4种结构用热断桥材料基本力学与热工性能试验*

龚 超 侯兆新 梁梓豪 吴兆旗 梁伟桥 方五军

(1.中冶建筑研究总院有限公司，北京 100088；2.中冶建筑研究总院(深圳)有限公司，广东深圳 518055；3.哈尔滨工业大学(深圳)土木与环境工程学院，广东深圳 518055；4.福州大学土木工程学院，福州 350108)

建筑围护结构中的一些部位，在室内外温差的作用下，形成热流相对密集、内表面温度较低的区域。这些部位成为传热较多的桥梁，称为热桥。建筑结构的热桥会造成建筑物内外热量的传递，导致建筑围护结构隔热性能的下降。因此可采取一定的措施来切断热桥(简称“断桥”)，减小建筑物内外热量传递[1-3]。

钢结构梁柱部位、节点部位、阳台雨棚挑梁部位等都极易形成热桥[4]。目前国内通常采用外墙外保温的方式来解决热桥问题，然而目前常用的建筑外保温做法普遍存在耐久性差、保温层易脱落伤人、不能适应建筑外立面变化等不足。因此，研究更为安全可靠的热断桥技术对节能建筑的可持续发展具有重要意义。

文献[5-7]研究了在外伸部分与室内主体连接部位添加“热断桥连接”来减少或阻断室内外的热量交换，从而达到建筑保温的目的。文献[8-10]提出用FRP筋来代替贯通室内与阳台悬挑部分的钢筋来减少热量的传递。

国外许多公司推出了“热断桥连接”的商业产品，如Fabreeka、Armadillo、Schock、Farrat和Insula等公司的产品，而目前国内关于“热断桥连接”研究尚处空白。热断桥材料的选择是热断桥连接技术的核心，更是国外各企业的商业秘密，需要同时具有导热系数低、受力性能好、价格低等特征。我国目前常用的建筑保温材料如模塑聚苯乙烯板(EPS)、挤塑聚苯乙烯板(XPS)、改性聚氨酯板(PIR)、酚醛泡沫板(PF)等[11-12]有机保温材料，玻化微珠、岩棉、玻璃棉板、发泡水泥板等[13-16]无机保温材料虽然导热系数较低且价格实惠，但是强度和弹性模量较低，不能满足热断桥材料对力学性能的要求。

针对热断桥材料低导热系数和高力学性能的要求，通过大量调研，筛选出以下4种复合材料作为备选材料：1)尼龙6(PA6)，成型加工简便，可用于高强度结构材料；2)聚氯乙烯(PVC)，耐腐蚀、牢固耐用，全球使用量在各种合成材料中高居第二；3)FR-4是一种耐燃材料等级的代号，但是FR-4板材(FR4)一般指的是环氧树脂与玻璃纤维的复合材料，有良好的机械加工性能和隔热性能，成本低，加工便利；4)聚醚醚酮(PEEK)，有着耐高温的物理特性，可与玻璃纤维或碳纤维复合制备增强材料，在工业领域有着大量的运用。

对以上4种材料的试件进行压缩性能试验和导热系数测定，分别设计制作40，12个试件，测试各材料的基本力学性能和热工性能指标，拟合材料受压本构模型，并分析4种材料作为热断桥材料的适应性。

1 试验研究

对PA6、PVC、FR4和PEEK进行抗压性能试验和导热系数测定试验，以获得材料的抗压强度、弹性模量、导热系数等基本力学性能和热工性能指标。抗压性能试验按GB/T 1446—2005《纤维增强塑料性能试验方法总则》[17]和GB/T 1448—2005《纤维增强塑料压缩性能试验方法》[18]进行，导热系数测定试验按照GB/T 10294—2008《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定防护热板法》[19]进行。

1.1 试件规格

PA6、PVC、PEEK采用德国盖尔公司的产品，FR4采用安徽依索拉公司的产品。其中，PA6和PEEK掺入30%玻璃纤维。材料规格型号如表1所示。

表1 材料规格Table 1 Material specifications

按照文献[18]，抗压性能试验中试件尺寸为30 mm×10 mm×10 mm；按照文献[19]，导热系数测定试验中试件尺寸为300 mm×300 mm×30 mm。

1.2 抗压性能试验

1.2.1试验过程

抗压性能试验在实验室环境条件下进行，所用试验仪器为万测504C-TS微机控制电子万能试验机。

抗压性能试验为静态试验，以2 mm/min恒定速率对试件进行压缩。由抗压性能试验后对各试件破坏模式进行对比可知，4种材料试件除FR4试件为脆性分层破坏外，其余3种材料的试件均为延性破坏，两种破坏模式如图1所示。

a—延性破坏；b—脆性分层破坏。图1 试件破坏模式Fig.1 Failure modes of specimens

1.2.2试验结果

40个受压试件的测试结果如表2及图2所示。材料压缩模量根据GB/T 1448—2005的规定计算，计算式如下：

表2 压缩强度和压缩弹性模量Table 2 Compressive strength and compressive moduli of elasticity

(1)

