环向纤维缠绕构件压缩行为评估：CFRP与BFRP复合材料对比研究

纤维增强聚合物复合材料因具备优异的比力学性能，在工业领域得到广泛应用。其中，碳纤维增强聚合物（CFRP）最常用于汽车与航空航天领域，但其生产过程能耗高，且会产生显著的环境影响。因此，天然纤维的关注度日益提升。在各类天然纤维中，玄武岩纤维被用作聚合物基复合材料的增强体，这是由于玄武岩纤维增强聚合物（BFRP）兼具良好的力学性能与较低的生态足迹。在此背景下，本研究对采用环向纤维缠绕工艺制备（缠绕角为88°）的 CFRP与 BFRP 管状构件开展了对比试验评估。依据 ASTMD2412 与 ASTMD695 标准进行径向与轴向压缩试验，以评估管材刚度、最大压缩应力与失效机制。研究结果表明，纤维类型对压缩行为与损伤机制具有显著影响。此外，主要结果显示，CFRP 构件的管材刚度最高，约为 8.9MPa，而 BFRP 构件为 6.0MPa；BFRP 试样在径向载荷下则表现出更具弹性、更渐进的变形行为。两种材料在轴向压缩试验下的峰值应力值相近，约为 60MPa，这是由于载荷方向与纤维取向垂直，因此其力学性能与基体性能相近。

1 引言

近几十年来，纤维增强聚合物（FRP）复合材料逐步成为航空航天、汽车、土木与能源等高性能工程应用领域的核心材料。其广泛应用主要得益于高比刚度与比强度、优异的耐腐蚀性以及低密度等特性的组合，可实现轻量化且结构高效的构件设计。通过纤维选择、取向、铺层顺序与基体配方可定制力学性能，进一步提升了其通用性，使 FRP 尤其适用于以耐久性、高力学性能与减重为关键设计要求的应用场景。在各类 FRP 体系中，碳纤维增强聚合物（CFRP）被广泛视为高性能结构应用的标杆材料。事实上，CFRP 具备高拉伸强度、弹性模量与抗疲劳性能，使其广泛应用于飞机主承力结构、高性能汽车构件、风力发电机叶片与压力容器。其优异的强度重量比可在不降低力学完整性的前提下，显著降低结构质量。然而，碳纤维通常以聚丙烯腈（PAN）为原丝，经稳定化与高温碳化制备，生产过程能耗极高，且伴随大量二氧化碳排放与较高的制造成本。这些缺陷推动研究人员不断探索具备可比力学性能、且环境足迹更低的可持续替代材料。在此框架下，玄武岩纤维增强聚合物（BFRP）成为CFRP 极具潜力且更具可持续性的替代材料。玄武岩纤维由天然火山岩经简单熔融与挤出工艺制得，其生产过程的能耗与环境危害均低于碳纤维。近期研究表明，BFRP 兼具良好的拉伸强度、化学稳定性、耐热性、苛刻环境下的耐久性与低环境影响，尤其适用于可持续工程应用。尽管 BFRP 的力学性能通常略低于 CFRP，但其性价比更高且环境优势显著，实现了性能与可持续性的平衡。对比分析表明，尽管CFRP的轴向强度与刚度更优，但 BFRP 的抗冲击性能与能量吸收能力更强，尤其适用于耐撞性应用场景。在 FRP 结构先进制造技术方面，纤维缠绕（FW）工艺已成为制备高精度管状构件与压力容器的最成熟技术。该工艺将预浸聚合物基体的连续纤维，按预设轨迹缠绕在旋转芯模上。固化后移除芯模，得到几何形状与纤维结构规整的中空复合材料结构。纤维缠绕管材的关键设计参数为缠绕角，即纤维方向与管材纵向轴线之间的夹角。该参数对刚度、强度、载荷传递机制与失效模式具有显著影响。现有科研文献中的试验研究表明，FRP 缠绕管状构件的力学性能受缠绕构型影响显著。

2 材料与方法

2.1 材料

复合管状试样采用玄武岩与碳纤维预浸丝束制备。单向丝束通过自动化制造工艺浸渍环氧树脂。采用亨斯迈国际有限公司（比利时蒂伦）生产的环氧树脂浸渍碳纤维与玄武岩纤维，该树脂的凝胶温度（Tgel）为 90℃，玻璃化转变温度（Tg）为 120℃。为防止树脂降解或过早固化，预浸丝束卷存储于 -18℃ 的工业冰箱中。采用比利时韦弗尔赫姆的 Basaltex1200 作为玄武岩丝束的增强体，宽度为 6mm。BF 预浸丝束的树脂质量分数为 28.2%。碳纤维预浸丝束采用日本东京三菱 TRH5030KCF 长丝，宽度为 10mm。CF 预浸丝束的树脂质量分数为 28.2%。假设预浸丝束无孔隙， CFRP 与 BFRP 的纤维含量均为 71.8%。

