時間：2023-03-20 16:25:33
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2結果與討論
試驗配方中，添加一定比例的木粉、塑料和相容劑，其中劑總添加比例為2.7%。分別采用一步法、兩步法、三步法工藝進行試驗，其中三步法工藝造粒前劑添加比例為1.35%，造粒后再添加1.35%，按照工業化的生產流程，擠出15×50mm(厚度×寬度)實心型材。
2.1不同生產工藝對加工性能的影響從表1可以看出，在相同的溫度參數、主機轉速條件下，一步法工藝主機轉矩和熔體壓力最大，兩步法工藝最小，三步法工藝次之；從型材外觀上看，兩步法工藝和三步法工藝生產出的型材表面光滑，一步法工藝型材表面有細小的橫線裂紋；從擠出線速比較，三步法工藝是一步法工藝的1.84倍，是兩步法工藝的1.31倍。在相同的主機轉速下，主機轉矩、熔體壓力和擠出線速主要體現物料的流變性能，將一步法工藝的高混料和兩步法、三步法工藝的造粒料通過扭矩流變儀進行流變性能的測試，從表2的流變特征參數可以看出，一步法工藝由于混合后的物料沒有經過造粒塑化的過程，在型材擠出過程中，需要較長的時間才能將物料塑化熔融，一步法工藝的平衡時間最長，需要3.28min，同時一步法工藝的平衡扭矩也為最大，說明熔融物料的表觀粘度很大，流動性差，型材擠出速度慢；兩步法工藝，平衡時間適中、平衡扭矩低，說明生產時經過造粒的過程后，物料較易塑化，物料流動性好[3]；三步法平衡時間最短，平衡扭矩適中，這說明了劑分兩步添加，造粒后添加的劑損失少，縮短了塑化的時間，起到真正的作用，成型時擠出速度快，而平衡扭矩比兩步法工藝略大，可能是因為造粒過程，劑對相容劑的副反應小，使得木粉和塑料基體的結合力增強，熔體壓力增加，這是加快擠出線速的同時提高型材物理機械性能的基礎。
2.2不同生產工藝對材料性能的影響從表3可以看出，彎曲性能上比較，彎曲強度兩步法比一步法高18.4%，三步法比兩步法高19.2%，剛性(彎曲模量)也有同樣變化趨勢。落錘沖擊高度方面，兩步法比一步法高100mm，三步法比兩步法高150mm。從以上數據比較可以看出，三步法性能最好，一步法性能最差，這是因為一步法工藝物料通過高速混合機攪拌后，物料中木粉間的結合水還沒能完全排出，物料水份較多，一般在2%以上，木粉和塑料的界面結合力差，高混后物料直接通過錐形擠出機擠出型材，物料與螺桿、機筒的剪切力較小，木粉沒能均勻分散在塑料基體中，再加上錐形擠出機低速轉動，容易出現木粉聚集成團的質量問題，這也是型材表面出現裂紋的原因，同時型材的物理機械性能差。相比兩步法工藝，物料混合后再通過平行雙螺桿擠出機造粒，在強的剪切力作用下，將木粉間的結合水大部分排出，破壞木質纖維間的分子間作用力，使木粉均勻分散于塑料中，同時木粉表面羥基(-OH)與MAPE的酯基(-COO-)發生反應，改善了木粉和塑料的界面結合力[4]。所以，當型材受到外力作用下，塑料基體能有效地、均勻地通過兩者界面把應力傳遞給木粉，界面結合力的提高，型材的彎曲強度和韌性也隨之提高。三步法工藝將復合劑分兩部分添加，混料時添加一定比例劑，造粒后再添加一定比例劑，復合劑中含有一定比例的硬脂酸類外劑，例如硬脂酸鋅，在混合過程中水分的存在使MAPE產生MAH，可與硬脂酸鋅發生反應，這種反應在熱力學上比MAPE與木質纖維的偶合更容易發生，也就使得木粉和塑料的界面結合力變差[5]。在混料時添加一部分劑以滿足造粒過程中剪切和分散的需要，防止塑料的降解和木粉的碳化，相比兩步法工藝，造粒時劑量少，剪切力也大，水分容易排除，也降低硬脂酸類外劑對MAPE的影響，這樣相對兩步法提高木粉和塑料的界面結合力，型材的性能明顯提高。造粒后再添加劑進行混合以保證型材擠出表面光滑度，提高擠出線速和型材性能穩定性。從圖2不同生產工藝的30天吸水率比較可以看出，隨著浸泡時間的增加，吸水率都逐漸增加，其中采用三步法工藝生產的型材吸水率最小，30天浸泡的吸水率為1.75%，采用一步法工藝生產的型材吸水率最大，30天浸泡的吸水率為3.60%，是三步法工藝型材吸水率的2.05倍。這是因為木塑復合材料的吸水性主要是由木粉引起的，通常界面結合力差、分散越不均勻的木塑復合材料吸水率越大[4]。木粉有較強的吸水性，易吸水后與水分子之間形成氫鍵，木粉和塑料是典型的海島結構，一步法工藝木粉的分散性和界面結合力差，木粉還沒被塑料完全包裹，水分子進入兩者的間隙易與木粉形成氫鍵，吸水率增加。三步法工藝提高了木粉的分散性和界面結合力，吸水率較小。
2.3不同工藝生產的木塑復合材料SEM分析通過SEM觀察型材斷面形貌，可以客觀反映木粉和塑料的界面結合。圖3是一步法工藝生產的型材斷面形貌，可以明顯看出，斷面分布很不均勻，說明木粉并沒能在塑料中很好的分散，且出現一些小空洞，可能是由于木粉沒被塑料很好包裹造成，說明木粉和塑料界面結合較差，受到應力作用時，從界面結合處開始發生斷裂；圖4是兩步法工藝生產的型材斷面形貌，可以看出兩相分布的均勻性有較大改善，出現較多的纖維拉絲現象和小孔洞，說明兩步法工藝能使木粉在塑料中分散均勻；圖5是三步法工藝的型材斷面形貌，可以明顯看出斷面很粗糙，且出現纖維拉絲現象和深孔洞，說明三步法工藝生產的型材，不僅兩相分散均勻，而且能提高兩相的界面結合力，受到應力作用發生斷裂時，木粉被抽出形成深的孔洞。
國外對碳纖維復合材料的研究起步比較早。結合研究需要成立了相應的碳纖維復合材料研究協會，制訂了相應的測量標準、實施規范、檢測標準、施工規程等，制訂了研究發展方向，加大經碳纖維復合材料再實際中的應用研究，經過多年的研究，目前國外發達國家已經有較為成熟的碳纖維復合材料理論、研究體系和研究成果，并且通過實驗性應用獲得了第一手資料，通過大量實驗已經有了一定的應用實例。目前由于碳纖維復合材料特有的可根據工程需要加工成各種織物材料，滿足工程需要，而且織物表現出很高的強度的特點，因此碳纖維復合材料大量應用在房屋建筑工程的加固工程中、橋梁工程等的加固、維修和保養上。從研究現狀來看，我國對碳纖維復合材料的研究起步比較晚，缺少系統化、本土化的研究體系，主要理論和研究標準、方法借鑒先進國家的研究成果，缺少實際使用經驗的搜集和整理，施工規范上過于依賴國外成熟經驗，缺少本土化的實踐經驗和研究體系，研究方向主要集中碳纖維增強聚合物片材加固和修復鋼筋混凝土結構，而且應用也比較成熟。例如采用碳纖維增強聚合物片材對上海財經大學24m跨度的木結構進行加固，采用碳纖維布對天安門城樓上的大型木柱進行加固[1]；等等。單麗萍《碳纖維布在建筑結構加固中的施工措施淺析》（民營科技2012.8）研究指出，碳纖維增強聚合物加固技術是一種新型高效的土木工程加固修復技術，具有質量輕、強度高強、施工簡單等優點。并對碳纖維布在加固和維護建筑結構中的施工措施進行分析，之處隨著對新材料碳纖維(CFRP)的研究的深入，用CFRP取代鋼板作為外貼對建筑物進行加固是一種必然趨勢。并現針對碳纖維加固的原理、依據、前提進行了探討，并對施工工藝進行了簡要的論述。張勇《CFRP加固混凝土梁的凍融試驗研究》（河北建筑工程學院學報2012.1），碳纖維(CFRP)雖然在加固工程中已得到廣泛應用，但其長期的加固性能尚未得到證實。尤其在我國北方較寒冷地區，因此研究凍融循環對碳纖維加固的混凝土構件的影響。試驗研究顯示碳纖維基本能夠滿足寒冷地區的加固要求。舒亞《碼頭改造工程中碳纖維加固技術的運用》（水利建設與管理2014.3）一文中研究指出：伴隨著材料研究的深入，混凝土結構的加固技術也日益提高，結合工程實例，闡述在碼頭改造工程中如何將碳纖維加固技術運用到水工結構物的主要受力構件，為碼頭水工結構物的加固修復帶來新的舉措，保障了碼頭水工建筑物的安全。整體上來說，碳纖維復合材料在土木工程中的使用研究目前基本集中在混凝土結構的修復和加固上，相信隨著研究的深入，碳纖維加固技術在土木工程結構的運用日益廣泛。
