轻量化设计：纤维塑料复合物用于构件

纤维塑料复合物在现今的很多工程应用中占据主导地位。即使是在更高的温度下，很多热塑性塑料与热固性塑料现有的轻量化性能（特别是刚度和强度）也可通过纤维置入（天然纤维、有机纤维与无机纤维）加以显著改善，强化方式为：

●在玻璃、碳或有机聚酰胺（Kevlar）的基体中的短纤维或者长纤维。

●网、毡、纱、布（带）。

可采用以及最多采用的基体材料为：

●热塑性塑料：聚丙烯（PP）、聚酰胺（PA）、聚对苯二甲酸乙二酯（PET）、聚苯撑硫（PPS）、聚醚醚酮（PEEK）、聚砜（PSU）。

●热固性塑料：聚酯树脂（UP）、环氧树脂（EP）、乙烯基树脂（VE）、苯酚树脂（PF）。

填充物的排列可以是有序的（单向、双向、三向），也可以是无序的；生成的材料的行为可以是可控的，也可以是不可控的各向异性行为。

根据增强技术的不同，基体材料的强度（图6-9）可提高1～2个数量级。不过，由于植入了较脆的加强物，复合材料的韧性反而低于基体材料的韧性。基体和纤维之间的粘合决定了复合材料的力学性能。粘合必须完整，以使得基体和纤维均匀地承受力。这种方式确定了复合材料的承载机理，即纤维承受了主要的力。长纤维的单一方向排布可根据载荷的情况分为：纤维与基体平行的并联方式，或者纤维垂直于基体的串联方式。对于多层纤维塑料复合材料来说，单一层为基本元素。复合材料必须作为均匀、各向异性的连续体加以考察，承受两个轴的应力载荷。

图6-9 纤维塑料复合材料的力学性能

6.8.1.1玻璃纤维增强塑料（GFK）

工程上应用最广泛的复合材料是树脂与玻璃纤维的合成物[TAP 75]。在该复合材料中，纤维与基体的作用分工明确。

●玻璃纤维确定了复合物的强度、刚度、伸长率和热膨胀性能；纤维方向则确定了这些参数的方向关联度。玻璃纤维本身是各向同性的。可供应的质量等级为：E=电子的，R=阻抗，S=强度，C=化学稳定，D=透明。

●树脂确定的材料性能则有：高温抗变形能力、抗潮湿能力、抗衰老能力与裂纹形成极限。通常采用热固性塑料（UP、EP、VE、PF）。

聚酯树脂价格便宜，易于加工。在振动很大的情况下，会由于产生很强的自应力而导致失效，但是它的耐热性很好。环氧树脂的性能则正好相反，价格高，但动态特性很好。乙烯基树脂的性能在二者之间，但具有更高的化学稳定性（划艇制造、容器）。苯酚树脂的优点则是不易燃。

表6-9给出了单一件的性能特征值。玻璃增强纤维层合板的力学性能特征值的大小首先取决于玻璃纤维含量，但强度并不是可任意增加的，因为更高的玻璃纤维含量只能通过更强的密封来实现，但是，交叉排布的玻璃纤维在更高的压力下存在被破坏的危险，从而导致复合材料的强度下降。玻璃增强纤维材料有效增强的纤维含量极限为：毡层压板约35%，纺层压板约50%，粗纱层压板约75%。

表6-9 树脂与玻璃纤维的力学性能值

6.8.1.2 碳纤维增强塑料（CFK）

碳纤维增强复合物主要用环氧树脂作为基体材料，因为环氧树脂可生成最好的表面粘合。对玻璃纤维增强复合材料来说，则主要采用聚酯树脂，其优点是更高的力学性能、更低的吸水性、更高的化学稳定性与热稳定性。表6-10给出了两种材料的推荐值。

表6-10 树脂与碳纤维的力学性能值（PAN基体）

生产中采用的纤维材料有[FUN 01]：(www.xing528.com)

●以聚丙烯酸为基础的碳纤维，即所谓的PAN纤维（HT、IM、HM、UHM），90%以上的碳纤维增强材料采用这种纤维。

●以中间相沥青为基础的碳纤维，应用于要求较低的场合。

用得最广泛的碳纤维是HT纤维，因为与高模数纤维相比，HT纤维的价格相对低廉。IM纤维则提供了一个很好的解决方案。与HT纤维相比，IM纤维具有更高的刚度和更高的延伸能力；与高模数纤维（HM）相比和超高模数纤维（UHM）相比，IM纤维的价格则低很多。

6.8.1.3 芳纶纤维增强塑料（AFK）

芳纶纤维增强塑料（Kevlar）的增强能力来自于有机化学纤维（芳香聚酰胺）。芳纶纤维的纤维强度介于玻璃纤维与碳纤维之间，其力学性能特别突出的地方在具有很好的伸长率、最小的体积质量同时还有相对高的抗拉强度（表6-11）。芳纶纤维增强塑料用于对冲击韧性、材料阻尼与磨损要求特别高的场合。

表6-11 芳纶纤维的力学性能（LM=低模数纤维/HM=高模数纤维）

6.8.1.4 复合强度

采用纤维塑料复合物可以用单一层构成高性能结构。由方向性的单一层生成载荷优化的层压板，在此基础上构成纤维复合结构，如图6-10所示。

图6-10 复合结构的制造步骤[DEG09]

a）材料复合 b）单向单层 c）多向层合板 d）结构件

表6-12列出了层合板的一些性能，主要用于玻璃纤维、碳纤维和芳纶纤维中的值只适用于图示的复合方式与纤维含量ϕ_F≈0.55。

表6-12 根据Puck（卡塞尔）试样实验确定的纤维层合板的特征值

注：UD=单向，BD=双向，TD=三向

与有色金属相比，由于复合材料的价格较高，应用受到限制。

- 标准玻璃纤维塑料（置入短纤维的聚酯树脂，约25%～30%纤维）≈5～10€/kg

- 玻璃纤维塑料（置入纤维网的环氧树脂，25%～30%纤维）≈8～12€/kg

- 碳纤维塑料（置入长纤维织物的环氧树脂，40%～50%纤维）≈50～100€/kg

- 芳纶纤维塑料（置入长纤维织物的环氧树脂，40%～50%纤维）≈30～80€/kg

由于热固性塑料面临回收问题，如今工业界多采用玻璃织物强化的热塑性塑料（GMT）[聚酰胺（PA）、聚对苯二甲酸乙二酯（PET）、聚对苯二甲酸丁二酯（PBT）]，以及长纤维增强的热塑性塑料或者Organo板。