式中：Ec为压缩弹性模量；σ0.0025为0.002 5应变对应的应力；σ0.0005为0.000 5应变对应的应力。

试件编号中间的30表示试件长度为30 mm。

a—PA6；b—PVC；c—FR4；d—PEEK。图2 应力-应变曲线Fig.2 Stress-strain curves

1.3 导热系数测定试验

导热系数测定试验采用双试件装置方法，该方法的试验原理为在试件之间建立均匀的一维热流密度，测量通过试件的热流大小以及试件的温度变化来计算导热系数。采用沈阳合兴牌的智能化导热系数测定仪DRCD-3030进行导热系数测量，导热系数测定结果如表3所示。

表3 导热系数测定结果Table 3 Measured thermal conductivity coefficients W/(m·K)

2 材料压缩本构关系

2.1 屈服点

冯鹏等提出了一种屈服点定义的简化方法：“最远点法”[20]，即曲线上距离原点和峰值点连线最远的点为屈服点，如图3所示。郑休宁等建议采用Coplan法来确定PVC-U管材的屈服点[21]，认为Coplan法更接近ISO 527-1∶1993中对于屈服点的定义。Coplan法(图4)规定，平行于原点与峰值点连线的直线与应力-应变曲线相切，其切点为屈服点[22]。“最远点法”跟Coplan法虽然表述不同，但是两种方法所确定的屈服点基本相同。

图3 确定构件屈服强度的最远点法[20]Fig.3 The Farthest Point Method to determine the yield strength of members

图4 Coplan法[22]Fig.4 The Coplan Method

试件编号中间的300表示试件长度为300 mm。

PA6、PVC和PEEK为延性材料，按“最远点法”确定的各试件屈服点如表4所示。FR4属于线弹性材料，不存在屈服点。

表4 测试得到的各试件材料屈服点Table 4 Tested yielding points of specimens

2.2 应力-应变曲线拟合

(2)

式中:σ、ε分别为名义应力和名义应变；E为压缩弹性模量；ε0为屈服应变；εc为压缩强度应变；a、b、ai均为待定参数。

FR4为线弹性材料，应力-应变曲线全阶段按σ=Eaεb进行拟合。

对于待定系数，运用Matlab软件，采用最小二乘法进行拟合。理论上，n值越大，曲线拟合精度越高，但为了提高拟合效率，拟定n的取值为4，拟合结果如图5和表5所示。图5中的数据标识分别为屈服点和压缩强度点，每段拟合曲线的拟合优度R2和均方根误差σ′。

表5 参数拟合结果Table 5 Parameters determined by fitting

由图5可知：屈服点前，各曲线段拟合优度都超过0.95，拟合效果良好；屈服点后，由于试件生产批次等原因，导致同一材料不同试件之间有较大差距，屈服点后拟合优度偏低，但各曲线的均方根误差值在3以内，拟合结果仍具有参考性。相关拟合结果分析如表6所示。

表6 拟合结果与试验数据对比Table 6 Comparisons between fitting results and testing data

3 热断桥材料适应性分析

4种材料基本力学和热工性能试验结果以及材料成本汇总于表7。

表7 试验结果对比Table 7 Comparisons of experiment results

对PA6、PVC、FR4三种材料的综合性能进行定量分析。

定量分析采用以下模型：

(3)

式中：ηc、ηλ、ηP分别为抗压强度、导热系数和成本的控制因子；σ、λ、P分别为不同材料的压缩强度、导热系数及成本；σ0、λ0、P0分别为压缩强度、导热系数及成本的基准值，其取值为PA6材料的各项指标值。

a—PA6；b—PVC；c—FR4；d—PEEK。图5 应力-应变曲线拟合结果Fig.5 Stress-strain curves obtained by fitting

不同材料定量分析的结果如图6所示。可见：FR4的综合性能最高，PA6次之，PVC最低。不过，该模型抗压强度、导热系数、成本对综合性能的权重都为1，实际工程应用可能会与之不符。因此上述对比结果仅供参考，实际应用中应结合具体情况具体分析。

图6 不同材料综合性能对比Fig.6 Comparisons of comprehensive performances between different materials

4 结束语

遴选出PA6、PVC、FR4和PEEK 4种材料用于结构断桥连接，并对4种材料的基本力学性能和热工性能进行了试验研究，包括40个试件的压缩性能试验和12个试件的导热系数测定试验，通过试验结果分析得到以下主要结论：

1)PA6、PVC和PEEK材料呈延性破坏模式，FR4材料呈脆性分层破坏模式；利用“最远点法”得到了PA6、PVC和PEEK材料的屈服强度分别为60.1，50.4，125.8 MPa。采用Sherwood-Frost本构模型拟合得到了4种材料的受压应力-应变本构关系。

2)试验测得PA6、PVC和FR4 3种材料的导热系数值分别为0.175 5，0.142 4，0.231 8 W/(m·K)。

3)PEEK材料由于成本过高，不适宜作为热断桥材料应用；对PA6、PVC和FR4的力学、热工性能、成本三方面的综合性能η进行定量分析，表明FR4的综合性能最好，PA6次之，PVC最低。