复合材料概论第5章-聚合物基复合材料课件

第五章 聚合物基复合材料第五章 聚合物基复合材料11、聚合物基复合材料的种类和性能2、聚合物基复合材料结构设计3、聚合物基复合材料成型加工技术4、聚合物基复合材料的应用1、聚合物基复合材料的种类和性能2聚合物基复合材料：聚合物基复合材料：聚合物基复合材料是以有机聚聚合物基复合材料是以有机聚合物为基体，纤维类增强材料为增强剂的复合材料。合物为基体，纤维类增强材料为增强剂的复合材料。n基体材料由于其粘接性能好，把纤维牢固地粘基体材料由于其粘接性能好，把纤维牢固地粘接起来。同时，基体又能使载荷均匀分布，并传递接起来。同时，基体又能使载荷均匀分布，并传递到纤维上去，并允许纤维承受压缩和剪切载荷。纤到纤维上去，并允许纤维承受压缩和剪切载荷。纤维和基体之间的良好的复合显示了各自的优点，并维和基体之间的良好的复合显示了各自的优点，并能实现最佳结构设计、具有许多优良特性。能实现最佳结构设计、具有许多优良特性。聚合物基复合材料：聚合物基复合材料是以有机聚合物为基体，纤维3发展简况发展简况聚合物基复合材料发展史第一阶段：聚合物基复合材料发展史第一阶段：20世纪世纪40年代初年代初20世纪世纪60年代。年代。聚合物基复合材料聚合物基复合材料聚合物基复合材料聚合物基复合材料发展史第二阶段：发展史第二阶段：发展史第二阶段：发展史第二阶段：2020世纪世纪世纪世纪6060年代中期年代中期年代中期年代中期20世纪世纪80年代初年代初聚合物基复合材料聚合物基复合材料聚合物基复合材料聚合物基复合材料发展史第二阶段：发展史第二阶段：发展史第二阶段：发展史第二阶段：2020世纪世纪世纪世纪6060年代中期年代中期年代中期年代中期2020世纪世纪世纪世纪8080年代初年代初年代初年代初发展简况聚合物基复合材料发展史第一阶段：20世纪40年代初4聚合物基复合材料的特点 1.1.比强度和比模量高比强度和比模量高 聚合物基复合材料的突出优点是比强度及比模量高。比强度聚合物基复合材料的突出优点是比强度及比模量高。比强度是材料的强度与密度之比值，比模量是材料的模量与密度之是材料的强度与密度之比值，比模量是材料的模量与密度之比值，其量纲均为长度。复合材料的高比强度和高比模量来比值，其量纲均为长度。复合材料的高比强度和高比模量来源于源于增强纤维的高性能和低密度增强纤维的高性能和低密度。玻璃纤维由于模量相对较。玻璃纤维由于模量相对较低、密度较高，其玻璃纤维树脂基复合材料的比模量略低于低、密度较高，其玻璃纤维树脂基复合材料的比模量略低于金属材料。金属材料。聚合物基复合材料的特点 1.比强度和比模量高52.2.耐疲劳性能好，破损安全性能高耐疲劳性能好，破损安全性能高 金属材料的疲劳破坏常常是没有明显预兆的突发性破坏。金属材料的疲劳破坏常常是没有明显预兆的突发性破坏。复复合材料中纤维与基体的界面能阻止裂纹的扩展，其疲劳破坏总合材料中纤维与基体的界面能阻止裂纹的扩展，其疲劳破坏总是从纤维的薄弱环节开始，裂纹扩展或损伤逐步进行，时间长，是从纤维的薄弱环节开始，裂纹扩展或损伤逐步进行，时间长，破坏前有明显的预兆破坏前有明显的预兆。复合材料的破坏不像传统材料由于主裂纹的失稳扩展而突然复合材料的破坏不像传统材料由于主裂纹的失稳扩展而突然发生，而是经历发生，而是经历基体开裂、界而脱粘、纤维拔出、断裂基体开裂、界而脱粘、纤维拔出、断裂等一系等一系列损伤的发展过程。基体中有大量独立的纤维，当少数纤维发列损伤的发展过程。基体中有大量独立的纤维，当少数纤维发生断裂时，其失支部分载荷又会通过基体的传递面迅速分散到生断裂时，其失支部分载荷又会通过基体的传递面迅速分散到其他完好的纤维上去，复合材料在短期内不会因此而丧失承载其他完好的纤维上去，复合材料在短期内不会因此而丧失承载能力。能力。内部有缺陷、裂纹时，也不会突然发展而断裂。内部有缺陷、裂纹时，也不会突然发展而断裂。2.耐疲劳性能好，破损安全性能高63.3.阻尼减震性好阻尼减震性好 复合材料有较高的自振频率，其结构一般复合材料有较高的自振频率，其结构一般不易产生共振不易产生共振。同时，。同时，复合材料基体与纤维的界面有较大的复合材料基体与纤维的界面有较大的吸收振动能量吸收振动能量的能力，致使材的能力，致使材料的振动阻尼很高，一旦震动起来，在较短时间内也可停下来。料的振动阻尼很高，一旦震动起来，在较短时间内也可停下来。4.4.具有多种功能性具有多种功能性(1)(1)瞬时耐高温性、耐烧蚀性好。玻璃钢的导热系数只有金属材料的瞬时耐高温性、耐烧蚀性好。玻璃钢的导热系数只有金属材料的1 1，同，同时可制成具有较高比热容、熔融热和气化热的材料，可用作导弹头锥的耐时可制成具有较高比热容、熔融热和气化热的材料，可用作导弹头锥的耐烧烛防护材料。（烧烛防护材料。（P79P79）(2)(2)优异的电绝缘性能和高频介电性能。玻璃钢是性能优异的高频绝缘材料。优异的电绝缘性能和高频介电性能。玻璃钢是性能优异的高频绝缘材料。同时具有良好的高频介电性能，可用作雷达罩的高频透波材料。同时具有良好的高频介电性能，可用作雷达罩的高频透波材料。(3)(3)良好的摩擦性能。碳纤维的低摩擦系数和自润滑性，其复合材料具有良好良好的摩擦性能。碳纤维的低摩擦系数和自润滑性，其复合材料具有良好的摩阻特性和减摩特性。的摩阻特性和减摩特性。(4)(4)优良的耐腐蚀性。优良的耐腐蚀性。(5)(5)有特殊的光学、电学、磁学的特性。有特殊的光学、电学、磁学的特性。3.阻尼减震性好75.5.良好的加工工艺性良好的加工工艺性(1)(1)可以根据制品的使用条件、性能要求选择纤维、基体等原材料，可以根据制品的使用条件、性能要求选择纤维、基体等原材料，即材料具有可设计性。即材料具有可设计性。(2)(2)可以根据制品的形状、大小、数量选择加工成型方法。可以根据制品的形状、大小、数量选择加工成型方法。(3)(3)可整体成型，减少装配果件的数量，节省工时，节省材料，减可整体成型，减少装配果件的数量，节省工时，节省材料，减轻质量。