[科普中国]-纤维增强热同性塑料

纤维增强热同性塑料是以纤维为增强材料、树脂为基体由材料，并掺加辅助剂，经拉拔成型和必要的表面处理形成的一种新型复合材料，树脂主要起粘结作用。

增强纤维分类常用的增强纤维有玻璃纤维、碳纤维、塑胶等。作为纤维增强材料的还有硼纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维和芳纶纤维等。土木工程领域常用的FRP材料主要有；碳纤维增强聚合物复合材料( CFRP)、玻璃纤维增强聚合物复合材料(GFRP)、芳纶纤维增强聚合物复合材料( AFRP)。1

举例玻璃纤维增强塑料玻璃纤维增强塑料（GFRP，也称玻璃钢），是由合成树脂和玻璃纤维或其织物经复合工艺、制作而成的一种用途广泛的复合材料。它具有玻璃般的透明性或半透明性，又具有钢铁般的高强度而得名。如用玻璃纤维去增强热塑性塑料，可称为热塑性玻璃钢；如用玻璃纤维增强热同性塑料，就叫做热同性玻璃钢。目前生产的玻璃钢主要指热同性而言。1

性能特点玻璃钢有两大优点：一是玻璃钢的密度小，强度大，比钢铁结实，比铝轻，比重只有普通钢材的1/4~1/16，而机械强度却为钢的3~4倍；二是玻璃钢具有瞬间耐高温特性；是具有良好的耐酸碱腐蚀特性及不具有磁性。另外，玻璃钢容易着色，能透过电磁波等特性；玻璃钢的强度可以用钢筋混凝土作比喻。在钢筋混凝土中，承受外力的主要是钢筋，但混凝土却是不可缺少的，它将钢筋粘结为一个整体，不但赋予建筑构件以一定的外形，而且增加了强度。在玻璃钢中，玻璃纤维的作用犹如钢筋，而合成树脂则起着胶结的作用，两者的结合使玻璃钢具有惊人的强度。1

成型特点玻璃钢产品可以根据不同的使用环境及特殊的性能要求，自行设计复合制作而成，因此只要选择适宜的原材料品种，基本上可以满足各种不同用途对于产品使用时的性能要求，因此，玻璃钢材料是一种具有可设计性的材料品种。

玻璃钢的成型工艺方法有多种，最简单的是手工糊制方法，其他方法有模压工艺成型方法，经过专门设计、专业制造的纤维缠绕成型方法；综合注射、真空、预成型增强材料或预设垫料的模塑方法达到制品高性能指标、由计算机进行程序控制的先进的自动化成型方法，玻璃钢产品制作成型时可一次性完成。

只要根据产品的设计，选择合适的原材料铺设方法和排列程序，就可以将玻璃钢材料和结构一次性地完成，避免了金属材料通常所需要的二次加工，从而大大降低产品的物质消耗，减少人力和物力的浪费。

玻璃钢成型温度低，节约能源。若采用手工糊制的方法，其成型时的温度一般在室温下，或者在100℃以下进行，其成型温度远低于金属材料，及其他的非金属材料，因此其成型能耗可以大幅度降低。1

用途纤维增强热固性塑料的用途如下：用量最大的是玻纤增强不饱和聚酯树脂，其次是玻纤或碳纤及其他纤维增强的环氧树脂、改性酚醛树脂等。主要用途有：

（1）用于比强度比模量方面：玻纤增强塑料的高压容器、螺旋浆,汽车保险杠壳体、叶片；碳纤维增强塑料的飞机机翼、起落架、压气机叶片、汽车驱动轴、片弹簧、分离轴的高速离心转筒、大型电机护环、纺织机械中的剑杆；硼纤增强环氧树脂用于战斗机的水平稳定器、方向舵、直升飞机的旋翼；硼纤+碳纤，芳香纤纸+碳纤增强塑料用于机翼、水平及垂直稳定器以及航天、飞机上的其他许多零件或部件；

