复合材料根底 李勇 对学习的情绪:常识便是力气; 对作业的情绪:既来之,则安之; 对时机的情绪:时间预备着。 考虑问题要一分为二: 在顺畅的时分想到问题,在取得成果的时分看到不 足,在窘境遇挫的时分看到未来的远景。 内容提要 ? 第一章 ? 第二章 ? 第三章 ? 第四章 ? 第五章 ? 第六章 序言 基体材料 增强材料 复合材料界面理论与处理技能 复合材料功用及其复合原理 复合材料各论 引 言 咱们知道,人类开展的前史和材料发 展的前史休戚相关,前史学家把人类开展 史按石器年代、陶器年代、青铜器年代、 铁器年代等来区分。也能够说,人们往往 以人类的运用东西以及制作东西的材料进 步状况作为作为人类文明前进的一种标志。 长时间以来,人类为了出产和科学技能的前进,一向 不断的开发新材料。从材料的视点来看,任何一种单一 材料都有其若干杰出的长处,但也存在一些显着的缺陷, 而且这些缺陷的改进有时又是十分的困难的。 尤其是近三十年来科学技能开展敏捷,特别是顶级 科学技能的日新月异,对材料的功用提出了越来越高的 要求。因而单一材料现已不能满意这种需求。研讨发现, 将两种或两种以上的材料选用某种方法复合后,能够制 成一种新的材料(咱们称之为复合材料)。这些新材料 常常保存了原有单一组分的长处,一起战胜或弥补了它 的缺陷,显示出一些新的特性。 人类运用各类材料的前史与开展态势 第一章 序言 1.1. 复合材料的界说和分类 ? ? 复合材料的界说 基体材料和增强材料 界面 复合材料的分类 按形状分类 按基体分类 按材料效果分类 其它 1.1.1. 复合材料的界说 ? 关于复合材料的界说人们说法不同。有人说“复合材 料是由两种或许两种以上单一材料构成的具有一些新 功用的材料”,这种解说虽简略被人了解,但从科学 的视点来看,尚不完善,也不行切当。 ? 最具有说服力的界说是 ISO(International Organization for Standandization),即“复合材 料是由两种或许两种以上物理和化学性质不同的物质 组合而成的一种多相固体材料。” ?国防科技大学胡振渭教授在80年代初期曾对复合材料做过较为 简明的界说。他指出:“复合材料是由两种或两种以上不同性 质或不同形状的原材料,经过复合工艺组合而成的一种材料, 它既坚持了原组分材料的主要特色,又具有了原组分材料所没 有的新功用的一种多相材料”。 各组分之间功用“扬长避短”,起到“协同作 1.1.1. 复合材料的界说 ?上述所列复合材料的界说都疏忽了作为复合材料的重要特 点——可规划性。 ?1994年出书的由师昌绪主编的《材料大辞典》对复合材料给 出了比较全面完好的界说,这个界说的描绘是:“复合材料 是由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料经过复 合工艺组合而成的新型材材料,它既能保存原组分材料的主 要特征,又经过复合效应取得原组分所不具有的功用。能够 经过材料规划使各组分的功用相互弥补并互相相关,然后获 得新的优胜功用,与一般材料的简略混合有实质的差异”。 ? 复合材料是资猜中的正人——和而不同 基体材料和增强材料 复合资猜中存在两种或许两种以上的物理 相,能够是接连的,也能够是不接连的。其间 接连的物理相等之为基体材料,而不接连的物 理相以独立的方式涣散在接连的基体中,即分 散相。假如它对材料起到增强效果,则称增强 材料。 现代增强材料也有接连的状况,例如三维 织造用于复合材料的增强材料。 引进相的“连通性”概念,理论上可将复合材料结 构区分为0-3型、1-3型、 2-2型、2-3型、3-3型等 几种典型结构。 界 面 ? 在复合材料的两种组成部分中,即在基体和 增强材料存在着一个界面,界面则对复合材 料的性质起到十分重要的效果。 ? 在纤维复合资猜中,纤维起增强效果,接受 大部分载荷。基体和纤维经过界面连接在一 起,基体将载荷经界面传递给纤维,不仅能 够充分发挥纤维的抗张功用优异的特色,还 能起到使载荷均匀分布和维护纤维免遭外界 损害的效果。 1.1.2. 复合材料的分类 按材料 效果分类 结构复合材料 特色:具有杰出的力学功用, 用于制作和结构结构的材料 功用复合材料 特色:以功用性为主导,如电学、 磁学、光学、热学、放射等功用 短纤维 复合材料 接连纤维 复合材料 粒状填充 复合材料 按增强材料 的形状分类 环绕 复合材料 片状填充 复合材料 织造 复合材料 高分子CM 金属CM 按基体分类 陶瓷 CM 同质物质 CM 依据增强材料的品种,则可分 ? 玻璃纤维复合材料 ? 碳纤维复合材料 ? 有机纤维增强复合材料:Kevlar、PBO… ? 