對於樹脂基復合材料在野戰工事中的應用

論文類別:工學論文 > 材料工程學論文
論文作者: 李晶
上傳時間:2012/6/20 9:33:00

  論文摘要:復合材料(Compositematerials),是由兩種或兩種以上不同性質的材料,通过物理或化學的方法,在宏觀上組成具有新性能的材料。由於各種材料在性能上互相取長補短,產生協同效應,使復合材料的綜合性能優於原組成材料而滿足各种不同的要求,其中以樹脂基復合材料應用最廣。
  論文關键詞:野戰工事;符合材料
 
  野戰工事是戰役、戰斗的準備和實施過程中,利用、改造地形,使用就便器材或预制構件,快速構築的臨時工事。對常規武器和核武器、生物武器和化學武器的殺伤破壞作用具有較高的抵抗能力和較好的防護效果。50年代以前,我軍的野戰工事主要是以木材、鋼材和鋼筋混凝土就便材料工事,作戰時臨時構築。60年代以後,先後研制了裝配式混凝土預制構件工事、型钢工事、波紋鋼工事、鋼絲网水泥工事、骨架柔性被覆工事等制式器材。這一時期的工事,重量大、構件體积大、構築速度慢、土建作業量大、撤收難,陣地轉移慢,機動性能不高,難以適應機動作戰的需要。從80年代開始,隨著復合材料的發展,制作野戰工事的材料由传統的鋼材、木材和鋼筋混凝土材料轉向新型復合材料,我軍先後研制了玻璃鋼工事、玻璃纖維增強水泥工事、玻璃鋼或铝合金作面板和泡沫作芯材的復合材料工事。这一時期的工事,雖然重量較輕,構件體積較小,但是工事的跨度較小、抗力低,難以满足部隊平戰結合的需要。直到90年代,采用“新材料、新工藝、新思想”設計的玻璃鋼夾層野戰工事系列,才第一次使野戰工事輕型化、機動化、標準化,形成单一材料、多種結構型式、多種抗力和多種使用性能的系列化。
  國外是從60年代初期开始使用復合材料野戰工事的。美國、法國、意大利、日本、德國、瑞典等國都有用玻璃鋼制成的掩蔽部、防彈板、彈藥庫等,對於玻璃鋼工事的試驗研究,外軍早在二次世界大戰時就開始了相關研究,並已有各種玻璃鋼工事裝備部隊,如美军的輕型玻璃鋼裝配式掩盖工事(長6-18米,寬3米,高約3米);英國研制的玻璃鋼掩蔽部可容納6人,復土±115米,抗沖击波超壓0186kg/cm2。此外還有日本研制的薄殼形玻璃鋼工事頂蓋、瑞典的玻璃钢夾層球形掩蔽部等等,均起到了較好的防護效果。
  一、玻璃鋼復合材料用於野戰工事的優點
  玻璃鋼(FRP)亦稱作GRP,即纖維強化塑料,是一種树脂基復合材料。一般指用玻璃纤維增強不飽和聚脂、環氧树脂與酚醛樹脂基體。
  玻璃鋼是目前世界上產量最大、用途最廣的复合材料,玻璃鋼工業是如今最熱門的工業之一,它以其優良的性能在各個領域得到广泛的應用,如:儲罐、管道、建築、交通運輸、運動与遊樂器材、船艇等方面都得到廣泛應用。在野戰築城中,用玻璃鋼做的各種工事在戰爭中起到了重要作用,在未來高技術戰爭中將發揮越來越大的作用。
  FRP(玻璃纖維增強塑料,簡稱玻璃鋼)是以合成樹脂為基體、玻璃纖維(織物)為增強材料的復合材料。具有許多優良的特性:
  (一)輕質高強,比重114-2.0,约為鋼的1/5,鋁的1/2,其比强度和比模量超過鋼和鋁合金;(二)沖擊韌性好,適宜於承受動荷載及爆炸沖擊荷載;(三)抗老化及阻燃性好(玻璃鋼中加入阻燃劑或采用阻燃树脂再加入阻燃劑,可滿足防火要求);(四)其夾層結构隔熱保溫性能好,导熱系數和熱應力小(分別為鋼管的0.14%和1/11);(五)電絕緣性能好,可安全地應用於輸電、電信密集區;(六)設計和可施工性好,安裝快捷方便、安全,幾乎不動火。
  因此,FRP極適宜於制作野戰工程中的快速裝配式預制構件,在防護工程野戰工事的應用上越來越受到重視。
  目前所用的玻璃纖維,其應力应變曲線如圖所示,從圖中可以看出,單纖維受力不一致,股紗破壞呈現一個逐步斷裂的過程。最常用的玻璃纖維布有平紋、斜紋和緞紋等,其中斜紋中的2/2斜紋布鋪覆性較好,較適用於制作玻璃钢工事構件。合成樹脂在玻璃鋼中的作用,是將分散的玻璃纖維或其織物粘結成一個整體,同時已固化的樹脂又是玻璃鋼的一組分,其性能將直接影響玻璃鋼的力學、耐溫、耐腐蝕和介電等性能,此樹脂的選擇也非常重要。用於玻璃鋼的常用樹脂大部分為熱固性樹脂,主要有不飽和聚酯、環氧、酚醛以及改性的聚酯和環氧。玻璃钢工事結構設計時,既要滿足構件标準化的要求,又要滿足荷載要求,同時盡量使生存空間有舒適感。其結構形式基本上有兩類:筒殼和球殼。對於單一玻璃鋼材料,壁厚度通常取6-10mm,對於夾層材料,一般取蒙皮厚2-4mm,夾芯厚40-60mm。
  二、樹脂基復合材料成型方法
  (一)手糊成型技術