2.2 纤维缠绕与固化工艺 

CFRP 与 BFRP 管状构件采用 X-Winder（美国俄亥俄州辛辛那提）实验室级纤维缠绕机制备（图1）。该系统配备四个受控轴：X 轴带动横向滑台向旋转芯模移动，Z 轴使滑台沿芯模纵向移动，W 轴实现芯模绕Z轴旋转，U轴使沉积头绕 X 轴旋转。这些协调运动可实现纤维在芯模上的精准缠绕。具体而言，X 轴用于覆盖容器封头，Z 轴与 U 轴控制圆柱段的缠绕，W 轴管控芯模旋转。最终的纤维沉积图案与角度由沉积头平移与芯模旋转共同决定。

图1 实验室级纤维缠绕机

制备内径为 35mm 的管状构件，采用两层结构，缠绕角为 88°，随后通过专用复合固化炉（荷兰EasyComposites公司OV301型固化炉）固化。根据树脂制造商建议，构件在 120℃ 固化 2h，随后在 150℃ 进行第二阶段固化 2h，然后空冷。将固化后的管材切割，得到管状试样，用于评估与对比两种研究材料的力学性能。（如图2所示）

图2 两种研究材料的力学性能评估与对比

2.3 压缩试验

为表征 BFRP 与 CFRP 复合材料缠绕构件的压缩行为，采用 MTS810® 万能试验机（美国明尼苏达州伊甸普雷里 MTS 系统公司）配备 250kN 载荷传感器，在室温下以 12.5±0.5mm/min 的恒定横梁位移速率进行径向与轴向压缩试验。压缩载荷通过两块平整光滑的工具钢板施加，钢板尺寸超过试样长度，确保测试过程中接触均匀（图3）。

图3 径向与轴向压缩试验

径向压缩试验依据 ASTMD2412 标准制备与测试试样。试样内径 35mm，长度 300mm，通过切割制得。首先去除纤维缠绕过程中产生的外部车削区域，确保几何形状与表面质量均匀。随后沿管材长度进行 250mm 等距切割，得到所需尺寸的试样。

依据 ASTMD2412 标准，通过测试过程中采集的力-位移数据评估管材刚度（PS）。具体而言，标准建议当垂直位移达到内径的 30% 时停止测试。标准定义了计算PS的关键参数，即挠度Δy。该参数表示内径的百分比变化，单位为毫米。根据标准，必须在指定挠度水平下确定管材刚度，通常对应内径的5% 或 10%。根据公式（1）计算的管材刚度是施加载荷（F）、对应挠度Δy（5% 或10%）与试样长度（l）的函数。

轴向压缩试验依据 ASTMD695 标准进行。切割 3 个纤维缠绕工艺制备的管状试样，内径 35mm，高度 70mm，去除两端纤维缠绕过程中产生的厚度不规则区域。轴向压缩试验过程中采集载荷与位移数据，绘制载荷-位移曲线，进而推导构件的压缩行为。

3 结论

本研究旨在评估与对比采用 88° 缠绕角纤维缠绕工艺制备的 CFRP 与 BFRP 复合材料管状构件的压缩行为。为此，依据 ASTMD2412 与 ASTMD695 标准进行径向与轴向压缩试验，以评估 CFRP 与 BFRP 管状试样的力学性能。最后，采用体视显微镜观察试样的断裂表面，研究压缩载荷过程中产生的主要失效机制。研究表明，纤维类型对压缩行为与损伤机制具有显著影响。具体而言，主要结果总结如下：径向压缩试验：BFRP 在较宽位移范围内表现出以准弹性为主的行为，失效前刚度逐渐降低；相反，CFRP表现出更脆性的行为，损伤起始更早，达到峰值后载荷下降更显著。考虑挠度为直径 5% 与10% 两种情况，CFRP 试样的管材刚度值高于 BFRP 试样。CFRP 与 BFRP 管状构件沿侧面表现出相似的失效模式，特征为垂直于纤维方向扩展的裂纹。相反，试样-板材界面处的压缩失效机制不同：CFRP 表现出更均匀、更脆性的失效，特征为连续裂纹扩展与纤维主导断裂；而 BFRP 由于显著的纤维-基体脱粘与裂纹分支，表现出更不均匀的行为。总体而言，对于不需要高性能的特定应用，BFRP 是 CFRP 的良好替代材料，在具备可比力学性能的同时环境影响更低。