玻璃纤维含量和直径对复合材料力学性能影响研究

胡翠平 赵艳阁

（青岛工学院 266300）

1 引言

玻璃纤维增强复合材料（GFRP）具有很多优异的性能，在很多领域成为一种很受欢迎新型结构材料。GFRP是以环氧树脂作为基体，通过填充玻璃纤维而制成的复合材料。玻璃纤维是一种性能优良的非金属材料，种类较多，其绝缘性能、抗腐蚀性能好、力学强度较高，通常作为环氧树脂的增强材料使用。玻璃纤维增强环氧树脂由合成树脂和玻璃纤维经复合工艺制成，具有质量轻、比强度高、电绝缘性好、耐腐蚀等优点，已广泛应用于国防科技、航天航空、建筑、交通及智能电网自动化等领域[1～2]。

纤维复合材料本身具有强烈的结构特性，是一种多相体材料，其力学性能不仅取决于各组分材料的性能，同时也取决于材料的细观结构特性，如纤维的体积含率、分布规律等[3]。纤维是复合材料中的增强体，是反映复合材料性能的主要成分，纤维的强度在复合材料性能上起着至关重要的作用，本文从纤维含量变化情况入手研究纤维含量对复合材料性能的影响。

2 数值模拟

利用有限元软件来建立细观模型分析纤维含量对玻璃纤维增强环氧树脂复合材料性能的影响[4]，五个细观模型的纤维含量分别为5%（包含5根纤维）、15%（包含15根纤维）、25%（包含25根纤维）、35%（包含35根纤维）、45%（包含45根纤维），玻璃纤维弹性模量为72GPa，环氧树脂基体弹性模量为3.79GPa，模型如图1。

图1 体积含量是15%的模型

从图2中得到，在同一加载情况下，随着模型中纤维体积含量的增加，模型所承受的应力也越大，这验证了纤维是复合材料中的增强体，对复合材料性能起至关重要作用，说明纤维较基体先破坏，当最弱的纤维破坏后，荷载由其他完好纤维继续承担，这样如果纤维体积含量小，即使断裂少量的纤维，整个模型也会受到很大的影响。在保证具有足够传递荷载的基体含量情况下，纤维含量越多，所能承受的极限荷载值越大，模型越不容易产生断裂。

还模拟了当纤维体积含量相同但纤维直径不同的情形，看纤维直径是如何影响复合材料的力学性能。从图3中我们得到，在同一加载情况下，同纤维含量的复合材料模型的应力应变曲线在弹性阶段基本相同，纤维直径大的复合材料模型在同一应变下的应力比纤维直径小的复合材料模型的应力稍微小一点，几乎可以忽略二者的误差，说明无论直径大小，只要纤维含量相同模型在弹性阶段的弹性模量基本相同。随着纤维直径的变化，模型整体弹性模量在加载后期变化明显。模型应力应变曲线发生应力降时的应变不同，纤维直径越大的复合材料模型的应力应变曲线发生应力降时的应变越大，说明纤维直径小的复合材料模型中的纤维较纤维直径大的模型中的纤维先断裂。

另外，发生应力降之后各模型的弹性模量之间也有明显差别，纤维直径越小的复合材料模型的应力降越小，在发生应力降之后，纤维直径越小的复合材料模型弹性模量相对越大。模型的应力应变曲线的趋势都始终是增加的，这样直到最后加载过程完成。所以，复合材料中的纤维含量相对越高，直径相对越小更能提高复合材料的力学性能。

图3 各种含量的模型应力应变曲线

3 总结

（1）经过数值模拟得出随着纤维的增加复合材料强度不断增加，也说明了纤维强度对整个复合材料的控制作用。

（2）复合材料中的纤维含量相对越高，直径相对越小更能提高复合材料的力学性能。