专利名称：一种连续纤维-钢丝复合板的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种连续纤维-钢丝复合板，属于土木、交通、水利等领域的新材
料开发。
背景技术：
目前，工程结构中最常用的纤维主要有碳纤维(Carbon Fiber)、玻璃纤维(GlassFiber)、芳纟仑纤维(Aramid Fiber)，各种纤维各有优缺点 碳纤维强度高、弹性模量高、质量轻，但其极限应变小，并且原丝技术基本受国外垄断和控制，在土木工程结构中应用成本太高。 玻璃纤维优点是价格低，已经国产化，拉伸强度较高；缺点是弹模低，耐久性不太理想，并且环境不友好。 芳纶纤维优点是强度和弹模均较高，特别是具有较好的耐热性和极好的韧性及抗冲击性能。缺点是压縮强度和压縮模量较低，是有机纤维，耐潮湿和耐紫外辐射性差，表面与基体复合粘合性差。价格高，原丝技术也基本受国外垄断和控制。[0006] 纤维增强复合材料(fiber reinforced polymer,简称FRP)是由纤维材料和基体材料按一定比例混合并经过一定工艺复合形成的高性能新型材料。这种材料在20世纪40年代问世，起初用于航空、航天、国防等高科技领域，后来逐渐在汽车、化工、医学等领域得到广泛的应用。近年来，以其高强、轻质、耐腐蚀等优点，开始在土木工程结构中得到广泛应用，并受到工程界的广泛关注。 由于土木工程的特殊性，FRP在该领域的应用存在的共性缺点，包括①延性差，现有FRP拉伸极限应变一般不大于3X，故无法满足所增强的结构具有理想延性和高抗震性能的要求；②价格高，无法满足土木工程结构材料低成本的要求，阻碍了其大范围推广应用；③抗剪能力差，FRP筋是一种晶体材料，纵向与横向强度之比大(约为20 : l)，FRP的脆性易断裂无法适应土木工程特殊施工工艺(如混凝土振捣、锚固、弯折等)的要求；④弹模低，即使是CFRP筋的弹模也只有150GPa左右，无法保证其增强后的结构具有很好的刚度，直接影响了结构正常使用阶段性能；⑤性能离散，FRP筋力学性能比金属材料更加离散； 部分纤维耐久性不理想，如玻璃纤维耐碱性能差；⑦耐火性能不理想；⑧在结构中使用，强度往往不能得到充分的发挥，浪费大。 要根本性解决以上瓶颈问题，推动FRP及相关材料在土木工程领域更加广泛和科学的应用，必须开发更多的新材料，尤其需要注意两点(l)纤维共同存在的一些缺点，决定了有时候多种纤维间单纯的混杂改性不能很好地解决问题，必须与性能完全不同的材料进行复合；(2)在土木工程中特别是在新建结构中应用的新材料除了满足高性能的要求外，还必须成本低且施工性理想等。
实用新型内容本实用新型针对现有技术的不足，提供一种新型强度高、弹模高、延性好、耐久性(耐疲劳性能、耐蠕变性能、耐腐蚀性等)好、成本低、施工性能好等综合性能优异的连续纤维_钢丝复合板，该复合板既可用于土木工程及相关领域结构的加固补强和修复，也可直接用于结构材料，比如屋面板、桥面板等。为实现以上的技术目的，本实用新型采取以下的技术方案 —种连续纤维-钢丝复合板，包括树脂基体，所述树脂基体内埋设有纤维材料制
品上层和纤维材料制品下层，且所述纤维材料制品上层和纤维材料制品下层之间的树脂基体内至少埋设有钢丝层。 所述纤维材料制品上层和纤维材料制品下层之间的树脂基体内还埋设有纤维材料制品内层，且所述纤维材料制品内层与钢丝层交替铺排。 所述纤维材料为玄武岩纤维和/或玻璃纤维，所述纤维材料制品上层、纤维材料制品下层以及纤维材料制品内层由一张以上的单向纤维布同向平铺而成，所述树脂基体为热固性树脂。 所述热固性树脂为环氧树脂、乙烯基树脂、酚醛树脂或不饱和树脂。 所述钢丝层由多根钢丝按照单向纤维布的方向铺排而成，或者由多根钢丝绳按照
单向纤维布的方向铺排而成，或者由多根钢丝和钢丝绳的混合体按照单向纤维布的方向铺
