了解纤维增强塑料
今天，由于纤维增强塑料的各种特性，它们在产品和应用中的使用率非常高。它们是相对较新的一类非腐蚀性、高强度、轻质材料。主要成分是塑料，其中包含玻璃（在玻璃纤维中）、碳（在碳纤维增强聚合物中）、芳纶或玄武岩等纤维。其他纤维如纸、木头或石棉也有使用，但并不常见。
纤维增强塑料或聚合物 (FRP) 常用于航空航天、汽车、船舶和建筑行业。所有这些都将在本文中进一步解释。
今天我们将深入了解纤维增强塑料的定义、应用、成分、性能、类型、成型工艺和材料要求。我们也会了解它们的优缺点。
什么是纤维增强塑料？
纤维增强塑料 (FRP)，也称为纤维增强聚合物，属于复合塑料，专门使用纤维材料以机械方式增加塑料的弹性和强度。它们由聚合物基质组成，这是原始塑料（通常坚韧但脆弱）。该材料与增强材料混合以产生具有所需材料或机械性能的最终产品。让我们来详细了解一下！
通常，聚合物通常通过聚合或加聚过程形成。它可以与各种试剂结合以增强或增加其材料性能，然后可以将其称为塑料。复合塑料是由两种或多种具有不同材料性能的均质材料制成的塑料类型，以获得具有某些所需材料和机械性能的最终产品。复合塑料的一个很好的例子是纤维增强塑料，因为纤维材料用于机械增强塑料的强度和弹性。聚合物通常是乙烯基酯，或聚酯热固性塑料，环氧树脂、酚醛树脂也有使用。
纤维增强塑料的应用
以下是玻璃钢在各个领域的应用。
汽车行业
纤维增强塑料已成为现代豪华汽车车身以及卡车和拖车车身壁板的金属替代品。这是因为它们的强度几乎相同，但重量不同，而且高强度重量比是汽车行业的圣杯。 FRP 具有比钢更高的断裂点，并且是坚固、坚硬和轻质的材料，可在提高速度的同时改善燃料消耗。该材料很容易成型以形成所需的组件。这种复合塑料在该领域的利用率非常高。
一种纤维增强塑料，如玻璃 FRP，用于发动机部件，如进气歧管。这减少了多达 60% 的重量并简化了设计。虽然与碳 FRPs 相比，玻璃 FRPs 较弱且容易弯曲。
消费品
今天在我们的日常生活中，举重装备变得更加容易，尤其是对于运动员而言。这是因为碳和其他纤维增强塑料用于制造商品。几乎 6% 的 FRP 被用于生产消费品。其他物品，如乐器或其部件、枪支、野营帐篷和相机三脚架也受益于这些材料。
防护装备
当在 FRP 中使用称为芳纶的化合物时，会产生极高的耐热性和抗冲击性材料。使用时获得卓越的机械强度。这就是为什么它非常适合制作防弹和防火服、防爆车辆和结构。
建筑业
建筑领域已经占用了包括桥梁和道路在内的纤维增强塑料的20%左右。 FRP 在建筑中的应用可用于改造现有结构的板、柱或梁。这增强了它们的承载能力或修复损坏。纤维增强塑料在装备承载远大于设计承受载荷的旧结构时具有极高的成本效益和实用性。
FRP 还用于制造公路结构，如招牌、护栏、排水系统和桥面。汽车天桥、电线杆以及燃气、水和污水管道也利用了这种材料。 FRP 可能非常适合建造预制房屋，但它广泛用于家庭和商务办公家具、家用电器、游泳池、雨水槽、浴室设备以及管件和罩。
电力行业
预计，在工业和能源应用中对 FRP 的需求预计将增长 300% 以上。尤其是电子电器元件。
大多数 FRP 是良好的电绝缘体，可耐受包括腐蚀性化学品在内的恶劣环境化学物质，可抵抗因热引起的降解。此外，它们相对不易燃，具有良好的结构完整性，甚至可以耐受紫外线辐射。 Glass-FRP 是非磁性的，还可以抵抗火花，因此可用于电力元件。
最后，增强塑料用于制造风力涡轮机叶片和储气罐的存储模块。
航空航天应用
