日本研發無粘結碳纖維增強型塑料加固鋼構件法 可用於汽車等行業

2020-12-05 蓋世汽車資訊

蓋世汽車訊 據外媒報導,日本豐橋技術科學大學(Toyohashi University of Technology)建築與土木工程繫結構工程實驗室的研究人員研發了一種新概念,可利用無粘結碳纖維增強型塑料(CFRP)層板加固關鍵建築結構中的鋼,從而提升鋼的屈曲性能。此種方法不要求在應用CFRP之前,先進行表面處理,因為CFRP不會粘結在鋼的表面,只是通過提升鋼的抗彎剛度來提高結構強度。

(圖片來源:豐橋技術科學大學)

由於CFRP成功在土木工程領域加固了混凝土,其已經發展成為一種加固鋼構件、而不是傳統鋼板的方法。由於CFRP具有重量輕、強度重量比高、抗疲勞、耐腐蝕等優點,因而被廣泛使用。不過,迄今為止,採用CFRP加固鋼的研發工作主要集中於粘結技術,即,使用粘結劑將CFRP粘在鋼表面。但是,粘結加固的缺點是在安裝CFRP之前,需要進行複雜且耗時的表面處理工作。此外,由於鋼在整個使用壽命期間都完全暴露在環境中,此種加固技術的關鍵——鋼與CFRP之間的粘結強度性能也會顯著下降。採用新型粘結CFRP技術代替此種方法也不是特別合適的解決方案,因為不太可能具有成本效益。

於是,研究小組研發了不將CFRP粘結在鋼表面,但是採用CFRP加固鋼的方法。研究表明,此種方法能夠延遲鋼的屈曲,提高鋼棒的壓縮能力,而壓縮能力是否提高,則受碳纖維層數的影響。

該研究第一作者Fengky Satria Yoresta表示:「我們研發了此種無需粘結的CFRP加固鋼法,以替代需要將CFRP粘結在鋼表面的加固方法。此種方法的主要優點是,操作更簡單、耗時更短,而且特別適用於現有的建築結構元素。免去了處理鋼材表面(如噴砂或手工磨削等)的麻煩,可大大節約成本。」

該研究組組長兼副教授Yukihiro Matsumoto補充表示:「幾乎所有此前的研究都是採用粘結劑來利用CFRP加固鋼構件,此種方法相當複雜,因為在應用CFRP之前,需要適當進行鋼表面處理,以讓鋼表面可與CFRP粘結,而表面處理還會影響到粘結強度。此外,我們不能完全估計,鋼在使用壽命期間,暴露在環境中時,CFRP和鋼之間的粘結性能會受到怎樣的影響。因此,我們試圖研發無粘結加固法,以改進傳統加固法。」

他還表示:「無粘結加固法非常有用、易於採用與管理。不過,我們的方法不能順利地傳遞應力,因而需要打造一個適當的力學模型。最終,我們進行了機械模擬和實驗,以證明該加固法的作用。」

該研究小組認為,其研發的無粘結CFRP加固法不僅適用於土木工程,還能應用於航空航天、汽車和海洋工業等其他領域。此種新方法前途光明,有望被用於快速生產創新型高質量產品。

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