參考學(xué)習(xí)資料introductiontoFRP1.什么是FRPFRP即纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FiberReinforcedPolymer/Plastic），它是由纖維材料與基體材料按一定的比例混合，經(jīng)過特殊的成型工藝制成的一種新型材料。纖維通常起到增強(qiáng)作用，提供材料的強(qiáng)度和剛度；基體材料則將纖維粘結(jié)在一起，傳遞載荷并保護(hù)纖維免受環(huán)境因素的影響。常見的纖維有玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維等，基體材料主要包括環(huán)氧樹脂、聚酯樹脂、乙烯基酯樹脂等。例如，玻璃纖維增強(qiáng)塑料（GFRP）就是最常用的一種FRP，它具有成本低、質(zhì)量輕、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于建筑、汽車、航空航天等領(lǐng)域。2.FRP的特點(diǎn)高強(qiáng)度：FRP的強(qiáng)度通常比傳統(tǒng)材料如鋼材和混凝土高很多。以碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料為例，其拉伸強(qiáng)度可以達(dá)到鋼材的數(shù)倍，能夠承受較大的載荷而不發(fā)生破壞。這使得FRP在一些對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求較高的場合具有很大的優(yōu)勢(shì)，如航空航天領(lǐng)域的飛機(jī)機(jī)翼、火箭外殼等。輕質(zhì)：與鋼材和混凝土相比，F(xiàn)RP的密度要小得多。玻璃纖維增強(qiáng)塑料的密度一般在1.52.0g/cm3之間，而鋼材的密度約為7.85g/cm3。輕質(zhì)的特點(diǎn)使得FRP在運(yùn)輸和安裝過程中更加方便，同時(shí)也可以減輕結(jié)構(gòu)的自重，降低基礎(chǔ)的承載要求。在橋梁建設(shè)中，使用FRP材料可以減少橋梁的自重，從而減少下部結(jié)構(gòu)的工程量和造價(jià)。耐腐蝕：FRP具有良好的耐腐蝕性能，能夠抵抗多種化學(xué)介質(zhì)的侵蝕，如酸、堿、鹽等。這使得FRP在惡劣的環(huán)境條件下具有很長的使用壽命，減少了維護(hù)和更換的成本。在化工、海洋等領(lǐng)域，F(xiàn)RP被廣泛應(yīng)用于制造管道、儲(chǔ)罐、耐腐蝕設(shè)備等?？稍O(shè)計(jì)性強(qiáng)：通過選擇不同的纖維和基體材料，以及調(diào)整它們的比例和鋪設(shè)方式，可以設(shè)計(jì)出具有不同性能的FRP材料。例如，可以根據(jù)具體的工程需求，設(shè)計(jì)出具有高強(qiáng)度、高剛度、高韌性等不同性能特點(diǎn)的FRP復(fù)合材料。此外，F(xiàn)RP還可以通過模壓、纏繞等成型工藝制成各種復(fù)雜的形狀，滿足不同的工程設(shè)計(jì)要求。3.FRP的成型工藝手糊成型：這是一種最簡單、最古老的FRP成型方法。首先在模具表面涂上脫模劑，然后將調(diào)配好的樹脂膠液均勻地涂刷在模具上，再鋪上一層纖維織物，用刷子或輥?zhàn)訉⒗w維織物壓實(shí)，使其充分浸潤樹脂膠液。重復(fù)上述步驟，直到達(dá)到所需的厚度。最后，在常溫或加熱條件下固化成型。手糊成型工藝設(shè)備簡單、投資少，適合小批量生產(chǎn)和大型制品的制造，但生產(chǎn)效率低，產(chǎn)品質(zhì)量受操作人員技術(shù)水平影響較大。噴射成型：噴射成型是將樹脂和纖維同時(shí)通過噴槍噴射到模具上，形成FRP制品的一種成型方法。噴槍將樹脂和纖維分別輸送到噴嘴處，在噴嘴處混合后噴射到模具表面。噴射成型工藝生產(chǎn)效率高，可成型形狀復(fù)雜的制品，但纖維含量較低，制品強(qiáng)度相對(duì)較低，同時(shí)噴射過程中會(huì)產(chǎn)生較多的有害氣體，需要良好的通風(fēng)條件。模壓成型：模壓成型是將一定量的預(yù)浸料或模塑料放入金屬模具中，在一定的溫度和壓力下使其成型的一種方法。預(yù)浸料是將纖維預(yù)先浸漬在樹脂中制成的材料，模塑料是將樹脂、纖維和其他添加劑混合制成的材料。模壓成型工藝生產(chǎn)效率高，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，尺寸精度高，適合大批量生產(chǎn)，但模具成本較高，設(shè)備投資大。