复合材料科学与工程

许培俊, 王乾, 郑欣, 李寒煜, 郭新良, 刘荣海

2024, 0(11): 5-13. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20241128.001

摘要 ( 50 )

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纤维增强环氧树脂比重小,比强度高,固化收缩率低,耐腐蚀性能优异,被广泛应用于航空航天等领域。受到特殊加工工艺和电子电力行业散热需求的影响,产品对材料导热性能的要求日益严格。本研究以阻燃聚氨酯开孔泡沫(PUF)为模板,在其中引入纳米氮化硼(BNNS)进行改性,并采用浸渍-热压成型法制得低填充氮化硼-聚氨酯/玻纤/环氧导热复合材料,以研究不同BNNS用量对复合材料热性能和电气性能的影响。结果表明,BNNS原位生长在PUF的三维骨架表面,随着BNNS用量的增加,复合材料的热性能显著提高。当氮化硼纳米片含量为1vol%时,复合材料热导率可达0.53 W/(m·K),提高了103%,同时其线膨胀系数降低了77.6%。当BNNS含量为0.5vol%时,复合材料玻璃化转变温度提升了13.5 ℃,并具有最佳的热稳定性和力学性能。此外,得益于氮化硼自身优异的绝缘性,复合材料的体积电阻率提升至7.2×10¹⁵ Ω·cm,且耐电弧性能也有明显提升。

硅酸钠为前驱体的SiO₂气凝胶制备及性能研究

徐长伟, 孙沈涵, 张忠伦, 王明铭

2024, 0(11): 14-21. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20241128.002

摘要 ( 38 )

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本实验以硅酸钠为硅源,采用常压干燥的方式来制备SiO₂气凝胶。主要探究不同硅酸钠质量分数、化学干燥剂掺入量对SiO₂气凝胶振实密度、比表面积、孔容孔径、微观结构等指标的影响。通过水洗法去除其中的Na⁺,确定了最佳的水洗效率,并分析Na⁺对气凝胶性能产生的影响。结果表明:当硅酸钠质量分数为7wt%时,制备出的气凝胶性能较为优异,具体表现为凝胶时间较短(3 min),振实密度可低至0.209 g/cm³,孔隙率较高(90.5%)。当n(DCCA)∶n(Si)=2∶1时,气凝胶有着较大的比表面积(531.69 m²/g)与较高的总孔体积(2.51 ml/g),且孔结构也最为均匀。水洗去除Na⁺时,应将水洗温度控制在50 ℃左右,用水量控制在15倍体积水左右,洗四次即可去除97.24%的Na⁺。最后发现残留的Na⁺会对SiO₂气凝胶的密度和导热系数产生负面影响,因此除Na⁺工艺非常重要。

玻/碳混杂纤维复合材料加筋板的屈曲和后屈曲分析

孙双双, 王修刚, 王强强

2024, 0(11): 22-33. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20241128.003

摘要 ( 54 )

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对玻/碳混杂纤维复合材料加筋板进行了研究,借助有限元软件ABAQUS对加筋板的屈曲载荷和极限承载能力进行了计算,讨论了筋条截面形式、筋条数量、筋条尺寸对复合材料加筋板屈曲载荷的影响,研究了后屈曲阶段结构的载荷-位移曲线以及损伤失效模式。结果表明:工字形加筋方式优于J形和T形加筋方式。相同的加筋方式下,玻/碳夹芯混杂纤维复合材料加筋板的抗屈曲能力优于层间混杂复合材料加筋板抗屈曲能力。三种加筋方式下,结构的屈曲载荷均随着筋条数量的增加而提高,且筋条数目为3时提升效率最大;筋条高度为10 mm时对结构抗屈曲能力的提高效率最高,上缘条宽度和下缘条宽度对屈曲载荷的影响较小。此外,后屈曲失效模式主要为基体的拉伸损伤失效和纤维的压缩损伤失效,损伤的区域和趋势主要与纤维铺设角度和铺设顺序有关。

复合材料正弦型波纹板的等效刚度

汪厚冰, 屈天骄, 成李南, 魏景超, 李新祥, 朱强

2024, 0(11): 34-42. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20241128.004

摘要 ( 45 )

