纖維增強(qiáng)復(fù)合塑料（FRP）多功能房性能及應(yīng)用概述

常浩++傅麗強(qiáng)

摘要：

通過抗風(fēng)試驗(yàn)、抗震試驗(yàn)、防雪承載試驗(yàn)、保溫試驗(yàn)及防彈試驗(yàn)，表明用L-RTM成型方法制得的玻璃鋼可以作為多功能房材料，滿足其風(fēng)吹日曬、酸堿侵蝕、移動(dòng)便捷、安裝方便等要求。更由于其可以具有一定保溫防彈功能，拓展了使用領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：玻璃鋼；防彈；多功能房；L-RTM

活動(dòng)房作為一種臨時(shí)建筑形式有著悠久的歷史，它源于民而標(biāo)準(zhǔn)化于軍事?；顒?dòng)房可方便快速地進(jìn)行組裝和拆卸，能夠重復(fù)使用，使得臨時(shí)建筑進(jìn)入到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、系列化開發(fā)、規(guī)?；a(chǎn)、配套化供應(yīng)、可庫存、環(huán)保節(jié)能的定型產(chǎn)品領(lǐng)域。

目前國內(nèi)的活動(dòng)板房種類有以下三類：水泥活動(dòng)房、磷鎂活動(dòng)房和彩鋼板活動(dòng)房。這三種活動(dòng)板房在民用領(lǐng)域中正在大量使用。雖然在軍用領(lǐng)域中也在使用，但其安裝效率不高以及不具有防彈性能，大大降低了在軍用領(lǐng)域使用的意義。

1 FRP多功能活動(dòng)房性能

FRP（Fiber Reinforced Plastics），意即纖維增強(qiáng)復(fù)合塑料。FRP 由增強(qiáng)纖維和基體組成，基體常采用樹脂。根據(jù)所采用的增強(qiáng)纖維的材料不同，可將 FRP 分為 GFRP（玻璃纖維增強(qiáng)塑料）、CFRP（碳纖維增強(qiáng)塑料）、AFRP（芳綸纖維增強(qiáng)塑料）等。在結(jié)構(gòu)工程中最常用的是 GFRP和 CFRP。GFRP 在我國經(jīng)常被稱為玻璃鋼，通常的 FRP 型材均為 GFRP。基體材料是熱塑性樹脂、聚酯樹脂、乙烯樹脂。FRP首次作為結(jié)構(gòu)材料出現(xiàn)于 1942 年，美國軍方用手糊的 GFRP 制作雷達(dá)天線罩。不同纖維的化學(xué)成分不同，力學(xué)性能也有較大差別，相應(yīng)的力學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)出很大的差異。常見的幾種力學(xué)性能見表1。

FRP復(fù)合材料具有以下優(yōu)點(diǎn)：[1]

1）有很高的比強(qiáng)度，即通常所說的輕質(zhì)高強(qiáng)。因此采用FRP材料可減輕結(jié)構(gòu)自重。同時(shí)FRP的抗拉強(qiáng)度均明顯超過了鋼筋與高強(qiáng)鋼絲差不多且在達(dá)到抗拉強(qiáng)度之前幾乎沒有塑性變形產(chǎn)生。

2）有良好耐腐蝕性。FRP可以在酸、堿 、氯鹽和潮濕的環(huán)境中長(zhǎng)期使用。這是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料難以比擬的。

3）具有很好的可設(shè)計(jì)性。FRP屬于人工材料，可以通過使用不同的纖維材料、纖維含量和鋪陳方向設(shè)計(jì)出各種強(qiáng)度指標(biāo)、彈性模量以及特殊性能要求的FRP產(chǎn)品。 而且產(chǎn)品成型方便，形狀可靈活設(shè)計(jì)。

4）具有很好的彈性性能 。應(yīng)力應(yīng)變曲線接近線彈性。在發(fā)生較大變形后還能恢復(fù)原狀， 塑性變形小， 有利于結(jié)構(gòu)偶然超載后的變形恢復(fù)。

5）FRP產(chǎn)品適合在工廠生產(chǎn)、運(yùn)輸、現(xiàn)場(chǎng)安裝，有利于保證工程質(zhì)量，提高勞動(dòng)效率。

常用 FRP 型材材料和鋼材的主要物理性能指標(biāo)比較見表2，由表可知FRP 材料輕質(zhì)高強(qiáng)，彈性模量低，且縱向模量與剪切模量之比遠(yuǎn)大于鋼材。

FRP 材料由于輕質(zhì)高強(qiáng)的性質(zhì)，構(gòu)件可預(yù)制，對(duì)基礎(chǔ)的要求低，符合活動(dòng)房的材料性質(zhì)的基本要求。此外，F(xiàn)RP 還有著其他很多優(yōu)點(diǎn)，如（1）FRP對(duì)大氣、水和一般濃度的酸、堿、鹽及多種油類和溶劑的腐蝕抵抗能力；（2）FRP 是優(yōu)良的絕緣材料，高頻下仍能保持良好的介電性；（3）FRP 室溫下的熱導(dǎo)率只有金屬的 1/100～1/1000，絕熱性能優(yōu)良；（4）FRP 有著很好的工藝性，對(duì)形狀復(fù)雜、不易成型的產(chǎn)品，其工藝的優(yōu)越性更為突出。

