纤维增强聚合物复合材料结构与性能概述

聚合物复合材料纤维增强聚合物复合材料结构与性能概述

班级 1120741

学号 25

姓名王彦辉

纤维增强聚合物复合材料结构与性能概述

一前言

纤维增强复合材料简称（FRP)是由增强纤维材料,如玻璃纤维,碳纤维,芳纶纤维等,与基体材料经过缠绕,模压或拉挤等成型工艺而形成的复合材料。根据增强材料的不同,常见的纤维增强复合材料分为：玻璃纤维增强复合材料(GFRP),碳纤维增强复合材料(CFRP)以及芳纶纤维增强复合材料(AFRP)。

由于纤维增强复合材料具有如下特点:(1)比强度高,比模量大;(2)材料性能具有可设计性:(3)抗腐蚀性和耐久性能好;(4)热膨胀系数与混凝土的相近。这些特点使得FRP材料能满足现代结构向大跨、高耸、重载、轻质高强以及在恶劣条件下工作发展的需要,同时也能满足现代建筑施工工业化发展的要求,因此被越来越广泛地应用于各种民用建筑、桥梁、公路、海洋、水工结构以及地下结构等领域中。

纤维增强聚合物基复合材料也存在着一些缺点和问题，纤维的加入虽然提高了复合材料的力学性能，但同时由于其组分的多样性和制造工艺过程中稳定性问题，都会导致材料中出现缺陷 ( 比如空隙、分层、夹杂、纤维分布不均等 )。由于这些缺陷的存在，降低了纤维增强聚合物基复合材料料的延展性、断裂韧性、疲劳寿命、抗蠕变损伤的能力。

二、纤维增强聚合物基复合材料的特性

1.比强度、比模量大

碳纤维、硼纤维等有机纤维增强的聚合物基复合材料的比强度比钛合金高3-5倍，比模量比金属高4倍。这种性能因增强的纤维排列不同会在一定的范围内浮动。

2.耐疲劳性能好

金属材料的疲劳破坏常常是没有明显预兆的突发性破坏，二聚合物基复合材料中纤维与集体的界面能阻止材料的受力所致裂纹的扩展。因此，其疲劳破坏总

能从纤维的薄弱环节开始，逐渐扩展到结合面上，破坏前有明显的预兆。大多数金属材料的疲劳强度极限是其拉伸强度的30-50%，而碳纤维聚酯复合材料的疲劳强度极限可为其拉伸强度的70-80%。

3.减振性好

受力结构的自振频率除与结构本身形状有关外，还与结构材料比模量的平方根成正比，由于复合材料的比模量高，因此用这类材料制成的结构件具有较高的自振频率。同时，复合材料中的界面具有吸震能力，使材料的振动阻尼很高。对相同形状和尺寸的梁进行振动实验得知，轻合金梁需9秒才能停止振动，而碳纤维复合材料只需2。5秒就能停止同样大小的振动。

其影响因素主要有基体特性、纤维体积比、纤维的直径以及铺设角度、铺层顺序以及载荷条件等。

4.过载时安全性好

复合材料中有大量独立的纤维，当材料过载而有少量纤维断裂时，载荷会迅速重新分配到破坏的纤维上，使整个构件短期内不致于是去承载能力。

5.低温性能优异

纤维增强聚合物基复合材料具有独特的性能优势,并且低温下的热性能、力学性能均好于常温,适宜作为低温系统中的隔热结构材料和超导磁体的绝缘支撑材料。但在实际应用中,也必须考虑到材料本身的劣势,包括韧性差、各向异性和气密性差等。

利用复合材料可设计性,结合具体低温应用环境下载荷作用形式、方向和对材料性能的要求,有针对性的选择、设计和制作纤维增强聚合物基复合材料,可以有效提高低温系统结构安全性,扩大纤维增强聚合物基复合材料在低温领域的适用范围。

6.老化性能较好

聚合物基复合材料的耐老化性能树脂基体本身和纤维/树脂界面的附着情况,通常复合材料的耐老化性能较好;但比较而言,复合材料的耐热氧老化性能较好,而耐紫外光和湿热老化性能较差。

