6.聚合物基复合材料的性能课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第六章 聚合物基复合材料,6.1,聚合物基复合材料的性能,6.2,聚合物基复合材料的结构设计,6.3,聚合物基复合材料的应用,高分子材料的力学性能,力学性能的基本指标,高弹性能,粘弹性,聚合物的力学屈服,聚合物的力学强度,摩擦与磨耗,疲劳强度,6.1.1 力学性能的基本指标,应力和应变,应变,受到外力作用而又不产生惯性移动时，材料的几何形状和尺寸发生的变化,应力,定义为单位面积上的内力，内力是材料宏观变形时，其内部分子及原子间,发生相对位移，产生分子间及原子间对抗外力的附加内力。,材料的受力方式,简单拉伸：张应变,e,=,l,/,l,0,习用应力,s =,F,/,A,0,.,简单剪切：材料受到与截面相平行、大小相等、方向相反且不在同一直线上的两个力,F,作用时,，,发生简单剪切。,g,=,l,/,l,0,= tan,q,s,s,=,F,/,A,0,均匀压缩：,g,v,=,V,/,V,0,力学性能的基本指标,弹性模量,弹性模量（模量）,单位应变所需应力的大小，是材料刚性的表征。,三种形变对应三种模量,拉伸模量,（杨氏模量）：,E,=,s / e,剪切模量 ：,G,=,s,s,/ g,体积模量（本体模量）：,B,=,P,/ g,v,三种模量间的关系：,E,= 2,G,( 1 +,n,) = 3,B,(1- 2,n,),n,是泊松比：拉伸形变中横向应变与纵向应变的比值,力学性能的基本指标,硬度与强度,硬度是衡量材料表面抵抗机械压力的一种指标。,硬度的大小与材料的抗张强度和弹性模量有关。,有时用硬度作为抗张强度和弹性模量的一种近似估值。,强度,抗张强度（拉伸强度）,:,试样断裂前所承受的最大载荷与其截面积之比,抗弯强度（挠曲强度），,s,t,= 1.5Pl,0,/ bd,2,抗冲击强度（冲击强度）,衡量材料韧性的指标，指试样受冲击载荷破裂时单位面积所吸收的能量。,s,i,= W,/,bd,6.1.2 聚合物基复合材料的总体性能,材料,比重,抗张强度,(GPa),弹性模量(100GPa),比强度(GPa),比模量(100GPa),钢,7.8,1.03,2.1,0.13,0.27,铝,2.8,0.47,0.75,0.17,0.26,钛,4.5,0.96,1.14,0.21,0.25,玻璃钢,2.0,1.06,0.4,0.53,0.21,碳纤维,/ 环氧,1.45,1.5,1.4,1.03,0.97,碳纤维,/ 环氧,1.6,1.07,2.4,0.7,1.5,有机纤维 / 环氧,1.4,1.4,0.8,1.0,0.57,硼纤维 / 环氧,2.1,1.38,2.1,0.66,1.0,表6-1 各种材料的比强度和比模量,聚合物基复合材料的总体性能(1),比强度、比模量较高,玻璃纤维复合材料有较高的比强度、比模量。而碳纤维、硼纤维、有机纤维增强的聚合物基复合材料的比强度相当于钛合金的,3-5,倍，它们的比模量相当于金属的,2-4,倍。,耐疲劳性能好,金属材料的疲劳破坏是没有明显预兆的突发性破坏，而聚合物基复合材料中纤维与基体的界面能阻止材料受力所致裂纹的扩展。其疲劳破坏总是从纤维的薄弱环节逐渐扩展到结合面上，,破坏前有明显的预兆,。大多数金属材料的疲劳强度极限是其抗张强度的,40-50,。而碳纤维聚酯复合材料的疲劳强度极限可达其抗张强度的,70-80,。,聚合物基复合材料的总体性能(2),减震性好,受力结构自振频率的影响因素：,结构的形状，结构材料的比模量（与其平方根成正比）。,比模量高，,自,振颜率高。,界面具有吸振能力，振动阻尼高。,试验表明：同样大小的振动，轻合金梁需,9 s,才能停止，碳纤维复合材料梁只需,2.5 s,就会停止。,安全性好,复合材料中有大量增强纤维，当材料过载而有少数纤维断裂时，载荷会迅速重新分配到未破坏的纤维上，使整个构件在短期内不致于失去承载能力。,聚合物基复合材料的总体性能(3),可设计性强、成型工艺简单,通过改变纤维、基体的种类及相对含量、纤维集合形式及排列方式、铺层结构等可满足材料结构和性能的各种设计要求。,整体成型，一般不需二次加工，可采用手糊成型、模压成型、缠绕成型、注射成型和拉挤成型等各种方法制成各种形状的产品。,不足,断裂伸长率小；,抗冲击强度差；,横向强度和层间剪切强度低。,6.1.3 玻璃纤维增强热固性塑料的共同特点,玻璃纤维增强热固性塑料 (GFRP) 俗称,玻璃钢,：,包括聚酯玻璃钢、环氧玻璃钢和酚醛玻璃钢。,比重小、比强度较高，比铝轻，而比强度比高级合金钢高；,良好的耐腐蚀性，超过不锈钢；,良好的电绝缘性，电阻率和击穿电压都达到绝缘材料标准；,不受电磁作用影响，微波透过性好；,保温、隔热、隔音、减震等。