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KH550和Fe-SMA表面改性下Fe-SMA/CFRP复合材料回复性能研究

申报人:孙佳雨 申报日期:2025-01-07

基本情况

2025年批次
KH550和Fe-SMA表面改性下Fe-SMA/CFRP复合材料回复性能研究 学生申报
创新训练项目
工学
土木类
学生来源于教师科研项目选题
一年期
为了探索更加优越的加固方式以不断适应日益严苛的工程要求,使用SMA/CFRP加固,结合现有研究,发现在复合材料的制备过程中,SMA丝与环氧树脂胶结剂之间的界面强度不足是制约性能提升的关键因素。为了提升纤维与基体之间的粘结性能,本实验结合化学改性(环氧树脂中添加不同浓度KH550)和物理改性(Fe-SM表面不同处理方式)。这些机制协同作用,提升了界面粘结性能。进而研究其改性后的回复性能
参与三次大创项目
国家自然科学基金项目:CFRP/Fe-SMA复合材料自预应力特性及其加固混凝土墩柱的轴压性能提升,编号:52468041。2025年-2029年
广西自然科学基金面上项目:FRP/SMA复合材料主动约束RC墩柱的预应力激活及约束机理,编号:2023GXNSFAA026337。2023年-2026年
给予理论支持,指导试验进行,对一些难题进行解答,提供试验经费与试验材料使得项目进行
国家级

项目成员

序号 学生 所属学院 专业 年级 项目中的分工 成员类型
孙佳雨 土木工程学院 智能建造 2023 试验及理论分析
饶俊宇 土木工程学院 土木工程 2024 理论分析
谭诗清 土木工程学院 土木工程 2024 理论分析
黄韦娇 土木工程学院 工程管理 2022 试验
吴景怡 土木工程学院 土木工程 2024 理论分析

