6 纤维增强聚合物-木材复合材料20100118

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1、6FRP增强木质复合材料6.1引言纤维增强聚合物基（FIBER-REINFORCEDPOLYMER简称FRP）-木质复合材料是纤维增强聚合物作为增强物增强木材所获得的性能优越的先进工程木质复合材料。复合材料同时具备纤维增强体和木材的优点。木材是一种多功能结构用材料，可以加工成诸如锯材、单板、刨花、木片和纤维等不同形态的木制材料。这些木制材料再通过胶粘剂，胶合成各种形式的结构木质复合材料，包括：集成材（glulam）、结构复合材（SCL）、工字梁和结构栅栏。木材还具有高的性价比和强重比。FRP也是一种多功能材料，它由合成纤维和

2、聚合树脂构成，有时又被称作先进纤维复合物（AFCs）。与木材相比，FRP具有更高的强度和刚度，因此它可用于传统木质复合材料的增强。通过合理的材料结构设计，增强后的工程木质复合材料表现出更好的性能，与传统工程材料相比，具备许多潜在的优良性能。经FRP增强后，工程木质材料的一些性能可以得到提高：●强度或刚度的提高。●降低材料力学性能的变异性，允许更大的设计值。●使得低等材质树种和速生材可用于工程产品。●减小木构件的尺寸，降低其重量。●增加产品的韧性、适用性和耐疲劳性能。●提高材料的耐久性和尺寸稳定性。对于用于增强结构用木质材料的

3、增强材料的研究已有40多年的历史。早期的研究主要集中于金属增强材料，包括：钢条、预应力钢丝绳、钢板以及铝板等等。使用金属作为增强物的主要问题是木材和增强材料之间的不兼容性。如，用铝板增强木梁，当含水率变化几个百分点时，金属-木材界面便会发生剥离。金属是弹性材料，而木材属粘弹性材料；另外，两种材料的吸湿膨胀和刚度差别很大，这易导致胶层的剥离或胶层附近区域木材的拉伸破坏。与传统金属增强材料不同，纤维增强聚合物可以作为结构用木质材料良好的增强材料。FRP和木材都是粘弹性材料；另外，两种材料之间的材料加工过程也存在相似之处（例如树脂

4、的固化过程）。因此，如果设计合理，可以将FRP和木材之间的不相容性降低到最小程度。较之金属，FRP作为增强材料的又一优点是23其生产工序易于和木质复合材料生产工序相结合。FRP增强木质复合材料的发展将会扩大工程木质复合材料在建筑结构以及非建筑结构中的应用。就FRP本身而言，它是一种性能优越的修复木材的材料，能够延长木质材料的使用寿命。FRP增强木质复合材料的强重比比混凝土或钢筋要高得多。从材料和技术的角度而言，FRP增强木质材料表现出卓越的强度性能。木材工业和相关的科研机构对这一新型木质材料给予了很大的关注。由几个研究机构和

5、企业共同出资在缅因大学组建了一流的研究中心——先进工程木质复合材料研究中心（AEWC）。AEWC主要是研究FRP-木质混合复合材料。一种商用的FRP-木质复合材料――FIRP集成材（使用拉挤成型的FRP作为增强物）已经被申请了专利，1995年9月的建筑官员国际会议（InternationalConferenceofBuildingOfficials，ICBO）发表了该新型木制品评估报告ER-5100。由美国缅因大学，美国木制工程材料联合会（APA），美国FRP复合材料市场开发联合会（MDA），共同制定的FRP增强集成材标准-

6、AC280”(AcceptanceCriteriaforFiber-Reinforced-PolymerGlued-LaminatedTimberUsingMechanics-BasedModels，AC280)通过了国际标准委员会(InternationalCodeCouncil，ICC-ES)的评估，新标准于2005年三月一号生效。在2005年7月份先进工程木制复合材料第三届国际会议上，与会者阐述了木材/FRP复合的最新的研究成果和发展现状。FRP增强木质复合材料一定会使结构木质材料和木质复合材料发生变革。这里主要介绍：

7、（1）介绍纤维增强聚合物及其制造过程的背景信息；（2）讨论先进FRP-木质混合复合材料的制造技术；（3）举例说明FRP-木质混合复合材料在建筑结构中的应用。6.2纤维增强聚合物纤维增强聚合基复合材料包括用单向或多向纤维增强树脂基体所得的一系列复合材料。FRP复合材料沿着纤维排列方向力学性能最佳。与木材相比，FRPs具有很高的拉伸强度和刚度。当载荷加载到复合材料上时，纤维起主要承载作用，树脂使载荷分散到结构中的所有纤维。起增强作用的纤维和树脂基体的复合较之单一组分更为有用。将纤维在模具或薄板内单方向排列，这样得到的单向层板具有

8、最大的强度和刚度。如果纤维是随机排列的，那么层板平面内各个方向上的23性能相同。FRP复合材料的性能并不是其组分性能的简单叠加。树脂和纤维在性能上互补，多数树脂拉伸强度低，但是却具有很好的粘着性和延展性；细纤维具有很高的拉伸强度高却易于破坏。以下章节将详细介绍常用于FRP制作工艺的纤维和树