轻质量。6.6.各向异性和性能的可设计性各向异性和性能的可设计性 纤维复合材料一个突出的特点是纤维复合材料一个突出的特点是各向异性各向异性，与之相关的是性能，与之相关的是性能的可设计性。纤维复合材料的力学、物理性能除了由纤维、树的可设计性。纤维复合材料的力学、物理性能除了由纤维、树脂的种类和体积含量而定外，还与纤维的脂的种类和体积含量而定外，还与纤维的排列方向、铺层次序排列方向、铺层次序和层数密切相关和层数密切相关。因此，可以根据工程结构的载荷分布及使用。因此，可以根据工程结构的载荷分布及使用条件的不问，选取相应的材料及铺层设计来满足既定的要求。条件的不问，选取相应的材料及铺层设计来满足既定的要求。利用这一特点，可以实现制件的优化设计，做到安全可靠，经利用这一特点，可以实现制件的优化设计，做到安全可靠，经济合理。济合理。5.良好的加工工艺性8分类分类复合材料复合材料增强纤维种类增强纤维种类玻璃纤维增强型玻璃纤维增强型碳纤维增强型碳纤维增强型芳纶纤维增强型芳纶纤维增强型基体材料性能基体材料性能通用型通用型耐化学介质腐蚀型耐化学介质腐蚀型耐高温型耐高温型复合材料成型复合材料成型固化方式固化方式常温常压固化成型常温常压固化成型高温加压固化成型高温加压固化成型阻燃型阻燃型聚合物基体的聚合物基体的结构形式结构形式热固性树脂基复合材料热固性树脂基复合材料热塑性树脂基复合材料热塑性树脂基复合材料分类复合材料增强纤维种类玻璃纤维增强型碳纤维增强型芳纶纤维增95.1.1玻璃纤维增强热固性塑料玻璃纤维增强热固性塑料(代号代号GFRP)n玻璃纤维增强热固性塑料是指玻璃纤维玻璃纤维增强热固性塑料是指玻璃纤维(包括长纤维、包括长纤维、布、带、毡等布、带、毡等)做为增强材料，热固性塑料做为增强材料，热固性塑料(包括环氧包括环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂等树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂等)做为基体的纤维做为基体的纤维增强塑料。俗称玻璃钢。根据基体种类不同，可将增强塑料。俗称玻璃钢。根据基体种类不同，可将GFRP分成三类，即玻璃纤维增强环氧树脂、玻璃纤维分成三类，即玻璃纤维增强环氧树脂、玻璃纤维增强酚醛树脂、玻璃纤维增强聚酯树脂。增强酚醛树脂、玻璃纤维增强聚酯树脂。5.1.1玻璃纤维增强热固性塑料(代号GFRP)玻璃纤维增强10GFRP的突出特点是比重小、比强度高。比金属铝的突出特点是比重小、比强度高。比金属铝轻而比强度比高级合金钢还高。轻而比强度比高级合金钢还高。“玻璃钢玻璃钢”这个名这个名称便由此而来。称便由此而来。还具有良好的耐腐蚀性，在酸、碱、有机溶剂、海还具有良好的耐腐蚀性，在酸、碱、有机溶剂、海水中均很稳定，良好的电绝缘材料，电阻率和击穿水中均很稳定，良好的电绝缘材料，电阻率和击穿电压强度达到了电绝缘材料的标准，可做为耐高压电压强度达到了电绝缘材料的标准，可做为耐高压的电器零件。的电器零件。不反射无线电波，微波透过性好，可制造扫雷艇和不反射无线电波，微波透过性好，可制造扫雷艇和雷达罩。具有保温、隔热、隔音、减振等性能。雷达罩。具有保温、隔热、隔音、减振等性能。缺点是刚性差。会因日光照射空气中的氧化作用、缺点是刚性差。会因日光照射空气中的氧化作用、有机溶剂的作用产生老化现象，比塑料要缓慢。玻有机溶剂的作用产生老化现象，比塑料要缓慢。玻璃纤维增强环氧、酚醛、聚酯树脂除具有上述共同璃纤维增强环氧、酚醛、聚酯树脂除具有上述共同的性能特点而外，各自有其特殊的性能。的性能特点而外，各自有其特殊的性能。GFRP的突出特点是比重小、比强度高。比金属铝轻而比强度比高11玻璃纤维增强环氧树脂玻璃纤维增强环氧树脂是是GFRP中综合性能最好中综合性能最好的一种。因环氧树脂的粘结能力最强，与玻璃纤的一种。因环氧树脂的粘结能力最强，与玻璃纤维复合时，界面剪切强度最高。机械强度高于其维复合时，界面剪切强度最高。机械强度高于其他他GFRP。环氧树脂固化时无小分子放出，故尺。环氧树脂固化时无小分子放出，故尺寸稳定性最好，收缩率只有寸稳定性最好，收缩率只有12，环氧树脂，环氧树脂的固化反应是放热反应，易产生气泡，但因添加的固化反应是放热反应，易产生气泡，但因添加剂少，很少发生鼓泡现象。唯一不足的是环氧树剂少，很少发生鼓泡现象。唯一不足的是环氧树脂粘度大，加工不太方便，成型时需要加热，室脂粘度大，加工不太方便，成型时需要加热，室温下成型会导致环氧树脂固化反应不完全。不能温下成型会导致环氧树脂固化反应不完全。不能制造大型制件。制造大型制件。玻璃纤维增强环氧树脂是GFRP中综合性能最好的一种。因环氧树12玻璃纤维增强酚醛树脂玻璃纤维增强酚醛树脂是各种是各种GFRP中耐热性最中耐热性最好的一种，可在好的一种，可在200下长期使用，在下长期使用，在1000 以以上的高温下，也可短期使用。是耐烧蚀材料，可上的高温下，也可短期使用。是耐烧蚀材料，可做宇宙飞船的外壳。耐电弧性，可用于制做绝缘做宇宙飞船的外壳。耐电弧性，可用于制做绝缘材料。价格便宜，原料来源丰富。不足处是性能材料。价格便宜，原料来源丰富。不足处是性能较脆，机械强度不如环氧树脂。固化时有小分子较脆，机械强度不如环氧树脂。固化时有小分子副产物放出，故尺寸不稳定，收缩率大。对人体副产物放出，故尺寸不稳定，收缩率大。对人体皮肤有刺激，会使手和脸肿胀。皮肤有刺激，会使手和脸肿胀。玻璃纤维增强酚醛树脂是各种GFRP中耐热性最好的一种，可在213玻璃纤维增强聚酯树脂玻璃纤维增强聚酯树脂突出特点是加工性好，加突出特点是加工性好，加入引发剂和促进剂后，可在室温下固化成型，由入引发剂和促进剂后，可在室温下固化成型，由于树脂中的交联剂也起稀释剂的作用，所以树脂于树脂中的交联剂也起稀释剂的作用，所以树脂的粘度大大降低了，可采用各种成型方法进行加的粘度大大降低了，可采用各种成型方法进行加工成型，可制作大型构件，扩大了应用的范围。