,刚性差，弯曲弹性模量只有钢的,1/10,；,导热性差；,易发生光氧老化。,环氧玻璃钢的特点,综合性能最好的玻璃钢。,环氧树脂对玻璃纤维的粘结力强，所得玻璃钢的,界面剪切强度最高；,机械强度高于其他玻璃钢；,尺寸稳定性最好，固化收缩率只有,1-2%,。,环氧树脂粘度大，加工不便；,成型时需要加热，不便于制造大型制件。,聚酯玻璃钢的特点,突出特点,：加工性能好,不饱和聚酯中加入引发剂和促进剂后，可在室温固化,成型；使用苯乙烯等稀释剂稀释的树脂粘度低，可采用,各种成型方法加工成型，可制作大型构件。,透光性好，透光率达,60-80%,，用于制作采光制件,价格便宜,固化收缩率大，,4-8%,耐酸、碱性相对较差,酚醛玻璃钢的特性,耐热性最好的玻璃钢，可在,200,o,C,长期使用；,耐烧蚀性好，可用于制造宇宙飞船的外壳；,耐电弧性好，用于制作耐电弧绝缘材料；,价格便宜。,固化收缩率大；,性脆；,酚醛树脂对人体皮肤有刺激作用。,各种玻璃钢与金属性能的比较,性能,聚酯,玻璃钢,环氧,玻璃钢,酚醛,玻璃钢,钢,铝,高级合金,比重,1.7-1.9,1.8-2.0,1.6-1.85,7.8,2.7,8.0,拉伸强度/MPa,70-299,180-350,70-280,700-840,70-250,1280,压缩强度/MPa,210-250,180-300,100-270,350-420,30-100,-,弯曲强度/MPa,210-350,70.3-470,1100,420-460,70-110,-,比强度/MPa,160,180,115,50,-,160,导热系数,J/m.h.K,1.038,0.63-1.507,-,155-748,726-828,-,线膨胀系数,*10,-6,/,o,C,7,11-35,3.5-10.7,12,23,-,玻璃钢型材的导热系数是钢材的,1/150,，是铝材的,1/650,6.1.4 玻璃纤维增强热塑性塑料的性能,材 料,比 重,抗拉强度（MPa),比强度（MPa),普通钢A,3,7.85,400,50,不锈钢1Cr18Ni9Ti,8,550,68.8,硬铝合金LY,12,2.3,470,167.3,增强尼龙610,1.45,250,179.9,增强尼龙1010,1.23,130,146.3,增强PC,1.42,140,98.3,增强PP,1.12,90,80.4,与玻璃纤维增强热固性塑料相比，玻璃纤维增强的热塑性塑料比重更小，除比强度较高外，其蠕变性也大为改善。它与部分金属的比强度比较如下：,玻璃纤维增强聚丙烯（FR-PP）,突出特点:,机械强度比纯PP大大提高，当短切玻璃纤达3040%时，,其抗拉强度达到100 MPa，大大高于工程塑料PC、PA等;,使PP的低温脆性得到了大大改善;,-的吸水率小，是POM和PC的十分之一;,耐沸水和水蒸气突出，含短切纤维的-，在水中煮1500小时，其抗拉强度只降低，在水中浸泡时强度不变。,加入经硅烷偶联剂处理的玻璃纤维后，其热变形温度,显著提高，可达153 ，接近纯PP的熔点。,玻璃纤维增强聚酰胺（FR-PA）,可大大改善其耐热性和尺寸稳定性。,纤维含量达,30-35%,时，抗拉强度可提高,2-3,倍，,抗压强度可提高,1.5,倍,;,耐热性提高明显，尼龙,-6,的使用温度为,120,o,C,，,增强后使用温度高达,170-180,o,C,;,FR-PA,的线膨胀系数比,PA,降低约,25%;,耐水性得到改善，,PA6,吸湿率为,4%,，,FR-PA6,降到,2%,。,不足,: FR-PA,的耐磨性比,PA,差。,玻璃纤维增强聚苯乙烯类塑料,聚苯乙烯类塑料包括PS、BS、ABS、AS等，多数为橡,胶改性树脂。,玻璃纤维增强后的树脂，机械强度、耐高温性、耐低温,性、尺寸稳定性均大有提高。,如AS的,抗拉强度为，而含20%玻璃纤维的,FR-AS的抗拉强度达到135MPa，提高近1倍，弹性模量提,高几倍，热变形温度提高10-15,o,C。此外，随着玻璃纤维,的增加，线膨胀系数减小，含20%玻纤的FR-AS线膨胀系,数与金属铝接近。,玻璃纤维增强聚酯PET、PBT,纯聚酯结晶性高，成型时收缩率大、尺寸稳定性差、,耐温性差且质脆。,用玻璃纤维增强后，其机械强度高于其它玻纤增强的热塑性塑料，,抗拉强度为,135-145,MPa,，弯曲强度为,209-250,MPa,，耐疲劳强度高达,52,MPa,。,PET,的热变形温度为,85,o,C,，而,FR-PET,为,240,o,C,，属耐热温度最高的,玻纤增强热塑性塑料,。它的耐低温性能超过了,FR-PA6,，且高、低温交替变,化,时，其物理机械性能变化不大；耐热老化性超过玻璃,钢，,并有良好的耐光老化性能。