1.2最新研究進展和趨勢
日本開發研制成功一種帶有鋁合金接頭碳纖維聚合卷管。研究發現這種聚合卷管具有高效的結構體系，在實際應用中可以獲得特殊的建筑效果[1]。也有學者提出利用碳纖維優良的導電性，通過相應手段監測碳纖維復合材料加固部位導電性能的變化情況，實現對對土木建筑物或橋梁等的無創口健康監測和診斷，而目前利用碳纖維優良的導電性，實現對建筑結構的實時監測應用研究不多，鄭立霞《局部疊層碳纖維水泥基材料的應變電阻效應研究》（四川大學學報(工程科學版)2011.2）研究指出利用不同將碳纖維所具有的特有的導電特性，將不同碳纖維取代鋼筋加入普通混凝土中，普通混凝土便成為具有自診斷功能特性的智能混凝土。利用這些功能特性可望實現土木工程結構和基礎設施的健康監測。并通過實驗研究局部疊層碳纖維取代鋼筋形成的三點彎曲梁在單調和循環拉應力作用下電阻的變化規律，分析了局部疊層碳纖維水泥基材料的應變-電阻效應，在此基礎上進行橫向對比，實驗結果表明，局部疊層碳纖維水泥基材料的應變靈敏系數是連續碳纖維水泥基材料應變靈敏系數的近23倍，但穩定性要差一些；局部疊層碳纖維水泥基材料的電阻和拉伸應變成正比例，因此利用這一特性把可望把局部疊層碳纖維用于土木工程，便于實現在結構和基礎設施的健康監測。
2碳纖維復合材料在構件承載力不足的情況下的應用
雖然在土木工程施工過程中在施工階段，從上到下有嚴格的施工規范和要求，但是實際過程中卻常常存在由于施工管理不嚴、施工人員能力缺陷、致使施工質量不能達到要求，特別是混凝土構件承載力不足導致在建工程或建成工程使用時在安全隱患，存在一定的潛在質量風險，可能導致傷害事故的發生，在這種情況下，如何在不拆除現有混凝土結構的條件下對混凝土構件進行范圍內的加固和修復是要解決的問題，使用碳纖維復合材料為主要原料的纖維增強聚合布進行加固，可以在不毀壞現有結構的基礎上，使混凝土結構得到理想的增補效果。加上纖維增強聚合布施工過程中無需任何重型機械，施工空間不受限制的優點，因此在維護和加固現有建筑中得到大量應用。
2.1碳纖維復合材料在民用建筑加固方面的應用
由于碳纖維增強聚合布的材料性能的特點，碳纖維增強聚合布大量應用在民用建筑中，如梁、板、柱、頂、梁腹裂縫發展過大的構件加固中。碳纖維增強聚合布加固可有效控制裂縫的發展。在使用碳纖維復合材料對不同部位進行加固時，操作手段、方法有一定差異。目前通常使用碳纖維布對鋼筋混凝土裂縫等進行加固時首先選取合適粘合劑，以免造成粘合不緊密，加固效果差，在此基礎上注意粘貼在混凝土裂縫處。在對鋼筋混凝土抗彎構件進行加固時，通常采用特殊粘合劑將碳纖維布粘貼于混凝土構件強力受拉區，通過碳纖維布增加受拉區域強度，實現碳纖維布分擔工程結構中混凝土鋼筋的承受拉力，提高混凝土構件的抗彎承載力和受拉承載力。碳纖維復合材料加固損傷的受彎構件時，結果表明，通過碳纖維布的加固，檢驗結果顯示，加固部位剛度恢復非常顯著，加固部位強度和加固量、損傷程度具有一定關系，通過加固，兩者都有不同程度的改善提高。在工程中使用碳纖維復合材料進行抗剪力加固時，一般要求將碳纖維復合材料粘貼于加固構件的受剪力區，力求形成整體的拉力，促使碳纖維復合材料的作用類似于箍筋，從而形成一定的加固力量，有效控制混凝土結構裂縫的進一步發展。目前研究結果表明，理論上推算碳纖維復合材料的隨著外界條件變化應變發展比較緩慢，在實踐中用于加固混凝土構件時，碳纖維復合材料達到的最大應變值比較小。在加固混凝土構件屈服后，碳纖維復合材料逐漸取代混凝土構件箍筋的作用逐，從而有效提高構件抗剪承載力，碳纖維復合材料對工程質量提高程度與加固方式、加固量、帶間距及粘貼層數密切相關。因此實踐中使用碳纖維復合材料對一定的混凝土結構進行維修和加固時，要區別對待，不同位置、強度的部件進行加強所需粘貼量不同，過多過少都不利于加固效果的最優化，如粘貼過量碳纖維增強聚合布，可能會導致不能充分的發揮碳纖維增強聚合布的優勢。由于碳纖維增強聚合布的可設計性的優勢它與所加固構建之間粘貼比較緊密，可以在不改變現有建筑外觀形狀的基礎上進行整體加固，因此在一些對整體構件加固質量要求比較高，碳纖維聚合布在得到大量應用，如對歷史建筑的搶救、保護和維護和原有建筑，同時構件的整體抗震性能得到提高。
2.2橋梁建設加固方面碳纖維復合材料的應用
由于碳纖維復合材料的使用特點，碳纖維增強聚合布可以應用在橋梁加固方面。如磨損、裂縫、局部塌陷的橋面，可以在保持現有混凝土構件的情況下，通過適當修補后加貼碳纖維增強聚合布，從而提高橋面堅固程度和增加使用壽命，如一般采用將碳纖維增強聚合布粘貼于橋面板下面，在提高橋面整體平整的基礎上可以增強橋面板的抗彎及抗剪能力，延長橋梁使用壽命，目前碳纖維復合材料在橋梁建設方面的用途主要有兩類，現有橋梁的加固方面和新橋梁的建設使用。在橋梁加固方面碳纖維復合材料主要用于混凝土橋梁的基本構件、節點、裂縫受彎構件、抗彎構件等的加固，加固的目的主要是提高橋梁的面板、構件的抗彎、受彎、抗剪、軸向抗壓承載力等，橋梁建設加固方面碳纖維復合材料的應用在國外應用廣泛，我國在這方面的工程實踐是在引進吸收國外先進經驗的基礎上，結合我國橋梁工程和新材料發展狀況，2003年7月對1971年建成的“寶成橋”進行了加固維修。提高了大橋承載強度，同時對大橋基本構件提供了抗裂防腐的保護作用[2-5]。但是碳纖維增強聚合布加固混凝土橋柱、橋梁時，應注意原有混凝土構件橫向膨脹性能促使外包碳纖維增強聚合布的局部環向剛度增大，導致混凝土原有構件的脆性破壞，因此在應用碳纖維增強聚合布維修橋梁加固混凝土柱時要注意完全粘貼整個構件。
FRP（fiberreinforcedplastics）復合材料主要有碳纖維（CFRP）、芳綸纖維（AFRP）及玻璃纖維（GFRP）等，其材料形式主要有片材、棒材和型材。FRP的共同優點是：輕質高強、高彈模、抗疲勞、耐腐蝕耐久性能好、熱膨脹系數低等。另外，FRP復合材料可以節省材料、自由裁剪、施工方便且速度快，雖然其前期投資較大，但維護成本低，經濟效益明顯。因此，FRP（片材）復合材料在土木結構加固工程中應用潛力巨大。
1、FRP復合材料的基本特性
隨著增強纖維材料的發展，碳纖維、芳綸纖維及玻璃纖維已經成為當前結構工程中加固補強的重要材料。一些典型的FRP（片材）復合材料的基本力學性能見下表。
FRP復合材料的性能各異，在拉伸強度及拉伸模量方面，玻璃纖維和芳綸纖維一般比碳纖維低1/3左右；在斷裂延伸率方面，芳綸纖維一般是碳纖維的2倍左右，玻璃纖維一般比碳纖維高70%左右；在韌性、抗沖擊性能方面，芳綸纖維和玻璃纖維要比碳纖維好得多；在抗堿腐蝕方面，芳綸纖維和玻璃纖維則不如碳纖維好。關于其它方面的性能差異，這里不再贅述。
2、FRP復合材料在結構加固工程中應用領域
2.1民用建筑、橋梁及工業廠房
FRP復合材料因其優異的力學性能，在民用建筑及工業廠房的加固中應用很多，主要有：①梁加固。加固的作用包括抗彎和抗剪。在進行抗彎加固時，FRP復合材料的纖維方向與梁的軸向一致，一般貼在梁的受拉側，已提高梁的承載能力。據有關試驗得出，只要該梁不是超筋梁，貼一層AK-60可以提高承載力30%左右，貼兩層可以提高40%左右；在進行抗剪加固時，FRP復合材料的纖維方向與梁的軸向垂直；②板加固。一般對于板的加固凈空要求比較高，而且加固后不影響其外觀，所以用厚度很薄且柔軟的FRP復合材料進行加固是一種理想的選擇；③柱加固。芳綸纖維布、玻璃纖維布是比較理想的柱加固材料。因為它們的彈模小，相對于碳纖維（彈模235Gpa），其延性較好；并且，在進行棱角打磨時一般只需要10mm左右，一般不需打磨，而碳纖維則需要30mm左右，若采用芳綸纖維就可以節約很多工時。
