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纤维增强聚合物介绍

来源:http://www.qihongbwcl.com/news662235.html时间:2021-8-9 15:52:00

     

  纤维增强聚合物 (玻璃钢), 还 纤维增强塑料, 是一种复合材料,由纤维增强的聚合物基体制成。纤维通常是玻璃、碳或芳纶,但有时也使用其他纤维,如纸或木材或石棉。聚合物通常是环氧树脂、乙烯基酯或聚酯热固性塑料,酚醛树脂仍在使用中。FRP 通常用于航空航天、汽车、船舶和建筑行业。

  复合材料是由两种或多种具有显着不同物理或化学特性的组成材料制成的工程或天然材料,这些材料在成品结构中保持独立和不同。大多数复合材料在基体中具有强而硬的纤维,而基体较弱且硬度较低。目标通常是制造坚固而坚硬的部件,通常具有低密度。商业材料通常在基于热固性聚合物(例如环氧树脂或聚酯树脂)的基质中具有玻璃或碳纤维。有时,热塑性聚合物可能是优选的,因为它们在初始生产后是可模制的。还有其他类别的复合材料,其中基体是金属或陶瓷。大多数情况下,这些仍处于发展阶段,1 ]。此外,在这些复合材料中,添加纤维(或在某些情况下,添加颗粒)的原因通常相当复杂。例如,可以在蠕变、磨损、断裂韧性、热稳定性等方面寻求改进 [ 2 ]。

  纤维增强聚合物 (FRP) 是几乎所有类型的先进工程结构中使用的复合材料,其用途范围从飞机、直升机和航天器到船只、船舶和海上平台,再到汽车、体育用品、化学加工设备和民用基础设施,如作为桥梁和建筑物。FRP 复合材料的使用继续以令人印象深刻的速度增长,因为这些材料在其现有市场中得到更多使用,并在生物医学设备和土木结构等相对较新的市场中建立起来。近年来推动复合材料应用增加的一个关键因素是开发新的先进形式的 FRP 材料。这包括高性能树脂系统和新型增强材料的开发,例如碳纳米管和纳米颗粒。3 ]。

  纤维增强聚合物复合材料 (FRP) 越来越被认为是对由传统土木工程材料(即混凝土和钢材)构成的基础设施组件或系统的增强和/或替代。FRP 复合材料重量轻、无腐蚀性、比强度和比刚度高、易于构造,并且可以定制以满足性能要求。由于这些优势特性,FRP 复合材料已通过用作混凝土、桥面板、模块化结构、模板和外部加固以进行加固和抗震升级 [ 4 ]中的新建筑和结构修复。

  纤维增强聚合物 (FRP) 增强材料作为钢筋或预应力筋替代品在混凝土结构中的适用性已在世界各地的众多研究实验室和专业组织中得到积极研究。FRP 增强材料具有许多优点,例如耐腐蚀性、非磁性、高拉伸强度、重量轻和易于处理。然而,它们通常在拉伸至破坏(被描述为脆性破坏)时具有线性弹性响应,并且横向或剪切阻力相对较差。它们的耐火性和暴露在高温下的能力也很差。它们在弯曲时会失去显着的强度,并且它们对应力断裂效应很敏感。此外,它们的成本,无论是按单位重量考虑还是基于承载能力,与传统的钢筋或预应力筋相比,它的强度更高。从结构工程的角度来看,FRP 增强材料最严重的问题是缺乏塑性行为和横向剪切强度非常低。这些特性可能会导致肌腱过早断裂,特别是当存在综合效应时,例如在存在销钉作用的钢筋混凝土梁的剪切开裂平面上。销钉作用降低了肌腱中的残余拉伸和剪切阻力。已经提供了解决方案和使用限制,预计未来会不断改进。随着市场份额和需求的增加,预计 FRP 增强材料的单位成本将显着降低。然而,即使在今天,在某些应用中,FRP 加固具有成本效益和合理性。这些案例包括在混凝土结构的修复和加固中使用粘合的 FRP 板或板,以及在薄水泥产品中使用 FRP 网或纺织品或织物。相对而言,修复和修复结构的成本总是大大高于初始结构的成本。维修通常需要相对少量的维修材料,但需要相对较高的劳动力投入。此外,发达国家的劳动力成本如此之高,以至于材料成本成为次要的。因此,修复材料的性能和耐用性越高,修复的成本效益就越高。5 ]。

  当仅考虑能源和材料资源时,从表面上看,在可持续建筑环境中使用 FRP 复合材料的论点是有问题的。但是,需要根据使用 FRP 复合材料中存在的潜在优势来评估这一结论,例如:

  更高的强度

  重量更轻

  更高的性能

  寿命更长

  修复现有结构并延长其使用寿命

  抗震升级

  防御系统

  空间系统

  海洋环境

  就 FRP 复合材料而言,环境问题似乎是其作为可持续材料可行性的障碍,尤其是在考虑到化石燃料枯竭、空气污染、烟雾和与其生产相关的酸化时。此外,回收 FRP 复合材料的能力是有限的,并且与钢和木材不同,结构部件不能重复使用以在另一个结构中执行类似的功能。然而,评估 FRP 复合材料在基础设施应用中的环境影响,特别是通过生命周期分析,可能会揭示比传统材料更具竞争力的直接和间接优势。

  复合材料自问世以来得到了长足的发展。然而,在复合材料可以用作传统材料的替代品作为可持续环境的一部分之前,仍有许多需求。

  复合材料的标准化耐久性表征数据的可用性。

  使用 FRP 复合材料的结构构件使用寿命预测的耐久性数据和方法的集成。

  开发基于结构部件和系统生命周期评估的材料选择方法和技术。

  最终,为了让复合材料真正成为一种可行的替代方案,它们必须在结构上和经济上可行。大量关于复合材料结构可行性的研究在文献中广泛存在。然而,从生命周期方法的角度来看,关于这些材料的经济和环境可行性的研究有限,因为短期数据是可用的,或者在比较中只考虑了经济成本。此外,需要确定使用复合材料的长期影响。需要评估生产的副产品、组成材料的可持续性以及回收复合材料的潜力,以确定复合材料是否可以成为可持续环境的一部分。

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