玻璃纤维复合材料的性能与分析

与钢材相比，玻璃纤维增强复合材料的材质较轻，密度不到钢材的1/3，但在强度方面，当应力达到400MPa时钢筋会出现屈服应力，而玻璃纤维复合材料的抗拉强度可达到1000-2500MPa。与传统的金属材料相比，玻璃纤维复合材料为非均质结构且具有明显的各向异性，破坏机制更加复杂，在不同类型载荷下对其进行试验和理论研究，能够对其力学特性有全面的了解，特别是应用于国防装备和航空航天等领域需要深入研究其特性和力学性能，从而满足其在使用环境下的需求。

下面介绍玻璃纤维复合材料的力学性能与损伤后的分析，为该种材料的应用提供指导。

（1）拉伸性能与分析：

有研究玻璃纤维增强环氧树脂复合材料的力学性能显示，材料平行方向的拉伸强度远大于垂直纤维方向的，因此在实际使用中应将玻璃纤维方向与受拉方向尽量保持一致，充分利用其优异的抗拉性能，与钢材相比，抗拉强度明显较高，但密度却远小于钢材，可见，玻璃纤维复合材料的综合力学性能较高。

表1玻璃纤维增强环氧树脂与Q235性能对比

有研究显示，提高热塑性复合材料中玻璃纤维的加入量，复合材料的拉伸强度会逐步地增加，主要原因在于玻璃纤维含量增加时，复合材料中有更多的玻璃纤维承受外力的作用，同时由于玻璃纤维数量的增加，使得玻璃纤维之间的树脂基体变薄，更有利于玻璃纤维增强框架的搭建，因此，玻纤含量的提升使得复合材料在受到外加载荷情况下，应力更多的由树脂传递至玻纤，有效提升了其拉伸性能。由图1也可看出，在相同的纤维含量下，长玻璃纤维复合材料的拉伸性能优于短玻纤。

图1不同纤维含量下材料的拉伸强度

有研究对玻璃纤维不饱和聚酯复合材料的拉伸试验显示，通过拉伸断面的扫描电镜图发现玻璃纤维增强复合材料的失效形式为纤维和树脂基体的组合破坏，断口显示为拉伸断面上有大量玻纤从树脂基体中拔出，从树脂基体中拔出的玻璃纤维的表面光滑、干净，粘结在玻璃纤维表面的树脂碎片非常少，表现为脆性断裂，通过改善玻璃纤维与树脂的链接界面，增强二者的嵌合能力，拉伸断面上可见大部分玻璃纤维粘结较多的基体树脂碎屑，进一步放大观察发现，大量的基体树脂粘结在已经拔出玻纤的表面且呈现类似梳状排列，断口表现为韧性断裂，能够获得更加优异的力学性能。

图2 196 树脂的 GFRP 的拉伸断面的 SEM 照片

图3 UP/PU 共聚树脂 GFRP 拉伸断面的 SEM 照片

（2）弯曲性能与分析：

对玻璃纤维增强环氧树脂复合材料的单向板和树脂浇筑体进行了三点弯曲疲劳试验，显示随着疲劳次数的增加，二者弯曲刚度不断下降，但玻璃纤维增强单向板的弯曲刚度远高于浇注体，且弯曲刚度下降速度更慢，时间出现裂纹的疲劳次数较多，说明玻璃纤维对基体的弯曲性能有增强的效果。

随着玻璃纤维的引入和体积分数逐渐增加，复合材料的抗弯强度也相应增加，在纤维体积分数为50%时，其抗弯曲强度为最高，较原样强度提高了21.3%，而在纤维体积分数为80%时，复合材料的抗弯曲强度有明显的下降，低于未加入纤维试样的强度，通常认为，材料的低强度可能是由于内部的微裂纹和空隙阻断了载荷通过基体向纤维的有效传递，在外力作用下微裂纹迅速扩展形成断层，最终造成破坏。该玻纤复合材料的界面结合主要依赖于玻纤基体高温下的粘性流动对纤维进行包裹，而过多的玻璃纤维对基体的粘性流动产生了极大地阻碍作用，对界面间的连续性产生了一定程度的破坏作用。

表2 不同纤维体积分数复合材料的抗弯曲强度

（3）抗侵彻性能：

将高强玻璃纤维增强复合材料用于反应装甲的面和背板，与传统的合金钢相比，具有更好的抗侵彻性能，见表3和表4，由图4可知，与合金钢相比玻璃纤维复合材料作为爆炸反应装甲的面和背板时，爆轰作用发生后，玻璃纤维复合材料如图4（b）的残留碎片较小，无任何杀伤能力，可部分消除爆炸反应装甲的二次杀伤效应。

表3 纤维增强树脂基复合材料对破甲弹的防护性能

表4 合金钢对破甲弹的防护性能

 图4 爆炸反应装甲背板的损伤情况

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