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复合材料玻璃钢的技术与在徐工吊车上的应用
双击自动滚屏 发布者:徐州徐工吊车配件经销部 发布时间:2008/11/14 阅读:3632

  随着科学技术的发展,非金属材料越来越多的取代传统的金属材料得到了较为广泛的应用。其中复合材料在工程机械中越来越得到广泛的重视和大范围推广,下面就复合材料(玻璃钢)性能、研制、开发和使用,特别是在工程机械上的应用情况进行一下交流。
  复合材料就是用两种或两种以上不同性能、不同形态的组分材料通过复合手段组合而成的一种多相材料。从复合材料的组成与结构分析,其中有一相是连续的称为基体相,另一相是分散的、被基体包容的称为增强相。增强相与基体相之间有一个交界面称为复合材料界面,复合材料的各个相在界面上可以物理的分开。因此确切地说,复合材料是由基体相、增强相和界面相组成的。
  玻璃钢是一种新型复合材料。玻璃钢既非玻璃,也不是钢,它的基体是一种高分子有机树脂,用玻璃纤维或其他织物增强。因为它具有玻璃般的透明性或半透明性,具有钢铁般的高强度而得名。它的科学名称是玻璃纤维增强塑料(即FRP)。
  一、FRP的优点
  玻璃钢有三大优点:
  1.玻璃钢的密度小,强度大,比钢铁结实,比铝轻,比重只有普通钢材的1/4-1/16,而机械强度却为钢的3-4倍;
  2.玻璃钢具有瞬间耐高温特性;
  3.具有良好的耐酸碱腐蚀特性及不具有磁性;
  4.绝缘绝热、工艺性优良。
  二、FRP的主要原材料
  1.玻璃纤维及其制品
  2.树脂;
  3.固化剂,促进剂;
  4.其他材料,如填料、稀释剂、光稳定剂等。
  三、FRP的主要分类
  根据基体材料的不同,可主要分为酚醛玻璃钢、环氧玻璃钢、呋喃玻璃钢、聚脂玻璃钢等。
  四、FRP的成型方法
  目前,玻璃钢使用最多的成型方法有以下四种:
  1.手糊法:是用人工使基体浸渍在增强材料上拉展重叠于模上,至所需厚度,在室温常压下使基体固化而成形。
  2.缠绕法:将连续纤维束通过浸胶槽浸上树脂胶液后缠绕在芯模上,常温或加热固化、脱模即成制品。
  3.喷射法:把粗纱一边连续不断的切断一边同基体一同喷在模具上,堆积到所需的厚度使之压紧整形,在室温常压下成型。
  4.模压法:即将一副阴阳模安装在压力机上,浸胶玻璃纤维布叠后放在模腔中经过加热加压,使之固化成型。
  5.RTM法,RTM作为树脂流动成型工艺是一种较先进的复合材料闭模生产工艺技术,其主要原理是在模具腔内预先制作胶衣层并铺放好增强材料,增强材料可以是直接铺层织物或预成型制品,由低压机自动合模,用专用注射设备向模腔内注入适合工艺要求的树脂,并固化成型。成型过程中所用的模具多为复合材料模具,RTM法就是手糊工艺的机械化,是有发展前途的FRP产品成型方法。
  我国有90%以上的FRP产品是手糊法生产的,其特点用湿态树脂成型,设备简单,费用少。但是机械化程度低,生产周期长,质量不稳定。手糊工艺可进行高技术、高难度、有特殊性能要求的产品设计,同时具有操作简便、投资少、成本低、产品大小、形状复杂程度和产量不受限制的特点。
  五、玻璃钢力学性能
  1.强度是材料在外力作用下,抵抗破坏的能力,即材料受力破坏时,物体内的最大应力值。工程机械所用的玻璃钢拉伸强度在260-400MPa左右。
  2.刚度表示物体抵抗变形的能力,可用材料的拉伸弹性模量E来衡量,根据虎克定律σ=Eε,E值越大,则材料的刚性越大,工程机械所用的玻璃钢刚度在1.7×10到3.4×10左右。
  可以看出,玻璃钢的某些强度指标并不低于普通碳钢。如果用比强度(强度和比重之比)来衡量,玻璃钢大大超过普通碳钢。另外,玻璃纤维含碳量的高低,纤维直径的粗细,织物的结构形式以及纤维的表面处理,均会对玻璃钢赋予不同的物理机械性能和化学性能。
