第五章聚合物基复合材料ppt课件.ppt

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1、1,第5章 聚合物基复合材料,51 聚合物基复合材料的种类和性能聚合物基复合材料是以有机聚合物为基体，连续纤维为增强材料组合而成的。纤维的高强度、高模量的特性使它成为理想的承载体。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，并能实现最佳结构设计、具有许多优良特性。,2,1 、高比强、高比模量 2、设计性强、成型工艺简单。 3、热膨胀系数低，尺寸稳定。 4、耐腐蚀、抗疲劳性能好。 5、减震性能好。6、高温性能好。 7、安全性能好。,3,聚合物复合材料的分类：,纤维增强（F

2、RC） 按纤维形态： 连续纤维非连续纤维按铺层方式：单向 角铺层：（0 / ）织物三维 按纤维种类：玻璃纤维碳纤维 芳纶（Kevlar）纤维 混杂纤维 晶须增强（WRC） 、 粒子增强（PRC）,4,5.1.1 破璃纤维增强热固性塑料(代号GFRP),玻璃纤维增强热固性塑料是指玻璃纤维(包括长纤维、布、带、毡等)做为增强材料，热固性塑料(包括环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂等)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GFRP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。,5,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级合金钢

3、还高。“玻璃钢”这个名称便由此而来。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。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。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。,6,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。机械强度高于其他GFRP。环氧树脂固化时无小分

4、子放出，故尺寸稳定性最好，收缩率只有12，环氧树脂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。不能制造大型制件。,7,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200下长期使用，在1000 以上的高温下，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。,8,玻璃纤维增强聚酯树脂突出特点

5、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6080，可制作采光瓦。价格便宜。不足之处是固化时收缩率大，可达48，耐酸、碱性差，不宜制作耐酸碱的设备及管件。,9,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(包括聚酰胺、聚丙烯、低压聚乙烯、ABS树脂、聚甲醛、聚碳酸酯、聚苯醚等工程塑料)为基体的纤维增强塑料。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

6、1.11.6之间，为钢材的1516；比强度高，蠕变性大大改善。,5.1.2 玻璃纤维增强热塑性塑料(代号FR一TP),10,玻璃纤维增强聚丙烯(代号FRPP)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100MPa，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。在耐沸水和水蒸气方面更加突出，含有20短切纤维的FRPP，在水中煮1500小时，其抗拉强度比初始强度降低10，如在23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

7、会降低机械强度，并有增重现象。,11,2玻璃纤维聚酰胺(代号FRPA) 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。玻璃纤维增强聚酰胺的品种很多。有玻璃纤维增强尼龙6(FRPA6)、玻璃纤维增强尼龙66(FRPA66)、玻璃纤维增强尼龙1010(FRPA1010)等。玻璃纤维的含量达到3035时，其增强效果最为理想，抗拉强度可提高23倍，抗压强度提高1.5倍，最突出的是耐热性提高幅度最大。,12,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

8、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。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。,13,3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，多为橡胶改性树脂，例如：丁二烯苯乙烯共聚物(BS)、丙烯腈苯乙烯共聚物(AB)、丙烯腈一丁二烯苯乙烯共聚物(ABS)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，其机械强度及耐高、低温性、尺寸稳定性均大

9、有提高。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。,14,4玻璃纤维增强聚碳酸酯(代号PC) 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，P比P的耐疲劳强度提高23倍，耐应力开裂性能可提高68倍，耐热性比P提高1020 ，线膨胀系数缩小为1.62.410 ，因而可制成耐热的机械零件。,15,5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(代号PET)，另一种为聚苯二甲酸丁二酯(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、耐温性差。质脆

10、。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，抗拉强度135-145MPa，抗弯强度209250MPa，耐疲劳强度达52MPa。耐热性提高最大，PET的热变形温度为85 ，PRPFT为240 ，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。耐低温度性能好，超过了FRPA6，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。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。,16,6玻璃纤维增强聚甲醛(代号PO) 聚甲醛是一种性能较好的工程塑料，加入玻璃

