复合材料力学论文

纤维增强复合材料力学性能研究现状文献综述

崔鹏

中北大学理学院工程力学学科部 030051太原中国

摘要：纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Plastic,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的材料特性，因此它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。本文将综述近年来国内外的学者对它的力学性能的研究现状。

关键词：纤维增强；复合材料；力学性能；材料特性；应用

Composite Research Status literature review of fiber reinforced mechanical properties of materials

CUI Peng

College of Engineering Department of Mechanical Discipline North University of

China Taiyuan, China 030051

Abstract:Fiber-reinforced composite material (Fiber Reinforced Plastic, referred FRP) is a reinforcing fiber material, such as glass fiber, carbon fiber, aramid fiber, and composite matrix material after winding, pultrusion molded or formed by molding process. Depending on the reinforcing material, a common fiber-reinforced composite material into glass fiber reinforced Plastic (GFRP), carbon fiber reinforced Plastic (CFRP) and aramid fiber reinforced Plastic (AFRP). Since the material properties of the fiber-reinforced composite materials, so it is increasingly widely used in various areas of civil construction, bridges, highways, marine, hydraulic structures and underground structures like. This paper will present research scholars at home and abroad in recent years, its mechanical properties. Keywords:Fiber reinforced； Composites； Mechanical Properties；Material properties； application

1.引言

复合材料是将两种或两种以上不同品质的材料通过专门的成型工艺和制造

方法复合而成的一种高性能新材料，按使用要求可分为结构复合材料和功能复合材料到目前为止，主要的发展方向是结构复合材料，但现在也正在发展集结构和功能一体化的复合材料。通常将组成复合材料的材料或原材料称之为组分材料（constituent materials），它们可以是金属、陶瓷或高聚物材料。对结构复合材料而言，组分材料包括基体和增强体，基体是复合材料中的连续相，其作用是将增强体固结在一起并在增强体之间传递载荷；增强体是复合材料中承载的主体，包括纤维、颗粒、晶须或片状物等的增强体，其中纤维可分为连续纤维、长纤维和短切纤维，按纤维材料又可分为金属纤维、陶瓷纤维和聚合物纤维，而目前用得最多的和最重要的是碳纤维。范围在6～8μm内，是近几十年发展起来的一种新型材料。目前用在复合材料中的碳纤维主要有两大类：聚丙烯腈基碳纤维和沥青基碳纤维，分别用聚丙烯腈原丝（称之为前驱体）、沥青原丝通过专门而又复杂的碳化工艺制备而得。通过碳化工艺，使纤维中的氢、氧等元素得以排出，成为一种接近纯碳的材料，含碳量一般都在90%以上，而本身质量却大为减轻；由于碳化过程中对纤维进行了沿轴向的预拉伸处理，使得分子沿轴向进行取向排列，因而碳纤维轴向拉伸强度大大提高，成为一种轻质、高强度、高模量、化学性能稳定的高性能纤维材料。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，应用广泛。

2.理论基础与依据

纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Plastic,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。

2.1 FRP材料的优点

1．有很高的比强度，即通常所说的轻质高强，因此采用FRP 材料可减轻结构自重。在桥梁工程中，使用FRP 结构或FRP 组合结构作为上部结构可使桥梁的极限跨度大大增加。

2.有良好耐腐蚀性，FRP 可以在酸、碱、氯盐和潮湿的环境中长期使用，这是传统结构材料难以比拟的。

3.具有很好的可设计性。FRP 属于人工材料 以通过使用不同的纤维材料、纤维含量和铺陈方向设计出各种强度指标、弹性模量以及特殊性能要求的FRP 产品。而且FRP 产品成型方便 状可灵活设计。

4.具有很好的弹性性能，应力应变曲线接近线弹性，在发生较大变形后还

能恢复原状，塑性变形小，有利于结构偶然超载后的变形恢复。

5.FRP 产品适合于在工厂生产、运送到工地、现场安装的工业化施工过程，有利于保证工程质量、提高劳动效率和建筑工业化。

2.2 关于纤维增强复合材料力学性能研究现状

2.2.1李岩，罗业[1]研究了天然纤维的化学成分、结构以及力学性能;综述了天然纤维的表面处理方式, 分析了其作用机理, 并讨论了表面处理对其复合材

料力学性能的影响;从增强体形式出发, 介绍了短纤维、纤维毡、纤维织物以及单向纤维增强复合材料, 并研究了成型工艺、纤维含量和表面处理等对其拉伸、弯曲、界面性能和冲击强度以及断裂韧性的影响。

然后总结了天然纤维增强复合材料在汽车，建筑等土木领域的应用现状，

随着生态环保意识的加强, 各行各业越来越青睐“绿色” , 特别是与人们生活紧密相关的汽车工业和建筑土木行业.天然纤维增强复合材料得到了广泛的应用, 有着良好的应用前景。

2.2.2关苏军，万春风等[2]则研究了用短切玄武岩纤维(BF)增强木塑(WPC)复合材料(BF /WPC)体系中, BF 的含量与BF /WPC 力学性能之间的关系, 定性探讨了纤维增强机制。结果表明, 与WPC 相比, 除断裂伸长率有所下降之外, BF /WPC 的拉伸强度、冲击强度、弯曲强度均有明显提高, 且这些性能取得最大值时BF 的质量分数分别为15% ～ 30%、15% ～ 25%、20 %～ 30 %, 提高的幅度约为30 %。提出了“弱端面”的定性假说, 由此解释了BF /WPC 各项强度指标与增强纤维含量之间存在着最大值现象的原因。

2.2.3张敏，吴刚等[4]研究了连续玄武岩纤维(CBF)由于其优异的力学性能、物理性能和较低的价格，在土木工程中应用前景广泛。CBF可以与树脂复合制作片状、板状、筋状等各种各样的复合材料（CBFRP），在实际工程中科学合理应