,不足,：高温下耐水性差。,玻璃纤维增强PC、POM,PC,是兼具刚、韧性，透明度较高的工程塑料，常用于汽,车前大灯等照明灯具，不足之处是易产生应力开裂、耐疲劳,性差。用玻璃纤维增强后，耐疲劳强度提高,2-3,倍，耐应力,开裂性可提高,6-8,倍，而耐热性也提高了,10-20,o,C,。,玻璃纤维增强的聚甲醛（,POM,）耐疲劳性和抗蠕变性有,大幅提高。含有,25%,玻璃纤维的,FR-POM,的抗拉伸强度是,POM,的,2,倍，弹性模量是,POM,的,3,倍，耐疲劳强度是,POM,的,2,倍，在高温下仍具有良好的耐蠕变性、耐老化性。不足的,是耐磨性不如,POM,。,玻璃纤维增强PPO,聚苯醚（PPO）是一种综合性能优异的工程塑料，但由于,熔融粘度大、加工困难，且易发生应力开裂。往往通过共混,来改善此缺陷，但共混会使其力学性能和耐热性下降，用玻,璃纤维增强可克服这一缺点。,含20%玻璃纤维的FR-PPO，其抗弯曲弹性模量比PPO提,高2倍；在23,o,C往复次数为2.510,6,次时，它的弯曲疲劳极,限强度仍能保持28 MPa。,FR-PPO的热膨胀系数很小，与金属极为接近，其制件与,金属零件配合时，不易产生应力开裂。此外，还具有优异的,电绝缘性。,热塑性塑料及其增强塑料的性能对比,品种,比重,抗拉强度,抗弯强度,压缩强度,弯曲,模量,冲击强度,热变形温度,0,C,成型收缩率%,PP,FR-PP,0.91,1.14,35,85,35,80,45,60,1200,5800,0.4,0.8,63,155,1.3-1.6,0.2-0.8,HDPE,FR-HDPE,0.96,1.17,30,80,21,90,20,35,900,5500,0.6,0.8,50,127,1.5-2.5,0.3-1.0,PS,FR-PS,1.04,1.28,50,95,70,110,100,130,3000,8400,0.2,0.4,80,96,0.3-0.6,0.1-0.3,PC,FR-PC,1.2,1.43,67,110,95,200,88,150,2400,8400,0.14,0.20,140,149,0.5-0.7,0.1-0.3,PET,FR-PET,1.37,1.63,74,140,130,200,130,150,3500,10000,0.4,0.1,85,240,0.8-2.0,0.3-0.6,PA66,FR-PA66,1.13,1.35,83,180,110,260,34,170,2900,8100,0.4,0.1,70,250,0.7-1.4,0.4-0.8,ABS,FR-ABS,1.05,1.28,45,100,67,130,80,100,2500,7700,0.1,0.6,83,100,0.4-0.6,0.1-0.3,强度、模量单位,：MPa,高强度、高模量纤维增强塑料,高强度、高模量纤维增强塑料的共同点：比重轻、强度高、模量高、,热膨胀系数小（如下表），加工工艺简单，但造价高。,材料,性能,环氧玻璃钢,碳纤维/环氧,Kevlar/环氧,硼纤维/环氧,比重,1.9,1.6,1.4,2.0,拉伸强度/MPa,300,1500,1400,1750,弹性模量/GPa,-,12,76,120,热膨胀系数(,*10,-6,/,0,C),1.1-3.5,() -0.7,() 30,() -40,() 60,() -5.0,() 30,6.1.5 高性能树脂基复合材料,高性能树脂通常具有优良的物理、力学、电学、热学、耐,化学腐蚀等综合性能，而耐高温性能尤其突出。,聚酰亚胺是目前产量最大的一类耐高温树脂，它对热和氧,十分稳定，并有突出的耐辐射性和良好的电性能，在较高的,温度范围内保持高强度，具有优良的耐磨蚀性和自熄性。其,中用于制造复合材料的通常为加聚型聚酰亚胺（以低聚物形,式进行加聚反应而固化），典型产品有DuPont公司的PMR-,15和PMR-11及LP-15、LaRC-RP46、LaRC-160等。,加聚型聚酰亚胺树脂的主链结构,PMR-15,PMR-11,LaRC-RP46,LP-15,加聚型聚酰亚胺树脂的端基及交联,聚酰亚胺树脂基复合材料的力学性能,复合材料,力学性能,AS,4,(C)/LP-15,Celion 6k(C)/ PMR-15,Celion 6k(C)/ LaRC-RP46,弯曲强度(25,o,C)/MPa,1950,1750,1724,弯曲强度(316,o,C)/MPa,-,710,917,弯曲强度(371,o,C)/MPa,-,317,793,层间剪切强度(25,o,C),87,120,131,层间剪切强度(316,o,C),-,45,51,弯曲模量(25,o,C)/GPa,134,120.6*,137.1*,拉伸强度(25,o,C)/MPa,1850,2458*,2623*,*,碳纤维型号为IM7,高性能共混型热塑性树脂基复合材料,共混改性是发展新型高分子材料的重要方法。