纤维增强聚合物复合材料结构与性能概述

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1、聚合物复合材料纤维增强聚合物复合材料结构与性能概述班级1120741学号25姓名王彦辉纤维增强聚合物复合材料结构与性能概述一刖言纤维增强复合材料简称(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

2、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，因此被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。纤维增强聚合物基复合材料也存在着一些缺点和问题，纤维的加入虽然提高了复合材料的力学性能，但同时由于其组分的多样性和制造工艺过程中稳定性问题，都会导致材料中出现缺陷(比如空隙、分层、夹杂、纤维分布不均等)。由于这些缺陷的存在，降低了纤维增强聚合物基复合材料料的延展性、断裂韧性、疲劳寿命、抗蠕变损伤的能力。二、纤维增强聚合物基复合材料的特性1. 比强度、比模量大碳纤维、硼纤维等有机纤维增强的聚合物基复合材料的比强度

3、比钛合金高3-5倍，比模量比金属高4倍。这种性能因增强的纤维排列不同会在一定的范围内浮动。2. 耐疲劳性能好金属材料的疲劳破坏常常是没有明显预兆的突发性破坏，二聚合物基复合材料中纤维与集体的界面能阻止材料的受力所致裂纹的扩展。因此，其疲劳破坏总能从纤维的薄弱环节开始，逐渐扩展到结合面上，破坏前有明显的预兆。大多数金属材料的疲劳强度极限是其拉伸强度的30-50%，而碳纤维聚酯复合材料的疲劳强度极限可为其拉伸强度的70-80%。3. 减振性好受力结构的自振频率除与结构本身形状有关外，还与结构材料比模量的平方根成正比，由于复合材料的比模量高，因此用这类材料制成的结构件具有较高的自振频率。同时，复合材

4、料中的界面具有吸震能力，使材料的振动阻尼很高。对相同形状和尺寸的梁进行振动实验得知，轻合金梁需9秒才能停止振动，而碳纤维复合材料只需2。5秒就能停止同样大小的振动。其影响因素主要有基体特性、纤维体积比、纤维的直径以及铺设角度、铺层顺序以及载荷条件等。4. 过载时安全性好复合材料中有大量独立的纤维，当材料过载而有少量纤维断裂时，载荷会迅速重新分配到破坏的纤维上，使整个构件短期内不致于是去承载能力。5. 低温性能优异纤维增强聚合物基复合材料具有独特的性能优势,并且低温下的热性能、力学性能均好于常温,适宜作为低温系统中的隔热结构材料和超导磁体的绝缘支撑材料。但在实际应用中,也必须考虑到材料本身的劣势

5、,包括韧性差、各向异性和气密性差等。利用复合材料可设计性,结合具体低温应用环境下载荷作用形式、方向和对材料性能的要求,有针对性的选择、设计和制作纤维增强聚合物基复合材料,可以有效提高低温系统结构安全性,扩大纤维增强聚合物基复合材料在低温领域的适用范围。6. 老化性能较好聚合物基复合材料的耐老化性能树脂基体本身和纤维/树脂界面的附着情况通常复合材料的耐老化性能较好;但比较而言,复合材料的耐热氧老化性能较好,而耐紫外光和湿热老化性能较差。7. 具有多种功能性a、耐烧蚀性好聚合物基复合材料可以制成具有较高的比热，烧融热和气化热，可吸收高温烧蚀的大量热能。b、有良好的摩擦性能包括良好的摩阻特性（高摩擦

6、系数材料）及减摩特性（低摩擦系数材料）。c、高度的电绝缘性能。复合材料纤维取向平行于电场方向时绝缘性能比垂直于电场方向时低数倍，在设计和使用列车用复合材料绝缘件时要尽量地让纤维取向与电场之间的夹角接近直角。d、耐腐蚀性。e、具有特殊的光，电、磁特性的聚合物与其它材料组成的多种功能复合材料。三、纤维的分类1化学纤维chemicalfiber用天然的或合成的聚合物为原料,经化学方法制成的纤维。注：本标准中所列出的纤维名称，适用于构成该纤维的聚合物至少为85%,其余部分不与上述聚合物键合的添加物构成的化学纤维。2再生纤维regeneratedfiber用天然聚合物为原料、经化学方法制成的、与原聚合物

