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复合材料力学论文

纤维增强复合材料力学性能研究现状文献综述

鹏

中北大学理学院工程力学学科部030051中国

摘要：

纤维增强复合材料（FiberReinforcedPlastic,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）以与芳纶纤维增强复合材料（AFRP）。

由于纤维增强复合材料的材料特性，因此它越来越广泛地应用于各种民用建筑、桥梁、公路、海洋、水工结构以与地下结构等领域中。

本文将综述近年来国外的学者对它的力学性能的研究现状。

关键词：

纤维增强；复合材料；力学性能；材料特性；应用

CompositeResearchStatusliteraturereviewoffiberreinforcedmechanicalpropertiesofmaterials

CUIPeng

CollegeofEngineeringDepartmentofMechanicalDisciplineNorthUniversityofChinaTaiyuan,China030051

Abstract:

Fiber-reinforcedcompositematerial（FiberReinforcedPlastic,referredFRP）isareinforcingfibermaterial,suchasglassfiber,carbonfiber,aramidfiber,andcompositematrixmaterialafterwinding,pultrusionmoldedorformedbymoldingprocess.Dependingonthereinforcingmaterial,acommonfiber-reinforcedcompositematerialintoglassfiberreinforcedPlastic（GFRP）,carbonfiberreinforcedPlastic（CFRP）andaramidfiberreinforcedPlastic（AFRP）.Sincethematerialpropertiesofthefiber-reinforcedcompositematerials,soitisincreasinglywidelyusedinvariousareasofcivilconstruction,bridges,highways,marine,hydraulicstructuresandundergroundstructureslike.Thispaperwillpresentresearchscholarsathomeandabroadinrecentyears,itsmechanicalproperties.

Keywords:

Fiberreinforced；Composites；MechanicalProperties；Materialproperties；application

1.引言

复合材料是将两种或两种以上不同品质的材料通过专门的成型工艺和制造方法复合而成的一种高性能新材料，按使用要求可分为结构复合材料和功能复合材料到目前为止，主要的发展方向是结构复合材料，但现在也正在发展集结构和功能一体化的复合材料。

通常将组成复合材料的材料或原材料称之为组分材料（constituentmaterials），它们可以是金属、瓷或高聚物材料。

对结构复合材料而言，组分材料包括基体和增强体，基体是复合材料中的连续相，其作用是将增强体固结在一起并在增强体之间传递载荷；增强体是复合材料中承载的主体，包括纤维、颗粒、晶须或片状物等的增强体，其中纤维可分为连续纤维、长纤维和短切纤维，按纤维材料又可分为金属纤维、瓷纤维和聚合物纤维，而目前用得最多的和最重要的是碳纤维。

围在6～8μm，是近几十年发展起来的一种新型材料。

目前用在复合材料中的碳纤维主要有两大类：

聚丙烯腈基碳纤维和沥青基碳纤维，分别用聚丙烯腈原丝（称之为前驱体）、沥青原丝通过专门而又复杂的碳化工艺制备而得。

通过碳化工艺，使纤维中的氢、氧等元素得以排出，成为一种接近纯碳的材料，含碳量一般都在90%以上，而本身质量却大为减轻；由于碳化过程中对纤维进行了沿轴向的预拉伸处理，使得分子沿轴向进行取向排列，因而碳纤维轴向拉伸强度大大提高，成为一种轻质、高强度、高模量、化学性能稳定的高性能纤维材料。

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大跨、高耸、重载、轻质高强以与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，应用广泛。

2.理论基础与依据

纤维增强复合材料（FiberReinforcedPlastic,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。