,将高分子材料的共混方法与连续纤维增强热塑性复合材料的,制造技术相结合，均衡材料的综合性能，降低复合材料的制,造难度和生产成本，改善复合材料的成型加工性能，是高性,能热塑性复合材料的重要研究课题。,如,聚醚醚酮（,PEEK,）与聚芳醚酮（,PEK-C,）、聚醚酰亚,胺（,PEI,）共混树脂基复合材料。,三种共混树脂的结构,PEI,PEK-C,PEEK,三种共混树脂的性能,性 能,PEK-C,PEI,PEEK,形态,无定形,无定形,半结晶性,玻璃化温度T,g,/,0,C,231,217,143,熔融温度T,m,/,0,C,-,-,343,加工温度T,p,/,0,C,330-360,340-400,370-400,分解温度T,d,/,0,C,423,516,540,熔体粘度/10,-1,Pa.s,45000,20000,34000,拉伸强度/MPa,102,95-105,92-103,弹性模量/GPa,2.43,3.0,3.1-3.8,延伸率%,6.1-112,6.4-60,11-50,碳纤维/共混树脂基复合材料力学性能,复合材料,拉伸强度,/MPa,拉伸模量,/GPa,弯曲强度,/MPa,弯曲模量,/GPa,层间剪切强度/MPa,T300/PEEK,(V,CF,=60%),1660,128,1970,115,94,T300/PEEK-PEK-C(V,CF,=58%),2232,122,1573,108,75.3,T300/PEEK-PEI,(V,CF,=56%),2090,121,1187,115,95.1,采用湿法制备共混型热塑性预浸料，可对碳纤维进行良好的预浸渍。借鉴纯PEEK 复合材料的模压热成型工艺制备的共混型复合热压板材，其基本力学性能接近或超过纯PEEK 树脂基热塑性复合材料，而PEK-C的阻燃性、耐化学腐蚀性及PEI的阻燃性、尺寸稳定性、较低的成本等性能得以体现。,6.1.6 聚合物基纳米复合材料,传统复合材料增强和增韧往往不能同时获得，在纳米复合,材料中这一目标可望实现。例如，环氧树脂/黏土纳米复合材,料，与基体相比，其拉伸强度、冲击强度和断裂伸长率可同,时提高，如下图。,第六章 聚合物基复合材料,6.1,聚合物基复合材料的性能,6.2,聚合物基复合材料的结构设计,6.3,聚合物基复合材料的应用,6.2 聚合物基复合材料的结构设计,概述,复合材料结构设计过程,复合材料结构设计条件：,结构性能要求 载荷情况,环境条件 结构的可靠性与经济性,材料设计,原材料的选择与复合材料性能,单层性能的确定,复合材料层合板设计,结构设计,结构设计的一般原则,结构设计应考虑的工艺性要求,许用值与安全系数的确定,结构设计应考虑的其它因素,6.2.1 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、综合各种设计的反复过程。综合,过程必须考虑的主要因素有：结构质量、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。,性能要求,载荷情况,环境条件,形状限制,原材料,选择,铺层性能,确定,应力、变形,分析,失效分析,层合板设计,典型构件设计,结构设计,复合材料结构设计综合过程图,复合材料结构设计步骤,明确设计条件,性能要求 载荷情况 环境条件 形状限制等,材料设计,原材料选择 铺层性能确定 复合材料层合板设计等,结构设计,典型结构件（如杆、梁、板、壳等）设计,结构（如衍架、刚架等）设计,材料设计和结构设计都需进行应力、应变及变形分析，以及失效分,析，以确保结构的强度与刚度。,复合材料结构设计条件,结构性能要求,结构能承受的各种载荷，确保在使用寿命内的安全；,提供安装各种配件、仪器等附件的空间；,隔绝外界的环境影响，保护内部物体。,载荷情况,静载荷（如固定结构物的自重载荷）,动载荷,瞬时作用载荷（如火出车突然起动时产生的载荷）,冲击载荷（如打桩机打桩）,交变载荷（火车运行时各轴杆和连杆承受的载荷）,复合材料结构设计条件,环境条件,力学条件：加速度、冲击、振动、声音等；,物理条件：压力、温度、湿度等；,气象条件：风雨、冰雪、日光等；,大气条件：射线、霉菌、盐雾、风砂等。,结构的可靠性与经济性,结构的可靠性：结构在规定的使用寿命内，在给定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，称为结构的可靠性。