12聚合物基复合材料-性能
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2020/5/10
FRP的电性能对于纤维与树脂的界面粘结状态并不 敏感，但杂质尤其是水分对其影响很大。当FRP处于潮 湿环境中或在水中浸泡之后，其体积电阻、表面电阻以 及电击穿强度急速下降。
2020/5/10
2. FRP的温度特性 （1）热性能 包括导热系数、比热容、线膨胀系数和热变形温度
在室温下，FRP的导热系数一般在0.17W/(m·K)～0.33 W/(m·K)范围内，金属材料的导热系数多在35W/(m·K) ~232 W/(m·K)范围之间， FRP具有良好的隔热性能，可作隔热材料 使用。
12.3 聚合物基复合材料的基本性能
影响纤维增强塑料（FRP)性能的因素：原材料、结构设 计方法及成型工艺。
(1)增强材料的强度及弹性模量以及基体材料的强度及化学 稳定性等是决定FRP性能的主要因素;
(2)增强材料的含量及其排布方式与方向次之; (3)增强纤维与基体树脂的界面粘结状况
2020/5/10
单向FRP的压缩强度随纤维含量增加而提高，但并非成比 例增长。
2020/5/10
(3) 弯曲特性 FRP的弯曲强度及弹性模量都随纤维含量的上升而增加。纤
维制品类型不同，方向不同，则弯曲性能亦不同。
(4)剪切特性 纤维含量增大，FRP的剪切弹性模量上升，FRP的剪切特性
也呈现方向性。
E-42环氧FRP垂直板面剪切性能
2020/5/10
12.3.2 FRP的物理性能
1. 电性能 包括介电常数、介电损耗角正切值、体积和表面电阻系数，
击穿强度等 FRP的电性能一般介于纤维的电性能与树脂的电性能之间 改善纤维或树脂的电性能，有利于改善FRP的电性能 树脂的极性越大，电绝缘性越差。分子中极性基团的存在
及分子结构的不对称性均影响树脂分子的极性，从而影响树脂 的电性能。
老化实验：人工老化，自然老化
2020/5/10
3. 耐水性能 水能溶解和破坏玻纤的SiO2网络，同时加速玻纤表面微裂
纹的扩展，从而降低玻纤的拉伸性能。 水可使树脂大分子溶胀，导致树脂内聚强度降低；水对树
脂产生增塑作用，降低其弹性模量；能使酯键、醚键发生水解 ，造成断链、降解等，
水能破坏纤维-树脂界面，沿界面渐渐侵入，从而降低了 FRP的层间剪切性能和弯曲性能
大分子链刚性提高，交联密度增大，则树脂玻璃化温 度升高，热变形温度升高，但同时柔韧性减小，延伸率降 低，脆性增加。
2020/5/10
② 温度对FRP拉伸性能的影响 温度对 FRP拉伸强度和弹性模量的影响具有的特征：
i) 一般在低温范围内，拉伸性能好，随温度上升，强度降低； ii) 在低温范围内，无捻粗纱布FRP于湿态下拉伸强度大，而平 纹布FRP无此倾向； iii) 在中温范围内，平纹布FRP在50ºC左右拉伸强度最高，而缎 纹布和无捻粗纱布都随温度上升拉伸性能下降； iv) 随着纤维含量的增加，FRP的耐热性提高。
③ 温度对FRP弯曲性能的影响 FRP的弯曲强度和弯曲弹性模量均随温度升高而降低。特别是温 度超过70ºC~100ºC后，急剧降低。
2020/5/10
（3）FRP阻燃性及耐火性 阻燃性主要决定于树脂基体。 聚酯中引入卤素；添加锑、磷等的化合物以及难燃的无
机填料； 三氧化二锑与卤素并用；磷化合物与卤素并用；氢氧化
FRP具有优良的耐化学腐蚀性
2020/5/10
化学介质对FRP的腐蚀作用 与玻纤作用：酸、碱和水都是通过破坏SiO2网络而腐蚀
玻璃的。一般而言，玻璃纤维的耐碱性均较差，有碱玻璃 纤维更甚；而耐酸性则以有碱玻璃纤维为好。
与基体作用：树脂分子中活性官能团愈多，化学稳定 性越差，多数化学反应不可逆。
也破坏玻纤与基体界面的作用
(2) 耐热性 ① 温度对于聚合物基体的影响
纤维增强材料一般具有很好的热稳定性，但树脂基体 易受温度的影响。