7.具有多种功能性

a、耐烧蚀性好

聚合物基复合材料可以制成具有较高的比热，烧融热和气化热，可吸收高温

烧蚀的大量热能。

b、有良好的摩擦性能

包括良好的摩阻特性（高摩擦系数材料）及减摩特性（低摩擦系数材料）。

c、高度的电绝缘性能。

复合材料纤维取向平行于电场方向时绝缘性能比垂直于电场方向时低数倍，在设计和使用列车用复合材料绝缘件时要尽量地让纤维取向与电场之间的夹角接近直角。

d、耐腐蚀性。

e、具有特殊的光，电、磁特性的聚合物与其它材料组成的多种功能复合材料。

三、纤维的分类

1化学纤维 chemical fiber 用天然的或合成的聚合物为原料,经化学方法制成的纤维。注:本标准中所列出的纤维名称,适用于构成该纤维的聚合物至少为85%,其余部分不与上述聚合物键合的添加物构成的化学纤维。

2再生纤维 regenerated fiber 用天然聚合物为原料、经化学方法制成的、与原聚合物在化学组成上基本相同的化学纤维。

3再生纤维素纤维 regenerated cellulose fiber 用纤维素为原料制成的、结构为纤维素II的再生纤维。粘胶纤维 viscose fiber 用粘胶法制成的再生纤维素纤维。

4普通粘胶纤维具有一般的物理机械性能和化学性能的粘胶纤维。

5高强力粘胶纤维 high tenacity viscose fiber 具有较高的强力和耐疲劳性能的粘胶纤维。

6高湿模量粘胶纤维 modal fiber 具有较高的聚合度、强力和湿模量的粘胶纤维。这种纤维在湿态下单位线密度每特(tex)可承受22。0厘牛顿(cN)(相当于每旦2。5克)的负荷,且在此负荷下的湿伸长率不超过15%。

7富强纤维(波里诺西克纤维) polynosic〔fiber〕用高粘度、高酯化度的低碱粘胶,在低酸、低盐纺丝浴中纺成的高湿模量纤维,具有良好的耐碱性和尺寸稳定性。

8变化型高湿模量纤维用加有变性剂的粘胶、在锌含量较高的纺丝浴中纺成的高湿模量纤维,具有较高的钩接强度和耐疲劳性。

9铜氨纤维(铜铵纤维) cupro fiber,cuprene fiber, cuprammonium fiber 用铜氨法(铜铵法)制成的再生纤维素纤维。

10再生蛋白质纤维 regenerated protein fiber 用天然蛋白质为原料制成的再生纤维。

11醋酯纤维 acetate fiber 用纤维素为原料,经化学成法转化成醋酸纤维素酯制成的化学纤维。

12三醋酯纤维 triacetate fiber 由纤维素三醋酸酯构成的醋酯纤维,其中至少有92%的羟基被乙酸化。

13二醋酯纤维 secondary cellulose acetate fiber 由纤维素二醋酸酯构成的醋酯纤维,其中至少有74%,但不到92%的羟基被乙酸化。

14合成纤维 synthetic fiber 用单体经人工合成获得的聚合物为原料制成的化学纤维。

15聚先胺纤维 polyamide fiber, nylon 由先胺键与脂族基或脂环基连接的线型分子构成的合成纤维。其化学结构式为: [NH--R—NH—CO—R`--CO]p 或[NH—R--CO]p (R与R`为脂族基或脂环基,可以相同或不同)。至少应有85%的先胺键与R或R`相连。注:可根据缩聚组分的碳原子个数来简称各相应的脂族聚先纤维。

16芳族聚胺纤维 aramid fiber 由先胺键与芳基连接的芳族聚先胺的线型分子构成的合成纤维,其中至少有85%的先胺键直接与两个芳基连接(并可在不超过50%的情况下,以亚先胺键代替先胺键)。

其化学结构式为: [NH—AR—NH—CO—AR`--CO]p (AR与AR`为芳基,可以相同或不同)。注:可根据取代基在芳基上的位置来简称各相应的芳族聚先胺纤维。由二元醇与二元酸或ω-羟基酸等聚酯线大分子所构成的。

17聚酯纤维 polyester fiber 合成纤维,在大分子链中至少有85%的这种酯的链节。如:聚对苯二甲酸乙二酯纤维,其化学结构式为: [OC –COO—CH2-- CH2 –O]p

18聚丙烯睛纤维［poly］acrylic fiber 由聚丙烯睛或其共聚物的线型大分子构成的合成纤维,大分子链中至少有85%的丙烯睛链节[CH2—CH---]p。