芳纶纤维与碳纤维的性能比较
FRP
复合材料因其较低的密度、极高的抗拉强度和优异的抗腐蚀性能在混凝土结构的修复
与加固中大量应用，它是一种高性能纤维布与高强度粘结剂、固化剂的复合体。最常用的纤维
布为碳纤维布与芳纶纤维布。
碳纤维补强加固混凝土结构技术从
20
世纪
80
年代在国际上开始研究应用，
我国是在
1997
年起正式开始对碳纤维增强塑料加固修复
(CFRP)
土木建筑结构进行研究的，从
1998
年起开始
应用于实际工程
[1, 2]
，现在我国
FRP
方面的第一本设计规范－《碳纤维片材加固修复混凝土结
构技术规程》已完成报批。
芳纶材料（
Kevlar
）是美国杜邦公司最早于
70
年代研制开发的
[3]
，但大量用于结构补强
则开始于
1995
年日本阪神地震之后。
2000
年芳纶纤维布在日本的使用量仅为
4.5
万
m
2
，
2001
年则上升为
20
万
m
2
，
预计今后
10
年内是应用的飞速增长期。
芳纶纤维结构补强技术在国内的
应用刚起步，但其优越的材料性能（如它的不导电性、韧性及抗冲击等方面）和便捷的施工操
作性，已受到业内人士的广泛关注。
1
材料性能比较
芳纶纤维和碳纤维作为结构补强领
域的新型非金属复合材料，具备以下特
点：
a.
高弹性模量，高抗拉强度；
b.
低密度；
c.
耐久型好，抗腐蚀、耐老化；
d.
疲劳强度高；
e.
各项异性；
f.
应力－应变关系为线性
（见图
1
）
。
值得注意的是，芳纶纤维在以下方
面明显优于碳纤维：
a
、
芳纶纤维
不导电
（碳纤维导电）
，
因此在地铁、工业厂房等结构中使
用碳纤维就有很大的局限性甚至禁入性，此外，碳纤维用于混凝土结构补强，务必与钢筋
隔离以防电化学腐蚀，而使用芳纶纤维则不受此限制；
芳纶纤维
图
1
碳纤维、芳纶纤维和其它常用材料的性能比
较
b
、碳纤维布的
抗剪强度
较低，易折断，这使得施工时倒角处理要求较高，倒角半径不小
于
20mm
，而芳纶纤维仅需
10mm
即可
[4]
。
c
、碳纤维的高
弹性模量
使其能承受长期静荷载，这是其最为突出的优点，而对于承受动
载和局部冲击作用则芳纶纤维更有竞争力。
d
、碳纤维在用于限制梁的
挠度
时同芳纶纤维布相比具有一定优势，但在施工的可操作性
方面芳纶纤维无疑是更合适的材料；
e
、碳纤维加固后的
破坏模式
是脆性（结构变形小，碳纤维布的极限延伸率小）
，没有明显
征兆，因而作为结构设计，必须采用较大的安全系数。试验表明
[5]
，已破坏的素混凝土构
件用芳纶纤维布外包补强后，再次加载，其破坏过程依然是塑性的。
“五角大楼晚塌
35
分
钟，凯夫拉纤维功不可没”
[6]
是一个极好的例证。作为延性补强，芳纶纤维材料是理想的
材料。
两种纤维材料性能的详细比较见表
1
[4]
。
表
1
碳纤维和芳纶纤维材料特性比较
抗拉强度
(MPa)
耐久性
防紫外线
能力
比重
(g/cm
3
)
弹性模量
(GPa)
延伸率
(%)
破坏
特点
是否导
电
施工操作性
受力特点
碳纤维
3000
良好
良好
1.7
～
1.9
200
～
240
1.4
