復合材料力學論文

1、纖維增強復合材料力學性能研究現(xiàn)狀文獻綜述崔鵬中北大學 理學院 工程力學學科部 030051太原中國摘要：纖維增強復合材料(Fiber Reinforced Plastic,簡稱FRP)是由增強纖維材料,如玻璃纖維,碳纖維,芳綸纖維等,與基體材料經(jīng)過纏繞,模壓或拉擠等成型工藝而形成的復合材料。根據(jù)增強材料的不同,常見的纖維增強復合材料分為玻璃纖維增強復合材料(GFRP),碳纖維增強復合材料(CFRP)以及芳綸纖維增強復合材料(AFRP)。由于纖維增強復合材料的材料特性，因此它越來越廣泛地應用于各種民用建筑、橋梁、公路、海洋、水工結構以及地下結構等領域中。本文將綜述近年來國內(nèi)外的學者對它的力學性能

2、的研究現(xiàn)狀。關鍵詞：纖維增強 ；復合材料；力學性能；材料特性；應用Composite Research Status literature review of fiber reinforced mechanical properties of materialsCUI PengCollege of Engineering Department of Mechanical Discipline North University of China Taiyuan, China 030051Abstract: Fiber-reinforced composite material (Fiber Re

3、inforced 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 glas

4、s 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, hydrau

5、lic 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； application1.引言復合材料是將兩種或兩種以上不同品質的材料通過專門的成型工藝和制造方法復合而成的一種高性能新材料，按使

6、用要求可分為結構復合材料和功能復合材料到目前為止，主要的發(fā)展方向是結構復合材料，但現(xiàn)在也正在發(fā)展集結構和功能一體化的復合材料。通常將組成復合材料的材料或原材料稱之為組分材料（constituent materials），它們可以是金屬、陶瓷或高聚物材料。對結構復合材料而言，組分材料包括基體和增強體，基體是復合材料中的連續(xù)相，其作用是將增強體固結在一起并在增強體之間傳遞載荷；增強體是復合材料中承載的主體，包括纖維、顆粒、晶須或片狀物等的增強體，其中纖維可分為連續(xù)纖維、長纖維和短切纖維，按纖維材料又可分為金屬纖維、陶瓷纖維和聚合物纖維，而目前用得最多的和最重要的是碳纖維。范圍在68m內(nèi)，是近幾十年

7、發(fā)展起來的一種新型材料。目前用在復合材料中的碳纖維主要有兩大類：聚丙烯腈基碳纖維和瀝青基碳纖維，分別用聚丙烯腈原絲（稱之為前驅體）、瀝青原絲通過專門而又復雜的碳化工藝制備而得。通過碳化工藝，使纖維中的氫、氧等元素得以排出，成為一種接近純碳的材料，含碳量一般都在90%以上，而本身質量卻大為減輕；由于碳化過程中對纖維進行了沿軸向的預拉伸處理，使得分子沿軸向進行取向排列，因而碳纖維軸向拉伸強度大大提高，成為一種輕質、高強度、高模量、化學性能穩(wěn)定的高性能纖維材料。纖維增強復合材料具有如下特點:(1)比強度高,比模量大;(2)材料性能具有可設計性:(3)抗腐蝕性和耐久性能好;(4)熱膨脹系數(shù)與混凝土的相

8、近。這些特點使得FRP材料能滿足現(xiàn)代結構向大跨、高聳、重載、輕質高強以及在惡劣條件下工作發(fā)展的需要,同時也能滿足現(xiàn)代建筑施工工業(yè)化發(fā)展的要求，應用廣泛。2.理論基礎與依據(jù) 纖維增強復合材料(Fiber Reinforced Plastic,簡稱FRP)是由增強纖維材料,如玻璃纖維,碳纖維,芳綸纖維等,與基體材料經(jīng)過纏繞,模壓或拉擠等成型工藝而形成的復合材料。2.1 FRP材料的優(yōu)點1有很高的比強度，即通常所說的輕質高強，因此采用FRP 材料可減輕結構自重。在橋梁工程中，使用FRP 結構或FRP 組合結構作為上部結構可使橋梁的極限跨度大大增加。2.有良好耐腐蝕性，F(xiàn)RP 可以在酸、堿、氯鹽和潮濕

