纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與性能概述

1、聚合物復(fù)合材料纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與性能概述班 級(jí) 1120741 學(xué) 號(hào) 25 姓 名 王彥輝 纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與性能概述一 前言纖維增強(qiáng)復(fù)合材料簡(jiǎn)稱（FRP)是由增強(qiáng)纖維材料,如玻璃纖維,碳纖維,芳綸纖維等,與基體材料經(jīng)過(guò)纏繞,模壓或拉擠等成型工藝而形成的復(fù)合材料。根據(jù)增強(qiáng)材料的不同,常見(jiàn)的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料分為：玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(GFRP),碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)以及芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(AFRP)。由于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有如下特點(diǎn):(1)比強(qiáng)度高,比模量大;(2)材料性能具有可設(shè)計(jì)性:(3)抗腐蝕性和耐久性能好;(4)熱膨脹系數(shù)與混凝土的相近。這些特點(diǎn)使得FR

2、P材料能滿足現(xiàn)代結(jié)構(gòu)向大跨、高聳、重載、輕質(zhì)高強(qiáng)以及在惡劣條件下工作發(fā)展的需要,同時(shí)也能滿足現(xiàn)代建筑施工工業(yè)化發(fā)展的要求,因此被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于各種民用建筑、橋梁、公路、海洋、水工結(jié)構(gòu)以及地下結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域中。纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料也存在著一些缺點(diǎn)和問(wèn)題，纖維的加入雖然提高了復(fù)合材料的力學(xué)性能，但同時(shí)由于其組分的多樣性和制造工藝過(guò)程中穩(wěn)定性問(wèn)題，都會(huì)導(dǎo)致材料中出現(xiàn)缺陷 ( 比如空隙、分層、夾雜、纖維分布不均等 )。由于這些缺陷的存在，降低了纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料料的延展性、斷裂韌性、疲勞壽命、抗蠕變損傷的能力。二、纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料的特性1. 比強(qiáng)度、比模量大碳纖維、硼纖維等有機(jī)纖維增

3、強(qiáng)的聚合物基復(fù)合材料的比強(qiáng)度比鈦合金高3-5倍，比模量比金屬高4倍。這種性能因增強(qiáng)的纖維排列不同會(huì)在一定的范圍內(nèi)浮動(dòng)。2. 耐疲勞性能好金屬材料的疲勞破壞常常是沒(méi)有明顯預(yù)兆的突發(fā)性破壞，二聚合物基復(fù)合材料中纖維與集體的界面能阻止材料的受力所致裂紋的擴(kuò)展。因此，其疲勞破壞總能從纖維的薄弱環(huán)節(jié)開(kāi)始，逐漸擴(kuò)展到結(jié)合面上，破壞前有明顯的預(yù)兆。大多數(shù)金屬材料的疲勞強(qiáng)度極限是其拉伸強(qiáng)度的30-50%，而碳纖維聚酯復(fù)合材料的疲勞強(qiáng)度極限可為其拉伸強(qiáng)度的70-80%。3. 減振性好  受力結(jié)構(gòu)的自振頻率除與結(jié)構(gòu)本身形狀有關(guān)外，還與結(jié)構(gòu)材料比模量的平方根成正比，由于復(fù)合材料的比模量高，因此用這類材料制

4、成的結(jié)構(gòu)件具有較高的自振頻率。同時(shí)，復(fù)合材料中的界面具有吸震能力，使材料的振動(dòng)阻尼很高。對(duì)相同形狀和尺寸的梁進(jìn)行振動(dòng)實(shí)驗(yàn)得知，輕合金梁需9秒才能停止振動(dòng)，而碳纖維復(fù)合材料只需2。5秒就能停止同樣大小的振動(dòng)。其影響因素主要有基體特性、纖維體積比、纖維的直徑以及鋪設(shè)角度、鋪層順序以及載荷條件等。4. 過(guò)載時(shí)安全性好復(fù)合材料中有大量獨(dú)立的纖維，當(dāng)材料過(guò)載而有少量纖維斷裂時(shí)，載荷會(huì)迅速重新分配到破壞的纖維上，使整個(gè)構(gòu)件短期內(nèi)不致于是去承載能力。5. 低溫性能優(yōu)異纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料具有獨(dú)特的性能優(yōu)勢(shì),并且低溫下的熱性能、力學(xué)性能均好于常溫,適宜作為低溫系統(tǒng)中的隔熱結(jié)構(gòu)材料和超導(dǎo)磁體的絕緣支撐材料。

