纤维增韧复合材料-FRP

纤维复合材料(Fiber Reinforced Polymer-FRP)主要有三种:

  • 碳纤维增强聚合物(Carbon Fiber Reinforced Polymer,简称CFRP)
  • 玻璃纤维增强聚合物(Glass Fiber Reinforced Polymer,简称GFRP)
  • 芳纶纤维增强聚合物(Aramid Fiber Reinforced Polymer,简称AFRP)。

工程中使用的FRP材料中,纤维体积含量一般为60%~65%,剩余的为基质,一般为树脂。

1  碳纤维增强复合材料-CFRP

碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber-Reinforced Plastic-CFRP)是以碳纤维或碳纤维织物为增强体,以树脂、陶瓷、金属、水泥、碳质或橡胶等为基体所形成的复合材料。在众多轻量化材料中具有较高的比强度、比刚性,轻量化效果十分明显,在航空航天、军工产品中得到广泛应用。应用在车身结构件中,减轻质量效果尤为明显,比钢铁材料轻50%,比铝材轻30%,因此得到国内外各大汽车公司的广泛关注。

碳纤维(Carbon Fiber)是纤维状的炭材料,具有高强度和高弹性模量的特点。根据其原料及生产方式不同,主要分为聚丙烯腈基碳纤维及沥青基碳纤维。前者是把聚丙烯腈纤维在惰性气体中高温加热所获得的纤维,是高强度型碳纤维。后者是把煤焦油或石油沥青抽丝后经高温烧结而成的纤维,是一种高弹性模量型的碳纤维。碳纤维聚合物(CFRP)是以碳纤维为组分,以树脂为基体,通过一定的成型方法形成的单向排列的碳纤维的复合片材。它具有高强轻质、抗腐蚀、耐老化、物理性能稳定等极其优越的品质。高强度碳纤维聚合物的抗拉强度可达到3400MPa,比钢材高7~10倍,弹性模量有2.3×105MPa至3.9×105MPa等几种,而常用的碳纤维聚合物片材每平米只有几百克的重量。同时,根据自然和加速暴露试验表明,碳纤维聚合物的抗拉强度以及与混凝土的粘结强度在相当于50年的时间内不发生改变,具有足够的耐候性,而且碳纤维聚合物的疲劳性能优于钢和混凝土材料。

2  玻璃纤维聚合物(GFRP)

VESTAS 风力发电机机舱的GFRP外壳

玻璃纤维聚合物(GFRP),强度为590~1130MPa,密度为1.5~2.0g/cm3,耐腐蚀性好,用它加固补强,可全面提高被加固构件的各项力学性能指标并改善构件的受力性能。同时,玻璃纤维聚合物与混凝土的线膨胀系数接近,与混凝土结构的协同工作性能良好,且施工简便快捷,是一种极具优势的补强加固材料。 玻璃纤维主要有E玻璃纤维(电绝缘性)、C玻璃纤维(耐化学腐蚀性)、S或S玻璃纤维(高强度)、M玻璃纤维(高弹性模量)和AR玻璃纤维(耐碱玻璃)等。其中E玻璃纤维及其制品在混凝土结构补强加固中使用最多。配套树脂主要有不饱和聚酯树脂(UP)、环氧树脂、酚醛树脂、热固性树脂(呋喃类树脂、三聚氰胺甲醛树脂、聚丁二烯树脂、有机硅脂等)、聚氨酯树脂以及其他热塑性树脂(聚乙烯、聚丙烯、苯乙烯、ABS树脂、聚酰胺、聚碳酸酯、聚甲醛、聚酰亚胺、聚砜、聚砜醚、聚芳醚酮、聚苯硫醚等等)。其中,环氧树脂在混凝土结构补强加固中最为常用。

3  芳纶纤维增强聚合物-AFRP

芳纶(Aramid Fiber)是芳香聚酰胺纤维的简称。芳纶纤维增强复合材料(AFRP)是20世纪70年代发展起来的高性能结构材料。芳纶纤维除具有高强度、高弹性模量性能外,还有较高的耐热性能。因为芳纶纤维是刚性大分子链,活动性能较差,即使在高温下也能保持较高的强度。常用的芳纶纤维为芳纶1414,其原丝的抗拉强度为2.67~2.9GPa,弹性模量为38.9~50GPa。如生产高弹性模量的芳纶纤维,必须进行热拉伸,此时纤维的强度会略有下降,但弹性模量可增加到88.9GPa,甚至高达133GPa以上。

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