2.2地鐵、隧道
因地鐵和隧道是一種在地下工作的結構，所以它的受力與地面結構是不一樣的。在洞頂和洞側，它都有土壓力的作用，而且也有凈空的要求，所以進行裂縫修補時，傳統的加固方法不可行，而用芳綸纖維布（不導電）進行加固維修就可以滿足它的各方面要求，因為在地鐵或隧道的拱頂或側壁的裂縫一般是多向且不規則的，這就要求修復材料必須具有良好的抗剪性能，而且還是一種不導電的材料，所以芳綸布在隧道地鐵工程中是一種最佳的選擇。
2.3煙囪、水塔
由于煙囪水塔這樣向高空發展的結構，加固維修特別困難，傳統加固方法（如擴大截面法、粘鋼法）基本上很難解決這樣的問題，而采用輕質高強、耐腐蝕、耐久性能都很好的復合材料（尤其是芳綸纖維）進行加固，就是一種很好的方法。
3、幾種加固方法的比較
3.1擴大截面法
這種加固方法是通過增大受力面積來提高結構的承載力，一般用在一些較小且對凈空沒要求不高的結構中。這種方法雖然具有成本較低的優點，但是增加了原結構的自重，同時減小了凈空，工期長，有很大的局限性。目前，在較大的工程中很少用。
3.2粘鋼法
在用鋼板加固時，一般將鋼板貼在被加固的結構受力部位的外邊緣，同時封閉粘貼部位的裂縫和缺陷，約束混凝土的變形。粘鋼法加固的特點：①既可提高結構強度，又可提高剛度；②適應結構（鋼結構）又粘又鉚，適應節點加固；③延伸率大，適應沖擊、振動結構加固；④鋼板表面處理要求嚴格，粘結面易生銹；⑤厚鋼板端點處應力集中，混凝土易剝離。
由上述可知，采用這種方法加固必須注意幾點：①對鋼板的尺寸要求很嚴格?？箯潟r宜薄點，以保證它和原結構的變形協調；抗剪時不僅宜厚點，而且在錨固時應使端部鋼板延伸到應力較小區，防止應力集中造成對結構承載力的損害；②貼完后，必須對鋼板邊緣裂縫進行處理；③還要對鋼板進行防腐處理，這也是一項長期的任務。所以其造價很高，而且它的使用范圍還有一定的局限性，一般只用在剛度要求很嚴格的地方。
3.3FRP復合材料法
FRP復合材料法加固的特點：①高強度、高彈模，厚度薄、重量輕；②材料可任意長度，任意交叉，適應任意曲面和任意形狀結構；③耐腐蝕，抗疲勞性能好；④施工簡便，與混凝土結合密實；⑤材料防潮要求嚴格，且不宜加固節點區域。
在目前的FRP材料加固市場中，碳纖維占的比例最多。碳纖維是一種導電、易發生脆性破壞的材料，可以承受很大的靜載，但在絕緣性要求很高的電氣化鐵路、地鐵及隧道工程中，不宜采用；同為高強高彈模的芳綸纖維不存在這樣的局限，能經常承受沖擊載荷，芳綸纖維的極限破壞形式為塑性破壞，而且還是它的優勢所在，其在抗剪方面也有很大的優勢，在加固墩子時一般也是利用它優異的抗剪性能，但芳綸纖維在裁剪時須用專門的陶瓷剪刀。
4、FRP復合材料的選擇
4.1環境影響
在高堿度和濕度的地區，宜選擇碳纖維復合材料，不宜選擇玻璃纖維復合材料；在溫度變化較大的地區，玻璃纖維的熱膨脹系數與混凝土相似，宜選擇玻璃纖維；玻璃纖維和芳綸纖維是良好的絕緣體，而碳纖維是可導電體，為避免鋼筋的潛在電流腐蝕，碳纖維材料不應與鋼筋直接接觸。
4.2荷載影響
對于經常承受沖擊或振動荷載的結構，應優先選擇芳綸纖維和玻璃纖維復合材料，它們的韌性、抗沖擊性能都比碳纖維復合材料好；對于要求耐蠕變和疲勞的結構，應優先選擇碳纖維復合材料，碳纖維材料耐蠕變和疲勞的能力比芳綸纖維和玻璃纖維材料好得多。
4.3保護層影響
1.2先進表面處理技術表面的技術處理是模具生產質量把控的重要環節之一，因為這關系著模具表層的成分及組織，它是模具性能的直接衡量指標，直接決定了模具的硬度、耐磨度及耐腐蝕性等，所以模具的表面處理必須受到足夠的重視?，F如今從生產上存在的表面處理技術概況來講主要有以下幾種：化學法、表層覆層法及激光法等。然而激光法就是目前數字化發展的典型代表，此方法現在被廣泛應用在復合材料模具的生產加工中，發揮著重要的作用，它能夠有效地處理模具表面存在的問題，實現規范模具標準，大大延長模具使用壽命。
1.3解決模具加工生產所面臨的問題復合材料模具的生產加工環節必然會面臨一些問題，比如在結構焊接過程中會出現殘余變形和殘余應力等問題，這個就必須采取合理的工藝措施并且選擇科學的設計方案來預防問題的產生；加工精度和表面質量是比較關鍵也是技術難度系數比較高的環節，這個環節極易出現質量問題，這是由于多方面的因素共同導致的，所以在這個環節的每一步操作我們都需要謹慎，必要的話我們可以借用數字化檢測設備對此環節進行嚴格的檢測，預防問題的發生，提高產品質量。由于復合材料構件的不同類型及不同材質在生產過程中會產生不同的熱膨脹系數，這也是會影響復合材料模具成型的質量因素，所以我們在挑選材料時，盡可能選擇熱膨脹系數相近的材料，這樣可以有效地防止由于熱膨脹系數不同而產生的質量問題。
2FRP復合材料在土木工程中的實踐效果
2.1用于結構加固
我國對FRP加固技術的研究始于1997年，中冶建筑研究總院有限公司(國家工業建筑診斷與改造工程技術研究中心)于1997年10月進行了國內首批外貼碳纖維布加固梁試驗。隨后在短短幾年中，外貼FRP片材加固技術已成為全國土木建筑行業研究和應用的熱點，很快為市場所接受，而市場的擴大使材料的成本大幅下降，這為FRP材料在建筑中的應用發展提供了更大的可能，在我國已迅速發展成為建筑結構補強加固的主要技術。至2012年，國內從事FRP試驗研究及技術開發的科研單位幾十所，用于土木建筑行業中的碳纖維制品生產銷售的廠家幾十個，從事于碳纖維加固補強的專業公司上百個，已經形成了相當大的研發、生產、設計、應用的社會群體。目前FRP材料在土木建筑中的應用以加固鋼筋混凝土結構為主，加固的形式又以外貼FRP片材為主，但FRP技術在砌體結構、鋼結構、木結構中的應用，以及采用FRP筋材、網格材、預應力FRP片材加固技術的應用已有很多，新的應用形式、新的產品、新的規范規程的研究正在世界各地廣泛開展。
2.2FRP筋在新建結構中代替鋼筋
傳統鋼筋混凝土結構中配置非預應力和預應力鋼筋，在處于惡劣環境條件時，如干濕交替、化學介質等作用下，極易引起鋼筋的腐蝕，嚴重影響結構的耐久性和適用性，甚至導致結構承載能力的降低。相比之下，防腐性能好、粘結性能與鋼筋相差不多且抗拉強度高的FRP筋成為代替鋼筋的一個較好選擇。20世紀80年代初開始，FRP筋逐漸大量應用于有特殊性能要求的結構物中代替鋼筋，如有磁共振醫療設備的建筑及海堤、工業廠房屋面板等受嚴重化學侵蝕的結構物中。1985年，美國SanAntonio醫院大樓的MRI設備的樁、柱和梁中均采用了GFRP筋。1986年，SanAntonio的大學建筑中的邊墻和鋼筋混凝土梁中配置了GFRP筋。FRP筋的另一個應用對象是巖土工程，目前已用于因潮汐變化等干濕交替的擋土墻、地基錨桿及地鐵沉井等工程中。
2.3FRP結構及組合結構
由于FRP材料具有高強、輕質、耐腐蝕等優點，FRP結構和FRP組合結構的應用也日益受到工程界的重視。
（1）早期試驗性的FRP結構
20世紀60年代，英國已開始生產GFRP復合材料的屋蓋結構，運往中東和北非建造使用，1968年一個采用GFRP夾心板與鋁質骨架的圓頂結構建于利比亞Bengazhi；1972年阿聯酋的Dubai國際機場，采用GFRP傘狀屋頂。20世紀70年代及80年代初期，英國的一些建筑采用了GFRP作為除梁柱以外的承重或半承重構件。1974年，第一個全復合材料建筑在英國Lancashire落成，外形為三棱錐體組成的空間結構。早期的FRP結構，大多帶有一定的試驗性質，尚未在土木工程中形成規模。