,结构设计的合理性最终主要表现在可靠性与经济性两方面。,影响结构的,强度与刚度,影响结构的腐蚀、,磨损、老化等,6.2.2 材料设计,原材料选择与复合材料性能,原材料选择原则,纤维选择,基体树脂选择,单层性能的确定,单层树脂含量的确定,刚度的预测,强度的预测,复合材料层合板设计,层合板设计的一般原则,等代设计法,层合板排序设计法,原材料选择原则,比强度、比刚度高的原则,聚合物基复合材料的比强度和比刚度是就单层板纤维方向而言，实际复合材料为多向层合板，相应值比单层板低,3050%,。,材料与结构的使用环境相适应的原则,引起材料性能下降的主要环境因素为温度和湿度，通常要求材料的主要性能在结构整个使用环境条件下，其下降幅度小于,10%,。,满足结构特殊性要求的原则,满足除刚度和强度以外的性能，如透波性、吸波性、阻燃性等。,满足工艺性要求的原则,包括预浸料、固化成型、机加装配、修补等工艺性。,成本低、效益高的原则,纤维选择,要求有良好的透波、吸波性能，可选,E,或,S,玻璃纤维、,Kevlar,纤维、氧化铝纤维；,要求高刚度，则选高模量碳纤维、硼纤维；,要求高抗冲性能，则选玻璃纤维、,Kevlar,纤维；,要求有良好的低温性能，可选碳纤维；,要求尺寸稳定性好，则应选热膨胀系数可为负值的,Kevlar,纤维、碳纤维，可设计成零膨胀系数的复合材料；,要求兼具刚度和强度，需选用比强度和比刚度均较高的碳纤维或硼纤维。,除选用单一纤维外，还可使用多种纤维构成混杂复合材料，包括纤维混合铺层和不同纤维构成的铺层混合。,几种纤维增强树脂的特点,项 目,玻纤/树脂,Kevlar49,/树脂,碳纤维/树脂,成本,低,中等,高,密度,大,小,中等,加工,容易,困难,较容易,抗冲击性能,中等,好,差,透波性,良好,最佳,不透电波，,半导体性质,可选用形式,多,厚度规格较少,厚度规格较少,使用经验,丰富,不多,较多,强度,较好,比拉伸强度高,比拉伸强度高,刚度,低,中等,高,断裂伸长率,大,中等,小,耐湿性,差,差,好,热膨胀系数,适中,沿纤维方向接近零,沿纤维方向接近零,各种纤维的性能和性价比,选择纤维的规格应按比强度、比刚度和性价比进行。,项 目,纤 维,比强度,比模量,强度,价格比,模量,价格比,断裂应变,%,E玻璃纤维,0.67,29.6,-,-,2.43,S玻璃纤维,1.04,32.1,0.22,6.67,3.25,Kevlar49纤维,1.9,85.8,0.11,4.96,2.23,Kevlar149纤维,1.93,119,0.007,-,1.9,氧化铝纤维,0.35,97.4,0.007,1.9,0.36,钨芯硼纤维,1.41,161,0.013,2.0,0.88,钨芯碳化硼纤维,1.64,160,0.021,2.0,1.03,钨芯碳化硅纤维,0.98,135,0.0155,2.13,0.73,各种纤维的性能和性价比,项 目,纤 维,比强度,比模量,强度,价格比,模量,价格比,断裂应变,%,碳纤维T300,1.74,130,0.153,8.51,1.33,碳纤维Celion3000,1.83,132,-,-,1.38,碳纤维TM6,2.69,170,-,-,1.66,碳纤维T800,3.11,163,-,-,1.9,碳纤维T1000,3.9,162,-,-,2.4,高模量碳纤维P70,1.0,250,-,-,1.59,高模量碳纤维P75,1.36,288,-,-,0.47,高模量碳纤维GY70,0.95,264,0.033,3.5,0.36,高模量碳纤维P1000,0.99,328,0.037,1.03,0.30,基体树脂选择,一般热固性树脂基复合材料可在 40130,o,C范围长期工作，短期工,作温度达150,o,C；而高性能树脂基复合材料可在 200259,o,C范围长期工,作，短期工作温度达350409,o,C。树脂的选择有如下要求：,基体材料能在结构使用温度范围内正常工作；,基体材料具有一定的力学性能；,基体材料的断裂伸长率大于或接近纤维的断裂伸长率；,基体材料具有满足使用要求的物理、化学性能（包括吸湿,性、 耐介质、耐侯性、阻燃性、低毒性等）；,基体材料具有良好的工艺性（如对纤维的粘结性、固化温度与压力、固化的尺寸稳定性等）。,单层性能的确定,单层材料性能目前很难根据基体和增强纤维的性能确定，然而为了结,构设计的需要，通常利用细观力学分析方法进行一些预测，但最终必须,通过试验直接测定。