自然纤维增强复合材料
天然纤维增强复合材料的性能及其应用_邹君
!
前
言
的热点之一。本文就天然纤维增强复合材料 的一些性能及应用进行探讨。
纤维增强复合材料作为材料科学的一 个重要分支， 以其优异的性能取得了飞速发 展， 并且在社会各领域得到了越来越多的应 用。传统的纤维增强复合材料是由玻璃纤 维、 芳香族聚酰胺纤维或碳纤维等人造合成 纤维组成的，它们一般都存在着耗能大、 造 价高、 易造成环境污染等问题。与玻璃纤维 及碳纤维相比， 各种天然纤维（ 如麻纤维、 竹 纤维、 甘蔗渣纤维等） 具有价廉、 可回收、 可 降解、 可再生等优点， 其复合材料的研究与 开发应用， 近年来成为人们对材料研究开发 麻、 竹等含纤维素的天然植物具有质轻、 廉价易得的特点， 其化学组成以纤维素为主， 其次是半纤维素、 木质素、 甲胶等， 植物纤维 本身就是天然的复合材料。各种纤维具有各 自的性能优势，如麻的纤维长度是天然纤维 中最长的， 具有高强低伸的特性， 适合做复合 材料增强剂。麻类纤维的物理性能如表#$#%所 示。
!8! #8!5 &2" !8’
!!
广西化纤通讯
!""! 年第 ! 期
从表 # 中可知，虽然麻纤维的拉伸强度 和模量都比玻璃纤维低， 但是苎麻纤维的比 强度与玻璃纤维接近， 所以天然纤维完全可 以替代玻璃纤维， 作为制备环保型复合材料 的理想增强材料， 将之用来增强可降解塑料 基体， 制备可完全降解的环保型复合材料。 由于天然纤维的不均匀性和纤维与疏 水聚合物基体的不相容性， 对其在复合材料 中的增强作用还需进行更深入的研究。天然 纤维的不均匀性在于它在植物中的部位、 植 物生长地域和生长条件的不同而引起的组 成和结构差异。纤维素大分子的重复单元中 每一基环含有 $个羟基（ ， 这些羟基在分 %&’） 子内或分子间形成氢键， 并使植物纤维具有 纤维素的亲水 亲水性， 含湿率达 () —#!*+)。 性也是导致其在增强复合材料应用局限性 的一个重要原因。复合材料的性能取决于组 分的性能和组分间的界面相容性。纤维素类 聚合物中的羟基可与基体聚合物之间形成 强烈的分子间氢键、共价键或其它化学键， 但是纤维素中未反应羟基的吸湿性会引起 基体聚合物与纤维之间的粘附性变差， 这样 就使纤维素增强材料在使用过程中随时间 推移而解除键合。缺乏良好的界面粘合性所 导致的恶果是界面张力的增加， 材料多孔性 和环境降解的出现 。一般可通过对纤维进
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。
纤维增强材料的测试标准
纤维增强材料的测试标准
1. 物理性能测试标准，包括密度、热性能、导热性能等。
常见
的测试标准包括ASTM D792-13（关于密度测定的标准试验方法）、ASTM E1952-17（关于热导率和热阻测定的标准试验方法）等。
2. 力学性能测试标准，包括拉伸强度、弯曲强度、压缩强度等。
常见的测试标准包括ASTM D3039/D3039M-17（关于纤维增强复合材
料拉伸性能的标准试验方法）、ASTM D7264-16（关于纤维增强复合
材料弯曲性能的标准试验方法）等。
3. 耐久性能测试标准，包括疲劳性能、老化性能、环境适应性等。
常见的测试标准包括ASTM D3479/D3479M-14（关于纤维增强复
合材料疲劳性能的标准试验方法）、ASTM D2247-11（关于纤维增强
复合材料老化性能的标准试验方法）等。
除了上述测试标准外，不同国家和地区还可能有各自的标准和
规范，如ISO、JIS等。
此外，针对特定的纤维增强材料，还可能有
针对性的测试标准，需要根据具体材料的特性进行选择。
总的来说，纤维增强材料的测试标准涵盖了多个方面，通过这些测试可以全面评估材料的性能，确保其符合设计和使用要求。
纤维增强聚合物基复合材料
纤维增强聚合物基复合材料
