纤维增强复合材料
纤维增强复合材料的力学性能
纤维增强复合材料的力学性能纤维增强复合材料（Fiber-reinforced composites，简称FRC）是一种重要的工程材料，其具有高强度、高刚度和低密度的特点，被广泛应用于航空航天、汽车和建筑等领域。
本文将重点探讨纤维增强复合材料的力学性能及其对材料性能的影响。
首先，纤维增强复合材料的力学性能主要包括强度、刚度和韧性。
其中，强度是指材料在外力作用下抵抗破坏的能力，通常以拉伸强度来衡量。
纤维增强复合材料的强度主要由其中的纤维决定，而纤维的强度一般远大于基体。
这是因为纤维具有长而细的形状，使其能够有效地承受外力并转移到周围的基体上。
另外，纤维之间的相互作用也会增强整体的强度。
与强度相伴随的是刚度，即材料对外力的抵抗能力。
纤维增强复合材料的刚度主要取决于纤维的刚度和其含量。
由于纤维的高刚度，纤维增强复合材料通常具有较高的刚度，这使得材料在受到外力时能够保持形状的稳定性，并减小变形程度。
这对于一些要求高精度的工程结构来说非常重要。
然而，纤维增强复合材料的脆性也导致其在遇到冲击负载时易发生断裂。
为了提高纤维增强复合材料的韧性，可以采取增加纤维与基体的粘结强度、增加基体的韧性和改变纤维的排列方式等措施。
此外，通过添加填充剂、纤维交替布置等方式也可以提高复合材料的韧性。
除了综合性质，还应该关注纤维增强复合材料的疲劳性能。
由于现实工程环境中的材料往往会受到循环载荷的作用，疲劳性能对于材料的可靠性也是一个重要的考虑因素。
纤维增强复合材料的疲劳性能受到纤维和基体的性质、纤维体积分数、制备工艺等多种因素的影响。
通过优化这些因素，可以提高材料的疲劳寿命。
最后，要提到纤维增强复合材料的温度效应。
在高温环境中，纤维增强复合材料的力学性能会发生变化，甚至会引起材料的失效。
这是因为纤维和基体的材料性质在高温下可能会发生改变，例如纤维的脆化和基体的软化。
因此，在应用纤维增强复合材料时，需要考虑材料在不同温度条件下的性能和稳定性。
纤维增强复合材料
通过添加填料、改性剂等对基体材料进行改性，改善基体材料的性能，提高复合 材料的综合性能。
界面设计与优化
界面设计原则
设计良好的界面结构，确保纤维与基体材料之间有足够的粘 结力和剪切力，提高复合材料的力学性能。
界面优化技术
采用涂层技术、表面处理等方法对界面进行优化，改善界面 相容性，提高复合材料的整体性能。
纤维浸润
预浸料制备
将浸润后的纤维进行连续化或裁剪， 制备成一定规格的预浸料。
将纤维（如玻璃纤维、碳纤维等）浸 入树脂中，使纤维表面均匀涂覆树脂。
纤维铺层与成型
01
02
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铺层设计
根据产品结构和性能要求， 进行铺层设计，确定纤维 的铺设方向、层数和顺序。
定位与固定
将预浸料按照设计要求铺 设在模具上，并进行定位 和固定，确保纤维位置准 确。
通过改进生产工艺和设备， 降低生产成本，提高生产 效率。
原材料国产化
推动原材料的国产化进程， 降低原材料成本，提高供 应链的稳定性。
规模化生产
通过扩大生产规模，实现 规模经济效应，降低单位 产品的成本。
环境友好性与可持续发展
环保生产工艺
采用环保型的生产工艺和设备， 降低生产过程中的环境污染。
可循环利用
认证与评价机制
建立认证和评价机制，对复合材料的质量和性能进行评估和认证， 提高市场竞争力。
05 纤维增强复合材料的应用 案例
航空航天领域的应用
飞机结构
纤维增强复合材料因其高强度、轻质和耐腐蚀的特性，广泛应用于 飞机结构，如机翼、尾翼和机身。
航天器结构
在航天器设计中，纤维增强复合材料用于制造卫星平台、火箭发动 机壳体和航天飞机隔热罩。
纤维增强复合塑料
(2) 长期耐温性差
一般FRP不能在高温下长期使用，通用聚酯FRP在50℃以上强度就明显下降，一般只在100℃以下使用；通用型环氧FRP在60℃以上，强度有明显下降。但可以选择耐高温树脂，使长期工作温度在200~300℃是可能的。
(3) 老化现象
老化现象是塑料的共同缺陷，FRP也不例外，在紫外线、风纱雨雪、化学介质、机械应力等作用下容易导致性能下降。
根据纤维的长短，FRP可分为短纤维增强复合塑料和长纤维（或称连续纤维）增强复合材料塑料。
根据纤维性能可以分为高性能纤维复合材料和工程复合材料。
一、FRP有如下特性。
(1)轻质高强
相对密度在1.5~2.0之间，只有碳钢的1/4~1/5，可是拉伸强度却接近，甚至超过碳素钢，而比强度可以与高级合金钢相比。因此，在航空、火箭、宇宙飞行器、高压容器以及在其他需要减轻自重的制品应用中，都具有卓越成效。某些环氧 FRP的拉伸、弯曲和压缩强度均能达到400Mpa以上。部分材料的密度、强度和比强度见表1-1。
