摘 要

玻璃纤维增强塑料由于其高比强度、耐腐蚀性等特点，被广泛应用于各个领域。但因为树脂基体的蠕变，导致复合材料的长期力学性能退化，从而影响复合材料结构的使用寿命。因此，进行复合材料长期性能的研究有着极其重要的意义。为了探究玻璃纤维增强塑料的蠕变性能，本文利用恒载长期性能测试的方法，将理论与实验相结合，系统地研究了在一定应力水平作用下，不同铺设角的树玻璃纤维复合材料单层板的蠕变性能，并建立蠕变柔量的理论表达式。

（1）从复合材料特有的蠕变性能与粘弹性入手，引用了Maxwell模型、Kelvin模型和三参量的理论模型，为实验部分提供了理论支撑。

（2）根据复合材料的初始强度确定了适当的恒载应力水平，分别对不同铺设角度的树脂基复合材料单层板试样进行了长期拉伸实验，得到了蠕变柔量随时间的变化关系。

（3）将实验得到的蠕变柔量数据，结合Maxwell模型、Kelvin模型和三参量理论模型，对不同铺设角度的蠕变柔量进行曲线拟合，得到其与时间的变化规律，为复合材料结构设计提供一定的依据。并比较了三种模型的拟合结果，结果表明，Kelvin模型和三参量理论模型的拟合性较为准确，Maxwell模型的拟合性最差。

实验与理论模型结果表明，不同铺设角度的玻璃纤维增强塑料的蠕变性能不同，90°铺设角的试样蠕变柔量最大，30°铺设角的试样最小。这是因为蠕变主要由树脂基体引起，纤维的蠕变与树脂相比，可以忽略不计。复合材料结构设计必须考虑该材料的蠕变性能，以其长期力学性能作为设计依据。

关键词：玻璃纤维增强塑料；蠕变；恒载实验；粘弹性分析

Abstract

Glass fiber reinforced plastic because of its high specific strength, corrosion resistance and other characteristics, are widely used in various fields. But because of the creep of the resin matrix, resulting in long-term mechanical properties of composite degradation, thus affecting the composite structure of the service life. Therefore, the long-term performance of composite materials has a very important significance. In order to explore the creep performance of glass fiber reinforced plastics, this paper uses the method of long-term performance test of long-term performance to combine the theory and experiment to systematically study the effects of different stress levels on the tree- Plate creep performance, and to establish the theoretical expression of creep compliance.

(1) Starting from the creep performance and viscoelasticity of the composites, the theoretical model of Maxwell model, Kelvin model and three parameter is used to provide theoretical support for the experimental part.

(2) According to the initial strength of the composite, the appropriate constant stress level is determined. The long-term tensile test of the resin-based composite single-layer specimen with different angle is carried out, and the change of creep compliance with time relationship.

(3) Using the Maxwell model, Kelvin model and the three-parameter theory model, the creep compliance data obtained from the experiment are fitted with the creep compliance of different laying angles to obtain the variation law of the creep compliance data. Structural design to provide a certain basis. And the fitting results of the three models are compared. The results show that the fit of the Kelvin model and the three parameter model is more accurate and the Maxwell model is the worst fit.

The results of experimental and theoretical models show that the creep properties of glass fiber reinforced plastics with different laying angles are different, and the specimen with 90 ° laying angle has the largest creep compliance, and the 30 ° laying angle is the smallest. This is because the creep is mainly caused by the resin matrix, the creep of the fiber compared with the resin, can be ignored. The composite structure design must take into account the creep properties of the material, with its long-term mechanical properties as a design basis.

Key Words: glass fiber reinforced plastics,；creep,；dead load test；viscoelasticity analysi

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.3论文主要的研究工作 3

1.4本章小结 4

第2章 相关理论的研究 5

2.1复合材料蠕变特性 5

2.2 粘弹性本构关系 6

2.3本章小结 10

第3章 树脂基复合材料的蠕变研究 11

3.1 不同铺层角度试样的初始强度 11

3.1.1 材料与实验设备 11

3.1.2 初始强度值 11

3.2 蠕变研究的实验方案设计 13

3.3本章小结 15

第4章 实验数据的分析与处理 16

4.1实验结果及相关处理 16

4.2基于Maxwell模型的实验数据拟合 17

4.3基于Kelvin模型的实验数据拟合 19

4.4基于三参量模型的实验数据拟合 21

4.5本章小结 23

第5章 总结与展望 25

5.1 论文研究总结 25

5.2 论文后续展望 25

参考文献 27

致谢 30

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

社会发展的基础是材料，而如今的一个重要发展趋势就是材料的复合化。复合材料是指由两种或多种不同形态、不同性能的组分材料通过复合工艺组合而成的多相材料^[1]。复合材料的性能不仅优于其组分材料的性能，而且具有一些组分材料所不具备的性质^[2]，所以复合材料的在日常生活中的应用越来越广泛。早在远古时代人类就已经从实践中注意到这个特点并且根据自己的需求，将多种材料进行组合从而产生了最早的复合材料，例如早在公元前2000年以前，人们已经学会了将草茎与土柸相混合而作为住房墙体材料。但现代社会的需求更严苛，所以对复合材料的要求更高。

玻璃纤维增强塑料GFRP（Glass Fiber Reinforced Plastics）俗称玻璃钢,是复合材料中发展最为迅速的，应用最为广泛的一种复合材料，在日常的生产生活中随处可见玻璃钢，它是由合成树脂与玻璃纤维经过复合工艺制作而成的新型材料。常用的树脂基体一般按照受热冷却后能否恢复而分为热固性树脂和热塑性树脂两大类，常见有酚醛、环氧、聚酯和聚乙烯等种类。与传统的金属材料和非金属材料相比，玻璃钢的强度高，绝缘性好，耐热性和耐腐蚀性好，但是弹性模量较一般材料偏低而且更脆。复合材料中玻璃纤维起主要作用，提供材料的刚度和强度，控制材料基本力学性能，而树脂主要起配合作用，用于传递玻璃纤维间的载荷，连接并固定纤维，改善材料某些物理性能。