工成型，可制作大型构件，扩大了应用的范围。它的透光性好，透光率可达它的透光性好，透光率可达6080，可制作，可制作采光瓦。价格便宜。不足之处是固化时收缩率大，采光瓦。价格便宜。不足之处是固化时收缩率大，可达可达48，耐酸、碱性差，不宜制作耐酸碱，耐酸、碱性差，不宜制作耐酸碱的设备及管件。的设备及管件。玻璃纤维增强聚酯树脂突出特点是加工性好，加入引发剂和促进剂后14n5.1.2 玻璃纤维增强热塑性塑料玻璃纤维增强热塑性塑料(代号代号FR-TP)FR-TP)玻璃纤维增强热塑性塑料是指玻璃纤维做为增强材料，热玻璃纤维增强热塑性塑料是指玻璃纤维做为增强材料，热塑性塑料塑性塑料(包括聚酰胺、聚丙烯、低压聚乙烯、包括聚酰胺、聚丙烯、低压聚乙烯、ABS树脂、树脂、聚甲醛、聚碳酸酯、聚苯醚等工程塑料聚甲醛、聚碳酸酯、聚苯醚等工程塑料)为基体的纤维增为基体的纤维增强塑料。强塑料。玻璃纤维增强热塑性塑料除了具有纤维增强塑料的共同特玻璃纤维增强热塑性塑料除了具有纤维增强塑料的共同特点外，它与玻璃纤维增强热固性塑料相比较，特点是具有点外，它与玻璃纤维增强热固性塑料相比较，特点是具有更轻的比重，在更轻的比重，在1.11.6之间，为钢材的之间，为钢材的1516；比；比强度高，蠕变性大大改善。强度高，蠕变性大大改善。5.1.2 玻璃纤维增强热塑性塑料(代号FR-TP)玻璃纤维15玻璃纤维增强聚丙烯玻璃纤维增强聚丙烯(代号代号FRPP)特点是机械强度大大提高，当短切玻璃纤维增加到特点是机械强度大大提高，当短切玻璃纤维增加到3040时，其强度达到顶峰，抗拉强度达到时，其强度达到顶峰，抗拉强度达到100MPa，大大，大大高于工程塑料，尤其是低温脆性得到了大大改善，随玻璃高于工程塑料，尤其是低温脆性得到了大大改善，随玻璃纤维含量提高，低温时的抗冲击强度也有所提高。纤维含量提高，低温时的抗冲击强度也有所提高。吸水率很小，是聚甲醛和聚碳酸酯的十分之一。在耐沸水吸水率很小，是聚甲醛和聚碳酸酯的十分之一。在耐沸水和水蒸气方面更加突出，含有和水蒸气方面更加突出，含有20短切纤维的短切纤维的FRPP，在水中煮在水中煮1500小时，其抗拉强度比初始强度降低小时，其抗拉强度比初始强度降低10，如，如在在23水里浸泡时强度不变。在高温、高浓度的强酸、强水里浸泡时强度不变。在高温、高浓度的强酸、强碱中会使机械强度下降。在有机化合物的浸泡下会降低机碱中会使机械强度下降。在有机化合物的浸泡下会降低机械强度，并有增重现象。械强度，并有增重现象。玻璃纤维增强聚丙烯(代号FRPP)162玻璃纤维增强聚酰胺玻璃纤维增强聚酰胺在聚酰胺中加入玻璃纤维后，唯一的缺点是在聚酰胺中加入玻璃纤维后，唯一的缺点是使本来耐磨性好的性能变差了。因为聚酰胺使本来耐磨性好的性能变差了。因为聚酰胺的制品表面光滑，光洁度越好越耐磨。而加的制品表面光滑，光洁度越好越耐磨。而加入玻璃纤维以后，如果将制品经过二次加工入玻璃纤维以后，如果将制品经过二次加工或者被磨损时，玻璃纤维就会暴露于表面上，或者被磨损时，玻璃纤维就会暴露于表面上，这时材料的磨擦系数和磨耗量就会增大。这时材料的磨擦系数和磨耗量就会增大。因此，如果用它来制造耐磨性要求高的制品因此，如果用它来制造耐磨性要求高的制品时，一定要加入润滑剂。时，一定要加入润滑剂。2玻璃纤维增强聚酰胺173玻璃纤维增强聚苯乙烯类塑料玻璃纤维增强聚苯乙烯类塑料聚苯乙烯类树脂目前已成为系列产品，多为橡胶改聚苯乙烯类树脂目前已成为系列产品，多为橡胶改性树脂，例如：丁二烯性树脂，例如：丁二烯苯乙烯共聚物苯乙烯共聚物(BS)、丙烯、丙烯腈腈苯乙烯共聚物苯乙烯共聚物(AB)、丙烯腈一丁二烯、丙烯腈一丁二烯苯乙烯苯乙烯共聚物共聚物(ABS)等。这些共聚物大大改善了纯聚苯乙等。这些共聚物大大改善了纯聚苯乙烯的性能，使原来只是一种通用塑料的聚苯乙烯改烯的性能，使原来只是一种通用塑料的聚苯乙烯改性成为工程塑料。耐冲击性和耐热性提高了。这些性成为工程塑料。耐冲击性和耐热性提高了。这些聚合物再用长玻璃纤维或短切玻璃纤维增强后，其聚合物再用长玻璃纤维或短切玻璃纤维增强后，其机械强度及耐高、低温性、尺寸稳定性均大有提高。机械强度及耐高、低温性、尺寸稳定性均大有提高。也要加入偶联剂，不然聚苯乙烯类塑料与玻璃纤维也要加入偶联剂，不然聚苯乙烯类塑料与玻璃纤维粘结不牢。影响强度。粘结不牢。影响强度。3玻璃纤维增强聚苯乙烯类塑料18 4玻璃纤维增强聚碳酸酯玻璃纤维增强聚碳酸酯(代号代号FR-PC)聚碳酸酯是一种透明度较高的工程塑料，它聚碳酸酯是一种透明度较高的工程塑料，它的刚韧相兼的特性是其他塑料无法相比的，唯的刚韧相兼的特性是其他塑料无法相比的，唯一不足之处是易产生应力开裂、耐疲劳性差。一不足之处是易产生应力开裂、耐疲劳性差。加入玻璃纤维以后，加入玻璃纤维以后，FR-P比比P的耐疲劳强的耐疲劳强度提高度提高2-3倍，耐应力开裂性能可提高倍，耐应力开裂性能可提高6-8倍，倍，耐热性比耐热性比P提高提高10-20 ，线膨胀系数缩小，线膨胀系数缩小为为1.6-2.410-m/，因而可制成耐热的机械，因而可制成耐热的机械零件。零件。4玻璃纤维增强聚碳酸酯(代号FR-PC)195玻璃纤维增强聚酯玻璃纤维增强聚酯 聚酯作为基体材料主要有两种，一种是聚苯二甲酸乙二酯聚酯作为基体材料主要有两种，一种是聚苯二甲酸乙二酯(代代号号PET)，另一种为聚苯二甲酸丁二酯，另一种为聚苯二甲酸丁二酯(代号代号PBT)。未增强的纯聚酯结晶性高，成型时收缩率大，尺寸稳定性差、未增强的纯聚酯结晶性高，成型时收缩率大，尺寸稳定性差、耐温性差。质脆。用玻璃纤维增强后，机械强度比其他玻璃耐温性差。质脆。用玻璃纤维增强后，机械强度比其他玻璃纤维增强热塑性塑料均高，纤维增强热塑性塑料均高，抗拉强度抗拉强度135-145MPa，抗弯强度，抗弯强度209-250MPa，耐疲劳强度达，耐疲劳强度达52MPa。耐热性提高最大，。