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基于复合材料均质化理论,把碳纤维/树脂基复合材料(CFRP)正弦型波纹板等效成正交各向异性板,根据应变能守恒原理,建立等效的正交各向异性板刚度矩阵中各个刚度分量的计算方法。利用有限元方法,建立复合材料正弦型波纹板的代表单元模型,根据复合材料层压板本构方程,通过构造六种边界条件,对刚度分量的理论计算方法进行了验证。验证结果表明,理论计算结果与有限元模拟结果具有较好的一致性。利用验证的刚度计算方法研究了控制正弦型波纹板形状的两个主要几何参数(半高和半波长)对波纹板刚度的影响,并将某一波纹板的等效刚度与其构成的层压板刚度进行了对比研究,结果表明:半高和半波长对波纹板刚度分量的影响均呈非线性;相对于层压板,波纹板在波纹方向的拉伸刚度大幅降低,在垂直波纹方向的弯曲刚度大幅升高。

基于逐层失效模式的复合材料层合板随机振动疲劳寿命预测

沙梓祥, 蹇越傲, 蔡登安, 周光明

2024, 0(11): 43-49. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20241128.005

摘要 ( 67 )

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本研究采用试验与仿真相结合的方法,对复合材料层合板的随机振动疲劳寿命进行了深入研究。通过振动台进行复合材料层合板的振动疲劳试验,并利用激光测振仪实时监测和跟踪层合板固有频率,从而获取其随机振动疲劳寿命。同时,建立了有限元数值分析模型,在随机激励下计算了结构的随机振动等效应力功率谱密度函数。结合Dirlik概率密度函数,获得了单层层合板失效时的疲劳寿命。然后将层合板的失效过程模拟为刚度逐层退化,应力不断重新分布,损伤不断累积,直至最终整体失效的过程。研究结果显示,有限元计算得到的寿命结果与振动疲劳试验结果的误差在工程允许范围内。由此可知,本文提供了一种可行的方法,为进一步振动疲劳寿命试验研究提供了参考。

一种用于复合材料层合板螺栓连接结构强度分析的方法

倪凯强, 孟毛毛, 徐一新

2024, 0(11): 50-55. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20241128.006

摘要 ( 83 )

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提出一种基于ABAQUS软件平台的自定义单元开发方法,使用该方法建立的二维有限元模型可以模拟复合材料螺栓连接结构完整的非线性力学行为。通过拟合单钉连接结构的载荷-位移曲线确定自定义单元的单元行为,将自定义单元应用于多钉连接结构的二维有限元模型中,研究其钉载分布与极限强度。与试验结果的对比表明,模型计算结果能够准确预测多钉连接结构的钉载分布、损伤演化和极限强度。该方法结果可靠,计算效率高,适用于复合材料层合板多钉连接结构的工程计算分析。

PPU原位封闭合成酚醛树脂及其阻尼性能研究

张红颖, 夏绍灵, 刘聪, 裴云亮, 郭煜

2024, 0(11): 56-61. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20241128.007

摘要 ( 72 )

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以苯酚和甲醛为原料,将聚氨酯预聚体(PPU)以原位封闭的方法引入酚醛树脂(PF),成功合成PPU改性PF。通过红外光谱法(FTIR)和差示扫描量热法(DSC)研究了改性树脂与PPU的化学结构与性质,通过电子万能试验机和单臂摆锤冲击试验机研究了PPU添加量对改性树脂力学性能的影响,并用扫描电镜(SEM)对断裂面形貌进行了分析,还通过热重分析(TG)和动态热机械分析仪(DMA)测试了改性树脂的热性能与阻尼性能。结果表明:随PPU添加量的增加,改性树脂力学性能与T_g先升高后降低,当PPU添加量为10%时,改性树脂的力学性能最优,有明显增韧作用。所有PPU改性的酚醛树脂的阻尼性能均明显提高。

复合材料防护箱体隔热设计与分析

秦梓凯, 邱睿, 曹清林, 郭平安

2024, 0(11): 62-68. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20241128.008

摘要 ( 51 )

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针对某户外设备钢制防护箱,参考国家军用行业标准,综合考虑环境温度和太阳辐射随时间的变化,以及风速自然对流对散热的影响,设计一种“玻璃纤维+聚氨酯+玻璃纤维”复合材料夹芯式结构箱体,基于现有试验数据对瞬态分析方法有效性进行验证,再对户外箱体进行瞬态热分析,并优化箱体壁厚。与金属箱体相比,复合材料箱内空气最高温度由78 ℃降低至45 ℃,降幅达41.6%,满足了箱内空气低于50 ℃的隔热设计条件,同时实现减重10.6%。

风力机叶片结构拓扑与铺层分级优化设计研究

汪泉, 夏威, 杨建忠, 徐唐杰, 王冯云

2024, 0(11): 69-75. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20241128.009

摘要 ( 92 )