,单层树脂含量的确定,单 层 的 功 能,固化后树脂含量（%）,主要承受拉伸、压缩、弯曲载荷,27,主要承受剪切载荷,30,用作受力构件的修补,35,用作外表层防机械损伤和大气老化,70,主要用作防腐蚀,7090,刚度的预测,强度的预测,复合材料层合板设计的一般原则,铺层定向原则,:,为简化设计,一般选择,0,o,、,45,o,、,90,o,、,- 45,o,均衡对称铺设原则,铺层最小比例原则：,任一方向的铺层最小比例应,610%,铺设顺序原则：,各定向层尽量沿层合板厚度均匀分布,不同方向层合板间隔铺设,铺层取向按承载选取原则,铺层取向按承载选取原则,复合材料层合板设计的一般原则,冲击载荷区设计原则,冲击载荷区层合板应有足够多的,0,o,层，用以承受局部冲击载荷区；也要有一定数量的,45,o,层，以使载荷扩散。,防边缘分层破坏设计原则,沿边缘区包一层玻璃布,抗局部屈曲设计原则,将,45,o,层尽量铺设在层合板的表面,连接区设计原则,沿载荷方向的铺层比例,30%,，保证足够的挤压强度；与载荷方向成,45,o,角的铺层比例,40%,，以增加剪切强度。,变厚度设计原则,层合板等代设计法,等代设计法是指在载荷和使用环境不便的条件下，用相同形状的复合,材料层合板来代替其它材料，并用原有材料的设计方法进行设计，以保,证强度和刚度。在该设计法中，一般参考下表选择层合板结构形式。,受 力 性 质,层合板结构形式,用 途,承受拉伸、压缩载荷，及有限剪切载荷,（0,o,/90,o,/90,o,/0,o,）或（90,o,/0,o,/0,o,/90,o,）,用于主要应力状态为拉伸或压缩应力，或拉、压双向应力的构件设计,承受拉伸、剪切载荷,（45,o,/-45,o,/-45,o,/45,o,）或（-45,o,/45,o,/45,o,/-45,o,）,用于主要应力为剪切应力的构件设计,承受拉伸、压缩、剪切载荷,（0,o,/45,o,/90,o,/-45,o,/-45,o,/ 90,o,/45,o,/0,o,）,用于面内一般应力作用的构件设计,承受压缩、剪切载荷,（45,o,/90,o,/-45,o,/-45,o,/ 90,o,/45,o,）,用于压缩和剪切应力，而剪切应力为主的构件设计,承受拉伸、剪切载荷,（45,o,/0,o,/-45,o,/-45,o,/ 0,o,/45,o,）,用于拉伸和剪切应力，而剪切应力为主的构件设计,层合板排序设计法,层合板排序设计法，是基于某一类或某几类层合板选取不同的定向层,比所排成的层合板系列，以表格形式列出各个层合板在各种内力作用下,的强度或刚度值，以及所需的层数，供设计选择。,层合板排序设计法需给出一系列层合板的计算数据，一般需用计算机,实施。这种设计方法与网络设计法、毯式曲线设计法比较，后两者将单,独强度叠加成复杂应力强度，这在复杂应力状态下是不够合理的。而层,合板排序设计法直接按复杂应力状态计算应力强度的。,在多种载荷情况下，必须用层合板排序设计法才有效。层合板排序设,计法与选择的层合板种类有关，而层合板种类的多少将决定于计算机的,容量和运算速度，因此不能无限制地选择供层合板设计的层合板种数。,6.2.3 结构设计,结构设计的一般原则,结构设计应考虑的工艺性要求,许用值与安全系数的确定,结构设计应考虑的其它因素,结构设计的一般原则,除遵循层合板设计原则、满足强度和刚度原则外，还须遵,循以下原则：,一般采用按使用载荷设计、按设计载荷校核的方法。,按使用载荷设计时，采用使用许用值（使用载荷所对应的许,用值）；按设计载荷校核时，采用设计许用值（设计载荷所,对应的许用值）。,复合材料失效准则只适用于复合材料的单层，在未规定使用,某一失效准则时，一般采用蔡-胡准则，且正则化相互作用系,数未规定时就采用-0.5。,有刚度要求的一般部位，材料弹性常数的数据可采用试验数,据和平均值，而有刚度要求的重要部位需要选取B基准值。,结构设计应考虑的工艺性要求,构件的拐角应具有较大的圆角半径，避免在拐角处出现纤维断裂、富,树脂、架桥等缺陷。,对外形复杂的构件设计，应考虑制造工艺的难度，采用合理的分离面,分成两个或多个构件；对于曲率较大的曲面应采用织物铺层；在外形突,变处采用光滑过度；对于壁厚变化应避免突变，可采用阶梯形变化。,结构件的两面角应设计成直角或钝角，避免出现富树脂、架桥等缺陷。,构件的表面质量要求较高时，应设计为贴膜面，或加均压板。,复合材料的壁厚一般应控制在,7.5,mm,以下。,机械连结区的连结板应尽量在表面铺贴一层织物铺层。,在工艺可能的条件下，应尽量设计成整体件，并采用共固化工艺。,许用值的确定,使用,许用值的确定方法,拉伸时使用许用值的确定方法：取下述三种情况各自得到的最小值。,开孔试样，单轴拉伸试验，测断裂应变，除以安全系数，取统计值；,非缺口试样，单轴拉伸试验，测基体的最大应变值，取统计值；,开孔试样，进行拉伸两倍疲劳寿命试验，测最大应变值，取统计值；,压缩时使用许用值的确定方法,剪切时使用许用值的确定方法,设计,许用值的确定方法,设计许用值是对结构在环境使用条件下的破坏试验结果进行数量统计,后确定的。