纖維增強復合塑料（FRP）多功能房性能及應用概述

常浩++傅麗強

摘要：

通過抗風試驗、抗震試驗、防雪承載試驗、保溫試驗及防彈試驗，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，滿足其風吹日曬、酸堿侵蝕、移動便捷、安裝方便等要求。更由于其可以具有一定保溫防彈功能，拓展了使用領域。

關鍵詞：玻璃鋼；防彈；多功能房；L-RTM

活動房作為一種臨時建筑形式有著悠久的歷史，它源于民而標準化于軍事。活動房可方便快速地進行組裝和拆卸，能夠重復使用，使得臨時建筑進入到一個標準化設計、系列化開發、規模化生產、配套化供應、可庫存、環保節能的定型產品領域。

目前國內的活動板房種類有以下三類：水泥活動房、磷鎂活動房和彩鋼板活動房。這三種活動板房在民用領域中正在大量使用。雖然在軍用領域中也在使用，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域使用的意義。

1 FRP多功能活動房性能

FRP（Fiber Reinforced Plastics），意即纖維增強復合塑料。FRP 由增強纖維和基體組成，基體常采用樹脂。根據所采用的增強纖維的材料不同，可將 FRP 分為 GFRP（玻璃纖維增強塑料）、CFRP（碳纖維增強塑料）、AFRP（芳綸纖維增強塑料）等。在結構工程中最常用的是 GFRP和 CFRP。GFRP 在我國經常被稱為玻璃鋼，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首次作為結構材料出現于 1942 年，美國軍方用手糊的 GFRP 制作雷達天線罩。不同纖維的化學成分不同，力學性能也有較大差別，相應的力學性質表現出很大的差異。常見的幾種力學性能見表1。

FRP復合材料具有以下優點：[1]

1）有很高的比強度，即通常所說的輕質高強。因此采用FRP材料可減輕結構自重。同時FRP的抗拉強度均明顯超過了鋼筋與高強鋼絲差不多且在達到抗拉強度之前幾乎沒有塑性變形產生。

2）有良好耐腐蝕性。FRP可以在酸、堿 、氯鹽和潮濕的環境中長期使用。這是傳統結構材料難以比擬的。

3）具有很好的可設計性。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計出各種強度指標、彈性模量以及特殊性能要求的FRP產品。 而且產品成型方便，形狀可靈活設計。

4）具有很好的彈性性能 。應力應變曲線接近線彈性。在發生較大變形后還能恢復原狀， 塑性變形小， 有利于結構偶然超載后的變形恢復。

5）FRP產品適合在工廠生產、運輸、現場安裝，有利于保證工程質量，提高勞動效率。

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

FRP 材料由于輕質高強的性質，構件可預制，對基礎的要求低，符合活動房的材料性質的基本要求。此外，FRP 還有著其他很多優點，如（1）FRP對大氣、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 室溫下的熱導率只有金屬的 1/100～1/1000，絕熱性能優良；（4）FRP 有著很好的工藝性，對形狀復雜、不易成型的產品，其工藝的優越性更為突出。

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

2 FRP多功能房設計及工藝

2.1 FRP 結構的設計方法

結構的設計方法從力學計算的角度可分為彈性設計法和塑性設計法；從可靠度的角度分為定值的安全系數設計法和概率設計法兩大類，具體的分類見圖1。

從力學計算的角度，FRP 結構的設計方法是彈性設計法。從可靠度的角度，FRP 結構目前主要有容許應力設計法和半概率極限狀態設計法。

2.1.1 容許應力法

容許應力法是目前美國規范采用的設計方法。對于 FRP 型材，正常使用時其基本上是線彈性的，由于其正常使用時的荷載和破壞時的荷載是相近的，所以對 FRP 型材往往采用較大的安全系數。

2.1.2 半概率極限狀態設計法

由于 FRP 型材的破壞為脆性破壞，且其在荷載長期作用下的性能研究尚不完善，基于此一般認為對其采用較大的可靠性指標，3.0～4.5。但是，由于FRP 結構的工程目前很少，對其結構或構件的可靠性指標研究缺少資料。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系數法還存在困難。

