CFRP板材的拉挤制备工艺及其耐湿热性能研究.pdf

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1、哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - I - 摘 要 碳纤维增强高聚物（CFRP）复合材料作为一种新型土木工程结构材料，具 有优异的力学性能和耐腐蚀性能，近年来已广泛应用于土木工程结构的加固升 级，增强混凝土桥面、高等级公路等基础设施。本文利用拉挤工艺，制备了结 构加固用高性能环氧树脂基 CFRP 板材，运用 Taguchi 方法，研究了拉挤工艺 参数对 CFRP 板材力学性能的影响，获得了最优化的拉挤工艺参数；在此基础 上，进一步研究了 CFRP 板材在水和强碱环境下长期性能演化规律与机理。 利用 Taguchi 方法，分析了多个拉挤工艺参数对 CFRP 板材力学性能的定 量影响。结果表明，环

2、氧树脂种类、纤维含量对 CFRP 板材力学性能的影响 最大， 特别是其对 CFRP 板材拉伸强度影响的贡献率分别可达到 36.7%、 40.5%， 其次是牵引速率、模具温度、后固化温度和纤维张力，胶槽温度的影响可忽 略不计。利用最优化的拉挤工艺参数，制备了拉伸强度达到 2.5GPa，拉伸模 量达到 172.8GPa 的 CFRP 板材，性能指标超过国外同类产品。 测试了 CFRP 拉挤板材在水及强碱环境下的水吸收、抗弯及拉伸性能的 长期演化规律。结果表明，CFRP 板材在较低温度（如室温至 40）下，树 脂基体未明显降解，水吸收与扩散性能符合经典 Fick 定律，力学性能下降幅 度小；而在较高

3、温度（如 60与 80）下，树脂基体水解明显，表面碳纤维 暴露，水吸收与扩散性能偏离经典 Fick 定律，力学性能显著退化。同水浸泡 相比，CFRP 板材在强碱环境下的降解更为明显。在较高温度下（特别是高温 强碱环境下）的树脂基体水解是引起 CFRP 拉挤板材耐久性能下降的主要原 因。 根据 Arrhenius 模型，预测了 CFRP 拉挤板材在常温水及强碱环境下的力 学性能退化规律，结果表明，本文制备的 CFRP 板材在常温水或强碱中浸泡 200 年后的拉伸强度剩余强度分别为 83.3%和 79.8%。 关键词：关键词：CFRP 拉挤板材；Taguchi 方法；结构加固；工艺参数；湿热耐久性

4、 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - II - Abstract Carbon fiber reinforced polymer (CFRP) composites, as a new structural material, possess excellent mechanical properties and corrosion resistance. In recent years, FRPs have been widely used in reinforcing and upgrading of infrastructures, such as civil engineering s

5、tructures, reinforced concrete bridge decks, highway, etc. This paper studied the effects of pultrusion processing parameters on the mechanical properties of CFRP plates. Taguchi method was used to optimize those pultrusion parameters. In the following, the long term durability of CFRP plates immers

6、ed in distilled water and strong alkaline solution were investigated. According to Taguchi method, the effects of pultrusion parameters were estimated quantitively on the mechanical properties of CFRP plates. The results indicate that the epoxy type and fiber content exhibits the maximum effects on

7、the mechanical properties of the CFRP plates, which give the contribution of variation about 36.7% and 40.5%, respectively. Pultrusion speed, mold temperature, post-curing temperature and the pretension force also exhibit significant effects on the mechanical property of CFRP plates, but to a much r

8、educed degree, and the effects of the temperature of resin bath is ignored. The CFRP plates produced with the optimized pultrusion parameters have the tensile strength and modulus about 2.5 GPa and 172.8GPa. Water uptake, bending and tension properties of CFRP plates exposed to water and alkaline so

9、lution were investigated. As found, exposed to lower temperature media, water uptake curves of CFRP plates follows the classic Ficks law, and the mechanical properties are less affected exposed to low temperature media (i.e. less 40). At higher temperature (60 and 80), the water uptake curves deflec

10、ts from the classic Ficks law, and the mechanical properties were reduced significantly. Compared to distilled water, the alkaline solution shows more adverse effects on the degradation of the CFRP plates. Hydrolysis of the resin matrix is attributed to the deteriorated durability of CFRP plates. Ac