(4)热性能良好
FRP热导率低，室温下为1.25~1.67kJ/（m·h·K），只有金属的1/100~1/1000，是优良的绝热材料。在瞬时超高温情况下，是理想的热防护和耐烧蚀材料，能保护宇宙飞行器在2000℃以上承受高速气流的冲刷。
(5)可设计性好
①可以根据需要，灵活地设计出各种结构产品，来满足使用要求，可以使产品有很好的整体性。
FRP--纤维增强复合塑料，根据采用的纤维不同分为玻璃纤维增强复合塑料（GFRP），碳纤维增强复合塑料（CFRP），硼纤维增强复合塑料等；
纤维增强复合材料是由增强纤维和基体组成。纤维（或晶须）的直径很小，一般在10μm以下，缺陷较少又较小，断裂应变约为千分之三十以内，是脆性材料，易损伤、断裂和受到腐蚀。基体相对于纤维来说，强度、模量都要低很多，但可以经受住大的应变，往往具有粘弹性和弹塑性，是韧性材料。
纤维增强复合材料,土木工程,应用,特点
纤维增强复合材料,土木工程,应用,特点纤维增强复合材料（Fiber Reinforced Polymer，简称FRP）是一种
由纤维和树脂组成的复合材料，具有轻质、高强度、耐腐蚀、耐疲劳、易
加工等特点。
在土木工程中，FRP被广泛应用于加固和修复混凝土结构、
加固钢结构、制作桥梁、隧道、管道等结构。
FRP的特点主要有以下几点：1.轻质高强：FRP的密度比钢轻，但强度却比钢高，因此可以减轻结构自重，提高结构承载能力。
2.耐腐蚀：FRP不会被水、酸、碱等化学物质腐蚀，可以在恶劣环境下长期使用。
3.耐疲劳：FRP的疲劳寿命比钢长，可
以在反复荷载下长期使用。
4.易加工：FRP可以通过手工、机械、模压等
方式加工成各种形状，适应不同的结构需求。
在土木工程中，FRP主要应
用于以下方面：1.混凝土结构加固和修复：FRP可以用于加固和修复桥梁、隧道、建筑等混凝土结构，提高其承载能力和耐久性。
2.钢结构加固：FRP可以用于加固钢结构，提高其承载能力和抗震性能。
3.制作桥梁、隧道、管道等结构：FRP可以制作轻质、高强度的桥梁、隧道、管道等结构，减轻结构自重，提高结构承载能力。
总之，FRP作为一种新型的材料，在
土木工程中具有广泛的应用前景，可以提高结构的承载能力、耐久性和抗
震性能，为工程建设提供更加可靠、安全的保障。
纤维增强复合材料
纤维增强复合材料在工程结构中的应用一、FRP材料简介：纤维增强复合材料(fiber reinforced polymer／plastic，简称FRP) 是由纤维材料与基体材料按一定定工艺复合形成的高性能新型材。
初期主要应用于航空、航天、国防等高科技领域，广泛应用于航天飞机、军舰、潜艇等军事装备上。
20世纪下半叶，随着FRP材料制造成本的降低，又因其轻质、高强、耐腐蚀等优点，成为土木工程的一种新型结构材料。
目前，在土木工程中应用的FRP材料主要有碳纤维增强复合材料(cFRP)、玻璃纤维增强复合材料(GFRP)和芳纶纤维增强复合材料(AFRP)三种。
近年来，PBO纤维和玄武岩纤维也开始应用于土建工程中，并取得了良好的效果。
目前，FRP材料在我国土木工程中应用最多的是用于结构加固补强。
FRP加固修复技术的研究和应用已在我国逐渐展开，且正在以高速度发展。
在新建工程结构中，FRP结构和FRP组合结构的应用也日益受到工程界的重视。
FRP材料在土木工程中的应用和研究已成为了一个新的热点。
二、FRP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。
理论上，用传统结构材料桥梁的极限跨度在5000 m以内，而上部结构使用FRP结构可达8000 m以上，有学者已经对主跨长达5000 m的FRP悬索桥进行了方案设计和结构分析E8]。
在建筑工程中，采用FRP材料的大跨空间结构体系的理论极限跨度要比传统材料结构大2～3倍，因此，FRP结构和FRP组合结构是获得超大跨度的重要途径。
在抗震结构中，FRP 材料的应用可以减轻结构自重，减小地震作用。
另外，FRP材料的应用也能使结构的耐疲劳性能显著提高。
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。
在美国每年因钢材腐蚀造成的工程结构损失高达700亿美元，近1／6的桥梁因钢筋锈蚀而严重损坏；加拿大用于修复因老化损坏的工程结构的费用达490亿加元；我国目前因钢材锈蚀而造成的损失也在逐年增加。
什么是纤维增强复合材料的增韧其方法有哪些