由于降低环境成本和进一步发展，FRP在航空航天领域的应用正在增加。 FRP 中的碳纤维可减轻 25% 的重量，但与铝板相比，可确保相同或更高的强度。它们具有良好的抗拉强度，可以承受恶劣的环境和极高的温度。虽然，它们受热膨胀很小，并且具有很高的刚度。
FRPs在航空航天工业中的应用最初是昂贵的，但由于对油耗、行程长度和成本、空气动力安全等的影响，每增加一克重量都会让人不情愿地节省更多的钱。
使用碳-FRP 可以轻松成型复杂零件，将零件数量减少 95%。与钢或铸铝等其他材料相比，这使得生产更简单、更便宜、更快。现代巨型飞机由超过 50% 的碳 FRP 制成，高端无人机上的直升机旋翼叶片等部件也越来越多地使用这种材料。
海洋基础设施
纤维增强聚合物已成为木材、船舶或海洋滨水环境中的理想替代品。这有助于减轻结构重量并提高耐腐蚀性。其他应用包括海上基地和滚桥的浮动堤道和平台。
复合材料的成分
以下是构成纤维增强塑料的成分。
纤维：
选择的纤维通常控制复合材料的性能。建筑中使用的三种主要纤维类型包括碳纤维、玻璃纤维和芳纶。它通常以增强纤维命名，例如碳纤维增强聚合物的CFRP。区分纤维类型的最常见和最重要的特性是拉伸应变和刚度。
矩阵
基质可以在纤维之间传递力，并保护它们免受有害影响。热固性树脂几乎专门用于这种情况。最常见的基质是乙烯基酯和环氧树脂。出色地。环氧树脂通常比乙烯基酯更受青睐，但成本也更高。环氧树脂基质在 20 摄氏度下的适用期约为 30 分钟，但可以通过不同的配方进行更改。具有良好的强度、粘结性、蠕变性能和耐化学性。
图 2：Fiber Plus Matrix 生产 FRP
此外，没有纤维增强的原始塑料材料被称为基质或粘合剂。这种基质是坚韧的，也是相对较弱的塑料，由更强硬的增强细丝或纤维增强。增强纤维塑料的强度和弹性水平取决于基体和纤维的机械性能。还考虑了它们相对于彼此的体积，以及基质内的纤维长度和方向。当 FRP 材料的强度或弹性相对于基体本身的强度和弹性增加时，基体的增强就发生了。
纤维增强塑料的共同特性
如前所述，纤维增强塑料的特性取决于基体和纤维的机械性能等因素。两者的体积及其长度，以及基质中纤维的取向。
FRP 之所以被广泛考虑是因为它们重量轻但非常坚固，并且具有良好的疲劳性。此外，它的影响和压缩特性是一个独特的原因。这就是为什么汽车行业能够用更轻的材料代替金属，不仅使汽车更坚固，而且更快、更省油。
纤维增强塑料还表现出独特的电气性能和高等级的耐环境性，以及良好的隔热性、结构完整性、耐火性、紫外线辐射稳定性以及耐化学品和耐腐蚀性。嗯，以上都提到了。
材料要求或常用纤维材料
以下是用于获得特定类型增强聚合物的纤维。
玻璃：
作为良好绝缘体的玻璃与基体结合形成玻璃纤维或玻璃增强塑料。用玻璃增强的塑料对电力行业有利，因为它们没有磁场并且可以抵抗电火花。它们被整合到发动机进气歧管中，与铸铝歧管相比，它们的重量减轻了 60%。最后，这些材料的表面质量和空气动力学性能得到了改善。
玻璃 FRP 还用于汽车的油门和离合器踏板，因为它们可以模制成一个单元。纤维的定向方式使其能够承受特定的应力，从而提高耐用性和安全性。然而，这些增强材料不像碳纤维增强材料那样坚固、坚硬或易碎。生产起来可能很昂贵。
碳
碳纤维材料具有高拉伸强度、耐化学性、刚度和耐温性。碳原子形成沿着纤维轴的晶体，这有助于通过增加强度与体积比来强化材料。如前所述，碳纤维增强塑料用于体育用品、滑翔机、钓鱼竿等。
碳 FRP 已被纳入空中客车 A310 的方向舵中，这有助于将其部件数量减少 95%。简单的成型零件降低了生产成本和运营成本。它们现在比用铝板生产的轻 25%，这使得它们更省油。
芳纶