  六、玻璃钢在工程机械上的应用
  我公司最早在工程机械上使用玻璃钢是始于装载机、压路机发动机罩(图1所示)。
  从方便机器的维修的角度考虑,决定将发动机罩采用可翻转式结构,鉴于玻璃钢轻质高强的优点,选用其作为可翻转式机罩的材料。该发动机罩内部采用钢板焊制的骨架支撑,同时为保证结构强度和刚度要求,在受力较大部位进行金属填埋(如图3所示);发动机罩侧板上压制有凸起的加强筋,增加了机罩的刚度,减轻了薄板的振动(如图2所示);在散热水箱前部两侧各开了一个铁丝网状侧门,使散热更加良好。该机罩整体可通过起升机构绕尾部铰接点旋转45°以上,使发动机全部暴露,维修空间大大增加。机罩表面光滑平整,棱边、棱角均采用圆弧过渡,整体外观线条流畅,视觉效果甚佳,而且较金属机罩更加减振降噪。发动机罩另一优点在于,拆下翻转机构上的销轴,便可拆卸水箱。
  经过几年的认识和实践,我们逐渐扩大了玻璃钢在工程机械上的使用范围,驾驶室的顶盖和围板、轮胎挡泥板、仪表盘壳体等已经使用或正在尝试使用。
  七、玻璃钢不足及其改进与发展
  玻璃钢虽有很多优点,但它也不是万能材料,玻璃钢的剪切强度只是其拉伸强度的50%,玻璃钢的层剪切强度只有其拉伸强度的5%-10%,这样在构件连接时,连接处就是一个薄弱环节,我们为了弥补玻璃钢在这些方面的不足,在制作成品时,采取了如下措施:
  1.所有螺纹部分采用埋置金属螺母的结构形式,保证螺扣的耐磨性;
  2.连接部位埋置金属筋板,增加其剪切强度和刚度。
  一般树脂都是不耐燃的,因为树脂的主要成分是碳、氢、氧等,要使树脂耐燃,可以在树脂分子中引入具有自熄性的化合物作为填料。这类化合物有:
  1.有机卤化物,如氯化石蜡;
  2.无机阻燃剂类,如氢氧化铝、明矾等。
  氢氧化铝的阻燃机理是:一是受热后分解失水时吸收了大量的热,起降温作用,使树脂放出的可燃性气体相应减少;二是放出的水蒸气稀释了可燃性气体,同时也作为临时覆盖物起隔氧作用。
  和许多材料一样,FRP的强度随温度的升高而下降(表1),当温度上升到某一值时,强度急剧下降。玻璃纤维的热稳定性要好,而通用型的环氧的热变温度仅为40℃~80℃,因此要提高FRP的耐热性,关键是选择较好的树脂。
在玻璃钢诞生半个多世纪以来,现在的玻璃钢成型不限于手糊、模压、缠绕等,新的工艺方法如RTM、RRIM、滚动模压SMC成型、拉挤、热压罐等相继出现,大大改善了复合材料的结构、性能,提高了成型速度和制造质量。正是由于以上原因,各种新产品日新月异,加速了玻璃钢在各个领域中的实用化进程。
  玻璃钢不仅在工程机械上应用广泛,在轻型飞机、汽车、船舶中的地位也举足轻重,如汽车蓄电池托架、保险杠、前后车灯、高顶顶盖、仪表盘。
  具有优良的抗腐蚀特性的玻璃钢也应运而生,在化学工业中,反应罐、贮罐、搅拌器、管道等大显神威,节省了大量金属。
  玻璃钢在建筑业也备受青睐。许多新建的体育馆、展览馆、商厦的巨大屋顶都是由玻璃钢制成的。
  较发达国家比,我国玻璃钢的应用起步较晚,尚有许多问题还有待解决。目前应首先设法降低高性能纤维原料的价格,其次是研究开发出可使产品质量更稳定、生产效率更高、成型加工费用更低的新工艺技术。
  八、结束语
  综上所述,在许多领域都显示了它强大的生命力。有理由相信,随着我国材料工业发展,将会开发出各种性能更好的玻璃钢,随着制造业的发展需要,玻璃钢或其他复合材料将在未来的生活中会扮演越来越重要的角色。
  参考书目:
  1《机械设计手册》徐灏 机械工业出版社
  2《有机无机玻璃钢技术问答》王禹阶 化学工业出版社
 
 
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