ETFE薄膜材料及其力学性能
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ETFE Foil and Its Mechanical Properties ETFE薄膜材料及其力学性能
吴明儿 同济大学建筑工程系
撰文
摘要 关键词ETFE薄膜作为一种新型透明建筑材料,近年来得到广泛关注,并在标志性建筑中得到成功应用。
ETFE薄膜材料质地柔软,重量轻,透光率高,非常适合在温室、体育场馆等有采光要求的建筑中使用。
作为一种高分子材料,ETFE薄膜具有很大的断裂延伸率,但材料弹性区间的延伸率很小,同时力学性能还受到温度的影响,在高温或长时间较大拉伸应力下材料会产生较大徐变。
本文简述了ETFE薄膜材料的基本力学性能以及ETFE薄膜建筑的特点。
ETFE薄膜 力学性能 薄膜结构 透明建筑
1 ETFE薄膜材料以及薄膜结构
ETFE为乙烯四氟乙烯共聚物,属于高分子材料。
纯净的ETFE无色透明,呈晶粒状。
建筑用的ETFE薄膜通过高温挤压成形加工而成,一般厚度为50~300微米。
ETFE薄膜最大的特点是优异的透光性,未经染色处理的透明薄膜可见光透过率高达90%以上。
同时通过添加物或者在薄膜表面喷涂图案,可以调整透光率。
上世纪八十年代,ETFE薄膜首先在欧洲被应用于建筑结构。
通过添加物ETFE薄膜可以阻止对人体有害波长的紫外线通过,而对植物生长必需的紫外线则可以通过,因此ETFE薄膜被较多地应用于温室结构,例如国内新建的南通博览园温室(图1~2)。
ETFE薄膜自重很轻,应用于建筑屋面或墙面时可以形成特殊的曲面效果,通过照明灯光配置可以产生强力的视觉效果,近年来被应用于大型体育场馆之中(图3)。
ETFE薄膜应用于建筑一般有两种结构形式。
一种是单层张拉结构,类似于一般的织物类膜结构,通过施工时张拉薄膜使膜面张紧(图4);另一种是气枕结构,由上下两层或两层以上薄膜构成密闭气室,通过充入空气形成气枕结构从而张紧膜面。
气枕结构包含密闭的空气层,具有较好的热工效应,同时可以增加诸如百叶窗等的调光层,调整光线(图5)。
2 ETFE薄膜材料力学性能
ETFE薄膜为高分子材料,其力学性能与金属材料或织物类膜材不同。
ETFE薄膜被拉伸发生断裂时的延伸率达到400%,即发生断裂时的长度为其原长的5倍。
拉伸过程一般可以分为三个阶段:弹性阶段、屈服阶段和塑性流动与断裂阶段
图1 南通博览园温室
图2 南通博览园温室
(图6)。
ETFE薄膜在弹性阶段变形量很小,应变仅为约2%,屈服应力14MPa左右,在这个阶段薄膜可以认为是弹性材料。
ETFE薄膜的屈服阶段是一个区域,材料弹性模量大大降低,应变从2%迅速增大到15%左右,应力也从14MPa增大到约22MPa,此时若卸载材料将发生残余应变。
当应力超过22MPa左右时,ETFE薄膜材料进入塑性流动断裂阶段,材料被拉长而应力增加缓慢,断裂时应力超过40MPa。
ETFE薄膜在长期受到拉伸应力作用下会发生徐变现象,薄膜逐渐变形伸长,膜面发生松弛。
在一定时间范围
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内发生的徐变量与膜面应力大小、环境温度高低有密切关系。
常温25℃应力3MPa时徐变量很小且仅发生在被拉伸后的开始阶段,当应力增大到6MPa左右时徐变量变大并有随时间持续发展的趋势,当应力进一步增大到9MPa时ETFE 薄膜的徐变会随着时间的推移一直发生(图7)。
在环境温度为40℃的高温情况下,即使在3MPa的拉伸应力下材料也会发生持续的徐变,当温度上升到60℃时材料变软徐变非常大。
温度升高导致ETFE薄膜徐变增大的同时,也会使材料的抗拉强度降低。
3 ETFE薄膜建筑设计特点
ETFE薄膜具有极高的透光性能,非常适合于温室建筑。
同时ETFE薄膜材料还可以通过表面印刷图案、染色以及添加物对透光率进行调整(图8)。
ETFE薄膜结构无论是单层张拉形式还是气枕形式,形成的膜面都将是曲面。
曲面形状应保证膜面各处都被张紧而不发生松弛,曲面的这种形状可以通过找形分析得到。
当一个单元的膜面跨度较大时,可以通过索网对膜面进行补强,薄膜与索网固定形成一个整体(图9)。
单层张拉ETFE薄膜结构形式简单,不需要充气设备,
但是薄膜的裁剪精度以及安装精度要求很高,同时应采取
图3 慕尼黑体育场
图4 汉诺威体育场单层ETFE膜结构
图5 ETFE薄膜结构与百叶窗
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图6 ETFE薄膜材料单向拉伸的三个阶段
图7 ETFE薄膜材料24小时徐变试验透明(92%) 白色(50%) 方格(45%) 打点(66%)
图8 ETFE薄膜透光率调整(括号内为透光率)
图9 ETFE薄膜与索网
有效措施防止膜面因徐变而发生松弛。
气枕形式在大型ETFE薄膜建筑中用得较多,由于膜面是由空气压力张紧的,因此膜面不易因材料徐变而发生松弛。
气枕结构需要一套24小时工作的充气控制系统,包括通风管网、风机、空气干燥及净化设备、风速降雪气压传感器、气压自动控制装置、备用电源等。
ETFE薄膜厚度小透光率高,阳光下膜面温度一般不会升高,但当膜面涂色时可能导致膜面温度上升使材料强度下降徐变增大。
薄膜与边界的连接一般通过金属压板,金属压板在阳光下温度上升很大,可采用橡胶垫片等防止对薄膜造成影响。
4 结语
ETFE薄膜材料质地柔软,重量轻,透光率高,是一种很有前途的透明建筑材料。
ETFE薄膜具有高分子材料的特性,断裂延伸率达到400%而弹性范围的延伸率仅为2%,高温或应力较大时易发生徐变。
ETFE薄膜建筑设计时应充分利用材料的优异特性,同时在结构设计上充分考虑材料特点进行合理的整体以及细部设计。
本文部分图片由柯沃泰膜结构(上海)有限公司以及上海太阳膜结构有限公司提供,特此致谢。
参考文献
[1] フイルム膜パネル委员会。
ETFEフイルムパネル设计施工指针(案)[A]。
膜构造研究论文集2005[R]。
东京:日本膜构造协会,2005:II1-II51
[2] 吴明儿,刘建明,慕仝,张其林。
ETFE薄膜单向拉伸性能[J]。
建筑材料学报,2008,11(2):241-247
[3] 吴明儿,慕仝,刘建明。
ETFE薄膜材料循环拉伸试验以及徐变试
验。
建筑材料学报,印刷中。