一种金属-纤维增强树脂基复合材料及其制作方法

本发明属于工程与材料科学领域，具体涉及一种金属-纤维增强树脂基复合材料及其制作方法。

背景技术：

1、公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

2、材料是社会进步的物质基础和先导，是人类进步的里程碑标志之一。复合材料是由两种或两种以上物理性质和化学性质完全不同的物质组合起来的一种多相固体材料。纤维增强复合材料是以纤维为增强材料，即将纤维嵌入粘合剂或基体材料中的复合材料。纤维增强树脂基复合材料(fiber reinforced polymer，frp)是复合材料中的典型代表。与钢材等广泛使用的金属材料相比，frp具有比强度和比刚度高、低松弛、抗疲劳、耐腐蚀及电磁绝缘性能好等优点。近20年来，frp材料开始在桥梁、混凝土结构、岩土工程锚固等土木工程领域开始应用，产生了良好的经济效益和社会效益。

3、然而，frp是各向异性材料，相较于其极高的纵向抗拉强度，其横向抗压和抗剪强度较低，容易发生脆性破坏，后加工和锚固性能较差，这限制了其进一步推广应用。

4、为解决frp锚固问题，专利cn201820831360.x公开了一种锚固结构和外锚固体系，包括金属套筒和锚杆杆体，所述金属套管的一端为外端，另一端设有内端管，外端和内端管之间为灌胶段，内端管的直径与锚杆杆体直径相同，锚杆杆体经内端管伸入至灌胶段。该发明所提供的锚固结构可以有效减小外锚固长度，充分发挥杆体材料抗拉强度，提高锚固可靠性。

5、专利cn206308692u公开了一种岩土锚固结构，包括锚杆，锚杆包括杆体和锚头，杆体由frp筋构成，杆体外表面设有呈螺旋环绕的横肋，锚头包括一钢套管，杆体与钢套管之间填充粘结环氧树脂层。

6、专利cn201510091549.0公开了一种预应力frp筋锚杆锚头，包括拉杆、张拉螺母、钢套管、锁定螺母、定位环、密封环，定位环外侧设螺纹，与钢套管内侧螺纹连接，中孔对锚杆固定定位；钢套管与锚杆之间通过膨胀剂的膨胀特性形成自锁系统，限制钢套管与锚杆的相对滑移，同时将密封环嵌入锚杆与钢套管内壁间的端部空隙密封。该发明的张拉锚固方式更加科学合理，且简便快捷，部分装置可重复使用，强度可以得到保证，能够满足frp锚杆预应力施加的可靠性要求，并且钢套筒与锚杆滑移量在加载后可以得到控制。

7、然而，增加了钢锚头的frp材料其杆体横向抗压和抗剪强度依然较低，容易发生脆性破坏，后加工性能较差的缺陷没有根本改善，纵向抗拉强度不均，钢锚头的耐久性问题也不容忽视。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种金属-纤维增强树脂基复合材料，用来改善单一材料抗拉、抗压或抗剪强度不足，抗疲劳性能或耐腐蚀性能差，锚固困难等问题。

2、为了解决上述以及可能发生的其他问题，本发明采用如下技术方案：

3、本发明是一种金属-纤维增强树脂基复合材料，包括：金属管材、胶黏剂和纤维增强树脂基复合材料(frp)筋材，所述金属管材套装在frp筋材外侧，所述金属管材、frp筋材之间填充有胶黏剂；所述frp筋材以纤维为增强体材料，树脂为基体材料；所述frp筋材为实心或中空结构；所述金属管材带有螺纹或不带螺纹；金属管材管体为两端开口或一端封闭。

4、本技术拟在frp筋材外侧通长粘结金属管材形成金属-frp复合材料，同时发挥frp复合材料比强度和比刚度高、低松弛、抗疲劳、耐腐蚀的优点和金属材料横向抗压和抗剪强度高、延展性强、后加工性能强及任意长度可机械锚固的优点。通过设计使各组分材料彼此关联、性能互补，从而获得一类具有优异性能的新型复合材料。此外，通过在锚头等需要防腐的部位粘贴纤维布的方法在提高强度的基础上同时解决锚头等部位耐久性问题。