2.1FRP材料的优点

1．有很高的比强度，即通常所说的轻质高强，因此采用FRP材料可减轻结构自重。

在桥梁工程中，使用FRP结构或FRP组合结构作为上部结构可使桥梁的极限跨度大大增加。

2.有良好耐腐蚀性，FRP可以在酸、碱、氯盐和潮湿的环境中长期使用，这是传统结构材料难以比拟的。

3.具有很好的可设计性。

FRP属于人工材料􀍄可以通过使用不同的纤维材料、纤维含量和铺方向设计出各种强度指标、弹性模量以与特殊性能要求的FRP产品。

而且FRP产品成型方便􀍄形状可灵活设计。

4.具有很好的弹性性能，应力应变曲线接近线弹性，在发生较大变形后还能恢复原状，塑性变形小，有利于结构偶然超载后的变形恢复。

5.FRP产品适合于在工厂生产、运送到工地、现场安装的工业化施工过程，有利于保证工程质量、提高劳动效率和建筑工业化。

2.2关于纤维增强复合材料力学性能研究现状

2.2.1岩，罗业[1]研究了天然纤维的化学成分、结构以与力学性能;综述了天然纤维的表面处理方式,分析了其作用机理,并讨论了表面处理对其复合材料力学性能的影响;从增强体形式出发,介绍了短纤维、纤维毡、纤维织物以与单向纤维增强复合材料,并研究了成型工艺、纤维含量和表面处理等对其拉伸、弯曲、界面性能和冲击强度以与断裂韧性的影响。

然后总结了天然纤维增强复合材料在汽车，建筑等土木领域的应用现状，随着生态环保意识的加强,各行各业越来越青睐“绿色”,特别是与人们生活紧密相关的汽车工业和建筑土木行业.天然纤维增强复合材料得到了广泛的应用,有着良好的应用前景。

关军，万春风等[2]则研究了用短切玄武岩纤维（BF）增强木塑（WPC）复合材料（BF/WPC）体系中,BF的含量与BF/WPC力学性能之间的关系,定性探讨了纤维增强机制。

结果表明,与WPC相比,除断裂伸长率有所下降之外,BF/WPC

的拉伸强度、冲击强度、弯曲强度均有明显提高,且这些性能取得最大值时BF的质量分数分别为15%～30%、15%～25%、20%～30%,提高的幅度约为30%。

提出了“弱端面”的定性假说,由此解释了BF/WPC各项强度指标与增强纤维含量之间存在着最大值现象的原因。

敏，吴刚等[4]研究了连续玄武岩纤维（CBF）由于其优异的力学性能、物理性能和较低的价格，在土木工程中应用前景广泛。

CBF可以与树脂复合制作片状、板状、筋状等各种各样的复合材料（CBFRP），在实际工程中科学合理应用CBFRP，必须对其力学性能作深入了解。

对CBFRP片材和棒材的力学性能进行研究，重点讨论了影响CBFRP力学性能的各种参数，研究结果可为CBF与其CBF片材生产厂家提供参考，并为CBF的深入研究和工程应用打下基础。

建华等[3]采用中性盐雾条件模拟海洋大气环境进行加速老化试验,评价玻璃纤维增强环氧改性酚醛树脂基复合材料（GFRP）在海洋气候中的耐久性。

通过该复合材料经盐雾老化后的质量变化和纵向拉伸强度、横向拉伸强度、压缩强度、层间剪切强度的变化,结合湿热老化机理,研究其老化规律。

结果表明,随着老化时间的增加,复合材料的吸湿量增加,力学强度下降,压缩和层间剪切曲线表现出塑性特征。

吸湿最初阶段对力学性能影响最大,纵向拉伸强度、横向拉伸强度、压缩强度、层间剪切强度分别下降到56.1%、54.7%、54.0%、61.0%。

其中拉伸强度变化趋势最稳定,更适用于评价该复合材料的老化程度。

，马岩[5]为了研究碳纤维增强木基复合材料的力学性能，选择直径为１２μｍ的碳纤维制备试样。

分别对碳纤维增强木基复合材料与木纤维板进行了三点弯曲力学性能测试，运用扫描电镜（ＳＥＭ）其微观结构进行表征。

结果表明：

通过力学曲线对比与断裂机理分析，可以明显的发现碳纤维增强木基复合材料的力学性能要优于木纤维板，这种“治”结构的材料设计充分发挥出碳纤维独特的缓冲能力，试件在较高外加载荷作用下并不是产生突然的断裂破坏，而是具有一定的承载能力。

