四種常用FRP材料特性及其應(yīng)用現(xiàn)狀

歐盈

摘 ?要：FRP是一種高性能復(fù)合材料，是當(dāng)下土木工程領(lǐng)域中一個(gè)新的熱點(diǎn)研究內(nèi)容，本文就四種常用FRP的材料特性及其應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行簡要介紹。

關(guān)鍵詞：CFRP;GFRP;BFRP;AFRP

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FRP）是由高性能纖維與基體材料根據(jù)一定比例混合，并經(jīng)過一定工藝復(fù)合而成的一種新型復(fù)合材料，具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐久性好、耐腐蝕性好、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空、航天、船舶、汽車、化工、醫(yī)學(xué)和機(jī)械等領(lǐng)域。近年來，F(xiàn)RP依靠其自身的優(yōu)異性能，在土木工程領(lǐng)域備受關(guān)注，已成為結(jié)構(gòu)加固和修復(fù)工程中使用的重要材料之一，多應(yīng)用于混凝土構(gòu)件，也可用作其他復(fù)合材料中的增強(qiáng)體。常用的FRP包括碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）、玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（GFRP）、玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（BFRP）和芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（AFRP）。

1 CFRP

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）是以碳纖維為主要成分，樹脂為基體材料，通過將碳纖維單向排列并按一定成型方法形成的復(fù)合材料，具有質(zhì)量輕、抗拉強(qiáng)度高、耐久性好、耐腐蝕性強(qiáng)、施工簡便等特點(diǎn)。其抗拉強(qiáng)度約為3400MPa，彈性模量介于2.3×105 MPa～3.9×105MPa 之間[1]。與鋼材相比，CFRP的彈性模量高于鋼材，其抗拉強(qiáng)度約為鋼材的10倍，比強(qiáng)度可達(dá)鋼材的20倍，但重量僅約為鋼材的1/5。同時(shí)，CFRP具有較好的疲勞性能，疲勞極限約為靜荷強(qiáng)度的70%～80%[2]。

CFRP因其優(yōu)異的性能，在宇航工業(yè)、航空工業(yè)、交通運(yùn)輸以及土木建筑方面得到了廣泛應(yīng)用。在建筑工程中，CFRP的應(yīng)用形式包括CFRP布、CFRP板、CFRP筋等。CFRP布因其材質(zhì)輕巧，外觀效果及力學(xué)性能好，在加固與修復(fù)工程中備受青睞，主要用于構(gòu)件受拉區(qū)，承受拉應(yīng)力，多用于鋼筋混凝土梁、板、柱的加強(qiáng)加固，可大幅度提高其承載能力。在混凝土結(jié)構(gòu)中，CFRP筋可代替鋼筋作為加強(qiáng)材料，解決鋼材易銹蝕這一問題。與其他FRP材料相比，CFRP的綜合性能較好，但價(jià)格相對昂貴，從而在一定程度上限制了這種材料的應(yīng)用與發(fā)展。

2 GFRP

玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（GFRP）是以玻璃纖維為增強(qiáng)材料，樹脂為基體材料形成的高性能復(fù)合材料，具有比強(qiáng)度高，質(zhì)量輕，耐腐蝕性好，成型和可設(shè)計(jì)性好及透光性好等優(yōu)點(diǎn)[3]。其強(qiáng)度一般可達(dá)到1130MPa，密度為1.5g/cm3～2.0g/cm3，線膨脹系數(shù)和混凝土相似，應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)中時(shí)，與混凝土之間工作協(xié)同性好，施工便捷。與其他纖維材料相比，GFRP總體性能優(yōu)良，在價(jià)格上也具有一定的優(yōu)勢，但GFRP的熱穩(wěn)定性、抗高溫性能和抗堿性相對較差[1]。

GFRP因其自身的優(yōu)良性質(zhì)，在建筑工程領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用，可作為建筑結(jié)構(gòu)的受力構(gòu)件，應(yīng)用于梁、柱、基礎(chǔ)、樓板等部位。加上其自身耐腐蝕性能良好，可代替混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋工作，避免因銹蝕造成的結(jié)構(gòu)損壞問題。GFRP在混凝土梁和柱的加固中的應(yīng)用也較為廣泛，可提高梁、柱的剛度與極限承載能力。又因GFRP的質(zhì)量較輕，承載力大，保溫隔聲效果好，也常被用作高層框架結(jié)構(gòu)中的墻體材料。除此之外，利用GFRP制成的透光材料還可取代玻璃應(yīng)用于建筑物的采光部位。在門窗及室內(nèi)裝修工程中，GFRP制作成的構(gòu)件性能優(yōu)良，同時(shí)兼具美觀與耐用兩個(gè)突出優(yōu)勢，符合社會(huì)節(jié)能環(huán)保發(fā)展趨勢[3]。

