一种混杂纤维板的制作方法

本发明涉及一种混杂纤维板，可广泛应用于土木工程中的结构加固。

背景技术：

碳纤维复合材料(carbonfiberreinforcedplastic，简称“cfrp”)加固技术具有轻质高强高模量、施工便捷、耐腐蚀等优点，无论在民用建筑、工业建筑还是桥梁的加固工程中都已得到广泛的应用。但有关试验研究表明，虽然cfrp加固受弯构件的极限承载力有了显著的提高，但其延性却没有获得同比例的增加。加固改造的结构除了要有较高的承载力以外，还必须有足够的延性以保证加固改造结构安全性，尤其在需要抗震设防的结构中更是如此。

cfrp的线弹性材料性质和远低于钢材的断裂延伸率是造成cfrp加固受弯构件延性较差的主要原因。而提高断裂延伸率最为简单且有效的办法就是通过混杂技术将碳纤维与一种或多种高延伸率纤维混杂制成混杂纤维复合材料(hybridfiberreinforcedplastics，简称“hfrp”)，使其各组分纤维力学性能的特点充分发挥出来，在保证其具有高强高弹模的同时能够弥补cfrp的不足。但从目前的研发成果来看，hfrp大多运用于军工、航天等行业，而且这些hfrp研发成果大多属于行业机密不对外公开，致使hfrp在工程加固领域的研发和应用一直未取得重大的突破。因此，研发能够提高加固受弯加固构件延性的hfrp将具有极大的发展潜力和巨大的经济价值。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种能大幅度提高加固受弯构件延性的混杂纤维板。

本发明所提供的混杂纤维板是由高延伸率纤维、中延伸率纤维和高强低延伸率纤维按一定方式铺设经树脂基体浸润硬化后形成。

本发明一种混杂纤维板，所述由混杂纤维板高延伸率纤维1、中延伸率纤维2和高强低延伸率纤维3、树脂基体4构成；所述高延伸率纤维1、中延伸率纤维2和高强低延伸率纤维3分布于基体内部；所述高延伸率纤维1的延伸率大于等于2.4％，中延伸率纤维2的延伸率为1.9～2.1％，高强低延伸率纤维3的延伸率为1.4～1.6％、且强度大于等于3000mpa。所述分布包括均匀分布和非均匀分布等方式。

本发明一种混杂纤维板，所述混杂纤维板内，纤维的长度方向与混杂纤维板长度方向呈固定的a角；所述a角的取值为0～45°。优选为30～45°。进一步优选为45°。

作为优选方案，本发明一种混杂纤维板，所述混杂纤维板内，两根不同的纤维沿长度方向呈固定的β角；所述β角的取值为0～90°。

作为优选方案之一，本发明一种混杂纤维板，所述混杂纤维板内，两根不同的纤维沿长度方向呈固定的β角；所述β角的度数＝2a的度数。

作为优选方案，本发明一种混杂纤维板，所述高延伸率纤维选自高强玻璃纤维和/或芳纶纤维；所述高强玻璃纤维的延伸率大于等于2.5％、强度大于等于2200mpa；所述芳纶纤维的延伸率大于等于2.4％、强度大于等于1800mpa；

所述中延伸率纤维为玄武岩纤维；所述玄武岩纤维的延伸率为1.9～2.1％、且强度大于等于2000mpa；

所述高强低延伸率纤维为碳纤维；所述碳纤维的延伸率为1.4～1.6％、且强度大于等于3000mpa。

作为优选方案，本发明一种混杂纤维板，沿垂直于所述混杂纤维板厚度方向；将混杂纤维板分成平均厚度的n份，所述n为奇数且大于等于3；定义最中间的一份为夹芯中心，将所述混杂纤维板水平放置后，夹芯中心以上的第一份定以为+1份、夹芯中心以上的第二份定以为+2份、以此类推直至第+(n-1)/2份，定义夹芯中心以下的第一份定以为-1份、夹芯中心以上的第二份定以为-2份、以此类推直至第-(n-1)/2份；所述夹芯中心的高强低延伸率纤维的含量大于其它任何一份中，高强低延伸率纤维的含量；取份数的绝对值；绝对值最大的2份中，其高延伸率纤维的含量大于其它任何一份中高延伸率纤维的含量。