热固性树脂基体已交联成体型网状大分子，只有玻璃态 和橡胶态。聚合物物理状态的改变将导致FRP的机械性能发 生巨大变化。
2020/5/10
影响热固性树脂耐热性的主要因素：大分子链刚性、固 化剂性质和体型树脂的固化交联密度等。
2020/5/10
提高FRP耐水性的方法： (1) 纤维进行偶联剂表面处理； (2) 选用耐水性好的树脂； (3) 表面采用表面毡形成富树脂层； (4) 表面涂层，表面贴附氟薄膜、聚酯薄膜等。
2020/5/10
2020/5/10
热膨胀系数[(4~36)×10-6 ºC-1]与金属相近，在一定温度范围 内具有较好的热稳定性和尺寸稳定性。但热变形温度和耐热温 度极限较低，耐热性不好。
温度升高时，增强纤维与基体树脂的热膨胀系数差距较大 ，在温度升高时，易于在纤维－树脂界面产生热应力，影响FRP 的机械性能。
2020/5/10
（3）弹性模量和层间剪切强度低 弹性模量低，刚度不足。准各向同性板，其弹性模量与 木材接近。 （4）性能分散性大 FRP的性能受一系列因素的影响，性能不稳定。
2020/5/10
2. FRP的静态特性 FRP的基本静态特性包括拉伸、压缩和弯曲强度及弹性模量。 (1) 拉伸特性
对于单向增强FRP，沿纤维方向的拉伸强度及弹性模量均 随纤维体积含量Vf的增大而正比例增加。对于采用短切纤维毡 和玻璃布增强的FRP层合板来说，其拉伸强度及弹性模量虽不 与Vf成正比增加，但仍随Vf增加而增加 。
2020/5/10
2. FRP的耐侯性能 耐候性：FRP在户外使用时，抵抗各种气体气候因素
的侵蚀破坏的能力。 (1) 温湿度：空气中的水分可以侵入树脂或纤维-树脂界中 ，破坏界面粘结，降低FRP的弯曲强度。 (2) 光氧作用：受紫外光和氧作用，树脂发生光氧化、光 降解、交联，生成氧化产物，发生分子链断裂。 (3) 风沙作用：风沙对FRP产生机械磨损，导致表面光泽 度下降、表面层脱落、纤维外露等.
12.3.1 FRP的机械性能
1、机械性能的特点 （1）比强度高
FRP密度为1.4～2.2g/cm3，约为钢1/4~1/5，而强度与一 般的碳素钢相近。因此FRP的比强度很高。 （2）各向异性
明显的方向依赖性，应尽量在最大外力方向上排布增强 纤维，以求充分发挥材料的潜力，降低材料消耗。
2020/5/10
双向FRP其纤维方向的主弹性模量大约是单向FRP的 0.50~0.55倍；随机纤维增强FRP近似于各向同性，其弹性模量 大约是单向FRP的0.35~0.40倍。
2020/5/10
(2) 压缩特性 在应力很小、纤维未压弯的时候，压缩弹性模量与拉伸弹
性模量接近。玻璃布增强FRP的压缩弹性模量大体是单向FRP 的0.50~0.55倍；纤维毡增强FRP的大致是单向FRP的0.4倍。
性能
剪切强度 (MPa)
方向 0º 15º 30º 45º 60º 75º 90º
85 83.2 95.0 99.2 98.1 90.7 89.5
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3. 疲劳特性 影响FRP疲劳特性的因素是多方面的，实验表明，静态强
度高的FRP，其疲劳强度也高。与静态强度不同，每种FRP存 在一个最佳体积含量，疲劳强度最高。实际纤维体积含量低于 或高于最佳值，其疲劳强度都会下降。 方向性：加振方向与纤维方向的夹角由0º上升到45º，疲劳强度 急剧下降。 存在缺陷，温度上升，疲劳强度下降
铝和水合氧化铝与卤素共用； 玻璃纤维含量升高，长度增大，可抑制发烟量
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源自文库
4.2.3 FRP的老化性能
FRP在长期的使用和贮存过程中，由于各种物理和化学因 素的作用，发生的物化性能的下降或变差的现象叫劣化或老化 1. 耐化学腐蚀性
FRP的耐化学腐蚀性：抵抗酸、碱、盐及有机溶剂等化学 介质腐蚀破坏的长期工作性能。