纏繞成型：纏繞成型是將連續(xù)的纖維束或帶材在張力作用下按照一定的規(guī)律纏繞在芯模上，然后通過加熱或固化劑使其固化成型的一種方法。纏繞成型工藝可以充分發(fā)揮纖維的強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)，制品的強(qiáng)度和剛度較高，適合制造各種圓柱形和球形制品，如壓力容器、管道等。4.FRP在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用結(jié)構(gòu)加固：FRP可以用于對(duì)既有建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固。通過粘貼FRP板材或纖維布，可以提高結(jié)構(gòu)的承載能力、抗震性能和耐久性。例如，在混凝土梁、柱等結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面粘貼碳纖維布，可以有效地提高其抗彎、抗剪能力，延長結(jié)構(gòu)的使用壽命。新建結(jié)構(gòu)：FRP也可以用于新建建筑結(jié)構(gòu)。例如，F(xiàn)RP可以制成各種結(jié)構(gòu)構(gòu)件，如梁、柱、板等，用于建造大跨度的橋梁、工業(yè)廠房、體育場館等。與傳統(tǒng)建筑材料相比，F(xiàn)RP結(jié)構(gòu)具有自重輕、施工速度快、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。建筑裝飾：FRP具有良好的成型性能和表面質(zhì)量，可以制成各種形狀和顏色的建筑裝飾材料，如浮雕、幕墻、門窗等。FRP裝飾材料不僅美觀大方，而且具有質(zhì)量輕、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。5.FRP在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用飛機(jī)結(jié)構(gòu)：FRP在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中得到了廣泛的應(yīng)用。例如，飛機(jī)的機(jī)翼、機(jī)身、尾翼等部件都可以采用FRP材料制造。FRP材料的輕質(zhì)、高強(qiáng)度特點(diǎn)可以減輕飛機(jī)的自重，提高飛機(jī)的飛行性能和燃油效率。同時(shí)，F(xiàn)RP材料的耐腐蝕性能也可以提高飛機(jī)的使用壽命和可靠性。航天器：在航天器領(lǐng)域，F(xiàn)RP材料也發(fā)揮著重要的作用。航天器需要承受極端的環(huán)境條件，如高溫、低溫、真空等，F(xiàn)RP材料的優(yōu)異性能可以滿足航天器的這些要求。例如，航天器的外殼、太陽能電池板支架等部件都可以采用FRP材料制造。6.FRP在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用車身部件：FRP可以用于制造汽車的車身部件，如發(fā)動(dòng)機(jī)罩、車門、行李箱蓋等。采用FRP材料制造的車身部件可以減輕汽車的自重，提高汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性和加速性能。同時(shí)，F(xiàn)RP材料的可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，可以制造出各種復(fù)雜的形狀，滿足汽車外觀設(shè)計(jì)的要求。內(nèi)飾部件：FRP還可以用于制造汽車的內(nèi)飾部件，如儀表盤、座椅框架等。FRP內(nèi)飾部件具有質(zhì)量輕、美觀大方、易于加工等優(yōu)點(diǎn)。7.FRP的性能測試?yán)煸囼?yàn)：拉伸試驗(yàn)是測定FRP材料拉伸強(qiáng)度、彈性模量等力學(xué)性能的基本試驗(yàn)方法。通過對(duì)FRP試樣施加軸向拉力，直到試樣破壞，記錄試驗(yàn)過程中的載荷和變形數(shù)據(jù)，計(jì)算出材料的拉伸強(qiáng)度、彈性模量等性能指標(biāo)。彎曲試驗(yàn)：彎曲試驗(yàn)是測定FRP材料抗彎性能的試驗(yàn)方法。常見的彎曲試驗(yàn)有三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)和四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)。