什么是纤维增强复合材料的增韧其方法有哪些1.界面改性：界面是纤维与基体之间的接触区域，界面的性质对材料的力学性能起着重要的影响。
通过在界面处添加界面改性剂，可以提高纤维与基体的结合强度和界面的稳定性，增加材料的韧性。
2.纤维表面修饰：通过改变纤维表面的形貌和化学性质，可以增加纤维与基体的结合强度。
常见的纤维表面修饰方法包括表面粗化、表面氧化和表面涂覆。
3.高分子基质改性：通过在基质中添加改性剂，可以改善基质的韧性和能量吸收能力。
常用的基质改性方法包括添加增韧剂、添加弹性体和改变基质的组成。
4.交联：通过交联反应，可以增加材料的网络结构和结合强度。
常见的交联方法包括热交联、辐射交联和化学交联。
5.纤维增韧：在纤维增强复合材料中添加纤维增韧剂，可以提高材料的韧性。
常用的纤维增韧剂包括微纳纤维、碳纤维和纳米纤维。
6.层叠复合：通过层叠不同方向的纤维增强材料，可以提高材料的韧性和耐冲击性。
常见的层叠复合方法包括交替层叠和交叉层叠。
7.界面增强：通过在界面处添加增强层，可以增加纤维和基体之间的结合强度。
常见的界面增强方法包括纳米颗粒增强、表面修饰和涂覆增强。
8.组分设计：通过优化纤维和基体的比例和结构，可以提高材料的韧性和弯曲性能。
通常选择具有优良力学性能的纤维和基体组合，可以增强材料的整体性能。
9.加工工艺改进：改进材料的加工工艺，可以提高材料的致密度和结构均匀性，从而提高材料的韧性。
常见的加工工艺改进方法包括预浸法、层压法和注塑法。
综上所述，纤维增强复合材料的增韧方法包括界面改性、纤维表面修饰、高分子基质改性、交联、纤维增韧、层叠复合、界面增强、组分设计和加工工艺改进等。
这些方法可以综合应用，以满足不同应用场景对材料韧性的需求。
纤维增强复合材料的力学性能分析
纤维增强复合材料的力学性能分析纤维增强复合材料是一种在工程领域中广泛应用的材料，由于其独特的力学性能，使得它成为许多领域的首选材料。
本文将对纤维增强复合材料的力学性能进行分析，包括强度、刚度、断裂韧性和疲劳性能等方面的内容。
1. 强度分析纤维增强复合材料的强度主要由纤维的强度和界面剪切强度决定。
纤维的强度是指纤维本身的抗拉强度，而界面剪切强度是指纤维和基体之间的结合强度。
通过适当的表征方法，可以测量和评估纤维增强复合材料的强度，如拉伸试验、剪切试验和压缩试验等。
这些实验可以得到材料在不同方向上的强度参数，帮助我们全面了解材料的强度特性。
2. 刚度分析纤维增强复合材料的刚度是指材料对应力的响应程度，又称为材料的弹性模量。
纤维增强复合材料的刚度与纤维的刚度以及纤维与基体的界面剪切刚度有关。
通过应力-应变曲线和Hooke定律，可以计算得到材料的弹性模量。
同时，可以利用动态力学测试方法，如振动试验和声学试验，进一步研究材料的刚度特性。
3. 断裂韧性分析断裂韧性是指材料在受力下抵抗破坏的能力，也可以看作是材料对能量吸收的能力。
纤维增强复合材料的断裂韧性主要由纤维和基体的界面特性以及纤维与基体的剥离、拉伸和剪切等行为决定。
通过断裂力学试验，如缺口拉伸试验和冲击试验，可以评估材料的断裂韧性。
4. 疲劳性能分析疲劳性能是指纤维增强复合材料在交变载荷下长时间使用的能力。
疲劳性能的分析可以通过应力-寿命曲线和疲劳寿命评估得到。
材料的纤维类型、纤维体积分数、界面质量、载荷幅值和频率等因素都会影响材料的疲劳性能。
为了提高纤维增强复合材料的疲劳寿命，可以采用增加纤维含量、改善界面质量、降低应力集中等方法。
综上所述，纤维增强复合材料的力学性能对其使用所处环境和预期寿命有着重要影响。
通过详细的力学性能分析，我们可以更好地了解材料的特性，并针对性地进行设计和工程应用。
纤维增强复合材料的力学性能分析是科学设计和工程应用的重要基础，也为材料学和结构力学领域的研究提供了有价值的参考。
FRP—纤维增强复合塑料
FRP英文名：Fiber Reinforced PlasticsFRP—纤维增强复合塑料FRP--(Fiber Reinforced Plastics )纤维增强复合塑料，根据采用的纤维不同分为玻璃纤维增强复合塑料（GFRP），碳纤维增强复合塑料（CFRP），硼纤维增强复合塑料等；纤维增强复合材料是由增强纤维和基体组成。
纤维（或晶须）的直径很小，一般在10μm以下，缺陷较少又较小，断裂应变约为千分之三十以内，是脆性材料，易损伤、断裂和受到腐蚀。
基体相对于纤维来说，强度、模量都要低很多，但可以经受住大的应变，往往具有粘弹性和弹塑性，是韧性材料。
根据纤维的长短，FRP可分为短纤维增强复合塑料和长纤维（或称连续纤维）增强复合材料塑料。
根据纤维性能可以分为高性能纤维复合材料和工程复合材料。