5、但在實(shí)際應(yīng)用中,也必須考慮到材料本身的劣勢(shì),包括韌性差、各向異性和氣密性差等。利用復(fù)合材料可設(shè)計(jì)性,結(jié)合具體低溫應(yīng)用環(huán)境下載荷作用形式、方向和對(duì)材料性能的要求,有針對(duì)性的選擇、設(shè)計(jì)和制作纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料,可以有效提高低溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)安全性,擴(kuò)大纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料在低溫領(lǐng)域的適用范圍。6. 老化性能較好聚合物基復(fù)合材料的耐老化性能樹(shù)脂基體本身和纖維/樹(shù)脂界面的附著情況,通常復(fù)合材料的耐老化性能較好;但比較而言,復(fù)合材料的耐熱氧老化性能較好,而耐紫外光和濕熱老化性能較差。7. 具有多種功能性a、耐燒蝕性好 聚合物基復(fù)合材料可以制成具有較高的比熱，燒融熱和氣化熱，可吸收高溫?zé)g的

6、大量熱能。b、有良好的摩擦性能包括良好的摩阻特性（高摩擦系數(shù)材料）及減摩特性（低摩擦系數(shù)材料）。c、高度的電絕緣性能。復(fù)合材料纖維取向平行于電場(chǎng)方向時(shí)絕緣性能比垂直于電場(chǎng)方向時(shí)低數(shù)倍，在設(shè)計(jì)和使用列車用復(fù)合材料絕緣件時(shí)要盡量地讓纖維取向與電場(chǎng)之間的夾角接近直角。d、耐腐蝕性。  e、具有特殊的光，電、磁特性的聚合物與其它材料組成的多種功能復(fù)合材料。三、纖維的分類1化學(xué)纖維 chemical fiber 用天然的或合成的聚合物為原料,經(jīng)化學(xué)方法制成的纖維。 注:本標(biāo)準(zhǔn)中所列出的纖維名稱,適用于構(gòu)成該纖維的聚合物至少為85%,其余部分不與上述聚合物鍵合的添加物構(gòu)成的化學(xué)纖維。 2再生纖維

7、 regenerated fiber 用天然聚合物為原料、經(jīng)化學(xué)方法制成的、與原聚合物在化學(xué)組成上基本相同的化學(xué)纖維。 3再生纖維素纖維 regenerated cellulose fiber 用纖維素為原料制成的、結(jié)構(gòu)為纖維素II的再生纖維。粘膠纖維 viscose fiber 用粘膠法制成的再生纖維素纖維。 4普通粘膠纖維具有一般的物理機(jī)械性能和化學(xué)性能的粘膠纖維。 5高強(qiáng)力粘膠纖維 high tenacity viscose fiber 具有較高的強(qiáng)力和耐疲勞性能的粘膠纖維。 6高濕模量粘膠纖維 modal fiber 具有較高的聚合度、強(qiáng)力和濕模量的粘膠纖維。這種纖維在濕態(tài)下單位線密度

8、每特(tex)可承受22。0厘牛頓(cN)(相當(dāng)于每旦2。5克)的負(fù)荷,且在此負(fù)荷下的濕伸長(zhǎng)率不超過(guò)15%。 7富強(qiáng)纖維(波里諾西克纖維) polynosicfiber用高粘度、高酯化度的低堿粘膠,在低酸、低鹽紡絲浴中紡成的高濕模量纖維,具有良好的耐堿性和尺寸穩(wěn)定性。 8變化型高濕模量纖維用加有變性劑的粘膠、在鋅含量較高的紡絲浴中紡成的高濕模量纖維,具有較高的鉤接強(qiáng)度和耐疲勞性。 9銅氨纖維(銅銨纖維) cupro fiber,cuprene fiber, cuprammonium fiber 用銅氨法(銅銨法)制成的再生纖維素纖維。 10再生蛋白質(zhì)纖維 regenerated protein

9、 fiber 用天然蛋白質(zhì)為原料制成的再生纖維。 11醋酯纖維 acetate fiber 用纖維素為原料,經(jīng)化學(xué)成法轉(zhuǎn)化成醋酸纖維素酯制成的化學(xué)纖維。 12三醋酯纖維 triacetate fiber 由纖維素三醋酸酯構(gòu)成的醋酯纖維,其中至少有92%的羥基被乙酸化。 13二醋酯纖維 secondary cellulose acetate fiber 由纖維素二醋酸酯構(gòu)成的醋酯纖維,其中至少有74%,但不到92%的羥基被乙酸化。 14合成纖維 synthetic fiber 用單體經(jīng)人工合成獲得的聚合物為原料制成的化學(xué)纖維。 15聚先胺纖維 polyamide fiber, nylon 由先