11、纤维后，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25玻璃纤维的P的抗拉强度为纯PM的两倍、弹性模量为纯PM的三倍，耐疲劳强度为纯PM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。但不耐紫外线照射，因此在塑料中要加入紫外线吸收剂。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，即耐磨性降低了。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，或加入碳纤维来改性。,17,5.1.3 高强度、高模量纤维增强塑料高强度、高模量纤维增强塑料主要是指以环氧树脂为基体，以各种高强度、高模量的纤维(包括碳纤维、硼纤维、芳香族聚酰胺纤维、各种晶须等)做为增强材料的高强度

12、、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：（1）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。(2)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。（3）价格昂贵。该种材料唯一的缺点是价格比较贵。,18,1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，耐疲劳强度很大摩擦系数很小，这方面性能均超过了钢材。耐热性特别好，可在12000 高温下经受10秒钟，保持不变。不足之处一是碳纤维与塑料的

13、粘结性差，且各向异性，这方面不如金属材料。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。,19,2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GFRP，而与碳纤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。3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

14、。是高强度高模量纤维增强塑料中性能最好的一种。,20,4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1.2MPa。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行复合时，会弥补碳纤维的缺点。,21,514 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、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复合材料。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

15、业中制成各种机械零件。,22,52 聚合物基复合材料结构设计,5.2.1 概 述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(如层合板设计、典型结构件设计、连接设计等)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、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。,23,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、复合材料层合板的设计等。(3)结构设计。包括复合材料典型结构件(如杆、梁、板、壳等)的设计，以及复合材料结构(如衍架

16、、刚架、硬壳式结构等)的设计。在上述材料设计和结构设汁中都涉及到应变、应力与变形分析，以及失效分析，以确保结构的强度与刚度。,24,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，比金属结构设计要复杂。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。,25,2、复合材料结构设计条件(1)结构性能要求一般来说，体现结构性能的主要内容有：1）结构所能承受的各种载荷。确保在使用寿命内的安全；2)提供装置各种配件、仪器等附件的

17、空间。对结构形状和尺寸有一定的限制；3)隔绝外界的环境状态而保护内部物体。(2)载荷情况。分静载荷和动载荷。在静载荷作用下结构一般应设计成具有抵抗破坏和变形的能力，即具有足够的强度和刚度。在冲击载荷作用下应使结构具有足够抵抗冲击载荷的能力。而在交变载荷作用下的结构(或者使结构产生交变应力)疲劳问题较为突出。应按疲劳强度和疲劳寿命来设计结构。,26,(3)环境条件一般为下列四种环境条件： 1)力学条件：加速度、冲击、振动、声音等； 2)物理条件：压力、温度、湿度等； 3)气象条件：风雨、冰雪、日光等； 4）大气条件：放射线、霉菌、盐雾、风沙等。 这里1)和2)影响结构的强度和刚度，3)、4)主要

18、影响结构的腐蚀、磨损、老化等。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、老化等长期性能变化的数据。(4)结构的可靠性与经济性。结构设计的合理性最终主要表现在可靠性和经济性两方面，总成本最低时的可靠性为最合理。,27,5.2.2 材料设计指选用几种原材料组合制成具有所要求性能的材料的过程。不同的原材料构成的复合材料将会有不同的性能，而且纤维的编织形式不同将会使与基体复合构成的复合材料的性能也不同。对于层合复合材料，由纤维和基体构成复合材料的基本单元是单层，作为结构的基本单元即结构材料

19、，是由单层构成的复合材料层合板。因此，材料设计包括原材料选择、单层性能的确定和复合材料层合板设计。,28,1原材料的选择与复合材料性能原材料的选择与复合材料的性能关系甚大，因此，正确选择合适的原材料就能得到需要的复合材料的性能。(1)原材料选择原则比强度、比刚度高的原则材料与结构的使用环境相适应的原则满足结构特殊性要求的原则满足工艺性要求的原则成本低、效益高的原则,29,(2)纤维选择先要确定纤维的类别。其次要确定纤维的品种规格。选择纤维类别，是根据结构的功能选取能满足一定的力学、物理和化学性能的纤维。若结构要求有良好的透波、吸波性能，则可选取E或s玻璃纤维、开芙拉纤维、氧化铝纤维等作为增强材

