簡介
玻璃鋼學名纖維增強塑膠,俗稱FRP(Fiber Reinforced Plastics),即纖維增強複合塑膠。根據採用的纖維不同分為玻璃纖維增強複合塑膠(GFRP),碳纖維增強複合塑膠(CFRP),硼纖維增強複合塑膠等。它是以玻璃纖維及其製品(
玻璃布、帶、氈、紗等)作為增強材料,以
合成樹脂作基體材料的一種
複合材料。纖維增強複合材料是由增強纖維和基體組成。纖維(或晶須)的直徑很小,一般在10μm以下,缺陷較少又較小,斷裂應變約為千分之三十以內,是脆性材料,易損傷、斷裂和受到腐蝕。基體相對於纖維來說,強度、模量都要低很多,但可以經受住大的應變,往往具有粘彈性和彈塑性,是韌性材料。
原理
複合材料的概念是指一種材料不能滿足使用要求,需要由兩種或兩種以上的材料複合在一起,組成另一種能滿足人們要求的材料,即複合材料。例如,單一種玻璃纖維,雖然強度很高,但纖維間是鬆散的,只能承受拉力,不能承受彎曲、剪下和壓應力,還不易做成固定的幾何形狀,是鬆軟體。如果用合成樹脂把它們粘合在一起,可以做成各種具有固定形狀的堅硬製品,既能承受拉應力,又可承受彎曲、壓縮和剪下應力。這就組成了玻璃纖維增強的塑膠基複合材料。由於其強度相當於鋼材,又含有玻璃組分,也具有玻璃那樣的色澤、形體、耐腐蝕、電絕緣、隔熱等性能,象玻璃那樣,歷史上形成了這個通俗易懂的名稱“玻璃鋼”,這個名詞是由原國家建築材料工業部部長
賴際發同志於1958 年提出的,由建材系統擴至全國。玻璃鋼的含義就是指玻璃纖維作增強材料、合成樹脂作粘結劑的
增強塑膠,國外稱玻璃纖維增強塑膠。隨著我國玻璃鋼事業的發展,作為塑膠基的增強材料,已由玻璃纖維擴大到
碳纖維、
硼纖維、
芳綸纖維、氧化鋁纖維和碳化矽纖維等,無疑地,這些新型纖維製成的增強塑膠,是一些高性能的纖維增強複合材料,再用玻璃鋼這個俗稱就無法概括了。考慮到歷史的由來和發展,通常採用玻璃鋼複合材料,這樣一個名稱就較全面了。
優缺點
優點
輕質高強
相對密度在1.5~2.0之間,只有
碳鋼的1/4~1/5,可是
拉伸強度卻接近,甚至超過碳素鋼,而比強度可以與高級合金鋼相比。因此,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製品套用中,都具有卓越成效。某些環氧FRP的拉伸、彎曲和壓縮強度均能達到400Mpa以上。
耐腐蝕
FRP是良好的耐腐材料,對大氣、水和一般濃度的酸、鹼、鹽以及多種油類和溶劑都有較好的抵抗能力。已套用到化工防腐的各個方面,正在取代碳鋼、不鏽鋼、木材、有色金屬等。
電性能好
是優良的
絕緣材料,用來製造絕緣體。高頻下仍能保護良好介電性。微波透過性良好,已廣泛用於雷達天線罩。
熱性能良好
FRP熱導率低,室溫下為1.25~1.67kJ/(m·h·K),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刷。
可設計性好
(1)可以根據需要,靈活地設計出各種結構產品,來滿足使用要求,可以使產品有很好的整體性。
(2)可以充分選擇材料來滿足產品的性能,如:可以設計出耐腐的,耐瞬時高溫的、產品某方向上有特別高強度的、介電性好的,等等。
工藝性優良
(1)可以根據產品的形狀、技術要求、用途及數量來靈活地選擇成型工藝。
(2)工藝簡單,可以一次成型,經濟效果突出,尤其對形狀複雜、不易成型的數量少的產品,更突出它的工藝優越性。
缺點
彈性模量低
FRP的
彈性模量比木材大兩倍,但比鋼(E=2.1×10
5)小10倍,因此在產品結構中常感到剛性不足,容易變形。
可以做成
薄殼結構、
夾層結構,也可通過高模量纖維或者做加強筋等形式來彌補。
長期耐溫性差
一般FRP不能在高溫下長期使用,通用聚酯FRP在50℃以上強度就明顯下降,一般只在100℃以下使用;通用型環氧FRP在60℃以上,強度有明顯下降。但可以選擇耐高溫樹脂,使長期工作溫度在200~300℃是可能的。
老化現象
老化現象是塑膠的共同缺陷,FRP也不例外,在紫外線、風沙雨雪、化學介質、機械應力等作用下容易導致性能下降。
剪下強度低
層間
剪下強度是靠樹脂來承擔的,所以很低。可以通過選擇工藝、使用
偶聯劑等方法來提高層間粘結力,最主要的是在產品設計時,儘量避免使層間受剪。