3 BFRP

玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（BFRP）是以火山巖為原料，再經(jīng)1450℃～1500℃高溫煅燒后，經(jīng)過合金拉絲漏板加工制作而成的復(fù)合材料，外觀顏色為深棕色[1]。與其他纖維材料相比，BFRP的力學(xué)性能優(yōu)異，纖維強(qiáng)度約為高強(qiáng)度CFRP的2/3，高于GFRP和AFRP，具有良好的耐久性、耐腐蝕性、抗疲勞性和絕緣性，吸濕性低。而BFRP又是采用玄武巖礦石作為原材料，玄武巖礦石屬于天然巖石，分布范圍廣，數(shù)量大，便于開采且價(jià)格低廉，以此加工制得的BFRP價(jià)格相對較低，更加的經(jīng)濟(jì)，綠色環(huán)保[4]。

BFRP作為一種性能優(yōu)異的綠色環(huán)保材料，在建筑、航空航天、化工、海洋、生物醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、軍工等領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。與其他增強(qiáng)纖維相比，BFRP性價(jià)比較高，具有很大的市場競爭優(yōu)勢。如今，在建筑結(jié)構(gòu)的加固補(bǔ)強(qiáng)中，作為加固補(bǔ)強(qiáng)材料，BFRP是CFRP、GFRP的首選替代品，常用BFRP代替價(jià)格相對昂貴的CFRP用作混凝土中的增強(qiáng)材料。

4 AFRP

芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（AFRP）是一種高性能合成纖維，其強(qiáng)度高，彈性模量高，耐熱性能好，具有較好的絕緣性，同混凝土間的工作協(xié)同性好，施工工藝便捷[5]。

AFRP因其比強(qiáng)度高、比模量高、耐疲勞性、耐燒蝕性以及抗沖擊性好，在航天航空領(lǐng)域中應(yīng)用較多。將AFRP用作宇航和火箭的結(jié)構(gòu)材料，可減輕結(jié)構(gòu)重量，節(jié)省燃料，推動(dòng)武器裝備的輕量、高性能發(fā)展。在防彈體系中，AFRP質(zhì)量較輕，具備較高的抗張拉強(qiáng)度和較高的比模量，對子彈沖擊能量的吸收能力很強(qiáng)，是制備防彈制品的一種較理想材料。在電子通訊領(lǐng)域上，AFRP可以滿足電子產(chǎn)品對制作材料介電性能、絕緣性、強(qiáng)度、耐久性、耐腐蝕、抗沖擊性等方面的要求，現(xiàn)已使用在衛(wèi)星天線支撐結(jié)構(gòu)、印刷電路板基板中。AFRP在體育器材上也有著廣泛的應(yīng)用，能滿足越來越高要求體育器材的需要，可使用在賽艇艇身、帆板板體、曲棍球棒、高爾夫球棒、羽毛球拍、標(biāo)槍、弓箭、雪橇等體育器材中，是未來體育器材產(chǎn)業(yè)方面的一大主流[6]。

5 結(jié)論與展望

FRP作為一種高性能材料，能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)材料性能上的不足，顯示出良好的經(jīng)濟(jì)效益，在工程上的應(yīng)用必將越來越廣泛。但FRP在工程應(yīng)用中的靈活性較強(qiáng)，在實(shí)際工程中選用FRP材料時(shí)應(yīng)充分考慮材料性質(zhì)、應(yīng)用條件、綜合性價(jià)比等因素，充分發(fā)揮出FRP材料的作用效應(yīng)。如今，有關(guān)FRP的研究仍十分欠缺，若要促進(jìn)其在土木工程中的發(fā)展與應(yīng)用，還需要對其材料性能及與其他材料復(fù)合后的性能進(jìn)行更進(jìn)一步的探索。

參考文獻(xiàn)

[1] ?苗延佟.四種纖維復(fù)合加固材料性能對比分析[J]. 山西建筑，2016，42（07）：123-125.

[2] ?王蘭彩.纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FRP）特性[J].山西建筑，2011，37（08）：106-108.

[3] ?王娣. GFRP在建筑中的應(yīng)用與發(fā)展[J]. 綠色環(huán)保建材，2016（10）：160.

[4] ?王子豪.玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（BFRP）基本性能及其應(yīng)用研究[D].江蘇：東南大學(xué)，2013.

[5] ?匡妍藝.芳綸纖維加固鋼筋混凝土梁界面剝離破壞機(jī)理分析[D].華南理工大學(xué)，2012.

[6] ?賴娘珍，王耀先.芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料研究進(jìn)展[C]//第十八屆玻璃鋼/復(fù)合材料學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.2010.