（2）橋梁工程中的FRP結構構件
隨著FRP生產技術和產品形式的迅速發展，FRP結構在橋梁工程中得到迅速發展。英國、瑞士、丹麥、日本、美國及中國等國家，均成功建造了一系列全FRP結構的人行天橋。同時，FRP結構也被應用于承受較大反復動載的公路橋梁中。1982年，我國在北京密云建成了一座跨徑為20.7m的GFRP蜂窩箱梁公路橋。1994年，英國建造的BondMill橋采用GFRP拉擠型材組合而成，是一座可通過40t卡車的活動橋。1996年，美國堪薩斯州Russell架起了第一座采用FRP橋面板的公路橋。此后不到十年的時間里，采用FRP橋面板的中小型橋梁在美國已有數十座。FRP橋面板還被用于替換老化的混凝土橋面板。此外，FRP索還可替代鋼索用于斜拉橋和懸索橋。
中圖分類號：U213.1文獻標識碼：A 文章編號：
復合加筋排水褥墊是一項在排水固結法加固路基的工程中代替水平排水砂墊層，同時具備加筋作用與水平排水的新技術。該技術同傳統排水技術相比，具有空隙率大利于排水、高柔性且抗拉性極強、重量輕、施工方便等優點。從目前來看，路基的變形是一個非常棘手的問題，主要表現在了路基的沉降以及水平側向位移等方面。本文先介紹了負荷加筋排水褥墊技術的原理，其次分析了復合加筋排水褥墊加固路基的機理與影響因素，最后提出了負荷加筋排水褥墊加固路基的排水設計方法。
一、復合加筋排水褥墊技術概述
復合加筋排水褥墊在加固路基中的運用，在一定程度上替代了以往的水平排水砂料墊層，它對于路堤有著加筋的作用，它主要包括了條狀塑料褥墊、連接槽、扒釘以及針刺無紡布。
這種復合加筋排水褥墊的特征是：選用聚丙烯作為原料，在一定強度的高溫下熱溶，然后通過模具擠出塑料細絲（直徑為1mm），將塑料細絲進行有序的纏繞（猶如方便面狀），從而形成截面為矩形的條狀排水褥墊；在排水褥墊之外用針刺無紡土工布包裹，并在其上打孔形成相應的連接槽，便于塑料排水板順利插入地基中；通過扒釘將條狀的塑料褥墊串接成“井”字形狀的復合加筋排水褥墊。
負荷加筋排水褥墊的具體施工工序如下：1）平整路基及周邊的場地，清除一切雜物，并且保證相關施工器械要及時到位；2）塑料排水板的施工；3）沿著路堤的橫縱向分別鋪設條狀的塑料褥墊，便于排水板插入連接槽之中；4）在塑料褥墊的相互交接處，安裝扒釘促使塑料褥墊連接成“井”字形狀的復合加筋排水褥墊；5）進行路基的相關填筑工作。
二、影響加固效果的因素分析
（一）計算條件
一般情況下，為了便于計算，在加固模擬試驗中，都會對地基的條件做一些相應的簡化。通過一系列的設置以及試驗，取得了相關的數據，根據這些數據便能很好的分析實際操作中的加固效果。在相關的計算中，為了簡化計算流程，會將排水板的密度、模型的參數都設置與同層土的相應參數保持一致。換句話說，沒有考慮塑料排水板在打設過程中引起的地基剛度變化，而只是純粹考慮了塑料板本身的排水作用。但在實際的操作過程中，往往與這種“試驗”相去甚遠，計算條件是否合理科學有效，在很大程度上影響著施工的加固效果。
（二）地基強度
在有關路基工程中使用了復合加筋排水褥墊層，這在一定程度上會改變地基的位移場與應力場，而地基的模量大小也會對復合加筋排水褥墊層的加筋效果產生巨大的影響。地基模量的變化值主要有0.5MPa、1MPa及1.5MPa三種，而復合加筋排水褥墊層對于路堤的影響與砂墊層對路堤的影響之間有著莫大的差異。一般而言，地基模量對于路堤底部的豎向位移與堤趾的垂線下地基位移水平的深度有著巨大的影響，比如說施工結束時，模具分別為0.5MPa、1MPa與1.5MPa的情況下，復合加筋排水褥墊層與砂墊層相比而言，路堤的底部中心沉降百分點，前者分別低了大約10.8％、7.2％和5.6％；而在堤趾垂線下的最大側移方面前者則分別低了大約40.2％、4.8％和4.8％。由此表明，復合加筋排水褥墊層對于路基有著較強的適應能力，尤其對于軟路基而言，若地基越軟，則更適合于復合加筋排水褥墊層的有效發揮。
（三）填土的高度
分別取路堤的填土高度為3m、5m、7m進行比較，一般而言，路堤的底部沉降以及堤趾垂線下側移會隨著填土高度的增加而變大。當路堤的堆載結束之后，分別在前述三種填土高度下對兩種方式下效果進行比較，大約可以得到以下的數據：復合加筋排水褥墊層路堤與砂墊層路堤相比，前者在沉降方面減少了大約24.2％、14.6％和6.9％；在堤趾垂線下最大側移方面，前者比后者減少了大約5.5％、2.9％和0.3％。從這里也可以看出，復合加筋排水褥墊層的加筋效果明顯優于砂墊層加筋效果，并且隨著路堤的高度越來越小，復合加筋排水褥墊層的加筋效果就更好更明顯。
（四）土層的厚度
在不同厚度的土層中，復合加筋排水褥墊層路堤相較于砂墊層路堤而言，其底部的沉降和堤趾垂線下側移均有著一定的減小。同理，我們把土層厚度分別取為5m、10m、20m進行分析與探討。當路堤堆載結束之后，把兩種類型的結果加以比較，前者在沉降方面低了大約0.2％、14.6％和4.9％，而在堤趾垂線下最大側移方面，前者低了大約3.O％、2.9％和2.1％。從這組對比數據分析得知，當在中等土層中時，采用復合加筋排水褥墊層能夠有效限制地基的沉降，并且在改善側向位移方面也有一定的成效。
三、復合加筋排水褥墊技術的穩定性與經濟性分析
為了進一步分析復合加筋排水褥墊層對于路堤及其邊坡的穩定性影響，我們可以利用強度折減彈塑性有限元計算方法分析復合加筋排水褥墊路堤及其邊坡，然后通過一些科學計算方法將結果計算出來之后，與砂墊層路堤工程進行對比。比如在一個案例中，土體選用的模型是Mohr—Coulomb，然后計算相關的參數。在具體的計算過程中，可以設定三維計算模型的厚度方向取為1.5m，并且對土體以八結點四面體單元的形式進行剖分。通過分析與計算，在同等條件下，復合加筋排水褥墊層加固路堤及其邊坡的安全系數要高于砂墊層加固的路堤及其邊坡。可見，復合加筋排水褥墊技術有著非常明顯的優勢，加筋效果非常好。對于復合加筋排水褥墊技術的穩定性而言，它對于路基及其邊坡的影響非常重要，這不僅關系到了路基的沉降變化以及水平側向位移，更關系到了工程的質量與安全，更進一步來講，它關系著人類的生存與發展。
復合加筋排水褥墊技術同砂墊層的經濟性對比分析來看，復合加筋排水褥墊技術的經濟性確實要高很多。比如說上海的北環高速公路在路基的處理上便采用了堆載預壓加固方式，在水平的排水墊層上方案一：采用的是鋪墊50cm砂墊層；方案二：采用復合加筋排水褥墊層，并且在褥墊層中間還鋪素填土，而且塑料排水板之間的距離為1.5m，用正方形來布置。根據當地的造價來計算，可以看出，方案一花費的單價大約為60元/m2；而方案二中，利用復合加筋排水褥墊設置的話，通過詳細的計算，這種方案花費的單價大約為34.33元/m2。從這里不難看出，采用方案二更加劃算。
四、結語
綜上所述，在路基的變形處理上，我們可以采用復合加筋排水新材料，也就是排水褥墊層的使用。復合加筋排水褥墊層具有適應能力強，并且路基越軟其效果越佳；路堤的高度相對較低時，利用復合加筋排水褥墊層的加筋效果更明顯；復合加筋排水褥墊層對中等和深厚的路基有著更明顯的加筋效果等優勢。此外，與傳統的砂墊層路堤相比，復合加筋排水褥墊路堤邊坡穩定性提高，并且復合加筋排水褥墊可節省造價，減少工程開支，從而最大化地實現工程利益。
參考文獻：
[1] 蔡曉光.復合加筋排水新材料加固路基變形與穩定分析[D].河海大學,2008.