20、料。若结构要求有高的刚度，则可选用高模量碳纤维或硼纤维。 若结构要求有高的抗冲击性能，则可选用玻璃纤维、开芙拉纤维。若结构要求有很好的低温工作性能，则可选用低温下不脆化的碳纤维。若结构要求尺寸不随温度变化，则可选用开芙拉纤维或碳纤维。它们的热膨胀系数可以为负值，可设计成零膨胀系数的复合材料。若结构要求既有较大强度又有较大刚度时，则可选用比强度和比刚度均较高的碳纤维或硼纤维。,30,工程上通常选用玻璃纤维、凯芙拉纤维或碳纤维作增强材料。除了选用单一纤维外。复合材料还可由多种纤维混合构成混杂复合材料。这种混杂复合材料既可以由两种或两种以上纤维混合铺层构成，也可以由不同纤维构成的铺层混构成。混杂纤维

21、复合材料的特点在于能以一种纤维的优点来弥补另一种纤维的缺点。选择纤维规格，是按比强度、比刚度和性能价格比选取的。对于要求较高的抗冲击性能和充分发挥纤维作用时，应选取有较高断裂伸长率的纤维。,31,32,3)树脂选择可供选择有两类；一类为热固性树脂，其中包括环氧树脂、聚酰亚胺树脂、酚醛树脂和聚酯树脂，另一类为热塑性树脂，如聚醚砜、聚砜、聚醚醚酮、聚苯撑砜、尼龙、聚苯二烯、聚醚酰亚胺等。目前用得最多的基体是热固性树脂，尤其是各种牌号的环氧树脂和聚酯树脂，它们有较高的力学性能，但工作温度较低。只能在40-130 范围内长期工作，某些牌号树脂的短期工作温度能达到150 ，由其构成的复合材料基本上能满足

22、结构材料的要求。玻璃纤维复合材料的基体一般采用不饱和聚酯树脂和环氧树脂。内部装饰件常采用酚醛树脂，因为酚醛树脂具有良好的耐火性、自熄性、低燃性和低毒性。,33,树脂的选择是按如下各种要求选取的； 要求基体材料能在结构使用温度范围内正常工作。 要求基体材料具有一定的力学性能。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。 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，低烟性和低毒性等。要求具有一定的工艺性。主要指粘性、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、固化后的尺寸收缩率等。,34,2单层性能的确

23、定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的方法直接测定。 (1)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取的。,35,36,(2)刚度的预测公式(3)强度的预测公式,37,3、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(或总厚度)。复合材料层合板设计通常又称为铺层设计。 (1)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作的复杂化，目前多

24、选择0，45，90和-45四种铺层方向。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，以避免拉剪、拉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如果承受拉(压)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(45方向成对铺设；如果承受双向载荷，则铺层按受载方向0，45，90正交铺设；如果承受多种载荷，则铺层按0，90，-45多向铺设。,38,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0，90，-45铺层，其任一方向的铺层最小比例应大于610。铺设顺序原则A.应使各定向层尽量沿层合板

25、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层组中的单层尽量地少，一般不超过4层，这样可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45层、0层和90层，应尽量使45层之间用0层或90层隔开，也尽量使0层和90层之间用45或45层隔开，以降低层间应力 。,39,冲击载荷区设计原则冲击载荷区层合板应有足够多的0层，用以承受局部冲击载荷；也要有一定量的45层以使载荷扩散。除此之外，需要时还需局部加强以确保足够的强度。,40,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层玻璃布，以防止边缘分层破坏。抗局部屈曲设计原则 对于有可能形成局部屈曲的区域将4