排而成。 所述钢丝层为三根以上的钢丝编织成的钢丝网。[0017] 所述钢丝表面间隔地设置剪切键。[0018] 所述钢丝为高强度钢丝和/或高延性钢丝。[0019] 所述钢丝为异型截面钢丝。 根据以上的技术方案，可以实现以下的有益效果 1.复合板中的纤维和钢丝具有极强的互补性一般来说，纤维具有强度高、弹模低、延性差、耐久性好等特点，而钢丝则强度低、弹模高、延性好、耐久性差等特点，把两者进行复合，可做到扬长避短、优势互补，具体表现在①钢丝的弹模高，纤维复合钢丝可以提高板的弹模；②纤维是脆性材料，钢丝是弹塑性材料，连续纤维_钢丝复合板将具有很好的延性；③钢丝和纤维复合，钢丝外面包覆有树脂和纤维，其耐腐蚀性能好，可以保证有良好的界面，从而保证其性能的很好地共同工作以及性能的充分发挥。 2.线弹性连续纤维的应力-应变关系曲线为线性，如
图12所示，而弹塑性的钢丝理想的应力-应变关系曲线呈二折线型，如
图13所示，采用线弹性的连续纤维和弹塑性的钢丝进行理想的复合后的连续纤维_钢丝复合板具有以下优点①初始阶段钢丝的作用将保证其具有较高的弹性模量；②钢丝屈服后，复合板的刚度降低，但其应力-应变关系具有较为明显的平台，(相对于单一的纤维板)塑性性能得到体现；③纤维断裂后，钢丝继续发挥作用，甚至能进入强化段，可保证复合板有良好的耗能能力和延性，其效果如
图14所示；④钢丝和纤维复合，钢丝外面包覆有树脂和纤维，其耐腐蚀性能好，可以保证有良好的界面，从而保证其性能的很好地共同工作以及性能的充分发挥。 3.从加固材料的角度讲，相对于钢板，连续纤维_钢丝复合板轻质、高强、耐腐蚀、施工方便等；相对于单一的玄武岩纤维板或玻璃纤维板，复合板刚度高、延性好，有利于抗震加固；相对于碳纤维板，复合板价格便宜、延性好、并且加固钢结构不会发生电化学腐蚀。[0024] 4.从结构材料的角度来讲，相对于混凝土板，连续纤维-钢丝复合板有以下优点①轻，用的都是轻质材料；②综合力学性能优异，面板中纤维与钢丝的混杂效应使其综合力学性能优(高刚度、高承载能力、高延性)；③抗冲击性能好；④可设计性强，给设计人员提供了广泛改变参数以优化指标的可能性；⑤独特的军事功能，除了能良好吸收冲击波外，还能很好地吸收雷达波，可以在军事伪装工程中得到应用。 5.从经济角度而言，BFRP-钢丝复合板的与Lica-CFP系列碳纤维板以及日本三菱化学株式会社生产的E-Plate HM520相比，具有更高的性价比。[0026]以下结合附图对本实用新型作进一步说明。
图1是本实用新型的连续纤维/钢丝层内混杂示意图，其中，图l(a)是该结构立体结构图，图l(b)是该结构的截面图； 图2是本实用新型的连续纤维/钢丝层间混杂示意图，其中，图2(a)是该结构立体结构图，图2(b)是该结构的截面图； 图3是本实用新型的高强和高延性钢丝的混杂示意图； 图4是本实用新型采用不同形状钢丝示意图，其中图4(a)是采用方形钢丝的结构示意图，图4(b)是采用三角形钢丝的结构示意图，图4(c)是采用钢丝绳的结构示意图，图4(d)则为钢丝绳的绕制示意图； 图5是本实用新型的带剪切键的钢丝示意图；[0033] 图6是本实用新型的钢丝网层间复合示意图； 图7是本实用新型的连续纤维_钢丝复合板拉挤成型工艺示意图； 图8是本实用新型的连续纤维_钢丝复合筋材示意图； 图9是本实用新型的连续纤维_钢丝复合板手糊成型工艺示意图；
图10中，
图10(a)是本实用新型的连续纤维/钢丝层间混杂示意图，
图10(b)是
本实用新型的连续纤维/钢丝夹心混杂示意图；
图11是本实用新型的钢丝、纤维的本构曲线图；
图12是本实用新型的纤维的应力_应变理想曲线图；
图13是本实用新型的钢丝的应力_应变理想曲线图；
图14是本实用新型的连续纤维-钢丝复合板的应力-应变理想曲线图。[0042]具体实施方式以下将结合附图详细地说明本实用新型的技术方案。 如
图1至6以及图8、