金属纤维复合材料(不锈钢) ? 陶瓷纤维复合材料——氧化铝、碳化硅、 硼纤维 …… 1.2. 复合材料的开展和运用 公元前5000年,中东 人用沥青和芦苇复合 在一起用来造船 公元前3000年前,印 度人用虫胶树脂制作 复合板 我国在封建年代故宫的 制作中所运用了粘合剂 茅草和泥土的复 合-制作房子 复合材料的开展有三个进程 复合材料作为一门学科,作为一种新式的材料 工业,直到本世纪末40年代才呈现。 ?1940—1960 称为第一代。Glass fibers 增强 塑料即玻璃钢,一起呈现了硼纤维和CFRP。 1942年,第二次国际大战中,玻璃纤维增强聚酯树脂复合材料被美国空军用于制作 飞机构件开端算起。 ?1960—1980 称为第二代。呈现了KFRP、SiC纤 维增强塑料、Al2O3金属纤维增强塑料。此间是 先进复合材料的开发时期。 复合材料的发 展的三个进程 ?1980— 是先进复合材料得到充分开展的时 期,称为第三代。在航空航天各范畴得到了 敏捷的开展,并在各个范畴得到运用,一起 呈现了纤维增强金属、纳米材料作为涣散相 等复合材料。 1.3. 复合材料的运用 建筑工业上的运用 交通运输业 船只和近海工程 防腐工程 电子/电气工业 航天航空和国防工业 Astronautics Aeronautics Applications of Composites Automobiles National defence Entertainment Biomedical Computer Sporting goods 民用工业 民用工业 民用工业 复合材料补强 因为复合材料高耐腐蚀性的特色,在 滨海油气田范畴有广泛的运用远景 抛物面天线 航空航天 减轻分量、降低成本 各种飞行器减重的经济效益,元/公斤 轻型民航机 直升机 航空发动机 战役机 干线飞机 近地轨迹卫星 同步轨迹卫星 飞船、空间站 600 1000 4500 4500 4500 20000 200000 300000 航空航天 60% UCAV A-350 50% 787 Composite Usage 40% 30% AV 8B Euro Fighter B2 Premier Horizon F35 Rafale A-330 F/A 22 A-380 F18 E/F 20% F18CD A-320 A-340 10% F15 Mirage C17 0% 1970 1980 1990 2000 2010 EF-2000 高至40% 航空航天 F35 35% 用量成为军机先 进性重要标志 阵风 30% F16 2% F22 24% F/A18 12% 复合材料在阵风上的运用(黑体部位) EF 2000飞机结构示图 F-22战役机上复合材料的运用 B-2飞机的整个机身,除主梁和发动机机舱运用的是钛 复合材料外,其它部分均由碳纤维和石墨等复合材料构 成,不易反射雷达波。而且这些不同的复合材料经共固 化而成。 B-2战役机上复合材料的运用 复合材料在无人机上的运用 X-45复合材料用量提高到 90%以上 RQ-4B“全球鹰” 复合材料机翼长 39.9米,重约1814千克 复合材料在直升机上的运用 RAH-66 “Kamanche” 进犯/侦查直升机,复合 材料占整个直升机结构分量的51% V-22“鱼鹰” 偏转翼直 升机,59%的机体为复 合材料,只要454Kg是 金属材料。 航空航天 航空航天 Floor Beams for upper Deck: CFRP, continuous Process Vertical Tail Plane: IM Fiber, ATL for Torsion Box and Rudders CFRP Outer Flaps: CFRP, ATL Un-pressurized Fuselage: solid laminated CFRP, AFP Wing: Glass Thermoplastic J-nose Horizontal Tail Plane: IM Fiber, ATL for Torsion Box and Elevators Center Wing Box: HT & IM Fiber, ATL Flap Track Panels: CFRP Rear Pressure Bulkhead: CFRP, RFI, NCF A380平尾 A380中心翼盒 A380机身上盖板纵梁支撑Glare层板 A380压力仓盖舱盖 航空航天 787复合材料占结构分量的50% 航空航天 A400M占结构重 量的40% 左右 航空航天 A350飞机将复合材料用量由39%、三次提高到 52%与B787飞机竞赛。 