编辑本段特性(1)轻质高强相对密度在1.5~2.0之间，只有碳钢的1/4~1/5，可是拉伸强度却接近，甚至超过碳素钢，而比强度可以与高级合金钢相比。
因此，在航空、火箭、宇宙飞行器、高压容器以及在其他需要减轻自重的制品应用中，都具有卓越成效。
某些环氧FRP的拉伸、弯曲和压缩强度均能达到400Mpa以上。
部分材料的密度、强度和比强度见表1-1。
(2)耐腐蚀性能好FRP是良好的耐腐材料，对大气、水和一般浓度的酸、碱、盐以及多种油类和溶剂都有较好的抵抗能力。
已应用到化工防腐的各个方面，正在取代碳钢、不锈钢、木材、有色金属等。
(3)电性能好是优良的绝缘材料，用来制造绝缘体。
高频下仍能保护良好介电性。
微波透过性良好，已广泛用于雷达天线罩。
(4)热性能良好FRP热导率低，室温下为1.25~1.67kJ/（m·h·K），只有金属的1/100~1/1000，是优良的绝热材料。
在瞬时超高温情况下，是理想的热防护和耐烧蚀材料，能保护宇宙飞行器在2000℃以上承受高速气流的冲刷。
(5)可设计性好①可以根据需要，灵活地设计出各种结构产品，来满足使用要求，可以使产品有很好的整体性。
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Chapter 9 Composites
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• 复合材料的特点：
• 1） 复合材料是由两种或两种以上不同性能的材料组 元通过宏观或微观复合形成的一种新型材料，组元之 间存在着明显的界面；
• 2） 复合材料中各组元不但保持各自的固有特性，而 且可最大限度发挥各种材料组元的点和要求； • 理解复合材料的复合原理，包括混合法
则、增韧机制和界面作用； • 了解复合材料的成型工艺。
Chapter 9 Composites
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参考书目
• 王荣国 主编，复合材料概论，哈尔滨工业大 学出版社，1999
• 闻荻江主编，复合材料原理，武汉理工大学出 版社，1998
• 鲁云，先进复合材料，机械工业出版社，2004 • ASM International, Engineered materials
handbook, Composites, Vol.1, Metals, Park, 1987
Chapter 9 Composites
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9.1 复合材料概述
• 三大材料：
金属
–金属
材料
–无机非金属 –有机高分子
• 复合材料
–取长补短
复合
材
无机
有机
非金属 料 高分子
材料
材料
–协同作用
–产生原来单一材料没有本身所没有的新性能
混杂复合材料：
• 两种或两种以上增强体与同一基体制成的复合材料 • 可以看成是两种或多种单一纤维或颗粒复合材料的相互复合，
即复合材料的“复合材料”。
Chapter 9 Composites
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按基体材料分类
① 聚合物基复合材料:以有机聚合物（热固性树脂、热塑 性树脂及橡胶等）为基体；
② 金属基复合材料：以金属（铝、镁、钛等）为基体； ③ 无机非金属基复合材料：以陶瓷材料（也包括玻璃和
1965年英国科学家研制出碳纤维
1971年美国杜邦公司开发出开芙拉-49
1975年先进复合材料“碳纤维增强、及开芙拉纤维 增强环氧树脂复合材料” 用于飞机、火箭的主承力件 上。
• 第三代：1980年到1990年，碳纤维增强金属基复合材料
泛。
以铝基复合材料的应用最为广
• 第四代：1990年以后，主要发展多功能复合材料，
Chapter 9 Composites
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复合材料的定义
• 国际标准化组织：由两种以上在物理和化学上不 同的物质组合起来而得到的一种多相固体材料
• 《材料大词典》 ：复合材料是根据应用进行设 计，把两种以上的有机聚合物材料或无机非金属 材料或金属材料组合在一起，使其性能互补，从 而制成的一类新型材料。
• 3）复合材料具有可设计性。可以根据使用条件要求进 行设计和制造，以满足各种特殊用途，从而极大地提 高工程结构的效能。
Chapter 9 Composites
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基体和增强材料