指导教师

序号 教师姓名 所属学院 是否企业导师 教师类型
王强 土木工程学院

立项依据

本课题为了探索更加优越的加固方式以不断适应日益严苛的工程要求,在考虑加固材料匹配性及施工方法的先进性基础上,结合现有研究,发现在复合材料的制备过程中,SMA丝与环氧树脂胶结剂之间的界面强度不足是制约性能提升的关键因素,有必要探索有效的提升界面粘结强度的方法。为了提升纤维与基体之间的粘结性能,研究人员通常采用多种方法对材料进行改性。这些改性方法通常可分为两大类:基体或纤维的化学改性和物理改性。化学改性方法包括使用偶联剂及酸碱腐蚀处理等,而物理改性手段则是对纤维进行热处理。
本文则同时考虑这两种改性方法,使得SMA与CFRP的材料属性充分发挥。通过试验与理论分析等手段,考虑添加硅烷偶联剂KH550浓度、环氧树脂胶粘剂种类、Fe-SMA丝表面处理的不同方式、SMA嵌入长度和预应变水平等参数的影响,进行改性Fe-SMA/CFRP复合材料的基本力学性能研究。再通过考虑改性后胶层厚度和SMA数量的影响,研究Fe-SMA/ CFRP复合材料的回复力性能,进而探索该改性方法对Fe-SMA/CFRP复合材料界基本力学性能及回复性能的影响机理。
在大量国内外文献的基础上,本项目主要开展了以下几方面的研究工作:
(1)CFRP布、Fe-SMA丝单轴拉伸基本力学性能
(2)改性前后后环氧树脂胶粘剂的物理性能
(3)Fe-SMA与环氧树脂胶体单轴拉伸试验
通过Fe-SMA/环氧树脂试样的拉拔试验得出其荷载-位移曲线,分析在不同环氧树脂中添加KH550浓度、Fe-SMA丝埋入深度和Fe-SMA表面不同处理方式对其最大拔出荷载及界面粘结强度的影响。选出一种对KH550改性效果最好的环氧树脂胶粘剂和一种Fe-SMA丝经过最佳的表面处理方法,并在最佳的Fe-SMA丝埋入深度,探究改性后Fe-SMA丝/环氧胶、Fe-SMA丝材与CFRP布界面粘结试验的破坏模式。为Fe-SMA与环氧树脂、Fe-SMA丝材与CFRP布的粘结性能试验提供参考。
(4)改性后Fe-SMA/CFRP复合材料的粘结性能试验
选择对添加KH550改性效果最好的环氧树脂胶粘剂和Fe-SMA丝表面最佳的处理方法,研究完善Fe-SMA/CFRP复合材料的粘结性能。根据Fe-SMA丝材与环氧树脂胶粘剂的粘结性能得出的最佳埋深设置Fe-SMA丝埋入深度,制作Fe-SMA/CFRP复合材料。通过Fe-SMA/CFRP复合材料试样的拉拔试验得出其荷载-位移曲线,分析Fe-SMA丝埋入深度及胶层厚度对其最大拔出荷载及界面粘结强度的影响,探究拔出时的界面应力分布及应力传递机理。
(5)改性后Fe-SMA/CFRP复合材料回复性能
使用对添加KH550改性效果最好的环氧树脂胶粘剂,以及Fe-SMA丝表面最佳的处理方法,研究完善Fe-SMA/CFRP复合材料的回复力性能。研究Fe-SMA数量及预应变水平对Ⅰ型和Ⅱ型Fe-SMA/CFRP复合材料能产生的回复力大小的影响。
Wang等[1-2](2011)则探讨了NiTi-SMA丝与胶结剂之间的粘结长度对界面粘结性能的影响,发现当粘结长度达到某一阈值后,界面脱粘强度趋于稳定或有所下降,进一步增加粘结长度不再提升脱粘强度,表明界面已达到有效粘结长度,单纯增加粘结长度无法提升NiTi-SMA/环氧胶结剂界面的脱粘强度。。这一现象主要归因于环氧树脂的内聚力特性。
Zhao等[3](2014)采用电化学沉积方法对直径为1mm的NiTi-SMA丝表面进行了ZnO纳米结构的界面改性。结果表明,经过电化学处理的样品界面复合强度达到19.84MPa,相较于手工砂磨处理的样品提高了5.49MPa,增幅达到50.40%
Saeedi[4](2017)等对不同预应变水平(0%、2%和4%)下NiTi-SMA丝/环氧树脂界面黏结性能进行试验,以探究SMA丝预应变水平对SMA丝/环氧树脂界面黏结性能的影响。结果表明,常温下为马氏体且直径为0.4mm的NiTi-SMA丝的预应变水平从0%增加至2%和4%时,其界面黏结强度分别提升了9.7%和33%。
Wang等[5](2018)研究了使用硅烷偶联剂KH550和纳米Al2O3颗粒增强SMA丝与聚合物基体的界面粘结性能。考虑了是否添加KH550以及纳米Al2O3颗粒浓度两种因素,结果表明,在用仅使用KH550对SMA丝材表面改性后以及仅使用纳米Al2O3颗粒改性的样品中观察到粘附强度相较对比组仅增加13.81%和40.33%;而同时使用KH550和纳米Al2O3颗粒对表面进行改性,则NiTi-SMA与乙烯基酯树脂基体之间的粘结性能提高最高可达118.78%。这是由于纳米粒子的分散性较差,仅使用纳米粒子改性则会在纤维表面发生团聚,从而引入缺陷;而从表面粗糙度分析可以得出硅烷偶联剂KH550的加入明显改善了纳米颗粒的分散性,从而提高了试样的粘结性能。
Mi[6](2020)等人研究了酸性溶液和纳米二氧化硅涂层对NiTi-SMA丝与环氧胶结剂界面的粘结强度的作用。结果显示,硝酸溶液和纳米二氧化硅涂层能够显著提高NiTi-SMA与环氧界面的抗剪强度,使得经过SMA复合加固的RC梁的破坏模式由界面剪切破坏转变为弯曲破坏.
Yuan等[7-8](2016、2021)、Xue等[9](2015)、Zhang等[10](2020)以及刘燕斐等[49](2019)的研究团队对AM-8927A型环氧树脂、RIPOXY-H6008乙烯基酯树脂、D.ER331双酚A液体环氧树脂、E51环氧树脂、乙烯基411树脂及热固性环氧乙烯基树脂与SMA丝之间的界面粘结性能进行了系统研究。结果表明,在粘结长度为50mm、NiTi-SMA丝直径为0.6mm的条件下,AM-8927A型环氧树脂和RIPOXY-H6008乙烯基酯树脂的界面粘结强度分别为2.69MPa和8.20MPa;在粘结长度为60mm、NiTi-SMA丝直径为1.0mm的条件下,D.ER331双酚A液体环氧树脂与NiTi-SMA丝的平均界面粘结强度为1.49MPa;在粘结长度为20mm、NiTi-SMA丝直径为1.0mm的条件下,E51环氧树脂、乙烯基411树脂及热固性环氧乙烯基树脂的界面粘结强度分别为1.25MPa、2.85MPa和1.85MPa。
卢春玲等[11](2024)研究了不同粘结长度(1.0cm、1.5cm、2.0cm、2.5cm、3.0cm)条件下NiTi-SMA丝与Sikadur-330CN环氧浸渍胶界面的粘结性能,结果表明,当直径为1mm的SMA丝的粘结长度从1.0cm增加至3.0cm时,其界面最大拔出荷载提升了32.45%,而粘结强度下降了55.86%。
附参考文献:
[39] WANG Y L, ZHOU L M, WANG Z Q, et al. Analysis of internal stresses induced by strain recovery in a single SMA fiber-matrix composite[J]. Composites Part B: Engineering, 2011, 42(5): 1135-1143.