纤维增强聚合物基复合材料是将纤维材料（如玻璃纤维、碳纤维等）与聚合物基体材料进行复合的一种材料。
纤维材料的加入可以提高聚合物基体的力学性能、耐磨性和耐腐蚀性能。
纤维增强聚合物基复合材料广泛应用于航空航天、汽车制造、建筑结构、运动器材等领域。
纤维增强聚合物基复合材料的制备通常包括以下步骤：首先将纤维材料进行预处理，如剪断、清洗和表面处理等，以提高纤维与基体材料的黏附性；然后将纤维与聚合物基体材料进行混合，并通过注塑、浸渍等方法将基体材料渗透到纤维间隙中，形成复合材料；最后经过成型、固化和热处理等工艺步骤，使复合材料具有所需的形状和性能。
纤维增强聚合物基复合材料具有重量轻、强度高、刚性好、耐热性好等特点，能够满足复杂工程结构对材料性能的要求。
此外，纤维增强聚合物基复合材料还具有良好的耐化学腐蚀性能和电绝缘性能，能够在恶劣环境下长期稳定使用。
因此，纤维增强聚合物基复材料被广泛应用于航空、航天、汽车、建筑和电子等领域。
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
03
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。
天然纤维增强复合材料的应用及发展前景
天然纤维增强复合材料的应用及发展前景文 | 郭耀伟 蔡 明Application and Development Prospect of Natural Fiber ReinforcedPlasticsAbstract: Natural fiber reinforced plastics (NFRP) is a new type of material that uses natural fibers and a thermoplastic resin matrix or a thermosetting resin matrix to compound. Natural fibers have a unique position in the field of composite materials for their advantages, including low density, good specific modulus performance, good sound insulation effect, recyclability and low price. Therefore, the use of natural fibers as reinforcing materials to prepare composite materials, that is, the sustainability of composite materials, has become one of the development directions of composites science and technology. At present, green composites reinforced by natural fibers have been applied in many industries, including automotive, construction, aviation, rail transit, and sporting goods.Key words: natural fiber; composites; chemical composition; mechanical performance; design method摘要：天然纤维复合材料（NFRP ）是利用天然纤维与热塑性树脂基体或热固性树脂基体复合而成的一种新型材料。
纤维增强复合材料的制备与强度评估
