四种常用FRP材料特性及其应用现状

欧盈

摘  要：FRP是一种高性能复合材料，是当下土木工程领域中一个新的热点研究内容，本文就四种常用FRP的材料特性及其应用现状进行简要介绍。

关键词：CFRP;GFRP;BFRP;AFRP

纤维增强复合材料（FRP）是由高性能纤维与基体材料根据一定比例混合，并经过一定工艺复合而成的一种新型复合材料，具有轻质、高强、耐久性好、耐腐蚀性好、可设计性强等优点，广泛应用于航空、航天、船舶、汽车、化工、医学和机械等领域。近年来，FRP依靠其自身的优异性能，在土木工程领域备受关注，已成为结构加固和修复工程中使用的重要材料之一，多应用于混凝土构件，也可用作其他复合材料中的增强体。常用的FRP包括碳纤维增强复合材料（CFRP）、玻璃纤维增强复合材料（GFRP）、玄武岩纤维增强复合材料（BFRP）和芳纶纤维增强复合材料（AFRP）。

1 CFRP

碳纤维增强复合材料（CFRP）是以碳纤维为主要成分，树脂为基体材料，通过将碳纤维单向排列并按一定成型方法形成的复合材料，具有质量轻、抗拉强度高、耐久性好、耐腐蚀性强、施工简便等特点。其抗拉强度约为3400MPa，弹性模量介于2.3×105 MPa～3.9×105MPa 之间[1]。与钢材相比，CFRP的弹性模量高于钢材，其抗拉强度约为钢材的10倍，比强度可达钢材的20倍，但重量仅约为钢材的1/5。同时，CFRP具有较好的疲劳性能，疲劳极限约为静荷强度的70%～80%[2]。

CFRP因其优异的性能，在宇航工业、航空工业、交通运输以及土木建筑方面得到了广泛应用。在建筑工程中，CFRP的应用形式包括CFRP布、CFRP板、CFRP筋等。CFRP布因其材质轻巧，外观效果及力学性能好，在加固与修复工程中备受青睐，主要用于构件受拉区，承受拉应力，多用于钢筋混凝土梁、板、柱的加强加固，可大幅度提高其承载能力。在混凝土结构中，CFRP筋可代替钢筋作为加强材料，解决钢材易锈蚀这一问题。与其他FRP材料相比，CFRP的综合性能较好，但价格相对昂贵，从而在一定程度上限制了这种材料的应用与发展。

2 GFRP

玻璃纤维增强复合材料（GFRP）是以玻璃纤维为增强材料，树脂为基体材料形成的高性能复合材料，具有比强度高，质量轻，耐腐蚀性好，成型和可设计性好及透光性好等优点[3]。其强度一般可达到1130MPa，密度为1.5g/cm3～2.0g/cm3，线膨胀系数和混凝土相似，应用于混凝土结构中时，与混凝土之间工作协同性好，施工便捷。与其他纤维材料相比，GFRP总体性能优良，在价格上也具有一定的优势，但GFRP的热稳定性、抗高温性能和抗碱性相对较差[1]。

GFRP因其自身的优良性质，在建筑工程领域中有着广泛的应用，可作为建筑结构的受力构件，应用于梁、柱、基础、楼板等部位。加上其自身耐腐蚀性能良好，可代替混凝土结构中的钢筋工作，避免因锈蚀造成的结构损坏问题。GFRP在混凝土梁和柱的加固中的应用也较为广泛，可提高梁、柱的刚度与极限承载能力。又因GFRP的质量较轻，承载力大，保温隔声效果好，也常被用作高层框架结构中的墙体材料。除此之外，利用GFRP制成的透光材料还可取代玻璃应用于建筑物的采光部位。在门窗及室内装修工程中，GFRP制作成的构件性能优良，同时兼具美观与耐用两个突出优势，符合社会节能环保发展趋势[3]。

3 BFRP

玄武岩纤维增强复合材料（BFRP）是以火山岩为原料，再经1450℃～1500℃高温煅烧后，经过合金拉丝漏板加工制作而成的复合材料，外观颜色为深棕色[1]。与其他纤维材料相比，BFRP的力学性能优异，纤维强度约为高强度CFRP的2/3，高于GFRP和AFRP，具有良好的耐久性、耐腐蚀性、抗疲劳性和绝缘性，吸湿性低。而BFRP又是采用玄武岩矿石作为原材料，玄武岩矿石属于天然岩石，分布范围广，数量大，便于开采且价格低廉，以此加工制得的BFRP价格相对较低，更加的经济，绿色环保[4]。

BFRP作为一种性能优异的绿色环保材料，在建筑、航空航天、化工、海洋、生物医学、农业、军工等领域中应用广泛。与其他增强纤维相比，BFRP性价比较高，具有很大的市场竞争优势。如今，在建筑结构的加固补强中，作为加固补强材料，BFRP是CFRP、GFRP的首选替代品，常用BFRP代替价格相对昂贵的CFRP用作混凝土中的增强材料。

4 AFRP

芳纶纤维增强复合材料（AFRP）是一种高性能合成纤维，其强度高，弹性模量高，耐热性能好，具有较好的绝缘性，同混凝土间的工作协同性好，施工工艺便捷[5]。

AFRP因其比强度高、比模量高、耐疲劳性、耐烧蚀性以及抗冲击性好，在航天航空领域中应用较多。将AFRP用作宇航和火箭的结构材料，可减轻结构重量，节省燃料，推动武器装备的轻量、高性能发展。在防弹体系中，AFRP质量较轻，具备较高的抗张拉强度和较高的比模量，对子弹冲击能量的吸收能力很强，是制备防弹制品的一种较理想材料。在电子通讯领域上，AFRP可以满足电子产品对制作材料介电性能、绝缘性、强度、耐久性、耐腐蚀、抗冲击性等方面的要求，现已使用在卫星天线支撑结构、印刷电路板基板中。AFRP在体育器材上也有着广泛的应用，能满足越来越高要求体育器材的需要，可使用在賽艇艇身、帆板板体、曲棍球棒、高尔夫球棒、羽毛球拍、标枪、弓箭、雪橇等体育器材中，是未来体育器材产业方面的一大主流[6]。

5 结论与展望

FRP作为一种高性能材料，能够弥补传统材料性能上的不足，显示出良好的经济效益，在工程上的应用必将越来越广泛。但FRP在工程应用中的灵活性较强，在实际工程中选用FRP材料时应充分考虑材料性质、应用条件、综合性价比等因素，充分发挥出FRP材料的作用效应。如今，有关FRP的研究仍十分欠缺，若要促进其在土木工程中的发展与应用，还需要对其材料性能及与其他材料复合后的性能进行更进一步的探索。

参考文献

[1]  苗延佟.四种纤维复合加固材料性能对比分析[J]. 山西建筑，2016，42（07）：123-125.

[2]  王兰彩.纤维增强复合材料（FRP）特性[J].山西建筑，2011，37（08）：106-108.

[3]  王娣. GFRP在建筑中的应用与发展[J]. 绿色环保建材，2016（10）：160.

[4]  王子豪.玄武岩纤维增强复合材料（BFRP）基本性能及其应用研究[D].江苏：东南大学，2013.

[5]  匡妍艺.芳纶纤维加固钢筋混凝土梁界面剥离破坏机理分析[D].华南理工大学，2012.

[6]  赖娘珍，王耀先.芳纶纤维增强复合材料研究进展[C]//第十八届玻璃钢/复合材料学术年会论文集.2010.