脆性
导电
方便，
倒角半径大于
20mm
高弹性模
量使其能
承受长期
的静荷载
芳纶纤维
2060
良好
良好
1.44 125
2.4
塑性
不导电
很方便，
倒
角
半
径
10
mm
左右
抗动载和
局部冲击
注意
：上述两种纤维的强度均为材料本身的强度，而不是纤维布的强度，具体纤维布的强度
如下：
1
）
、碳纤维，
0.11mm
和
0.167mm
为常用的两种规格，强度
3000MPa
、由于碳纤维发生的
是脆性破坏，破坏前没有一点征兆，所以考虑的安全储备系数一般为
0.5
～
0.7
，即能
发挥的强度只有
0.6
×
3000
＝
1800 MPa
2
）
、芳纶纤维，
AFS-40
和
AFS-60
为常用的两种规格，厚度分别为
0.193mm
和
0.286mm,
强度
2060MPa
、由于芳纶纤维的韧性特别好，它的安全储备系数一般为
0.75
－
0.95
，即它能发
挥的强度有：
0.85
×
2060
＝
1751MPa
所以强度的有效值是相当的，但碳纤维加固后的构件破坏形式为脆性破坏，使其比较适合
于承受长期静荷载的结构，而芳纶纤维的抗局部冲击能力强（从早期用于做防弹衣可以看出）
，
因此比较适合于承受动载的构件。
另外，
我们知道
FRP
材料之所以用来加固，
主要是在于纤维布浸透树脂后，
通过树脂与混
凝土间的很好的粘结能力来达到一种协调变形，共同承受荷载。由于芳纶布和树脂同为有机材
料，两者之间的结合力很强；而树脂与无机材料碳纤维结合时，渗透能力就不如芳纶好，这样
一来碳纤维就只能做的很薄了，而且要使它充分浸透，工期比芳纶纤维要长很多，也就相应增
加了综合造价。
2
施工性能比较
与碳纤维布相比，芳纶纤维布的柔性更为突出，施工中可以在现场用剪刀裁剪成所需形状
和尺寸
(
芳纶纤维布
抗剪性
很好，需用陶瓷剪刀或电圆锯裁剪；而碳纤维布用一般剪刀即可裁
剪
)
，对构件的不同外形都有极高的适应能力。由于芳纶纤维布重量轻，无需吊装设备，采用小
型机具手工操作即可完成，在较小的空间也可施工（
10cm
）
，施工速度快，周期短，正常条件
下可达
25m
2
/(
人・日
)
，且粘贴质量容易保证。另外，纤维表面易于涂装，较好地适应了环境要
求，可最大限度减少修补痕迹。
有必要指出的是，碳纤维布要求
倒角
半径不小于
40mm
，而芳纶纤维
10mm
即可；还有，
在贴纤维片时，两者前提都要求底胶干燥，但芳纶纤维自然干燥时间为
1
～
2
小时，碳纤维一
般需
3
～
24
小时
(
碳纤维布对树脂的浸润性低于芳纶纤维布
)
；此外，芳纶纤维的
养护时间
只有
几个小时，而碳纤维则需
1
～
2
周。
3
经济性能比较
国产碳纤维材料价格比较低（相对而言质量有待提高）
，进口优质碳纤维材料的价格与芳
纶纤维材料的
价格相当
。
根据纤维布加固理论公式，以圆柱体的抗压加固计算公式为例：
'
'
1
)
8
(
y
s
c
f
fa
f
c
u
f
A
A
d
nt
E
r
f
N
+
+
=
ε
其中纤维布承载力
：
c
f
fa
f
f
A
d
nt
E
r
N
ε
1