7、在化学组成上基本相同的化学纤维。3再生纤维素纤维regeneratedcellulosefiber用纤维素为原料制成的、结构为纤维素II的再生纤维。粘胶纤维viscosefiber用粘胶法制成的再生纤维素纤维。4普通粘胶纤维具有一般的物理机械性能和化学性能的粘胶纤维。5高强力粘胶纤维hightenacityviscosefiber具有较高的强力和耐疲劳性能的粘胶纤维。6高湿模量粘胶纤维modalfiber具有较高的聚合度、强力和湿模量的粘胶纤维。这种纤维在湿态下单位线密度每特（tex）可承受22。0厘牛顿（cN）（相当于每旦2。5克）的负荷,且在此负荷下的湿伸长率不超过15%7富强纤维（波里诺

8、西克纤维）polynosicfiber丨用高粘度、高酯化度的低碱粘胶,在低酸、低盐纺丝浴中纺成的高湿模量纤维，具有良好的耐碱性和尺寸稳定性。8变化型高湿模量纤维用加有变性剂的粘胶、在锌含量较高的纺丝浴中纺成的高湿模量纤维，具有较高的钩接强度和耐疲劳性。9铜氨纤维（铜铵纤维）cuprofiber,cuprenefiber,cuprammoniumfiber用铜氨法（铜铵法）制成的再生纤维素纤维。10再生蛋白质纤维regeneratedproteinfiber用天然蛋白质为原料制成的再生纤维。11醋酯纤维acetatefiber用纤维素为原料，经化学成法转化成醋酸纤维素酯制成的化学纤维。12三醋酯

9、纤维triacetatefiber由纤维素三醋酸酯构成的醋酯纤维，其中至少有92%勺羟基被乙酸化。13二醋酯纤维secondarycelluloseacetatefiber由纤维素二醋酸酯构成的醋酯纤维,其中至少有74%但不到92%勺羟基被乙酸化。14合成纤维syntheticfiber用单体经人工合成获得的聚合物为原料制成的化学纤维。15聚先胺纤维polyamidefiber,nyIon由先胺键与脂族基或脂环基连接的线型分子构成的合成纤维。其化学结构式为：NH-RNH-CO-R-COp或NHR-COp（R与R为脂族基或脂环基，可以相同或不同）。至少应有85%勺先胺键与R或R相连。注:可根据缩

10、聚组分的碳原子个数来简称各相应的脂族聚先纤维。16芳族聚胺纤维aramidfiber由先胺键与芳基连接的芳族聚先胺的线型分子构成的合成纤维，其中至少有85%勺先胺键直接与两个芳基连接（并可在不超过50%勺情况下,以亚先胺键代替先胺键）。其化学结构式为：NHAR-NH-CO-AR-COp（AR与AR为芳基，可以相同或不同）。注:可根据取代基在芳基上的位置来简称各相应的芳族聚先胺纤维。由二元醇与二元酸或CD-羟基酸等聚酯线大分子所构成的。17聚酯纤维polyesterfiber合成纤维,在大分子链中至少有85%勺这种酯的链节。女口:聚对苯二甲酸乙二酯纤维，其化学结构式为：OC-COO-CH2-CH

11、2-Op18聚丙烯睛纤维polyacrylicfiber由聚丙烯睛或其共聚物的线型大分子构成的合成纤维,大分子链中至少有85%勺丙烯睛链节CH2CH-p。19改性聚丙烯睛纤维modacrylicfiber由丙烯睛及其共聚物形成的线型分子构成的合成纤维。大分子链中至少有35%!不到85%勺丙烯睛链（CH2-CH）p。20聚乙烯醇系纤维polyvinylalcoholfiber,vinylalfiber由聚乙烯醇的线型大分子构成的合成纤维。21聚烯烃纤维polyolefinefiber由烯烃聚合成的线型大分子构成的合成纤维。22聚乙烯纤维polyethylenefiber由聚乙烯形成的末被取代的饱

12、和脂肪烃的线型分子构成的合成纤维。23聚丙烯纤维polypropylenefiber由等规聚丙烯形成的饱和脂肪烃的线型大分子构成的合成纤维。24聚氯乙烯系纤维（含氯纤维）chlorofiber由聚氯乙烯（或其衍生物）或其共聚物组成的线型大分子构成的合成纤维。25聚氯乙烯纤维polyvinylchloridefiber由聚氯乙烯或其共聚物组成的线型大分子所构成的合成纤维，大分子链中至少有50%勺氯乙烯链节。（当与丙烯睛共聚时,则至少有65%）26聚偏氯乙烯纤维polyvinylidenechloridefiber用偏氯乙烯和氯乙烯共聚物为原料制成的合成纤维。27氯化聚氯乙烯纤维（过氯乙烯纤维）c