耐热性提高最大，PET的热变形温度为的热变形温度为85 ，PR-PFT为为240 ，仍能保持机械强，仍能保持机械强度，是玻璃纤维增强热塑性塑料中耐热温度最高的一种。耐度，是玻璃纤维增强热塑性塑料中耐热温度最高的一种。耐低温度性能好，超过了低温度性能好，超过了FR-PA6，在温度高低交替变化时，机，在温度高低交替变化时，机械性能变化不大；电绝缘性好，可制造耐高温电器零件；高械性能变化不大；电绝缘性好，可制造耐高温电器零件；高温下耐老化性好，胜过玻璃钢，尤其是耐光老化性能好，所温下耐老化性好，胜过玻璃钢，尤其是耐光老化性能好，所以使用寿命长。以使用寿命长。不足之处是在高温下易水解，使机械强度下不足之处是在高温下易水解，使机械强度下降。不适于在高温水蒸气下使用降。不适于在高温水蒸气下使用。5玻璃纤维增强聚酯206玻璃纤维增强聚甲醛玻璃纤维增强聚甲醛(代号代号FRPOM)聚甲醛是一种性能较好的工程塑料，加入玻璃纤维聚甲醛是一种性能较好的工程塑料，加入玻璃纤维后，不但起到增强的作用，而且耐疲劳性和耐蠕变后，不但起到增强的作用，而且耐疲劳性和耐蠕变性有很大提高。含有性有很大提高。含有25玻璃纤维的玻璃纤维的FRPOM的抗的抗拉强度为纯拉强度为纯POM的两倍、弹性模量为纯的两倍、弹性模量为纯POM的三倍，的三倍，耐疲劳强度为纯耐疲劳强度为纯POM的两倍，高温下仍具有良好的的两倍，高温下仍具有良好的耐蠕变性，同时耐老化性也很好。但不耐紫外线照耐蠕变性，同时耐老化性也很好。但不耐紫外线照射，因此在塑料中要加入紫外线吸收剂。射，因此在塑料中要加入紫外线吸收剂。不足之处不足之处是加入玻璃纤维后其摩接系数和磨耗量大大提高了，是加入玻璃纤维后其摩接系数和磨耗量大大提高了，即耐磨性降低了。即耐磨性降低了。为了改善其耐磨牡，可用聚四氟为了改善其耐磨牡，可用聚四氟乙烯粉末做为填料加入聚甲醛中，或加入碳纤维来乙烯粉末做为填料加入聚甲醛中，或加入碳纤维来改性。改性。6玻璃纤维增强聚甲醛(代号FRPOM)215.1.3 高强度、高模量纤维增强塑料高强度、高模量纤维增强塑料高强度、高模量纤维增强塑料主要是指以环氧树脂为基体，高强度、高模量纤维增强塑料主要是指以环氧树脂为基体，以各种高强度、高模量的纤维以各种高强度、高模量的纤维(包括碳纤维、硼纤维、芳包括碳纤维、硼纤维、芳香族聚酰胺纤维、各种晶须等香族聚酰胺纤维、各种晶须等)做为增强材料的高强度、做为增强材料的高强度、高模量纤维增强塑料。该种材料由于受增强纤维高强度、高模量纤维增强塑料。该种材料由于受增强纤维高强度、高模量这一性能的影响致使其具有共同的特点：高模量这一性能的影响致使其具有共同的特点：（1）比重轻、强度高、模量高和低的热膨胀系数。是目）比重轻、强度高、模量高和低的热膨胀系数。是目前力学性能最好的高分子复合材料。前力学性能最好的高分子复合材料。（2）加工工艺简单。该种增强塑料可采用的各）加工工艺简单。该种增强塑料可采用的各种成型方法，如模压法、缠绕法、手糊法等。种成型方法，如模压法、缠绕法、手糊法等。（3）价格昂贵。该种材料唯一的缺点是价格比较贵。）价格昂贵。该种材料唯一的缺点是价格比较贵。5.1.3 高强度、高模量纤维增强塑料221碳纤维增强塑料碳纤维增强塑料碳纤维增强环氧塑料是一种强度、刚度、耐热性均好的复碳纤维增强环氧塑料是一种强度、刚度、耐热性均好的复合材料，这方面的性能是其他材料无法相提并论的。比重合材料，这方面的性能是其他材料无法相提并论的。比重小、刚度大、抗冲击强度特别突出，耐疲劳强度很大摩小、刚度大、抗冲击强度特别突出，耐疲劳强度很大摩擦系数很小，这方面性能均超过了钢材。耐热性特别好，擦系数很小，这方面性能均超过了钢材。耐热性特别好，可在可在12000 高温下经受高温下经受10秒钟，保持不变。秒钟，保持不变。不足之处一不足之处一是碳纤维与塑料的粘结性差，且各向异性，这方面不如金是碳纤维与塑料的粘结性差，且各向异性，这方面不如金属材料。属材料。目前已有解决办法，使碳纤维氧化和晶须化来提目前已有解决办法，使碳纤维氧化和晶须化来提高其粘结性。用碳纤维编织法来解决各向异性的问题。另高其粘结性。用碳纤维编织法来解决各向异性的问题。另一个不足之处是价格昂贵，因而虽然有上述一些优良性能，一个不足之处是价格昂贵，因而虽然有上述一些优良性能，但还只是应用于宇航工业，其他领域应用较少。但还只是应用于宇航工业，其他领域应用较少。1碳纤维增强塑料232玻璃纤维聚酰胺玻璃纤维聚酰胺(代号代号FR-PA)聚酰胺是一种热塑性工程塑料，本身的强度就比聚酰胺是一种热塑性工程塑料，本身的强度就比一般通用塑料的强度高，耐磨性好，但因吸水率一般通用塑料的强度高，耐磨性好，但因吸水率太大，影响了尺寸稳定性，耐热性也较低。用玻太大，影响了尺寸稳定性，耐热性也较低。用玻璃纤维增强的聚酰氨，这些性能就会大大改善。璃纤维增强的聚酰氨，这些性能就会大大改善。玻璃纤维增强聚酰胺的品种很多。有玻璃纤维增玻璃纤维增强聚酰胺的品种很多。有玻璃纤维增强尼龙强尼龙6(FR-PA6)、玻璃纤维增强尼龙、玻璃纤维增强尼龙66(FR-PA66)、玻璃纤维增强尼龙、玻璃纤维增强尼龙1010(FR-PA1010)等。等。玻璃纤维的含量达到玻璃纤维的含量达到30-35时，其增强效果最时，其增强效果最为理想，抗拉强度可提高为理想，抗拉强度可提高2-3倍，抗压强度提高倍，抗压强度提高1.5倍，最突出的是耐热性提高幅度最大。倍，最突出的是耐热性提高幅度最大。2玻璃纤维聚酰胺(代号FR-PA)242芳香族聚酰胺纤维增强塑料芳香族聚酰胺纤维增强塑料基体材料主要是环氧树脂，其次是热塑性塑料的基体材料主要是环氧树脂，其次是热塑性塑料的聚乙烯、聚碳酸酯、聚酯等。芳香族聚酰胺纤维聚乙烯、聚碳酸酯、聚酯等。芳香族聚酰胺纤维增强环氧树脂的抗拉强度大于增强环氧树脂的抗拉强度大于GFRP，而与碳纤，而与碳纤维增强环氧树脂相似。最突出的特点是有压延性，维增强环氧树脂相似。