纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，缺點(diǎn)

碳纖維復(fù)合材料一直是人家關(guān)注的焦點(diǎn)，近幾年來隨著

復(fù)合材料的性能的不斷改進(jìn)和提高，它的用途范圍也逐漸擴(kuò)

大。不過，有多少人對碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)缺點(diǎn)有所了解呢？

今天，為大家介紹一下碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)缺點(diǎn)。

碳纖維復(fù)合材料（CFRP）是以碳纖維（織物）或碳化硅等

陶瓷纖維（織物）為增強(qiáng)體，以碳為基體的復(fù)合材料的總稱。

碳纖維是由有機(jī)纖維如粘膠纖維、聚丙烯晴纖維或瀝青基纖

維在保護(hù)氣氛下熱處理碳化成為含碳量90%?100%的纖維。

碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)：

1、碳纖維復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度高，模量大，密度小，具

有較高的比強(qiáng)度和很高的比模量。與傳統(tǒng)金屬材料相比，碳

纖維復(fù)合材料質(zhì)量輕，強(qiáng)度高，韌度高，具有明顯的優(yōu)勢。

與塑料制品相比，其強(qiáng)度是塑料制品的幾十倍，因此輕質(zhì)高

強(qiáng)是碳纖維棒復(fù)合材料的顯著特點(diǎn)之一。

2、碳纖維復(fù)合材料的耐高低溫性能好，導(dǎo)熱系數(shù)較高，

而且線膨脹系數(shù)沿纖維軸向具有負(fù)的溫度效應(yīng)，即隨溫度的

升高，碳纖維復(fù)合材料有收縮的趨勢，尺寸穩(wěn)定好，耐疲勞

性好。

3、耐腐蝕，抗老化，使用壽命長：碳纖維棒能耐酸，

堿，鹽，部分有機(jī)溶劑及其它腐蝕性侵蝕，在防腐蝕領(lǐng)域有

其它金屬無法比擬的優(yōu)越性，且有較好的耐水性和抗老化性，

因此無論在腐蝕性的環(huán)境和惡劣的露天，潮濕的環(huán)境作業(yè)，

其使用壽命可達(dá)15年以上。

碳纖維復(fù)合材料的缺點(diǎn)：

1.耐磨性差。碳纖維成型后，直接用普通砂紙就可以磨

下碳粉。

2.價格較高。由于他的工藝復(fù)雜，產(chǎn)量有限，所以價格

會比較昂貴。

3.脆性大，易斷裂。這個缺點(diǎn)讓它的機(jī)械加工很不容易。

碳纖維復(fù)合材料（CFRP）作為一種先進(jìn)的復(fù)合材料，由

于這種材料具有輕而強(qiáng)、輕而剛、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、

結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定性好以及設(shè)計性好、可大面積整體成型等特點(diǎn),

已在航空航天、國防軍工和民用工業(yè)的各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)

用。

碳纖維可加工成織物、氈、席、帶、紙及其他材料。高

性能碳纖維是制造先進(jìn)復(fù)合材料最重要的增強(qiáng)材料。不僅如

此，碳纖維復(fù)合材料已經(jīng)運(yùn)用在日常用品，像音響、浴霸、

取暖器等家用電器中，相信在不久的將來，這種高性能、實(shí)

用性廣的材料在我們生活中處處可見。

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料FRP

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料FRP,由纖維材料與基體材料構(gòu)成。

用于建筑結(jié)構(gòu)時，常用的纖維材料有碳纖維、玻璃纖維，基

體材料有環(huán)氧樹脂、乙烯基酯樹脂、不飽和聚酯樹脂。由微

觀到宏觀，首先由極細(xì)的纖維絲按一定方向排列或編織為板、

布等形式，再與基體材料膠結(jié)后形成FRP制品。

從20世紀(jì)40年代問世以來，F(xiàn)RP首先被應(yīng)用于航空航

天、軍事等領(lǐng)域c隨著材料制備成本的降低，F(xiàn)RP也開始走

入大眾生活。FRP最早于1960年代被用于民用建筑。但直

到1990年代，隨著FRP加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)的興起，

工程界才逐漸認(rèn)可對這種新型材料，并擴(kuò)展到對鋼結(jié)構(gòu)、木

結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)的加固工程中。01FPR特點(diǎn)