26、5层尽量铺设在层合板的表面，可提高局部屈曲强度。连接区设计原则沿载荷方向的铺层比例应大于30%， 45铺层比例应大于40，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。,41,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，其台阶宽度应等于或大于2.5mm。为防止台阶处剥离破坏，表面应由连续铺层覆盖。各定向层百分比和总层数的确定，也即各定向层层数的确定，是根据对层合板设计的要求综合考虑确定的。一般，根据具体的设计要求，可采用等代设计法、准网络设计法、毯式设计法、主应力设计法、层合板系列设计法、层合板优化设计法等。,42,(2)等代设计法等代设计法是复合材料问世初期的设计方法

27、，也是目前工程复合材料中较多采用的一种设计方法。一般是指在载荷和使用环境不变的条件下，用相同形状的复合材料层合板来代替其它材料，并用原来材料的设计方法进行设计，以保证强度或刚度。由于复合材料比强度、比刚度高，所以代替其他材料一般可减轻质量。这种方法有时是可行的，有时却是不可行的。对于不受力或受力很小的非承力构件是可行的；对于受很大力的主承力构件是不可行的，而对于受较大力的次承力构件有时是可行的，有时是不可行的，因此需进行强度或刚度的校核。以确保安全可靠。,43,在这一设计方法中，复合材料层合板可以设计成准各向同性的，也可设计成非难各向同性的。究竟采用什么样的层合板结构形式，一般可按应力性质来选

28、择。另外，在等代设计中，一般根据表5-12选择的层合板结构形式，构成均衡对称的层合板作为替代材料。不要误认为等代设计法必须采用准各向同性层合板。,44,45,（3)层合板排序设计法层合板排序设计法，是基于某一类(即选定几种铺层角)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。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，因此不可能无限制地选择供层合板设计的层合板种数。,46,523 结构设计 复合材料结构设计除了具

29、有包含材料设计内容的特点外，就结构设计本身而言，无论在设计原则、工艺性要求、许用值与安全系数确定、设计方法和考虑的各种因素方面都有其自身的特点一般不完全沿用金属结构的设计方法。结构设计的一般原则 (1)复合材料结构一般采用按使用载荷设计、按设计载荷校核的方法。 (2)按使用载荷设计时、采用使用载荷所对应的许用值称为使用许用值；按设计载荷校核时，采用设计载荷所对应的许用值称为设计许用值。,47,(3)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，一般采用蔡胡失效准则，且正则化相互作用系数未规定时也采用-0.5。 (4)没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

30、和平均值，而有刚度要求的重要部位需要选取B基准值。,48,2结构设计应考虑的工艺性要求工艺性包括制造工艺性和装配工艺性。复合材料结构设计时结构方案的选取和结构细节的设计对工艺性的好坏也有重要影响。主要应考虑的工艺性要求如下：(1)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(即各层之间未完全粘接)等缺陷。(2)对于外形复杂的复合材料构件设计，应考虑制造工艺上的难易程度，可采用合理的分离面分成两个或两个以上构件；对于曲率较大的曲面应采用织物铺层；对于外形突变处应采用光滑过渡：对于壁厚变化应避免突变，可采用阶梯形变化。(3)结构件的两面角应设计成直角或钝角，以避免出现富树

31、脂、架桥等缺陷。,49,(4)构件的表面质量要求较高时，应使该表面为贴膜面，或在可加均压板的表面加均压板，或分解结构件使该表面成为贴膜面。(5)复合材料的壁厚一般应控制在7.5mm以下。对于壁厚大于7.5mm的构件，除必须采取相应的工艺措施以保证质量外，设计时应适当降低力学性能参数。(6)机械连接区的连接板应尽量在表面铺贴一层织物铺层。(7)为减少装配工作量、在工艺上可能的条件下应尽量设计成整体件，并采用共固化工艺。,50,3许用值与安全系数的确定,许用值是结构设计的关键要素之一，是判断结构强度的基准。因此正确地确定许用值是结构设计和强度计算的重要任务之一。安全系数的确定也是一项非常重要的工作