5、进一步地，所述金属管材外侧粘贴纤维布或涂抹环氧树脂。

6、进一步地，所述金属管材端头镦粗以弥补设置螺纹导致的截面面积减少和强度降低。

7、进一步地，所述纤维为玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维或聚酰亚胺纤维中的至少一种。

8、进一步地，所述金属管材为铁、铝、镁、钛、镍、铜、钴等的至少一种或其合金或金属基复合材料。

9、进一步地，所述基体树脂为热塑性树脂或者热固性树脂中的至少一种。

10、进一步地，所述胶黏剂为有机胶黏剂、环氧胶黏剂、乙烯基酯胶黏剂、无机胶黏剂、双组分无机胶黏剂、单组分无机胶黏剂中的至少一种。

11、本发明还提供一种金属-frp的制作方法，包括：

12、s1根据目标要求对金属-frp进行设计，

13、(a)金属管材的种类、形状、模量、强度设计；

14、(b)frp的基体和纤维增强体的选择及其模量、强度等力学性能的设计；

15、(c)胶黏剂的选择等。

16、s2采用传统拉挤成型工艺或先进拉挤成型工艺制备胶凝半固化frp，

17、(a)拉挤成型工艺流程：排纱→浸胶→预成型→胶凝半固化→牵引→切割。

18、(b)先进拉挤成型工艺流程：排纱→预浸料→预成型→模压→胶凝半固化→牵引→切割。

19、s3根据设计结果对金属管材和frp进行后处理，得到相应尺寸的金属管材和frp；

20、s4将frp插入金属管材胶接，

21、(a)表面准备：采用打磨、吹砂、表面刻划、阳极氧化、酸溶液侵蚀等表面预处理措施提高表面粗糙度和胶黏剂的浸润性；

22、(b)在frp表面粘贴纤维粗格布；

23、(c)将frp插入金属管材配套并居中固定；

24、(d)采用重力灌胶、压力灌胶等方式施加胶黏剂；

25、(e)将金属管材开口端固定封闭并对胶黏剂施加一定压力；

26、(f)通过将胶接组件加温后温拉或通过压接机加压等方式，对粘结界面施加一定法向力；

27、(g)待法向压接力持续一段时间后并且观察到胶凝剂完全凝固、frp完全固化后，即得成品。

28、进一步，所述加压式灌胶的具体步骤包括：

29、(a)将金属管材水平或垂直放置在灌胶机器的密闭真空容器中；

30、(b)先将灌胶机器中的空气大量溢出抽走，然后向灌胶机器的胶凝剂储存装置中注入胶凝剂，注胶过程中在一定温度环境下以及微波作用下，胶凝剂自身含有的微量气泡破裂溢出，此时灌胶机器的胶凝剂储存装置将胶凝剂通过气压灌入金属管材内部；

31、(c)将frp筋材缓慢插入金属管材，通过挤压将多余胶液排出并将缝隙内的残存的气泡挤出抽走，使金属管材内胶凝剂充盈均匀，灌胶完成。

32、本发明还包括所述的金属-frp复合材料在制造锚固支护构件中的应用。

33、发明的有益效果

34、本发明通过设计使各组分材料彼此关联、性能互补，从而获得一类具有优异性能的新型金属-frp复合材料。

35、(1)本发明制作的新型复合材料能够同时发挥frp复合材料比强度和比刚度高、低松弛、抗疲劳、耐腐蚀的优点和金属材料横向抗压和抗剪强度高、延展性强、后加工性能强及任意长度可机械锚固的优点。

36、(2)通过将胶接组件加温后温拉或通过压接机加压等方式，对粘结界面施加一定法向力，可以保证金属和frp材料协同变形。

37、(3)通过在锚头等需要防腐的部位粘贴纤维布的方法在提高强度的基础上同时解决锚头等部位耐久性问题。

38、(4)本发明制备方法简单、实用性强，易于推广。