[2] 蔡曉光,劉漢龍.復合加筋排水褥墊加固路基有限元計算[J].巖土力學,2008,29(8):2302-2306.
中圖分類號：TU761.1+4 文獻標識碼：A文章編號：
前言
隨著近代高新技術的發展，對材料性能要求的日益提高，單質材料很難滿足性能的綜合要求和高指標要求。因此復合材料憑借其優良的性能得到了廣泛的開發和利用，成為了很多行業的優選關鍵材料。為了保證工程的質量必須要保證使用的復合材料的質量，這給復合材料的無損檢驗提出了更多更高的要求，如何提高無損檢驗技術也就成為了復合材料能否更多的被廣泛應用的關鍵，從目前的情況來看，復合材料的無損檢測技術有很多種，其中，射線檢測是比較重要的一種，射線檢測在工業產品的結構測量、缺陷監測和損傷評價等方面都得到了比較廣泛的應用，在現代復合材料的無損檢測中發揮著重要的作用，占據著重要的地位。
射線檢測法在復合材料無損檢測中的應用
X射線照相檢測法
這種檢測方法已經廣泛的應用于工業檢測領域，與現在的檢測技術來說，是應用比較早的檢測技術，是最傳統的無損檢測方法之一，其基本原理在于，通過射線來穿過不同的材料，因為材料的性質不同，射線在經過材料時的衰減量也是不一樣的，從而射線的透射強度也是變化的，在膠片上就會呈現出明暗變化不同的影像，通過觀察這些影像得到檢測結果。針對X射線照相檢測法可以檢測到的材料的缺陷問題，傾向性的觀點是可以發現夾雜物、氣孔，而不能發現垂直于射線方向分布的脫粘和裂紋。X射線照相檢測法的優點是成本低，易操作；其局限性為效率低，缺陷(裂紋)的方位是決定性的，要求與射線平行。
2、X射線實時成像檢測法
隨著生產規模的擴大和對復合材料質量的更高要求，早期的檢測方法已經不再適用于材料的無損檢測，它的可靠性和效率都已經不再適用新的要求，X射線實時成像檢測法就是比傳統檢測方法更進一步的無損檢測法，它的基本原理是利用X射線的特性，即穿透物體的時候，會因為物體的吸收及散射的原因產生衰減，從而在熒光屏上通過特殊的圖像增強器會形成與物體內部想對應的圖像，然后在通過攝像設備把圖像轉化成視頻信號，然后輸出，通過計算機的數字圖像處理技術，對輸出的視頻信號進行分析，從而得到結果。這種檢測法的優點就在于對材料的缺陷可以進行在線檢測，檢測結果自動生成，檢測效率較高。其缺點在于，
通過這種檢測方法得到的圖像樣品是層疊的影像，不利于觀看和分析，缺陷的影像也是累積的，而不是三維的空間影像信息?，F在已經發展的主要成像系統有：數字實時成像系統、熒光屏成像系統、圖像增強器成像系統等。
射線計算機斷層掃描檢測法
此種檢測方法是起源于前面提到的第一種方法，與第一種方法的不同之處在于，它的區別在于采用的是圓錐狀射線，檢測原理在于通過準直設備將圓錐狀射線變成面狀或線狀掃描束，從而對射線穿過的物體的某一個斷面掃射，得到一個斷面的圖像，通過分析每一層斷面的圖像就可以得到詳細的檢測結果，達到檢測目的。
4、X射線斷層形貌成像檢測法
X射線斷層形貌成像檢測法的基本原理是利用樣品散射的空間探測來描述材料的內部特征，從而通過分析，得到檢測結果。這種檢測法是X射線散射和圖像成像的優點進行了結合的檢測法，可以對材料機械性能的關系、晶體的界面面貌組織，尺寸進行研究，并且可以對微觀的細小的損失進行分析。它具體的可以分為大、小角度X射線散射方法，大角度的X射線散射是無能量轉變的彈性散射，對結構比較小的分子和原子結構能夠快速反應。而小角度的X射線散射則是傳統的一種對膠體、生物和聚合物進行研究的工具，也可檢測纖維轉向。
5、X射線康普頓散射成像檢測法
康普頓散射成像檢測技術采用散射線成像，射線源與檢測器位于物體的同一側，其技術上的顯著特點是單側幾何布置。具有層析功能，一次可以得到多個截面的圖像，也可得到三維圖像。在理論上圖像的對比度可達到100％。其局限性為，由于康普頓散射成像檢測技術采用散射線成像，因此它主要適于低原子序數物質且位于近表面區厚度較小范圍內的缺陷檢測，通常它適宜檢驗的物體表層厚度區是：鋼約為3ram，鋁約為25ram，塑料和復合材料約為50ram。在應用時必須考慮基體材料和缺陷對射線的散射差別、檢驗要求的分辨力和成像時間。
6、中子射線照相檢測法
中子照相檢測法的基本原理是，通過準直器將中子源發射出的中子束射到被檢驗的物體上，因為不同的物體對中子的衰減系數是不同的，所以檢測器記錄到的已經投射形成的中子束分布圖像就是不均勻的，通過分析這些圖像，就可以對物體內部的雜質和缺陷有清晰的了解，與以前的R或X射線不同的是，中子射線照相檢測法還可以對放射性的物質進行檢測，并且可以對金屬中的一些低原子序數物質進行檢驗，對同一元素的不相同的同位素也可以進行區分，這種檢測法的缺點在于，中子源的價格昂貴，所以檢測耗費就比較貴，中子的安全防護也是必須要特別注意的問題。
三．結束語
綜上所述，目前已有多種射線檢測技術應用到復合材料無損檢測中，獲得了較好的結果，對復合材料制備過程的質量控制及其產品的質量評價等起到了至關重要的作用。提高了復合材料的使用可靠性，同時也為復合材料結構設計提供了更多的選擇機會。隨著復合材料設計水平的不斷提高和新制備方法的應用，將會有越來越多性能優良的復合材料被開發利用。
參考文獻：
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[2]蘇新彥 韓焱 微波在無損檢測技術中應用 [會議論文]- 2005年全國射線檢測技術及加速器檢測設備和應用技術交流會
在湖南省教育廳的支持下，國防科學技術大學航天科學與工程學院(簡稱國防科大)與株洲時代新材料科技股份有限公司（簡稱時代新材)合作建立了湖南省復合材料研究生培養創新基地，探索聯合培養材料科學與工程領域全日制碩士和博士研究生(課程學習在高校，課題研究在企業）、合辦工程碩士研究生班、合作培養博士后研究人員的模式和方法。筆者正是該創新基地培養的博士研究生，現作為教員，對校企聯合培養博士研究生的探索和實踐，有些微體會。
一、產學研深度融合是校企聯合培養共贏的基礎
校企聯合培養追求“高校一企業一學生”共贏的目標。理論上，共贏目標的愿景無限美好，但實際上國內外不斷實踐和探索的結果卻不盡如人意，原因在于、共贏”必須以產學研深度融合為基礎。深度融合，則“共贏”枝繁葉茂;不然，則空空如也。
根據邢素麗等人的論述，產學研深度融合應包括:（1)需融學科和產業、學問和技術、基礎研究與工程應用內涵于一體；（2)需融高校科研、企業課題、國家和省課題內涵于一體;（3)需融高校學科優勢、企業需求內涵于一體;（4)需融新技術、新需求、新理論、新應用內涵于一體。在產學研深度融合的基礎上，以研究生培養創新基地為平臺，發揮校企各自優勢，促進不同領域、不同范疇、不同層次等之間的融合，為研究生營造創新環境、激活創新動力、提升創新水平、增強創新能力。