11、cording to Arrhenius model, the deterioration of mechanical properties of CFRP plates exposed to water and alkaline solution at room temperature is predicted. The results show that retention tensile strength of CFRP plate exposed to water and alkaline solution at room temperature are predicted to be

12、 83.3% and 79.8% after 200 years service, respectively. Keywords: CFRP pultruded plates, Taguchi method, Structural reinforcement, Progress parameters, Durability 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - III - 目 录 摘 要 . I ABSTRACT . II 第 1 章 绪 论 . 1 1.1 课题背景及研究目的和意义 1 1.2 国内外研究现状 . 3 1.2.1 FRP 拉挤成型工艺 . 4 1.2.2 FRP 复合材料的耐久

13、性性能研究 . 5 1.3 本文的主要研究内容 . 7 第 2 章 CFRP 板材的拉挤工艺研究 . 8 2.1 引言 . 8 2.1.1 试验方法 8 2.1.2 Taguchi 方法介绍 . 9 2.2 实验部分 11 2.2.1 原材料 11 2.2.2 实验设备 12 2.2.3 试样制备 13 2.2.4 性能测试 14 2.3 结果与讨论 15 2.3.1 拉挤工艺参数对 CFRP 拉挤板材拉伸性能的影响规律 15 2.3.2 拉挤工艺参数对 CFRP 拉挤板材抗弯性能的影响规律 20 2.3.3 验证性分析 27 2.3.4 拉挤工艺参数对 CFRP 拉挤板材力学性能影响的机理

14、29 2.4 本章小结 31 第 3 章 CFRP 拉挤板材在水环境下的耐久性能 32 3.1 引言 . 32 3.1.1 FRP 在湿热环境中的水吸收理论 . 32 3.1.2 FRP 的服役寿命预测理论 . 36 3.2 实验部分 37 3.2.1 原材料 37 3.2.3 实验设备 37 3.2.3 试样制备 37 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - IV - 3.2.4 性能测试 38 3.3 结果与讨论 40 3.3.1 水吸收与扩散性能 40 3.3.2 抗弯性能 47 3.3.4 拉伸性能 50 3.4 本章小结 57 第 4 章 CFRP 拉挤板材在强碱环境下的耐久性能 58

15、4.1 引言 . 58 4.2 实验部分 58 4.2.1 原材料 58 4.2.1 实验设备 58 4.2.3 试样制备 58 4.2.4 性能测试 59 4.3 结果与讨论 59 4.3.1 水吸收与扩散性能 59 4.3.2 抗弯性能 64 4.3.3 拉伸性能 67 4.4 本章小结 70 结 论 . 71 参考文献 . 72 哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明 . 76 致谢 . 77 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 1 - 第 1 章 绪 论 1.1 课题背景及研究目的和意义 目前， 世界上的建筑物及其基础设施仍以钢筋混凝土结构和钢结构为主体。 混凝土结构主要由水、

16、砂子、水泥及石子组成，其耐久性能已经得到一百多年 的实际工程的验证。混凝土结构中的钢筋易受到周围环境的腐蚀，特别是来自 海边和我国北方地区的混凝土结构受氯离子侵蚀的影响颇为严重，降低了混凝 土结构的服役寿命。例如，宁波北伦港码头始建于 20 世纪 70 年代末，在 90 年 代初便开始出现了混凝土钢筋保护层大量剥落的现象， 后来经过全面的修复， 4 至 5 年后却又大量被损坏，只使用了 17 年！著名学者 P.I.Mehta 教授1曾指出 影响混凝土结构耐久性的因素主要分为三大类，即钢筋锈蚀、冻融循环破坏及 环境的物理化学作用。其中，钢筋锈蚀问题是其首要影响因素。 那么，如何解决钢筋锈蚀这一问

17、题就成了当今社会的难点和热点。对于这 一类问题，可从两个方面入手，一是如何预防，二是如何加固维护。研究表明， 降低收缩开裂现象，提高混凝土结构的抗渗透性，减少混凝土结构内部液相中 的有害离子成分，阻止氯离子在混凝土孔相中的迁移，是改善海边钢筋混凝土 结构抗海水和其它有害介质的侵蚀，大幅度延长海边混凝土结构使用寿命的技 术关键。目前纤维增强聚合物（Fiber Reinforced Polymer，简称 FRP）作为一种 新型材料而广泛应用于替代钢筋和钢板在土木工程领域中的使用，也可应用于 土木工程结构的加固。 FRP 的应用已经成为解决钢筋锈蚀问题的有效方法之一。 实际工程应用表明，FRP 能应

