ETFE薄膜材料及其力学性能

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

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[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。