膜结构材料物理性能

材料的物理性能是我们选择材料和结构设计首先要考虑的，膜材料作为面层材料，最重要的是要考虑其抗风的能力和抗雪荷载的能力。所以当我们选择膜材的时候，最需要考虑的是膜材的以下3个物理性能指标：

l  1：抗拉强度

l  2：抗撕裂强度

l  3：搭接强度（高频焊接）

 

膜材除了ETFE膜材是聚合物外，其他的膜材（PVC/PTFE/PVDF/PVF）这些都是编织体作为基础加涂层复合材料。所以PVC/PTFE/PVDF/PVF这些膜材的物理性能都有经纬方向的差别。

P类膜材物理性能

PVC/PVDF/PVF这三种膜材都是P类膜材,基体都是聚合物纤维编织，其物理强度取决于编织基布的强度，和厚度并没关系。

PVC/PVDF/PVF的抗拉强度：经纬向应力与应变

单向拉伸

双向拉伸：经纬方向的受力与应变。双向拉伸经纬方向的应变有很大的差异的，所以在膜结构设计中应该尽量避免。

膜材式非线性非弹性材料， PVC/PVDF/PVF膜材其经纬方向的抗拉强度差异一般是纬向比经向大，差异一般是5%到8%。以德国米勒的PVD膜材为例，差异大概在5%。

PVC/PVDF/PVF最大抗拉强度，目前最大的也就是10000N/5CM

PVC/PVDF/PVF的抗撕裂强度：

 

这些膜材的抗撕裂强度经纬方向差异很小，但是，在工程实践中你会发现，很多材料尤其是国产的PVC/PVDF/PVF膜材，其经纬方向有5%以上的差异，这和材料基体的编织方法有关。采用混编的经纬方向基本无差异，而采用平行编织的就有差别。

涂层对抗撕裂强度的影响：一般来说，涂层越厚，涂层与基布结合的越好，对材料的抗撕裂能力会增加。膜材料，和所有的编织体材料一样，抗撕裂强度不高，更不能剪切。所以在工程实践中，膜材的结构设计和材料布置中都要尽量避免撕裂，尤其是膜材安装过程中不要有破坏性安装，比如打孔。

PVC/PVDF/PVF的搭接强度（高频焊接）

膜材可以用高频焊接的办法把两块膜材焊接起来，焊接的强度取决于下面两点：

1：膜材本身焊接强度

2：焊接宽度和深度

PVF 和部分PVDF涂层是不可焊接的，所以要先将涂层打磨了让后焊接，一般来说聚酯纤维膜材的焊接强度高于膜材本身的强度

膜材对接焊接示意图：

以米勒抗拉强度5500N的试样为例子：焊接后应力与应变图，可以看出，焊接处的断裂应力在6200N，大于膜材本身的张拉强度。

 

PTFE膜材的物理特性：

PTFE的抗拉强度：PTFE的基布是玻璃纤维编织体，可以拥有更高的强度，而且弹性模量小，稳定性优秀。但是玻璃纤维编织目前只能平织PL,所以对于PTFE膜材来说，经纬方向的抗拉强度一般是纬向大于经向10%。比如最好的PTFE膜材德国华思德膜材，其经纬方向的抗拉强度差异达到1000N

PTFE膜材的应力与应变（华斯德 18039）

从图中可以看出，PTFE膜材可以承受比较大的预应力，更好的刚性，所以使用PTFE膜材不仅要考虑膜材的抗拉强度，还要考虑预应力的释放。

 

PTFE膜材的撕裂强度：

PTFE的撕裂强度和玻璃纤维的密度，以及PTFE涂层有关，一般为400~500N

PTFE膜材的搭接强度，

PTFE膜材焊接和其他的膜材是不同的，因为玻璃纤维的熔点很高，不是高频焊接机可以达到的，需要借助热熔膜来辅助表面涂层的融合，PTFE涂层熔融在270度以上，所以，PTFE的焊接温度一般应该在300°以上，焊接的宽度和时间都有相应的要求。

 

ETFE膜材的物理性能：

ETFE薄膜，是热塑性薄膜材料，和其他的膜材不同，其呈现良好的弹性，所以其弹性模量和厚度关系并不大，

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°C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。在环境温度为40°C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°C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。

 

典型的ETFE 应力与应变关系（200微米厚的，日本旭硝子）

总体来说ETFE膜结构和其他膜材的结构形式有很大的差异，其一般是双层或者多层的气枕结构，单层使用时候则需要加钢索辅助。

 

工程实践中如何确定膜材选定：

 

1：一般1000平方以上的膜结构都要做力学计算来选的合适的膜材

2：小型膜结构工程只需有经验的工程师把关即可。

对于膜材物理性能有疑问？ 请关注我。