ＳＥＭ分析表明，聚醋酸乙烯胶粘剂工作强度高，在受力时能够很好的传递载荷，碳纤维网与木纤维板结合良好。

焦珑，康卫民等[6]也研究了碳纳米管修饰碳纤维增强树脂基复合材料力学性能，碳纳米管以其稳定的结构、优异的力学性能，成为复合材料的理想增强相。

详细介绍了碳纳米管／碳纤维功能增强体的制备方法与其在增强树脂基复合材料力学性能方面的研究进展，并评述了碳纳米管／碳纤维增强树脂基复合材料存在的相应问题，为提高碳纤维树脂基复合材料力学性能的研究提供了参考。

碳纤维复合材料由于其优异的性能得到了无限的青睐。

它已经变成了一种多学科、跨行业的特殊精细化产品，国外已实现了其商业化的生产。

然而我国碳纤维与其复合材料的研制与生产较世界先进水平仍有较大的差距，加之我国对碳纤维材料的需求正逐年增加，为了摆脱对国外进口产品的依赖，发展我国自主的碳纤维高性能复合材料已经迫在眉睫。

基于碳纳米管优异的性能，将其与碳纤维有效结合，制备出高性能的碳纳米管／碳纤维功能增强体，无疑对提高碳纤维与其复合材料的性能带来了一片生机。

鹏，方义等[7]为了解决生物质复合材料中淀粉基质与植物纤维分子间的表面结合问题，探究淀粉/纤维预处理对二者分子间氢键形成的影响，提高生物质复合材料的力学性能，在多年研究的基础上，优化成分配伍，分别制备了剑麻纤维、纸浆纤维、稻草纤维和木质纤维增强的生物质复合材料。

通过红外光谱实验，研究了热塑性淀粉的化学键变化和复合材料制品化学键的变化机理，对比了4种复合材料中淀粉和纤维分子间氢键的强弱。

拉伸强度和压缩强度实验结果表明，剑麻纤维增强的复合材料的拉伸强度最高可达3．75MPa，压缩强度最高可达1．26MPa，远远好于纸浆纤维、稻草纤维和木质素纤维复合材料。

SEM图像显示了热塑性淀粉和生物质复合材料的微观结构形态。

生物质复合材料制备流程图

Thepreparationprocessofbiomasscomposites

对于纤维增强复合材料的制备，飞正等[8]采用模压成型法制备纺织结构碳纤维增强聚苯硫醚基（carbonfiberfabric／polyphenylenesulfide，CFF／PPS）复合材料层压板，通过纤维改性处理和模压工艺优化，得到力学性能优异的CFF／PPS复合材料。

