FRP材料简介.doc

FRP 材料的特点纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer/Plastic,简称 FRP)也称纤维增强塑料，是由短切纤维或者连续纤维及其织物与热固性或热塑性基体经过一定的工艺复合而成的一种新型材料。利用先进的成型工艺，纤维增强复合材料可以整体成型做成各种复杂的形状，整体性较强，减少了装配的成本。与钢材以及合金等金属材料相比，复合材料能够同时达到轻质、高强、刚度高等特点，近年来表明，先进复合材料在飞机制造业的应用迅速扩大。复合材料及其发展由两种或两种以上不同物质经材料设计、人工组合而得到的具有新的优越性能的多相固体材料。按此定义，通常可将结构用复合材料（Composite materials）的基本组分划分为基体材料（Matrix）和增强材料（Reinforcement）。其中基体材料大都为连续相，主要起粘结或连接的作用；增强材料多为分散相，主要用来承受载荷，亦称增强体。复合材料常见的分类方法有：按材料的作用，可分为主要使用其力学性能的结构复合材料和主要发挥其功能特性的功能复合材料；按基体材料，可分为树脂基、金属基、陶瓷基复合材料等；按增强体的种类和形态，可分为长纤维增强复合材料、短纤维或晶须增强复合材料、颗粒增强复合材料、层状增强复合材料及填充骨架型复合材料等。目前研究最多、应用前景最广的是上世纪 60 年代以来发展起来的所谓先进复合材料，包括以高强碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、陶瓷颗粒等高性能增强体增强的耐高温高聚物或金属、增韧的陶瓷，以及功能复合材料。复合材料最显著的特性，是其性能（主要指力学性能、物理性能和工艺性能）在一定范围内具有可设计性，同时还具有材料与结构同一性、发挥复合效应优越性及性能对工艺依赖性等特点。与传统材料相比，复合材料在性能上具有优势，比如比强度、比模量大，耐疲劳性能好，阻尼减震性好，破损安全性高等。因此，复合材料已成为材料研究领域的热点，并已在航空、航天、能源、电子、海洋、汽车，乃至生物工程等方面得到了广泛应用。树脂基复合材料及其发展树脂基复合材料（Resin Matrix Composite）也称纤维增强塑料（FiberReinforced Plastics），是目前技术比较成熟且应用最为广泛的一类复合材料2。这种材料是用短切的或连续纤维及其织物增强热固性或热塑性树脂基体，经复合而成。人们一方面不断开辟玻璃纤维增强树脂复合材料的新用途，同时也发现这些用途对复合材料提出了更高的要求，因而开发了一批如碳纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维、硼纤维、芳纶纤维、高密度聚乙烯纤维等高性能增强材料，并使用高性能树脂、金属与陶瓷为基体，制成先进复合材料（Advanced CompositeMaterials，简称 ACM）。这种先进复合材料具有比玻璃纤维复合材料更好的性能，是用于飞机、火箭、飞船等航空航天飞行器的理想材料。碳纤维简介：碳纤维是由含碳量较高，在热处理过程中不熔融的人造化学纤维，经热稳定氧化处理、碳化处理及石墨化等工艺制成的。碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳素不同的是，其外形有显著的各向异性、柔软、可加工成各种织物，沿纤维轴方向表现出很高的强度。碳纤维比重小，因此有很高的比强度。碳纤维以其优良的组织相容性、牢固的纤维基质结合及较高的抗压缩性能成为最常用的加强材料。2Sandeep SP, Tarun K, Yogesh MD. Application of polymer composites in civil construction: A general review. Compos Struct 2008;84:114-124.碳纤维碳纤维作为增强体的复合材料具有广阔的前景，既可作为结构材料承载负荷又可作为功能材料发挥作用。碳纤维增强复合材料具有许多优势：力学强度、弹性模量可调，可根据需要设计出强度达到或超过金属，而刚度低于金属的复合材料，这一点与“高强度、低模量”大趋势相吻合；抗疲劳、耐冲击、耐磨损。在基质材料中加入少许碳纤维能明显地降低材料的磨损率和摩擦系数；材料性能的可设计性使其在很大范围内满足多种刚度要求；热稳定性好、耐腐蚀、成型工艺简单、成本低、自重轻、透电磁射线；PEEK 与碳纤维之间界面存在良好的结合。目前已有多种碳纤维复合材料在航空、工业、建筑、医疗领域中得到应用和发展。碳纤维增强的 PEEK 复合材料具有优异的抗蠕变、耐湿热、耐老化和抗冲击性能。因此，碳纤维及其复合材料近年来发展十分迅速。目前碳纤维与热塑性树脂的复合材料品种包括了几乎所有的高性能工程材料，形成多品种、多功能、多层次的产业结构，并为用户提供了广泛的选择范围，使得碳纤维增强热塑性树脂复合材料在许多领域得到了广泛的应用。制备工艺树脂基复合材料成型技术主要包括：手糊成型技术、模压成型技术、RTM成型技术、纤维缠绕成型技术、拉挤成型技术、热压罐成型技术等1）手糊成型技术：很少受到制品形状及大小的制约，模具费用也较低。因此对于那些品种多、生产量小的大型制品，手糊成型技术是最适合的。图 1-3 压力模压机示意图2）模压成型技术：适合于生产量大，尺寸要求精确的制品。模压成型的模具由阴、阳模两部分组成，增强材料一般为短切纤维毡、连续纤维毡或织物。压力模压成型技术是塑料工业中最古老的一种成型技术，它在热塑性树脂和橡胶成型中广泛应用。