玻璃纖維含量和直徑對復合材料力學性能影響研究

胡翠平 趙艷閣

（青島工學院 266300）

1 引言

玻璃纖維增強復合材料（GFRP）具有很多優異的性能，在很多領域成為一種很受歡迎新型結構材料。GFRP是以環氧樹脂作為基體，通過填充玻璃纖維而制成的復合材料。玻璃纖維是一種性能優良的非金屬材料，種類較多，其絕緣性能、抗腐蝕性能好、力學強度較高，通常作為環氧樹脂的增強材料使用。玻璃纖維增強環氧樹脂由合成樹脂和玻璃纖維經復合工藝制成，具有質量輕、比強度高、電絕緣性好、耐腐蝕等優點，已廣泛應用于國防科技、航天航空、建筑、交通及智能電網自動化等領域[1～2]。

纖維復合材料本身具有強烈的結構特性，是一種多相體材料，其力學性能不僅取決于各組分材料的性能，同時也取決于材料的細觀結構特性，如纖維的體積含率、分布規律等[3]。纖維是復合材料中的增強體，是反映復合材料性能的主要成分，纖維的強度在復合材料性能上起著至關重要的作用，本文從纖維含量變化情況入手研究纖維含量對復合材料性能的影響。

2 數值模擬

利用有限元軟件來建立細觀模型分析纖維含量對玻璃纖維增強環氧樹脂復合材料性能的影響[4]，五個細觀模型的纖維含量分別為5%（包含5根纖維）、15%（包含15根纖維）、25%（包含25根纖維）、35%（包含35根纖維）、45%（包含45根纖維），玻璃纖維彈性模量為72GPa，環氧樹脂基體彈性模量為3.79GPa，模型如圖1。

圖1 體積含量是15%的模型

從圖2中得到，在同一加載情況下，隨著模型中纖維體積含量的增加，模型所承受的應力也越大，這驗證了纖維是復合材料中的增強體，對復合材料性能起至關重要作用，說明纖維較基體先破壞，當最弱的纖維破壞后，荷載由其他完好纖維繼續承擔，這樣如果纖維體積含量小，即使斷裂少量的纖維，整個模型也會受到很大的影響。在保證具有足夠傳遞荷載的基體含量情況下，纖維含量越多，所能承受的極限荷載值越大，模型越不容易產生斷裂。

還模擬了當纖維體積含量相同但纖維直徑不同的情形，看纖維直徑是如何影響復合材料的力學性能。從圖3中我們得到，在同一加載情況下，同纖維含量的復合材料模型的應力應變曲線在彈性階段基本相同，纖維直徑大的復合材料模型在同一應變下的應力比纖維直徑小的復合材料模型的應力稍微小一點，幾乎可以忽略二者的誤差，說明無論直徑大小，只要纖維含量相同模型在彈性階段的彈性模量基本相同。隨著纖維直徑的變化，模型整體彈性模量在加載后期變化明顯。模型應力應變曲線發生應力降時的應變不同，纖維直徑越大的復合材料模型的應力應變曲線發生應力降時的應變越大，說明纖維直徑小的復合材料模型中的纖維較纖維直徑大的模型中的纖維先斷裂。

另外，發生應力降之后各模型的彈性模量之間也有明顯差別，纖維直徑越小的復合材料模型的應力降越小，在發生應力降之后，纖維直徑越小的復合材料模型彈性模量相對越大。模型的應力應變曲線的趨勢都始終是增加的，這樣直到最后加載過程完成。所以，復合材料中的纖維含量相對越高，直徑相對越小更能提高復合材料的力學性能。

圖3 各種含量的模型應力應變曲線

3 總結

（1）經過數值模擬得出隨著纖維的增加復合材料強度不斷增加，也說明了纖維強度對整個復合材料的控制作用。

（2）復合材料中的纖維含量相對越高，直徑相對越小更能提高復合材料的力學性能。