燃煤電廠玻璃鋼板材耐高溫力學(xué)性能研究

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(1.華東理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院, 上海200237；2.中國電力工程顧問集團(tuán)華東電力設(shè)計(jì)院有限公司, 上海200063)

0 引言

近年來，越來越嚴(yán)格的環(huán)保政策對燃煤電廠提出了更高的的要求。為了獲得更加清潔的電力能源，國內(nèi)燃煤發(fā)電廠主要采用煙氣脫硫脫硝、熱能回收、節(jié)能減排等多項(xiàng)技術(shù)措施[1]，從而使玻璃鋼板材在燃煤電廠應(yīng)用增多。玻璃鋼，是以樹脂作為基體材料，玻璃纖維及其制品作為增強(qiáng)材料，通過纏繞、噴射、拉擠、手糊等成型工藝制成的玻璃纖維增強(qiáng)材料[2-3]，因其優(yōu)異的耐腐蝕性能、良好的可設(shè)計(jì)性、高比強(qiáng)度和比剛度，已成為國內(nèi)新建燃煤電廠煙囪防腐蝕主要選擇的技術(shù)方案[4]。

本文用ECR纏繞紗(以下簡稱：WD)、ECR單向布(以下簡稱UF)、ECR短切氈(以下簡稱MC)作為增強(qiáng)纖維，阻燃型乙烯基酯樹脂作為基體材料，通過纏繞成型工藝制備了3種理論厚度的FRP板材。在90 ℃高溫環(huán)境下，設(shè)置0 d、30 d、60 d、90 d四個(gè)測試時(shí)間點(diǎn)，分別對高溫老化后3種厚度的FRP板材環(huán)向和軸向的彎曲、拉伸和壓縮性能進(jìn)行分析。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料見表1

表1 原材料及其參數(shù)Tab.1 Raw material and its parameters

1.2 儀器與設(shè)備見表2

表2 儀器及設(shè)備Tab.2 Experimental apparatus and equipment

1.3 試樣制備及測試

以“WD/UF/WD/UF/WD/MC/WD”為基本結(jié)構(gòu)，分別進(jìn)行1次、2次、3次循環(huán)，制作了理論厚度為3.24 mm、6.48 mm、9.72 mm的FRP板材，并記為A板、B板、C板。

試樣制備過程如圖1，纏繞工藝成型的板材，經(jīng)切割得到400×600 mm的試驗(yàn)樣板，并進(jìn)行編號。將制得的各種板材放置在恒溫干燥箱中，置于80 ℃高溫環(huán)境下，后固化24 h。自然冷卻，用雕刻機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)樣條制備。彎曲試樣制備參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1449—2005[5]，拉伸試樣制備參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1447—2005[6]，壓縮試樣制備參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1448—2005[7]。含膠量試樣制備參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2557—2005[8]。

將制得的各種測試樣條放置在恒溫干燥箱，置于90 ℃高溫環(huán)境下老化，并根據(jù)0 d、30 d、60 d、90 d四個(gè)測試時(shí)間點(diǎn)取樣。在25 ℃±2 ℃的條件下，用萬能材料試驗(yàn)機(jī)分別測試樣條的彎曲強(qiáng)度、彎曲彈性模量、拉伸強(qiáng)度、拉伸彈性模量、壓縮強(qiáng)度、壓縮彈性模量、樹脂含量。彎曲試樣測試參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1449—2005[5]，拉伸試樣測試參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1447—2005[6]，壓縮試樣測試參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1448—2005[7]。含膠量試樣測試參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2557—2005[8]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

參照標(biāo)準(zhǔn)GB 50068—2001[9]，需采用標(biāo)準(zhǔn)值作為試樣力學(xué)強(qiáng)度的代表值，根據(jù)強(qiáng)度概率分布的0.05分位值來計(jì)算力學(xué)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的大小，公式為[10]：

fk=μf-ασf，

式中：fk為標(biāo)準(zhǔn)值；μf為平均值；當(dāng)分位值為0.05時(shí)，根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)計(jì)算，此時(shí)α=1.645。

力學(xué)模量代表值采用FRP板材試樣模量的平均值。

2 結(jié)果討論

2.1 常溫下性能測試及分析

測試了常溫下，即未經(jīng)高溫、測試時(shí)間點(diǎn)為0 d的三種板材的樹脂含量，分別為48.01 %、50.88 %、49.10 %。根據(jù)樹脂含量測試結(jié)果、板材中纖維的參數(shù)和比例，得到板材纖維含量如表3所示。