最突出的特点是有压延性，与金属相似，而与其他有机纤维则大大不同。与金属相似，而与其他有机纤维则大大不同。3硼纤维增强塑料硼纤维增强塑料 硼纤维增强塑料是指硼纤维增强环氧树脂。该种硼纤维增强塑料是指硼纤维增强环氧树脂。该种材料突出的优点是刚度外，它的强度和弹性模量材料突出的优点是刚度外，它的强度和弹性模量均高于碳纤维增强环氧树脂。是高强度高模量纤均高于碳纤维增强环氧树脂。是高强度高模量纤维增强塑料中性能最好的一种。维增强塑料中性能最好的一种。2芳香族聚酰胺纤维增强塑料254碳化硅纤维增强塑料碳化硅纤维增强塑料主要是指碳化硅纤维增强环氧树脂。碳化硅主要是指碳化硅纤维增强环氧树脂。碳化硅纤维与环氧树脂复合时不需要表面处理，粘纤维与环氧树脂复合时不需要表面处理，粘结力就很强，材料层间剪切强度可达结力就很强，材料层间剪切强度可达1.2MPa。它的抗弯强度和抗冲击强度为碳纤维增强。它的抗弯强度和抗冲击强度为碳纤维增强环氧树脂的两倍，如果与碳纤维混合叠层进环氧树脂的两倍，如果与碳纤维混合叠层进行复合时，会弥补碳纤维的缺点。行复合时，会弥补碳纤维的缺点。4碳化硅纤维增强塑料265.1.4 其他纤维增强塑料其他纤维增强塑料其他纤维增强塑料是指以石棉纤维、矿锦纤纶、其他纤维增强塑料是指以石棉纤维、矿锦纤纶、棉纤维、麻纤维、木质纤维、合成纤维等为增棉纤维、麻纤维、木质纤维、合成纤维等为增强材料，以各种热塑性和热固性塑料为基体的强材料，以各种热塑性和热固性塑料为基体的复合材料。复合材料。这方面的复合材料发展得比较早应用也比较这方面的复合材料发展得比较早应用也比较广。其中热固性酚醛塑料与纸、布、棉、木片广。其中热固性酚醛塑料与纸、布、棉、木片等纤维的复合材科，在电器工业方面做为绝缘等纤维的复合材科，在电器工业方面做为绝缘材制使用。在机械工业中制成各种机械零件。材制使用。在机械工业中制成各种机械零件。5.1.4 其他纤维增强塑料275.2 聚合物基复合材料的结构设计材料设计材料设计是指根据对材料性能的要求而进行的材料获得方是指根据对材料性能的要求而进行的材料获得方法与工程途径的法与工程途径的规划规划规划规划。对设计一词的对设计一词的传统解释传统解释为：进行某项制作或工程以前，根为：进行某项制作或工程以前，根据该项目的使用目的和性能要求，拟定其材料、结构、工据该项目的使用目的和性能要求，拟定其材料、结构、工艺、用地、进度、费用等各方面的艺、用地、进度、费用等各方面的计划计划计划计划和和估算估算估算估算。5.2 聚合物基复合材料的结构设计材料设计是指根据对材料性28复合材料设计是通过改变原材料复合材料设计是通过改变原材料体系、比例、配置体系、比例、配置和和复合复合工艺类型及参数工艺类型及参数，来改变复合材料的，来改变复合材料的性能性能，特别是使其具，特别是使其具有各向异性，从而适应在有各向异性，从而适应在不同位置、不同方向不同位置、不同方向和和不同环境不同环境条件条件下的使用要求。下的使用要求。复合材料的可设计性复合材料的可设计性赋予了结构设计者更大的自由度赋予了结构设计者更大的自由度，从，从而有可能设计出能够充分发掘与应用材料潜力的而有可能设计出能够充分发掘与应用材料潜力的优化结构优化结构优化结构优化结构。复合材料设计是通过改变原材料体系、比例、配置和复合工艺类型295.2.1.1复合材料结构设计过程 复合材料结构设计是选用不同材料综合复合材料结构设计是选用不同材料综合各种设计各种设计(如层合板设计、典型结构件设计如层合板设计、典型结构件设计、连接设计等、连接设计等)的反复过程。在综合过程中的反复过程。在综合过程中必须考虑的一些主要因素有：结构质量、必须考虑的一些主要因素有：结构质量、研制成本、制造工艺、结构鉴定、质量控研制成本、制造工艺、结构鉴定、质量控制、工装模具的通用性及设计经验等。制、工装模具的通用性及设计经验等。5.2.1.1复合材料结构设计过程 复合材料结构设计是305.2.1.1复合材料结构设计过程复合材料结构设计的综合过程大致分为三个步骤复合材料结构设计的综合过程大致分为三个步骤(1)明确设计条件。如性能要求、载荷情况、环境条件、形明确设计条件。如性能要求、载荷情况、环境条件、形状限制等。状限制等。(2)材料设计。包括原材料选择、铺层性能的确定、复合材材料设计。包括原材料选择、铺层性能的确定、复合材料层合板的设计等。料层合板的设计等。(3)结构设计。包括复合材料典型结构件结构设计。包括复合材料典型结构件(如杆、梁、板、如杆、梁、板、壳等壳等)的设计，以及复合材料结构的设计，以及复合材料结构(如衍架、刚架、硬壳式如衍架、刚架、硬壳式结构等结构等)的设计。的设计。在上述材料设计和结构设汁中都涉及到应变、应力与变形在上述材料设计和结构设汁中都涉及到应变、应力与变形分析，以及失效分析，以确保结构的强度与刚度。分析，以及失效分析，以确保结构的强度与刚度。5.2.1.1复合材料结构设计过程复合材料结构设计的综合过程315.2.1.1复合材料结构设计过程复合材料结构往往是材料与结构一次成型的，复合材料结构往往是材料与结构一次成型的，且材料也具有可设计性。不同于常规的金属且材料也具有可设计性。不同于常规的金属结构设计，它是包含材料设计和结构设计在结构设计，它是包含材料设计和结构设计在内的一种新的结构设计方法，比金属结构设内的一种新的结构设计方法，比金属结构设计要复杂。计要复杂。在复合材料结构设计时，可以从材料与结构在复合材料结构设计时，可以从材料与结构两方面进行考虑，以满足各种设计要求、尤两方面进行考虑，以满足各种设计要求、尤其是材料的可设计性，可使复合材料结构达其是材料的可设计性，可使复合材料结构达到优化设计的目的。到优化设计的目的。5.2.1.1复合材料结构设计过程复合材料结构往往是材料与结32 在结构设计中，首先应明确设计条件，即根据使用目的提在结构设计中，首先应明确设计条件，即根据使用目的提出出性能要求、载荷情况、环境条件性能要求、载荷情况、环境条件及及受几何形状和尺寸大受几何形状和尺寸大小的限制小的限制等，这些往往是设计任务书的内容。