FRP的电性能对于纤维与树脂的界面粘结状态并不 敏感，但杂质尤其是水分对其影响很大。当FRP处于潮 湿环境中或在水中浸泡之后，其体积电阻、表面电阻以 及电击穿强度急速下降。
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2. FRP的温度特性 （1）热性能 包括导热系数、比热容、线膨胀系数和热变形温度
在室温下，FRP的导热系数一般在0.17W/(m·K)～0.33 W/(m·K)范围内，金属材料的导热系数多在35W/(m·K) ~232 W/(m·K)范围之间， FRP具有良好的隔热性能，可作隔热材料 使用。
12.3 聚合物基复合材料的基本性能
影响纤维增强塑料（FRP)性能的因素：原材料、结构设 计方法及成型工艺。
(1)增强材料的强度及弹性模量以及基体材料的强度及化学 稳定性等是决定FRP性能的主要因素;
(2)增强材料的含量及其排布方式与方向次之; (3)增强纤维与基体树脂的界面粘结状况
2020/5/10
单向FRP的压缩强度随纤维含量增加而提高，但并非成比 例增长。
2020/5/10
(3) 弯曲特性 FRP的弯曲强度及弹性模量都随纤维含量的上升而增加。纤
维制品类型不同，方向不同，则弯曲性能亦不同。
(4)剪切特性 纤维含量增大，FRP的剪切弹性模量上升，FRP的剪切特性
也呈现方向性。
E-42环氧FRP垂直板面剪切性能
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12.3.2 FRP的物理性能
1. 电性能 包括介电常数、介电损耗角正切值、体积和表面电阻系数，
击穿强度等 FRP的电性能一般介于纤维的电性能与树脂的电性能之间 改善纤维或树脂的电性能，有利于改善FRP的电性能 树脂的极性越大，电绝缘性越差。分子中极性基团的存在
及分子结构的不对称性均影响树脂分子的极性，从而影响树脂 的电性能。
老化实验：人工老化，自然老化
2020/5/10
3. 耐水性能 水能溶解和破坏玻纤的SiO2网络，同时加速玻纤表面微裂
纹的扩展，从而降低玻纤的拉伸性能。 水可使树脂大分子溶胀，导致树脂内聚强度降低；水对树
脂产生增塑作用，降低其弹性模量；能使酯键、醚键发生水解 ，造成断链、降解等，
水能破坏纤维-树脂界面，沿界面渐渐侵入，从而降低了 FRP的层间剪切性能和弯曲性能
大分子链刚性提高，交联密度增大，则树脂玻璃化温 度升高，热变形温度升高，但同时柔韧性减小，延伸率降 低，脆性增加。
2020/5/10
② 温度对FRP拉伸性能的影响 温度对 FRP拉伸强度和弹性模量的影响具有的特征：
i) 一般在低温范围内，拉伸性能好，随温度上升，强度降低； ii) 在低温范围内，无捻粗纱布FRP于湿态下拉伸强度大，而平 纹布FRP无此倾向； iii) 在中温范围内，平纹布FRP在50ºC左右拉伸强度最高，而缎 纹布和无捻粗纱布都随温度上升拉伸性能下降； iv) 随着纤维含量的增加，FRP的耐热性提高。
③ 温度对FRP弯曲性能的影响 FRP的弯曲强度和弯曲弹性模量均随温度升高而降低。特别是温 度超过70ºC~100ºC后，急剧降低。
2020/5/10
（3）FRP阻燃性及耐火性 阻燃性主要决定于树脂基体。 聚酯中引入卤素；添加锑、磷等的化合物以及难燃的无
机填料； 三氧化二锑与卤素并用；磷化合物与卤素并用；氢氧化
FRP具有优良的耐化学腐蚀性
2020/5/10
化学介质对FRP的腐蚀作用 与玻纤作用：酸、碱和水都是通过破坏SiO2网络而腐蚀
玻璃的。一般而言，玻璃纤维的耐碱性均较差，有碱玻璃 纤维更甚；而耐酸性则以有碱玻璃纤维为好。
与基体作用：树脂分子中活性官能团愈多，化学稳定 性越差，多数化学反应不可逆。
也破坏玻纤与基体界面的作用
(2) 耐热性 ① 温度对于聚合物基体的影响
纤维增强材料一般具有很好的热稳定性，但树脂基体 易受温度的影响。