芳纶被归类为由芳族单体（环状分子）形成的合成聚酰胺。这证明了强大的耐热性，这就是它们被用于防弹和防火服装的原因。
芳族聚酰胺通常通过胺基和羧酸卤化物基团（芳族聚酰胺）之间的反应制备。当芳族聚酰胺从液态浓硫酸纺成结晶纤维时，就会出现这种情况。然后将纤维纺成更大的线，编织成大绳索或机织织物。芳纶纤维可根据强度和刚度制成不同等级，从而满足特定的设计要求，例如在制造过程中切割坚韧的材料。
纤维增强聚合物 (FRP) 的类型
以下是纤维增强聚合物的主要类型。
玻璃纤维增强聚合物 (GFRP)
玻璃纤维由硅砂、石灰石、叶酸和其他一些微量成分混合而成。将该混合物加热至约 1260 0 熔化 C. 让熔融玻璃流过铂板上的细孔。玻璃丝被冷却、聚集和缠绕。然后可以拉伸纤维以增加它们的尺寸强度。然后将其编织成各种形式用于复合材料。
玻璃生产的纤维被认为是基于铝石灰硼硅酸盐组合物的聚合物基复合材料的主要增强材料。这是因为它们具有高电绝缘性能、高机械性能和低敏感性。
一般来说，玻璃是一种良好的抗冲击纤维，但比碳或芳纶重。玻璃纤维在某些形式上具有与钢相当或优于钢的优良特性。
玻璃纤维增强聚合物棒
碳纤维增强聚合物（CFRP）
在碳纤维增强聚合物或塑料中，大约 200-800 GPa 的高弹性模量是确定的。极限伸长率为0.3-2.5%，伸长率越低，刚度越大，反之亦然。
碳纤维耐许多化学溶液，不吸水。它们还可以很好地承受疲劳，既不腐蚀也不显示任何蠕变或松弛。
碳纤维增强聚合物棒
芳纶纤维增强聚合物 (AFRP)
芳纶也称为芳族聚酰胺。芳纶纤维的知名商标称为 Kevlar，但确实存在其他产品，如 Twaron、Technora 和 SVM。纤维的模量范围为 70-200 GPA，最终伸长率为 1.5-5%，具体取决于质量。芳纶具有较高的断裂能，因此可用于头盔和防弹衣。
AFRP 对高温、湿气和紫外线辐射很敏感，在土木工程应用中并不常见。最后，芳纶纤维存在松弛和应力腐蚀问题。
不同类型FRP与钢的性能对比
纤维增强塑料的成型工艺
大多数纤维增强塑料部件都是用模具或工具制成的。使用的模具可以是凹形母模、公模，也可以用顶模或底模将零件完全封闭。但通常使用刚性结构来确定 FRP 构件的形状。零件既可以放置在称为“垫板”的平面上，也可以放置在称为“心轴”的圆柱形结构上。
纤维增强塑料的成型过程是通过将纤维预制件放置在模具上或模具中来完成的。这种纤维预制件可以是干纤维或已经含有一定量的称为“预浸料”的树脂的纤维。干纤维用手用树脂润湿或将树脂注入封闭模具中。此时，零件已固化，基体和纤维与模具形状完全相同。另一种固化树脂以及如何提高最终部件质量的方法是使用加热和/或压力。
观看以下视频，了解有关纤维增强塑料成型过程的更多信息：
以下是形成纤维增强塑料的各种方法。
膀胱成型：
这种成型过程是在将预浸材料的各个薄片与气球状气囊一起放置并放置在阴模模具中时。然后将模具关闭并放置在热压机中。最后，气囊被加压，迫使材料层靠在模具壁上。
压缩成型：
压缩成型部件称为纤维增强塑料。所以，当像塑料块，橡胶块，塑料片，或颗粒这样的原材料时，它被称为。用于压缩成型的塑料预制件不含增强纤维。在这种模制中，将 SMC 或 BMC 的预制件或装料放入模腔中。然后关闭模具，使用热量和压力在内部形成和固化材料。压缩成型以其出色的几何形状细节而闻名，从图案和浮雕细节到复杂曲线和创意形式，再到精密工程。
高压灭菌器和真空袋：