等，这些往往是设计任务书的内容。（1）结构性能要求）结构性能要求 一般来说，体现结构性能的主要内一般来说，体现结构性能的主要内容有：容有：结构所能承受的各种载荷，确保在使用寿命内的结构所能承受的各种载荷，确保在使用寿命内的安全；安全；提供装置各种配件、仪器等附件的空间，对结构提供装置各种配件、仪器等附件的空间，对结构形状和尺寸有一定的限制；形状和尺寸有一定的限制；隔绝外界的环境状态而保护隔绝外界的环境状态而保护内部物体。内部物体。5.2.1.2 复合材料结构设计条件 在结构设计中，首先应明确设计条件，即根据使用目的提出33（2）载荷情况）载荷情况 结构承载分为结构承载分为静载荷静载荷和和动载荷动载荷 静载荷静载荷：缓慢的由零增加到某一数值以后就保持不变或变：缓慢的由零增加到某一数值以后就保持不变或变动不显著的载荷；动不显著的载荷；动载荷动载荷：能够使构件产生较大的加速度，并且不能忽略由：能够使构件产生较大的加速度，并且不能忽略由此而产生的惯性力的载荷。此而产生的惯性力的载荷。在静载荷的作用下结构一般应设计成具有抵抗破坏和抵抗在静载荷的作用下结构一般应设计成具有抵抗破坏和抵抗变形的能力，即具有足够的强度和刚度。变形的能力，即具有足够的强度和刚度。在动载荷的作用下结构一般应设计成具有抵抗冲击、耐疲在动载荷的作用下结构一般应设计成具有抵抗冲击、耐疲劳来设计结构劳来设计结构（2）载荷情况 34（3）环境条件）环境条件 一般在设计结构时，应明确的确定结构的使用目的，要求完一般在设计结构时，应明确的确定结构的使用目的，要求完成的使命，且还有必要明确它在保管、包装、运输等整个使用期成的使命，且还有必要明确它在保管、包装、运输等整个使用期间的环境条件，以及这些过程的时间和往返次数等，以确保在这间的环境条件，以及这些过程的时间和往返次数等，以确保在这些环境条件下结构的正常使用。为此，必须充分考虑各种可能的些环境条件下结构的正常使用。为此，必须充分考虑各种可能的环境条件。一般为下列四种环境条件：环境条件。一般为下列四种环境条件：（a）力学条件：加速度、冲击、振动、声音等；）力学条件：加速度、冲击、振动、声音等；（b）物理条件：压力、温度、湿度等；）物理条件：压力、温度、湿度等；（c）气象条件：风雨、冰雪、日光等；）气象条件：风雨、冰雪、日光等；（d）大气条件：放射线、霉菌、盐雾、风沙等。）大气条件：放射线、霉菌、盐雾、风沙等。分析各种环境条件下的作用与了解复合材料在各种环境条件分析各种环境条件下的作用与了解复合材料在各种环境条件下的性能，对于正确进行结构设计是很有必要的，除此之外，还下的性能，对于正确进行结构设计是很有必要的，除此之外，还应从长期使用角度出发，积累复合材料的变质、磨损、老化等长应从长期使用角度出发，积累复合材料的变质、磨损、老化等长期性能变化的数据。期性能变化的数据。（3）环境条件35(4)结构的可靠性与经济性结构的可靠性与经济性 所谓所谓结构的可靠性结构的可靠性，是指结构在所规定的使用寿命内，在给，是指结构在所规定的使用寿命内，在给予的载荷情况和环境条件下，充分实现所预期的性能时结构予的载荷情况和环境条件下，充分实现所预期的性能时结构正常工作的能力，这种能力用一种概率来度量称为结构的可正常工作的能力，这种能力用一种概率来度量称为结构的可靠度。靠度。结构强度结构强度最终取决于构成这种结构的最终取决于构成这种结构的材料强度材料强度，所以欲确定，所以欲确定结构的可靠度，必须对结构的可靠度，必须对材料特性材料特性作统计处理，整理出它们的作统计处理，整理出它们的性能分布和分散性资料。性能分布和分散性资料。结构设计的合理性最终表现在可靠性和经济性两方面。一般结构设计的合理性最终表现在可靠性和经济性两方面。一般来说，要提高可靠性就得增加初期成本，而维修成本是随可来说，要提高可靠性就得增加初期成本，而维修成本是随可靠性的增加而降低的，所以总成本最低时（即经济性最要好）靠性的增加而降低的，所以总成本最低时（即经济性最要好）的可靠性为最合理。的可靠性为最合理。(4)结构的可靠性与经济性365.2.2 材料设计 材料设计，通常是指选用几种原材料组成具有所要求性能材料设计，通常是指选用几种原材料组成具有所要求性能的材料的过程。的材料的过程。由于不同由于不同构件的功能构件的功能不同，因此对于组成构件的不同，因此对于组成构件的材料的性材料的性材料的性材料的性能能能能要求也不同，同时，所采用的材料还受到相应要求也不同，同时，所采用的材料还受到相应约束条件约束条件约束条件约束条件的限制。的限制。构件功能构件功能对材料性能对材料性能的要求的要求约束条件约束条件5.2.2 材料设计 材料设计，通常是指选用几种原材料37物理性能物理性能（如密度、导热性、导电性、磁性、微波吸收（如密度、导热性、导电性、磁性、微波吸收性或反射性、透光性等）性或反射性、透光性等）化学性能化学性能（抗腐蚀性、抗氧化性等）（抗腐蚀性、抗氧化性等）力学性能力学性能（如强度、模量、韧性、硬度、耐磨性、抗疲（如强度、模量、韧性、硬度、耐磨性、抗疲劳性、抗蠕变性等）；劳性、抗蠕变性等）；对材料性能的要求物理性能（如密度、导热性、导电性、磁性、微波吸收性或反射性38对所采用材料的约束条件对所采用材料的约束条件包括：对所采用材料的约束条件包括：资源、能耗、环保、成本、生产周期、寿命、资源、能耗、环保、成本、生产周期、寿命、使用条件（温度、气氛、载荷性质、所接触的使用条件（温度、气氛、载荷性质、所接触的介质等）。介质等）。对所采用材料的约束条件对所采用材料的约束条件包括：39一、原材料的选择原则一、原材料的选择原则（1）比强度、比刚度高原则）比强度、比刚度高原则 在满足强度、刚度、耐久性和损伤容限等要求的前提下，应在满足强度、刚度、耐久性和损伤容限等要求的前提下，应使结构质量最轻。使结构质量最轻。