采用DSC、TGA、流变行为测试等手段对PPS基体性能进行了表征。

基于分析结果，考察了模压成型温度、压力、时间和加载方式等工艺参数对复合材料力学性能的影响，并初步探讨了这些因素对材料结构与性能的调控机制。

在最佳工艺参数下制得的层压板拉伸强度为762.31MPa，弯曲强度720.93MPa，层间剪切强度58.90MPa，冲击强度46.18KJ／m2。

借助SEM、金相显微镜等表征手段观察到，PPS基体完全渗透于纺织结构碳纤维单丝之间，复合材料层压板部没有发现微观孔隙。

对于力学性能来说，得到结论：

１）通过纤维热处理和模压工艺优化，得到力学性能优异的CFF／PPS复合材料层压板，因此薄膜叠层模压法制备CFF／PPS复合材料路线是可行

的。

确定了合适的热压参数：

热压温度330℃，热压时间为25min，加压方式为0.5～2.1MPa三段式加压。

２）树脂基体PPS对温度的敏感性较高，随着温度的升高，熔体粘度逐渐下降；但是温度过高易使PPS发生交联反应。

但不同程度的交联对材料的拉伸、弯曲、层间剪切、冲击的影响是不一样的。

３）采用三段式加压与合理的温度与时间解决了热塑性树脂基体对纤维丝束的浸润性，有效地降低了材料的孔隙率。

杜凤，王伟宏[9]研究了碳纤维增强木粉/聚乙烯复合材料的制备与其力学性能,将短切碳纤维（SCF）与木粉（WF）、高密度聚乙烯（HDPE）塑料和其他添加剂共混、熔融复合后，用模压成型方法制备了短切碳纤维增强木塑（SCF/WF/HDPE）复合材料;将碳布放置于木塑板上下表面，经模压成型制备碳纤维布增强木塑（CFC/WF/HDPE）复合材料。

研究了碳纤维用量对碳纤维增强WF/HDPE复合材力学性能的影响，并利用扫描电镜（SEM）和红外光谱（FTIＲ）对碳纤维进行表征。

结果表明:

与纯WF/HDPE复合材相比，碳纤维加入量为10%时，复合材料的力学强度提高幅度最大，拉伸强度和弯曲强度分别提高了8.4%和10.6%;当碳纤维加入量为6%时，复合材料的韧性提高幅度最大，断裂伸长率提高了25.9%，冲击强度提高了24.4%。

使用丙酮清洗掉碳纤维表面的上浆剂后，其增强效果比未经过处理的碳纤维略有下降。

与短切碳纤维相比，碳布的增强效果更好，与短切碳纤维增强木塑（SCF/WF/HDPE）复合材料相比，碳布平铺在木塑板表面的结构拉伸性能可提高62%，断裂伸长率提高148%，弯曲强度提高71%，冲击强度高313%。

对于很多纤维增强复合材料,对于碳纤维增强复合材料则是研究比较多,对于这一材料,新宇,锐等[10]研究了连续碳纤维增强杂萘联苯共聚芳醚砜复合材料的制备与力学性能。

热塑性复合材料较传统的热固性复合材料具有更高的韧性和抗损伤容限，成型周期短，可重复加工等特点，热塑性复合材料的研究和应用越来越被人们所重视[11,12]。

以PPBES为树脂基体，连续碳纤维为增强材料，采用溶液浸渍和热压成型的工艺制备出连续纤维增强复合材料，重点考察了纤维体积分数、模压成型温度、成型压力与保压时间对复合材料力学性能的影响。

并在确定了最佳成型工艺条件后，考察了复合材料的耐湿热性能。

以含二氮杂萘酮联苯共聚芳醚砜（PPBES）为树脂基体，连续碳纤维T700-12K为增强材料，采用溶液浸渍和模压成型的方法制备出单向复合材料。

通过对复合材料样条进行三点弯曲以与短梁剪切力学性能测试，考察了复合材料纤维体积分数、模压成型温度、成型压力与保压时间对复合材料弯曲强度、模量与层间剪切强度的影响。

分别测试了复合材料在干态与湿态下的高温力学性能的变化规律。

结果表明，当复合材料纤维体积分数为63%，模压成型温度为350℃，

成型压力为4MPa，保压时间为20min时，复合材料的力学性能最佳。

动态热机械性能测试结果表明复合材料在230℃之前，储能模量保持稳定。

而水煮48h后复合材料的吸水率为0．3%。

3.应用

纤维增强复合材料在工程中应用广泛,学者经过很多年的研究,已经通过FRP的特性,发现了FRP的实用性.下面通过一些材料了解一下FRP在工程结构中的应用.