通過對(duì)FRP試樣施加彎曲載荷，記錄試驗(yàn)過程中的載荷和變形數(shù)據(jù)，計(jì)算出材料的彎曲強(qiáng)度、彎曲模量等性能指標(biāo)。壓縮試驗(yàn)：壓縮試驗(yàn)是測定FRP材料抗壓性能的試驗(yàn)方法。通過對(duì)FRP試樣施加軸向壓力，直到試樣破壞，記錄試驗(yàn)過程中的載荷和變形數(shù)據(jù)，計(jì)算出材料的壓縮強(qiáng)度、壓縮模量等性能指標(biāo)。剪切試驗(yàn)：剪切試驗(yàn)是測定FRP材料抗剪性能的試驗(yàn)方法。常見的剪切試驗(yàn)有單剪試驗(yàn)和雙剪試驗(yàn)。通過對(duì)FRP試樣施加剪切載荷，記錄試驗(yàn)過程中的載荷和變形數(shù)據(jù)，計(jì)算出材料的剪切強(qiáng)度、剪切模量等性能指標(biāo)。8.FRP的質(zhì)量控制原材料質(zhì)量控制：FRP的質(zhì)量很大程度上取決于原材料的質(zhì)量。因此，要嚴(yán)格控制纖維和基體材料的質(zhì)量，確保其符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求。例如，對(duì)纖維的強(qiáng)度、模量、直徑等性能指標(biāo)進(jìn)行檢測，對(duì)基體材料的粘度、固化時(shí)間、硬度等性能指標(biāo)進(jìn)行檢測。成型過程質(zhì)量控制：在FRP成型過程中，要嚴(yán)格控制工藝參數(shù)，確保制品的質(zhì)量穩(wěn)定。例如，在模壓成型過程中，要控制好溫度、壓力和時(shí)間等工藝參數(shù)；在纏繞成型過程中，要控制好纖維的張力和纏繞角度等工藝參數(shù)。制品質(zhì)量檢測：對(duì)成型后的FRP制品進(jìn)行質(zhì)量檢測，確保其符合設(shè)計(jì)要求。常見的檢測方法有外觀檢查、尺寸測量、力學(xué)性能測試等。通過對(duì)制品進(jìn)行質(zhì)量檢測，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并采取相應(yīng)的措施進(jìn)行處理。9.FRP的發(fā)展趨勢(shì)高性能化：隨著科技的不斷發(fā)展，對(duì)FRP材料的性能要求越來越高。未來，F(xiàn)RP材料將朝著高性能化的方向發(fā)展，如提高材料的強(qiáng)度、模量、韌性等性能指標(biāo)，以滿足更苛刻的工程需求。多功能化：除了具備高強(qiáng)度、輕質(zhì)等基本性能外，F(xiàn)RP材料還將朝著多功能化的方向發(fā)展。例如，開發(fā)具有導(dǎo)電、導(dǎo)熱、吸波等功能的FRP材料，以滿足不同領(lǐng)域的特殊需求。綠色化：隨著環(huán)保意識(shí)的不斷提高，F(xiàn)RP材料的綠色化發(fā)展將成為未來的重要趨勢(shì)。未來，將開發(fā)更加環(huán)保的樹脂和纖維材料，減少生產(chǎn)過程中的環(huán)境污染，同時(shí)提高FRP材料的可回收利用性。智能化：將傳感器、驅(qū)動(dòng)器等智能元件與FRP材料相結(jié)合，開發(fā)具有智能感知、自適應(yīng)等功能的FRP智能材料和結(jié)構(gòu)，是未來FRP發(fā)展的一個(gè)重要方向。例如，開發(fā)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測結(jié)構(gòu)健康狀況的FRP智能結(jié)構(gòu)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)中的損傷和缺陷，為結(jié)構(gòu)的維護(hù)和管理提供依據(jù)。練習(xí)題選擇題1.FRP是指（）A.纖維增強(qiáng)復(fù)合材料B.金屬材料C.陶瓷材料D.高分子材料答案：A分析：FRP即纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，是由纖維材料與基體材料混合制成的新型材料。2.以下哪種纖維不是常見的FRP增強(qiáng)纖維（）A.玻璃纖維B.碳纖維C.石棉纖維D.芳綸纖維答案：C分析：常見的FRP增強(qiáng)纖維有玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維等，石棉纖維由于其對(duì)人體健康有危害，一般不作為FRP的增強(qiáng)纖維。3.FRP的基體材料不包括（）A.環(huán)氧樹脂B.聚酯樹脂C.橡膠D.乙烯基酯樹脂答案：C分析：FRP的基體材料主要包括環(huán)氧樹脂、聚酯樹脂、乙烯基酯樹脂等，橡膠一般不作為FRP的基體材料。