CN2656407Y - 高温成型玻璃纤维增强复合材料 - Google Patents

Abstract

高温成型玻璃纤维增强复合材料属材料领域，其内部具有基体材料(陶瓷、玻璃、铸砂、铸石)与玻璃纤维筋网结合的复合层；其外形可以是任意几何形状的板、块、管、柱、异形、空心、蜂窝形状；具有高致密度(无间隙)低致密度(海绵状)内部结构；其轻质高强特征可广泛取代现有材料，应用于机械、建筑、交通、航空、化工、兵工等众多领域。

Description

高温成型玻璃纤维增强复合材料

●所属技术领域

本实用新型涉及一种复合材料，即在陶瓷、玻璃、铸砂、铸石等硅酸盐材料内部具有玻璃纤维复合层的增强复合材料。

●背景技术

目前，我国及世界各地普遍使用的是金属材料、无机、有机材料及其增强材料。金属材料缺陷于：密度高、单位体积苯重、易腐蚀且制做过程长，能源消耗大，资源不足而价格高昂；有机材料缺陷于：易老化且不耐高温，并同样依赖日见稀少的矿物资源；然而资源丰富的强度高密度小，耐高温，耐腐蚀的无机材料，如陶瓷、玻璃、铸砂、铸石等材料又性脆易碎而限制了广泛使用。

●发明内容

一、在上述无机材料内形成玻璃纤维复合层，以提高其抗拉强度，改善其性脆易碎缺陷。

二、技术方案：

为便于理解掌握及二次并发，本方案从以下几个方面进行说明，即基本原理，产品结构形状及应注意的问题：

1、本实用新型的基本原理

增强复合材料是由基体材料(基材如：工程塑料、混凝土等)和增强材料(强材如玻纤、钢筋等)在一定条件下复合而成。在线性增强复合材料中，基体材料包裹增强材料起抗压抗剪作用及发挥原有材料其它性能，而增强材料则承受拉力团结基体材料，二者相辅相成发挥各自优点，共同体现复合后的综合性能优势。

本实用新型就是由此产生了轻质高强的显著特点。

它之所以是轻质材料，决定于两个方面，一是基材本身密度较低，如陶瓷、玻璃、砂、石等物质的密度约为2.5×10³千克/米³，不到铁的三分之一(铁：7.9×10³千克/米³)比铝还轻(铝：2.7×10³千克/米³)，以1米³体积计算，铁的质量为7900千克，铝为2700千克，而陶瓷为2500千克，因而质量较轻；二是可以做出海绵状内部结构，以应用于设计许可的范围，而现有技术则十分困难，增强海绵结构比现有材料自然较轻，并改变了脆性。

它之所以是高强度材料，抗拉主要取决于高强度玻纤，抗压抗剪、硬度等均为基材原本具有，复合后各项高强度综合新材料于一身从而体现出全面增强的特点。如增强陶瓷、玻璃，其基材均为高硬度材料，复合后硬度不变，而由于玻纤增强综合强度提高不再脆而易碎，材料性能大为改观。应当指出，除抗拉强度外，其它各项强度不可能超过原材料强度[如采用花岗岩颗料原料复合后，其耐压强度只能充分接近(120～260)×10⁶帕，而不可能超过这一强度]。

高温成型玻璃纤维增强复合材料，顾名思义，是在高温条件下完成复合过程的(也是产品成型的过程)。颗料状基材在高温条件下通常会产生下列表现：

T₁(900～1000℃)颗粒已由外向内受热，但仍呈固体状；

T₂(1000～1300℃)颗粒已表面融熔，由表及里软化；

T₃(1300～1500℃)颗粒完全融化，成为熔浆；

T₄(1500℃以上)难融物质逐步蠕变，超高温亦成熔浆。

显然，颗粒在T₂温区已具有良好的延展性，可塑性，在外力作用下，颗粒与颗粒、颗粒与玻纤之间可以产生各界面的粘合；在T₃温区所产生的熔浆已具有良好的流动性，在外力作用下，与玻纤粘合将更为紧密。经过均匀降温冷却脱模，则复合完成产品定型，两种材料各自发挥特性，承担不同应力，从而拥有综合的高强度。

2、本实用新型的结构形状

材料复合过程同时也是产品形式过程，利用上述高温基材的特性，按照产品用途和设计要求，采用不同温度、不同压力、不同的模具，不同的材料结合方式，不同强度的玻筋，即可在材料完成复合的同时，获得不同强度，不同结构，不同外形的产品。某外形可以是各种几何外形的板、块、管、柱、异型、空心及内在的蜂窝、海绵状。

应该指出，复合后基材中颗粒与颗粒、颗粒与熔浆、颗粒与玻筋、熔浆与玻筋之间各界面粘合的致密度，与复合后的材料综合强度成正比，逾密则强度逾高，反之则强度降低。因此，复合层的形成应根据设计要求、用途，有些可以采用低密度结构即允许存在规定的内部孔隙率；有些采用高密度结构，不允许孔隙存在，追求材料最高综合强度。(如建筑物中的超薄板可采用砂石基料、低密度增强构成，而飞机机身则必须用陶瓷、基料最高密度增强构成，就是防爆啤酒瓶、增强保温胆也必须采用高密度结构)。

