高温环境下玻璃纤维增强塑料的弯曲蠕变实验研究开题报告

 2020-02-10 10:02
1.目的及意义(含国内外的研究现状分析)

1、研究背景及意义

树脂基复合材料也称纤维增强材料,是目前技术比较成熟且应用最广泛的一类复合材料。以玻璃纤维作为增强相的树脂基复合材料在世界范围内已经形成了产业,在我国俗称玻璃钢GFRP(GlassFiber Reinforced Plastics),是目前使用最广泛的树脂基复合材料之一[1]


GFRP复合材料具有很多优点,包括:比强度和比模量大、耐疲劳性能好、轻质性、造价低、抗腐蚀、使用寿命长等,这些优点使得它在航空航天、船舶以及土木工程等领域都有广泛的用途[2]。例如,对于航空、航天的结构部件,汽车、火车、舰艇等运动结构,材料的比强度和比模量是一个非常重要的指标,它意味着可以制造性能好而质量又轻的结构。随着时代的发展,以上优点使得复合材料可能成为传统工程材料(混凝土,钢铁,木材等等)的取代品之一[3,4]

不过GFRP复合材料也有一些缺点,包括:弹性模量低、树脂基复合材料耐热性较低、属于脆性材料、材料性能分散性大等等[5]。玻璃纤维增强复合材料的弹性模量仅为钢材的1/10,因此在玻璃钢的使用过程中,常常显得刚性不足,变形较大。

此外,树脂基复合材料最显著的缺点是在高温、常温甚至低温环境下长期服役过程就存在明显的蠕变或应力松弛现象,GFRP复合材料作为一种典型的复合材料,其强度和断裂荷载等力学性能会随服役时间的增加而下降,从而导致结构的失效破坏,因此GFRP复合材料的物理和力学性能的高温蠕变已经成为土木工程和建筑方面运用的主要担忧之一[6]。高温会使复合材料发生玻璃化转变和树脂聚合物的分解,从微观角度来看,随着温度的升高,复合材料基体的分子热运动能量和自由体积都增加,从而导致各运动单元的松弛时间会减短,材料的蠕变也会随之增大[7]

因此,研究复合材料高温环境下的力学性能对于工程实际意义重大。通过对复合材料进行高温蠕变实验,可以得到其力学性能随时间、温度的变化规律。再结合已有的理论知识,对复合材料高温下蠕变性能进行模型化设计,归纳和总结,得出具有工程指导意义的结论与方案,从而提高该材料在建筑和其他领域的适用性和安全使用性。

此外,从细观力学角度对复合材料进行分析也有一定的现实意义。目前大多数复合材料的性能数据均通过实验获得,但试图通过实验测得所有材料组合的性能既不现实,也不可能。因此通过细观力学研究复合材料宏观性能与组分材料、细观结构之间的关系,再利用实验数据进行检验和校核,能够为进一步改善材料性能、进行材料设计和改进制造工艺提供指导性意见。


2、国内外研究现状

国内外许多学者在复合材料蠕变方面进行了许多理论研究,他们主要工作是建立复合材料粘弹性理论模型,在通过设计实验验证模型的可行性。

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