4.與傳統(tǒng)材料相比，F(xiàn)RP不具有以下哪個(gè)特點(diǎn)（）A.高強(qiáng)度B.重質(zhì)C.耐腐蝕D.可設(shè)計(jì)性強(qiáng)答案：B分析：FRP具有高強(qiáng)度、輕質(zhì)、耐腐蝕、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等特點(diǎn)，重質(zhì)不是FRP的特點(diǎn)。5.手糊成型工藝的優(yōu)點(diǎn)是（）A.生產(chǎn)效率高B.產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定C.設(shè)備簡單、投資少D.纖維含量高答案：C分析：手糊成型工藝設(shè)備簡單、投資少，適合小批量生產(chǎn)和大型制品的制造，但生產(chǎn)效率低，產(chǎn)品質(zhì)量受操作人員技術(shù)水平影響較大，纖維含量也相對(duì)較低。6.噴射成型工藝的缺點(diǎn)是（）A.生產(chǎn)效率低B.纖維含量低C.不能成型復(fù)雜形狀制品D.模具成本高答案：B分析：噴射成型工藝生產(chǎn)效率高，可成型形狀復(fù)雜的制品，但纖維含量較低，制品強(qiáng)度相對(duì)較低，同時(shí)噴射過程中會(huì)產(chǎn)生較多的有害氣體。7.模壓成型工藝適合（）A.小批量生產(chǎn)B.形狀復(fù)雜制品的生產(chǎn)C.大批量生產(chǎn)D.手工操作答案：C分析：模壓成型工藝生產(chǎn)效率高，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，尺寸精度高，適合大批量生產(chǎn)，但模具成本較高，設(shè)備投資大。8.纏繞成型工藝可以制造（）A.平板狀制品B.圓柱形和球形制品C.形狀復(fù)雜的制品D.小型制品答案：B分析：纏繞成型工藝可以充分發(fā)揮纖維的強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)，適合制造各種圓柱形和球形制品，如壓力容器、管道等。9.在建筑領(lǐng)域，F(xiàn)RP不用于以下哪個(gè)方面（）A.結(jié)構(gòu)加固B.新建結(jié)構(gòu)C.建筑裝飾D.基礎(chǔ)工程答案：D分析：FRP在建筑領(lǐng)域可用于結(jié)構(gòu)加固、新建結(jié)構(gòu)和建筑裝飾等方面，一般不用于基礎(chǔ)工程。10.在航空航天領(lǐng)域，F(xiàn)RP主要用于制造（）A.發(fā)動(dòng)機(jī)B.飛機(jī)輪胎C.飛機(jī)結(jié)構(gòu)部件D.航空燃油答案：C分析：FRP在航空航天領(lǐng)域主要用于制造飛機(jī)的機(jī)翼、機(jī)身、尾翼等結(jié)構(gòu)部件，以減輕飛機(jī)自重，提高飛行性能。11.在汽車領(lǐng)域，F(xiàn)RP可用于制造（）A.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)B.汽車底盤C.汽車車身部件D.汽車輪胎答案：C分析：FRP可以用于制造汽車的車身部件，如發(fā)動(dòng)機(jī)罩、車門、行李箱蓋等，減輕汽車自重，提高燃油經(jīng)濟(jì)性。12.測定FRP材料拉伸強(qiáng)度的試驗(yàn)是（）A.拉伸試驗(yàn)B.彎曲試驗(yàn)C.壓縮試驗(yàn)D.剪切試驗(yàn)答案：A分析：拉伸試驗(yàn)是測定FRP材料拉伸強(qiáng)度、彈性模量等力學(xué)性能的基本試驗(yàn)方法。13.三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)是測定FRP材料（）性能的試驗(yàn)方法A.拉伸B.彎曲C.壓縮D.剪切答案：B分析：三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)是測定FRP材料抗彎性能的試驗(yàn)方法。14.以下哪種試驗(yàn)方法不是測定FRP材料力學(xué)性能的常用方法（）A.硬度測試B.拉伸試驗(yàn)C.彎曲試驗(yàn)D.壓縮試驗(yàn)答案：A分析：拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、壓縮試驗(yàn)是測定FRP材料力學(xué)性能的常用方法，硬度測試一般不是主要用于測定FRP力學(xué)性能的方法。15.FRP質(zhì)量控制中，不屬于原材料質(zhì)量控制項(xiàng)目的是（）A.