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分子复合材料

科技工作者之家 2020-11-17

分子复合材料是能体现“自我增强”作用,在结构上表现为刚直分子链和柔性链以化学力相连接,但在分子水平上为相互分散的复合材料。

热致性高分子液晶热致性高分子液晶(如聚芳酯类热致液晶)是加热熔融时能显示液晶性质的材料,分子内有分子复合性质。由于是分子水平的复合,所以不存在成型常规复合材料时磨损模口、模具的现象1。

高分子复合材料的主要特性复合材料一般由基体材料和增强材料两大组分构成,各组分材料之间具有明显的界面,宏观上呈现出“各向异性”的特征。复合材料按其基体材料的性质可分为金属基复合材料、无机非金属基复合材料和有机 (树脂基)基复合材料三大类。高分子复合材料的基本性能主要由其基体材料决定,而机械性能则主要取决于增强纤维的性质、用量及铺设方式。而合理的成型工艺则能使基体材料与增强材料各自的优良性能在复合材料中充分表现出来。

性能的可设计性常规材料由于有固定的物质成份,因此就有相对固定的性能,而热固性复合材料没有特定的物质成份,所以也就没有固定的性能。实际应用中往往根据使用对象对材料性能和形状的要求来选择其基体材料、增强材料和成型工艺。也就是说,复合材料的性能是可设计的。

由于复合材料的性能可设计,使其应用范围很广,例如,可以根据使用环境条件的要求设计出防腐、保温、透光等材料,也可根据使用功能要求设计出轻质、高强、绝缘、导电、透波、吸波及耐磨等材料,以及可对外界环境变化做出反应的“机敏”复合材料。

结构形状无限制热固性复合材料的成型工艺与钢材和木材等传统材料不同。利用热固性复合材料的树脂改性技术和加工工艺,即可设计出耐高温性能、防火性能优异的复合材料与满足结构性能的构件1。

应用于地铁的热固性复合材料地铁隧道特殊的环境和特殊的工况对材料性能要求比较高,归纳起来主要有以下几个方面:材料耐腐蚀性能、良好的防火性能、满足消防要求;具有足够的机械强度和绝缘强度; 具轻质高强、较易加工或组合成型,以满足不同地段所制造的所需的规格与尺寸;具有较长的使用寿命,减少更换次数,才能保证地铁的安全运营。

提高热固性复合材料性能的主要途径通过研究树脂基体的改性、玻璃纤维增强材料的敷设方式,以及依靠制作工艺的改进来提高热固性复合材料的性能,使其性能和造价均能满足地铁工程的要求。

(1)通过调整树脂的分子结构及材料组成获得具有较好防火性能及耐热性能的复合材料。

(2)合理设计增强纤维的用量及铺设形式,获得理想的力学性能并降低生产成本。

(3)改善成型工艺,获得理想的制品并提高生产效率。

提高热固性复合材料性能的主要成果经多次试验与配制,课题组所研制的热固性复合材料具有良好的防火性能、机械性能及耐高温等性能可称为高性能的热固性复合材料。所研制的材料构件不仅具有轻质高强的特点,并且是优良的电气绝缘材料,尤其在湿态环境下仍保留较高的绝缘强度,因此具有很强的抗电化腐蚀的性能,完全能够满足地铁的工作环境要求。

高温下的力学性能的各类检测表明:所研制的材料与构件仍保持有良好的力学性能2。

高性能复合材料在地铁工程中的应用从地铁工程需要出发,采用所研发的高性能热固性复合材料分别制造了各类电缆支架、疏散平台、DC1500V供电轨支座及防护装置等构件。特别是电缆支架与疏散平台一体化构件,有利于减少隧道的作业工序、减少各类支架平台安装对隧道结构的损伤,也有利于今后运营对电缆的维护与检修。

各类形式的电缆支架由于热固性复合材料的结构形状可设计性强,可按各类工法施工所构筑的隧道形态制造各种类型的电缆支架。例如,适用于明挖区间隧道直形墙体的支架、圆型及马蹄形隧道墙体安装的弧形支架,适用于电缆数量有一定变化的区段安装的多层支架等。

DC1500V供电轨的支座及防护构件供电轨的支座与防护装置需在高电压条件下工作,材料的绝缘强度是必须保证的指标,供电方式尚需延伸到地下线路,因此其防火性能也类同于电缆支架。此外,为保证列车的受电靴与供电轨之间具有良好的动态接触关系, 还需具备机械强度和抗冲击能力。

总结高分子复合材料在地铁工程中的应用,不仅能够填补国内材料应用领域的空白,而且还能有效地解决长期困扰地铁界的一些技术难题、降低地铁工程的全寿命周期成本,同时为地铁领域的技术进步提供了必备的条件。面对我国地铁工业发展的良好势头,以及复合材料在地铁上应用不断增加的良好契机,复合材料企业应抓住机遇,迎接挑战,依靠在复合材料产品、技术、工艺和应用上的不断创新,加强与各相关科研、设计单位(部门)等的多方合作,来提升企业的核心竞争力,争取更多的复合材料产品在地铁上得到使用。我们相信,随着材料科学的进一步发展和应用空间的拓展,地铁工程材料应用技术将面临一场革命性的进步3。

本词条内容贡献者为:

石季英 - 副教授 - 天津大学