10、胺鍵與脂族基或脂環(huán)基連接的線型分子構(gòu)成的合成纖維。其化學(xué)結(jié)構(gòu)式為: NH-RNHCOR-COp 或NHR-COp (R與R為脂族基或脂環(huán)基,可以相同或不同)。至少應(yīng)有85%的先胺鍵與R或R相連。 注:可根據(jù)縮聚組分的碳原子個(gè)數(shù)來(lái)簡(jiǎn)稱各相應(yīng)的脂族聚先纖維。 16芳族聚胺纖維 aramid fiber 由先 胺鍵與芳基連接的芳族聚先 胺的線型分子構(gòu)成的合成纖維,其中至少有85%的先 胺鍵直接與兩個(gè)芳基連接(并可在不超過(guò)50%的情況下,以亞先胺鍵代替先 胺鍵)。其化學(xué)結(jié)構(gòu)式為: NHARNHCOAR-COp (AR與AR為芳基,可以相同或不同)。 注:可根據(jù)取代基在芳基上的位置來(lái)簡(jiǎn)稱各相應(yīng)的芳族聚先

11、胺纖維。 由二元醇與二元酸或-羥基酸等聚酯線大分子所構(gòu)成的。 17聚酯纖維 polyester fiber 合成纖維,在大分子鏈中至少有85%的這種酯的鏈節(jié)。如:聚對(duì)苯二甲酸乙二酯纖維,其化學(xué)結(jié)構(gòu)式為: OC COOCH2- CH2 Op 18聚丙烯睛纖維polyacrylic fiber 由聚丙烯睛或其共聚物的線型大分子構(gòu)成的合成纖維,大分子鏈中至少有85%的丙烯睛鏈節(jié)CH2CH-p。 19改性聚丙烯睛纖維 modacrylic fiber 由丙烯睛及其共聚物形成的線型分子構(gòu)成的合成纖維。大分子鏈中至少有35%但不到85%的丙烯睛鏈(CH2-CH)p。 20聚乙烯醇系纖維 polyvinyl

12、 alcohol fiber, vinylal fiber 由聚乙烯醇的線型大分子構(gòu)成的合成纖維。 21聚烯烴纖維 polyolefine fiber 由烯烴聚合成的線型大分子構(gòu)成的合成纖維。 22聚乙烯纖維 polyethylene fiber 由聚乙烯形成的末被取代的飽和脂肪烴的線型分子構(gòu)成的合成纖維。 23聚丙烯纖維 polypropylene fiber 由等規(guī)聚丙烯形成的飽和脂肪烴的線型大分子構(gòu)成的合成纖維。 24聚氯乙烯系纖維(含氯纖維) chlorofiber 由聚氯乙烯(或其衍生物)或其共聚物組成的線型大分子構(gòu)成的合成纖維。 25聚氯乙烯纖維 polyvinyl chlorid

13、e fiber 由聚氯乙烯或其共聚物組成的線型大分子所構(gòu)成的合成纖維,大分子鏈中至少有50%的氯乙烯鏈節(jié)。(當(dāng)與丙烯睛共聚時(shí),則至少有65%) 26聚偏氯乙烯纖維 polyvinylidene chloride fiber 用偏氯乙烯和氯乙烯共聚物為原料制成的合成纖維。 27氯化聚氯乙烯纖維(過(guò)氯乙烯纖維) chlorinated polyvinyl chloride fiber 聚氯乙烯樹(shù)脂經(jīng)氯化后制成的合成纖維。 28聚氟烯烴纖維(含氟纖維) fluorofiber 由氟化脂族碳化合物聚合成的線型大分子所構(gòu)成的合成纖維,如聚四氟乙烯纖維。 29乙烯基類三元共聚纖維 trivinyl fib

14、er 由丙烯睛 及其它兩種乙烯基單體的工組分聚合物線型分子所構(gòu)成的合成纖維。其中任何一種組分的含量均不到50%。 30彈性纖維 elastane fiber 具有高延伸性、高回彈性的合成纖維,這種纖維被拉伸為原長(zhǎng)的三倍后再予以放松時(shí),可以迅速地基本恢復(fù)到原長(zhǎng)。 31二烯類彈性纖維 elastoliene fiber 由天然的或合成的聚異戊二烯,或由一種或多種二烯類聚合物構(gòu)成的彈性纖維。 32聚氨酯彈性纖維 polycarbaminate fiber 由與其它高聚物嵌段共聚時(shí)至少含有85%的氨基甲酸酯的鏈節(jié)單元組成的線型大分子所構(gòu)成的彈性纖維。 33無(wú)機(jī)纖維 inorganic fiber 主要