表3 板材纖維含量Tab.3 Fiber content of FRP Plate

測試了常溫下，即未經(jīng)高溫、測試時(shí)間點(diǎn)為0 d的三種板材的力學(xué)強(qiáng)度，結(jié)果如圖2所示。

壓縮強(qiáng)度的變化趨勢和樹脂含量變化趨勢相同，表明樹脂含量對FRP板材試樣的壓縮強(qiáng)度起主要作用。隨厚度的增加，軸向強(qiáng)度都呈上升的趨勢，是因?yàn)槠疠S向承載作用的單向布含量增加引起的，其中C板含膠量較小因而壓縮強(qiáng)度較B板略微下降。

環(huán)向彎曲強(qiáng)度呈下降趨勢，主要是起到承載作用的纏繞紗層數(shù)比下降引起的。環(huán)向拉伸強(qiáng)度先增大后減小，隨著厚度的增加，纖維分布趨向均勻，使得B板強(qiáng)度上升。當(dāng)厚度到達(dá)一定值時(shí)，厚度效應(yīng)增強(qiáng)，拉伸的過程中呈現(xiàn)三維應(yīng)力狀態(tài)，此時(shí)的失效模式除了纖維斷裂，還有分層、界面脫黏等，因而C板強(qiáng)度下降。而厚度較少的A板和B板中三維應(yīng)力的影響很小，可以忽略。

(a) 環(huán)向

圖2常溫下試樣強(qiáng)度
Fig.2Strengthatroomtemperature

另外，作為對比，研究了高溫作用后，厚度對力學(xué)強(qiáng)度的變化規(guī)律。在90 ℃高溫環(huán)境下老化90 d，得到三種板材高溫后的力學(xué)性能，如圖3所示。結(jié)果表明，強(qiáng)度隨厚度的變化趨勢與常溫下一致。

(a) 環(huán)向

圖390℃下老化90d后試樣強(qiáng)度
Fig.3Strengthafter90d’sagingat90℃

2.2 高溫老化后力學(xué)強(qiáng)度分析

90 ℃高溫下老化0 d、30 d、60 d、90 d后，分別將A、B、C三種試樣的彎曲、拉伸、壓縮強(qiáng)度對高溫老化時(shí)間作圖，得到圖4、圖5、圖6。

由圖4可知，隨著高溫老化時(shí)間的增加，三種板材試樣的彎曲強(qiáng)度呈現(xiàn)出下降的趨勢，高溫老化時(shí)間越長，強(qiáng)度下降越明顯。以A板為例，環(huán)向彎曲強(qiáng)度在30 d衰減了1.32 %，60 d衰減了3.92 %，90 d衰減了7.62 %。材料在高溫老化過程中，會有裂紋出現(xiàn)，使得纖維和樹脂界面遭到侵蝕破壞[11-12]。高溫老化過程是自由基反應(yīng)的過程[13]，它的進(jìn)度主要由O2在樹脂基體中的擴(kuò)散程度控制，因而高溫老化時(shí)間越長，F(xiàn)RP板材試樣的老化程度越高，強(qiáng)度下降越明顯。

由圖5可知，隨著高溫老化時(shí)間的增加，三種板材試樣的拉伸強(qiáng)度變化和彎曲強(qiáng)度類似，高溫老化時(shí)間越長，強(qiáng)度下降越明顯。以B板為例，軸向拉伸強(qiáng)度在30 d衰減了5.24 %，60 d衰減了14.94 %，90 d衰減了29.46 %。

(a) 環(huán)向

圖4高溫老化時(shí)間對試樣彎曲強(qiáng)度的影響
Fig.4Effectofhigh-temperatureagingtimeonflexuralstrength

(a) 環(huán)向

圖5高溫老化時(shí)間對試樣拉伸強(qiáng)度的影響
Fig.5Effectofhigh-temperatureagingtimeontensilestrength

(a) 環(huán)向

圖6高溫老化時(shí)間對試樣壓縮強(qiáng)度的影響
Fig.6Effectofhigh-temperatureagingtimeoncompressstrength

由圖6可知，隨著高溫老化時(shí)間的增加，三種板材試樣的壓縮強(qiáng)度變化也和彎曲強(qiáng)度類似，高溫老化時(shí)間越長，強(qiáng)度下降越明顯。以C板為例，環(huán)向壓縮30 d衰減了7.31 %，60 d衰減了14.50 %，90 d衰減了29.92 %。