8
=
从以上计算公式中，我们可以定量的看出，在粘贴层数
n
相等的情况下，决定芳纶纤维布
与碳纤维布的加固效果有三个决定性参数：弹性模量
；应变
f
E
fa
ε
以及纤维布厚度
指标；
f
t
表
1
芳纶纤维布和碳纤维布技术参数对比
参数
规格
弹性模量
f
E
应变
fa
ε
纤维布厚度
f
t
芳纶纤维布（
AFS-40
）
118GP
a
0.007 0.193mm
芳纶纤维布（
AFS-60
）
118GP
a
0.007 0.286mm
碳纤维布（
200
克）
230GP
a
0.0035 0.111mm
碳纤维布（
300
克）
230GPa
0.0035
0.167mm
从以上表格我们可以看出，芳纶纤维和碳纤维的两个技术参数即弹模和应变的乘积基本相
等，所以真正决定两者的作用效果的区别只有厚度
t
f
这项指标了，从表格中可以看出，一层
AFS-60
的芳纶纤维布作用效果相当于二层
200
克的碳纤维布还多
（而且还没有将粘贴两层做折
减）
。
4
适用性比较
纤维材料补强广泛适用于桥梁、地铁、地下结构、工业与民用建筑、水塔、水池、烟囱等
几乎土木工程的各个领域，基本含盖了混凝土受拉、受压、受弯和受剪的加固。碳纤维布在顺
纤维方向具有很高的拉伸强度与疲劳强度，而抗压抗剪强度较低，因此主要适用于混凝土结构
受拉的加固，尤其适用于梁的加固，但因其破坏呈脆性，设计时，安全系数必须充分考虑。同
碳纤维材料一样，同为复合材料的
芳纶纤维
的材料抗压强度较低，但其
抗剪性能优秀
，因此用
作墩柱的抗剪和抗震补强是非常理想的，
另外
由于芳纶纤维不导电，可以应用于铁路、电气化
等对电绝缘性要求高的加固。
5
芳纶纤维与碳纤维的性能比较
FRP
复合材料因其较低的密度、极高的抗拉强度和优异的抗腐蚀性能在混凝土结构的修复
与加固中大量应用，它是一种高性能纤维布与高强度粘结剂、固化剂的复合体。最常用的纤维
布为碳纤维布与芳纶纤维布。
碳纤维补强加固混凝土结构技术从
20
世纪
80
年代在国际上开始研究应用，
我国是在
1997
年起正式开始对碳纤维增强塑料加固修复
(CFRP)
土木建筑结构进行研究的，从
1998
年起开始
应用于实际工程
[1, 2]
，现在我国
FRP
方面的第一本设计规范－《碳纤维片材加固修复混凝土结
构技术规程》已完成报批。
芳纶材料（
Kevlar
）是美国杜邦公司最早于
70
年代研制开发的
[3]
，但大量用于结构补强
则开始于
1995
年日本阪神地震之后。
2000
年芳纶纤维布在日本的使用量仅为
4.5
万
m
2
，
2001
年则上升为
20
万
m
2
，
预计今后
10
年内是应用的飞速增长期。
芳纶纤维结构补强技术在国内的
应用刚起步，但其优越的材料性能（如它的不导电性、韧性及抗冲击等方面）和便捷的施工操
作性，已受到业内人士的广泛关注。
1
材料性能比较
芳纶纤维和碳纤维作为结构补强领
域的新型非金属复合材料，具备以下特
点：
a.
高弹性模量，高抗拉强度；
b.
低密度；
c.
耐久型好，抗腐蚀、耐老化；
d.
疲劳强度高；
e.
各项异性；
f.