3.1FRP筋和预应力FRP筋混凝土结构

FRP筋中纤维体积含量可达到60%具有轻质高强的优点,重量约为普通钢筋的1/5.强度为普通钢筋的6倍,且具有抗腐蚀、低松弛、非磁性、抗疲劳等优点。

目前用FRP筋代替钢筋可利用其良好的耐腐蚀性,避免锈蚀对结构所带来的损害,减少结构维护费用;还较多地应用于有无铁磁性要求的特殊工程中;在桥梁工程中,FRP索还可用作悬索桥的吊索与斜拉桥的斜拉索,以与预应力混凝土桥中的预应力筋。

作为混凝土构件中配筋的FRP筋要通过表面砂化、压痕、滚花或编织等工艺增强其与混凝土间的粘接力;用作预应力FRP筋的索一般较柔软,具有一定的韧性。

在北美、北欧等西方国家,由于冬季的除冰盐对桥梁结构中钢筋腐蚀所带来的严重危害已成为困扰基础设施工程的主要问题,FRP配筋和FRP预应力筋混凝土结构的研究和应用发展较早且较快。

20世纪70年代末FRP筋开发成功,并应用于工程中;80年代末,德国、日本相继建成FRP预应力混凝土桥。

目前已有多种FRP筋、索和网格材产品以与配套的锚具,并编制了相关的规和规程。

3.2FRP结构与FRP组合结构

FRP结构是指用FRP制成各种基本受力构件所形成的结构;FRP组合结构则是指将FRP与传统结构材料,主要是混凝土和钢材,通过受力形式上的组合,共同工作来承受荷载的结构形式。