9、的環(huán)境中長期使用，這是傳統(tǒng)結構材料難以比擬的。3. 具有很好的可設計性。FRP 屬于人工材料􀍄可以通過使用不同的纖維材料、纖維含量和鋪陳方向設計出各種強度指標、彈性模量以及特殊性能要求的FRP 產(chǎn)品。而且FRP 產(chǎn)品成型方便􀍄形狀可靈活設計。4. 具有很好的彈性性能，應力應變曲線接近線彈性，在發(fā)生較大變形后還能恢復原狀，塑性變形小，有利于結構偶然超載后的變形恢復。5. FRP 產(chǎn)品適合于在工廠生產(chǎn)、運送到工地、現(xiàn)場安裝的工業(yè)化施工過程，有利于保證工程質量、提高勞動效率和建筑工業(yè)化。2.2 關于纖維增強復合材料力學性能研究現(xiàn)狀2.2.1李巖，羅業(yè)1研究了天然纖

10、維的化學成分、結構以及力學性能;綜述了天然纖維的表面處理方式, 分析了其作用機理, 并討論了表面處理對其復合材料力學性能的影響;從增強體形式出發(fā), 介紹了短纖維、纖維氈、纖維織物以及單向纖維增強復合材料, 并研究了成型工藝、纖維含量和表面處理等對其拉伸、彎曲、界面性能和沖擊強度以及斷裂韌性的影響。 然后總結了天然纖維增強復合材料在汽車，建筑等土木領域的應用現(xiàn)狀，隨著生態(tài)環(huán)保意識的加強, 各行各業(yè)越來越青睞“綠色” , 特別是與人們生活緊密相關的汽車工業(yè)和建筑土木行業(yè).天然纖維增強復合材料得到了廣泛的應用, 有著良好的應用前景。 2.2.2關蘇軍，萬春風等2則研究了用短切玄武巖纖維(BF)增強木

11、塑(WPC)復合材料(BF /WPC)體系中, BF 的含量與BF /WPC 力學性能之間的關系, 定性探討了纖維增強機制。結果表明, 與WPC 相比, 除斷裂伸長率有所下降之外, BF /WPC的拉伸強度、沖擊強度、彎曲強度均有明顯提高, 且這些性能取得最大值時BF 的質量分數(shù)分別為15% 30%、15% 25%、20 % 30 %, 提高的幅度約為30 %。提出了“ 弱端面” 的定性假說, 由此解釋了BF /WPC 各項強度指標與增強纖維含量之間存在著最大值現(xiàn)象的原因。2.2.3張敏，吳剛等4研究了連續(xù)玄武巖纖維(CBF) 由于其優(yōu)異的力學性能、物理性能和較低的價格，在土木工程中應用前景廣

12、泛。CBF可以與樹脂復合制作片狀、板狀、筋狀等各種各樣的復合材料（CBFRP），在實際工程中科學合理應用CBFRP，必須對其力學性能作深入了解。對CBFRP片材和棒材的力學性能進行研究，重點討論了影響CBFRP力學性能的各種參數(shù)，研究結果可為CBF及其CBF片材生產(chǎn)廠家提供參考，并為CBF的深入研究和工程應用打下基礎。2.2.4劉建華等3采用中性鹽霧條件模擬海洋大氣環(huán)境進行加速老化試驗, 評價玻璃纖維增強環(huán)氧改性酚醛樹脂基復合材料(GFRP)在海洋氣候中的耐久性。通過該復合材料經(jīng)鹽霧老化后的質量變化和縱向拉伸強度、橫向拉伸強度、壓縮強度、層間剪切強度的變化, 結合濕熱老化機理, 研究其老化規(guī)律