纖維強(qiáng)度B.基體材料粘度C.成型工藝參數(shù)D.纖維直徑答案：C分析：成型工藝參數(shù)屬于成型過程質(zhì)量控制的內(nèi)容，纖維強(qiáng)度、基體材料粘度、纖維直徑等屬于原材料質(zhì)量控制項(xiàng)目。判斷題1.FRP材料的強(qiáng)度一定比鋼材高。（）答案：錯(cuò)誤分析：雖然一些高性能的FRP材料強(qiáng)度可以達(dá)到甚至超過鋼材，但并不是所有的FRP材料強(qiáng)度都比鋼材高，這取決于具體的纖維和基體材料以及成型工藝等因素。2.手糊成型工藝生產(chǎn)的FRP制品質(zhì)量比模壓成型工藝生產(chǎn)的制品質(zhì)量好。（）答案：錯(cuò)誤分析：手糊成型工藝生產(chǎn)效率低，產(chǎn)品質(zhì)量受操作人員技術(shù)水平影響較大；模壓成型工藝生產(chǎn)效率高，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，尺寸精度高。一般來說，模壓成型工藝生產(chǎn)的制品質(zhì)量更好。3.FRP材料具有良好的耐腐蝕性能，所以在任何環(huán)境下都不會(huì)被腐蝕。（）答案：錯(cuò)誤分析：FRP材料具有良好的耐腐蝕性能，但并不是在任何環(huán)境下都不會(huì)被腐蝕，在一些極端的化學(xué)環(huán)境或高溫、高壓等特殊條件下，F(xiàn)RP材料也可能會(huì)發(fā)生腐蝕。4.噴射成型工藝可以成型形狀復(fù)雜的制品。（）答案：正確分析：噴射成型工藝可以通過噴槍將樹脂和纖維噴射到模具上，能夠成型形狀復(fù)雜的制品。5.纏繞成型工藝只能制造圓柱形制品。（）答案：錯(cuò)誤分析：纏繞成型工藝除了可以制造圓柱形制品外，還可以制造球形等其他形狀的制品。6.在建筑領(lǐng)域，F(xiàn)RP只能用于結(jié)構(gòu)加固，不能用于新建結(jié)構(gòu)。（）答案：錯(cuò)誤分析：FRP在建筑領(lǐng)域既可以用于結(jié)構(gòu)加固，也可以用于新建結(jié)構(gòu)，如建造大跨度的橋梁、工業(yè)廠房等。7.拉伸試驗(yàn)可以測定FRP材料的彎曲強(qiáng)度。（）答案：錯(cuò)誤分析：拉伸試驗(yàn)主要測定FRP材料的拉伸強(qiáng)度、彈性模量等性能指標(biāo)，彎曲強(qiáng)度需要通過彎曲試驗(yàn)來測定。8.原材料質(zhì)量控制是FRP質(zhì)量控制的重要環(huán)節(jié)。（）答案：正確分析：FRP的質(zhì)量很大程度上取決于原材料的質(zhì)量，所以原材料質(zhì)量控制是FRP質(zhì)量控制的重要環(huán)節(jié)。9.FRP材料未來不會(huì)朝著綠色化方向發(fā)展。（）答案：錯(cuò)誤分析：隨著環(huán)保意識(shí)的提高，F(xiàn)RP材料的綠色化發(fā)展將成為未來的重要趨勢(shì)，包括開發(fā)環(huán)保的原材料和提高可回收利用性等。10.FRP智能材料和結(jié)構(gòu)是未來FRP發(fā)展的一個(gè)方向。（）答案：正確分析：將智能元件與FRP材料相結(jié)合，開發(fā)具有智能感知、自適應(yīng)等功能的FRP智能材料和結(jié)構(gòu)，是未來FRP發(fā)展的一個(gè)重要方向。簡答題1.簡述FRP的特點(diǎn)。答案：FRP具有以下特點(diǎn)：（1）高強(qiáng)度：強(qiáng)度通常比傳統(tǒng)材料高很多；（2）輕質(zhì)：密度比鋼材和混凝土小得多；（3）耐腐蝕：能抵抗多種化學(xué)介質(zhì)的侵蝕；（4）可設(shè)計(jì)性強(qiáng)：可通過選擇不同材料和調(diào)整工藝設(shè)計(jì)出不同性能的材料，還能制成復(fù)雜形狀。分析：從強(qiáng)度、質(zhì)量、耐腐蝕性和可設(shè)計(jì)性等方面對(duì)FRP的特點(diǎn)進(jìn)行了概括。2.列舉三種常見的FRP成型工藝，并簡述其優(yōu)缺點(diǎn)。答案：（1）手糊成型：優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡單、投資少，適合小批量生產(chǎn)和大型制品制造；缺點(diǎn)是生產(chǎn)效率低，產(chǎn)品質(zhì)量受操作人員技術(shù)水平影響大。（2）噴射成型：優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)效率高，可成型形狀復(fù)雜的制品；缺點(diǎn)是纖維