復合材料玻璃鋼的技術與在徐工吊車上的應用

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復合材料就是用兩種或兩種以上不同性能、不同形態的組分材料通過復合手段組合而成的一種多相材料。從復合材料的組成與結構分析，其中有一相是連續的稱為基體相，另一相是分散的、被基體包容的稱為增強相。增強相與基體相之間有一個交界面稱為復合材料界面，復合材料的各個相在界面上可以物理的分開。因此確切地說，復合材料是由基體相、增強相和界面相組成的。
　　玻璃鋼是一種新型復合材料。玻璃鋼既非玻璃，也不是鋼，它的基體是一種高分子有機樹脂，用玻璃纖維或其他織物增強。因為它具有玻璃般的透明性或半透明性，具有鋼鐵般的高強度而得名。它的科學名稱是玻璃纖維增強塑料（即ＦＲＰ）。
　　一、ＦＲＰ的優點
　　玻璃鋼有三大優點：
　　１．玻璃鋼的密度小，強度大，比鋼鐵結實，比鋁輕，比重只有普通鋼材的１／４－１／１６，而機械強度卻為鋼的３－４倍；
　　２．玻璃鋼具有瞬間耐高溫特性；
　　３．具有良好的耐酸堿腐蝕特性及不具有磁性；
　　４．絕緣絕熱、工藝性優良。
　　二、ＦＲＰ的主要原材料
　　１．玻璃纖維及其制品
　　２．樹脂；
　　３．固化劑，促進劑；
　　４．其他材料，如填料、稀釋劑、光穩定劑等。
　　三、ＦＲＰ的主要分類
　　根據基體材料的不同，可主要分為酚醛玻璃鋼、環氧玻璃鋼、呋喃玻璃鋼、聚脂玻璃鋼等。
　　四、ＦＲＰ的成型方法
　　目前，玻璃鋼使用最多的成型方法有以下四種：
　　１．手糊法：是用人工使基體浸漬在增強材料上拉展重疊于模上，至所需厚度，在室溫常壓下使基體固化而成形。
　　２．纏繞法：將連續纖維束通過浸膠槽浸上樹脂膠液后纏繞在芯模上，常溫或加熱固化、脫模即成制品。
　　３．噴射法：把粗紗一邊連續不斷的切斷一邊同基體一同噴在模具上，堆積到所需的厚度使之壓緊整形，在室溫常壓下成型。
　　４．模壓法：即將一副陰陽模安裝在壓力機上，浸膠玻璃纖維布疊后放在模腔中經過加熱加壓，使之固化成型。
　　５．ＲＴＭ法，ＲＴＭ作為樹脂流動成型工藝是一種較先進的復合材料閉模生產工藝技術，其主要原理是在模具腔內預先制作膠衣層并鋪放好增強材料，增強材料可以是直接鋪層織物或預成型制品，由低壓機自動合模，用專用注射設備向模腔內注入適合工藝要求的樹脂，并固化成型。成型過程中所用的模具多為復合材料模具，ＲＴＭ法就是手糊工藝的機械化，是有發展前途的ＦＲＰ產品成型方法。
　　我國有９０％以上的ＦＲＰ產品是手糊法生產的，其特點用濕態樹脂成型，設備簡單，費用少。但是機械化程度低，生產周期長，質量不穩定。手糊工藝可進行高技術、高難度、有特殊性能要求的產品設計，同時具有操作簡便、投資少、成本低、產品大小、形狀復雜程度和產量不受限制的特點。
　　五、玻璃鋼力學性能
　　１．強度是材料在外力作用下，抵抗破壞的能力，即材料受力破壞時，物體內的最大應力值。工程機械所用的玻璃鋼拉伸強度在２６０－４００ＭＰａ左右。
　　２．剛度表示物體抵抗變形的能力，可用材料的拉伸彈性模量Ｅ來衡量，根據虎克定律σ＝Ｅε，Ｅ值越大，則材料的剛性越大，工程機械所用的玻璃鋼剛度在１．７×１０到３．４×１０左右。
　　可以看出，玻璃鋼的某些強度指標并不低于普通碳鋼。如果用比強度（強度和比重之比）來衡量，玻璃鋼大大超過普通碳鋼。另外，玻璃纖維含碳量的高低，纖維直徑的粗細，織物的結構形式以及纖維的表面處理，均會對玻璃鋼賦予不同的物理機械性能和化學性能。