90 ℃下老化90 d后，F(xiàn)FP板材試樣的力學(xué)強(qiáng)度保留率(Strength retention rate)如表4所示。

由表4可知，高溫老化對FRP板材的彎曲、拉伸、壓縮強(qiáng)度均有不同程度的影響。其中，彎曲強(qiáng)度受高溫老化的影響最小，壓縮強(qiáng)度受高溫老化的影響最為明顯。原因在于：樹脂含量對FRP板材的壓縮強(qiáng)度起主要作用，高溫條件下樹脂性能發(fā)生較大變化，分子鏈間的柔性在高溫下增強(qiáng)，使得分子鏈段間的束縛能力減弱、樹脂基體和增強(qiáng)纖維的粘結(jié)、作用減弱，表現(xiàn)為試樣壓縮強(qiáng)度下降較大。同時(shí)，彎曲強(qiáng)度主要由纖維控制，高溫條件下纖維的性能并未產(chǎn)生明顯的降低。90 ℃老化90 d后，三種FRP板材試樣的彎曲強(qiáng)度保留率均在85 %以上，壓縮強(qiáng)度保留率在70 %左右。

表4 試樣力學(xué)強(qiáng)度保留率Tab.4 Strength retention rate of FRP Plate %

2.3 高溫老化后力學(xué)模量分析

90 ℃下，A、B、C三種板材的試樣高溫老化不同時(shí)間以后，彈性模量如表5所示。

表5 試樣彈性模量Tab.5 Modulus of FRP Plate

從表5可知，三種FRP板材試樣的模量隨著高溫老化時(shí)間的增加而降低。模量是由纖維和樹脂基體的界面狀態(tài)所決定的，高溫導(dǎo)致試樣界面的破壞，從而造成模量下降[14-16]。從模量變化可以看出，B板的模量保留率最高，可能是B板的含膠量較高，使得增強(qiáng)纖維能被樹脂基體更好地包覆起來，從而使兩者間的粘結(jié)作用得到加強(qiáng)。

2.4 高溫老化前后試樣斷面分析

為了更好對高溫老化后力學(xué)性能下降的原因進(jìn)行分析，本文對A板在90 ℃下老化0 d和90 d后的拉伸試樣截面進(jìn)行掃描電鏡(SEM)觀察，如圖7所示。

(a) 未老化試樣 (b) 老化后的試樣

如圖7(a)為未經(jīng)老化(即0 d)的拉伸試樣截面，可以看到斷裂時(shí)沒有長纖維拔出，纖維與樹脂基體間的粘結(jié)作用良好；圖7(b)是試樣在90 ℃老化90 d后的拉伸截面，斷口處明顯存在纖維拔出現(xiàn)象，且表面光滑，粘附基體較少，表明試樣經(jīng)高溫老化后，界面粘結(jié)強(qiáng)度降低[17]，纖維和樹脂基體界面受到了破壞，導(dǎo)致FRP板材試樣力學(xué)強(qiáng)度和力學(xué)模量的降低。

3 結(jié)論

① 對于以“WD/UF/WD/UF/WD/MC/WD”為基本結(jié)構(gòu)的FRP板材，纏繞紗含量是單向布含量的兩倍以上，因而軸向強(qiáng)度對材料強(qiáng)度起主導(dǎo)作用。隨著FRP板材厚度的增加，單向布含量增加，軸向彎曲、拉伸強(qiáng)度均呈現(xiàn)出上升的趨勢。經(jīng)高溫老化后，軸向彎曲、拉伸強(qiáng)度隨厚度的變化呈相同的趨勢。

② 壓縮強(qiáng)度的變化趨勢和含膠量變化趨勢一致，表明樹脂含量對材料的壓縮強(qiáng)度起主要作用。

③ 高溫老化后，F(xiàn)RP板材的三種力學(xué)強(qiáng)度均表現(xiàn)出不同程度的降低。其中，彎曲強(qiáng)度受高溫老化的影響最小，壓縮強(qiáng)度受高溫老化的影響最為明顯。燃煤電廠FRP板材在制作過程中，應(yīng)重點(diǎn)控制樹脂含量。

④ SEM測試表明，未經(jīng)高溫老化的試樣在高倍電鏡下，發(fā)現(xiàn)纖維與樹脂間粘結(jié)良好；高溫老化后，在低倍電鏡下即看到明顯的纖維拔出，表明纖維和樹脂基體界面因高溫老化而受到了破壞。