[40]Wang Y, Zhou L, Wang Z, Huang H, Ye L. Stress distributions in single shape memory alloy fiber composites[J]. Materials & Design, 2011, 32(7): 3783-9.
[41]Li-min Zhao, Xue Feng, Xu-jun Mi, Yan-feng Li, Hao-feng Xie, Xiang-qian Yin. The interfacial strength improvement of SMA composite using ZnO with electrochemical deposition method[J]. Applied Surface Science, 2014, 320: 670-673.
[42]KHALILI S M R, SAEEDI A. Experimental investigation on the debonding strength in shape memory alloy wire reinforced polymers[J]. Mechanics of Advanced Materials and Structures, 2017, 24(6): 490-495.
[43]Zhenqing Wang, Yanfei Liu, Hongqing Lv, Bin Yang. Enhancement of interface performance between shape memory alloy fiber and polymer matrix using silane coupling agent KH550 and Al2O3 nanoparticles[J]. Polymer composites, 2018, 39(9): 2979-3376.
[44]Zhang Y, Mi C. Strengthening bonding strength in NiTi SMA fiber-reinforced polymer composites through acid immersion and Nanosilica coating[J]. Composites Structures, 2020, 239:112001-112015.
[45]朱同舟, 袁国青. 压痕SMA丝复合材料界面本构与性能分析[J]. 玻璃钢/复合材料, 2021, 000(001): 40-46.
[46]Guoqing Yuan, Yanjie Bai, Zhemin Jia, David Hui, Kin-tak Lau. Enhancement of interfacial bonding strength of SMA smart composites by using mechanical indented method[J]. Composites Part B: Engineering, 2016, 106: 99-106.
[47]Xu, L. D., Sun, X. Y., Wan, P., Sun, X. D., & Wang, Z. Q.. Surface treatment of interfacial properties of Shape Memory Alloy composites[J].Materials Research Innovations, 2015, 19(5): 734-738.
[48]Yongchao Zhang, Changwen Mi. Strengthening bonding strength in NiTi SMA fiber-reinforced polymer composites through acid immersion and Nanosilica coating[J]. Composite Structures, 2020, 239: 0263-8223.
[49]刘燕斐. SMA/树脂界面粘结性能与金属界面摩擦性能研究[D]. 哈尔滨:哈尔滨工程大学, 2019.
[50]卢春玲,甘潇,杜诗远,等.NiTi-SMA丝/环氧树脂界面黏结性能试验与数值模拟[J/OL].复合材料科学与工程,1-10[2024-11-19].http://kns.cnki.net/kcms/detail/10.1683.TU.20241119.0913.002.html.
在Fe-SMA/CFRP复合材料粘结性能实验中同时考虑了物理和化学改性对其粘结性能的影响研究观点的创新。国内外的学者针对提升Fe-SMA和CFRP或环氧树脂胶粘剂之间的粘结性能做了深入的试验研究,但是在对于使用KH550提升复合材料的粘结性能方面,往往是将其作为使SMA丝更好的吸附各种纳米材料进行物理改性的偶联剂,并未考虑将其直接添加进各类环氧树脂胶粘剂去提升其与SMA丝的粘结性能,其次纳米粒子的分散性较差,仅使用纳米粒子改性则会在纤维表面发生团聚,从而引入缺陷。因此,通过两种改性方法的结合,使其优势互补,有效地提升Fe-SMA/CFRP复合材料的粘结性能。
项目特色:
在Fe-SMA/CFRP复合材料粘结性能试验中考虑了不同的环氧树脂胶粘剂种类及胶层厚度,SMA丝材的埋入深度等对其粘结性能及回复应力的影响研究观点的创新,找出改性后各环氧树脂胶粘剂及SMA表面不同处理方式制成的Fe-SMA/CFRP复合材料的最佳SMA丝埋入深度,为后续制作不同类型的Fe-SMA/CFRP复合材料提供了参考数据。
技术路线:
summernote-img
拟解决问题:
每一次制备试件时如何使不同材料有效涂覆在Fe-SMA表面以及如何控制胶层厚度。而本课题组通过蒸发溶剂法制备碳纳米管(CNTs)改性的Fe-SMA试件。首先,将占溶液5 vol%的碳纳米管(CNTs)颗粒放入异丙醇溶液中,进行机械搅拌;然后,将Fe-SMA丝浸入含有碳纳米管溶液的溶剂中,并利用真空干燥箱在100℃的条件下将异丙醇完全蒸发。这样,碳纳米管(CNTs)颗粒便有效涂覆在Fe-SMA表面。
对于胶层厚度不同的问题,本研究拟准备用由本课题组设计出的规范制备SMA/CFRP新型复合材料的制备台精确控制制备过程中环氧树脂胶粘剂的胶层厚度。
预期成果:
(1)Fe-SMA单轴拉伸应力-应变本构模型
(2)改性后对粘结性能的影响及Fe-SMA丝/环氧胶界面破坏模式并得到Fe-SMA丝/环氧胶界面粘结-滑移本构模型;
(3)研究改性后对Fe-SMA/CFRP复合材料回复性能的影响,得到CFRP/SMA回复应力-温度本构模型
(4)发表1-2篇学术论文。