32、。 (1)许用值的确定使用许用值的确定方法 A拉伸时使用许用值的确定方法拉伸时使用许用值取由下述三种情况得到的较小值。第一，开孔试样在环境条件下进行单轴拉伸试验，测定其断裂应变，并除以安全系数，经统计分析得出使用许用值。开孔试样见有关标准。,51,第二，非缺口试样在环境条件下进行单轴拉伸试验，测定其基体不出现明显微裂纹所能达到的最大应变值，经统计分析得出使用许用值。第三，开孔试样在环境条件下进行拉伸两倍疲劳寿命试验。测定其所能达到的最大应变值，经统计分析得出使用许用值。,52,B压缩时使用许用值的确定方法压缩时使用许用值由下述三种情况得到的较小值。第，低速冲击后试样在环境条件下进行单轴压缩试验

33、，测定其破坏应变、并除以安全系数，经统计分析得出使用许用值。第二，带销开孔试样在环境条件下进行单独压缩试验，测定其破坏应变，并除以安全系数，经统计分析得出使用许用值。第三，低速冲击后试样在环境条件下进行压缩两倍疲劳寿命试验，测定其所能达到的最大应变值，经统计分析得出使用许用值。,53,c剪切时使用许用值的确定方法剪切时使用许用值由下述两种情况得到的较小值。第一，45层合板试样在环境条件下进行反复加载卸载的拉伸(或压缩)疲劳试验，并逐渐加大峰值载荷的量值，测定无残余应变下的最大剪应变值，经统计分析得出使用许用值。第二， 45 层合板试样在环境条件下经小载荷加卸载数次后，将其单调地拉伸至破坏，测定

34、其各级小载荷下的应力应变曲线，并确定线性段的最大剪应变值，经统计分析得出使用许用值。,54,设计许用值的确定方法设计许用值是在环境条件下的材料破坏试验结构进行数量统计后给出的。环境条件包括使用温度上限和1水分含量(对于环氧类基体为1)的联合情况。对破坏试验结果应进行分布检查(韦伯分布还是正态分布)，并按一定的可靠性要求给出设计用值。,55,(2)安全系数的确定在结构设计中，为了确保结构安全工作，又应考虑结构的经济性要求质量轻、成本低，因此，在保证安全的条件下，应尽可能降低安全系数。下面简述选择安全系数时应考虑的主要因素。载荷的稳定性作用在结构上的外力，一般是经过力学方法简化或估算的符。动载比静

35、载应选用较大的安全系数。材料性质的均匀性和分散性 材料内部组织的非均质和缺陷对结构强度有一定的影响。组织越不均匀，其强度试验结果的分散性就越大，安全系数要选大些。 理论计算公式的近似性 因为对实际结构经过简化或假设推导的公式，一般都是近似的。选择安全系数时要考虑到计算公式的近似程度。近似程度越大，安全系数应选取越大。,56,构件的重要性与危险程度如果构件的损坏会引起严重事故，则安全系数应取大些。加工工艺的准确性由于加工工艺的限制或水平、不可能完全没有缺陷或偏差，因此工艺准确性差则应取安全系数大些。无须检验的局限性。使用环境条件。通常、玻璃纤维复合材料可保守地取安全系数为3，民用结构产品也有取至

36、10的，而对质量有严格要求的构件可取为2；对于硼环氧、碳环氧，kevlar环氧构件，安全系数可取1.5，对重要构件也可取2。由于复合材料构件在一般情况下开始产生损伤的载荷(即使用载荷)约为最终破坏的载荷(即设计载荷)的70，故安全系数取1.52是合适的。,57,4结构设计与应考虑的其他因素 复合材料结构设计除了要考虑强度和刚度、稳定性、连接接头设计等以外，还需要考虑应力、防腐蚀、防雷击、抗冲击等。热应力复合材料与金属零件连接是不可避免的。当使用温度与连接装配时的温度不同时，由于热膨账系数之间的差异常常会出现连接处的翘曲变形。与此同时，复合材料与金属中会产生由温度变化引起的热应力。复合材料结构设