18、用于大跨、重载、高耸、高强和轻质等现代 工程结构并能承受一些比较恶劣的环境，符合现代化施工技术的工业化要求， 因此正被广泛应用于桥梁、 民用建筑、 地下工程、 近海和海洋等结构中2-5。 FRP 应用在土木工程上的应用方式有两种，即应用在新建结构和旧有结构的维修加 固中。 FRP 之所以能应用于土木工程领域中，自然有它独特的性能。FRP 是由各 种连续纤维和树脂基体进行胶合，并由特制的模具经挤压、拉拔成型的。目前 土木工程领域中应用较多的 FRP 有玻璃纤维增强聚合物（GFRP） 、碳纤维增强 聚合物（CFRP） 、芳纶纤维增强聚合物（AFRP） 。常用的几种纤维的力学性能 见表 1-12，相

19、对应的 FRP 的力学性能见表 1-22。 应用于土木工程领域的 FRP 主要有以下几点优势： （1）轻质高强。从表 1-1 及表 1-2 中可明显看出，FRP 复合材料具有 4 倍 于钢筋的抗拉强度，且其密度仅为钢筋的 1/4 左右。可见，与钢筋相比，FRP 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 2 - 复合材料具有更优异的性能，在多种场合下可部分或完全代替钢筋，如用 FRP 筋代替混凝土中的钢筋和斜拉索桥的斜拉索等。 （2）耐腐蚀性强且耐久性较好。众所周知，钢材容易锈蚀，而且钢筋锈蚀 问题已经成了影响混凝土结构耐久性的首要因素。然而，FRP 复合材料却能具 有较好的耐腐蚀性，如在水、碱溶液、

20、盐溶液环境中均具有较好的耐久性。值 得注意的是，并非每种 FRP 复合材料在所有的环境中均具有较好的耐久性，鉴 于此，可根据不同的应用环境选择不同的 FRP 基底材料，使得该 FRP 能在不同 应用环境中表现出较好的耐久性。 （3）施工方便，可操作性强。FRP 质轻，便于施工，降低了劳动力。当 FRP 用于旧有结构加固时，只需将特制尺寸的 FRP 用特定的胶粘剂粘上即可。 （4）热膨胀系数与混凝土相近。FRP 与混凝土之间的温度应力较小。 （5）较好的减震性能。FRP 复合材料的基底材料是粘弹性材料，阻尼性能 较好，能有效促进结构的振动衰减6。 如上所叙，FRP 复合材料具有多方面的优势，然而

21、它也有自己的缺点，如 弹性模量较小，抗剪强度较低，价格较贵，但与钢筋相比其比强度价格反而较 低。FRP 在我国土木工程领域中的应用仅有近三十年的发展历史，且关于 FRP 复合材料使用的基础性研究数据尚有欠缺，这在一定程度上影响了 FRP 复合材 料在土木工程领域中的应用与推广。 表 1-1 纤维的力学性能 纤维类别 密度 Kg/cm3 弹性模量 MPa 抗拉强度 MPa 极限应变 % 普通钢丝 7850 2.1105 400 10.0 高强钢丝 7850 2.0105 1800 4.0 玻璃纤维(Glass fiber) 2580 6.6104 2890 2.4 碳纤维(Carbon fibe

22、r) 1800 2.0105 3600 1.6 芳纶纤维(Aramid fiber) 1440 1.2105 3500 2.8 表 1-2 FRP 的力学性能 FRP 类型 密度 Kg/cm3 弹性模量 MPa 抗拉强度 MPa 极限应变 % 普通钢筋 7850 2.1105 400 10.0 高强钢丝 7850 2.0105 1800 4.0 玻璃纤维(GFRP) 2000 5.1104 1670 3.3 碳纤维(CFRP) 1500 1.5105 1700 1.1 芳纶纤维(AFRP) 1300 6.4104 1610 2.5 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 3 - 本文所研究的 CF