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针对目前大型风力机叶片拓扑结构与内部铺层参数相互独立设计,导致不能最大限度地降低叶片重量的问题,本文提出风力机叶片结构拓扑与铺层参数分级优化的设计策略。以5 MW风力机叶片为优化对象,考虑七种极限载荷工况,基于密度法对叶片进行拓扑结构优化。第一级优化结果显示叶片具有主梁非对称及腹板偏移等特性。将拓扑结构参数与材料铺层参数作为第二级优化变量,将叶片重量最小作为优化目标,以蔡-吴(Tsai-Wu)失效因子、叶尖位移、固有频率作为约束条件,利用粒子群算法对叶片拓扑结构和铺层参数进行联合优化。结果表明:与参考叶片相比,在满足叶片结构强度及变形条件下,叶片重量减少了12.1%,叶尖位移减少了9.5%。本研究对于风电叶片轻量化设计具有重要的参考价值。

超薄UHMWPE纤维插层对碳纤维层合板力学性能的影响

宗文波, 张竹青, 吴怡晓, 张峻滔, 梁霞, 吴海宏

2024, 0(11): 76-81. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20241128.010

摘要 ( 87 )

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为了提高超薄碳纤维复合材料单向层合板(UDLs)的延展性,本文制备了同等厚度的CF/UHMWPE混杂单向层合板和超薄碳纤维单向层合板,并测试两种层合板的力学性能,观测试样拉伸断裂后断口的微观形貌。结果表明:CF/UHMWPE混杂单向层合板平均抗拉强度达到1 695 MPa,在发生拉伸损伤后,UDL仍然具有1 560 MPa载荷持续作用10 s的承载能力。与超薄碳纤维层合板相比,混杂单向层合板虽然平均拉伸强度降低了11.6%,但其平均伸长率提高了7.1%。混杂试样在拉伸测试时没有出现脆断破坏,其宏观拉伸断口形貌中的劈裂现象有所减少。混杂单向层合板的抗拉强度降低与碳纤维的体积分数减小有关,但作为插层结构的UHMWPE纤维提高了混杂单向层合板的伸长率。微观结构上,超薄UHMWPE纤维插层阻碍相邻碳纤维层的脆性破坏,抑制了层合板中裂纹的产生以及扩展,从而提高了层合板整体的延展性。实验结果为进一步开发和设计高延展性混杂复合材料提供了基础。

新型封闭式复丝缠绕CFRP箍筋抗拉强度正交试验研究

宋岩超, 蒋济同

2024, 0(11): 82-87. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20241128.011

摘要 ( 45 )

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提出了一种新型CFRP箍筋的制作工艺,设计并制作了新型封闭式复丝缠绕CFRP箍筋,特点是碳纤维复丝直接缠绕,避免了弯折处褶皱带来的箍筋抗拉强度弱的问题,改良了传统拉挤成型的FRP箍筋在弯折处的性能,并采用正交试验法分析弯折半径、复丝层数、箍筋宽度、混凝土强度对CFRP箍筋弯折处抗拉强度的影响。研究结果表明:复丝层数是影响新型封闭式复丝缠绕CFRP箍筋弯折处抗拉强度的最大因素,并且与箍筋弯折处抗拉强度成反比;箍筋宽度与弯折半径增加,箍筋抗拉强度增大,两者近似呈正相关线性关系;混凝土强度对箍筋弯折处抗拉强度影响不明显,无明显规律。结果表明,新型工艺与传统工艺相比,明显提高了抗拉强度,有良好的工程应用前景。

超支化聚酰亚胺上浆剂对碳纤维增强聚醚醚酮复合材料力学性能的影响

朱敏杰, 魏陇沙, 孔文锋, 晏义伍

2024, 0(11): 88-91. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20241128.012

摘要 ( 71 )

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聚醚醚酮(PEEK)性能优异,但是由于其分子链段呈惰性,在与碳纤维复合时无法形成化学键相互作用,导致界面强度较低。针对该问题,首先通过两步法制备得到超支化聚酰亚胺,随后利用化学接枝方法对碳纤维表面进行超支化聚酰亚胺的上浆改性处理,再将其与PEEK制备得到碳纤维增强PEEK复合材料,采用表面形貌、表面能、层间剪切强度、断面形貌等方法研究了上浆改性对复合材料性能的影响。结果表明:在超支化聚酰亚胺上浆后,碳纤维表面粗糙度提高,表面能提升至48.0 mN/m,并且表面能中的极性分量下降,表示其与非极性树脂的浸润性提升;与未改性前相比,改性后碳纤维增强PEEK复合材料的层间剪切强度和拉伸强度分别提高了52.4%、39.8%。

施工期FRPM管的变形率对管涵力学性能的影响研究

王嘉诚, 孙超, 胡立周, 贾莹洁, 王清洲

2024, 0(11): 92-99. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20241128.013