图10所示，本实用新型所述的连续纤维-钢丝复合板，包括树脂基体3以及埋设于树脂基体3内的纤维材料制品，所述树脂基体3内还埋设有钢丝材料制品，且所述树脂基体3、纤维材料制品以及钢丝材料制品复合连接成一体，所述纤维材料制品选自纤维织物11、纤维无捻粗纱12和纤维毡13，所述钢丝制品选自钢丝21、两根以上钢丝21搓捻而成的钢丝绳22和三根以上钢丝21组成的钢丝网23，所述树脂基体3为热固性树脂，本实用新型主要选用环氧树脂、乙烯基树脂、酚醛树脂或不饱和聚酯树脂。[0045] 另外本实用新型所述的纤维材料优选玄武岩纤维和/或玻璃纤维，则纤维织物11、纤维无捻粗纱12和纤维毡13则包含前述玄武岩纤维和/或玻璃纤维。[0046] 如图l所示，其为本实用新型所述的连续纤维/钢丝层内混杂示意图，其中，图l(a)是该连续纤维/钢丝层内混杂立体结构图，图l(b)则为该结构的截面图，所述树脂基体内埋设有纤维毡外层13，而在该纤维毡外层13的内部则包覆有多根同样埋设于树脂基 体3内的纤维无捻粗纱12、钢丝21和/或钢丝绳22，且纤维毡13、纤维无捻粗纱12以及钢 丝21和/或钢丝绳22通过不饱和树脂复合连接成一体，这种产品主要运用拉挤成型工艺 生产，该工艺流程图如图7所示，具体包括以下步骤在成型设备牵引力的作用下，增强材 料如纤维无捻粗纱12、钢丝21和/或钢丝绳22以及纤维毡13等经树脂基体3 (如环氧树脂 或不饱和聚酯树脂)浸渍后通过模具系统6，并在其中受到高温高压后连续固化成型，经过 张拉装置7后，用切割器8切割即可连续得到尺寸稳定的连续纤维-钢丝复合板材。另外， 改变模具系统将可得到不同形状的连续纤维_钢丝复合材料，如图8所示的连续纤维_钢 丝复合筋材即是通过相应的模具系统获得，通过拉挤成型工艺获得的复合板，具备以下优 点各组分混合均匀、充分；界面性能稳定；生产效率也比较高。 如图2所示，其为本实用新型所述的连续纤维/钢丝层间混杂示意图，其中，图 2(a)是该连续纤维/钢丝层间混杂的立体结构图，图2(b)则为该结构的截面图，所述树脂 基体内埋设有纤维织物上层4和纤维织物下层，且该纤维织物上层4和纤维织物下层之间 的树脂基体内还埋设有钢丝层5和纤维织物内层，所述钢丝层5与纤维织物内层交替铺排， 所述纤维织物内层和/或纤维织物上层4由一张以上的单向纤维布同向平铺而成，所述钢 丝层5则由多根钢丝21和/或者钢丝绳22按照单向纤维布的方向铺排而成，这类产品主 要通过手糊成型工艺生产，该工艺示意图如图9所示，具体包括以下步骤在复合板手工糊 制平台上，先平铺纤维织物上层4，所述纤维织物上层4为单层单向纤维布或者多层单向纤 维布组成，然后用树脂基体3环氧树脂充分浸渍的纤维织物上层4，接着在前述纤维织物上 层4上，用数根细直径钢丝21以一定间距沿着单向纤维布的方向铺排，以形成钢丝层5，所 述复合板手工糊制平台上设置用于固定钢丝21的金属条9以及用于维持钢丝21之间间距 的螺纹牙条IO，然后根据纤维织物内层与钢丝层5两者的不同铺层方式，该混杂复合板可 分为层间混杂和夹心混杂(a)层间混杂如
图10(a)所示，层间混杂一般采取交替铺层，即 纤维织物内层与钢丝层5交替铺层，铺层方式可以用通式n/n-l表示，其中，n表示纤维层 的层数，n-l表示钢丝层的层数，纤维织物上层4和/或纤维织物内层的厚度可以由单向纤 维布层数以及所浸渍的树脂基体3的量来控制，而钢丝层5的厚度主要通过钢丝21的直径 来确定；(b)夹心混杂如
图10(b)所示，夹心混杂即指树脂基体内只埋设有纤维织物上层4 以及包覆于该纤维织物上层4内的钢丝层5，其通式为m/l/m， m表示浸渍过的多层纤维布 组成纤维织物上层4， 1为芯部的钢丝层5。 为进一步提高连续纤维_钢丝复合板的性能，可以直接使用综合性能优异的单一 钢丝21，比如预应力刻痕钢丝、螺旋肋钢丝等，也可以在钢丝层5中采用混杂，如图3所示， 钢丝21的混杂是利用高强度钢丝212和高延性钢丝213的混合使用实现的。高强度钢丝 212、高延性钢丝213、连续纤维材料制品的实际本构曲线如