航空航天 航天器燃料贮箱 太阳帆板基板 卫星主承力筒 导弹鼻锥 我国航空航天运用 航空航天 5% 钛 复合材料 15% 15% 铝合金 5% 钛 铝合金 钢 15% 钢 复合材料 15% 65% 65% 2000 2020 航空航天结构材料 武器装备 1.3 纤维复合材料的特色 ? ? ? ? ? ? 比强度和比模量高 抗疲惫性好 减振才能好 破损安全性好 功用的各向异性及可规划性强 全体成型、材料结构一体化 1.4 纤维复合材料的特色 (1)比强度和比模量高 ? – 比强度和比模量的界说 比强度和比模量是指材料强度和模量与材料密度之比值. ? ? 为什么高分子纤维的比强度高,ρ较小,留意单位 如钢、铅、玻璃钢、CF/环氧树脂、kevlar、硼纤维 比强度和比模量越大, 这种结构材料制成相同强度构件的质量越小, 这对航空航天工业有着特别重要的含义。 如宇宙飞船的质量减轻1kg, 就能够使推送它的火箭减轻500kg的质量。 材料力学功用比较 材 料 钢 铝 密度/ 抗拉强度 弹性模量 比强度 比模量 3 g/cm /GPa /GPa 7.8 2.8 1.01 0.46 206 74 0.13 0.17 26 26 钛 玻璃钢 CFII/Epoxy CFI /Epoxy Kevlar/Epoxy 硼纤维/Epoxy 硼纤维/铝 4.5 2.0 1.45 1.6 1.4 2.1 2.65 0.94 1.04 1.47 1.05 1.37 1.34 0.98 112 39 137 235 78 206 196 0.21 0.52 1.02 0.66 0.98 0.64 0.37 25 20 95 147 56 98 74 1.4 纤维复合材料的特色 (2)抗疲惫性好 ? 疲惫损坏:材料在交变载荷效果下,因为裂纹的构成和扩 展而形成的低应力损坏。 ? ? 金属材料:抗疲惫性差,没有显着的征兆的突发性损坏。 裂纹一旦到达临界尺度就忽然开裂,其疲惫强度极限是其 抗拉强度的30-50%。 纤维复合材料:其抗疲惫损坏是从纤维的单薄环节开端, 逐渐扩展到界面上,纤维复合资猜中存在着难于计数的纤 维/树脂界面,这些界面能阻挠裂纹进一步扩展,然后推 迟疲惫损坏的产生。损坏前有显着的先兆。纤维复合材料 的拉/压疲惫极限值到达静载荷的70-80%。 1.4 纤维复合材料的特色 (3)减振才能好 ? 受力构件的自振频率正比于比模量的平方根。 ? 因而,纤维复合材料的比模量大,自振频率高, ? ? 在一般加载速度或频率下不简略因共振而快速 脆断。 一起,复合资猜中的界面临振荡产生的能量有 反射和吸收效果,故复合材料振荡阻尼强。 例如,在相同条件下产生的振荡,轻合金需9秒 才中止,而碳纤维复合材料只需2-3秒停下。 1.4 纤维复合材料的特色 (4)破损安全性好 纤维复合材料的横截面是很多的纤维,即便部 分开裂,也能接受一段时间。载荷会敏捷分配到 未被损坏的纤维上,不致于形成构件在瞬间彻底 失掉承载才能而开裂。仍能安全地运用或安全使 用必定期限。 这种安全地接受必定损害的才能即破损安全性, 纤维复合材料具有较好的破损安全性。 (5)功用的各向异性及可规划性强 依据需求规划制作,不需焊、铆、切开等二 次加工。 各向异性(如力学功用)可依据载荷别离及 运用条件的不同挑选相应的铺层规划,能够打破 辅导的优化规划,做到安全可靠、经济合理。 (6)全体成型、材料结构一体化 JSF的垂尾及平尾本来选用铝合金蜂窝芯/ 复合材料蒙皮结构,为减轻结构分量选用 全复合材料结构的垂尾,使零件数从本来 13个减至1个,紧固件取消了1000个,制作 费相应削减60%以上。 纤维复合材料的缺陷 ⑴ 纤维与基体组成的复合材料,微观结构不均匀, 易在单薄处产生损坏; ⑵ 层间剪切强度和横向强度低 ⑶ 抗冲击性差; ⑷ 长时间耐高温及耐老化功用差; ⑸ 工艺质量不行安稳,材料功用的涣散性大。 复合材料方向的学科根底 规划理论 材料科学 工艺技能 ? 课程组织 ? 讲课为主、自学为辅 ? 笔记为主、教材为辅 ? 考试成果:70%,平常30% ? 参教材料: – 周祖福 复合材料学 武汉工业大学出书社 1995 – 闻荻江 复合材料原理 武汉工业大学出书社 1995 – 姚希曾 聚合物复合材料基体 武汉工业大学出书社 1995 – 王善元等 FRCM 我国纺织大学出书社 1998 – 马满等 复合材料科学与工程 国际图书出书社 1994 – 杂志: 《复合材料学报》、《纤维复合材料》、《玻 璃钢》 – Journals:Composites,Polymer Composites,etc.
上一篇:复合资料的界说
下一篇:复合资料的界说、命名与分类