13、。結果表明, 隨著老化時間的增加, 復合材料的吸濕量增加, 力學強度下降, 壓縮和層間剪切曲線表現(xiàn)出塑性特征。吸濕最初階段對力學性能影響最大, 縱向拉伸強度、橫向拉伸強度、壓縮強度、層間剪切強度分別下降到56.1%、54.7%、54 .0 %、61 .0 %。其中拉伸強度變化趨勢最穩(wěn)定, 更適用于評價該復合材料的老化程度。2.2.5張楊，馬巖5為了研究碳纖維增強木基復合材料的力學性能，選擇直徑為 的碳纖維制備試樣。分別對碳纖維增強木基復合材料與木纖維板進行了三點彎曲力學性能測試，運用掃描電鏡（）其微觀結構進行表征。結果表明：通過力學曲線對比及斷裂機理分析，可以明顯的發(fā)現(xiàn)碳纖維增強木基復合材料的

14、力學性能要優(yōu)于木纖維板，這種“三明治”結構的材料設計充分發(fā)揮出碳纖維獨特的緩沖能力，試件在較高外加載荷作用下并不是產(chǎn)生突然的斷裂破壞，而是具有一定的承載能力。 分析表明，聚醋酸乙烯膠粘劑工作強度高，在受力時能夠很好的傳遞載荷，碳纖維網(wǎng)與木纖維板結合良好。2.2.6焦瓏，康衛(wèi)民等6也研究了碳納米管修飾碳纖維增強樹脂基復合材料力學性能，碳納米管以其穩(wěn)定的結構、優(yōu)異的力學性能，成為復合材料的理想增強相。詳細介紹了碳納米管碳纖維功能增強體的制備方法及其在增強樹脂基復合材料力學性能方面的研究進展，并評述了碳納米管碳纖維增強樹脂基復合材料存在的相應問題，為提高碳纖維樹脂基復合材料力學性能的研究提供了參考。

15、碳纖維復合材料由于其優(yōu)異的性能得到了無限的青睞。它已經(jīng)變成了一種多學科、跨行業(yè)的特殊精細化產(chǎn)品，國外已實現(xiàn)了其商業(yè)化的生產(chǎn)。然而我國碳纖維及其復合材料的研制與生產(chǎn)較世界先進水平仍有較大的差距，加之我國對碳纖維材料的需求正逐年增加，為了擺脫對國外進口產(chǎn)品的依賴，發(fā)展我國自主的碳纖維高性能復合材料已經(jīng)迫在眉睫?；谔技{米管優(yōu)異的性能，將其與碳纖維有效結合，制備出高性能的碳納米管碳纖維功能增強體，無疑對提高碳纖維及其復合材料的性能帶來了一片生機。2.2.7劉鵬，李方義等7為了解決生物質復合材料中淀粉基質與植物纖維分子間的表面結合問題，探究淀粉/纖維預處理對二者分子間氫鍵形成的影響，提高生物質復合材料

16、的力學性能，在多年研究的基礎上，優(yōu)化成分配伍，分別制備了劍麻纖維、紙漿纖維、稻草纖維和木質纖維增強的生物質復合材料。通過紅外光譜實驗，研究了熱塑性淀粉的化學鍵變化和復合材料制品化學鍵的變化機理，對比了4 種復合材料中淀粉和纖維分子間氫鍵的強弱。拉伸強度和壓縮強度實驗結果表明，劍麻纖維增強的復合材料的拉伸強度最高可達3 75 MPa，壓縮強度最高可達1 26 MPa，遠遠好于紙漿纖維、稻草纖維和木質素纖維復合材料。SEM 圖像顯示了熱塑性淀粉和生物質復合材料的微觀結構形態(tài)。生物質復合材料制備流程圖The preparation process of biomass composites2.2.8