图11所示，高强度钢丝212的混 杂保证复合板具有足够的强度，同时，高延性钢丝213的复合保证连续纤维材料制品和高 强度钢丝212断裂后能量逐步释放。 纤维与钢丝复合的关键问题在于两者之间能否很好地共同受力，即两者之间的粘 结性能是否足够好，为提高复合板内部钢丝21与树脂基体3之间的粘结性能，可采用以下 方法(1)直接选用刻痕钢丝、螺旋肋钢丝等表面比较粗糙的钢丝21 ; (2)选择的异型截面 如方形截面钢丝214以及三角形截面钢丝215等，如图4所示，其中，图4 (a)是采用方形钢丝的结构示意图，图4(b)是采用三角形钢丝的结构示意图，在截面积相同的情况下，三角 形、矩形和方形截面的周长比圆形截面的周长要大，因此，在钢丝21长度一定以及钢丝21 体积含量一定的条件下，周长大的截面其与基体的粘结面积要大，因而界面的粘结强度也 要高；(3)将钢丝层5的单根钢丝21用钢丝绳22来代替，如图4(c)和图(d)所示，其中， 图4(c)是采用钢丝绳的结构示意图，图4(d)则为钢丝绳的绕制示意图，所述钢丝绳22由 两根或两根以上的钢丝21搓捻在一起形成，则钢丝绳22的表面比较粗糙，这可以提供其与 树脂基体3之间一个比较大的机械咬合力，同样可以提高界面粘结强度；(4)事先在钢丝21 表面以间隔地绑扎或焊接短钢丝形成如图5所示的带剪切键211的钢丝；(5)选用钢丝网 23来提高钢丝21与纤维材料制品之间的粘结性能，所述钢丝网23由三根以上的钢丝21编 制而成，其与纤维材料制品复合的结构示意图如图6所示；(6)可以综合应用以上各种方法 达到理想的粘结性能。
权利要求一种连续纤维-钢丝复合板，包括树脂基体，其特征在于，所述树脂基体内埋设有纤维材料制品上层和纤维材料制品下层，且所述纤维材料制品上层和纤维材料制品下层之间的树脂基体内至少埋设有钢丝层。
2. 根据权利要求l所述的连续纤维-钢丝复合板，其特征在于，所述纤维材料制品上层和纤维材料制品下层之间的树脂基体内还埋设有纤维材料制品内层，且所述纤维材料制品内层与钢丝层交替铺排。
3. 根据权利要求1或2所述的连续纤维-钢丝复合板，其特征在于，所述纤维材料为玄武岩纤维或玻璃纤维，所述纤维材料制品上层、纤维材料制品下层以及纤维材料制品内层由一张以上的单向纤维布同向平铺而成，所述树脂基体为热固性树脂。
4. 根据权利要求3所述的连续纤维_钢丝复合板，其特征在于，所述热固性树脂为环氧树脂、乙烯基树脂、酚醛树脂或不饱和树脂。
5. 根据权利要求3所述的连续纤维_钢丝复合板，其特征在于，所述钢丝层由多根钢丝按照单向纤维布的方向铺排而成，或者由多根钢丝绳按照单向纤维布的方向铺排而成。
6. 根据权利要求3所述的连续纤维-钢丝复合板，其特征在于，所述钢丝层为三根以上的钢丝编织成的钢丝网。
7. 根据权利要求3所述的连续纤维-钢丝复合板，其特征在于，所述钢丝表面间隔地设置剪切键。
8. 根据权利要求3所述的连续纤维_钢丝复合板，其特征在于，所述钢丝为高强度钢丝或高延性钢丝。
9. 根据权利要求3所述的连续纤维_钢丝复合板，其特征在于，所述钢丝为圆形、三角形或者方形截面钢丝。
专利摘要本实用新型涉及一种连续纤维-钢丝复合板，所述树脂基体内埋设有纤维材料制品上层和纤维材料制品下层，且所述纤维材料制品上层和纤维材料制品下层之间的树脂基体内至少埋设有钢丝层，由此知，本实用新型所提供的连续纤维-钢丝复合板分别保留了纤维材料制品和钢丝制品的优点，强度高、弹模高、延性好、耐久性好、且有稳定二次刚度等综合性能优异的连续纤维-钢丝复合板，另外该复合板既可用于土木工程及相关领域结构的加固补强和修复，也可直接用于结构材料，比如屋面板、桥面板。
文档编号F16S1/00GK201539681SQ20092004411
公开日2010年8月4日 申请日期2009年6月18日 优先权日2009年6月18日
发明者冯武强, 吴刚, 吴智深, 欧进萍, 王言磊 申请人:东南大学;大连理工大学;浙江石金玄武岩纤维有限公司