國防科大與時代新材料，以共同研發兆瓦級復合材料葉片為契機，深度合作，聯合培養博士研究生，實現共贏。兆瓦級復合材料葉片研發需要解決四大關鍵技術:氣動布局、結構、制備和全尺寸測試。氣動布局直接關系葉片捕捉風能的效率和風能的利用率;合理的結構設計是確保葉片安全運行20年的保證;葉片效能的最終實現，關鍵在于如何制備出質量穩定的兆瓦級復合材料風電葉片，難點包括模具設計與制備、工藝設計與實現、制備控制與效率等，稍有不慎，整個葉片制備失敗或質量差下，動輒就是百萬級別的經濟損失；制備完成后，在國際認證機構(例如船級社）的監視下，完成全尺寸靜力測試和疲勞測試考核，才能獲得市場準人資格。
國防科大充分利用自己氣動設計、結構設計、大尺寸復合材料整體成型制備和大型構件全尺寸測試等方面的學科優勢，結合時代新材資金、場地和人力，共同研發了1.5~4.0MW、低風速型、超長型、海上超大型等多款兆瓦級復合材料風電葉片并實現產業化，目前相關產品巳在國內外50多個風場裝機運行，為國家新能源戰略計劃做出了重大貢獻。該項目校企聯合培養的博士研究生(筆者)全程參與了兆瓦級復合材料風電葉片氣動設計、結構設計、成型制備和全尺寸測試的所有工作，涉及空氣動力學、結構力學、復合材料力學、流體力學、復合材料學、流變學、熱力學、化學等多學科知識，理論知識在工程實踐中得到了很好的應用，同時以超大型碳纖維復合材料風電葉片為研究背景，針對結構設計和成型制備過程中的物理、化學變化機制，發表學術論文10余篇(其中SCI源刊8篇，EI源刊6篇），申請國家發明10余項，獲湖南省科技進步一等獎1項，順利完成博士畢業論文研究，相關研究成果支撐了2項科技鑒定成果。高校一企業一學生三方共贏，其根本原因就是校企合一，深度融合！
校企聯合培養博士研究生通常是兩段式，即課程學習階段在高校進行，完成基礎理論課程學習；學位論文培養階段在企業進行，參與企業科研項目，完成學位論文。學位論文階段，如果沒有產學研深度融合，博士生難以順利完成學位論文研究。困難主要是人、財、物三方面的保障問題，此問題對于材料科學與工程專業尤為突出。博士生在企業進行課題研究，往往是單槍匹馬，企業的性質決定了難以給博士生配備助手，而很多論文的實驗研究是必須有幫手才能完成。比如，我們采用光學測試系統監測大型風電葉片極限載荷下的變形，需要十幾個助手才能完成，在企業往往一個助手都沒有，如果不是深度合作，此類實驗就無法完成。此外，材料學科開展研究通常需要購買大量的原材料，購買原材料的資金誰出，如果沒有明確，學生就不知所然，如果高校出，學生只能通過高校購買平臺進行購買，來回奔波，疲于奔命，浪費大量的精力和時間;假設企業出資，如果需要層層審批和控制，以學生一己之力，難以協調。因此，校企聯合培養，深度合作，解決博士生資金和資金使用問題，是保證其論文課題順利開展的前提。
二、雙導師制是校企聯合培養成功的保障
校企聯合培養，采取雙導師制培養方式，即由校方導師與企方導師組成導師組共同指導研究生。校方導師為主導師，企方導師為副導師。校企聯合培養課題論文階段在企業完成，這種雙導師制，很好地解決了導師隨時指導、監督和協調的難題，可以確保校企聯合培養研究生(包括碩士生和博士生)順利完成論文研究。
兩導師的分工，有專家提出，選題確定后，由企方導師負責工作安排、現場學術指導、學位論文的初審；校方導師根據研究生論文題目及培養人才的需要，負責研究生培養計劃的制定、學術指導、論文審閱與組織論文答辯等工作。校企雙方導師及時交流，共同解決在創新基地研究生的科研和生活中出現的問題。學生每月按時向校企雙方導師匯報工作學習情況，雙方導師填寫《指導情況記錄表》，及時指導學生。這樣，既保證了研究生培養要求，又充分發揮企業優勢，加強科研實際訓練，提高研究生的理論與實踐能力。
以親身經歷而言，兩導師的分工，筆者有不同的看法。企方導師的精力首先是以企業為主，負責企業的各種任務，目前令人尷尬的情況是:企方導師根本無暇顧及學生論文的指導，更別談負責工作安排、現場學術指導和學位論文的初審。因此，筆者認為，校方導師不僅要負責研究生培養計劃的制定、學術指導、論文審閱與組織論文答辯等工作，還要負責工作安排。這肯定有人會問，如果這樣是不是就不需要企方導師了？答案是當然需要，而且非常必要，只是角色定位應該是負責人、財、物的協調，保證學生論文的順利開展。人、財、物的協調對于學生開展論文工作至關重要，而且對于企方導師來說，往往易如反掌。研究生，特別是博士研究生，通常都具有高度的自覺性，每周或每月定期向校方導師匯報論文進展情況，完全可以做到積極主動，這樣校方導師綜合研究的學術和應用價值，與學生一起討論制定研究方案、工作安排也是水到渠成的事，而且高效可行。
雙導師制是一種很好的校企聯合培養模式，但必須結合實際情況，合理分工，才能保障校企聯合培養的成功，否則，就是紙上談兵，空談誤人。
三、完備的創新平臺是校企聯合培養可行的前提條件
有了產學研深度融合的基礎、雙導師制度的保障，校企聯合培養博士研究生是否可行，還取決于一個重要條件一一完備的創新平臺。
國防科大與時代新材校企聯合培養博士研究生，之所以行之有效，一個重要的前提條件就是時代新材擁有一個新材料檢測中心，該中心具有材料科學與工程專業實驗研究所需的多數檢測設備和系統，即便是需要搭建平臺，該中心也能快速完成。筆者博士論文涉及的實驗和檢測，幾乎都是在該中心完成。假設時代新材沒有該檢測中心，即使是簡單的力學性能測試都需要在高校完成，那么學生必然疲于奔波，留給論文研究和項目開發的時間還會剩多少？因此，一個開展論文課題研究所需的創新平臺，對于校企聯合培養博士研究生，實在是太必要了！如果沒有，筆者建議不要輕易提校企聯合培養，高校和導師要慎之又慎，以免誤人子弟！
四、結語
1、尺寸效應
當超細微粒的尺寸與光波波長、德布羅意波長以及超導態的相干長度或投射深度等物理特征尺寸相當或更小時，晶體的邊界條件將被破壞，非晶態納米微粒的顆粒表面附近原子密度減小，導致聲、光電、磁、熱、力學等特性呈現出新的小尺寸效應。如當顆粒的粒徑降到納米級時，材料的磁性就會發生很大變化，如一般鐵的矯頑力約為80A/m，而直徑小于20nm的鐵，其矯頑力卻增加了1000倍。若將納米粒子添加到聚合物中，不但可以改善聚合物的力學性能，甚至還可以賦予其新性能。
2、表面效應
一般隨著微粒尺寸的減小，微粒中表面原子與原子總數之比將會增加，表面積也將會增大，從而引起材料性能的變化，這就是納米粒子的表面效應。
納米微粒尺寸d（nm）包含總原子表面原子所占比例（%）103×1042044×1034022.5×1028013099從表1中可以看出，隨著納米粒子粒徑的減小，表面原子所占比例急劇增加。由于表面原子數增多，原子配位不足及高的表面能，使這些表面原子具有高的活性，很容易與其它原子結合。若將納米粒子添加到高聚物中，這些具有不飽和性質的表面原子就很容易同高聚物分子鏈段發生物理化學作用。
3、量子隧道效應
