要进一步明确其损伤机理并提出抑制其性能退化的解决方法。

关键词：光伏支架离散性断裂应力耦合作用损伤机理玄武岩纤维增强复合材料

来源： cnki会议评论

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哈尔滨工程大学学报 2023年第3期44卷 443-449页

作者：陆春华平安延永东张菊连江苏大学土木工程与力学学院江苏镇江212013 上海宏信建筑科技有限公司上海201800

为探讨高温作用后2类纤维增强复合材料(FRP筋材)的拉伸性能退化情况,本文对高温作用后的玻璃/玄武岩纤维增强复合材料(GFRP/BFRP)筋材进行了拉伸试验,并将宏观与微观结合进行分析。试验结果表明:高温超过220℃后,筋材表面部分纤维开始脱... 详细信息

为探讨高温作用后2类纤维增强复合材料(FRP筋材)的拉伸性能退化情况,本文对高温作用后的玻璃/玄武岩纤维增强复合材料(GFRP/BFRP)筋材进行了拉伸试验,并将宏观与微观结合进行分析。试验结果表明:高温超过220℃后,筋材表面部分纤维开始脱落,整体性逐渐遭到破坏,已不再适合进行拉伸试验;经220℃以内温度作用后,2类FRP筋材抗拉强度均随作用温度升高呈阶段性下降的趋势;而弹性模量总体变化幅度很小;高温作用后,直径16 mm的GFRP筋抗拉强度下降速率比12 mm的2种FRP筋更快;结合试验结果与扫描电镜微观结构分析,可认为高温作用后2类FRP筋抗拉强度退化的主要原因是树脂和纤维界面黏结性能的退化。结合本文和已有相关试验结果,提出了20~220℃温度范围内G/BFRP筋抗拉强度的折减计算模型,并给出了关键温度节点对应的强度保留率ηt建议值。

关键词：火灾高温作用纤维增强复合材料直径玻璃纤维增强复合材料玄武岩纤维增强复合材料微观分析拉伸性能强度计算

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BFRP筋回收轮胎钢纤维混凝土短柱偏压性能试验

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华中科技大学学报（自然科学版） 2024年第2期52卷 112-119页

作者：范小春张澳罗聪张巍武汉理工大学土木工程与建筑学院湖北武汉430070 中南建筑设计院股份有限公司湖北武汉430071 湖北省建设工程质量安全监督总站湖北武汉430000

提出了玄武岩筋回收轮胎钢纤维混凝土(BRC)短柱新型材料构件,为研究BRC短柱偏压性能,制作6根混凝土短柱,并结合非接触式全场应变位移测量技术-数字图像(3D-DIC)技术进行试验测量,研究了回收轮胎钢纤维(RTSF)体积掺量和偏心距对短柱偏压... 详细信息

提出了玄武岩筋回收轮胎钢纤维混凝土(BRC)短柱新型材料构件,为研究BRC短柱偏压性能,制作6根混凝土短柱,并结合非接触式全场应变位移测量技术-数字图像(3D-DIC)技术进行试验测量,研究了回收轮胎钢纤维(RTSF)体积掺量和偏心距对短柱偏压性能和破坏模式的影响.研究结果表明:BRC短柱受压破坏为混凝土压碎、玄武岩纤维增强复合材料(BFRP)筋压断破坏,RTSF提高了混凝土短柱的受压性能,对限制试验柱裂缝和变形的发展具有显著作用,并能有效提高其开裂荷载、极限荷载、混凝土极限压应变和抗压强度.在相同偏心距下,与玄武岩筋普通混凝土短柱相比,BRC混凝土短柱的开裂荷载分别提高了20.46%,23.19%和38.36%,极限承载力分别提高了15.39%,21.55%和30.69%.由于现有的计算模型不足以准确计算BRC短柱受压承载力,提出了考虑RTSF混凝土抗拉强度的承载力计算模型,BRC短柱试验值与预测值符合较好.

关键词：玄武岩纤维增强复合材料回收轮胎钢纤维混凝土短柱偏压破坏模式受压承载力计算

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BFRP和GFRP筋剪切性能的温度效应

建筑材料学报 2022年第4期25卷 395-400页

作者：蔡启明陆春华延永东张菊连江苏大学土木工程与力学学院江苏镇江212013 上海宏信建筑科技有限公司上海201800

对温度作用后的玄武岩纤维增强复合材料(BFRP)筋和玻璃纤维增强复合材料(GFRP)筋进行了短梁剪切试验,研究了高温后筋材的剪切性能,并提出了温度作用后BFRP、GFRP筋剪切强度的预测计算模型.结果表明:BFRP、GFRP筋的剪切强度均随着温度的... 详细信息

对温度作用后的玄武岩纤维增强复合材料(BFRP)筋和玻璃纤维增强复合材料(GFRP)筋进行了短梁剪切试验,研究了高温后筋材的剪切性能,并提出了温度作用后BFRP、GFRP筋剪切强度的预测计算模型.结果表明:BFRP、GFRP筋的剪切强度均随着温度的升高而逐渐降低;直径为12 mm的BFRP、GFRP筋的剪切强度退化速率比直径为16 mm的更快;270℃高温下,筋材的剪切强度保留率均随着恒温时间的延长呈下降趋势,但BFRP筋的退化速率明显低于GFRP筋;BFRP、GFRP筋剪切强度的退化都主要源于纤维与树脂基体交联度的降低及基体的热降解;与GFRP筋相比,BFRP筋具有更优的耐高温性能.

关键词：玄武岩纤维增强复合材料玻璃纤维增强复合材料温度效应剪切性能预测模型