纤维增强复合材料备受人们关注,它具有十分显著的特点。与金属材料或其他无机材料相比,它的质量轻、比强度高、耐腐蚀、电绝缘、耐瞬时超高温、传热慢、隔音、防水、易着色、能透过电磁波,是一种兼具功能和结构特性的新型材料。
玻璃纤维增强复合材料(俗称“玻璃钢”)是发展较早的一种复合材料,它是以玻璃纤维及其制品为增强材料,以热固性或热塑性树脂为基体,通过一定的成型工艺而制成的一种结构物。它的学名为玻璃纤维增强塑料。1958年原建材部部长赖际发提出来一个通俗而又形象的名称“玻璃钢”,现在已被国内外同行业界所认同。
通过对此类玻璃钢复合材料构造的分析,与传统材料相比,复合材料有以下特点。①材料的可设计性复合材料结构的多层次性为复合材料及其结构设计带来了极大的灵活性。复合材料的力学、机械及热、声、光、电、防腐、抗老化等物理、化学性能都可按制件的使用要求和环境条件要求,通过组分材料的选择和匹配、铺层设计及界面控制等材料设计手段,最大限度地达到预期目的,以满足工程设备的使用性能。
②可同时提供表面防腐和结构防腐性能防腐蚀用复合材料既能提供优良的防腐蚀性能,又能作为结构材料,提供优良的力学性能,达到结构防腐蚀性。
而普通的防腐蚀材料,诸如防腐蚀涂料、内衬橡胶板材、胶泥衬砌块材(耐酸瓷板、铸石板、花岗石块材等),则只能作为防腐蚀层使用。一旦这类防腐蚀层出现破坏,将使受保护的部分结构受到腐蚀侵害,导致主体结构出现安全隐患。
③复合材料结构设计包含材料设计传统材料的结构设计中,只需按要求合理选择定型化的标准材料。而在复合材料结构设计中,材料是由结构设计者根据设计条件自行设计的。如上所述,复合材料结构往往是材料与结构同时形成的,且材料也具有可设计性。因此,复合材料结构设计是包含材料设计在内的一种新的结构设计,它可以从材料和结构两方面考虑,设计人员可以根据结构物的特点,对结构物中不同的部位,视其不同的受力状态设计不同性能的复合材料。
④材料性能对复合工艺的依赖性复合材料结构在形成过程中有组分材料的物理和化学变化发生,不同成型工艺所用原材料种类、增强材料形式、纤维体积含量和铺设方案也不尽相同。因此,构件的性能对工艺方法、工艺参数、工艺过程等依赖性很大,同时也由于在成型过程中很难准确地控制工艺参数,所以一般来说复合材料构件的性能分散性也是比较大的。
对于复合材料结构物,因为结构和材料是一体,使成型制造的各种结构物造型比较容易实现,甚至可以实现结构物的整体设计。而这一优越性的发挥依赖于复合材料结构设计和制造工艺设计的密切结合。合理的结构设计应该考虑到制造工艺的可能性,制造工艺设计则应最大限度地保证实现结构物的最优设计。
⑤复合材料具有各向异性和非均质性的力学性能特点从力学分析的角度看,复合材料与常规材料(如金属材料)的显著区别是,后者被看作是均质的和各向同性的,而前者是非均质和各向异性的。所谓均质就是物体内各点的性能相同,也就是说,物体的性能不是物体内位置的函数;而非均质正好与此相反。所谓各向同性就是在物体内一点的各个方向上都具有相同的性能;而各向异性则表明某点的性能是该点方向的函数。
由于复合材料具有强烈的各向异性和非均质性的特点,因而在外力作用下其变形特征不同于一般各向同性材料。一种外力常常可以引起多种基本变形,其单层和层合板的强度及各种参数都是方向的函数。所以,研究复合材料的力学性能时,要注意它的复杂性和特异性。在进行结构设计时除了要考虑结构物中的最大应力,还要注意因材料各向异性特点反映出来的薄弱环节,这主要是剪切性能和横向性能远弱于纤维方向性能。
⑥优良的综合性能由于防腐蚀用复合材料所具备的组成特点,使得选用复合材料作防腐蚀材料的制品或部位,可同时具备优良的防腐蚀性能、电性能(导电或绝缘)、热性能(导热或绝热)。
例如,玻璃纤维和树脂材料本身为电绝缘和绝热材料,具有优良的电绝缘性能和绝热性能。但是,我们可以根据实际需要,通过在防腐蚀树脂中引人导电或导热组分,从而使得复合材料具备相应的导电性能或导热性能。
⑦良好的表面性能防腐蚀复合材料在制作成型的过程中,可以通过调节模板的表面状况、表面层树脂及增强材料的品种以及制作工艺,使防腐蚀复合材料制品形成极为光滑的表面。并且使得该表面可根据需要而具备疏水、疏油、耐磨、导热、导静电、防结垢等特殊性能。