  手糊成型又稱手工裱糊成型或接觸成型,是熱固性樹脂基復合材料制品成型較早的方法之一。所謂手糊工藝,是指用樹脂将增強材料粘結在一起的一種成型方法,約有50%的玻璃鋼復合材料制品是用這種方法成型的,特別是對於用量少、品種多及大型制品,更宜采用此法。但這種方法操作人員多,操作者的技術水平對制品的質量影響大,雖有“一見就会”的說法,但要制得优良得制品也是相當困難得。手糊成型工藝制造制品一般需要经過如下工序:手糊成型工艺可分為接觸成型和低壓成型兩大類:屬於前者得有簡單手糊法及噴射成型法;屬於後者的有壓力袋法、真空袋法等。手糊復合材料制品的厚度一般在2-10mm,但對於有些制品,其厚度可以大於10mm,也可小於2mm。典型的手糊制品結構如圖。
  1、面層;2、短切氈;3、短切氈或粗紗布;4、短切氈;5、表面氈;6、膠衣層;7、脫模劑;8、模具。
  因其很少受到制品形狀及大小的制約,模具費用較低。因此對於品種多、生產量小的大型制品,手糊成型技術是最合適的。用手糊成型可生產波形瓦、活動房、浴盆、冷卻塔、衛生间、貯槽、貯罐、風机葉片、各類漁船和遊艇、微型汽車和客車殼體、大型雷達天線罩及天文臺屋頂罩、設備防護罩、雕像、舞臺道具和飛機蒙布、機翼、火箭外殼、防熱底板等大中型零件。總之,由於手糊工艺設計自由,可根據产品的技術要求設計出理想的外觀、造型及多種多樣、品種繁多的FRP制品。目前,產品達上萬種,被廣泛應用到各個領域,前景看好。
  (二)模壓成型技術
  適合於生產量大,尺寸要求精確的制品。模壓成型的模具由陰、陽兩部分組成。增強材料一般為短切纖維氈、連續纖維毡和織物。 免費論文下載中心 http://www.hi138.com   (三)RTM成型技術
  RTM(樹脂傳遞模塑)成型技術是一種適宜多品种、中批量、高質量復合材料制品生產的成型技术,RTM成型技術有許多優點:能夠制造高質量、高精度、低孔隙率高纖維含量的復杂復合材料構件,無須膠衣樹脂也可獲得光滑的雙表面,產品從設計到投產時間短,生產效率高;RTM模具和產品設計可采用CAD進行設計,模具制造容易,材料選擇面廣;RTM成型的構件与管件易於實現局部增強以及制造局部加厚的構件,帶芯材的復合材料能一次成型;RTM成型過程中揮發水分少,有利於勞動保護和環境保護。
  (四)纖維纏繞成型技術
  纤維纏繞成型是在專門的纏繞機上,將浸潤樹脂的纖維均勻地、有規律地纏繞在一個轉動的芯模上,最後固化、除去芯模獲得制品。纖維纏繞成型方法既用於制造簡單曲旋轉體:如筒、罐、管、球、錐等。也可以用来制備飛機機身、機翼及汽車車身等非旋轉體部件:在纖維纏繞成型中常使用的增強材料包括玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維;纏绕用樹脂基體有聚酯、乙烯基、環氧和BMI樹脂等。纖維纏繞的主要優点是節省原材料、低的制造成本以及制件的高度重復性,最大的缺點是制件固化後需除芯模以及不適宜於帶凹曲表面制件的制造。
  (五)拉擠成型技術
  用於連續生產纖維復合材料型材。主要過程是依靠牽引將原材料通過一定型面的加熱模,完成復合、成型和固化。拉挤成型工藝筒單;效率高;拉擠法制備制件時,增強纖维沿軸向平行排列,能有效地利用其強度。采用纖維氈增強材料可制备各向同性制件,采用編織帶可提高制件的橫向強度。拉擠成型的關键是固化的控制。固化反应放熱峰出現太早制件易开裂、翹曲;出現太遲;制件固化不完全,易分層。取決於型材形状和加熱方式,拉擠速度在1.5-60m/h之間。
  (六)熱壓罐成型技術
  熱壓罐成型技術是生產高质量復合材料制件的主要方法。其基本過程是先将預浸料按尺寸裁剪、鋪貼,然後將預浸料量叠層和其他工藝輔助材料組合在一起;置於熱壓罐中在一定压力和溫度下固化形成制件。熱壓罐成型技術的最大優點是仅用一個模具就得到形狀復杂、尺寸較大、質量較好的制件。
  三、手糊成型工藝在野戰工事中的應用
  根據树脂基復合材料的工藝設計的原則以及以上提到的六種工藝對比,由於復合材料裝配式野戰工事結構復雜,尺寸較大,加之考慮加工成本,故在制造過程中采用手糊成型工藝。與其它成型工藝相比,手糊成型工藝具有如下的优點:(一)操作簡便,操作者容易培訓;(二)設備投资少,生產費用低:(三)能生產大型的和復雜結構制品;(四)制品的可設計性好,且容易改變設計;(五)模具材料來源广;(六)可以做成夾層結構。
  由於現代高技術戰争條件下,需要快速構築野戰工事以提高部隊的生存能力的需要,高性能樹脂基復合材料以其自身所特有的能有效吸收沖擊能量、輕質高強且具有不燃、無毒、保溫等性能,必將成為野戰工事構築的首選材料。 轉貼于 免費論文下載中心 http://www.hi138.com
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