FRP復(fù)合材料在工程中的應(yīng)用及其前景研究

李俊斌 宋波濤 劉璞

摘 要 隨著新材料技術(shù)的不斷發(fā)展，復(fù)合材料越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外的重視。FRP復(fù)合材料因其具有其他材料無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)而在建筑、航空等領(lǐng)域被廣泛使用。本文主要分析了FRP復(fù)合材料在有關(guān)工程中的應(yīng)用，展望了FRP復(fù)合材料未來(lái)發(fā)展前景，以促進(jìn)FRP復(fù)合材料在工程中充分發(fā)揮作用。

關(guān)鍵詞 FRP復(fù)合材料;工程;耐腐蝕性

FRP復(fù)合材料具有高強(qiáng)、輕質(zhì)等優(yōu)勢(shì)，因此工程中廣泛利用FRP復(fù)合材料，當(dāng)前拉擠成型和環(huán)繞等工業(yè)化手段生產(chǎn)FRP復(fù)合材料，可以在最大限度上滿足工程需求。對(duì)比傳統(tǒng)材料，F(xiàn)RP復(fù)合材料具有顯著的優(yōu)勢(shì)，在工程未來(lái)發(fā)展過(guò)程中，F(xiàn)RP復(fù)合材料都會(huì)持續(xù)發(fā)揮重要的作用。

1FRP復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)

1.1 較高的比強(qiáng)度和比剛度

FRP復(fù)合材料密度較小，抗拉強(qiáng)度較大。因?yàn)镕RP復(fù)合材料具有輕質(zhì)便攜的優(yōu)勢(shì)，提高了工程組裝制造的便利性。施工單位可以在工廠預(yù)制生產(chǎn)FRP復(fù)合材料之后，再運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場(chǎng)施工，降低了整體運(yùn)輸成本，滿足現(xiàn)代工程需求。在現(xiàn)場(chǎng)吊裝過(guò)程中，F(xiàn)RP復(fù)合材料的荷載比較小，可以節(jié)省人力安裝負(fù)載，同時(shí)可以節(jié)省施工時(shí)間，進(jìn)一步提高整體工程工作效率[1]。

1.2 耐疲勞

FRP復(fù)合材料具有良好的拉伸性能，金屬材料的疲勞極限通常是強(qiáng)度極限的40%～50%，而FRP復(fù)合材料的疲勞極限可達(dá)強(qiáng)度極限的70%～80%。因?yàn)镕RP復(fù)合材料纖維含量比較高，整體徐變量比較小，在工程中利用FRP復(fù)合材料，可以提高整體工程質(zhì)量。

1.3 減振性能強(qiáng)

因?yàn)镕RP復(fù)合材料的基底材料和纖維之間具有較大的阻尼，F(xiàn)RP復(fù)合材料抗振動(dòng)能力比較強(qiáng)，如果結(jié)構(gòu)受載較大，超出構(gòu)件承載力之后，少量纖維會(huì)發(fā)生斷裂，結(jié)構(gòu)應(yīng)力重新分布，受力較小的纖維應(yīng)力變大，整體應(yīng)力均勻分布，發(fā)揮良好的減振性能。

1.4 耐腐蝕性

隨著工程技術(shù)水平的不斷提高，工程環(huán)境和工程條件也變得更加復(fù)雜。地下水和雨水可能會(huì)腐蝕工程鋼筋，利用FRP復(fù)合材料，可以發(fā)揮出顯著的抗腐蝕能力。FRP復(fù)合材料適用于酸性和堿性環(huán)境，同時(shí)也可以抵抗海水腐蝕，因此其應(yīng)用范圍更加廣泛。因?yàn)镕RP復(fù)合材料中具有高分子聚合物，降解難度比較大，因此FRP復(fù)合材料不會(huì)輕易被破壞，且對(duì)生態(tài)環(huán)境污染小。此優(yōu)勢(shì)可以節(jié)省工程維護(hù)成本，同時(shí)也為日后修復(fù)工作提供便利。

