裝配式建筑用的4種纖維復(fù)材制備及性能提升研究

中圖分類號： TQ342⁺ .742 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1001-5922（2025）07-0060-04

Abstract：In order to improve the mechanical properties of fiber composites for prefabricatedbuildings，four kinds of fiber composite laminates with diferent components were prepared byusing a twin-screw extrusion mechanism， the shear properties，bending properties and impact properties of Ti/CF/PA6、Ti/GB/CF/PA6、Ti/nano-CaCO ³ ／ CF/PA6 and Ti/GB/nano-CaCO ³ /CF/PA6 were compared and analyzed，and the fracture morphology was observed. The results showed that adding GB or nano-CaCO ³ to Ti/CF/PA6 alone，as well as the addition of GB and nano-CaCO ³ together，increased the shear strength of the composite，and the shear strength of the composite material was the highest when nano-CaCO ³ was added alone.Adding GB or nano- .cac0₃ to Ti/CF/PA6 alone reduced the flexural strength of the composite，while addition of nano- CaCO₃ alone increased the flexural strength of composites. Adding GB or nano ?CaCO₃ to Ti/CF/PA6 alone，as well as the addition of GB and nano- .cac0₃ together，increased the impact strength of the composite，and the impact strength of the composite material was the highest when GB and nano- CaCO₃ were added together. After adding nano .cac0₃ alone or the combination of GB and nano- CaCO₃ ， the composites have good mechanical properties and can be applied in prefabricated building structural materials. Key words：prefabricated buildings；fiber composite materials；particle enhancement；mechanical properties；fracture morphology

裝配式建筑是指把傳統(tǒng)建造方式中的大量現(xiàn)場作業(yè)工作轉(zhuǎn)移到工廠進(jìn)行，在工廠加工制作好建筑用構(gòu)件和配件（如樓板、墻板、樓梯、陽臺等），運(yùn)輸?shù)浇ㄖ┕がF(xiàn)場，通過可靠的連接方式在現(xiàn)場裝配安裝而成的建筑。因此需要裝配式建筑用材具有足夠的力學(xué)性能，如剪切強(qiáng)度、彎曲性能和沖擊性能等[1-3]，以便可以有效抵御外界暴風(fēng)雨或者風(fēng)浪等因素挑戰(zhàn)，保障裝配式建筑的安全可靠，最大限度保障生命安全和避免財產(chǎn)損失。碳纖維金屬層板作為一種新型復(fù)合材料，由于具有良好的力學(xué)性能和減震效果等[46]，可作為制作裝配式建筑的潛在材料，在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用。然而，碳纖維金屬層板的綜合性能主要與不同材料的界面結(jié)合有關(guān)，界面結(jié)合的優(yōu)劣將在很大程度影響復(fù)合材料的力學(xué)性能[7-9]。本文探討了在 Ti/CF/PA6 層壓板中單獨(dú)加入GB或者nano .cac0₃ ，以及復(fù)合加入GB和nano- CaCO₃ 的復(fù)合材料的剪切強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和沖擊性能，并對斷口形貌進(jìn)行觀察，結(jié)果將有助于新型纖維復(fù)材層壓板的制備與推廣應(yīng)用。

1試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)原料包括寶鈦集團(tuán)有限公司提供的TA2鈦板（Ti）（密度為 4.54g/cm³ ）江蘇博實(shí)碳纖維科技有限公司提供的YT-3K碳纖維（CF）、天臺精工西力玻璃珠有限公司提供的玻璃微珠（GB）（平均粒徑 16μm 、透明度 96% ）、江西科越科技有限公司提供的納米碳酸鈣（nano- CaCO₃ ）（平均粒徑 80nm. 水含量 0.5% ）景縣福興源橡塑化工有限公司提供的尼龍6（PA6）（密度 1.13g/cm³ 熔融溫度 218‰ ）。

1. 2 試樣制備

共設(shè)計了4種裝配式建筑用纖維復(fù)材，包括Ti/CF/PA6（簡稱TCP）、Ti/GB/CF/PA6（簡稱TGCP）、Ti/nano ?CaCO₃/CF/PA6 （簡稱TNCP） Ti/GB nano-CaCO₃/CF/PA6 （簡稱TGNCP），CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30% 。采用SJSZ65-132型錐形雙螺桿擠出機(jī)制備纖維復(fù)材層壓板[10]，預(yù)先將鈦板表面進(jìn)行丙酮除油、陽極氧化[1]和清洗吹干處理，先鋪CF布再交替鋪放其他材料，并控制上模和下模溫度分別為235^°C 和 245‰ 、壓力控制為 6MPa 、持續(xù)施加壓力12min ，對層壓板進(jìn)行熱壓成型[12]，空冷至室溫得到4種裝配式建筑用纖維復(fù)材層壓板。