摘要 ( 47 )

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为了探究公路浅埋玻璃纤维增强塑料夹砂(FRPM)管涵洞施工阶段产生的累积变形对服役期承载能力的影响,结合管涵在路基填土施工阶段的现场荷载试验,建立了柔性FRPM涵洞的管-土相互作用数值计算模型,仿真研究三种填土高度、三种施工变形率对管涵环向应变、von Mises应力和管周土压力等力学参数的影响规律。结果表明,随着管涵变形率的增长,涵洞发生不规则的椭圆化形变,其受力模式由整体均匀受力转变为管涵上半部分尤其是管顶区域集中受载,涵顶范围内成为受力的最不利区域。在相同填土高度下,管涵的环向应变、von Mises应力值和管周土压力均随变形率的增大而显著增大,变形率越大,对管涵长期力学性能的不利影响越严重;填土厚度越大,涵洞所受交通荷载越小。施工阶段,通过管涵内部设置钢支撑装置等措施可有效减小涵洞变形率,有利于服役期内涵洞改善受力和提高耐久性。

复合绝缘横担大风工况有限元分析

蔡炜, 刘敬华, 吴雄, 李健, 孙启刚

2024, 0(11): 100-107. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20241128.014

摘要 ( 50 )

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近年来极端天气频繁发生,给电网的正常运行带来了极大的隐患,使用新型复合绝缘横担可有效提高输电线路的绝缘性能和抵抗强风的能力。本文针对110 kV复合绝缘横担结构,考察0°、90°、45°和60°风向下复合绝缘横担的位移和应力。研究结果表明:在设计风速为27 m/s时,复合绝缘横担整体稳定,连接可靠,最大位移发生在0°风向时的拉杆中部,达到16.95 mm,最大等效应力位于0°风向杆塔侧连接构件上,其值达到81.21 MPa。通过升降法改变风速,预测稳定运行的最大风速约为31 m/s,具有抵抗11级暴风的能力。

格构增强复合材料均匀轧辊的制备及性能研究

张斯纬, 胡业发, 王钧

2024, 0(11): 108-113. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20241128.015

摘要 ( 54 )

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随着染色效率的提高,传统笨重的金属轧辊逐渐被轻质高强的复合材料轧辊代替。轧染工艺使用的轧水轧车要求其轧辊具有线压力稳定、弯曲刚度高的特点。本文采用格构增强复合材料代替传统金属材料,选用圆截面型材和方截面型材制造了格构结构,通过环向卷制工艺制备了蒙皮层,最终制得轻质高刚的复合材料均匀轧辊,通过ANSYS模拟仿真,分析了格构形式和蒙皮厚度变化对复合材料轧辊线压力的影响,通过低载三点弯曲和环向压缩表征了格构形式和蒙皮厚度对复合材料轧辊的弯曲刚度和侧压抗压刚度的影响。结果表明:蒙皮厚度相同时,圆截面格构对轧辊的线压力提升较大,同时,与方截面格构增强轧辊相比,圆截面格构增强轧辊的弯曲刚度和侧压刚度均更高。随着蒙皮厚度的增加,格构增强轧辊的比刚度增加,但增幅逐渐变缓。蒙皮厚度小于4 mm时,圆截面格构对比刚度的增强效果高于方截面的增强效果。

激光处理在风电叶片拉挤板中的应用研究

毛雅赛, 毛义梅, 彭冰冰, 穆加权

2024, 0(11): 114-119. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20241128.016

摘要 ( 47 )

PDF (3683KB) ( 40 )

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在风电叶片成型时,通常将拉挤板叠放于叶片蒙皮上,拉挤板和蒙皮之间及拉挤板之间的粘接通过灌注树脂完成,如果这两个界面粘接效果不好,则在叶片成型时存在脱黏的风险。以此为背景,本文研究了激光处理在风电叶片拉挤板中的应用,通过分析不同处理速度下板材拉剪性能、层间剪切性能(拉挤板+层合板)和表面形貌,来探究CO₂激光最佳处理速度,并比较了经激光处理和脱模布处理的拉挤板的表面官能团、粗糙度、力学性能和二次粘接性能。结果表明:当处理功率为100 W、处理速度为1 500 mm/s时,板材表面树脂被烧蚀掉,纤维裸露出来但未出现损伤,为试验最佳工艺参数组合。采用最佳激光工艺参数组合处理的拉挤板,获得与脱模布处理拉挤板相当的粗糙度、力学性能和二次粘接性能。激光表面处理技术处理速度快,有助于拉挤提速,可避免脱模布处理工艺造成的浪费和环境污染、不利于拉挤提速增效等缺点,为拉挤板表面处理工艺提供了新思路。