（2）材料与结构的使用环境相适应的原则）材料与结构的使用环境相适应的原则 通常要求材料的主要性能在结构整个使用环境条件下，其下通常要求材料的主要性能在结构整个使用环境条件下，其下降幅值应不大于降幅值应不大于10%。（3）满足结构特殊性要求的原则）满足结构特殊性要求的原则 除了结构刚度和强度意外，许多结构物还要求有一些特殊性除了结构刚度和强度意外，许多结构物还要求有一些特殊性能。通常为满足这些特殊性要求，要着重考虑合理的选取基能。通常为满足这些特殊性要求，要着重考虑合理的选取基体材料。体材料。一、原材料的选择原则40（4）满足工艺性要求的原则）满足工艺性要求的原则 复合材料的工艺性复合材料的工艺性包括预浸料工艺性包括预浸料工艺性、固化成型工艺性固化成型工艺性、机加装配工艺性机加装配工艺性和和修补工艺性修补工艺性四方面。四方面。挥发物含量挥发物含量黏性黏性树脂流出量树脂流出量预浸料贮存期预浸料贮存期处理期处理期工艺期工艺期预浸料工艺性预浸料工艺性固化成型工艺性固化成型工艺性加压时间加压时间固化温度固化温度固化压力固化压力层合板性能对固化温度和压层合板性能对固化温度和压力的敏感性力的敏感性固化后构件的收缩率固化后构件的收缩率 机加装配工艺性机加装配工艺性主要是指机加工艺性；主要是指机加工艺性；修补工艺性修补工艺性主要是指已固化的复主要是指已固化的复合材料与未固化的复合材料通过其他基体材料或胶黏剂粘结的能力。合材料与未固化的复合材料通过其他基体材料或胶黏剂粘结的能力。工艺性要求与选择的基体材料和纤维材料有关工艺性要求与选择的基体材料和纤维材料有关（4）满足工艺性要求的原则挥发物含量黏性树脂流出量预浸料贮存41（5）成本低、效益高的原则）成本低、效益高的原则 成本包括初期成本和维修成本，而初期成本包括材料成本成本包括初期成本和维修成本，而初期成本包括材料成本和制造成本。效益指减重获得节省材料、性能提高、节约和制造成本。效益指减重获得节省材料、性能提高、节约能源等方面的经济效益。能源等方面的经济效益。成本低、效益高的原则是一项重要的选材原则（成本低、效益高的原则是一项重要的选材原则（P90）（5）成本低、效益高的原则42二、纤维的选择二、纤维的选择高强度、高模量易于生产加工良好的化学稳定性耐机械损伤具有合适的尺寸和几何形状纤维性能再现性（或一致性）好柔曲性好价格能为使用方承受二、纤维的选择43（1）若结构要求有良好的透波、吸波性能，可选取）若结构要求有良好的透波、吸波性能，可选取Kevlar(芳芳纶纶)纤维、氧化铝纤维等作为增强材料；纤维、氧化铝纤维等作为增强材料；（2）若结构要求有高的刚度，则可选用高模量碳纤维或硼纤维；）若结构要求有高的刚度，则可选用高模量碳纤维或硼纤维；（3）若结构要求有高的抗冲击性能，则可选用玻璃纤维、）若结构要求有高的抗冲击性能，则可选用玻璃纤维、Kelvar纤维；纤维；（4）若结构要求有好的低温工作性能，则可选用低温下不脆化的）若结构要求有好的低温工作性能，则可选用低温下不脆化的碳纤维；碳纤维；（5）若结构要求尺寸不随温度变化，则可选用）若结构要求尺寸不随温度变化，则可选用Kelvar纤维或碳纤维或碳纤维；纤维；（6）若结构要求既有较大的强度又有较大的刚度时，则可选用比）若结构要求既有较大的强度又有较大的刚度时，则可选用比强度和比刚度均较高的碳纤维或硼纤维。强度和比刚度均较高的碳纤维或硼纤维。（1）若结构要求有良好的透波、吸波性能，可选取Kevlar(44（1 1）各组分材料之间的相容性，包括：）各组分材料之间的相容性，包括：物理相容性物理相容性（如热膨胀系数）（如热膨胀系数）化学相容性（如在制化学相容性（如在制造和服役期间是否产造和服役期间是否产生有害反应）生有害反应）力学相容性（如在复合材料力学相容性（如在复合材料承受载荷包时，各组分之间承受载荷包时，各组分之间的应变能否彼此协调）的应变能否彼此协调）（1）各组分材料之间的相容性，包括：物理相容性化学相容性（如45（2 2）按照各组分在复合材料中）按照各组分在复合材料中所起作用所起作用来来确定确定增强组分增强组分的的几何形状几何形状（如颗粒状、条带状、纤维状及它们的编（如颗粒状、条带状、纤维状及它们的编织与堆集状态等）及其在复合材料中的织与堆集状态等）及其在复合材料中的位置位置与与取向取向；（3 3）在制成复合材料后，其中的各组分应）在制成复合材料后，其中的各组分应保持它们的固保持它们的固有优秀性质有优秀性质，并能扬长避短、相互补充，产生所需要，并能扬长避短、相互补充，产生所需要的复合效应。的复合效应。（2）按照各组分在复合材料中所起作用来确定增强组分的几何形状46三、树脂选择三、树脂选择环氧树脂环氧树脂聚酰亚胺树脂聚酰亚胺树脂酚醛树脂酚醛树脂聚酯树脂聚酯树脂热固性树脂热固性树脂聚醚砜聚醚砜聚砜聚砜聚醚醚酮聚醚醚酮聚苯砜聚苯砜热塑性树脂热塑性树脂尼龙尼龙聚苯二烯聚苯二烯聚醚酰亚胺聚醚酰亚胺三、树脂选择环氧树脂聚酰亚胺树脂酚醛树脂聚酯树脂热固性树脂聚47选择基体应明确的问题（1 1）复合材料的）复合材料的耐温和耐环境性耐温和耐环境性主要取决于基体；主要取决于基体；（2 2）复合材料）复合材料其他性质其他性质（如对纤维的粘接性、传递和分散（如对纤维的粘接性、传递和分散载荷的功能等）也依赖基体；载荷的功能等）也依赖基体；（3 3）纤维增强复合材料的）纤维增强复合材料的使用温度范围使用温度范围通常按基体划分。通常按基体划分。选择基体应明确的问题（1）复合材料的耐温和耐环境性主要取决于48 目前树脂基复合材料中用的最多的基体是热固性树脂，尤其目前树脂基复合材料中用的最多的基体是热固性树脂，尤其是各种牌号的环氧树脂。是各种牌号的环氧树脂。环氧树脂有较高的力学性能，但工作温度较低，只能在环氧树脂有较高的力学性能，但工作温度较低，只能在-40 130范围内长期工作。对于需耐高温的复合材料，主要是范围内长期工作。对于需耐高温的复合材料，主要是用聚酰亚胺作为基体材料，它能在用聚酰亚胺作为基体材料，它能在200259 温度下长期工作。