FRP材料的組成 zund G3 3XL-2500-translucent foil台中雷射雕刻－駱睿禮焦點新聞熱搜

　　工程結構中常用的FRP一般由高性能纖維和樹脂基體(俗稱膠)組成。纖維是其中受力的主要成分；基體的作用是將纖維粘結在一起，使纖維共同受力。纖維和樹脂的性能共同決定了FRP的宏觀力學性能。高性能纖維材料與性能優越的基體材料結合才能制成滿足工程結構需要的FRP材料或制品，因此首先需要了解各種纖維材料和樹脂基體的性能和特點。常用的纖維有：玻璃纖維(Glass Fiber)、碳纖維(Carbon Fiber)和芳綸纖維(Aramid Fiber)三種；常用的樹脂有：環氧樹脂(Epoxy Resins)、不飽和聚酯樹脂(Unsaturated Polyester Resins)、乙烯基酯樹脂(Vinylester Resins)和酚醛樹脂(Phenolic Resins)等。此外，有時還根據工程需要在FRP中加入一些添加劑，如阻燃劑、熱穩定劑、光穩定劑、著色劑和填料等，以改善其工藝性能或制品的性能。

1.1　纖維材料

　　玻璃纖維是早用于制作FRP的纖維，早出現于20世紀30～40年代的美國。它的主要化學成分為一些金屬或非金屬的氧化物，包括SiO₂，CaO，Al₂O₃，MgO，B₂O₃，Na₂O，K₂O，ZrO₂等。這些氧化物的不同含量的組合可以生產出不同性能的玻璃成分，如表2.1-1列出。因為玻璃纖維生產工藝簡單，價格便宜，所以玻璃纖維增強復合材料(Glass Fiber Reinforced Polymer，簡稱GFRP或玻璃鋼)的應用量大。

　　碳纖維是力學性能和化學穩定性能好的一種纖維，但價格較高。其化學成分為碳，微觀上為類石墨的束狀堆砌結構。根據碳纖維生產工藝的不同，可以分為聚丙烯腈(PAN)基碳纖維、瀝青基碳纖維、粘膠絲基碳纖維、氣相生長碳纖維及石墨晶須，其中前三種應用較廣。根據碳纖維的力學性能又可以分為通用級碳纖維(GP，抗拉強度≤1000MPa，拉伸彈模≤100(MPa)和高性能碳纖維(HP)，其中高性能碳纖維包括標準型、高強型(抗拉強度≥4000MPa)、高模型(拉伸彈模≥390GPa)以及超高強型和超高模型。目前，工程結構中應用的主要是高性能碳纖維。
　　芳綸纖維是一種高性能的有機纖維，20世紀60～70年代研制成功，化學名稱為聚芳酰胺纖維，具有很好的韌性。芳綸纖維產品早于1972年由美國杜邦公司推出，稱為Kevlar纖維，并保持壟斷。到20世紀80年代末，荷蘭AKZO公司和日本Teijin公司也開發出了產品，稱為Twaron和Technora(HM-50)；我國和俄羅斯也有少量生產。
　　表2.1-2中列出部分代表性的纖維產品的性能指標(同類其他產品的指標可能會略有差別)及其與鋼和鋁的性能指標對比。可以看出，纖維材料的比強度(拉伸強度除以相對密度)遠遠高于鋼材和鋁材，玻璃纖維的比模量(彈性模量除以相對密度)略高于鋼材和鋁材，而其他兩種纖維的比模量則是它們的幾倍甚至幾十倍。

　　纖維產品的主要形式為絲束(包括無捻紗和加捻紗)、短切纖維、纖維網、纖維布、纖維氈以及各種纖維織物，圖2.1-1中列出了一些產品形式，可分為：
　　(1)單向纖維增強材料，如絲束、單向纖維布等；
　　(2)正交雙向纖維增強材料，如兩軸正交編織布、纖維網格等，一般為0／90°或±45°，兩個方向上的纖維量為固定比例；
　　(3)準各向同性增強材料，如短切纖維氈、連續纖維氈，其纖維方向隨機，宏觀力學特性沒有明確的方向性；
　　(4)斜交多向纖維增強材料，如多軸編織布等；
　　(5)三維織物。
　　前3類纖維產品形式的應用多。