应力－应变关系为线性
（见图
1
）
。
值得注意的是，芳纶纤维在以下方
面明显优于碳纤维：
a
、
芳纶纤维
不导电
（碳纤维导电）
，
因此在地铁、工业厂房等结构中使
用碳纤维就有很大的局限性甚至禁入性，此外，碳纤维用于混凝土结构补强，务必与钢筋
隔离以防电化学腐蚀，而使用芳纶纤维则不受此限制；
芳纶纤维
图
1
碳纤维、芳纶纤维和其它常用材料的性能比
较
b
、碳纤维布的
抗剪强度
较低，易折断，这使得施工时倒角处理要求较高，倒角半径不小
于
20mm
，而芳纶纤维仅需
10mm
即可
[4]
。
c
、碳纤维的高
弹性模量
使其能承受长期静荷载，这是其最为突出的优点，而对于承受动
载和局部冲击作用则芳纶纤维更有竞争力。
d
、碳纤维在用于限制梁的
挠度
时同芳纶纤维布相比具有一定优势，但在施工的可操作性
方面芳纶纤维无疑是更合适的材料；
e
、碳纤维加固后的
破坏模式
是脆性（结构变形小，碳纤维布的极限延伸率小）
，没有明显
征兆，因而作为结构设计，必须采用较大的安全系数。试验表明
[5]
，已破坏的素混凝土构
件用芳纶纤维布外包补强后，再次加载，其破坏过程依然是塑性的。
“五角大楼晚塌
35
分
钟，凯夫拉纤维功不可没”
[6]
是一个极好的例证。作为延性补强，芳纶纤维材料是理想的
材料。
两种纤维材料性能的详细比较见表
1
[4]
。
表
1
碳纤维和芳纶纤维材料特性比较
抗拉强度
(MPa)
耐久性
防紫外线
能力
比重
(g/cm
3
)
弹性模量
(GPa)
延伸率
(%)
破坏
特点
是否导
电
施工操作性
受力特点
碳纤维
3000
良好
良好
1.7
～
1.9
200
～
240
1.4
脆性
导电
方便，
倒角半径大于
20mm
高弹性模
量使其能
承受长期
的静荷载
芳纶纤维
2060
良好
良好
1.44 125
2.4
塑性
不导电
很方便，
倒
角
半
径
10
mm
左右
抗动载和
局部冲击
注意
：上述两种纤维的强度均为材料本身的强度，而不是纤维布的强度，具体纤维布的强度
如下：
1
）
、碳纤维，
0.11mm
和
0.167mm
为常用的两种规格，强度
3000MPa
、由于碳纤维发生的
是脆性破坏，破坏前没有一点征兆，所以考虑的安全储备系数一般为
0.5
～
0.7
，即能
发挥的强度只有
0.6
×
3000
＝
1800 MPa
2
）
、芳纶纤维，
AFS-40
和
AFS-60
为常用的两种规格，厚度分别为
0.193mm
和
0.286mm,
强度
2060MPa
、由于芳纶纤维的韧性特别好，它的安全储备系数一般为
0.75
－
0.95
，即它能发
挥的强度有：
0.85
×
2060
＝
1751MPa
所以强度的有效值是相当的，但碳纤维加固后的构件破坏形式为脆性破坏，使其比较适合
于承受长期静荷载的结构，而芳纶纤维的抗局部冲击能力强（从早期用于做防弹衣可以看出）
，
因此比较适合于承受动载的构件。
另外，
我们知道
FRP
材料之所以用来加固，
主要是在于纤维布浸透树脂后，
通过树脂与混
凝土间的很好的粘结能力来达到一种协调变形，共同承受荷载。由于芳纶布和树脂同为有机材
料，两者之间的结合力很强；而树脂与无机材料碳纤维结合时，渗透能力就不如芳纶好，这样
一来碳纤维就只能做的很薄了，而且要使它充分浸透，工期比芳纶纤维要长很多，也就相应增
加了综合造价。
2
施工性能比较
与碳纤维布相比，芳纶纤维布的柔性更为突出，施工中可以在现场用剪刀裁剪成所需形状
和尺寸
(
芳纶纤维布
抗剪性
很好，需用陶瓷剪刀或电圆锯裁剪；而碳纤维布用一般剪刀即可裁
剪
)
，对构件的不同外形都有极高的适应能力。由于芳纶纤维布重量轻，无需吊装设备，采用小
型机具手工操作即可完成，在较小的空间也可施工（
10cm
）
，施工速度快，周期短，正常条件
下可达