作为优选方案，本发明一种混杂纤维板，沿垂直于所述混杂纤维板厚度方向；将混杂纤维板分成平均厚度的n份，所述n为奇数且大于等于3；定义最中间的一份为夹芯中心，将所述混杂纤维板水平放置后，夹芯中心以上的第一份定以为+1份、夹芯中心以上的第二份定以为+2份、以此类推直至第+(n-1)/2份，定义夹芯中心以下的第一份定以为-1份、夹芯中心以上的第二份定以为-2份、以此类推直至第-(n-1)/2份；所述夹芯中心的高强低延伸率纤维的含量大于其它任何一份中高强低延伸率纤维的含量；取份数的绝对值，绝对值最大的2份中，其高延伸率纤维的含量大于其它任何一份中高延伸率纤维的含量。且绝对值相等的份数中，高延伸率纤维、中延伸率纤维、高强低延伸率纤维的含量分别相等。

作为进一步的优选方案，本发明一种混杂纤维板，沿垂直于所述混杂纤维板厚度方向；将混杂纤维板分成平均厚度的n份，所述n为奇数且大于等于3；定义最中间的一份为夹芯中心，将所述混杂纤维板水平放置后，夹芯中心以上的第一份定以为+1份、夹芯中心以上的第二份定以为+2份、以此类推直至第+(n-1)/2份，定义夹芯中心以下的第一份定以为-1份、夹芯中心以上的第二份定以为-2份、以此类推直至第-(n-1)/2份；所述夹芯中心的高强低延伸率纤维的含量大于其它任何一份中高强低延伸率纤维的含量；取份数的绝对值，绝对值最大的2份中，其高延伸率纤维的含量大于其它任何一份中高延伸率纤维的含量；且绝对值相等的份数中，高延伸率纤维、中延伸率纤维、高强低延伸率纤维的含量分别相等。除此之外，，高延伸率纤维、中延伸率纤维、高强低延伸率纤维中的至少一种纤维的含量按份数绝对值的大小，呈梯度变化。

作为优选方案，本发明一种混杂纤维板，沿垂直于所述混杂纤维板厚度方向；将混杂纤维板分成平均厚度的n份，所述n为奇数且大于等于3；定义最中间的一份为夹芯中心，将所述混杂纤维板水平放置后，夹芯中心以上的第一份定以为+1份、夹芯中心以上的第二份定以为+2份、以此类推直至第+(n-1)/2份，定义夹芯中心以下的第一份定以为-1份、夹芯中心以上的第二份定以为-2份、以此类推直至第-(n-1)/2份；在绝对值相同的份数中，纤维的长度方向与混杂纤维板长度方向呈a角；所述a角的取值为0～45°中任意一定值；在绝对值不同的份数中，a角的取值不同。

作为优选方案，本发明一种混杂纤维板，所述混杂纤维板中，树脂基体(4)的体积占混杂纤维板总体积的40±5％；其余为纤维所占体积；

定义纤维所占体积为总体积，高强低延伸率纤维的体积占总体积的20％～40％，中延伸率纤维的体积占总体积的20％～40％，高延伸率纤维的体积占总体积的40％～60％。

作为优选方案，本发明一种混杂纤维板，所述夹芯中心中高强低延伸率纤维的体积百分含量为20％～40％，树脂的的体积百分含量为20％～40％；绝对值最大的2份中，高延伸率纤维的体积百分含量为40％～60％％，树脂的体积百分含量为40±5％。