17、對于纖維增強復合材料的制備，姜飛正等8采用模壓成型法制備紡織結構碳纖維增強聚苯硫醚基（carbonfiberfabricpolyphenylenesulfide，CFFPPS）復合材料層壓板，通過纖維改性處理和模壓工藝優(yōu)化，得到力學性能優(yōu)異的CFFPPS復合材料。采用DSC、TGA、流變行為測試等手段對PPS基體性能進行了表征?；诜治鼋Y果，考察了模壓成型溫度、壓力、時間和加載方式等工藝參數(shù)對復合材料力學性能的影響，并初步探討了這些因素對材料結構與性能的調控機制。在最佳工藝參數(shù)下制得的層壓板拉伸強度為762.31MPa，彎曲強度720.93MPa，層間剪切強度58.90MPa，沖擊強度46.1

18、8KJm2。借助SEM、金相顯微鏡等表征手段觀察到，PPS基體完全滲透于紡織結構碳纖維單絲之間，復合材料層壓板內(nèi)部沒有發(fā)現(xiàn)微觀孔隙。對于力學性能來說，得到結論：）通過纖維熱處理和模壓工藝優(yōu)化，得到力學性能優(yōu)異的CFFPPS復合材料層壓板，因此薄膜疊層模壓法制備CFFPPS復合材料路線是可行的。確定了合適的熱壓參數(shù)：熱壓溫度330，熱壓時間為25min，加壓方式為0.52.1MPa三段式加壓。）樹脂基體PPS對溫度的敏感性較高，隨著溫度的升高，熔體粘度逐漸下降；但是溫度過高易使PPS發(fā)生交聯(lián)反應。但不同程度的交聯(lián)對材料的拉伸、彎曲、層間剪切、沖擊的影響是不一樣的。）采用三段式加壓及合理的溫度與時

19、間解決了熱塑性樹脂基體對纖維絲束的浸潤性，有效地降低了材料的孔隙率。2.2.9杜鳳，王偉宏9研究了碳纖維增強木粉/聚乙烯復合材料的制備及其力學性能, 將短切碳纖維(SCF)與木粉(WF)、高密度聚乙烯(HDPE)塑料和其他添加劑共混、熔融復合后，用模壓成型方法制備了短切碳纖維增強木塑( SCF/WF/HDPE) 復合材料;將碳布放置于木塑板上下表面，經(jīng)模壓成型制備碳纖維布增強木塑(CFC/WF/HDPE)復合材料。研究了碳纖維用量對碳纖維增強WF/HDPE 復合材力學性能的影響，并利用掃描電鏡(SEM)和紅外光譜(FTI)對碳纖維進行表征。結果表明:與純WF/HDPE 復合材相比，碳纖維加入量

20、為10% 時，復合材料的力學強度提高幅度最大，拉伸強度和彎曲強度分別提高了8. 4% 和10. 6%;當碳纖維加入量為6%時，復合材料的韌性提高幅度最大，斷裂伸長率提高了25. 9%，沖擊強度提高了24. 4%。使用丙酮清洗掉碳纖維表面的上漿劑后，其增強效果比未經(jīng)過處理的碳纖維略有下降。與短切碳纖維相比，碳布的增強效果更好，與短切碳纖維增強木塑(SCF/WF/HDPE) 復合材料相比，碳布平鋪在木塑板表面的結構拉伸性能可提高62%，斷裂伸長率提高148%，彎曲強度提高71%，沖擊強度高313%。2.2.10對于很多纖維增強復合材料,對于碳纖維增強復合材料則是研究比較多,對于這一材料,劉新宇,劉