13、hlorinatedpolyvinylchloridefiber聚氯乙烯树脂经氯化后制成的合成纤维。28聚氟烯烃纤维（含氟纤维）fluorofiber由氟化脂族碳化合物聚合成的线型大分子所构成的合成纤维，如聚四氟乙烯纤维。29乙烯基类三元共聚纤维trivinylfiber由丙烯睛及其它两种乙烯基单体的工组分聚合物线型分子所构成的合成纤维。其中任何一种组分的含量均不到50%30弹性纤维elastanefiber具有高延伸性、高回弹性的合成纤维，这种纤维被拉伸为原长的三倍后再予以放松时，可以迅速地基本恢复到原长。31二烯类弹性纤维elastolienefiber由天然的或合成的聚异戊二烯,或由一种

14、或多种二烯类聚合物构成的弹性纤维。32 聚氨酯弹性纤维polycarbaminatefiber由与其它高聚物嵌段共聚时至少含有85%勺氨基甲酸酯的链节单元组成的线型大分子所构成的弹性纤维。无机纤维inorganicfiber主要成分是由无机物构成的纤维。注：无机纤维从定义上说不属于化学纤维范围，为使用方便，暂列入本标准。玻璃纤维glassfiber,textileglass主要成分是铝、钙、镁、硼等的硅酸盐混合物所构成的无机纤维。33 碳纤维carbonfiber由碳元素构成的无机纤维,通常按产品性能可分为普通碳纤维、高强碳纤维、高模量碳纤维。36金属纤维metallicfiber由金属造成的

15、无机纤维。四、纤维增强聚合物基复合材料在低温下的应用纤维增强聚合物基复合材料的低温应用途径主要有3个方面。（1）结构支撑对重量有严格要求的航天器上目前常采用碳纤维及Kevlar纤维增强环氧树脂基复合材料作为太阳电池阵结构、天线结构及椼架结构支撑材料。东方红三号通信广播卫星的太阳电池阵结构中就采用了高模量碳纤维增强环氧树脂基复合材料作为夹层结构的面板以实现减轻质量，增加有效载荷效率的目的。纤维增强聚合物基复合材料用于低温系统中的两类支撑定位结构形式分别是支承柱/管和支撑带，支承柱/管主要受压缩载荷，固定支撑带则主要承受拉伸载荷。支撑带低温下的应用主要涉及核磁共振元件，杜瓦及航天应用方面；支撑柱/

16、管的低温应用则包括杜瓦支撑，航天应用，高能物理加速器中超导磁体、超导磁流体动力系统及强冲击加载条件下超导磁体的支撑。对于纤维增强聚合物基复合材料关键性能的要求包括压缩模量、压缩强度、拉伸模量、拉伸强度、导热系数、热膨胀系数、疲劳性能和抗辐射性能。（2）低温容器压力容器和低温储罐采用纤维增强聚合物基复合材料作为结构材料。以玻璃、硼、Kevlar、碳等高强纤维作为增强材料，铝合金、不锈钢、钛合金等金属为内衬材料制成的纤维缠绕式容器，被用于运载火箭及航天飞机液氢、液氧燃料贮箱；为降低发射费用，减轻飞行器质量，美国国家航空航天局（NASA自20世纪90年代中期开始研发以碳纤维增强复合材料为面板、轻质聚

17、合物材料为芯材的夹层结构容器作为单级入轨、可重复使用下一代飞行器（RLV中低温燃料贮箱。在民用方面，随着氢、天然气作为新型能源而逐渐得到广泛应用，也出现采用铝材做内衬材料，外部用碳纤维/环氧树脂做增强材料的压力储氢容器，以及采用玻璃纤维层压复合材料作为液化天然气运输船绝热贮槽隔热材料的例子。对于纤维增强聚合物基复合材料关键性能的要求包括导热系数、拉伸强度、拉伸模量、气/液渗透性、疲劳性能等。（3）低温超导系统的绝缘件在低温超导领域，对于设备的要求除了支承、绝热方面还有电绝缘性、抗磁性、热膨胀性等。国际热核实验反应堆项目、中国科学院等离子体物理研究所的先进超导托卡马克核聚变装置（EAST、欧洲核子中心（CERN的大型强子对撞机中所用的超导磁体装置均采用纤维增强聚合物基复合材料作为绝缘材料。此外，用做核聚变反应堆和磁流体能量转换器中大型线圈的框架及励磁绕组线圈层间绝缘，以及脉冲磁体中非金属低温恒温器，也大都采用玻璃/环氧树脂等纤维增强层压复合材料作为支撑元件，同时也作为电绝缘部件。对于纤维增强聚合物基复合材料关键性能的要求包括材料厚度方向力学性能，如剪切强度、压缩强度、剪切/压缩耦合强度，以及介电强度、抗辐射性能、放气性能、导热系数和热膨胀系数。