本发明的有益效果是，本发明的土木工程用层间混杂纤维板中的高延伸率纤维预浸料和中延伸率纤维预浸料共同起到了提高混杂纤维板延性的作用，在高强低延伸率纤维层断裂时中延伸率预浸料减弱了应力集中的影响，使应力平稳转移到中延伸率纤维预浸料和高延伸率纤维预浸料，混杂纤维板能够继续承受荷载，直至达到中延伸率纤维预浸料的断裂延伸率才发生断裂，混杂纤维板表现出分层破坏逐步断裂，使混杂纤维板加固受弯构件的变形能力有了大幅度的提高。而本发明的土木工程用层间混杂纤维板中的高强低延伸率纤维预浸料起到了提高混杂纤维板极限拉伸强度和弹性模量的作用，使混杂纤维板加固受弯构件的极限承载力相比于加固前可以提高50％～70％。在三种纤维预浸料的协同工作下，混杂纤维板能在兼顾高强、高弹性模量的同时还具有较好的延性，因此，能在大幅度提高极限承载力的前提下大幅度提高加固受弯构件延性。在本发明中所述**纤维预浸料指的是，取超薄的树脂层，将**纤维按设定角度铺设于所取树脂层的a面上，然后预热、预压，得到a面带有**纤维的树脂层，然后翻一面，在b上重复上述操作，得到**纤维预浸料。将各预浸料按设定结构叠层后，热压，得到成品。

附图说明

图1为实施例1沿厚度方向的结构示意图；

图2为实施例2沿厚度方向的结构示意图；

图3为实施例3沿厚度方向的结构示意图；

图4为实施例4沿厚度方向的结构示意图；

图5为实施例5沿宽度方向的结构示意图；

图6为高强玻璃/玄武岩/碳纤维混杂的hfrp的应力-应变曲线；

图7为芳纶/玄武岩/碳纤维混杂的hfrp的应力-应变曲线；

图中，1为高强玻璃纤维或芳纶纤维，2为玄武岩纤维，3为碳纤维，4为树脂基体；α为纤维长度方向与混杂纤维板长度方向的夹角，β为纤维交叉的夹角。

具体实施方式

实施例1：

本实施例的结构如图1所示，每层纤维预浸料均只含有一种纤维预浸料，采用叠层铺设。在高延伸率纤维预浸料和高强低延伸率纤维预浸料之间铺设中延伸率纤维预浸料。本实施例中作用在纤维板径向的力分别由纤维和树脂基体来承受，但主要由纤维来承受，树脂基体的主要作用是对纤维进行定位和固定并传递纤维之间的应力。可以根据加固工程的实际要求调整高强玻璃纤维预浸料、玄武岩纤维预浸料和碳纤维预浸料之间的比例和纤维预浸料的层数，在施工前完成预制。混杂纤维板的宽度在100mm-500mm之间，但可根据工程的实际要求通过预制的模具进行调整。混杂纤维板的厚度与纤维预浸料的层数有关，层数越多厚度越大，在0.2mm-5mm之间。高强低延伸率预浸料、中延伸率纤维预浸料和高延伸率纤维预浸料三者之间的体积之比可根据工程的实际要求进行调整。

实施例2：

本实施例的结构如图2所示，实施例2所采用的材料和混杂比例与实施例1基本相同，不同之处在于：每层纤维预浸料含有两种不同的纤维，每层纤维预浸料采用错层铺设形成夹芯混杂。

实施例3：

本实施例的结构如图3所示，实施例3所采用的材料和混杂比例与实施例1基本相同，不同之处在于：每层纤维预浸料含有三种不同的纤维，每层纤维预浸料采用错层铺设形成夹芯混杂。

实施例4：

本实施例的结构如图4所示，实施例4所采用的材料和混杂比例与实施例1基本相同，不同之处在于：一部分纤维预浸料层含有两种纤维，另一部分纤维预浸料层含有三种纤维，含有两种纤维的纤维预浸料层与含有三种纤维的纤维预浸料层的层数之比为2：1，含有两种纤维的纤维预浸料层采用高延伸率纤维和中延伸率纤维这两种纤维，每层纤维预浸料采用错层铺设形成夹芯混杂。

实施例5：

本实施例的如图5所示，实施例5的材料和混杂比例与实施例1、实施例2、实施例3和实施例4基本相同，实施例5可采用实施例1、实施例2、实施例3和实施例4的基本结构，不同之处在于：纤维预浸料以与板材长度方向以固定角度α交叉铺设，α为45°(同时45°为最佳条件)，以此提高混杂纤维板横向的极限拉伸强度和弹性模量。