1.2　樹脂基體

　　樹脂分為熱固性樹脂和熱塑性樹脂兩類，目前結構工程中應用的主要是熱固性樹脂，主要有以下幾類：
　　(1)環氧樹脂是結構工程中常見的一類樹脂，泛指分子中含有兩個或兩個以上環氧基團()的高分子化合物。環氧樹脂的粘接性能、力學性能、耐腐蝕性、絕緣性好，并且可以在室溫低壓環境中固化。在結構工程領域，它作為粘接劑已得到廣泛應用。但其黏度大，工藝性略差，價格相對略高。
　　(2)不飽和聚酯樹脂是包含不飽和二元酸酯基的一類線型高分子聚合物，具有低壓固化、耐化學侵蝕性好、電絕緣性好等優點，但固化收縮較大。
　　(3)乙烯基酯樹脂是具有端基或側基不飽和雙鍵的一類高分子聚合物，與不飽和聚酯樹脂的形式類似，也可以認為是一種不飽和聚酯樹脂的類環氧的改性，其性能與不飽和聚酯樹脂類似，但具有更顯著的耐腐蝕性、韌性和工藝性能，尤其與玻璃纖維有很好的浸潤性。但與環氧樹脂相比，其力學性能略低。
　　(4)酚醛樹脂統指酚類和醛類的縮聚產物，一般指由苯酚和甲醛縮聚而成的合成樹脂。它具有很好的絕緣性、耐熱性、耐燒蝕性、耐酸性、耐水性，力學性能也較好，因此已經廣泛應用于電器、航空航天等領域。但酚醛樹脂在使用中有苯類氣體揮發，對人體有危害。

　　表2.1-3列出了一些代表性的樹脂產品的性能指標(為常見牌號樹脂的性能參數)。可以看到，樹脂的力學性能指標與纖維相差很大，這表明FRP材料在受力時，纖維是主要受力成分，樹脂的作用主要是保證纖維之間粘結，共同受力。各類樹脂的比重相差不大，一般為1.1～1.2。

1.3　纖維增強樹脂基復合材料

　　通過一定的工藝將纖維與樹脂混合合成后，就形成了FRP材料。樹脂和纖維的種類多樣。可通過不同的組合獲得多種不同性能特點的FRP材料，因此其力學性能參數有較大的變化范圍。通常纖維材料在FRP中所占比例稱為纖維含量，根據考察的指標不同有兩種形式：纖維質量含量V_m和纖維體積含量V_f。

　　由于纖維為一維材料，具有方向性，因此FRP材料在力學性能上也表現出顯著的方向性，如圖2.1-2所示的連續纖維單向鋪置的FRP板，沿纖維方向(1方向)上的強度和彈性模量較高，而垂直纖維方向(2方向)上的強度和彈性模量較低，且兩者相差較大，在xy平面內表現為正交各向異性。1、2兩個方向稱為材料主方向，這兩個軸稱為材料主軸。表2.1-4列出了一些具有代表性FRP材料的基本性能指標。可以看到，纖維單向鋪置的FRP在縱橫兩個方向上的性能參數相差一個數量級，而正交雙軸1:1纖維織物增強的FRP在宏觀上表現為準各向同性。而多數傳統工程結構材料，如鋼材和混凝土等，都是各向同性材料，只有少數，如木材，具有方向性的特點。因此，FRP具有各向異性、性能參數多且變化范圍大等特點，使得FRP結構的設計分析比傳統工程材料結構要復雜很多。但這兩個特點也使FRP結構和構件具有很好的可設計性，即可以通過不同的原材料、纖維含量以及設置不同纖維主方向的單層板，設計出不同強度指標、彈性模量以及有特殊性能要求的FRP構件。也正因為如此，FRP的性能受纖維和樹脂材料性能的影響很大，因此工程結構中使用的纖維材料和樹脂材料應具有嚴格的配套性，這樣才能保證FRP材料性能具有穩定性。

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