高温下玻纤增强复合材料力学性能研究：纤维铺层结构影响显著，100°C时压缩强度骤降80%

研究背景与测试方案

发表于《Fire and Materials》的一项研究聚焦真空灌注玻璃纤维增强聚合物（GFRP）复合材料在高温环境下的力学性能，重点考察纤维铺层结构（fibre architecture）的影响。研究团队制备了三种纤维构型的层压板：单向（UD）、双向0°/90°正交铺层（BD）以及±45°偏轴角铺层（OA），并在稳态条件下于最高300°C的多个温度点开展拉伸与压缩测试。测试结果还与既往多轴向（MA）纤维铺层层压板的数据进行了联合分析。

关键数据：基体主导性能对温度更敏感

研究确认，GFRP力学性能具有显著的温度依赖性，其中基体主导的性能受影响更为突出。在100°C时，由于玻璃化转变，压缩强度出现大幅下降，降幅约80%，单向构型尤为明显。相比之下，纤维主导的拉伸强度以及拉伸与压缩模量降幅较小，单向构型分别约为10%、20%和10%。对于多轴向纤维结构，其行为介于单向与双向正交铺层之间，进一步凸显了纤维铺层结构对高温性能的影响。

研究还评估了文献中提出的经验模型与现象学分析模型对实验结果的模拟能力，总体拟合良好。最后，实验数据与CEN/TS 19101:2022提出的面向设计的温度转换因子进行了对比，结果显示该因子在载荷方向纤维体积分数低至20%时仍能给出合理的性能折减。

对聚合物助剂与建筑材料行业的意义

该研究虽未直接涉及聚合物助剂配方，但其揭示的基体主导性能在玻璃化转变附近急剧劣化的规律，对建筑与家装用复合材料及高分子材料的耐候稳定设计具有直接参考价值。GFRP在建筑结构、外墙板、门窗型材等场景中可能长期承受温度波动，压缩性能的大幅折减提示设计时需充分考虑基体树脂的热转变温度与使用温度区间的关系。

从材料改性角度看，提升基体树脂的耐热性与长期稳定性，往往需要借助抗氧剂与光稳定剂等手段延缓热氧老化与紫外老化，这与PVC型材等建筑材料中广泛采用的耐候稳定策略相通。对于玻璃纤维增强体系，基体树脂的玻璃化转变温度、固化体系以及界面性能共同决定了高温下的承载能力；而在户外暴露环境中，光稳定剂与抗氧剂的合理搭配有助于保持基体性能、减缓老化引起的脆化与强度损失。研究采用的真空灌注工艺也提示，加工工艺对纤维浸润与孔隙率的影响会间接反映在高温力学表现上。

此外，CEN/TS 19101:2022温度转换因子在较低纤维体积分数下仍表现合理，为工程设计中按温度折减材料性能提供了标准化参考。对于建筑与家装领域的复合材料构件，结合耐候稳定助剂体系与规范化的温度折减方法，有望在保证安全裕度的同时优化材料选型。需要注意的是，该研究为实验室稳态条件测试，实际建筑构件的长期性能还受湿热循环、荷载持续时间及紫外辐照等因素影响，相关结论的外推需谨慎。

信息来源：Mechanical Behaviour of Vacuum‐Infused GFRP Composites at Elevated Temperatures—Influence of Fibre Architecture，由合润化工整理。