裝配式建筑用的4種纖維復材制備及性能提升研究

中圖分類號： TQ342⁺ .742 文獻標志碼：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建造方式中的大量現場作業工作轉移到工廠進行，在工廠加工制作好建筑用構件和配件（如樓板、墻板、樓梯、陽臺等），運輸到建筑施工現場，通過可靠的連接方式在現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性能，如剪切強度、彎曲性能和沖擊性能等[1-3]，以便可以有效抵御外界暴風雨或者風浪等因素挑戰，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損失。碳纖維金屬層板作為一種新型復合材料，由于具有良好的力學性能和減震效果等[46]，可作為制作裝配式建筑的潛在材料，在實際工業生產中應用。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合有關，界面結合的優劣將在很大程度影響復合材料的力學性能[7-9]。本文探討了在 Ti/CF/PA6 層壓板中單獨加入GB或者nano .cac0₃ ，以及復合加入GB和nano- CaCO₃ 的復合材料的剪切強度、彎曲強度和沖擊性能，并對斷口形貌進行觀察，結果將有助于新型纖維復材層壓板的制備與推廣應用。

1試驗材料與方法

1.1 試驗原料

試驗原料包括寶鈦集團有限公司提供的TA2鈦板（Ti）（密度為 4.54g/cm³ ）江蘇博實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

共設計了4種裝配式建筑用纖維復材，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質量分數為30% 。采用SJSZ65-132型錐形雙螺桿擠出機制備纖維復材層壓板[10]，預先將鈦板表面進行丙酮除油、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 、持續施加壓力12min ，對層壓板進行熱壓成型[12]，空冷至室溫得到4種裝配式建筑用纖維復材層壓板。

1.3 測試方法

在MTS-810型液壓伺服萬能材料試驗機上進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ASTMD7264/D7264M—07《聚合物基復合材料彎曲性能標準試驗方法》標準進行彎曲強度測試[13]，跨距 64mm ，結果取3組試樣平均值;根據ASTMD2344/D2344M—16《聚合物基復合材料及其層壓板短束強度的標準試驗方法》標準進行層間剪切強度測試[14]，跨距 16mm ，結果取3組試樣平均值。沖擊性能測試試樣尺寸如圖1（c），根據ASTMD256—10《測定塑料懸臂梁式擺錘沖擊強度的標準試驗方法》標準，在 CJ8-HIT-2492 沖擊試驗機上進行室溫沖擊性能測試[15]，結果取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（場發射）掃描電鏡上觀察。

2 結果與分析

2.1 陽極氧化處理后鈦板表面形貌

在經過陽極氧化處理后，鈦板表面呈現多孔結構，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象。這些在鈦板表面形成的多孔結構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合力。

2.2 剪切強度

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

2.3 彎曲強度

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

2.4沖擊性能

圖4為裝配式建筑用纖維復材的沖擊強度測試結果。

對于TP材料而言，其沖擊強度為123.97kJ/m² ；當在層壓板中添加玻璃微珠后，TGP復合材料的沖擊強度上升為 142.27kJ/m² ；當加入nano- .cac0₃ 后， Ti/nano-CaCO₃/CF/PA6 復合材料的沖擊強度達到15 0. 08kJ/m² ；當復合加入GB和nano- CaCO₃ 后， Ti/GB/ nano- ?CaCO₃/CF/PA6 復合材料的沖擊強度為 156.42kJ/m² ，相較單獨加入GB或nano ?CaCO₃ 的復合材料的沖擊強度有所增大。由此可見，在Ti/CF/PA6中單獨加入GB或nano-CaCO₃ ，以及復合加入GB和nano ?CaCO₃ 都會提升復合材料的沖擊強度，且復合加入GB和nanoCaCO₃ 后復合材料的沖擊強度最大。這主要是因為GB或者nano ?CaCO₃ 的加入可以與PA6一起進入碳纖維空隙中，有助于增強復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展[18]，相應的獲得更高的沖擊強度；復合加入GB和nanoCaCO₃ 的復合材料抵抗沖擊變形的能量優于單獨加入GB或者nano ?CaCO₃ 的復合材料，這主要是因為二者復合加入可以發揮協同作用[19]

2.5 斷口形貌

未加人GB或者nano .cac0₃ 顆粒的復合材料，斷口中可見階梯狀斷口，呈現脆性斷裂特征；斷口中未見階梯狀形態，GB在斷口中較為分散，局部產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；復合加入GB和 nano-CaCO₃ 的復合材料的斷口中可見微裂紋以及撕裂棱，斷口形貌與單獨加入GB時較為相似，表明這兩種復合材料吸收能量的能量相當，且都小于單獨加入nano- .cac0₃ 的復合材料。

2.6纖維復材在裝配式建筑中的應用

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

對于裝配式建筑用纖維復材而言，纖維復材需要具有足夠的剪切強度、彎曲強度和沖擊強度，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定性、安全性和可靠性。整體而言，在Ti/CF/PA6中單獨加入nano- CaCO₃ 或者復合加人GB和nano .cac0₃ 后復合材料具有良好的力學性能，可以在裝配式建筑結構材料中應用。

3結語

（1）經過陽極氧化處理后，鈦板表面呈現多孔結構，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構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合力；

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

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

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