21、銳等10研究了連續(xù)碳纖維增強雜萘聯(lián)苯共聚芳醚砜復合材料的制備及力學性能。熱塑性復合材料較傳統(tǒng)的熱固性復合材料具有更高的韌性和抗損傷容限，成型周期短，可重復加工等特點，熱塑性復合材料的研究和應用越來越被人們所重視11,12。以PPBES 為樹脂基體，連續(xù)碳纖維為增強材料，采用溶液浸漬和熱壓成型的工藝制備出連續(xù)纖維增強復合材料，重點考察了纖維體積分數(shù)、模壓成型溫度、成型壓力及保壓時間對復合材料力學性能的影響。并在確定了最佳成型工藝條件后，考察了復合材料的耐濕熱性能。以含二氮雜萘酮聯(lián)苯共聚芳醚砜( PPBES) 為樹脂基體，連續(xù)碳纖維T700-12K 為增強材料，采用溶液浸漬和模壓成型的方法制備出單

22、向復合材料。通過對復合材料樣條進行三點彎曲以及短梁剪切力學性能測試，考察了復合材料纖維體積分數(shù)、模壓成型溫度、成型壓力及保壓時間對復合材料彎曲強度、模量及層間剪切強度的影響。分別測試了復合材料在干態(tài)及濕態(tài)下的高溫力學性能的變化規(guī)律。結果表明，當復合材料纖維體積分數(shù)為63%，模壓成型溫度為350 ，成型壓力為4 MPa，保壓時間為20 min 時，復合材料的力學性能最佳。動態(tài)熱機械性能測試結果表明復合材料在230 之前，儲能模量保持穩(wěn)定。而水煮48 h 后復合材料的吸水率為0 3%。3.應用纖維增強復合材料在工程中應用廣泛,學者經(jīng)過很多年的研究,已經(jīng)通過FRP的特性,發(fā)現(xiàn)了FRP的實用性.下面通

23、過一些材料了解一下FRP在工程結構中的應用.3.1FRP 筋和預應力FRP 筋混凝土結構FRP 筋中纖維體積含量可達到60%具有輕質高強的優(yōu)點,重量約為普通鋼筋的1/5.強度為普通鋼筋的6 倍,且具有抗腐蝕、低松弛、非磁性、抗疲勞等優(yōu)點。目前用FRP 筋代替鋼筋可利用其良好的耐腐蝕性,避免銹蝕對結構所帶來的損害,減少結構維護費用;還較多地應用于有無鐵磁性要求的特殊工程中;在橋梁工程中,FRP 索還可用作懸索橋的吊索及斜拉橋的斜拉索,以及預應力混凝土橋中的預應力筋。作為混凝土構件中配筋的FRP筋要通過表面砂化、壓痕、滾花或編織等工藝增強其與混凝土間的粘接力;用作預應力FRP筋的索一般較柔軟,具有

24、一定的韌性。在北美、北歐等西方國家,由于冬季的除冰鹽對橋梁結構中鋼筋腐蝕所帶來的嚴重危害已成為困擾基礎設施工程的主要問題,FRP 配筋和FRP預應力筋混凝土結構的研究和應用發(fā)展較早且較快。20 世紀70 年代末FRP 筋開發(fā)成功,并應用于工程中;80 年代末,德國、日本相繼建成FRP 預應力混凝土橋。目前已有多種FRP筋、索和網(wǎng)格材產(chǎn)品以及配套的錨具,并編制了相關的規(guī)范和規(guī)程。3.2 FRP 結構及FRP 組合結構FRP 結構是指用FRP 制成各種基本受力構件所形成的結構;FRP 組合結構則是指將FRP與傳統(tǒng)結構材料,主要是混凝土和鋼材,通過受力形式上的組合,共同工作來承受荷載的結構形式。FR

25、P 與混凝土通過合理的組合方式使FRP 型材與混凝土共同受力,發(fā)揮各自的優(yōu)勢,達到提高受力性能、降低造價、增強耐久性、便于施工的目的。FRP 與鋼材組合,可發(fā)揮出鋼材的高彈性模量和FRP 耐腐蝕、耐疲勞|生能好的優(yōu)勢,達到互補的效果。可在拉擠FRP 型材時,直接將鋼筋和鋼絲嵌入型材中成型,也可在鋼結構外部采用FRP 型材封閉,一方面防止鋼結構銹蝕,另一方面可與鋼結構共同受力。還可用鋼結構骨架與FRP 織物蒙皮結合的組成蒙皮結構。3.3 FRP 加固砌體結構近年來提出的采用FRP 加固砌體結構的新型技術,可以避免傳統(tǒng)砌體結構補強方法的缺點。國外對FRP 加固砌體結構的研究和應用比較多,主要是針對