FRP多功能活動(dòng)房是一種用復(fù)合增強(qiáng)材料經(jīng)真空負(fù)壓吸附而制成的、可快速組裝的多用途輕質(zhì)活動(dòng)房，既能承受拉應(yīng)力，又可承受彎曲、壓縮和剪切應(yīng)力，耐高溫、耐腐蝕以及耐候性強(qiáng)（抗紫外線、抗鹽霧、抗酸堿性）等優(yōu)越性能 。不生銹、不降低強(qiáng)度，具有抗震、抗風(fēng)等優(yōu)越性，阻燃性可根據(jù)要求而定，組裝方便、快捷，產(chǎn)品光澤、順滑，不需要二次裝潢即可直接使用。

2 FRP多功能房設(shè)計(jì)及工藝

2.1 FRP 結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法

結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法從力學(xué)計(jì)算的角度可分為彈性設(shè)計(jì)法和塑性設(shè)計(jì)法；從可靠度的角度分為定值的安全系數(shù)設(shè)計(jì)法和概率設(shè)計(jì)法兩大類，具體的分類見圖1。

從力學(xué)計(jì)算的角度，F(xiàn)RP 結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法是彈性設(shè)計(jì)法。從可靠度的角度，F(xiàn)RP 結(jié)構(gòu)目前主要有容許應(yīng)力設(shè)計(jì)法和半概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法。

2.1.1 容許應(yīng)力法

容許應(yīng)力法是目前美國規(guī)范采用的設(shè)計(jì)方法。對(duì)于 FRP 型材，正常使用時(shí)其基本上是線彈性的，由于其正常使用時(shí)的荷載和破壞時(shí)的荷載是相近的，所以對(duì) FRP 型材往往采用較大的安全系數(shù)。

2.1.2 半概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法

由于 FRP 型材的破壞為脆性破壞，且其在荷載長(zhǎng)期作用下的性能研究尚不完善，基于此一般認(rèn)為對(duì)其采用較大的可靠性指標(biāo)，3.0～4.5。但是，由于FRP 結(jié)構(gòu)的工程目前很少，對(duì)其結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的可靠性指標(biāo)研究缺少資料。因此要想采用由一次二階矩法反推出來的荷載與抗力分項(xiàng)系數(shù)法還存在困難。

歐洲規(guī)范目前采用的設(shè)計(jì)方法是，基于半概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法的荷載與抗力分項(xiàng)系數(shù)的表達(dá)形式，即

式中 Sk，Rk ，Rd——荷載標(biāo)準(zhǔn)值，抗力標(biāo)準(zhǔn)值，荷載設(shè)計(jì)值；

γi ，γR——荷載和材料抗力分項(xiàng)系數(shù)，任何情況下， γR≥1.5；

γ1 ， γ2 ，γ3 ——分別為考慮材料參數(shù)的來源方法的、材料的制作工藝、荷載周期和構(gòu)件使用溫度的系數(shù)，取值見表3。

2.2 FRP成型工藝

基本上分兩大類，即濕法接觸型和干法加壓成型。如按工藝特點(diǎn)來分，有手糊成型、層壓成型、RTM法、擠拉法、模壓成型、纏繞成型等。手糊成型又包括手糊法、袋壓法、噴射法、濕糊低壓法和無模手糊法。

目前世界上使用最多的成型方法有以下四種。

1）手糊法：主要使用國家有挪威、日本、英國、丹麥等。

2）噴射法：主要使用國家有瑞典、美國、挪威等。

3）模壓法：主要使用國家有德國等。

4）RTM法（樹脂傳遞模塑）：主要使用國家有歐美各國、日本。

此外，還有纖維纏繞成型法、拉擠成型法和熱壓灌成型法等等。

我國有90%以上的FRP產(chǎn)品是手糊法生產(chǎn)的，其他有模壓法、纏繞法、層壓法等。日本的手糊法仍占50%。從世界各國來看，手糊法仍占相當(dāng)比重，說明它仍有生命力。手糊法的特點(diǎn)是用濕態(tài)樹脂成型，設(shè)備簡(jiǎn)單，費(fèi)用少，一次能糊10m以上的整體產(chǎn)品。缺點(diǎn)是機(jī)械化程度低，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，質(zhì)量不穩(wěn)定。我國從國外引進(jìn)了擠拉、噴涂、纏繞等工藝設(shè)備，隨著FRP工業(yè)的發(fā)展，新的工藝方法將會(huì)不斷出現(xiàn)。

FRP多功能房采用的生產(chǎn)工藝是L-RTM（輕型樹脂傳遞模塑工藝）。L-RTM是近年來發(fā)展迅速的低成本制造工藝，目前在船艦、汽車、工業(yè)和醫(yī)用復(fù)合材料領(lǐng)域中應(yīng)用已有超過RTM工藝的趨勢(shì)。