重量輕

FRP的密度約為14-21kN/m3，約為鋼的1/6?1/4,亦輕

于金屬鋁。應(yīng)用于大跨結(jié)構(gòu)中時，可極大減輕結(jié)構(gòu)自重。以

喬布斯劇院為例，整個碳纖維屋蓋自重僅80t,可采用整體

吊裝方式施工。按屋蓋直徑約47m計算，折合每平米平均重

46kg,僅相當(dāng)于約6mm厚的鋼板。

強(qiáng)度

天然物質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)中都有缺陷，材料越細(xì)，缺陷越少，

強(qiáng)度越高。碳纖維、玻璃纖維的強(qiáng)度可達(dá)鋼材的10?20倍,

綜合考慮纖維和基體的強(qiáng)度差異，F(xiàn)RP材料的強(qiáng)度/重量比通

常可達(dá)鋼材的4倍以上，使得FRP大跨結(jié)構(gòu)的極限跨度比傳

統(tǒng)結(jié)構(gòu)大2?3倍。

cd?

n

)

O

4

e

u

Ratioofmodulus(GPa)

成型方便

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料FRP的生產(chǎn)制作工藝包括拉擠、纏繞、

手糊、噴射成型等多種方式。以上展示了手糊工藝制作異形

面板的典型流程：加工底膜:手糊,脫模得到基本單元〉單

元組裝。采用數(shù)控機(jī)床或3D打印技術(shù)進(jìn)行模具加工，可以

精確、快速地得到任意曲面造型。

便于拆卸組裝

FRP具有包括栓接在內(nèi)的多種連接方式，其材料的輕便

性使其更便于拆卸和組裝。扎哈的香奈兒流動藝術(shù)博物館面

積約700m2，主結(jié)構(gòu)構(gòu)件為鋼結(jié)構(gòu)，外皮為寬度不超過2.55m

的GFRP曲面板，在較短時間內(nèi)就能進(jìn)行拆卸和拼裝，使其

成功地完成了從香港途徑東京、紐約、莫斯科、倫敦直至巴

黎的全球巡展。

耐腐蝕

海邊造房子最怕的其實(shí)是腐蝕，無論是鋼材還是混凝土。

而FRP可在酸、堿、鹽和潮濕環(huán)境中長期使用，亦可抵抗除

冰鹽和空氣中鹽分的腐蝕。薩夫迪和扎哈都設(shè)計過可水中移

動的“建筑”——游艇，對于海水中的長時間浸泡，F(xiàn)RP表示

毫無壓力。

各向異性

不同于鋼、鋁等材料各向同性的特點(diǎn)，由于纖維鋪設(shè)常

具有方向性（單向或雙向交織），使得FRP在沿纖維和垂直

纖維方向力學(xué)性能相差較大，屬于復(fù)合材料力學(xué)范疇，力學(xué)

分析復(fù)雜，設(shè)計難度較大。由于層間拉伸/剪切強(qiáng)度低，使得

連接部位容易成為構(gòu)件的薄弱部位，需盡量減少連接，并特

別重視連接設(shè)計。重要的連接節(jié)點(diǎn)可采用鋼節(jié)點(diǎn)。

其他性質(zhì)

70崢峰70載與國同夢彈性模型：FRP的彈性模量與混

凝土、木材相當(dāng)，相比其高強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)設(shè)計常由變形控制。

可通過合理地選擇結(jié)構(gòu)形式、與其它材料組合以及施加預(yù)應(yīng)

力等方式控制變形。線脹系數(shù)：遠(yuǎn)小于鋼、鋁等金屬材料,

一方面使其應(yīng)用于超長結(jié)構(gòu)時引起的溫度應(yīng)力不明顯，有利

于結(jié)構(gòu)設(shè)計；另一方面自帶較好的保溫隔熱效果，不再需要

額外的建筑保溫層，節(jié)省建筑空間。防火性能：樹脂在高溫

下會由于軟化導(dǎo)致力學(xué)性能降低?？衫迷跇渲袚饺胱枞?/p>

劑+FRP表面防火處理的辦法提高防火性能。良好處理的FRP

防火效果已能和混凝土相當(dāng)。經(jīng)濟(jì)性：FRP材料的價格高于

鋼材。但考慮其輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕、低維護(hù)需求等特點(diǎn)，綜

合成本具有競爭力。且隨著科技進(jìn)步，材料生產(chǎn)成本逐年降

低，例如用于加固的CFRP價格如今不到起步時的25%,可

以預(yù)見FRP材料的潛力。02建筑案例

拉賓中心

采用類似帆船船體的FRP夾芯板作為屋面材料，在荷

蘭分塊生產(chǎn)后運(yùn)抵建造地進(jìn)行單片翼最大尺寸可達(dá)20x30m)

拼裝，并在其表面涂上防紫外線和防火涂層，而后將5片翼

吊裝