纤维增强复合材料的制备与强度评估纤维增强复合材料是一种结构轻、强度高、耐腐蚀等特点的新型材料，广泛应用于航空航天、汽车、建筑等领域。
本文将围绕纤维增强复合材料的制备方法和强度评估进行探讨。
一、纤维增强复合材料的制备方法制备纤维增强复合材料主要分为手工制备和自动化制备两种方法。
手工制备是最原始、也是最基础的制备方法。
它通过人工将纤维和树脂按照一定的工艺堆积在一起，然后进行固化，最终形成复合材料。
手工制备方法简单易行，对设备要求低，适用于小批量生产。
但是，由于工艺操作的人为性，手工制备往往容易出现质量不稳定、制品误差大等问题。
自动化制备则采用先进的设备和工艺，实现了纤维增强复合材料的高效制备。
例如，预浸料技术是一种常用的自动化制备方法，它通过将纤维预先浸渍在树脂中，然后将预浸料经过自动化设备进行层叠和固化，形成复合材料。
自动化制备方法具有高效、精度高、质量稳定等优点，适用于大规模生产。
然而，自动化制备设备的成本较高，对操作人员也有一定的技术要求。
二、纤维增强复合材料的强度评估强度评估是纤维增强复合材料应用的核心问题之一。
它通过对复合材料的力学性能进行测试和分析，来评估其使用过程中的强度和稳定性。
强度评估主要分为静态强度评估和动态强度评估。
静态强度评估是指在静态加载条件下，对复合材料进行断裂强度、拉伸强度、压缩强度等性能的测试。
这些测试可以通过一系列标准试样进行，得到各种强度指标。
此外，还可以通过有限元分析、强度预测模型等方法，对复合材料的静态强度进行预测和优化。
动态强度评估则是对复合材料在动态加载条件下的响应进行研究。
例如，冲击试验是一种常见的动态强度评估方法，可以模拟复合材料在高速碰撞等条件下的应力响应。
另外，通过振动测试等方法，也可以评估复合材料的动态强度和耐久性。
除了上述的实验测试和分析方法，强度评估还可以借助计算机模拟和数值仿真等技术手段。
例如，有限元分析方法可以通过建立复合材料的数值模型，模拟各种力学载荷条件下的应力分布和变形情况，从而评估复合材料的强度和稳定性。
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。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
与其他潜在的基体材料相比，酚 醛合成复合材料具有良好的防火 性能和合理的成本。 Sorathia等人提出“酚醛树脂具有 低可燃性、低烟、低火焰蔓延、 高点火延迟、低峰值释热率、高 氧指数等固有特性”。 酚醛树脂在暴露于火中时也会产 生焦炭，这可以保护材料的核心， 从而保护结构的完整性。如果合 成树脂要用天然纤维增强，酚醛 树脂具有最佳的防火性能
基体树脂将各种纤维增强材料黏合到一起， 赋予其一定性能，起到传递和平衡载荷的 作用，使自然纤维和树脂成为具有更高级 更丰富的功能特性的工业原料或产品。树 脂基体的选择对于自然纤维特性的发挥和 复合材料的综合性能有关键性影响。
热塑性树脂有聚烯类、聚碳酸酯类和热塑性 聚酯类。因成本价格和应用规范限制等原因， 在复合材料中应用最广泛的是聚乙烯( PE) 、 聚丙烯、聚氯乙烯( PVC) 和聚苯乙烯( PS) 。 耐热型树脂有聚苯硫醚( PPS) 、聚醚醚酮 ( PEEK) 、聚醚砜( PES) 和聚醚酰亚胺( PEI) 等
自然纤维复合材料的成型工艺
The forming process of natural fiber composite material
01
挤出成型工艺
挤出成型工艺可分为直接挤出的一步 法和先造粒后成型的两步法
02
热压成型工艺
热压成型又称模压成型，可制备一定规 格的不连续板材。该工艺过程主要是将 纤维原料( 或纤维经加工而成的织物或 毡) 与树脂混合均匀后，再进行热压
相应的解决措施
Corresponding solutions
亲水性
耐火性
力学性能 耐久性
多变性