23、RP 拉挤板材主要用于土木工程结构的加固。鉴于以上考 虑，本课题主要研究高力学性能的 CFRP 拉挤板材的制备工艺、拉挤工艺参数 对 CFRP 板材性能的影响以及升温加速老化条件下 CFRP 拉挤板材在水和强碱 环境中的耐久性性能，为其在实际工程中的应用提供理论依据和相关建议。 1.2 国内外研究现状 拉挤成型是 FRP 复合材料常用的几种成型方法之一，它用于连续生产截面 形状不变，长度不受限制的 FRP 拉挤型材或其他材料制品。它是将各种连续纤 维用树脂进行浸渍，然后在牵引装置作用下通过特制的固定截面形状的成型模 具，使其在模具内固化成型，最后脱模并根据实际产品需要进行后固化而生产 出最终制

24、品的一种加工方法。 FRP 拉挤成型技术是制备高性能、高纤维体积含量、高纤维质量含量以及 低成本的复合材料的一种重要成型方法，其生产效率高，成本较低，制品性能 比较稳定。 根据模具的不同， 可生产不同截面尺寸板材 （如 CFRP 拉挤板材等） ， 工字型、槽型、角型、异型截面等管材，实芯棒（如 FRP 筯、电缆芯等）以及 上述各断面所构成的组合截面型材。 影响 FRP 拉挤成型工艺的因素有诸多方面，如树脂种类、纤维种类、纤维 含量、纤维质量（如纤维起毛率等） 、模具质量及模具温度、胶槽温度、纤维张 力、后固化温度、牵引力、牵引速率、室温及湿度等。本课题在选定的台丽 12K 碳纤维及特制模具的前

25、提下，考虑环氧树脂种类、纤维含量、模具温度、牵引 速率、胶槽温度、纤维张力、后固化温度共 7 个因素，其拉挤成型工艺流程见 图 1-1。该拉挤成型工艺中，纤维分发架与纱架为一体结构，预成型模具与热模 具亦为一体结构，碳纤维通过胶槽两端的沟槽架来均匀分布，以使制品中碳纤 维分布均匀，保证其性能及表观。 图 1-1 拉挤成型工艺示意图 1-纤维，2-纤维分发架，3-胶槽，4-模具，5-后固化加热箱，6-牵引机，7-切割 拉挤成型工艺是通过热模具来实现树脂的固化，该模具一般分为预热区、 凝胶区、固化区三个区域，见图 1-2。预热区主要是为了加热树脂基体，随着温 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 4

26、 - 度的逐渐升高，树脂黏度不断下降，便于纤维的浸润；凝胶区是指达到一定温 度后，树脂发生聚合反应，其黏度由于聚合反应致高分子链增长而逐渐升高； 固化区中树脂吸热和放热的共同作用，促进树脂进一步的固化，制品在固化区 内达到一定的固化度，使得制品具有足够的力学强度，避免在牵引的过程中造 成制品的变形。为了进一步提高制品的性能，尤其是力学性能，需对制品进行 后固化处理。 图 1-2 拉挤模具分区示意图 1.2.1 FRP 拉挤成型工艺 20 世纪 50 年代初，国外开始对拉挤成型工艺进行了相关研究工作。美国 首先用该工艺生产了钓鱼杆和绝缘棒等形状较为简单的拉挤产品，形成了拉挤 成型工艺的发源地。但

27、在最初的几年内，拉挤工艺发展得并不快，其原因是这 种成型方法开始时只能生产截面形状较为简单的棒材，而且其加工成本比金属 和木材的要高，故没有迅速得到广泛应用。随着科学技术的日益发展，近几十 年内，拉挤成型工艺发展非常迅速，已由原来形状较为简单的小型产品，发展 到能生产形状复杂、规格较多的产品，如工字梁、槽钢、桥面板等7-9。如今拉 挤产品已可取代金属等材料，并在航天、建筑、桥梁、石化、体育用品等方面 得到了广泛应用10-11。 拉挤工艺的快速成长，已然成为目前研究热点之一。Sumerak 和 Gibson 等 12-13根据拉挤工艺操作经验，研究了拉挤工艺参数的控制问题，方便了拉挤工 艺的进一