微觀粒子貫穿勢壘的能力稱為隧道效應。納米粒子的磁化強度等也具有隧道效應，它們可以穿越宏觀系統的勢壘而產生變化，這稱為納米粒子的宏觀量子隧道效應。它的研究對基礎研究及實際應用，如導電、導磁高聚物、微波吸收高聚物等，都具有重要意義。
二、高聚物/納米復合材料的技術進展
對于高聚物/納米復合材料的研究十分廣泛，按納米粒子種類的不同可把高聚物/納米復合材料分為以下幾類：
1、高聚物/粘土納米復合材料
由于層狀無機物在一定驅動力作用下能碎裂成納米尺寸的結構微區，其片層間距一般為納米級，它不僅可讓聚合物嵌入夾層，形成“嵌入納米復合材料”，還可使片層均勻分散于聚合物中形成“層離納米復合材料”。其中粘土易與有機陽離子發生交換反應，具有的親油性甚至可引入與聚合物發生反應的官能團來提高其粘結。其制備的技術有插層法和剝離法，插層法是預先對粘土片層間進行插層處理后，制成“嵌入納米復合材料”，而剝離法則是采用一些手段對粘土片層直接進行剝離，形成“層離納米復合材料”。
2、高聚物/剛性納米粒子復合材料
用剛性納米粒子對力學性能有一定脆性的聚合物增韌是改善其力學性能的另一種可行性方法。隨著無機粒子微細化技術和粒子表面處理技術的發展，特別是近年來納米級無機粒子的出現，塑料的增韌徹底沖破了以往在塑料中加入橡膠類彈性體的做法。采用納米剛性粒子填充不僅會使韌性、強度得到提高，而且其性價比也將是不能比擬的。
3、高聚物/碳納米管復合材料
碳納米管于1991年由S.Iijima發現，其直徑比碳纖維小數千倍，其主要用途之一是作為聚合物復合材料的增強材料。
碳納米管的力學性能相當突出。現已測出碳納米管的強度實驗值為30－50GPa。盡管碳納米管的強度高，脆性卻不象碳纖維那樣高。碳纖維在約1%變形時就會斷裂，而碳納米管要到約18%變形時才斷裂。碳納米管的層間剪切強度高達500MPa，比傳統碳纖維增強環氧樹脂復合材料高一個數量級。
伴隨著科學技術的蓬勃發展，地球上原有的材料已經不能滿足人類的需求，正是在這種情況下，復合材料應運而生。復合材料通過將兩種以及兩種以上的物質進行融合而產生出一種新型的可以被人類運用的材料。伴隨著復合材料性能的不斷改善以及功能的不斷變化，一部分復合材料已經可以被運用到微波工程領域之中，并對微波工程起到巨大的作用。
一、微波及微波的特性
微波是電磁波的一種。微波的波長在1毫米到1米之間，微波的頻率為300MHz―300GHz。微波的基本性質通常呈現為穿透、反射、吸收三個特性。相較于其它波段的電磁波，微波具有以下幾個顯著的特征：（一）微波的穿透性。區別于其它輻射加熱的電磁波，如紅外線、遠紅外線等，微波的波長更長，具有更強的穿透性。微波透入物體時，能與物體分子相互作用使分子產生震動，當微波頻率為2450兆赫茲時，可使物體的分子每秒產生24億次以上的震動。動能轉化為熱能，從而使物體的溫度達到整體上的同時升溫，避免了物體在進行熱傳導時的熱量損耗。同時，由于物體在加熱過程中不會出現熱傳導現象，從而大大縮短了物體的加熱時間。（二）微波對不同的物體體現出不同的加熱效果。由于微波穿越不同物質時，微波對于不同物質的震動會產生不同的影響，這就使得了微波在加熱過程中具備了加熱選擇性的特征。當微波穿越玻璃、塑料和瓷器等物體時，微波幾乎是穿越而不被吸收；當微波穿越水和食物等物體時，這些物體會受到微波的影響而自身產生熱量；當微波穿越金屬類物體時，微波則會被完整的反射回來。家中常用的微波爐加熱物體正是利用了這種原理。微波爐的外殼采用金屬類物體，避免了微波爐加熱時，微波穿透微波爐外壁對周圍的物體產生影響；加熱的物體大多含有豐富的水分子，保證了物體整體的熱量；盛放物體的容器大都為塑料和瓷器類物體，當微波穿越這些物體是，幾乎不會被吸收?？梢?，微波對不同的物體體現出不同的加熱效果。（三）微波的信息性。相比較于低頻無線電波，由于微波具有非常高的頻率，這就使得在狹小的相對帶寬下，微波可用的頻帶非常廣，可以達到數百甚至上千兆赫茲。這就意味著在同樣的條件下，微波可以攜帶的信息容量要遠遠大于低頻無線電波。因此，目前國際上所使用的現代多路通信系統，包括衛星通信系統，幾乎無例外都是工作在微波波段。同時，微波信號還可以提供相位信息、極化信息以及多普勒頻率信息，這些信息可以幫助人類更好的對目標進行檢測和對遙感目標的特征進行分析。
二、復合材料的定義
復合材料（Composite materials），是指由兩種或兩種以上不同性質的材料，通過物理或化學的方法，在宏觀上組成具有新性能的材料。各種材料在性能上互相取長補短，產生協同效應，使復合材料的綜合性能優于原組成材料而滿足各種不同的要求。
三、復合材料在微波工程中的應用
（一）金紅石陶瓷一玻璃復合介質
金紅石陶瓷結構作為應用的最廣泛的微波介質正被廣泛的應用于各種微波工程之中。金紅石陶瓷結構本身所具有的相對介電常數大、微波插人損耗小以及溫度穩定性好等特性也是微波工程選用此類結構的主要因素。但是單組分金紅石陶瓷結構本身較為疏松，其機械強度較差，基本上不能對其進行機械加工，因此以前該結構的運用受到了很大的限制。
隨著復合材料技術的不斷進步，一種新型的可以提高金紅石陶瓷結構致密度，同時可以改善其機械強度，使其能進行機械加工的復合材料被研發出來。其基本指導思想如下：由于微波具有穿透性的特點，當微波遇到玻璃、塑料和瓷器的物體時，微波幾乎是穿越而不被吸收，如果能將金紅石陶瓷與玻璃進行復合，則可以在不降低金紅石陶瓷結構本身正常工作的情況下，提高金紅石陶瓷結構致密度并改善其機械強度，其達到能進行機械加工的目的。
首先，將CaO， B2O3和SiO2按一定比例進行配料、球磨后，在1320℃的高溫下燒結后制成玻璃粉；然后把制成的玻璃粉與由ZnO和SiO2在1320℃的高溫下生成的硅酸鋅粉按一定比例混合并進行球磨、過篩，生成玻璃相；最后將玻璃相與TiO2、ZnO、CaF2、BaCO3以及ZrO2等按配方配制，經過嚴格的工藝流程、球磨、成型以及在940℃的溫度下燒結，生成金紅石陶瓷一玻璃復合介質。這種復合介質既保留了金紅石陶瓷的特征，又有好的機械強度和硬度。這種材料的相對介電常數約為100，當部分填充工作在米波波段的高功率微波終端時，能使高功率微波終端沿傳輸方向300mm的幾何長度就能獲得約2.5m的電長度，有效地縮小了體積，滿足了微波工程的實際應用需要。
（二）鐵氧體-陶瓷復合材料。雷達作為現代最重要的通信工具誕生于20世紀40年代。其工作原理是：雷達發射機通過天線把電磁波能量射向空間某一方向，處在此方向上的物體反射碰到的電磁波；雷達天線接收此反射波，送至接收設備進行處理，提取有關該物體的信息。
為確保雷達在某一時點向某一方向發射電磁波時，不會同時向其它方向發射電磁波，這就需要在發射電磁波方向的反方向具有很強的吸收微波作用的物質。在雷達運用的早期，通常選用錳鋅軟磁鐵氧體和鎳鋅軟磁鐵氧體作為吸波材料。兩種材料在雷達工作時具有高磁導率、高電阻率、低損耗等特點，且成本低廉。