降低天然纤维吸湿能力最常见的方法是 通过碱化的过程。碱处理(通常用KOH 或NaOH)会降低纤维素的氢键能力，从 而消除了与水分子结合的开放羟基。碱 化也能溶解半纤维素。半纤维素是天然 纤维结构中最亲水的部分，去除其会降 低纤维的吸水能力
随着汽车的生产量和保有量不断 地增加，其带来的负能耗和污染 问题严重。节能、环保、轻量化 已经成为当代以及未来汽车工业 发展的主题。麻纤维增强热塑复 合材料因其密度低、强度高和可 回收利用等优异性能，成为汽车 行业替代金属、玻璃与塑料等传 统制造材料最好的材料之一
家居建材
麻纤维复合材料用作建筑材料的 优点是不产生裂纹、不变形、防 虫蛀、防鼠咬、不易腐烂、使用 寿命长、长期吸水率小等。麻纤 维复合材料目前已经或正在开发 用作装修和装饰材料、围栏护栏、 建水泥模板、门窗材料、壁板和 墙板、地板、屋顶板、吊顶板等
03
注射成型工艺
注射成型工艺是将原料加热到固化状态， 然后借助压力将其由注塑机注入到模具 而得到产品。与挤出成型工艺类似，注 射成型工艺对温度控制和粒料流动性的 要求较高。
04
应用前景
天然复合材料发展背后，几个主要的利益相关 领域是经济影响、环境影响和自然复合材料满 足世界范围内的社会、经济和物质需求的能力。
总体而言，天然纤维的密度较低，通 常比玻璃纤维便宜，但强度通常要低得 多。由于天然纤维具有良好的比模量值， 在以刚度和重量为主要考虑因素的应用 场景，天然纤维比玻璃纤维更有竞争力。
但缺点是:强度低、质 量易变、吸湿性高、 加工温度有限、耐久 性低、耐火性差。一 般来说，韧皮纤维具 有结构应用的最佳性 能;其中，亚麻成本低、 重量轻、强度和刚度 高。黄麻比较常见， 但不像亚麻那样坚硬。
其他产品
除了汽车和建筑工业外，具备 力学性能好、阻燃、轻质、隔 音、耐紫外线、耐水等优点的 功能性材料，还可用于航空航 天、军事、户外公园设施等领 域。而且，针对不同特性原料 或不同改性工艺开发了各种不 同功能的麻纤维复合材料
发展与展望
Development
天然纤维复合材料已经展现出 其良好的应用潜力。亚麻、大 麻和苎麻等植物纤维具有非同 一般的力学性能。国内外已经 广泛开展生物质复合材料的研 发，其应用也正在快速发展。 从原料到产品均有诸多优势的 自然纤维增强热塑性复合材料， 已经开始部分取代合成纤维复 合材料和木塑材料，发展前景 广阔
解决界面相容性： 碱化处理、硅烷处理、高锰酸盐处理、 过氧化物处理、机械加工、蒸汽爆破技 术
提高力学性能： 杂交——采用射线法和电渗析法进行杂 交，提高了抗弯强度，降低了吸水性能。 将天然纤维和玻璃纤维与优化的多孔结 构形式相结合，可以使天然复合材料与 传统结构材料竞争
为了控制纤维的质量多变性， 确保纤维不因其不均匀性和 尺寸变异性导致生产批次之 间力学性能的巨大差异，保 证纤维质量一致是必须的、
力学性能及耐久性
大多数“半绿色”或“绿色”复合材料的最 大抗拉强度和刚度在100-200 MPa和1 - 4 GPa范围内，太低不能用于主要的承重部件 除了粘附性问题，天然复合材料的长期耐久 性也是一个主要问题
1
2
存在的 问题
3
4
耐火性
纤维增强聚合物复合材料在高温 下容易失去强度和刚度
多变性
纤维的可变性会导致天然纤维增 强塑料的许多问题，特别是当其 将被用作主要的结构部件时。 纤维的可变性包括纤维质量的可 变性及其价格的可变性
目录
Contents
01
原材料
Raw material
02
问题
Disadvantage
03
工艺
rocess
04Biblioteka 前景Prospect01
原材料
自然纤维+热塑性树脂
自然纤维根据纤维的来源不同，植物纤维主要 可以被分为韧皮纤维、叶纤维和种毛纤维三类
自然纤维
苎麻
最长的麻类纤维，纤维木质化程 度很低，拉伸强度高，韧性、导 热性、通气性和抗菌能力良好