一种带外挂件复合材料燃烧室壳体一体化设计成型研究

占冬至, 李修明, 郑庆, 张建欣, 方冰, 肖军

2024, 0(11): 120-126. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20241128.017

摘要 ( 45 )

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传统机载导弹固体发动机弹翼/吊挂结构与燃烧室壳体的连接一般采用将弹翼/吊挂底座与壳体舱段或连接裙柱段焊接成型,吊挂/弹翼结构承载极限由焊缝强度决定;但传统成型方式已不适用于带金属吊挂结构的复合材料燃烧室壳体的成型,且轻质降本的空间有限。结合部分先进成型技术的工程化发展,针对上述问题,本文从壳体结构设计和成型方面提出了一种新型的带外挂件复合材料燃烧室壳体的一体化成型技术,并与常规带外挂件金属燃烧室壳体的设计与成型过程进行了对比分析,开展了验证复合材料壳体制备,并进行了相关承载性能及成型经济性分析,验证了该种成型技术的可行性,为后续机载/舰载导弹燃烧室复合材料壳体的成型提供了新的思路。

复合材料曲面结构件成型工艺对性能影响研究

孔娜, 王希杰, 李英志, 苟凯, 王增加

2024, 0(11): 127-132. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20241128.018

摘要 ( 59 )

PDF (7966KB) ( 45 )

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通过对无人机翼肋和隔框两种曲面结构件的研制及试验验证,研究成型工艺对复合材料曲面结构件的性能影响。为实现无人机轻量化需求,翼肋采用复合材料泡沫夹芯结构,其外轮廓为曲面,翼肋腹板有减重孔及连接孔,根据翼肋结构在复合材料泡沫夹芯面板上加工预制体,对于预制体边缘泡沫裸露区域,分别采用无封边、碳布封边、胶膜封边三种成型工艺制得翼肋。分别在气动力载荷与蒙皮张紧力载荷的作用下进行试验,并通过ABAQUS有限元分析软件平台进行位移数值分析,获得三种成型工艺的翼肋在两种载荷作用下的变形对比。结果表明,碳布与胶膜可以对复合材料曲面结构件的泡沫芯材起到保护作用,其中碳布封边的翼肋,即整体包覆式复合材料泡沫夹芯结构翼肋的强度和刚度最高。通过对机身隔框结构件的研制,进一步验证整体包覆式复合材料泡沫夹芯结构件的技术可行性。

纤维增强再生混凝土高温后力学性能研究进展

刘胜兵, 雷世杰

2024, 0(11): 133-142. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20241128.019

摘要 ( 55 )

PDF (3375KB) ( 50 )

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再生混凝土因节能环保、可循环利用,在土木工程中具有广阔的应用前景。不过再生混凝土存在强度低等固有缺陷,且经历火灾高温后,混凝土结构容易爆裂破坏,因此可采用掺加纤维的方式改善其高温后力学性能。本文在大量查阅国内外文献的基础上,基于纤维增强理论及混凝土高温劣化与损伤机理,总结了钢纤维、聚丙烯纤维、玄武岩纤维、玻璃纤维及混杂纤维等不同纤维增强再生混凝土高温后力学性能的研究成果,分析纤维种类与掺量、温度变化等因素对高温后纤维增强再生混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度、弹性模量等力学性能的影响,以及经历不同高温后,不同纤维对再生混凝土基体发挥增强作用的微细观机理,最后提出当前研究存在的问题和有待进一步研究的方向,为纤维增强再生混凝土高温后力学性能的理论研究和实际应用提供参考。

非晶合金纤维对混凝土性能影响研究进展

王兴国, 柳志炫, 龚健, 张向冈

2024, 0(11): 143-148. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20241128.020

摘要 ( 52 )

PDF (2753KB) ( 47 )

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随着我国基础建设需求的不断提高,以及海洋工程行业的高速发展,寻找可以增强混凝土性能的材料已成为建筑行业研究的一个热点。非晶合金纤维作为新型绿色材料,独特的制作工艺使其具有优异的力学性能和抗腐蚀性能,采用非晶合金纤维作为增强材料,可以改善混凝土的力学性能和耐久性能。但是目前国内外对于非晶合金纤维混凝土的研究甚少,且都处于研究的初级阶段。基于近年来非晶合金纤维增强混凝土的研究进展,分析总结了非晶合金纤维对混凝土力学性能、耐久性能以及耐高温性的影响,并揭示了非晶合金纤维用于混凝土的增强机理。最后,对非晶合金纤维混凝土未来的发展进行了展望。

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