科普:玻璃纖維增強塑料

  玻璃纖維增強塑料——(FRP)俗稱玻璃鋼,是一種以玻璃纖維增強不飽和聚酯、環氧樹脂與酚醛樹脂為基體材料的復合塑料。作為復合材料的一種,玻璃鋼因其獨特的性能優勢,在航空航天、鐵道鐵路、裝飾建筑、家居家具、建材衛浴和環衛工程等等相關行業中得到了廣泛應用。根據所采用的纖維不同,玻璃纖維增強塑料分為玻璃纖維增強復合塑料(GFRP)、碳纖維增強復合塑料(CFRP)和硼纖維增強復合塑料等。它以玻璃纖維及其制品(玻璃布、帶、氈、紗等)為增強材料,以合成樹脂為基體材料。纖維增強復合材料是由增強纖維和基體組成的。纖維(或晶須)的直徑很小,一般小于10微米,是脆性材料,易損傷、斷裂和受腐蝕。基體具有黏彈性和彈塑性,是韌性材料。玻璃纖維增強塑料的相對密度在1.5~2.0之間,只有碳鋼的1/4~1/5,但拉伸強度卻接近甚至超過碳素鋼,強度可以與高級合金鋼媲美。因此,玻璃纖維增強塑料在航空、火箭、宇宙飛行器、高壓容器以及在其他需要減輕自重的制品中應用廣泛。某些環氧玻璃鋼的拉伸、彎曲和壓縮強度甚至能達到400兆帕以上。
  其主要優點包括:耐腐蝕性能好,對大氣、水和一般濃度的酸、堿、鹽以及多種油類和溶劑都有較好的抵抗力,已被應用于化工防腐的各個方面,正在取代碳鋼、不銹鋼、木材、有色金屬等;介電性能好,是優良的絕緣材料,可用來制造絕緣體,高頻下仍能保持良好介電性;熱性能良好,熱導率低,室溫下為1.25千焦/(米?時?開)~1.67千焦/(米?時?開),只有金屬的1/100~1/1000,是優良的絕熱材料,在瞬時超高溫情況下是理想的熱防護和耐燒蝕材料,能保護宇宙飛行器在2000℃以上承受高速氣流的沖擊;可設計性強,可充分選擇多種材料來滿足不同產品的特性,如可以設計成耐腐的、耐瞬時高溫的、產品某方面,有特別高強度的、介電性特別好的等各種類型;工藝性優良,可根據產品的形狀、技術要求、用途及數量來靈活地選擇成型工藝;工藝簡單,可以一次成型,尤其是對形狀復雜、不易成型、數量少的產品來說,其工藝更顯優越。
  當然它有一定缺點,主要包括:彈性模量小,彈性模量比木材大兩倍但比鋼小,因此產品剛性不足、容易變形,但可以做成薄殼結構或夾層結構,也可通過高模量纖維或做加強筋等形式來彌補;長期耐溫性差,FRP一般不能在高溫下長期使用,通用型聚酯FRP在50℃以上時強度就會明顯下降、一般只在100℃以下使用,通用型環氧FRP在60℃以上時強度有明顯下降,但可以選擇耐高溫樹脂,使其長期工作溫度保持在200℃~300℃之間;層間剪切強度低, 層間剪切強度是靠樹脂來承擔的,所以很低。可以通過選擇工藝、使用偶聯劑等方法來增強層間黏結力,在產品設計時應盡量避免層間受損。
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