15、成分是由無(wú)機(jī)物構(gòu)成的纖維。 注:無(wú)機(jī)纖維從定義上說(shuō)不屬于化學(xué)纖維范圍,為使用方便,暫列入本標(biāo)準(zhǔn)。 34玻璃纖維 glass fiber, textile glass 主要成分是鋁、鈣、鎂、硼等的硅酸鹽混合物所構(gòu)成的無(wú)機(jī)纖維。 35碳纖維 carbon fiber 由碳元素構(gòu)成的無(wú)機(jī)纖維,通常按產(chǎn)品性能可分為普通碳纖維、高強(qiáng)碳纖維、高模量碳纖維。 36金屬纖維 metallic fiber 由金屬造成的無(wú)機(jī)纖維。四、纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料在低溫下的應(yīng)用纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料的低溫應(yīng)用途徑主要有3個(gè)方面。（1）結(jié)構(gòu)支撐對(duì)重量有嚴(yán)格要求的航天器上目前常采用碳纖維及Kevlar纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)

16、合材料作為太陽(yáng)電池陣結(jié)構(gòu)、天線結(jié)構(gòu)及椼架結(jié)構(gòu)支撐材料。東方紅三號(hào)通信廣播衛(wèi)星的太陽(yáng)電池陣結(jié)構(gòu)中就采用了高模量碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料作為夾層結(jié)構(gòu)的面板以實(shí)現(xiàn)減輕質(zhì)量，增加有效載荷效率的目的。纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料用于低溫系統(tǒng)中的兩類支撐定位結(jié)構(gòu)形式分別是支承柱/ 管和支撐帶，支承柱/ 管主要受壓縮載荷，固定支撐帶則主要承受拉伸載荷。支撐帶低溫下的應(yīng)用主要涉及核磁共振元件，杜瓦及航天應(yīng)用方面；支撐柱/ 管的低溫應(yīng)用則包括杜瓦支撐，航天應(yīng)用，高能物理加速器中超導(dǎo)磁體、超導(dǎo)磁流體動(dòng)力系統(tǒng)及強(qiáng)沖擊加載條件下超導(dǎo)磁體的支撐。對(duì)于纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料關(guān)鍵性能的要求包

17、括壓縮模量、壓縮強(qiáng)度、拉伸模量、拉伸強(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)、熱膨脹系數(shù)、疲勞性能和抗輻射性能。 （2）低溫容器壓力容器和低溫儲(chǔ)罐采用纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料作為結(jié)構(gòu)材料。以玻璃、硼、Kevlar、碳等高強(qiáng)纖維作為增強(qiáng)材料，鋁合金、不銹鋼、鈦合金等金屬為內(nèi)襯材料制成的纖維纏繞式容器，被用于運(yùn)載火箭及航天飛機(jī)液氫、液氧燃料貯箱；為降低發(fā)射費(fèi)用，減輕飛行器質(zhì)量，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）自20世紀(jì)90年代中期開(kāi)始研發(fā)以碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料為面板、輕質(zhì)聚合物材料為芯材的夾層結(jié)構(gòu)容器作為單級(jí)入軌、可重復(fù)使用下一代飛行器（RLV）中低溫燃料貯箱。在民用方面，隨著氫、天然氣作為新型能源而逐漸得到廣泛應(yīng)用，也出現(xiàn)采用鋁材做內(nèi)襯材料，外部用碳纖維/ 環(huán)氧樹(shù)脂做增強(qiáng)材料的壓力儲(chǔ)氫容器，以及采用玻璃纖維層壓復(fù)合材料作為液化天然氣運(yùn)輸船絕熱貯槽隔熱材料的例子。 對(duì)于纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料關(guān)鍵性能的要求包括導(dǎo)熱系數(shù)、拉伸強(qiáng)度、拉伸模量、氣/ 液滲透性、疲勞性能等。  （3）低溫超導(dǎo)系統(tǒng)的絕緣件在低溫超導(dǎo)領(lǐng)域，對(duì)于設(shè)備的要求除了支承、絕熱方面還有電絕緣性、抗磁性、熱膨脹性等。國(guó)際熱核實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆項(xiàng)目、中國(guó)