1.3 測試方法

在MTS-810型液壓伺服萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行彎曲性能和剪切性能測試，試樣加工尺寸示意圖如圖1所示。

根據(jù)ASTMD7264/D7264M—07《聚合物基復(fù)合材料彎曲性能標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行彎曲強(qiáng)度測試[13]，跨距 64mm ，結(jié)果取3組試樣平均值;根據(jù)ASTMD2344/D2344M—16《聚合物基復(fù)合材料及其層壓板短束強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行層間剪切強(qiáng)度測試[14]，跨距 16mm ，結(jié)果取3組試樣平均值。沖擊性能測試試樣尺寸如圖1（c），根據(jù)ASTMD256—10《測定塑料懸臂梁式擺錘沖擊強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)，在 CJ8-HIT-2492 沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫沖擊性能測試[15]，結(jié)果取3組試樣平均值。表面形貌和斷口形貌在納克微束FE-1050系列高分辨（場發(fā)射）掃描電鏡上觀察。

2 結(jié)果與分析

2.1 陽極氧化處理后鈦板表面形貌

在經(jīng)過陽極氧化處理后，鈦板表面呈現(xiàn)多孔結(jié)構(gòu)，孔徑約在 25～50nm ；局部放大后可見，這些在鈦板表面形成的納米微孔的壁厚約為 18nm ，微孔形狀主要為類圓形，局部存在擠壓變形現(xiàn)象。這些在鈦板表面形成的多孔結(jié)構(gòu)將有助于增加層壓板熱壓成型過程中的接觸面積[16]，有助于提高層壓板的結(jié)合力。

2.2 剪切強(qiáng)度

對于TP試樣，其剪切強(qiáng)度為 84.38MPa ;當(dāng)在層壓板中添加玻璃微珠后，TGP復(fù)合材料的剪切強(qiáng)度上升為90.86MPa；當(dāng)加入nano- .cac0₃ 后，Ti/nano ?CaCO₃/CF/PA6 復(fù)合材料的剪切強(qiáng)度達(dá)到91. 48MPa ；當(dāng)復(fù)合加入GB和nano- CaCO₃ 后，Ti/GB/nano CaCO₃ /CF/PA6復(fù)合材料的剪切強(qiáng)度為90.73，相較單獨(dú)加入GB或nano .cac0₃ 的復(fù)合材料的剪切強(qiáng)度有所減小，但是減小幅度不大。由此可見，在Ti/CF/PA6中單獨(dú)加入GB或nano .cac0₃ ，以及復(fù)合加入GB和nano- .cac0₃ 都會提升復(fù)合材料的剪切強(qiáng)度，且單獨(dú)加入nano- CaCO₃ 后復(fù)合材料的剪切強(qiáng)度最大。這主要是因?yàn)镚B或者nanoCaCO₃ 的加入可以與PA6一起進(jìn)人碳纖維空隙中，有助于增強(qiáng)復(fù)合材料抵抗變形的能量，抑制剪切過程中裂紋萌生與擴(kuò)展[17]，相應(yīng)的在剪切過程中可以吸收更多的能量并提升剪切強(qiáng)度。

2.3 彎曲強(qiáng)度

對于TP試樣，其彎曲強(qiáng)度為 372.49MPa ;當(dāng)在層壓板中添加玻璃微珠后，TGP復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度降低為359.15MPa；當(dāng)加入nano- .cac0₃ 后，Ti/nano ?CaCO₃/CF/PA6 復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度達(dá)到403.06MPa;當(dāng)復(fù)合加入GB和nano ?CaCO₃ 后，Ti/GB/nano CaCO₃/CF/PA6 復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度為 367.43MPa ，相較單獨(dú)加入GB的復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度有所增大，相較單獨(dú)加入nano CaCO₃ 的復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度有所減小。由此可見，在Ti/CF/PA6中單獨(dú)加入GB或nano ?CaCO₃ 會降低復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度，而單獨(dú)加入nano- CaCO₃ 會提升復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度。