然而，由于錳鋅和鎳鋅都屬于金屬類產品，對微波具有反射作用，而影響到微波吸收率，從而干擾到雷達電波的準確程度。
隨著復合材料的發展，人們逐漸意識到：如果能夠使用幾乎對微波不會產生任何影響的陶瓷取代傳統的鐵氧體材料，這種局面也許能打破，一種新型的鐵氧體-陶瓷復合材料應運而生。這種復合材料的微波阻抗在很寬的頻帶范圍內幾乎不發生變化，使用這種新型材料設計制造的天線和微波類傳輸線等器材在實際應用中都產生了非常好的使用效果。
（三）選擇性透波復合材料
隨著我國經濟的發展，我國的綜合國力得到了顯著的增強。我國的航空航天事業及軍工事業也得到了非常快速的發展。在此基礎上，我國對于透波材料的需求，尤其是選擇性透波復合材料的需求也不斷上升。透波材料在航空航天領域中具有重要的地位，是航空航天器材所不可缺少的重要外部材料。當航空飛行器在遇到惡劣飛行氣候或是在通信環境非常惡劣的條件時，透波材料可以保證航空飛行器的通訊、遙測等系統的正常運轉。同時在運載火箭、宇宙飛船等領域也有重要的作用。伴隨著技術的進步，新型的選擇性透波復合材料正成為業界所關注的重點。選擇性透波復合材料是對頻率選擇表面技術同復合材料相結合，從而產生的一種新型的材料工藝。選擇性透波復合材料對行器的隱形技術有著重大的貢獻，它可以在保證飛行器自身通訊正常工作的情況下，屏蔽其他外來電磁波對飛行器的偵查和干擾等。結論：隨著復合材料技術的不斷進步，各種穿透性好、透波性能好的復合材料相繼問世。由于納米材料的研制成功及其應用技術的發展，新型功能劑不斷出現，，透波、吸波性能越來越高。這些都極大地提高了復合材料在微波工程中的使用范圍，增強了微波工程的使用效果。相信在不就的將來，復合材料在微波工程中的應用將越來越廣泛，復合材料所起到的效果也將越來越重要。
參考文獻
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為了實施素質教育，許多高校相繼實行了選修課制度。選修課的廣泛開設為學生綜合素質的提高和個性發展提供了廣闊的空間，選修課的建設和完善成為高校教學改革深化的重要環節[1]?！稄秃喜牧细耪摗氛n是材料類非復合材料專業開設的一門專業選修課，課程的開設一方面有利于學生擴充知識面，拓寬專業口徑、強化其創新精神，培養其創造性思維和初步科研能力，另一方面，可以直接提升學生的競爭力、拓寬大學生就業渠道。
一、教學過程中存在的問題
作為一門選修課，《復合材料概論》課的特點是知識量大，內容繁雜，且課程內容涉及有機材料，與學生所學的專業差異性較大，教學過程中存在很多問題。首先，由于是選修課，課程名稱是“概論”，學生往往重視程度不夠；其次，課程內容多，課時量少，無法將知識點展開講，加上學生沒有相應的基礎知識，在學習過程中難以深入，不知道如何理順知識體系，對有些關鍵知識點難以理解，有些無所適從；課程內容多為陳述性的內容，缺少以核心理論、定理、公式等為背景的知識體系，計算的東西少，敘述性的內容多，使得教師的授課很容易陷入平鋪直敘的乏味陳述中，這些問題直接影響了教學效果。
二、《復合材料概論》課程的改革
（一）教學內容的調整。
《復合材料概論》課的特點是內容多，目前選用的教材包含17章內容，按照學校關于選修課教學課時的規定，配備課時數已經達到64節的上限。根據學科特點，課程組大膽創新，積極改革，除保留出4個課時進行復結外，把其余60課時分為兩大部分，其中課程教學40個課時，科研實踐20個課時。但是在40課時內很難完成全部“基本內容” 的課程教學任務。為此我們對教材章節進行結構上合并處理和內容上的歸納優化，處理后的內容僅保留緒論、復合材料的基體材料、復合材料的增強材料、復合材料的界面、聚合物基復合材料、金屬基復合材料、陶瓷基復合材料、水泥基復合材料、碳/碳復合材料和混雜纖維復合材料等十章內容。此外在實用、實際、實效原則的基礎上， 大膽地刪掉一些過時的、落后于目前材料發展水平的舊知識， 引入材料科學的最新研究成果，及時地、有選擇地補充最新研究成果， 使教學內容處于動態的優化過程中。
在20課時的科研實踐中，教師對學生創新能力做最有效的培養和鍛煉，結合自身的科研課題， 積極吸納學生參與， 由老師提出研究項目， 學生選擇課題確定后查找資料、設計實驗方案、按方案完成實驗、發表科研論文。這種方式在科研實踐中提高了學生的綜合、創新能力。
（二）教學方法的改革。
要實現教學重心的轉移，充分激發學生的學習興趣，發揮主觀能動性，改變以往滿堂灌的做法，摒棄注入灌輸、死記硬背的教學方法。實踐中，課題組采取多種措施進行教學方法的改革，使學生主動的學習。首先幫助學生理出知識脈絡， 做到雜而不亂。在本課程的緒論部分， 就幫助學生整理出知識的脈絡，告訴學生《復合材料概論》課程中的每種材料學習過程中都有一個知識結構， 那就是材料的成分、材料的結構、材料的性能、生產工藝、技術性質及應用。在分章節講授每種材料的具體內容時， 有意識提醒學生對上述知識結構進行自我的理解和把握，樣經過前幾種材料的講授， 學生基本上就可以形成對知識結構體系整體的認識和把握能力。
另外，大學課堂教學的特點是信息密度大、內容高度抽象， 這就要求教師要通過努力發掘學科本身的理論魅力去激發學生的求知欲， 重視非智力心理因素在教學中的作用。要讓學生在聽課中充滿激情， 教師自己在講授時就要充滿激情。要做到這一點， 就要深入鉆研本門課程的理論和應用， 以及學科的發展歷史和背景。教師鉆研得越深入，就會對自己所教的這門課程越有感情，就越能深入揭示這門學科的思想魅力和理論力量，并以此去感染學生，來充分調動學生的探求欲。
（三） 教學手段的豐富。
對沒有工程經驗、甚至對某種材料沒有任何感性認識的學生而言， 在教學活動中大談特談該材料的性質如何， 怎么檢測和使用， 他們只能根據想象來理解， 然后把教材的內容死記硬背， 這樣的教學效果肯定不太理想。多媒體投影教學在這個方面彌補了傳統教學手段的不足。利用制作好的課件， 不但可以使學生看到材料的照片、試驗儀器的樣子， 而且可以將一些材料應用過程中的圖片介紹給學生， 使學生真正體會到復合材料的應用效果。
（四）課程考核方法的改革。
考核是檢查、評價學生水準和才智的一種方法， 是教學的重要環節。通過它可以檢測學生對所學課程教學大綱規定的掌握知識的情況， 檢驗教師的教學質量和教學效果， 促進教師改進教學方法。傳統教學方式中考試是作為成績評定的重要依據， 考試成為了教師手里一根重要的指揮棒， 同時對學生的學習也起了重要的引導作用， 考試后關心的是分數， 導致學生只看重考試的結果， 成績成為學習的目的。最近幾年，對《復合材料概論》這門專業選修課，我們采用綜合考核， 靈活應試的辦法來測驗學生掌握這門課的水平。除期末考試之外，象課堂發言和討論、書面作業和科研小論文都作為成績重要的組成部分，這種多樣化的考核手段的內容包括加強課堂提問、 加強平時考核、敘述自己的對課題的認識、加強期末考試的科學性客觀性和有效性等
三、結束語