　　六、玻璃鋼在工程機械上的應用
　　我公司最早在工程機械上使用玻璃鋼是始于裝載機、壓路機發動機罩（圖１所示）。

　　從方便機器的維修的角度考慮，決定將發動機罩采用可翻轉式結構，鑒于玻璃鋼輕質高強的優點，選用其作為可翻轉式機罩的材料。該發動機罩內部采用鋼板焊制的骨架支撐，同時為保證結構強度和剛度要求，在受力較大部位進行金屬填埋（如圖３所示）；發動機罩側板上壓制有凸起的加強筋，增加了機罩的剛度，減輕了薄板的振動（如圖２所示）；在散熱水箱前部兩側各開了一個鐵絲網狀側門，使散熱更加良好。該機罩整體可通過起升機構繞尾部鉸接點旋轉４５°以上，使發動機全部暴露，維修空間大大增加。機罩表面光滑平整，棱邊、棱角均采用圓弧過渡，整體外觀線條流暢，視覺效果甚佳，而且較金屬機罩更加減振降噪。發動機罩另一優點在于，拆下翻轉機構上的銷軸，便可拆卸水箱。
　　經過幾年的認識和實踐，我們逐漸擴大了玻璃鋼在工程機械上的使用范圍，駕駛室的頂蓋和圍板、輪胎擋泥板、儀表盤殼體等已經使用或正在嘗試使用。
　　七、玻璃鋼不足及其改進與發展
　　玻璃鋼雖有很多優點，但它也不是萬能材料，玻璃鋼的剪切強度只是其拉伸強度的５０％，玻璃鋼的層剪切強度只有其拉伸強度的５％－１０％，這樣在構件連接時，連接處就是一個薄弱環節，我們為了彌補玻璃鋼在這些方面的不足，在制作成品時，采取了如下措施：
　　１．所有螺紋部分采用埋置金屬螺母的結構形式，保證螺扣的耐磨性；
　　２．連接部位埋置金屬筋板，增加其剪切強度和剛度。
　　一般樹脂都是不耐燃的，因為樹脂的主要成分是碳、氫、氧等，要使樹脂耐燃，可以在樹脂分子中引入具有自熄性的化合物作為填料。這類化合物有：
　　１．有機鹵化物，如氯化石蠟；
　　２．無機阻燃劑類，如氫氧化鋁、明礬等。
　　氫氧化鋁的阻燃機理是：一是受熱后分解失水時吸收了大量的熱，起降溫作用，使樹脂放出的可燃性氣體相應減少；二是放出的水蒸氣稀釋了可燃性氣體，同時也作為臨時覆蓋物起隔氧作用。
　　和許多材料一樣，ＦＲＰ的強度隨溫度的升高而下降（表１），當溫度上升到某一值時，強度急劇下降。玻璃纖維的熱穩定性要好，而通用型的環氧的熱變溫度僅為４０℃～８０℃，因此要提高ＦＲＰ的耐熱性，關鍵是選擇較好的樹脂。
在玻璃鋼誕生半個多世紀以來，現在的玻璃鋼成型不限于手糊、模壓、纏繞等，新的工藝方法如ＲＴＭ、ＲＲＩＭ、滾動模壓ＳＭＣ成型、拉擠、熱壓罐等相繼出現，大大改善了復合材料的結構、性能，提高了成型速度和制造質量。正是由于以上原因，各種新產品日新月異，加速了玻璃鋼在各個領域中的實用化進程。
　　玻璃鋼不僅在工程機械上應用廣泛，在輕型飛機、汽車、船舶中的地位也舉足輕重，如汽車蓄電池托架、保險杠、前后車燈、高頂頂蓋、儀表盤。
　　具有優良的抗腐蝕特性的玻璃鋼也應運而生，在化學工業中，反應罐、貯罐、攪拌器、管道等大顯神威，節省了大量金屬。
　　玻璃鋼在建筑業也備受青睞。許多新建的體育館、展覽館、商廈的巨大屋頂都是由玻璃鋼制成的。
　　較發達國家比，我國玻璃鋼的應用起步較晚，尚有許多問題還有待解決。目前應首先設法降低高性能纖維原料的價格，其次是研究開發出可使產品質量更穩定、生產效率更高、成型加工費用更低的新工藝技術。
　　八、結束語
　　綜上所述，在許多領域都顯示了它強大的生命力。有理由相信，隨著我國材料工業發展，將會開發出各種性能更好的玻璃鋼，隨著制造業的發展需要，玻璃鋼或其他復合材料將在未來的生活中會扮演越來越重要的角色。