歐洲規范目前采用的設計方法是，基于半概率極限狀態設計法的荷載與抗力分項系數的表達形式，即

式中 Sk，Rk ，Rd——荷載標準值，抗力標準值，荷載設計值；

γi ，γR——荷載和材料抗力分項系數，任何情況下， γR≥1.5；

γ1 ， γ2 ，γ3 ——分別為考慮材料參數的來源方法的、材料的制作工藝、荷載周期和構件使用溫度的系數，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產品是手糊法生產的，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，手糊法仍占相當比重，說明它仍有生命力。手糊法的特點是用濕態樹脂成型，設備簡單，費用少，一次能糊10m以上的整體產品。缺點是機械化程度低，生產周期長，質量不穩定。我國從國外引進了擠拉、噴涂、纏繞等工藝設備，隨著FRP工業的發展，新的工藝方法將會不斷出現。

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

傳統的RTM工藝，由于是閉模工藝，具有減少揮發性有機物（VOC）排放擴大可用原材料范圍、降低用工成本、環境友善以及可得到兩面光潔的產品等優點。但是在RTM工藝中，樹脂的注入是在較高的壓力和流速下進行的，因此我們要使模具的結構強度和剛度足夠大，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合材料，或用數控機床加工的鋁模或鋼模，這使制造費用增大，只有產量足夠大的產品，才能抵消模具費用。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。上述因素都限制了RTM工藝在大產品上的應用。

L-RTM工藝保留了RTM工藝的對模工藝，幾乎保留了RTM工藝的所有的優點。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，模具有一個寬約100mm的剛性周邊，由雙道密封帶構成一個獨立的密封區，只要一抽真空模具即閉合，非常方便、快捷。然后對模腔內抽真空，利用模內的負壓和較低的注射壓力將樹脂注入模具，使樹脂滲入預先鋪設的增強纖維或預制件中。L-RTM的模具費用低，而且由于模內的受壓降低，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多功能房拓展應用

玻璃鋼是復合材料的一種，玻璃鋼材料因其獨特的性能優勢，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、建材衛浴、游艇泊船、體育用材、環衛工程等相關十多個行業中廣泛應用，并深受贊譽，成為材料行業中新時代商家的需求寵兒。

國內關于L-RTM工藝及產品的報道不多，但在國外的應用發展卻很快，并有超過RTM技術應用的趨勢。目前常見的應用領域，有航空航天、軍事、交通、建筑、船舶和能源等不一而足。例如：航空航天領域的艙門、風扇葉片、機頭雷達罩、飛機引擎罩等：軍事領域的魚雷殼體、油箱、發射管等；交通領域的輕軌車門、公共汽車側面板、汽車底盤、保險杠、卡車頂部擋板等；建筑領域的路燈的管狀燈桿、風能發電機機罩、裝飾用門、椅子和桌子、頭盔等；船舶領域的小型劃艇船體、上層甲板等。

用L-RTM工藝生產的FRP多功能房安裝便捷，移動方便，美觀大方，物美價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亭。在多功能房的房頂可以添置太陽能電板，為那些身處戈壁海島的官兵送去更多的溫暖。對保障官兵住用，鞏固和提高部隊戰斗力具有重要作用。（見圖2，圖3，圖4）

FRP多功能房是一種可方便快速地進行組裝和拆卸，能夠重復使用，使得臨時建筑具有標準化設計、系列化開發、規模化生產、配套化供應、可庫存、環保節能等多種優異性能。但目前涉及研究和生產不多，特別對其性能了解不多，如果加大推廣，特別是在國防領域，可以有力地提高后勤保障能力，軍事和經濟效益將十分可觀。

參考文獻：

[1]一鳴.中國玻璃鋼行業產銷需求與投資預測分析報告前瞻[R].前瞻資訊，2013 .

[2] 中國硅酸鹽學會玻璃鋼分會.第十七屆玻璃鋼復合材料學術年會論文集[C].廣州：[出版者不詳]，2008.（作者單位：北京航天試驗技術研究所）