1、16FRP增強木質(zhì)復合材料增強木質(zhì)復合材料6.1引言引言纖維增強聚合物基（FIBERREINFCEDPOLYMER簡稱FRP）木質(zhì)復合材料是纖維增強聚合物作為增強物增強木材所獲得的性能優(yōu)越的先進工程木質(zhì)復合材料。復合材料同時具備纖維增強體和木材的優(yōu)點。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膠粘劑，膠合成各種形式的結(jié)構(gòu)木質(zhì)復合材料，包括：集成材（glulam）、結(jié)構(gòu)復

2、合材（SCL）、工字梁和結(jié)構(gòu)柵欄。木材還具有高的性價比和強重比。FRP也是一種多功能材料，它由合成纖維和聚合樹脂構(gòu)成，有時又被稱作先進纖維復合物（AFCs）。與木材相比，F(xiàn)RP具有更高的強度和剛度，因此它可用于傳統(tǒng)木質(zhì)復合材料的增強。通過合理的材料結(jié)構(gòu)設(shè)計，增強后的工程木質(zhì)復合材料表現(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增強后，工程木質(zhì)材料的一些性能可以得到提高：●強度或剛度的提高?！窠档筒牧狭W性能的變異

3、性，允許更大的設(shè)計值?！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。●提高材料的耐久性和尺寸穩(wěn)定性。對于用于增強結(jié)構(gòu)用木質(zhì)材料的增強材料的研究已有40多年的歷史。早期的研究主要集中于金屬增強材料，包括：鋼條、預應力鋼絲繩、鋼板以及鋁板等等。使用金屬作為增強物的主要問題是木材和增強材料之間的不兼容性。如，用鋁板增強木梁，當含水率變化幾個百分點時，金屬木材界面便會發(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)金屬增強材料不同，纖維增強聚合物可以作為結(jié)構(gòu)用木質(zhì)材料良好的增強材料。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程也存在相似之處（例如樹脂的固化過程）。因此，如果設(shè)計合理，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)影寰哂凶畲蟮膹姸群蛣偠?。如果纖維是隨機排列

5、的，那么層板平面內(nèi)各個方向上的性能相同。FRP復合材料的性能并不是其組分性能的簡單疊加。樹脂和纖維在性能上互補，多數(shù)樹脂拉伸強度低，但是卻具有很好的粘著性和延展性；細纖維具有很高的拉伸強度高卻易于破壞。以下章節(jié)將詳細介紹常用于FRP制作工藝的纖維和樹脂，不同的FRP編織工藝也會有涉及。6.2.1增強用纖維增強用纖維當一種材料變形成纖維后，它的強度和剛度會比材料呈整體時的強度和剛度提高很多，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度為0.22－0.84106psi（1.5－5.8GPa），而玻璃呈纖維狀時的拉伸強度是10.48106psi（72.3GPa）。增強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)的細絲和不連續(xù)的纖維（碎纖維）。連續(xù)纖維是長纖維，它們在強度和剛度上均達到最大值，這是由于它們的各項異性得到控制，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，如原

7、絲、無捻粗砂或紗線。原絲是同時拉制的略加粘合的無捻單絲束，包含一根以上的纖維。無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)用于復合材料的制造，如機織物、針織物、編織物及氈片。氈片由短切原絲或連續(xù)原絲結(jié)合在一起的非機織薄片狀制品，各方向強度一致。連續(xù)原絲氈片是不斷的將連續(xù)原絲纏繞在移動帶上，再用化學粘結(jié)劑加以固定而成。非連續(xù)纖維（短纖維或短切纖維）

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