和注射等工艺相比，压力模压有一系列的优点。首先压力模压无需特殊的模具便可实现（例如无需专门设计注入口、流道和溢胶口等）。因此，在压力模压中材料的浪费极少。3）RTM 成型技术：RTM（树脂传递模塑，或树脂注射成型，Resin Transfer Molding，简称 RTM）成型技术是一种适宜多品种、中批量、高质量复合材料制品生产的成型技术。RTM 起始于 50 年代，是由手糊成型工艺改进的一种闭模成型技术，可以生产出两面光滑的制品。RTM 的基本原理是将纤维增强材料铺放到闭模的模腔里用压力将树脂胶液注入模腔，浸透纤维增强材料，然后固化，脱模成型制品。RTM 技术有许多优点：能够制造高质量、高精度、低孔隙率、高纤维含量的复杂复合材料构件，产品从设计到投产时间短，生产效率高。4）纤维缠绕成型技术：纤维缠绕成型是在专门的缠绕机上，将浸渍树脂的纤维均匀地、有规律地缠绕在一个转动的芯模上，最后固化、除去芯模获得制件。纤维缠绕的主要优点是原材料的节省、制造成本的降低以及制件的高度重复性。5）拉挤成型技术：用于连续生产纤维复合材料型材。主要过程是依靠牵引将原材料通过一定型面的加热模，完成复合、成型和固化。6）热压罐成型技术：热压罐成型技术是生产高质量复合材料制件的主要方法。其基本过程是先将预浸料按尺寸裁剪、铺贴，然后将预浸料叠层和其他工艺辅助材料组合在一起，置于热压罐中在一定压力和温度下固化成型。热压罐成型技术的最大优点是仅用一个模具就得到形状复杂、尺寸较大、质量较好的制件.三维编织纤维：三维编织复合材料1.2.1 三维编织复合材料的发展编织是一门古老的纺织技术，近二三十年来，人们为了研究改善复合材料的抗冲击损伤特性问题，将古老的编织技术与现代复合材料成型技术有机地融于一体，形成了一种独特结构的复合材料。尤其是进入 80 年代，编织技术由二维编织发展到三维编织，为复合材料创造了一种新的结构形式，其优良的整体结构性显著改善了复合材料多方面的力学特性17。三维编织的基本单元中，四根纤维束在空间均匀地向多个方向延伸，构成了不分层的织物，形成了一个整体，所以又称为三维整体编织。三维编织结构物的特点三维编织结构物主要具有以下特点18：1）三维编织物是不分层的整体。三维编织的基本单元中，四根纤维束在空间均匀地向四个方向延伸，构成了不分层的织物，形成了一个整体，所以又称为三维整体编织。毫无疑问，不分层的整体织物对提高复合材料的性能有十分重要的意义。2）三维编织工艺可以直接编织异型复合材料件的编织物。三维编织的基本单元立方体在编织过程中可以变形，通过基本单元立方体的变形来适应异型物零件的形状变化。不仅如此，还可以利用基本单元立方体的变形在编织物上留眼、留洞，从而避免机械加工给复合材料带来的损伤。3）三维编织物力学结构合理。从力学角度看，三维编织的基本单元结构均衡，具有良好的综合力学性能指标。另外，在编织过程中，可以沿基本单元立方体的三个方向加强，以增强某一个或两个方向的强度和刚度，这样又发挥了复合材料各向异性的优点。4）三维编织给后续工艺带来方便。用三维编织工艺编织的织物，有利于后续的树脂固化工艺的实施。特别应该指出的是，固化后的零件只做端口的少量加工，这样不仅省工省料，而且不会损伤零件，使零件具有最高的性能。5）三维编织的织物可以构成比较复杂的形状。三维编织复合材料的力学性能1）整体性显著地提高强度和刚度采用三维编织制造的复合材料具有整体性和力学结构的合理性两大特点。Yau19于 1986 年提出且完成了一组实验，说明了由于三维编织的整体性能好而大幅度提高了复合材料的强度和刚度这一事实。他们把碳/环氧复合材料试片分为两组：一组经过加工：一组未加工。实验数据表明，加工后的试片的拉伸强度和拉伸模量值有大幅度的下降。Chang20也做了类似的实验，他对比了带孔的三维编织复合材料和在成型件上钻孔的复合材料，发现前者的强度比后者高2.7%38.3%。2）具有良好的抗损坏性良好的抗破坏性是三维编织结构复合材料的突出特点。有实验结果表明，三维编织结构复合材料钻孔后仍能保持 90%的拉伸强度，然而准各向同性的铺层复合材料仅能保持 50%的拉伸强度20。Yau 等19用玻璃纤维/环氧等完成了类似的实验，研究表明，三维编织结构复合材料能有效地减小冲击损伤的面积，层状复合材料的损伤面积几乎比三维编织的大 10 倍。3）具有良好的力学性能和耐烧蚀性能复合材料三维整体编织结构较之三维正交编织结构或缠绕结构，具有更好的力学性能和耐烧蚀性能。Fukuta21对碳/环氧三维三向、三维四向及层合板复合材料冲击后的压缩强度进行了比较研究，发现三维编织复合材料的冲击压缩强度高于层合板。孙慧玉等22对编织复合材料的力学性能也进行了研究，得到了相似的结论。17 Hiermer T, Schmitt, Thomas KG, et al. Mechanical properties and failure behavior of cylindrical CFRP-implant-rods under torsion load. Composites Part A 1998; 29A(11):1453.18 杨桂, 敖大新. 编织结构复合材料制作、工艺及工业实践. 北京: 科学出版社, 1999.19 Yau SS, Chou TW, Ko FK. Flexural and axial compressive failures ofb three-dimensionally braided composite I-beams. Composites 1986;17(3):178-184.20 Chang LW, Yau SS, Chou TW. Notched str