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强度性质“1+1大于2”的复合 精选

已有 2391 次阅读 2019-11-9 08:07 |个人分类:科教与社会|系统分类:科普集锦| 复合材料, 钢筋混凝土, 打墙, 碳纤维, 陶瓷材料

强度性质“1+1大于2”的复合

宿舍正在安装楼外电梯,前几天从窗户向下看去,工人们正准备浇注混凝土的地井。先用钢筋扎好地基和墙体,然后用金属模板围在墙的两边。下图中,这位工人正在把模板拼装起来。然后才可以往墙体之间浇注混凝土。

看到这种浇注混凝土墙体的过程,就想起来近半个世纪前在农村盖房子的情况。东北农村盖房子打墙的过程,从原理上来说,与上面所说的浇铸混凝土墙体是基本上一样的,相差的仅仅是材料的不同。

这里所说的打墙就是筑墙,可不是现在城市里房子装修把间壁墙打掉。过去盖房子总要先打墙,《红楼梦》里凤姐说:打墙也是动土已经惊动了人,今日乐得还去逛逛。 俗话“鬼打墙”也是说“鬼”在人前“筑墙”。

这种打墙的原理,其实至少在两千多年前就已经被人们运用了。过去这种筑墙方式称为版筑。版筑先得有版,即八尺或一丈长、二尺来宽的木板。在需要筑墙处的两边分别立下木桩,称为“榦(干的繁体字,音gan4,去声”,把两块版分别靠着两边的“榦”放好,然后往两块版中间夯土。但是,上面已经说了,每一块版有八尺或一丈长,那么在版的两端也需要立上木头,不然墙打高时土就要从两端塌下。这立在两端之木就称为“桢”。”字的原意是硬木,筑墙时立在两端。如果没有桢和榦,就无法放版,也就无法筑墙。《尚书·费誓》:“峙乃”。·孔颖达疏:“桢当墙兩端者也,榦在墙两边者也这种打墙的方法,一直沿用到现代,我在农村盖房子或者筑围墙时还是那样做的。

现在建电梯地井的模板是金属板,农村打墙用的是木板。这里浇注的是混凝土,里面放着钢筋。农村打墙用的是泥土,里面的“筋骨”是麦秸。

虽然打墙所用的材料不同,可是在材料的分类中,二者都属于复合材料。所谓复合材料是指将不同性质的材料组分优化组合而成的新材料

把水泥、沙子和砾石组成了混凝土本身就是一种复合材料。它的强度比单纯的水泥块高,价格却低得多。混凝土的抗压性能很好,却不抗拉伸。钢筋的抗拉伸性能却很好。把两者符合在一起,成为钢筋混凝土,就既抗压又抗拉,强度大大提高,其成本却比钢铸件低了很多。所以,钢筋混凝土就是一种传统的优秀典型复合材料。

北方农村的土墙也因为里面放置了麦秸而强度提高了不少。当然,南方用土墙较少,原因是多雨,虽然加上了“草筋骨”,土墙还是容易被水淋坏,这是材料本身的问题,掺上石灰就好一些。过去在砖墙外抹上墙皮,要用石灰、纸筋或麻刀(碎麻丝)组成的纸筋灰、麻刀灰等,使得墙皮牢固、不容易开裂。等到时间长了,石灰在空气中形成碳酸钙就比较不怕雨淋了。这种放了麦秸的土,放了纸筋、麻刀的纸筋灰、麻刀灰等都可以算是复合材料的滥觞。

复合材料是两种或多种组分按一定方式复合而成的。所谓复合,是宏观上可以看得见的,最多用放大镜或者一般的显微镜能够看得到的一种“放在一起”,而不是发生了化学反应,进行了微观上结合。这种方法是发挥每一种组分材料的优势而避免单一材料的缺陷

虽然现在我们有很多现代化的复合材料,但是,从这些复合的形态来说,都有很古老的起源。

例如,民间盖房子脱坯(打土坯),如果用的土过于细(黏土),往往太阳一晒就开裂了,这就需要往黏土里面掺沙子。这就是现今所谓颗粒增强复合材料”的原理。混凝土也是颗粒增强复合材料。

传统的三合板,利用木材在两个方向上强度的差别,重新组合,就比相同厚度的木板强度许多倍。这是夹层增强复合材料”最原始的应用。

上面已经所说的纸筋灰、麻刀灰那就是纤维增强复合材料”的古典范例了。

当然,虽然现在流行的这三种增强复合的方式都有很古老的传统,但是,毕竟现在的材料比过去先进得多。

现在我们所使用的材料大致分为:金属材料、无机非金属材料以及有机高分子材料。这些材料各有它们的优缺点。

众所周知,金属材料有度好、硬度大的优点,但是普通的金属材料如钢铁等有比、易腐蚀等缺陷。而无机非金属材料即各种氧化物、氮化物、碳化物、硅化物、磞化物等有特别硬、特别高温的优点,但是往往比较脆。合成高分子材料则都很轻、比较、抗酸碱腐蚀而不耐高温

而现代复合材料则要想办法发挥上面这些材料的长处而克服其缺陷。

例如,我们常用的普通塑料(树脂)制品,强度往往是很低的,但是人们把玻璃纤维掺入聚酯类树脂之中,其强度就大大提高了,而且可以和塑料一样注塑成型。这就是玻璃钢。过去,我们去公园游玩,公园湖泊里的游船都是木头的,强度低而且容易腐烂。现在都是玻璃钢的,又不怕腐烂,又不怕碰撞(游人划船,船间碰撞,船与湖岸石条碰撞是常事)。

玻璃钢现在已经被广泛应用与航空、汽车、船舶、建筑和家具行业。

又如,撑杆跳高运动所用的撑杆,最早欧洲人用木杆,笨重而强度低,后来日本人用竹竿,就好得多。金属杆强度也更大,但是过于刚硬。到了使用玻璃纤维树脂,就有了质的飞跃,当然,如今用碳纤维复合树脂的,那就更好了。

碳纤维强度大,又比较耐高温。在环氧树脂、聚酰亚胺树脂等热固性树脂中加入碳纤维成为增强复合材料,是用于航天器材如某些航天器外壳的好材料。它也大量被用于体育运动器材,例如自行车、球拍、球杆、弓箭、滑雪板等等。这些材料都很轻,却有非常高的强度。

玻璃钢、碳纤维增强树脂的基体都是树脂,它们耐高温的性能毕竟较差。金属也可以做增强复合材料的基体,与树脂基体相比较,金属材料基体更耐高温、导电、导热的性能也好,有更好的韧性、更能够抗疲劳。用于做纤维增强复合材料基体的金属有铝、镁、钛和它们的合金,纤维有碳纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维等。这些增强金属复合材料主要用在航空、航天器材、汽车中做结构材料。

如果要求材料能够耐极高的温度,那就需要用无机非金属材料即所谓陶瓷材料做复合材料的基体了。例如,在氧化铝、二氧化硅、氧化锆、氮化硅等陶瓷材料中加入碳纤维、碳化硅晶须等可增加陶瓷的韧性。像航天器进入大气层时将遭遇极高的温度,这时候能够抵抗这种高温的就需要这些增强的陶瓷材料了。

现在,复合材料正越来越多地进入人们的日常生活中,像汽车、火车等交通设备中的各种器材、手机、电脑等日用电器等。很多已经不算什么高科技的东西了,像汽车中的用滑石粉增强聚丙烯(这是一个颗粒增强复合材料的例子)的零件如仪表盘、控制杆等就到处可见。

 

 




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