（2）用于高级体育用品中需要高强度、高模量的制品：网球拍、撑杆跳用杆、赛车、赛艇、雪橇、高尔夫球棍、钓鱼竿等；

（3）用于耐腐蚀方面：泵、阀、风机、管道、管配件、化工容器、贮槽、酸洗槽、槽车、设备村里、反应塔、吸收塔、过滤器、搅拌器、凉水塔、船体等；

（4）用于仪器仪表、电气电器等绝缘材料、开关、插座、壳体、手柄、印刷线路板电机套环、绝缘板材标准尺；

（5）用于医疗用品：人造关节、X—射线床板；

（6）其他方面：如刮片电瓶壳、汽车方向盘、安全帽、大型水池、烟囱以及浴缸等家庭用品。2

碳纤维增强塑料的性能碳纤维增强塑料( CFRP)是南合成树脂和碳纤维纤维或其织物经复合工艺、制作而成的一种用途广泛的复合材料，与钢材相比，CFRP的主要特点有：

（1）抗拉强度高：CFRP的顺纤维方向抗拉强度远大于普通钢筋，与高强钢丝接近，且在达到抗拉强度之前，几乎没有塑性变形产生。但均匀性较钢材较差，各向异性，抗剪和抗多轴向力强度低，CFRP抗剪强度通常不超过其抗拉强度的10%左右，在将CFRP用作预应力筋及进行CFRP的材性试验时，相应的锚、夹具需专门研制；

（2）抗腐蚀性和耐久性好：CFRP具有很好的抗腐蚀性和耐久性，因而可提高结构使用寿命，尤其用于腐蚀性较大的环境效果更为显著。除了强氧化剂外，一般如浓盐酸、30%的硫酸、碱等对其均不起作用；

（3）自重轻：CFRP密度仅为钢材的25%左右，建筑结构中采用时，施工非常方便，可降低劳动力费用，当用于旧有结构的维修加固时效果更为明显；

（4）热膨胀系数与}昆凝土相近：当环境温度发生变化时，CFRP与混凝土协同工作，两者问不会产生大的温度应力；

（5）弹性模量小：CFRP的弹性模量约为普通钢筋的25%~70%，这样，CFRP混凝土结构的挠度较大和裂缝开展较宽将不可避免；

（6）其他的性能包括：应力一应变曲线呈线性分布；减震性能好，其自振频率很高，可避免早期共振，且内阻很大，若发生激振，衰减快：材料柔软，产品形状几乎不受限制，还可以任意着色，将结构形式和材料美学统一起来。1

碳纤维增强塑料的种类（1）碳纤维增强热同性塑料

热同性塑料是碳纤维增强塑料应用较早的基体材料，它的主要成分是热同性合成树脂，此外还加入一些添加剂二主要包括碳纤维增强环氧树脂、碳纤维增强聚丙烯酞胺树脂、碳纤维增强聚酞亚胺、碳纤维增强聚丙烯酞胺树脂、碳纤维增强酚醛树脂等。

碳纤维增强的热同性树脂主要用于强度和刚性要求较高、而密度要求较小的器械或设备中，用酚醛树脂和碳纤维制成的复合材料可作为宇宙飞行器外表面的防热层、火箭唢嘴等．而碳纤维与环氧树脂制成的复合材料由于强度高，多用于飞机和宇宙飞行器上作为结构材料。

（2）碳纤维增强热塑性塑料

热塑性塑料作为纤维增强塑料的基体，比热同性塑料晚些。由于热塑性塑料只靠加热熔融，不需要制成预成形材料就可以制成复合材料，成形工艺比热同性塑料简单，成形时间短、损坏部分比较容易修补等原因，近年来的应用开发较快。主要有碳纤维增强聚丙烯、碳纤维增强聚甲醛、碳纤维增强聚醚矾、碳纤维增强聚苯硫醚、碳纤维增强聚醚醚酮等。1

本词条内容贡献者为:

张静 - 副教授 - 西南大学