傳統(tǒng)的RTM工藝，由于是閉模工藝，具有減少揮發(fā)性有機(jī)物（VOC）排放擴(kuò)大可用原材料范圍、降低用工成本、環(huán)境友善以及可得到兩面光潔的產(chǎn)品等優(yōu)點(diǎn)。但是在RTM工藝中，樹脂的注入是在較高的壓力和流速下進(jìn)行的，因此我們要使模具的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度足夠大，以使得在注射壓力下不破壞、不變形。通常采用帶鋼管支撐的夾芯復(fù)合材料，或用數(shù)控機(jī)床加工的鋁?；蜾撃＃@使制造費(fèi)用增大，只有產(chǎn)量足夠大的產(chǎn)品，才能抵消模具費(fèi)用。此外為了閉合模具，要使周邊有足夠的箝緊能力或使用閉合模具的壓力系統(tǒng)。上述因素都限制了RTM工藝在大產(chǎn)品上的應(yīng)用。

L-RTM工藝保留了RTM工藝的對(duì)模工藝，幾乎保留了RTM工藝的所有的優(yōu)點(diǎn)。但其上模為半剛性的玻璃鋼（FRP）模，厚度一般為6mm～8mm，通常不需要用鋼管加固，模具有一個(gè)寬約100mm的剛性周邊，由雙道密封帶構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立的密封區(qū)，只要一抽真空模具即閉合，非常方便、快捷。然后對(duì)模腔內(nèi)抽真空，利用模內(nèi)的負(fù)壓和較低的注射壓力將樹脂注入模具，使樹脂滲入預(yù)先鋪設(shè)的增強(qiáng)纖維或預(yù)制件中。L-RTM的模具費(fèi)用低，而且由于模內(nèi)的受壓降低，其模具已和開模相近，很容易從開模工藝的模具改造過來。L-RTM的主要設(shè)備包括樹脂注入裝置、模具、抽真空裝置和其他輔助工具等。[2]

3 FRP多功能房拓展應(yīng)用

玻璃鋼是復(fù)合材料的一種，玻璃鋼材料因其獨(dú)特的性能優(yōu)勢(shì)，已在航空航天、鐵道鐵路、裝飾建筑、家居家具、廣告展示、工藝禮品、建材衛(wèi)浴、游艇泊船、體育用材、環(huán)衛(wèi)工程等相關(guān)十多個(gè)行業(yè)中廣泛應(yīng)用，并深受贊譽(yù)，成為材料行業(yè)中新時(shí)代商家的需求寵兒。

國內(nèi)關(guān)于L-RTM工藝及產(chǎn)品的報(bào)道不多，但在國外的應(yīng)用發(fā)展卻很快，并有超過RTM技術(shù)應(yīng)用的趨勢(shì)。目前常見的應(yīng)用領(lǐng)域，有航空航天、軍事、交通、建筑、船舶和能源等不一而足。例如：航空航天領(lǐng)域的艙門、風(fēng)扇葉片、機(jī)頭雷達(dá)罩、飛機(jī)引擎罩等：軍事領(lǐng)域的魚雷殼體、油箱、發(fā)射管等；交通領(lǐng)域的輕軌車門、公共汽車側(cè)面板、汽車底盤、保險(xiǎn)杠、卡車頂部擋板等；建筑領(lǐng)域的路燈的管狀燈桿、風(fēng)能發(fā)電機(jī)機(jī)罩、裝飾用門、椅子和桌子、頭盔等；船舶領(lǐng)域的小型劃艇船體、上層甲板等。

用L-RTM工藝生產(chǎn)的FRP多功能房安裝便捷，移動(dòng)方便，美觀大方，物美價(jià)廉以及其保溫及防彈性能，配合防彈玻璃，可以為我邊防官兵以及各地哨兵提供安全舒適的營房和崗?fù)ぁＴ诙喙δ芊康姆宽斂梢蕴碇锰柲茈姲?，為那些身處戈壁海島的官兵送去更多的溫暖。對(duì)保障官兵住用，鞏固和提高部隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力具有重要作用。（見圖2，圖3，圖4）

FRP多功能房是一種可方便快速地進(jìn)行組裝和拆卸，能夠重復(fù)使用，使得臨時(shí)建筑具有標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、系列化開發(fā)、規(guī)?；a(chǎn)、配套化供應(yīng)、可庫存、環(huán)保節(jié)能等多種優(yōu)異性能。但目前涉及研究和生產(chǎn)不多，特別對(duì)其性能了解不多，如果加大推廣，特別是在國防領(lǐng)域，可以有力地提高后勤保障能力，軍事和經(jīng)濟(jì)效益將十分可觀。

參考文獻(xiàn)：

[1]一鳴.中國玻璃鋼行業(yè)產(chǎn)銷需求與投資預(yù)測(cè)分析報(bào)告前瞻[R].前瞻資訊，2013 .

[2] 中國硅酸鹽學(xué)會(huì)玻璃鋼分會(huì).第十七屆玻璃鋼復(fù)合材料學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C].廣州：[出版者不詳]，2008.（作者單位：北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所）