28、步研究。Prices 建立了一个较为简单的一维热传递和固化反应动力数 学模型，是第一批对拉挤工艺进行基础性研究的人。Han 等14根据固化反应动 力学知识利用有限差分法模拟了圆柱状模具的拉挤工艺。Astrom 等15-17对一种 热塑性拉挤工艺进行建模，得出了模具中温度及压力的分布，并通过试验进行 了验证性分析，模拟与试验结果吻合较好。Hackett 等18采用有限元法对拉挤工 艺中温度和固化度进行了模拟，并通过试验验证了模型的预测与试验结果吻合 较好。Batch 等19对圆形截面模具利用有限元模型建立了一个二维稳态热传递 模型，该模型忽略了牵引方向上的热传导。Viola 等20对聚异氰酸酯树

29、脂进行了 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 5 - 反应动力学数值模拟，该制品是通过树脂注射成型的，得出了注射成型工艺的 相关影响因素的关系，并提出了一些指导性建议。Chen 等21-22利用一个数学模 型对聚亚胺酯基 GFRP 的拉挤过程中固化反应动力进行了研究，该模具截面是 矩形的。Coelho 等23认为拉挤过程中树脂浸渍纤维的牵引速率和模具的温度分 布是最重要的两个变量，基于有限元法对拉挤工艺进行了优化分析。Ghnatios 等24研究了拉挤过程中模具的高效建模和优化的方法，该方法描述了建模及优 化分析生产工艺参数的过程。另外还有 Bechtold25，Jeswani26-27，Ha

30、tano28 等人在拉挤工艺方面做了大量的工作。 从 20 世纪 80 年代中期从国外引进了拉挤成型设备和技术，我国拉挤成型 工艺已有近三十年的发展历史。拉挤工艺在我国虽然发展的比较晚，但发展速 度不可轻视。初期我国的拉挤制品主要应用于民用领域，如建筑材料等；随着 科学技术的蓬勃发展以及新型材料的出现，目前，拉挤制品已能应用于航空、 交通、体育用品和医疗设施等多个领域。但是我国拉挤工艺的生产水平相对比 较落后，生产效率较低，产品质量档次不高且不稳定，技术含量不足。 我国拉挤生产厂家多数都是盲目生产， 对该工艺研究甚少， 只是照搬照抄。 对于拉挤工艺的研究，主要集中于部分高等院校和相关研究所，起

31、步较晚。哈 尔滨工业大学材料科学与工程学院谢怀勤教授29-33对拉挤工艺研究得比较深入， 他主要在有限元数值模拟和传热学及化学反应动力学的基础上，运用 BP 神经 网络并结合遗传算法对拉挤工艺进行了优化。当然国内也有其他学者在拉挤工 艺上做了些研究，但多数是些基础性的研究，研究不太深入。 1.2.2 FRP 复合材料的耐久性性能研究 目前，影响 FRP 复合材料在土木工程领域中推广的主要原因是缺乏比较全 面、深入地对 FRP 复合材料性能及其耐久性的基础性研究。对此，国外相关学 者对该问题的研究起步早且研究比较深入。Bahari34详细概括了影响 FRP 耐久 性的各种因素，他指出为了得到具有

32、较好耐久性的 FRP 需弄清楚树脂基体的物 理化学变化机理、纤维与树脂基体界面性能以及纤维的力学强度与模量；环境 对 FRP 耐久性的影响具有重要的作用，如湿度、温度、阳光（尤其是紫外线） 、 臭氧、盐溶液、碱溶液，此外冻融循环作用以及因机械负荷而引起的疲劳和特 定时间特定模式内的蠕变对 FRP 复合材料耐久性的影响也起着重要作用。 Karbhari35研究了湿法成型的 CFRP 在蒸馏水、盐溶液和碱溶液中经升温加速 老化以及冻融循环老化后的水吸收与扩散性能、机械性能以及动态机械热性能 的演化规律与机理。他得出，经过不同条件老化后，CFRP 力学强度（拉伸强 度及抗弯强度）明显降低，其变化趋势