每张预浸材料都铺好并放入一个开放的模具中，然后用离型膜、泄放或透气材料和真空袋覆盖。在零件上抽真空，然后将模具放入高压釜中，也称为热压容器。零件在连续真空下固化，以从层压板中提取夹带的气体。该工艺在航空航天工业中很常见，因为固化周期长、固化周期慢，因此可以精确控制成型。时间从一到几个小时不等。这种精确的控制有助于创建精确的层压几何形状，以确保航空航天工业的强度和安全性。然而，它速度慢且劳动密集，即成本往往将其限制在航空航天工业中。
芯棒缠绕：
在纤维增强塑料的这种成型过程中，预浸材料片材缠绕在钢或铝心轴上。这种预浸材料由聚丙烯大提琴胶带或尼龙压实。零件通过真空袋装在烘箱中进行批量固化。完成固化后，去除大提琴胶带和心轴，留下中空碳胶带。这有助于制造坚固耐用的中空碳管。
湿铺：
这种成型工艺结合了纤维增强材料和基质，因为它们被放置在成型工具上。增强纤维层被放置在一个开放的模具中，然后通过将湿树脂倒在织物上并将其加工到织物中来使湿树脂饱和。模具将放置一段时间，以便树脂固化，通常在室温下。尽管有时可以使用热量来确保其正确固化。真空袋用于压缩湿铺层。玻璃纤维是此过程中最常见的，其结果被称为玻璃纤维。用于制作滑雪板、独木舟、冲浪板等产品。
树脂传递模塑：
这种纤维增强塑料的成型过程也称为树脂灌注。将织物放入模具中，在模具中注入湿树脂。在树脂传递模塑中，树脂通常被加压并强制进入处于真空状态的腔体中。在真空辅助树脂传递模塑中，树脂在真空下被完全拉入型腔。这个过程确保了精确的公差和详细的成型。虽然它有时无法完全浸透织物，导致最终形状出现斑点。
纤维缠绕：
在这个过程中，有些机器将纤维束拉过树脂湿浴，并以特定方向缠绕在旋转的钢芯轴上。零件在室温或高温下固化。心轴被提取出来，留下最终的几何形状，尽管在某些情况下会留下。
拉挤成型：
纤维束和切缝织物被拉过树脂湿浴，然后形成粗糙的部分形状。饱和材料从加热的封闭模具中挤出，在被连续拉过模具的同时固化。大多数拉挤成型的最终产品是结构形状，即工字梁、角钢、槽钢和平板。这些材料可用于制造各种玻璃纤维结构，如梯子、扶手系统罐、平台、管道和泵支架。
斩波枪：
连续的玻璃纤维束被推过一个手持枪，该枪既能切断纤维束，又能用催化树脂（如聚酯）将它们连接起来。然后将浸渍的短切玻璃以适当的厚度喷射到模具表面，并进行人工操作员认为正确的设计。切刀枪工艺非常适合以经济成本进行大批量生产，但与其他成型工艺相比，它产生的几何形状强度较低，并且尺寸公差较差。
纤维增强塑料的优缺点
优点：
以下是纤维增强塑料在各种应用中的优势。
- FRP 强度高
- 它们具有高弹性模量
- 它们的重量更轻
- 高抗疲劳失效能力是另一个极好的优点。
- 它们具有良好的耐腐蚀性。
- 刚度是 FRP 的另一大优势，因为它的刚度是木材的 3.3 倍，并且在工作负载下不会永久变形。
- 抗腐烂和昆虫。
- 纤维增强塑料的最终产品很有吸引力，因此它可能不需要油漆、着色剂和涂料。
- 制造和设计过程的灵活性
- FRP 是良好的绝缘体，导热率低。
- 玻璃纤维类型的 FRP 具有弹性，即材料具有坚硬的表面。
- 尽管不锈钢的初始材料成本低于纤维增强塑料，但 FRP 的维护和安装成本更低。
缺点：
尽管纤维增强塑料有很大的好处，但仍然存在一些限制。以下是玻璃钢的缺点。
- 与沿纤维长度方向的强度相比，它们在垂直于纤维的方向上的强度极低（高达 5%）。
- 材料设计可能很复杂
- FRP 组件的测试和制造高度专业化。
结论
在本文中，您了解了纤维增强塑料、它们的定义、应用、复合材料组件和材料要求。我们还讨论了纤维增强塑料的各种类型、成型工艺以及优缺点。
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制造工艺