第一阶段
(1)2023年11月—2024年1月,搜集相关资料,进行文献调研,制定试验方案,做好试验前期工作;
(2)2024年2月—2024年4月,开展CFRP布、SMA丝和环氧树脂的基本性能试验
第二阶段
(1)2024年5月—2024年8月,开展CFRP/SMA复合材料基本力学和可回复性能试验
(2)2024年9月—2024年10月,整理试验数据,拟合相应曲线
(3)2024年11月—2024年12月,开始撰写毕业论文,并完成毕业论文初稿
(4)2024年1月—2025年2月,毕业论文审核
第三阶段
(1)2025年3月-2025年6月,毕业论文最终定稿
本项目的研究基础较好,课题组自2023年至今一直从未间断的在尝试或进行SMA/CFRP复合材料的研究,并且也对其分别进行了物理改性和化学改性,总结得到其改性方法能够有效提高其粘结性能,并取得了一定的研究成果。这些研究不仅从内容上支撑了本课题的可行性,同时又为本课题在试验方案的设计、试验机理分析、数值建模的理论基础等研究上提供了宝贵经验。
已具备条件:
试验室拥有万能拉伸试验机、YEW-5000KN高刚度液压式压力机、主要试验材料等。
尚缺少的条件:
如何使不同材料有效涂覆在Fe-SMA表面以及如何控制胶层厚度
解决办法:
课题组通过蒸发溶剂法,使得纳米颗粒能够依附于SMA表面,由本课题组设计出的规范制备SMA/CFRP新型复合材料的制备台精确控制制备过程中环氧树脂胶粘剂的胶层厚度。

经费预算

开支科目 预算经费(元) 主要用途 阶段下达经费计划(元)
前半阶段 后半阶段
预算经费总额 14500.00 10000.00 4500.00
1. 业务费 4500.00 2500.00 2000.00
(1)计算、分析、测试费 500.00 使用软件对试验数据分析加工 300.00 200.00
(2)能源动力费 500.00 仪器养护 500.00 0.00
(3)会议、差旅费 1000.00 外出调研 700.00 300.00
(4)文献检索费 500.00 论文检索 500.00 0.00
(5)论文出版费 2000.00 论文查重、打印、发表 500.00 1500.00
2. 仪器设备购置费 3000.00 购买位移针、应变片等试验用具 2000.00 1000.00
3. 实验装置试制费 4500.00 定做浇筑模具 3000.00 1500.00
4. 材料费 2500.00 购买材料(CFRP,SMA,环氧树脂) 2500.00 0.00
结束