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纤维增强聚合物简介：概念、性能和工艺

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纤维增强聚合物复合材料被定义为用纤维增强的聚合物。纤维增强的主要功能是沿纤维长度承载载荷，并在一个方向上提供强度和刚度。

FRP代表一类属于复合材料类别的材料。

复合材料由两种或两种以上的材料组成，这些材料在组合在一起时保留了各自的化学和物理特性。

FRP复合材料不同于钢或铝等传统建筑材料。

FRP复合材料是各向异性的（属性出现在施加载荷的方向上），而钢或铝是各向同性的（在所有方向上都具有均匀的特性，与施加的载荷无关）。

因此，FRP复合材料的性能是定向的，这意味着最佳的机械性能是在纤维放置的方向上。

纤维增强塑料（FRP），也称为纤维增强塑料，是一种由纤维增强聚合物基体制成的复合材料。

玻璃，碳或芳纶通常是纤维，尽管有时使用其他纤维，例如纸或木材或石棉。

聚合物一般为环氧树脂、乙烯基酯或聚酯的热固性塑料，苯酚甲醛树脂仍在使用。在航空航天、汽车、船舶和建筑行业，FRP 是常用的。

纤维增强聚合物的复合材料部件

1. 纤维

复合材料的性能主要受纤维选择的影响。在土木工程中，三种类型的纤维占主导地位。

这些是碳纤维，玻璃纤维和芳纶纤维，复合材料通常以增强纤维命名，例如碳纤维增强聚合物的CFRP。

它们具有不同的属性。为了加强目的，碳纤维是最合适的。

所有纤维通常具有比普通钢更高的应力能力，并且在失效之前具有线弹性。

纤维类型之间最重要的区别特性是刚度和拉伸应变。

2. 矩阵

基质应在纤维之间传递力，并保护纤维免受环境影响。在土木工程中，热固性树脂（热固性）几乎只使用。在热固性中，乙烯基酯和环氧树脂是最常见的基质。

环氧树脂比乙烯基酯更受青睐，但也更昂贵。环氧树脂在 20 摄氏度下的适用期约为 30 分钟，但可以用不同的配方进行更改。随着温度的升高，固化速度更快。聚酯和环氧树脂的材料性能如表2所示。环氧树脂具有良好的强度、粘合、蠕变性能和耐化学性。

纤维增强聚合物的类型

不同类型的纤维增强聚合物是玻璃纤维，碳，芳纶，超高分子量聚乙烯，聚丙烯，聚酯和尼龙。这些纤维的性能变化是由于原材料和纤维形成的温度。

1.玻璃纤维增强聚合物

玻璃纤维基本上是通过混合硅砂，石灰石，叶酸和其他次要成分制成的。将混合物加热至在约1260°C熔化。

然后允许熔融玻璃通过铂金板上的细孔流动。玻璃线被冷却、收集和缠绕。

纤维被拉出以增加定向强度。然后将纤维编织成各种形式，用于复合材料。

基于铝石灰硼硅酸盐组合物的玻璃生产的纤维被认为是聚合物基复合材料的主要增强材料，因为它们具有高电绝缘性能、低湿气敏感性和高机械性能。玻璃通常是一种良好的抗冲击纤维，但重量比碳或芳纶重。玻璃纤维在某些形式上具有与钢相同或更好的优异特性。

2. 碳纤维增强聚合物

碳纤维具有高弹性模量，200-800 GPa。极限伸长率为0.3-2.5%，其中较低的伸长率对应于较高的刚度，反之亦然。碳纤维不吸水，对许多化学溶液具有抵抗力。

它们能很好地承受疲劳，不会受到应力腐蚀，也不会表现出任何蠕变或松弛，与低松弛高强度预应力钢绞线相比，松弛性较小。

碳纤维具有导电性，因此与钢直接接触可能会产生电偶腐蚀。

3. 芳纶纤维增强聚合物

芳纶是芳香族聚酰胺的简称。芳纶纤维的著名商标是Kevlar，但也有其他品牌，例如Twaron，Technora和SVM。纤维的模量为70-200 GPa，最终伸长率为1.5-5%，具体取决于质量。

芳纶具有很高的断裂能，因此用于头盔和防弹服装。芳纶纤维对高温、潮湿和紫外线辐射敏感，因此未广泛用于土木工程应用。

进一步的芳纶纤维确实存在松弛和应力腐蚀的问题。

纤维增强聚合物的优点

玻璃钢的优点是:

  1. FRP可以提供最大材料刚度密度比，是铝或钢的3.5至5倍。
  2. 它具有很高的疲劳耐久性极限
  3. 它可以吸收冲击能量
  4. 可以在需要时加强材料性能
  5. 降低腐蚀电位
  6. 取消或简化接头和紧固件。

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