33、与水吸收水平一致，这在玻璃化转变温 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 6 - 度与水吸收性能关系中也得到了证明，为预测 CFRP 在土木工程中的强度服役 寿命提供了依据。Karbhari 同时也为 CFRP 加固室外土木工程结构提出了相关 设计参数和加固的可靠性， 并预测了该 CFRP 的强度服役寿命36。 另外， Karbhari 探索了三种不同温度下拉挤工艺制备的高纤维体积含量的 CFRP 的水吸收与扩 散规律与机理，发现其耐久性高于低纤维体积含量的 CFRP37。Choi 等38对暴 露于各种环境中的碳纤维复合材料加固混凝土梁的耐久性进行了研究，研究表 明，暴露于各种环境中 CFRP

34、加固的混凝土梁的抗弯强度有一定的降低趋势， 但与未经加固的混凝土梁相比具有较强的耐久性。Kim 等39对 GFRP 棒材在各 种环境条件下的短期耐久性进行了研究，目的在于探索在湿环境、氯离子和碱 性环境侵蚀及冻融循环加速老化条件下两种类型的乙烯基 GFRP 棒材拉伸性能 的演化规律与机理，结果表明，因 GFRP 棒材在各环境条件下呈不同程度的降 解，其拉伸性能亦呈现不同程度的下降趋势。虽然国外对 FRP 复合材料耐久性 的研究有了较深入的研究，但也只是对某些 FRP 的研究，主要是因为纤维和树 脂基体以及成型工艺的不同而生产出不同种类和性能的 FRP。同样材料制备出 的 FRP 可能会成型工艺

35、的不同而在实际工程中应用产生不同的效果，表现出不 同程度的耐久性。 我国在 FRP 复合材料耐久性方面也做出了一些基础性研究，但相对国外研 究情况，起步还是较晚，多数研究得不够深入。哈尔滨工业大学土木工程学院 咸贵军教授40在研究冻融循环作用下（-3030）湿法成型单向 FRP 复合 材料（GFRP、CFRP 和 BFRP）的耐久性中表明，冻融循环过程中 CFRP 的热 膨胀系数（The coefficient of thermal expansion，简称 CET）要略高于 GFRP 和 BFRP 的 CET；在经历 90 个冻融循环周期后，CFRP 的拉伸强度和拉伸模量分 别降低了 16%

36、、18%，而 GFRP 和 BFRP 降低较小，其值微不足道；冻融循环 作用下，CFRP 的纤维与树脂的界面性能恶化得相对较严重。任慧韬等41对湿 热环境条件下 FRP 加固混凝土结构的耐久性进行了研究，结果表明，湿热环境 中 GFRP 的力学性能退化得相对较大，CFRP 的力学性能比较稳定；湿热环境 条件下 FRP 与混凝土的界面粘结性能严重退化，对其耐久性能有较大的影响。 王伟等42研究了在碱溶液环境（PH 为 13）中加速老化条件下 GFRP 筋和碳纤 维绞线 （CFCC） 筋的耐久性能。 结果表明， 浸泡于 60碱溶液中 54 天后， GFRP 筋的拉伸强度降低了 38.6%，拉伸模量

37、降低了 6.6%；CFCC 筋未被腐蚀，其拉 伸模量反而提高了 12.6%；碱溶液环境中 CFCC 筋比 GFRP 筋的耐久性好。国 内学者对于 FRP 耐久性的研究比较基础，绝大多数只是对于规律的认知，其机 理研究甚少，有待于进一步研究。 纵观国内外各学者对 FRP 复合材料耐久性能的研究，对材料本身耐久性的 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 7 - 研究甚少，多数都是与实际工程应用有关的耐久性研究，其中绝大多数都是探 索长期服役在各种环境条件下 FRP 加固土木工程结构的相关性能的演化规律， 少数对其耐久性机理有较深入的研究，多数只是在表面上泛泛而谈。关于 FRP 复合材料及其在实际工程

38、中应用的耐久性研究， 本质上还是对材料本身性能 （包 括纤维、树脂、混凝土等材料的性能）的研究，在此基础上再去研究 FRP 复合 材料在实际工程中应用的机理。然而，几乎所有研究学者要么只懂得 FRP 的实 际工程应用而不懂材料本身性能，要么只懂得材料本身性能而对其在实际工程 上的应用似懂非懂，这样大大阻碍了 FRP 复合材料在实际土木工程中的应用与 推广。可见，这种交叉学科的发展势在必行，也将是未来世界发展的主流学科 类型。 1.3 本文的主要研究内容 鉴于以上课题背景及研究目的，本文从材料本身出发，重点研究拉挤工艺 参数对土木工程用 CFRP 拉挤板材力学性能的影响及加速老化条件下 CFRP