环境条件包括：使用温度上限和,1%,水分含量的联合情况。对,破坏试验结果进行分布检查（是否正态分布），并按一定的可靠性要求,给出设计许用值。,安全系数的确定,结构设计中，在保证安全性的前提下，应尽可能降低安全,系数，以降低成本。选择安全系数时应考虑的主要因素：,载荷的稳定性：,动载比静载选用的安全系数更（）,材料性质的均匀性与分散性：,强度实验结果的分散性大，选用的安全系数也应（）,理论计算公式的近似性：,近似程度越大，选用的安全系数应（）,构件的重要性与危险程度,加工工艺的准确：,工艺准确性差，选用的安全系数应（）,注意无损检验的局限性,注意结构使用的环境条件,结构设计应考虑的其它因素,热应力,复合材料与金属零件连接时，由于热膨胀系数不同，当发生温度变化时，会产生拉伸或压缩应力。,防腐蚀,由于碳纤维复合出材料与金属材料之间的电位差，会使与该复合材料连接的金属件发生电化学腐蚀，造成金属构件的加速破坏，需要以某种隔离措施加以防护。,防雷击,聚合物基复合材料比金属构件受雷击损伤更严重。,抗冲击,冲击损伤是复合材料结构中所需要考虑的主要损伤形式。在结构设计时，可使用混杂纤维来替代抗冲击性能差的纤维，提高结构的抗冲击性能。,第六章 聚合物基复合材料,6.1,聚合物基复合材料的性能,6.2,聚合物基复合材料的结构设计,6.3,聚合物基复合材料的应用,6.3.1 树脂基复合材料在建筑业的应用（1）,承载结构,用作承载结构的复合材料建筑制品有：柱、桁架、梁、基础、承重折板、屋面板、楼板等,围护结构,各种波纹板、夹层结构板，整体式和装配式折板结构和壳体结构。如外墙板、隔墙板、屋顶结构、遮阳板、天花板。,采光制品,透光建筑制品有透明波形板、半透明夹层结构板、整体式和组装式采光罩等，主要用于工业厂房、民用建筑、农业温室及大型公用建筑的天窗、屋顶及围墙面采光等。,树脂基复合材料在建筑业的应用（2）,门窗装饰材料,复合材料拉挤型材、平板、浮雕板、复合板等，一般窗框型材用树脂玻璃钢。复合材料门窗防水、隔热、耐化学腐蚀。用于工业及,民用建筑，装饰板用作墙裙、吊顶、大型浮雕等。,给排水工程材料,市政建设中给水、排水及污水处理工程中已大量使用复合材料制,品，如各种规格的给水玻璃钢管、高位水箱、化粪池、防腐排污管等。,卫生洁具材料,属于此类产品的有浴盆、洗面盆、坐便盆，各种整体式、组装式,卫生间等，广泛用于各类建筑的卫生工程和各种卫生间。,树脂基复合材料在建筑业的应用（3）,采暖通风材料,属此类复合材料制品有冷却塔、管道、板材、栅板、风机、叶片及整,体成型的采暖通风制品。工程上应用的中央空调系统中的通风厨、送风,管、排气管、防腐风机罩等。,高层楼房屋顶建筑,如旋转餐厅屋盖、异形尖顶装饰屋盖、楼房加高、球形屋盖、屋顶花,园、屋顶游泳池、广告牌和广告物等。,特殊建筑,大跨度飞机库、各种尺寸的冷库、活动房屋、岗亭、仿古建筑、移动,剧院、透微波塔楼、屏蔽房、防腐车间、水工建筑、防浪堤、太阳能,房、充气建筑等。,其它,复合材料在建筑中的其它用途还很多，如各种家具、马路上的阴井,盖、公园和运动场座椅、海滨浴场活动更衣室、公园仿古凉亭等。,6.3.2 树脂基复合材料在化学工业中的应用（1）,环境保护领域,玻璃钢在给排水管道工程中已得到广泛应用，近几年，越来越多的废水处理系统的管道用玻璃钢制造，一个基本原因就是废水的耐蚀介质的种类和腐蚀性能都在不断增加，这就要求使用耐蚀性能更好的材料，而腐蚀玻璃钢是满足这种需求的最好材料。,高纯水和食品领域,这是树脂基复合材料应用的一个新领域。树脂基复合材料优良的耐蚀性能意味着这种材料具有活泼、不污染的特性，理所当然地成为高度清洁物品如贮存高纯水、药品、酒、牛奶之类的可选用材料。,氯碱工业,氯碱工业是玻璃钢作耐腐材料的最早应用领域之一，目前玻璃钢已成为氯碱工业主要材料。玻璃钢已用于各种管道系统、气体鼓风机、热交换器外壳、盐水箱以至于泵、池、地坪、墙板、格栅、把手、栏杆等建筑结构上。,树脂基复合材料在化学工业中的应用（2）,造纸工业,制纸过程中需要酸、盐、漂白剂等，对金属有极强的腐蚀作用，唯有玻璃钢材料能抵抗这类恶劣环境，玻璃钢材料已在纸浆生产中显现其优异的耐蚀性。,金属表面处理,金属表面处理厂所使用的酸，大多为盐酸，一般使用玻璃钢设施。,温泉,温泉的用途有发电及洗浴，从温泉的抽取到输送，均已大量使用玻璃钢管。,海水淡化,海水淡化分为传统蒸馏及反渗透膜法，由于海水十分容易侵蚀铁质材料，故淡化厂内大部分的管道及容器均使用玻璃钢制品。