以下是试验的内容：

一、试验材料

所述高延伸率纤维预浸料(1)采用高强玻璃纤维预浸料或芳纶纤维预浸料，中延伸率纤维预浸料(2)采用玄武岩纤维预浸料，高强低延伸率纤维预浸料(3)采用碳纤维预浸料。树脂基体(4)采用常用的湿态树脂。材料性能如下表所示：

表1：单一纤维组分frp性能

二、纵向拉伸试验结果

为了研究不同的纤维种类和不同的混杂比例对hfrp的纵向拉伸力学性能、混杂规律以及延性的影响，进行了hfrp的纵向拉伸性能对比试验。按表2中的混杂方式制成相应的hfrp，其中s、a、b和c分别代表高强玻璃纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维和碳纤维，s/b/c代表高强玻璃纤维、玄武岩纤维和碳纤维按相应比例层间混杂制成的hfrp，其余表示类同。

表2：混杂方式及力学性能

续表2

对表2的试验结果进行对比分析和研究：

高延伸率纤维与高强低延伸率纤维混杂制成的hfrp的弹性模量相比于单一高延伸率纤维的frp提高了约35％～75％，中延伸率纤维与高强低延伸率纤维混杂制成的hfrp的弹性模量相比于单一中延伸率纤维的hfrp提高了约35％～55％。对比结果表明混杂高强低延伸率纤维有利提高hfrp的弹性模量，而且高强低延伸率纤维所占的体积比例越大，混杂后的hfrp的弹性模量就越大。

无论高延伸率纤维与高强低延伸率纤维的混杂方式还是中延伸率纤维与高强低延伸率纤维的混杂方式对hfrp的断裂延伸率的提高作用并不明显，混杂制成的hfrp的断裂延伸率与单一高强低延伸率纤维的frp几乎一致。对比结果说明由这两种混杂方式混杂制成的hfrp在低延伸率纤维断裂时，由于应力集中过大导致高延伸率、中延伸率纤维几乎与低延伸率纤维同时断裂。虽然混杂后弹性模量得到较大的提高，但混杂后hfrp的延性并未有提高，而且高延伸率、中延伸率纤维的性能未能得到有效的发挥。

高延伸率的高强玻璃纤维与高延伸率的芳纶纤维混杂制成的hfrp的力学性能与单一高延伸率纤维的frp的力学性能相差不大。而高延伸率纤维与中延伸率纤维混杂制成的hfrp的弹性模量和极限拉伸强度接近于单一高延伸率纤维的frp，断裂延伸率接近于单一中延伸率纤维的frp。对比结果说明两种高延伸率纤维混杂的混杂方式、高延伸率纤维与中延伸率纤维混杂的混杂方式对力学性能的提高改善作用并不明显，甚至会产生不利影响。

高延伸率纤维、中延伸率纤维与高强度低延伸率纤维混杂后的hfrp的应力-应变曲线如图6和图7所示。从图中可以看出，高强低延伸率纤维断裂后，中延伸率纤维减弱应力集中的影响，应力平稳转移，使其余纤维能够继续承载，直至hfrp达到中延伸率纤维的断裂延伸率才被拉断。高延伸率纤维、中延伸率纤维与高强度低延伸率纤维混杂后的hfrp的弹性模量相比于单一高延伸率纤维的frp提高了50％～70％，断裂延伸率相比于单一高强低延伸率纤维的frp提高了约45％。对比结果说明高延伸率纤维、中延伸率纤维与高强度低延伸率纤维混杂制成的hfrp在兼顾高强、高弹性模量的同时还具有较高的延性。

综上所述，本发明所提供的混杂纤维板的力学性能优于仅有两种纤维混杂的混杂纤维板，在兼顾高强、高弹性模量的同时还具有较高的延性，能在大幅度提高加固受弯构件极限承载力的前提下大幅度提高加固受弯构件的延性，并可根据工程的实际要求，对混杂比例、纤维预浸料的层数以及纤维板的厚度和宽度进行调整。因此，本发明可广泛应用于土木工程加固领域。