39、 拉 挤板材在水和强碱环境中长期性能的演化规律与机理，具体研究内容如下： 1、以双酚 A 型环氧树脂（E51）/双酚 F 型环氧树脂（YDF-170）为树脂基 体和台丽 12K 规格碳纤维制备 CFRP 拉挤板材。 2、利用 Taguchi 方法43-45研究拉挤成型工艺参数对 CFRP 拉挤板材各力学 性能（拉伸性能和抗弯性能）的影响规律与机理，得出制备 CFRP 板材的最优 拉挤工艺参数。 3、研究长期浸泡于 20、40、60、80四种不同温度水和强碱环境 中 CFRP 拉挤板材的水吸收与扩散性能、拉伸性能和抗弯性能的演化规律与机 理。 4、基于 CFRP 拉挤板材的耐久性研究工作，预测

40、CFRP 板材在常温水和强 碱环境下的拉伸强度服役寿命，为其在实际土木工程结构中的应用提供一些理 论依据并提出相关建议。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 8 - 第 2 章 CFRP 板材的拉挤工艺研究 2.1 引言 本章主要研究多个工艺参数对 CFRP 板材各力学性能的影响规律与机理， 得出制备 CFRP 板材的最优拉挤成型工艺参数， 以制备出高性能 （指力学性能） 的土木工程用 CFRP 拉挤板材。 2.1.1 试验方法 以拉伸性能和抗弯性能为性能指标，利用 Taguchi 方法获得制备高性能 CFRP 拉挤板材的最优拉挤成型工艺参数。 考虑到本研究中 CFRP 拉挤成型工艺 共涉及

41、7 个因素，即 A-环氧树脂种类、B-纤维含量（以纤维辊数表示） 、C-胶 槽温度、D-纤维张力、E-模具温度、F-后固化温度、G-牵引速率，试验采用 L18 （2137）正交表（见表 2-1）制备 18 种不同工艺参数组下的 CFRP 拉挤板材。 测试各工艺参数组下 CFRP 板材的力学性能，利用 Taguchi 方法进行分析。 表 2-1 L18（2137）正交表 试验序 号 A B C D E F G H 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 1 1 2 2 2 2 2 2 3 1 1 3 3 3 3 3 3 4 1 2 1 1 2 2 3 3 5 1 2 2 2 3 3 1 1 6

42、1 2 3 3 1 1 2 2 7 1 3 1 2 1 3 2 3 8 1 3 2 3 2 1 3 1 9 1 3 3 1 3 2 1 2 10 2 1 1 3 3 2 2 1 11 2 1 2 1 1 3 3 2 12 2 1 3 2 2 1 1 3 13 2 2 1 2 3 1 3 2 14 2 2 2 3 1 2 1 3 15 2 2 3 1 2 3 2 1 16 2 3 1 3 2 3 1 2 17 2 3 2 1 3 1 2 3 18 2 3 3 2 1 2 3 1 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 9 - 2.1.2 Taguchi 方法介绍 Taguchi 方法是由日本田口玄一

43、博士（Genechi Taguchi）提出的，它是利用 正交表来挑选实验条件和安排实验的实验方法。该实验设计方法引用了一个其 它学科的物理名词，即信噪比（Signal to Noise Ratio，简称 SNR 或 S/N） ，它是 用来度量性能指标波动的大小，即性能指标的稳定性标准。试验前首先确定影 响试验结果的各因素（如本次 CFRP 板材的拉挤工艺有下列 7 个影响因素：A- 环氧树脂种类、B-纤维含量、C-胶槽温度、D-纤维张力、E-模具温度、F-后固 化温度、G-牵引速率） ，然后根据试验影响因素数目及各因素水平数目选择一个 合适的正交表（本次拉挤工艺研究选择 L18（2137）正交

