玻璃鋼誕生于本世紀(jì)40年代。那時,正值第二次世界大戰(zhàn)。戰(zhàn)爭需要大量的武器裝備,迅速發(fā)展的軍事工業(yè)對材料提出了越來越高的要求。例如,制造飛機(jī)的材料要求密度小而強(qiáng)度高;制造潛艇的材料,既要耐海水腐蝕,又要能防磁,以避開魚雷的襲擊。同一種零件要求同時具有好幾種優(yōu)異的性能,有時這些性能看起來是相互矛盾而不能兼有的。顯然,這樣的要求是任何一種單一材料所無法滿足的。于是,人們設(shè)法把兩種或兩種以上的材料結(jié)合起來,讓它們?nèi)¢L補(bǔ)短,相得益彰,制成兼有幾種優(yōu)良性能的新材料,這就是復(fù)合材料。
雖然“復(fù)合”的思想可以追溯到久遠(yuǎn)的古代,但用到人工材料的復(fù)合材料則直到本世紀(jì)上半葉才出現(xiàn)。先是1907年世界上第一家人工合成酚醛樹脂廠建立,接著一大批人工合成樹脂,如脲醛樹脂、環(huán)氧樹脂、不飽和聚酯樹脂等熱固性樹脂相繼出現(xiàn)。樹脂材料容易成形,比重小,耐磨,耐腐蝕,但它們脆性較大。于是人們用天然纖維與之復(fù)合,產(chǎn)生了最初的含有人工材料的復(fù)合材料。其中天然纖維稱為增強(qiáng)材料,人工合成樹脂稱為基體材料。如在無線電通信設(shè)備和軍事器械中常用的“電木”,就是用木粉、布、紙或其他纖維作為增強(qiáng)材料,經(jīng)浸漬酚醛樹脂層壓而成的復(fù)合材料。玻璃鋼中沒有金屬元素,更不是鐵碳合金,它是一種復(fù)合材料。之所以稱它為“玻璃鋼”,是因為它具有鋼一般的剛強(qiáng)性格,真可謂“不是鋼,勝似鋼”。玻璃鋼同一切復(fù)合材料一樣,由兩部分材料組成。一部分稱為增強(qiáng)材料,在復(fù)合材料中起骨架作用;另一部分稱為基體材料,在復(fù)合材料中起粘結(jié)作用。玻璃鋼中的增強(qiáng)材料就是玻璃纖維。玻璃纖維是由熔融的玻璃拉成或吹成的無機(jī)纖維材料,其主要化學(xué)成分為二氧化硅、氧化鋁、氧化硼、氧化鎂、氧化鈉等。制成的纖維有長絲、短絲及絮狀物,直徑一般為3~80微米,最粗也只有頭發(fā)絲那樣粗細(xì)。直徑為10微米的玻璃纖維,抗拉強(qiáng)度為3600兆帕,相當(dāng)于在每平方毫米的截面積上能承受360千克的拉力而不斷。這種強(qiáng)度比高強(qiáng)度鋼還高出2倍。
為什么拉成玻璃纖維后會有如此高的強(qiáng)度呢?大塊玻璃強(qiáng)度不高,是因為其內(nèi)部存在許多微裂縫、氣孔和夾雜物等。如果把大塊玻璃比作一塊布滿小洞的破布,把玻璃制成玻璃纖維就相當(dāng)于把這塊破布撕成許多細(xì)小的布條。我們知道,把破布隨意撕成布條時總是在有洞的地方撕開,這樣,撕下來的布條上小洞就減少了,就變得比破布還結(jié)實。玻璃纖維比一般玻璃強(qiáng)度高,甚至比鋼還高,道理就在于此。
玻璃鋼的力學(xué)性能可在很大范圍內(nèi)進(jìn)行設(shè)計,由于選用的材料不同,增強(qiáng)材料的鋪設(shè)方向和方向差異,可以獲得性能判別很大的復(fù)合材料,如單向玻纖增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度可達(dá)1000MPa以上,比鋼(建筑鋼)的拉伸強(qiáng)度還高,選用碳纖維作增強(qiáng)材料,制得的玻璃鋼彈性模量可以達(dá)到建筑鋼材水平,而其密度卻比鋼材小4~5倍。更為突出的是玻璃鋼在制造過程中,可以根據(jù)構(gòu)件受力狀況局部加強(qiáng),這樣既可提高結(jié)構(gòu)的承載能力,又能節(jié)約材料的減輕自重。玻璃鋼的表面光潔,可以配制成各種鮮艷的色彩,也可以制造出不同的花紋和圖案,適宜制造各種裝飾板、大型浮雕及工藝美術(shù)雕塑等。透明玻璃鋼的透光率達(dá)85%以上(與玻璃相似),其最大特點是不易破碎,能承受荷載。用于建筑工程時可以將結(jié)構(gòu)、圍護(hù)及采光三者綜合設(shè)計,能夠達(dá)到簡化采光設(shè)計,降低工程造價之目的。
建筑工業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)中占有很重要的地位,不論是哪一個國家,建筑工業(yè)望遠(yuǎn)是國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)之一。隨著社會的進(jìn)步,人們對居住面積、房屋質(zhì)量和娛樂設(shè)施等提出越來越高的要求,這就是推動建筑工業(yè)改革發(fā)展的動力。 建筑工業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展方向是:改善施工條件,加快建設(shè)進(jìn)度,降低成本,提高質(zhì)量,節(jié)約能源,減少運輸,保護(hù)耕地,保護(hù)環(huán)境和提高技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益等。為了達(dá)到此目的,必須從改善現(xiàn)有的建筑材料和發(fā)展新型建筑材料方向著手。
在建筑工業(yè)中發(fā)展和使用玻璃鋼對減輕建筑物自重,提高建筑物的使用功能,改革建筑設(shè)計,加速施工進(jìn)度,降低工程造價,提高經(jīng)濟(jì)效益等都十分有利,是實現(xiàn)建筑工業(yè)現(xiàn)代化的必要條件。
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