温度下长期工作。目前树脂基复合材料中用的最多的基体是热固性树脂，尤其49树脂的选择应考虑如下的各种要求：树脂的选择应考虑如下的各种要求：（1）要求基体材料能在结构使用温度范围内正常工作；）要求基体材料能在结构使用温度范围内正常工作；（2）要求基体材料具有一定的力学性能；）要求基体材料具有一定的力学性能；（3）要求基体的断裂伸长率大于或者接近纤维的断裂伸长率，）要求基体的断裂伸长率大于或者接近纤维的断裂伸长率，以确保充分发挥纤维的增强作用；以确保充分发挥纤维的增强作用；（4）要求基体材料具有满足使用要求的物理、化学性能，主）要求基体材料具有满足使用要求的物理、化学性能，主要指吸湿性、耐介质、耐候性、阻燃性、低烟性和低毒性；要指吸湿性、耐介质、耐候性、阻燃性、低烟性和低毒性；（5）要求具有一定的工艺性，主要是指黏性、凝胶时间、挥）要求具有一定的工艺性，主要是指黏性、凝胶时间、挥发分含量、预浸带的保存期和工艺期、固化时的压力和温度、发分含量、预浸带的保存期和工艺期、固化时的压力和温度、固化后的尺寸收缩率等。固化后的尺寸收缩率等。树脂的选择应考虑如下的各种要求：50四单层性能的确定四单层性能的确定不容易由所组成的材料性能来推定。通常是利用不容易由所组成的材料性能来推定。通常是利用细观力学分析方法推得的预测公式确定的。而在细观力学分析方法推得的预测公式确定的。而在最终设计阶段，一般为了单层性能参数的真实可最终设计阶段，一般为了单层性能参数的真实可靠，使设计更为合理，单层性能的确定需用试验靠，使设计更为合理，单层性能的确定需用试验的方法直接测定。的方法直接测定。(1)单层树脂含量的确定单层树脂含量的确定一般是根据单层的承力性质或单层的使用功能选一般是根据单层的承力性质或单层的使用功能选取的。取的。四单层性能的确定51复合材料概论第5章-聚合物基复合材料课件52(2)刚度的预测公式刚度的预测公式(3)强度的预测公式强度的预测公式(2)刚度的预测公式53复合材料概论第5章-聚合物基复合材料课件54四、复合材料层合板设计四、复合材料层合板设计复合材料层合板设计，是根据单层的性能确定层合板中各复合材料层合板设计，是根据单层的性能确定层合板中各铺层的取向，铺设顺序，各定向层相对于总层数的百分比铺层的取向，铺设顺序，各定向层相对于总层数的百分比和总层数和总层数(或总厚度或总厚度)。复合材料层合板设计通常又称为铺层。复合材料层合板设计通常又称为铺层设计。设计。(1)层合板设计的一般原则层合板设计的一般原则 铺层定向原则。由于层合板铺层取向过多会造成设计工铺层定向原则。由于层合板铺层取向过多会造成设计工作的复杂化，目前多选择作的复杂化，目前多选择0，45，90和和45四种铺层方四种铺层方向。向。均衡对称铺设原则均衡对称铺设原则除特殊需要外，一般均设计成均衡对称层合板，以避免拉除特殊需要外，一般均设计成均衡对称层合板，以避免拉-剪、拉剪、拉-弯耦合而引起固化后的翘曲等变形。弯耦合而引起固化后的翘曲等变形。铺层取向按承载选取原则铺层取向按承载选取原则如果承受拉如果承受拉(压压)载荷，则使铺层的方向按载荷方向铺设；如载荷，则使铺层的方向按载荷方向铺设；如果承受剪切载荷，则铺层按果承受剪切载荷，则铺层按(45方向成对铺设；如果承受双方向成对铺设；如果承受双向载荷，则铺层按受载方向向载荷，则铺层按受载方向0，45，90正交铺设；如果承正交铺设；如果承受多种载荷，则铺层按受多种载荷，则铺层按0，90，45多向铺设。多向铺设。四、复合材料层合板设计55铺层最小比例原则铺层最小比例原则为避免基体承载，减少湿热应力，使复合材料与为避免基体承载，减少湿热应力，使复合材料与其相连接的金属泊松比相协调，以减少连接诱导其相连接的金属泊松比相协调，以减少连接诱导应力等，对于方向为应力等，对于方向为0，90，45铺层，其任铺层，其任一方向的铺层最小比例应大于一方向的铺层最小比例应大于6-10。铺设顺序原则铺设顺序原则A.应使各定向层尽量沿层合板厚度均匀分布，也应使各定向层尽量沿层合板厚度均匀分布，也即使层合板的单层组数尽量地大或者说使每一单即使层合板的单层组数尽量地大或者说使每一单层组中的单层尽量地少，一般不超过层组中的单层尽量地少，一般不超过4层，这样可层，这样可以减少两种定向层之间的层间分层可能性。以减少两种定向层之间的层间分层可能性。B如果层合板中含有如果层合板中含有45层、层、0层和层和90层，应尽层，应尽量使量使45层之间用层之间用0层或层或90层隔开，也尽量使层隔开，也尽量使0层层和和90层之间用层之间用45或或 45层隔开，以降低层间应层隔开，以降低层间应力力。铺层最小比例原则56冲击载荷区设计原则冲击载荷区设计原则冲击载荷区层合板应有足够多的冲击载荷区层合板应有足够多的0层，用以层，用以承受局部冲击载荷；也要有一定量的承受局部冲击载荷；也要有一定量的45层层以使载荷扩散。除此之外，需要时还需局以使载荷扩散。除此之外，需要时还需局部加强以确保足够的强度。部加强以确保足够的强度。(p99)冲击载荷区设计原则57防边缘分层破坏设计原则防边缘分层破坏设计原则 除了遵循铺设顺序原则外，还可以沿边缘区包一除了遵循铺设顺序原则外，还可以沿边缘区包一层玻璃布，以防止边缘分层破坏。层玻璃布，以防止边缘分层破坏。抗局部屈曲设计原则抗局部屈曲设计原则 对于有可能形成局部屈曲的区域将对于有可能形成局部屈曲的区域将45层尽量层尽量铺设在层合板的表面，可提高局部屈曲强度。铺设在层合板的表面，可提高局部屈曲强度。连接区设计原则连接区设计原则沿载荷方向的铺层比例应大于沿载荷方向的铺层比例应大于30%，45铺层比例铺层比例应大于应大于40，以增加剪切强度，同时有利于扩散，以增加剪切强度，同时有利于扩散载荷和减少孔的应力集中。载荷和减少孔的应力集中。防边缘分层破坏设计原则58变厚度设计原则变厚度设计原则变厚度零件的铺层阶差、各层台阶设计宽度应相等，变厚度零件的铺层阶差、各层台阶设计宽度应相等，其台阶宽度应等于或