热固性树脂基体已交联成体型网状大分子，只有玻璃态 和橡胶态。聚合物物理状态的改变将导致FRP的机械性能发 生巨大变化。
2020/5/10
影响热固性树脂耐热性的主要因素：大分子链刚性、固 化剂性质和体型树脂的固化交联密度等。
2020/5/10
提高FRP耐水性的方法： (1) 纤维进行偶联剂表面处理； (2) 选用耐水性好的树脂； (3) 表面采用表面毡形成富树脂层； (4) 表面涂层，表面贴附氟薄膜、聚酯薄膜等。
2020/5/10
2020/5/10
热膨胀系数[(4~36)×10-6 ºC-1]与金属相近，在一定温度范围 内具有较好的热稳定性和尺寸稳定性。但热变形温度和耐热温 度极限较低，耐热性不好。
温度升高时，增强纤维与基体树脂的热膨胀系数差距较大 ，在温度升高时，易于在纤维－树脂界面产生热应力，影响FRP 的机械性能。
2020/5/10
（3）弹性模量和层间剪切强度低 弹性模量低，刚度不足。准各向同性板，其弹性模量与 木材接近。 （4）性能分散性大 FRP的性能受一系列因素的影响，性能不稳定。
2020/5/10
2. FRP的静态特性 FRP的基本静态特性包括拉伸、压缩和弯曲强度及弹性模量。 (1) 拉伸特性
对于单向增强FRP，沿纤维方向的拉伸强度及弹性模量均 随纤维体积含量Vf的增大而正比例增加。对于采用短切纤维毡 和玻璃布增强的FRP层合板来说，其拉伸强度及弹性模量虽不 与Vf成正比增加，但仍随Vf增加而增加 。
2020/5/10
2. FRP的耐侯性能 耐候性：FRP在户外使用时，抵抗各种气体气候因素
的侵蚀破坏的能力。 (1) 温湿度：空气中的水分可以侵入树脂或纤维-树脂界中 ，破坏界面粘结，降低FRP的弯曲强度。 (2) 光氧作用：受紫外光和氧作用，树脂发生光氧化、光 降解、交联，生成氧化产物，发生分子链断裂。 (3) 风沙作用：风沙对FRP产生机械磨损，导致表面光泽 度下降、表面层脱落、纤维外露等.
12.3.1 FRP的机械性能
1、机械性能的特点 （1）比强度高
FRP密度为1.4～2.2g/cm3，约为钢1/4~1/5，而强度与一 般的碳素钢相近。因此FRP的比强度很高。 （2）各向异性
明显的方向依赖性，应尽量在最大外力方向上排布增强 纤维，以求充分发挥材料的潜力，降低材料消耗。
2020/5/10
双向FRP其纤维方向的主弹性模量大约是单向FRP的 0.50~0.55倍；随机纤维增强FRP近似于各向同性，其弹性模量 大约是单向FRP的0.35~0.40倍。
2020/5/10
(2) 压缩特性 在应力很小、纤维未压弯的时候，压缩弹性模量与拉伸弹
性模量接近。玻璃布增强FRP的压缩弹性模量大体是单向FRP 的0.50~0.55倍；纤维毡增强FRP的大致是单向FRP的0.4倍。
性能
剪切强度 (MPa)
方向 0º 15º 30º 45º 60º 75º 90º
85 83.2 95.0 99.2 98.1 90.7 89.5
2020/5/10
3. 疲劳特性 影响FRP疲劳特性的因素是多方面的，实验表明，静态强
度高的FRP，其疲劳强度也高。与静态强度不同，每种FRP存 在一个最佳体积含量，疲劳强度最高。实际纤维体积含量低于 或高于最佳值，其疲劳强度都会下降。 方向性：加振方向与纤维方向的夹角由0º上升到45º，疲劳强度 急剧下降。 存在缺陷，温度上升，疲劳强度下降
铝和水合氧化铝与卤素共用； 玻璃纤维含量升高，长度增大，可抑制发烟量
2020/5/10
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4.2.3 FRP的老化性能
FRP在长期的使用和贮存过程中，由于各种物理和化学因 素的作用，发生的物化性能的下降或变差的现象叫劣化或老化 1. 耐化学腐蚀性
FRP的耐化学腐蚀性：抵抗酸、碱、盐及有机溶剂等化学 介质腐蚀破坏的长期工作性能。