这里就产生了两个结构概念：低致密度材料与高致密度材料。也就是说前者应取T₂温区的材料加压后允许有颗粒间隙；后者应取T₃和T₄温区材料，液态入模振动驱气不留空隙。当然，颗粒、熔浆、玻纤的结合，在较高压力下，同样可以制得高致密度结构，(熔浆对玻纤布的喷涂，同样可以获得低致密度结构，)所以两个概念的划分不是机械的、绝对的。

3、应当注意的问题

求得不同致密度的复合材料及产品的各种外型的内腔，要靠调节模具内压力来达到目的。一般来说，压力越高结构致密度越高，反之则孔隙率较高(如T₂温区胶着状颗料基料，较高的压力可以使颗粒间、粒纤间各方向粘合界面增大，粘合更加紧密)，但有例外，对完全熔浆状基材来说，在自然压力下依靠其良好的流动性已可以驱逐气体，占据空隙，形成较高的结构致密度，(加以振动是加速熔浆的流动，加快气体逸出，此时，加大压力不是必要条件)。

这里特别强调，无论采取哪种加压方式(如平压、挤压、抹压、喷涂、叠压、辊压、振压、冲压、扭压、大气静压、嵌贴等等)所有加压动作必须是在基材尚未凝固时完成，当温度已接近凝固点时，严禁施加压力，避免损伤粘合界面，毁坏产品内部结构，如有需要(如防止间隙内气体膨胀)可以维持原有压力，待产品冷却体积收缩自然减压。

玻纤形状：

除超薄型(微米计量级)产品使用的超细筋网之外，各类材料的主筋横截面均应为圆刷状，其纤芯为多支(设计要求强度的)线性细纤绞制成绳状，晶须横过圆心，并沿纤芯圆周外呈放射形伸展晶须(晶须尖端可呈各种几何形锐尖、倒勾、棱刺、多角，同时应具有一定挺度，以求穿入颗粒间隙或熔浆)加压后与基体紧密粘合，甚至表面融为一体，极大增加玻筋抗拉强度。

绳状玻筋可按设计要求扎结成网，或编织成布、毯、带，按要求运用。

特别指出：产品基材可以根据质量要求和生产条件混合搭配，以降低成本，改变特征，如陶粒与玻浆结合、陶砂结合、玻石粒结合等，根据需要也允许同难融高强金属粉末、晶须的混合；模内玻纤(筋)均应迎向应力来源方向，前部为承荷基材，中后部为增强玻筋，后部为护筋底层基材。

三、有益效果

高温成型玻璃纤维增强复合材料，质量相对较轻，综合强度理想，原料极为丰富，加工成型容易，相对能耗较少，产品成本低廉，它的应用可以改善现有材料行业产品结构，部分取代金属材料及有机材料。

●附图说明

附图：板材局部示意图

(1)基体材料              (2)复合材料外表面

(3)玻筋予留连结头        (4)绳状玻纤筋(俯视为网状)

(5)玻纤晶须              (6)应力方向

(7)晶须尖端              (8)基材护筋层

●具体实施方式

高温成型玻璃纤维增强复合材料的实施前提是其基体材料必须处在高温状态具有可塑性和延展性或流动性(颗粒状或溶浆状)

在此前提下可按以下步骤操作实施，并特别注意相关问题。

1、在牢固的模具内，薄布基材护筋层8，然后快速置入绳状玻纤筋网4，玻纤预留连接头3均应出至模具预留孔外。根据设计需要，玻纤筋网可以多层布置。

2、基体材料1在绳状玻纤筋网4上部快速入模，应特别注意入模速度一定要快。

3、在设定压力下持续合理时间(根据不同的结构致密度合理确定)，通常应为几秒钟。特殊情况下(如制做海绵结构)为抵制气体膨胀应力，在基本材料彻底冷却前应始终保持压力。

4、均匀降温后膜模，此步骤应特别注意材料内外部降温的均匀性，严禁在材料表面2进行喷水、吹风等快速冷却。

5、对一些特殊结构可按如下步骤实施

如制造海绵状内部结构，可取T₂温区基材与玻纤充分接触后施加设计要求的压力，保留允许的孔隙率即可；蜂窝形状结构可用具有蜂窝孔形的玻纤织物，浸沾T₃温度溶浆，对孔层叠加施压成型；或采用蜂窝形模柱，柱间纵横布置玻筋，注入高温基料并适当加压，冷却脱模即可成型；板形产品可用辊压，首先于轧辊间穿入筋网，然后注料，经轧辊碾压即可获得不同厚度的板材，未达凝固温度时再经模压变型，剪切又可直接得到改弯形状的产品或零部件。还可以预埋各种原件，以便于产品连接。

Claims (3)

1、高温成型玻璃纤维增强复合材料，其特征是表面以下具有基体材料(陶瓷、玻璃、铸砂、铸石)与玻璃纤维结合的复合层；其外形是任意几何形状的板、块、管、柱、异形、空心、蜂窝形状。

2、如要求1所述的复合材料，其特征是内部结构具有低致密度(海绵状)高致密度(无空隙)两类不同结构。

3、如要求1所述的复合材料，其特征是玻璃纤维呈筋网状，或呈布、毯、带状，其细部特征是主筋横截面呈圆刷状，即玻纤晶须横过玻纤主筋中心外出周边呈放射性伸展。

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