2018年,苹果公司举行iphone X 发布会时,刚刚落成的乔布斯剧院吸引了全世界的关注,刷爆了朋友圈。剧院的整个地上结构除了科技感十足的玻璃之外,舒展轻盈的屋顶也是其一大亮点,而制作这个屋顶的材料正是纤维增强复合材料。整个碳纤维屋顶直径约47米,但自重仅80吨,折合每平米平均重46千克,仅相当于约6毫米厚的钢板。如此惊人的减重效果,才使得屋面承重于周边结构玻璃成为可能,造就了令人惊叹的空间效果。
乔布斯剧院FRP屋顶
纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer /Plastics,简称FRP),由纤维材料与基体材料经过缠绕,模压或拉挤等成型工艺而形成的复合材料。常用的增强纤维材料有碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维,基体材料有环氧树脂、乙烯基酯树脂、不饱和聚酯树脂等。由微观到宏观,首先由极细的纤维丝按一定方向排列或编织为板、布等形式,再与基体材料胶结后形成纤维增强复合材料制品。
纤维增强复合材料具有一系列的优良性能。如FRP本身重量轻,密度约为14~21kN/m³,为钢的1/6~1/4,比铝还轻,而FRP的强度/重量比通常可达钢材的4倍以上,可应用于大跨结构中时,极大减轻结构自重,也同时能够符合航空、航天结构设计对材料的重要要求。而且FRP材料的力学性能可以设计,即可以通过选择合适的原材料和合理的铺层形式,使复合材料构件或复合材料结构满足使用要求。FRP的生产制作工艺包括拉挤、缠绕、手糊、喷射成型等多种方式,不仅可规模化生产形状规则的FRP制品,更可制作出几乎任意形状的板材用于构筑非线性工艺造型。另外,在纤维增强复合材料的基体中有成千上万根独立的纤维。当用这种材料制成的构件超载,并有少量纤维断裂时,载荷会迅速重新分配并传递到未破坏的纤维上,因此整个构件不至于在短时间内丧失承载能力。
纤维增强复合材料自从20世纪40年代问世以来,最先被应用于航空航天、国防军工等领域。比如波音787和空客350等客机制造材料中,纤维增强复合材料的使用比例均超过50%(重量比),高于钢、铝、钛等金属及其合金。随着科技的进步和发展,材料制备成本也逐渐降低,纤维增强复合材料也逐渐开始走入人们的日常生活,常用的有玻璃纤维增强复合材料GFRP(俗称玻璃钢)、碳纤维增强复合材料CFRP。GFRP多用于景观雕塑、座椅、垃圾桶、储料罐等,CFRP可用于游艇、汽车、自行车、体育休闲器具等。
在建筑领域,纤维增强复合材料始于上个世纪60年代便开始应用,到90年代,随着纤维复合材料加固钢筋混凝土结构技术的兴起,工程界才逐渐认可对这种新型材料。过去,建筑师一直使用木材、石头、钢铁、混凝土等传统的建筑材料,现代社会对建筑的功能性和审美性更为关注,薄壳结构、悬挑结构、悬索结构、网架结构等新型结构对建筑材料提出了更高的要求。如上海迪士尼乐园明日世界占地面积超过2300平方米,广泛的内部和外部建筑结构和座椅都是用几百种不同形状和尺寸的阻燃胶衣饰面FRP部件组成的,而且所有所需的FRP部件都是手糊成形的。为了确保用于迪斯尼乐园的所有FRP满足国家对完全组装复合材料部件的B1防火性等级要求,材料制造公司最终利用高性能聚氨酯丙烯酸酯,以三水合铝(ATH)作为辅助树脂,根据需要加入了450克/平方米的玻璃纤维短切原丝毡和450g/㎡的无捻粗纱布作为增强材料。
在汽车领域,自从1953年世界上第一部FRP汽车——GM Corvette制造成功以后,纤维增强复合材料即成为汽车工业的一支生力军。20纪70年代开始,汽车玻璃纤维增强复合材料发展得到快速发展。随着环保和轻量化、节能等需求,复合材料原材料以及工艺制造和装备的不断进步,汽车复合材料构件的制造成本降低、生产效率提高,以玻璃毡增强热塑性树脂成型工艺、长纤维在线模压成型工艺、树脂注射成型为代表的高性能复合材料得到了迅猛发展,主要用于汽车的车身、车身地板、车门、轮毂等结构件和半结构件。
尽管纤维增强复合材料已经在建筑、汽车领域崭露头角,并且得到了很多实际的应用,但是,在应用过程中仍然还存在一些问题,阻碍了纤维增强复合材料的推广。比如,在民用建筑中使用的纤维复合材料必须遵守标准和技术规范,而目前纤维增强复合材料中此类的标准文献还很少,有限的标准/技术规范还在发展中。以及与普通材料相比,纤维复合材料的成本相对较高,导致材料的使用具有很大的局限性等。但随着技术的不断发展,纤维增强复合材料也在逐渐更新。
尽管存在这些困难,但由于其独特的特点,一些复合材料已经被选择成为传统材料的替代品,传统的材料行业发生了翻天覆地的变化。尤其在缩短工期,减轻结构质量,提高装配化程度,提高构件质量和耐久性等方面已经显示出了巨大的潜力。此外,在今后的研究及应用过程中,纤维增强复合材料还应朝着提高生产率、绿色环保、节能减排、提高功能和质量、拓展新的应用领域的方向发展。