四種常用FRP材料特性及其應用現(xiàn)狀

歐盈

摘 ?要：FRP是一種高性能復合材料，是當下土木工程領域中一個新的熱點研究內(nèi)容，本文就四種常用FRP的材料特性及其應用現(xiàn)狀進行簡要介紹。

關鍵詞：CFRP;GFRP;BFRP;AFRP

纖維增強復合材料（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)過一定工藝復合而成的一種新型復合材料，具有輕質(zhì)、高強、耐久性好、耐腐蝕性好、可設計性強等優(yōu)點，廣泛應用于航空、航天、船舶、汽車、化工、醫(yī)學和機械等領域。近年來，F(xiàn)RP依靠其自身的優(yōu)異性能，在土木工程領域備受關注，已成為結構加固和修復工程中使用的重要材料之一，多應用于混凝土構件，也可用作其他復合材料中的增強體。常用的FRP包括碳纖維增強復合材料（CFRP）、玻璃纖維增強復合材料（GFRP）、玄武巖纖維增強復合材料（BFRP）和芳綸纖維增強復合材料（AFRP）。

1 CFRP

碳纖維增強復合材料（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合材料，具有質(zhì)量輕、抗拉強度高、耐久性好、耐腐蝕性強、施工簡便等特點。其抗拉強度約為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，其抗拉強度約為鋼材的10倍，比強度可達鋼材的20倍，但重量僅約為鋼材的1/5。同時，CFRP具有較好的疲勞性能，疲勞極限約為靜荷強度的70%～80%[2]。

CFRP因其優(yōu)異的性能，在宇航工業(yè)、航空工業(yè)、交通運輸以及土木建筑方面得到了廣泛應用。在建筑工程中，CFRP的應用形式包括CFRP布、CFRP板、CFRP筋等。CFRP布因其材質(zhì)輕巧，外觀效果及力學性能好，在加固與修復工程中備受青睞，主要用于構件受拉區(qū)，承受拉應力，多用于鋼筋混凝土梁、板、柱的加強加固，可大幅度提高其承載能力。在混凝土結構中，CFRP筋可代替鋼筋作為加強材料，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，但價格相對昂貴，從而在一定程度上限制了這種材料的應用與發(fā)展。

2 GFRP

玻璃纖維增強復合材料（GFRP）是以玻璃纖維為增強材料，樹脂為基體材料形成的高性能復合材料，具有比強度高，質(zhì)量輕，耐腐蝕性好，成型和可設計性好及透光性好等優(yōu)點[3]。其強度一般可達到1130MPa，密度為1.5g/cm3～2.0g/cm3，線膨脹系數(shù)和混凝土相似，應用于混凝土結構中時，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)，在建筑工程領域中有著廣泛的應用，可作為建筑結構的受力構件，應用于梁、柱、基礎、樓板等部位。加上其自身耐腐蝕性能良好，可代替混凝土結構中的鋼筋工作，避免因銹蝕造成的結構損壞問題。GFRP在混凝土梁和柱的加固中的應用也較為廣泛，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構中的墻體材料。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制作成的構件性能優(yōu)良，同時兼具美觀與耐用兩個突出優(yōu)勢，符合社會節(jié)能環(huán)保發(fā)展趨勢[3]。

3 BFRP

玄武巖纖維增強復合材料（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的力學性能優(yōu)異，纖維強度約為高強度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，便于開采且價格低廉，以此加工制得的BFRP價格相對較低，更加的經(jīng)濟，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、農(nóng)業(yè)、軍工等領域中應用廣泛。與其他增強纖維相比，BFRP性價比較高，具有很大的市場競爭優(yōu)勢。如今，在建筑結構的加固補強中，作為加固補強材料，BFRP是CFRP、GFRP的首選替代品，常用BFRP代替價格相對昂貴的CFRP用作混凝土中的增強材料。

4 AFRP

芳綸纖維增強復合材料（AFRP）是一種高性能合成纖維，其強度高，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，在航天航空領域中應用較多。將AFRP用作宇航和火箭的結構材料，可減輕結構重量，節(jié)省燃料，推動武器裝備的輕量、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度和較高的比模量，對子彈沖擊能量的吸收能力很強，是制備防彈制品的一種較理想材料。在電子通訊領域上，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)星天線支撐結構、印刷電路板基板中。AFRP在體育器材上也有著廣泛的應用，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 結論與展望

FRP作為一種高性能材料，能夠彌補傳統(tǒng)材料性能上的不足，顯示出良好的經(jīng)濟效益，在工程上的應用必將越來越廣泛。但FRP在工程應用中的靈活性較強，在實際工程中選用FRP材料時應充分考慮材料性質(zhì)、應用條件、綜合性價比等因素，充分發(fā)揮出FRP材料的作用效應。如今，有關FRP的研究仍十分欠缺，若要促進其在土木工程中的發(fā)展與應用，還需要對其材料性能及與其他材料復合后的性能進行更進一步的探索。

參考文獻

[1] ?苗延佟.四種纖維復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.纖維增強復合材料（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.玄武巖纖維增強復合材料（BFRP）基本性能及其應用研究[D].江蘇：東南大學，2013.

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

[6] ?賴娘珍，王耀先.芳綸纖維增強復合材料研究進展[C]//第十八屆玻璃鋼/復合材料學術年會論文集.2010.