6 纖維增強(qiáng)聚合物-木材復(fù)合材料20100118

1、16FRP增強(qiáng)木質(zhì)復(fù)合材料增強(qiáng)木質(zhì)復(fù)合材料6.1引言引言纖維增強(qiáng)聚合物基（FIBERREINFCEDPOLYMER簡(jiǎn)稱FRP）木質(zhì)復(fù)合材料是纖維增強(qiáng)聚合物作為增強(qiáng)物增強(qiáng)木材所獲得的性能優(yōu)越的先進(jìn)工程木質(zhì)復(fù)合材料。復(fù)合材料同時(shí)具備纖維增強(qiáng)體和木材的優(yōu)點(diǎn)。木材是一種多功能結(jié)構(gòu)用材料，可以加工成諸如鋸材、單板、刨花、木片和纖維等不同形態(tài)的木制材料。這些木制材料再通過(guò)膠粘劑，膠合成各種形式的結(jié)構(gòu)木質(zhì)復(fù)合材料，包括：集成材（glulam）、結(jié)構(gòu)復(fù)

2、合材（SCL）、工字梁和結(jié)構(gòu)柵欄。木材還具有高的性價(jià)比和強(qiáng)重比。FRP也是一種多功能材料，它由合成纖維和聚合樹脂構(gòu)成，有時(shí)又被稱作先進(jìn)纖維復(fù)合物（AFCs）。與木材相比，F(xiàn)RP具有更高的強(qiáng)度和剛度，因此它可用于傳統(tǒng)木質(zhì)復(fù)合材料的增強(qiáng)。通過(guò)合理的材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，增強(qiáng)后的工程木質(zhì)復(fù)合材料表現(xiàn)出更好的性能，與傳統(tǒng)工程材料相比，具備許多潛在的優(yōu)良性能。經(jīng)FRP增強(qiáng)后，工程木質(zhì)材料的一些性能可以得到提高：●強(qiáng)度或剛度的提高?！窠档筒牧狭W(xué)性能的變異

3、性，允許更大的設(shè)計(jì)值?！袷沟玫偷炔馁|(zhì)樹種和速生材可用于工程產(chǎn)品?！駵p小木構(gòu)件的尺寸，降低其重量?！裨黾赢a(chǎn)品的韌性、適用性和耐疲勞性能?！裉岣卟牧系哪途眯院统叽绶€(wěn)定性。對(duì)于用于增強(qiáng)結(jié)構(gòu)用木質(zhì)材料的增強(qiáng)材料的研究已有40多年的歷史。早期的研究主要集中于金屬增強(qiáng)材料，包括：鋼條、預(yù)應(yīng)力鋼絲繩、鋼板以及鋁板等等。使用金屬作為增強(qiáng)物的主要問題是木材和增強(qiáng)材料之間的不兼容性。如，用鋁板增強(qiáng)木梁，當(dāng)含水率變化幾個(gè)百分點(diǎn)時(shí)，金屬木材界面便會(huì)發(fā)生剝離。金

4、屬是彈性材料，而木材屬粘彈性材料；另外，兩種材料的吸濕膨脹和剛度差別很大，這易導(dǎo)致膠層的剝離或膠層附近區(qū)域木材的拉伸破壞。與傳統(tǒng)金屬增強(qiáng)材料不同，纖維增強(qiáng)聚合物可以作為結(jié)構(gòu)用木質(zhì)材料良好的增強(qiáng)材料。FRP和木材都是粘彈性材料；另外，兩種材料之間的材料加工過(guò)程也存在相似之處（例如樹脂的固化過(guò)程）。因此，如果設(shè)計(jì)合理，可以將FRP3之單一組分更為有用。將纖維在模具或薄板內(nèi)單方向排列，這樣得到的單向?qū)影寰哂凶畲蟮膹?qiáng)度和剛度。如果纖維是隨機(jī)排列

5、的，那么層板平面內(nèi)各個(gè)方向上的性能相同。FRP復(fù)合材料的性能并不是其組分性能的簡(jiǎn)單疊加。樹脂和纖維在性能上互補(bǔ)，多數(shù)樹脂拉伸強(qiáng)度低，但是卻具有很好的粘著性和延展性；細(xì)纖維具有很高的拉伸強(qiáng)度高卻易于破壞。以下章節(jié)將詳細(xì)介紹常用于FRP制作工藝的纖維和樹脂，不同的FRP編織工藝也會(huì)有涉及。6.2.1增強(qiáng)用纖維增強(qiáng)用纖維當(dāng)一種材料變形成纖維后，它的強(qiáng)度和剛度會(huì)比材料呈整體時(shí)的強(qiáng)度和剛度提高很多，這是由于分子沿纖維方向優(yōu)先取向，和纖維的缺陷減少

6、的原因。例如：E－玻璃鋼整體的拉伸強(qiáng)度為0.22－0.84106psi（1.5－5.8GPa），而玻璃呈纖維狀時(shí)的拉伸強(qiáng)度是10.48106psi（72.3GPa）。增強(qiáng)用纖維的直徑通常為3－20m，與人們頭發(fā)的直徑相仿。它們可以是連續(xù)的細(xì)絲和不連續(xù)的纖維（碎纖維）。連續(xù)纖維是長(zhǎng)纖維，它們?cè)趶?qiáng)度和剛度上均達(dá)到最大值，這是由于它們的各項(xiàng)異性得到控制，表面缺陷少、尺寸小，而且由纖維承載的載荷沿著纖維的方向。連續(xù)纖維通常以纖維束形式供應(yīng)，如原

7、絲、無(wú)捻粗砂或紗線。原絲是同時(shí)拉制的略加粘合的無(wú)捻單絲束，包含一根以上的纖維。無(wú)捻粗砂是平行原絲不加捻而并合的集束體。紗線是單絲或原絲所制的有捻紡織材料。無(wú)捻粗砂是最常見的纖維形態(tài)，可以切斷、編織或再加工成新的形態(tài)用于復(fù)合材料的制造，如機(jī)織物、針織物、編織物及氈片。氈片由短切原絲或連續(xù)原絲結(jié)合在一起的非機(jī)織薄片狀制品，各方向強(qiáng)度一致。連續(xù)原絲氈片是不斷的將連續(xù)原絲纏繞在移動(dòng)帶上，再用化學(xué)粘結(jié)劑加以固定而成。非連續(xù)纖維（短纖維或短切纖維）

8、由無(wú)捻粗砂纖維切得，長(zhǎng)度約為1.5－2.5in（2.81－6.35cm）。長(zhǎng)度與直徑的比值（LD）稱作縱橫比（aspectratio）或長(zhǎng)徑比（slendernessratio）。非連續(xù)纖維的縱橫比對(duì)其增強(qiáng)的復(fù)合材料性能有顯著影響。短切原絲氈片是將非連續(xù)纖維隨機(jī)分布，由樹脂粘合而成。由這些隨機(jī)排列的短切纖維制得的FRP復(fù)合材料在層板平面內(nèi)幾乎各向同性。與連續(xù)纖維復(fù)合材料相比，短切纖維復(fù)合材料強(qiáng)度較低，并且不能像連續(xù)增強(qiáng)物那樣能有效的降低