44、表，见表 2-1） 。列出 各因素水平表（见表 2-2） ，根据该表及所选正交表安排试验，确定每组试验的 试验参数值。最后根据所选正交表及各因素水平值，进行试验（本次 CFRP 板 材的拉挤工艺研究根据 L18（2137）正交表共进行 18 组试验） 。 正交试验结束后，每组试验制备不少于 2 个试样，本次试验每组制备 5 个 试样。接着测试每个试样的性能指标（本次试验为拉伸性能及抗弯性能测试， 测试指标有拉伸强度、拉伸模量、抗弯强度、抗弯模量） ，进而对其测试结果进 行分析。首先对所测试的性能指标进行方差分析，其分析过程与一般统计分析 方法一致，在此并未做出过多叙述。根据该方差分析结果，分析

45、各因素对各性 能指标影响的显著性，并得出达到最佳性能指标的最优因素组。 计算各性能指标的信噪比（S/N） ，然后对其进行方差分析，分析各因素对 各性能指标的信噪比（S/N）影响的显著性，并得出达到最佳性能指标的信噪比 （S/N）的最优因素组。 从性能指标及其信噪比两个角度综合分析所得出的最优因素组，得出最终 的最优因素组，一般来说它们是一致的。若该最优因素组在所做试验组中不存 在，则需对该最优因素组下 CFRP 拉挤板材的性能指标及其信噪比（S/N）进行 预估计 （反之不必） 。 最后， 制备最优因素组下的 CFRP 拉挤板材， 测试其性能， 验证前述 Taguchi 方法的预测值。 信噪比

46、（S/N） 是用来度量性能指标波动的大小， 由于指标的好坏标准不同， Taguchi 方法中常用的信噪比分为三类：望目型、望小型、望大型，分析过程中 信噪比均是越大越好。 a）望目型：性能指标 Y 是连续的非负值，可以取到 0 到之间的任何值。 它的目标值 m 是有限的正数值。Y 越接近 m 越好，这样的性能指标 Y 称为望目 特性。我们能找到一个尺度因子，它能使调节因子的均值移至目标值。这个问 题中，使之最大化的目标函数（即信噪比）是： 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 10 - 2 2 lg10 = N S （2-1） 式中 = = n i i y n 1 1 ，为各性能指标的期望； i

47、 y为各性能指标测试值； n为每组试验的试样次数； () 2 1 2 1 1 = = n i i y n ，为各性能指标的标准差； 信噪比； S信号因子； N噪声因子。 b）望小型：性能指标 Y 是连续的非负值，可取到 0 到的任何值。Y 是越 接近 0 越好，0 是它的理想目标值，这样的性能指标 Y 称为望小特性。Taguchi 方法对于望小特性的信噪比计算如下： = = n i i y nN S 1 2 1 lg （2-2） c）望大型：性能指标 Y 是连续的非负值，而且 Y 它越大越好，这样的性能 指标 Y 称为望大特性。若 Y 为望大特性，Y-1为望小特性。于是可仿照望小特性 信噪比的

48、定义类似给出望大特性信噪比的估计公式： = = n i i ynN S 1 2 11 lg10 （2-3） 本次 CFRP 板材的拉挤工艺研究中各性能指标类型为望大型，故取望大型 信噪比，分析时该信噪比越大越好。 利用 Taguchi 方法所获得的最优因素组，多数不在所做试验组当中，为此 需对该最优因素组下性能指标进行预估计，即求在给出的置信度1下该性能 指标的置信区间，其估计过程如下： 首先，求出最优因素组下该性能指标的平均值，可按下式进行计算： TnXXXXXX nnjjnnjj iAiAiAiAiAiAiAiAiAiA += 332211332211 （2-4） 式中 jji A X最优

49、因素组下第j个因素于所在因素水平的性能指标平均值； j A第j个试验因素，nj, 3 , 2 , 1=，其中n为试验因素数目； j i最优因素组下第j个因素的所在因素水平； T所有性能指标测量值的平均值。 其次，求出最优因素组下该性能指标以1为置信度的置信区间半区间长 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 11 - 度，可按下式进行计算： ()()rnVvFCI effepe /1/1), 1 (+= （2-5） 式中 () e vF, 1 F 分布函数值； e v总的误差自由度； ep V总的误差方差； r测试性能指标的重复取样次数； eff n () itemseff vNn+=1/，为有效重复数； N总试验次数； items v 参与估计因素的自由度总和。 由公式（2-4） 、公式（2-5）可求出最优因素组下