2.4沖擊性能

圖4為裝配式建筑用纖維復(fù)材的沖擊強(qiáng)度測試結(jié)果。

對于TP材料而言，其沖擊強(qiáng)度為123.97kJ/m² ；當(dāng)在層壓板中添加玻璃微珠后，TGP復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度上升為 142.27kJ/m² ；當(dāng)加入nano- .cac0₃ 后， Ti/nano-CaCO₃/CF/PA6 復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度達(dá)到15 0. 08kJ/m² ；當(dāng)復(fù)合加入GB和nano- CaCO₃ 后， Ti/GB/ nano- ?CaCO₃/CF/PA6 復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度為 156.42kJ/m² ，相較單獨(dú)加入GB或nano ?CaCO₃ 的復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度有所增大。由此可見，在Ti/CF/PA6中單獨(dú)加入GB或nano-CaCO₃ ，以及復(fù)合加入GB和nano ?CaCO₃ 都會提升復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度，且復(fù)合加入GB和nanoCaCO₃ 后復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度最大。這主要是因?yàn)镚B或者nano ?CaCO₃ 的加入可以與PA6一起進(jìn)入碳纖維空隙中，有助于增強(qiáng)復(fù)合材料抵抗沖擊變形的能量，抑制沖擊過程中裂紋萌生與擴(kuò)展[18]，相應(yīng)的獲得更高的沖擊強(qiáng)度；復(fù)合加入GB和nanoCaCO₃ 的復(fù)合材料抵抗沖擊變形的能量優(yōu)于單獨(dú)加入GB或者nano ?CaCO₃ 的復(fù)合材料，這主要是因?yàn)槎邚?fù)合加入可以發(fā)揮協(xié)同作用[19]

2.5 斷口形貌

未加人GB或者nano .cac0₃ 顆粒的復(fù)合材料，斷口中可見階梯狀斷口，呈現(xiàn)脆性斷裂特征；斷口中未見階梯狀形態(tài)，GB在斷口中較為分散，局部產(chǎn)生了微裂紋并可見撕裂棱，表明其在斷裂過程中吸收了更多的能量；復(fù)合加入GB和 nano-CaCO₃ 的復(fù)合材料的斷口中可見微裂紋以及撕裂棱，斷口形貌與單獨(dú)加入GB時較為相似，表明這兩種復(fù)合材料吸收能量的能量相當(dāng)，且都小于單獨(dú)加入nano- .cac0₃ 的復(fù)合材料。

2.6纖維復(fù)材在裝配式建筑中的應(yīng)用

由上述測試結(jié)果可知，在Ti/CF/PA6中單獨(dú)加入GB或nano- .cac0₃ ，以及復(fù)合加入GB和nanoCaCO₃ 都會提升復(fù)合材料的剪切強(qiáng)度，且單獨(dú)加入nano- CaCO₃ 后復(fù)合材料的剪切強(qiáng)度最大。在Ti/CF/PA6中單獨(dú)加入GB或nano- .cac0₃ 會降低復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度，而單獨(dú)加入nano- CaCO₃ 會提升復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度。在Ti/CF/PA6中單獨(dú)加入GB或nano- CaCO₃ ，以及復(fù)合加人GB和nano .cac0₃ 都會提升復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度，且復(fù)合加入GB和nano- CaCO₃ 后復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度最大。

對于裝配式建筑用纖維復(fù)材而言，纖維復(fù)材需要具有足夠的剪切強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度，可以有效抵御外界沖擊載荷、彎曲載荷和剪切載荷作用[20]，最大程度保障裝配式建筑的穩(wěn)定性、安全性和可靠性。整體而言，在Ti/CF/PA6中單獨(dú)加入nano- CaCO₃ 或者復(fù)合加人GB和nano .cac0₃ 后復(fù)合材料具有良好的力學(xué)性能，可以在裝配式建筑結(jié)構(gòu)材料中應(yīng)用。

3結(jié)語

（1）經(jīng)過陽極氧化處理后，鈦板表面呈現(xiàn)多孔結(jié)構(gòu)，孔徑約在 25～50nm ，微孔壁厚約為 18nm ，這些在鈦板表面形成的多孔結(jié)構(gòu)將有助于增加層壓板熱壓成型過程中的接觸面積，有助于提高層壓板的結(jié)合力；

（2）TP試樣的剪切強(qiáng)度為 84.38MPa ；當(dāng)在層壓板中添加玻璃微珠后，TGP復(fù)合材料的剪切強(qiáng)度上升為90.86MPa；當(dāng)加人nano- .cac0₃ 后，Ti/nano- CaCO₃/CF/PA6 復(fù)合材料的剪切強(qiáng)度達(dá)到91.48 MPa ；當(dāng)復(fù)合加入GB和 nano-CaCO₃ 后，Ti/GB/nano- CaCO₃ /CF/PA6復(fù)合材料的剪切強(qiáng)度為 90.73MPa ：

（3）在Ti/CF/PA6中單獨(dú)加入GB或nano-CaCO₃ 會降低復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度，而單獨(dú)加入nano- CaCO₃ 會提升復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度。在Ti/CF/PA6中單獨(dú)加人GB或nano .cac0₃ ，以及復(fù)合加入GB和nano- CaCO₃ 都會提升復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度，且復(fù)合加入GB和nano .cac0₃ 后復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度最大。

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