Matrix and Reinforcement
• 基体——连续相 • 增强材料——分散相
–也称为增强体、增强剂、增强相等 –显著增强材料的性能 –多数情况下，分散相较基体硬，刚度和强度较基体大。 –可以是纤维及其编织物，也可以是颗粒状或弥散的填料。
Chapter 9 Composites
Chapter 9 Composites
复合材料
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本章内容
1. 复合材料概述 2. 复合材料分类 3. 复合材料的基体 4. 复合材料的增强相 5. 复合材料的复合原理 6. 复合材料的成型工艺
Chapter 9 Composites
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学习目的
• 掌握复合材料的特点； • 了解复合材料中基体和增强相的种类、
• 古代：使用 、效仿
–半坡人－－草梗合泥筑墙，且延用至今 –漆器－－麻纤维和土漆复合而成，至今已四千多年 –敦煌壁画－－泥胎、宫殿建筑里园木表面的披麻覆漆
Chapter 9 Composites
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近现代：
• 第一代：1940年到1960年，玻璃纤维增强塑料
• 第二代：1960年到1980年，先进复合材料
Chapter 9 Composites
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9.2 复合材料的分类
按增强材料形态分类
1、纤维增强复合材料： a.连续纤维复合材料：作为分散相的长纤维的两个端点
都位于复合材料的边界处； b.非连续纤维复合材料：短纤维、晶须无规则地分散在
基体材料中； 2、颗粒增强复合材料：微小颗粒状增强材料分散在基体中； 3、板状增强体、编织复合材料：以平面二维或立体三维物为
Chapter 9 Composites
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• 《材料科学技术百科全书》 ：复合材料是由有 机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通 过复合工艺组合而成的新型材料。它既保留原组 成材料的重要特色，又通过复合效应获得原组分 所不具备的性能。可以通过材料设计使各组分的 性能互相补充并彼此关联，从而获得更优秀的性 能，与一般材料的简单混合有本质区别。
• 在基体和增强体之间存在着界面。
Chapter 9 Composites
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Schematic illustration of composite constituents
Chapter 9 Composites
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复合材料历史
• 古代－近代－先进复合材料 • 天然复合材料
–竹、贝壳，树木和竹子： 纤维素和木质素的复合体 –动物骨骼： 无机磷酸盐和蛋白质胶原复合而成
增强材料与基体复合而成。
其他增强体：层叠、骨架、涂层、片状、天然增强体
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Classes of composites
Chapter 9 Composites
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纤维增强复合材料种类
① 玻璃纤维复合材料； ② 碳纤维复合材料； ③ 有机纤维（芳香族聚酰胺纤维、芳香族聚酯纤维、聚烯烃纤 维等）复合材料； ④ 金属纤维（如钨丝、不锈钢丝等）复合材料； ⑤ 陶瓷纤维（如氧化铝纤维、碳化硅纤维等）复合材料。
水泥）为基体。
Chapter 9 Composites
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按材料作用分类
① 结构复合材料：用于制造受力构件； ② 功能复合材料：具备各种特殊性能（如阻尼、
导电、导磁、摩擦、屏蔽等）。
• 同质复合材料（增强材料和基体材料属于同 种物质，如碳/碳复合材料）
• 异质复合材料（复合材料多属此类）。
Chapter 9 Composites