26、FRP 加固砌體結構的平面外彎曲性能研究、抗剪性能研究和抗震性能研究等。試驗結果表明,FRP 加固能有效提高砌體的受剪承載力和抗震性能。在應用上,歐洲的許多古建筑采用了FRP 進行修復加固,取得了良好的效果。目前,國內(nèi)在FRP 加固砌體結構的研究應用還比較少,理論還不夠成熟,也沒有關于FRP 加固砌體結構的有關規(guī)范。3.4 FRP 加固鋼結構在役鋼結構,如橋梁、建筑物等在設計、制造、施工過程中可能產(chǎn)生各種缺陷,在使用階段因超載、銹蝕、疲勞等原因會引起損傷累積,從而影響結構的安全。傳統(tǒng)的鋼結構加固方法主要有鋼板焊接、螺栓連接、鉚接或者粘接,這些方法存在許多缺點,如產(chǎn)生新的損傷和焊接殘余應力等。近

27、年來的研究表明,FRP 加固鋼結構顯示出很好的效果。FRP 加固修復損傷鋼結構能有效恢復其剛度、承載能力并改善其疲勞性能,還能對鋼結構形成保護,起到加固和防腐的雙重效果。國外關于FRP 加固鋼結構的試驗研究大部分集中在受彎加固和疲勞加固方面,分為無損傷缺陷鋼梁的加固和損傷鋼梁的加固。FRP 加固無初始損傷缺陷鋼梁的試驗結果顯示,鋼梁加固后的承載能力有一定提高,但剛度大部分沒有明顯變化。已有的試驗結果表明,加固效果的離散性比較大,隨著粘貼的纖維量、纖維的彈性模量、鋼材的彈性模量、鋼材的屈服強度的不同,加固效果也不同。存在損傷缺陷鋼梁用高模量的CFRP板加固后,剛度基本能恢復到未損傷情況下鋼梁剛度

28、的90%以上,極限承載能力的提高隨著加固量和損傷大小而不同。3.5FRP 鋁合金組合結構新型結構形式，它兼有兩種材料輕質的特點，同時FRP 又極大地增強了鋁合金構件的剛度和承載力。這種組合結構已在航空航天工程中得到廣泛應用，我國也已開始在土木與建筑工程結構中的研究。4.FRP材料發(fā)展前景FRP 材料用于加固行業(yè)促進了加固行業(yè)的進一步發(fā)展，備受國內(nèi)外加固行業(yè)、研究者、設計部門等的青睞。目前，國內(nèi)外一些學者，已相繼展開了內(nèi)嵌FRP 片材加固方法有關的試驗研究、理論分析和工程應用。盡管嵌入FRP 材料與外貼FRP 片材相比有許多優(yōu)點，但在構件不卸載、卸載不充分或構造措施不當時，嵌入混凝土內(nèi)的FRP 材料強度仍難以充分發(fā)揮作用，而增加FRP 材料的斷面又受到保護層厚度及構件橫向尺寸的限制，已有的FRP內(nèi)嵌抗彎加固試驗研究結果(包括作者的試驗研究)均表明了這一問題。且在試驗中，大部分試件發(fā)生粘結失效破壞(這里所指的粘結破壞，與外貼FRP 片材的剝離破壞相比，破壞的突然性和脆性有所降低)。有研究者還采用了高模量的CFRP 方形筋，承載能力提高幅度更大，但延性降低，也因粘結失效而破壞。而目前對于內(nèi)嵌加固的粘結失效強度模型的研究還較少，所提出的模型一般都是在原有片材模型上的改進，而這些模型都具有各