25m
2
/(
人・日
)
，且粘贴质量容易保证。另外，纤维表面易于涂装，较好地适应了环境要
求，可最大限度减少修补痕迹。
有必要指出的是，碳纤维布要求
倒角
半径不小于
40mm
，而芳纶纤维
10mm
即可；还有，
在贴纤维片时，两者前提都要求底胶干燥，但芳纶纤维自然干燥时间为
1
～
2
小时，碳纤维一
般需
3
～
24
小时
(
碳纤维布对树脂的浸润性低于芳纶纤维布
)
；此外，芳纶纤维的
养护时间
只有
几个小时，而碳纤维则需
1
～
2
周。
3
经济性能比较
国产碳纤维材料价格比较低（相对而言质量有待提高）
，进口优质碳纤维材料的价格与芳
纶纤维材料的
价格相当
。
根据纤维布加固理论公式，以圆柱体的抗压加固计算公式为例：
'
'
1
)
8
(
y
s
c
f
fa
f
c
u
f
A
A
d
nt
E
r
f
N
+
+
=
ε
其中纤维布承载力
：
c
f
fa
f
f
A
d
nt
E
r
N
ε
1
8
=
从以上计算公式中，我们可以定量的看出，在粘贴层数
n
相等的情况下，决定芳纶纤维布
与碳纤维布的加固效果有三个决定性参数：弹性模量
；应变
f
E
fa
ε
以及纤维布厚度
指标；
f
t
表
1
芳纶纤维布和碳纤维布技术参数对比
参数
规格
弹性模量
f
E
应变
fa
ε
纤维布厚度
f
t
芳纶纤维布（
AFS-40
）
118GP
a
0.007 0.193mm
芳纶纤维布（
AFS-60
）
118GP
a
0.007 0.286mm
碳纤维布（
200
克）
230GP
a
0.0035 0.111mm
碳纤维布（
300
克）
230GPa
0.0035
0.167mm
从以上表格我们可以看出，芳纶纤维和碳纤维的两个技术参数即弹模和应变的乘积基本相
等，所以真正决定两者的作用效果的区别只有厚度
t
f
这项指标了，从表格中可以看出，一层
AFS-60
的芳纶纤维布作用效果相当于二层
200
克的碳纤维布还多
（而且还没有将粘贴两层做折
减）
。
4
适用性比较
纤维材料补强广泛适用于桥梁、地铁、地下结构、工业与民用建筑、水塔、水池、烟囱等
几乎土木工程的各个领域，基本含盖了混凝土受拉、受压、受弯和受剪的加固。碳纤维布在顺
纤维方向具有很高的拉伸强度与疲劳强度，而抗压抗剪强度较低，因此主要适用于混凝土结构
受拉的加固，尤其适用于梁的加固，但因其破坏呈脆性，设计时，安全系数必须充分考虑。同
碳纤维材料一样，同为复合材料的
芳纶纤维
的材料抗压强度较低，但其
抗剪性能优秀
，因此用
作墩柱的抗剪和抗震补强是非常理想的，
另外
由于芳纶纤维不导电，可以应用于铁路、电气化
等对电绝缘性要求高的加固。
5
安全性比较
FRP
复合材料加固混凝土结构，其技术性能是否达到要求，
关键在于纤维布与混凝土之间
的粘结性是否能够保证
。目前纤维布与混凝土间剥离破坏的机理研究尚不成熟，但根据已有试
验研究成果，在规定的设计和施工方法下，用合格的增强纤维复合材料加固混凝土结构可以有
效的提高混凝土构件的承载力、刚度，减小构件的挠度，改善构件的延性和限制裂缝的扩展，
提高结构的抗震性能
[1]
，从而延长其服务年限。
安全性比较
FRP
复合材料加固混凝土结构，其技术性能是否达到要求，
关键在于纤维布与混凝土之间
的粘结性是否能够保证
。目前纤维布与混凝土间剥离破坏的机理研究尚不成熟，但根据已有试
验研究成果，在规定的设计和施工方法下，用合格的增强纤维复合材料加固混凝土结构可以有
效的提高混凝土构件的承载力、刚度，减小构件的挠度，改善构件的延性和限制裂缝的扩展，
提高结构的抗震性能
[1]
，从而延长其服务年限。
施邦（上海）实业有限公司 有销售碳纤维布的，
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