需求与应用
Requirements and applications
结构加固
汽车工业
我国在二十世纪七八十年代建造了大批钢筋混 凝土结构厂房和公建、办公楼。这些房屋使用至今 也有三十四十年的历史，由于使用维修不当或者建 造质量原因，许多房屋存在这样或那样的问题，有 些相当严重，危及结构安全。当前在面对这些问题 时往往对建筑拆除重建，但相当一部分建筑只要花 少量的投资来维修、加固就可以恢复其承载力，确 保安全使用。纤维增强复合材料因其优异的力学及 物理、化学特性，作为加固材料时具有巨大优势。
未来的研究应该继续提高天 然纤维复合材料的力学性能 和耐久性。通过合适的化学、 机械和生物方法处理而加强 纤维和聚合物基质之间的粘 结性，依然是自然纤维复合 材料的研究重点。继续发挥 其优点改善其缺点，将有望 成为建筑行业、汽车产业等 市场需求量巨大的工业原料
Thank you for reading
与热固性树脂基复合材料相比，多数情况下， 热塑性复合材料具有高韧性、高抗冲击和损 伤容限、挤出和注塑成型周期短、生产效率 高、易修复焊接、可回收再利用等众多优点
热塑性树脂
树脂基体与自然纤维增 强材料两类材料组合， 共同构成麻纤维增强树 脂基复合材料，简称自
然纤维复合材料
02
问题
由于天然纤维的力学性能较差，抗湿性较差， 其应用往往局限于室内和非结构性构件
随着社会经济的迅猛发展，化石能源的逐渐消耗，环境保护这一重大问题日 渐突出，绿色和可持续发展已然成为时下最新的发展方向。为此，诸多国家 已经制定了相应的一系列政策来推进绿色与可持续发展。显然，传统的人造 合成纤维是无法满足绿色与可持续发展要求的。为满足发展与环境相融合的 要求，开展应用可再生性材料，以自然纤维代替人造合成纤维作为复合增强 材料的基材用于工程，开始越来越受到人们的青睐。2003 年，大约有 4.3 万吨的植物纤维被欧盟制作用于复合增强材料[1]。到了 2010 年，植物纤维 的应用达到 31.5 万吨，是所有复合增强材料总量的 13%
另外，自然纤维可能存在价 格可变性的问题，克服这种 不可靠性的最好方法是在不 同的区域种植多种类型的纤 维
提高耐久性： 使用合适的涂层和某些类型的纤维改性 (漂白、碱化或硅烷)可以减缓风化的影响
03
复合工艺
目前，麻纤维复合材料的制备工艺主要参照木塑复合材 料的 3 种工艺路线，主要用到混合机、粉碎机、干燥机、 开炼机、密炼机、注射机、硫化机、挤出机等机械设备
使用自然纤维存在的问题
Problems in using natural fibers
亲水性
所有天然纤维都具有亲水性。它们吸收或释放 水分取决于外部的环境条件。在耐久性复合材 料中应用天然纤维,一个主要的限制条件就是高 吸湿性和低稳定性。纤维吸水后的膨胀可导致 复合材料的微裂纹,降低材料的机械性能
自然纤维增强复合材料
——新型绿色可再生材料
前言
introduction
基体与纤维增强材料两类材料组合构成的材料为纤维增强（树脂）复合材料
近年来，纤维增强复合材料，即 FRP(Fiber Reinforced Polymer/Plastic)， 因其轻质高强、耐腐蚀、施工方便等优异性能逐渐为工程界所认可，同时其多 种形式的应用迅速在各类土木结构工程发展开来。如今工程结构当中常用的 FRP 材料主要是聚合物 基 体嵌入 人造纤 维形成 的复合材料，例如如碳纤维 增强复合材料（CFRP）、芳纶纤维增强复合材料（AFRP）和玻璃纤维增强复 合材料（GFRP）。
应用前景
Prospects for the application
经济
几年来，建筑材料的成本一直在 急剧上升。建筑材料占总造价的 60-75%;这种成本可以通过有效 利用当地种植的原材料来降低。
天然复合材料的发展很大程度上 是由于环境意识的提高、废物处 理问题以及石化资源的枯竭
社会 环境
环境