,6.3.3 树脂基复合材料在交通与能源中的应用（1）,基础设施中的公路安全设施、道路、桥梁及站场等；,汽车制造工业中的各种汽车配件，如车身外壳、传动轴、制动件、灯杯、车内座椅、地板等；,摩托车和自行车制造工业中的车身构件等；,铁路工业中的牵引机车，各种车辆（客车、货车、冷,藏车、贮罐车等）；,铁路通讯设施；,桥梁及道路建设及修补。,树脂基复合材料在交通与能源中的应用（2）,水上交通中的各种中小船身壳体，大小船上舾装件；,港口及航道设施；,飞机的各种复合材料制件：桨叶、机翼、内部设施等；,围绕航空运输工业中的机场建设等。,火力发电工业方面的通风系统，排煤灰渣管道，循环水冷却系统，屋顶轴流风机、电缆保护设施、电绝缘制品等；,水力发电工业中的电站建设，大坝和隧道中防冲、耐磨、防冻、耐腐蚀过水面的保护；阀门；发电和输电中的各种电绝缘制品等。,6.3.4,树脂基复合材料在机电工业中的应用,树脂基复合材料具有比强度高、比模量高、抗疲劳断裂性能好、可设计性强、结构尺寸稳定性好、耐磨、耐腐蚀、减震、降噪及绝缘性好等一系列优点，集结构承载和多功能于一身，可以在机械电器工业获得极其广泛的应用。,制造机械设备，如风机、泵、阀门、制冷机械、空压机、起重机械、运输机械、工程机械、农业排灌机械、农副产品加工机械、收获和场上作业机械、机床、铸造设备、印刷机械、橡胶和塑料加工机械、石油钻井机械、矿山机械、食品机械等等。,制造仪器仪表、电机及各种电器中的附件，有仅可以减轻自重和提高其可靠性，耐用珂以延长其使用寿命。,6.3.5 树脂基复合材料在电子工业中的应用,用复合材料制作的电子功能材料种类很多，最具代表性的是,印刷线路板基板材料,。另一大类应用是制作各种天馈线，包括反射面和天线罩，还有馈源、波导等高频部件，特别是通讯收发设备、雷达等产品。同时，利用有些复合材料的吸波性能，还可制成屏蔽材料和隐身材料。,6.3.6 树脂基复合材料在医疗、体育方面的应用,在生物复合材料中，复合材料可用于制造人工心脏、人工肺及人工血管等。复合材料牙齿，复合材料骨骼及用于创伤外科的复合材料呼吸器、支架、假肢、人工肌肉、人工皮肤等均有成功事例。,在医疗设备方面，主要有复合材料诊断装置，复合材料测量器材及复合材料拐杖、轮椅、搬运车和担架等。,复合材料体育用品种类很多。有水上体育用品、如复合材料皮艇、赛艇、滑艇、帆船、帆板、冲浪板等；球类运动器材有网球拍、羽毛球拍及垒球棒、篮球架的篮板等；冰雪运动中有复合材料滑雪板、滑雪杖、雪撬、冰球棒等；跳高运动用的撑杆、射箭运动的弓和箭等也都选用复合材料代替传统的竹、木及金属材料。实践证明，很多体育用品改用复合材料制造后，大大地改善了其使用性能，使运动员创造出好成绩。,6.3.7 树脂基复合材料在娱乐、音乐方面的应用,在娱乐设施中，复合材料已大量用于游乐车、游乐船、水上滑梯、速滑车、碰碰车、儿童滑梯等产品，这些产品充分发挥了玻璃钢重量轻、强度高、耐水、耐磨、耐撞、色泽鲜艳、产品美观及制造方便等特点。目前国内各大公园及各游乐场的娱乐设施，都已基本上用玻璃钢代替了传统材料。,复合材料钓鱼竿是娱乐器材中的大宗产品，它主要分为玻璃钢钓鱼竿和碳纤维复合材料钓鱼竿两类。其最大特点是强度高、重量强、可收缩、携带方便、造型美观等。,在乐器制造方面，由于碳纤维,-,环氧复合材料的比模量高、弯曲刚度大、耐疲劳性好和不受环境温湿度影响等特点，用于制造扬声器、小提琴和电吉它等，其音响效果均优于传统木质纸盒和云杉木产品。它在提高乐器质量方面，不失为一种有发展前途的材料。,6.3.8 树脂基复合材料在航空航天领域的应用,复合材料，特别是碳纤维复合材料等在航空航天器结构上已得到广泛的应用，现已成为航空航天领域使用的四大结构材料之一。复合材料在航空航天上除主要作为结构材料外，在许多情况下还可附带各种功能性要求，如透波、隐身等。复合材料在航空航天领域中主要应用是：飞机、直升飞机结构部件；地面雷达罩、机载雷达罩、舰载雷达罩以及车载雷达罩等；人造卫星、太空站和天地往返运输系统等方面。,6.3.9 树脂基复合材料在国防、军工领域的应用,复合材料以其典型的轻量特性、卓越的比强度、比模量、独特的耐烧蚀和隐蔽性、材料性能的可设计性、制备的灵活性和易加工性等受到军方青睐，在实现武器系统轻量化、快速反应能力、高威力、大射程、精确打击方面起着巨大作用。,国外导弹和火箭已完成复合材料化、轻量化和小型化、低成本化。 如俄罗斯的“赛格”反坦克导弹使用玻纤增强酚醛塑料，复合材料构件占总体零件数的75%。,我国高强度玻纤增强树脂复合材料已用于多管远程火箭弹和空空导弹的结构材料和烧蚀-隔热材料，使金属喷管达到了塑料化，烧蚀-隔热-结构多功能化，大大减轻武器的重量，提高了战术性能，简化了工艺，降低了成本。,考试题型,名词解释（,10,分）,填空（,20,分）,简答题（,40,分）,论述题（,30,分）,