FRP与混凝土通过合理的组合方式使FRP型材与混凝土共同受力,发挥各自的优势,达到提高受力性能、降低造价、增强耐久性、便于施工的目的。

FRP与钢材组合,可发挥出钢材的高弹性模量和FRP耐腐蚀、耐疲劳|生能好的优势,达到互补的效果。

可在拉挤FRP型材时,直接将钢筋和钢丝嵌入型材中成型,也可在钢结构外部采用FRP型材封闭,一方面防止钢结构锈蚀,另一方面可与钢结构共同受力。

还可用钢结构骨架与FRP织物蒙皮结合的组成蒙皮结构。

3.3FRP加固砌体结构

近年来提出的采用FRP加固砌体结构的新型技术,可以避免传统砌体结构补强方法的缺点。

国外对FRP加固砌体结构的研究和应用比较多,主要是针对FRP加固砌体结构的平面外弯曲性能研究、抗剪性能研究和抗震性能研究等。

试验结果表明,FRP加固能有效提高砌体的受剪承载力和抗震性能。

在应用上,欧洲的许多古建筑采用了FRP进行修复加固,取得了良好的效果。

目前,国在FRP加固砌体结构的研究应用还比较少,理论还不够成熟,也没有关于FRP加固砌体结构的有关规。

3.4FRP加固钢结构

在役钢结构,如桥梁、建筑物等在设计、制造、施工过程中可能产生各种缺陷,在使用阶段因超载、锈蚀、疲劳等原因会引起损伤累积,从而影响结构的安全。

传统的钢结构加固方法主要有钢板焊接、螺栓连接、铆接或者粘接,这些方法存在许多缺点,如产生新的损伤和焊接残余应力等。

近年来的研究表明,FRP加固钢结构显示出很好的效果。

FRP加固修复损伤钢结构能有效恢复其刚度、承载能力并改善其疲劳性能,还能对钢结构形成保护,起到加固和防腐的双重效果。

国外关于FRP加固钢结构的试验研究大部分集中在受弯加固和疲劳加固方面,分为无损伤缺陷钢梁的加固和损伤钢梁的加固。

FRP加固无初始损伤缺陷钢梁的试验结果显示,钢梁加固后的承载能力有一定提高,但刚度大部分没有明显变化。

已有的试验结果表明,加固效果的离散性比较大,随着粘贴的纤维量、纤维的弹性模量、钢材的弹性模量、钢材的屈服强度的不同,加固效果也不同。

存在损伤缺陷钢梁用高模量的CFRP板加固后,刚度基本能恢复到未损伤情况下钢梁刚度的90%以上,极限承载能力的提高随着加固量和损伤大小而不同。

3.5FRP铝合金组合结构

新型结构形式，它兼有两种材料轻质的特点，同时FRP又极增强了铝合金构件的刚度和承载力。

这种组合结构已在航空航天工程中得到广泛应用，我国也已开始在土木与建筑工程结构中的研究。

4.FRP材料发展前景

FRP材料用于加固行业促进了加固行业的进一步发展，备受国外加固行业、研究者、设计部门等的青睐。

目前，国外一些学者，已相继展开了嵌FRP片材加固方法有关的试验研究、理论分析和工程应用。

尽管嵌入FRP材料与外贴FRP片材相比有许多优点，但在构件不卸载、卸载不充分或构造措施不当时，嵌入混凝土的FRP材料强度仍难以充分发挥作用，而增加FRP材料的断面又受到保护层厚度与构件横向尺寸的限制，已有的FRP嵌抗弯加固试验研究结果（包括作者的试验研究）均表明了这一问题。

且在试验中，大部分试件发生粘结失效破坏（这里所指的粘结破坏，与外贴FRP片材的剥离破坏相比，破坏的突然性和脆性有所降低）。

有研究者还采用了高模量的CFRP方形筋，承载能力提高幅度更大，但延性降低，也因粘结失效而破坏。

而目前对于嵌加固的粘结失效强度模型的研究还较少，所提出的模型一般都是在原有片材模型上的改进，而这些模型都具有各自的局限性且未得到大量试验结果的验证。

因此，探索出能够更好地改善被加固构件的工作性能、大幅度提高其承载能力、且能够充分发挥FRP材料强度以与具有合理的粘结失效强度模型的加固方法势在必行。

5.致

感我的论文指导老师建军老师，他对我进行了无私的指导和帮助，不厌其烦的帮助进行论文的修改和改进。

在此向帮助和指导过我的各位老师和同学表示最中心的感！

由于我的学术水平有限，所写论文难免有不足之处，恳请老师的批评和指正！

6.参考文献

[1]岩，罗业.天然纤维增强复合材料力学性能与其应用.固体力学学报,2010,31（6）.

[2]关军，万春风等.玄武岩纤维增强木塑复合材料的力学性能.复合材料学报,2011,28（5）.

[3]建华等,盐雾环境对玻璃纤维增强树脂基复合材料力学性能的影响.复合材料学报,2007,24（3）.

[4]敏，吴刚等,连续玄武岩纤维增强复合材料力学性能试验研究.高科技纤维与应用,2007,32

（2）.

[5]，马岩,碳纤维增强木基复合材料的制备与其力学性能.西北林学院学报,2015,30（6）.

[6]焦珑，康卫民等,碳纳米管修饰碳纤维增强树脂基复合材料力学性能研究进展.材料导报,2013,27（12）.

[7]鹏，方义等,植物纤维增强的生物质复合材料微观机理与力学性能研究.功能材料,2015,11（46）.

[8]飞正等,纺织结构碳纤维增强聚苯硫醚基复合材料的制备与力学性能.

复合材料学报,2013,30.

[9]杜凤，王伟宏,碳纤维增强木粉/聚乙烯复合材料的制备与其力学性能.

林业大学学报（自然科学版）,2015,39

（2）.

[10]新宇,锐等,连续碳纤维增强杂萘联苯共聚芳醚砜复合材料的制备与力学性能.高分子材料科学与工程,2015,31（3）.

[11]王兴刚，于洋，树茂，等．先进热塑性树脂基复合材料在航天航空上的应用［J］．纤维复合材料，2011

（2）.

[12]ChangIY，LeesJK．Ｒecentdevelopmentinthermoplasticcomposites:

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