2FRP復(fù)合材料在工程中的應(yīng)用

2.1 在航空工業(yè)中應(yīng)用

FRP復(fù)合材料在航空工業(yè)發(fā)展過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用，新一代戰(zhàn)斗機(jī)上FRP復(fù)合材料的用量已經(jīng)達(dá)到總重量的25%～30%。FRP復(fù)合材料在機(jī)身、機(jī)翼等部位都有所應(yīng)用。FRP復(fù)合材料在應(yīng)用過(guò)程中不斷積累應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，提高應(yīng)用技術(shù)水平，同時(shí)完善配套技術(shù)，從非承力構(gòu)件整流蒙皮逐漸發(fā)展為承力構(gòu)件尾翼、機(jī)翼，從簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)層合壁板發(fā)展為整體FRP復(fù)合材料結(jié)構(gòu)尾翼和機(jī)翼。在飛機(jī)上應(yīng)用FRP復(fù)合材料，可以實(shí)現(xiàn)15%～30%的減重可以有效降低飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量，使飛機(jī)機(jī)動(dòng)性能和有效荷載不斷提高。當(dāng)前飛機(jī)結(jié)構(gòu)FRP復(fù)合材料化已經(jīng)成為發(fā)展趨勢(shì)，成為不可或缺的航空結(jié)構(gòu)材料。在20世紀(jì)90年代，先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)已經(jīng)開(kāi)始利用先進(jìn)的樹(shù)脂基復(fù)合材料，主要是應(yīng)用在機(jī)翼、機(jī)身、尾翼等承力構(gòu)件上。

國(guó)內(nèi)FRP復(fù)合材料不斷發(fā)展，相關(guān)制造技術(shù)也不斷發(fā)展成熟，逐漸完善了裝配技術(shù)和配套的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)等，在直升機(jī)、殲擊機(jī)及大型飛機(jī)上都開(kāi)始利用FRP復(fù)合材料。我國(guó)不斷發(fā)展自動(dòng)化和數(shù)字化的制造技術(shù)，使FRP復(fù)合材料構(gòu)件的制造質(zhì)量不斷提高。積極引進(jìn)設(shè)備，采用自動(dòng)鋪放技術(shù)制造大型飛機(jī)FRP復(fù)合材料構(gòu)件，提高構(gòu)件的精度，發(fā)揮高效率成型優(yōu)勢(shì)。重視發(fā)展FRP復(fù)合材料構(gòu)件成型模具技術(shù)，高效研制FRP復(fù)合材料構(gòu)件。

2.2 在航空裝飾中應(yīng)用

FRP復(fù)合材料具有耐腐蝕特征，因此在航空工程中廣泛應(yīng)用。在航空裝飾工程中利用FRP復(fù)合材料，可以減少后續(xù)維護(hù)支出，同時(shí)可以延長(zhǎng)使用壽命[2]。FRP復(fù)合材料可以制作不同的顏色，并且具有顯著的透光性，可以根據(jù)工程情況選擇合理的FRP復(fù)合材料的色彩，通過(guò)設(shè)計(jì)調(diào)整技術(shù)，保障產(chǎn)品的透光率。

3FRP復(fù)合材料的發(fā)展前景

社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程中，傳統(tǒng)的材料已無(wú)法滿足工程需求。而FRP復(fù)合材料具有較小的密度，良好的抗腐蝕性和抗拉強(qiáng)度等優(yōu)勢(shì)，可以適應(yīng)復(fù)雜的使用環(huán)境。在今后發(fā)展過(guò)程中，在超航空工業(yè)工程中會(huì)廣泛利用FRP復(fù)合材料。在海洋工程中，F(xiàn)RP復(fù)合材料也發(fā)揮著重要的作用，可以結(jié)合海洋環(huán)境，提高FRP復(fù)合材料的耐腐蝕性能，進(jìn)一步提高FRP復(fù)合材料的耐久性，深入推廣應(yīng)用FRP復(fù)合材料[3]。

FRP復(fù)合材料在我國(guó)具有廣闊的發(fā)展空間，但是在發(fā)展過(guò)程中也存在一定問(wèn)題。在FRP復(fù)合材料研制時(shí)，需要改良制備工藝，促使FRP復(fù)合材料可以與使用環(huán)境協(xié)調(diào)。我國(guó)在未來(lái)發(fā)展過(guò)程中，需要改進(jìn)FRP復(fù)合材料加工工藝和設(shè)備，進(jìn)一步提高工程工作效率，節(jié)省工程成本。優(yōu)化FRP復(fù)合材料檢測(cè)方法，細(xì)化構(gòu)件檢測(cè)指標(biāo)，促進(jìn)FRP復(fù)合材料在工程中充分發(fā)揮作用。

4結(jié)束語(yǔ)

因?yàn)镕RP復(fù)合材料具有顯著的優(yōu)勢(shì)，在工程應(yīng)用過(guò)程中發(fā)揮著重要作用，在未來(lái)發(fā)展過(guò)程中，我國(guó)需要加大力度進(jìn)行相關(guān)研究，持續(xù)深入推廣應(yīng)用FRP復(fù)合材料。

參考文獻(xiàn)

[1] 吳琨.熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的研究進(jìn)展[J].價(jià)值工程，2020，39（09）：210-211.

[2] 袁媛.基于航空的復(fù)合材料與金屬連接結(jié)構(gòu)的拉伸性能及漸進(jìn)損害研究[J].工業(yè)加熱，2019，48（05）：55-58.

[3] 周毅.復(fù)合材料在航空工程中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀及前景[J].決策探索（中），2018（08）：63.