37、计时，对于工作温度与装配温度不同的环境条件不但要考虑条件对材料性能的影响，还要在设计应力中考虑这种热应力所引起的附加应力，确保在工作应力下的安全。,58,(2)防腐蚀玻璃纤维增强塑料是一种耐腐蚀性很好的复合材料，其广泛应用于石油和化工部门制造各种耐酸、耐碱及耐多种有机溶剂腐蚀的贮罐、管道、器皿等。 这里所指的防腐蚀是指碳纤维复合材料与金属材料之间的电位差使得它对大部分金属都有很大的电化腐蚀作用，特别是在水或潮湿空气中，碳纤维的阳极作用而造成金属结构的加速腐蚀，因而需要采取某种形式的隔离措施以克服这种腐蚀。,59,如在紧固件丁孔中涂漆或在金属与碳纤维复合材料表面之间加一层薄的玻璃纤维层(厚度约0

38、.08)，使之绝缘或密封，从而达到防腐蚀的目的。对于胶接装配件可采用胶膜防腐蚀。另外，镍合金、耐蚀钢和镍铬合金等可与碳纤维复合材料直接接触连接而不会引起电化腐蚀。玻璃纤维复合材料和开芙拉49复合材料不会与金属间引起电化腐蚀，故不需要另外采取防腐蚀措施。,60,（3)防雷击 雷击是一种自然现象。碳纤维复合材料是半导体材料，它比金属构件受雷击损伤更加严重。这是由于雷击引起强大的电流通过碳纤维复合材料后会产生很大的热量使复合材料的基体热解，引起其机械性能大幅度下降。以致造成结构破坏。因此当碳纤维复合材料构件位于容易受雷击影响的区域时，必须进行雷击防护。如加铝箔或网状表面层，或喷涂金周层等。在碳纤维复

39、合材料构件边界装有金属元件也可以减小碳纤维复合材料构件的损伤程度。这些金属表面层应构成防雷击导电通路，通过放置的电刷来释放电荷。,61,(4)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，冲击后的压缩强度是评定材料和改进材料所需要考虑的主要性能指标。冲击损伤可按冲击能量和结构上的缺陷情况分为三类：高能量冲击、在结构上造成贯穿性损伤，并伴随少量的局部分层；中等能量冲击，在冲击区造成外表凹陷，内表面纤维断裂和内部分层；低能量冲击，在结构内部造成分层，而在表面只产生目视几乎不能发现的表面损伤；高能量冲击与中等能量冲击造成的损伤为可见损伤，而低能量冲击造的损伤为难见损伤。损伤会影响材料的性

40、能，特别是会使压缩强度下降很多。,62,在复合材料结构设计时，如果有应力作用的构件，同时考虑低能量冲击载荷引起的损伤，则可通过限制设计的许用应变或许用应力的方法来考虑低能冲击损伤对强度的影响。从材料方面考虑。碳纤维复合材料的抗冲击性能很差，所以不宜用于易受冲击的部位。玻璃纤维复合材料与凯芙拉-49复合材料的抗冲击性能相类似，均比碳纤维复台材料的抗冲击性能好得多。由此常采用碳纤维和开芙拉纤维构成混杂纤维复合材料来改善碳纤维复合材料的抗冲击性能。另外，一般织物铺层构成的层合板结构比单向铺层构成的层合板结构的抗冲击性能好。,63,5.3聚合物基复合材料成型加工技术,复合材料的性能在纤维与树脂体系确定

41、后，主要决定适于成型固化工艺。所谓成型固化工艺包括两方面的内容，一是成型，这就是将预浸料根据产品的要求，铺置成一定的形状，一般就是产品的形状。二是进行固化，这就是使已铺置成一定形状的叠层预浸料，在温度、时间和压力等因素影响下使形状固定下来，并能达到预计的性能要求。,64,生产中采用的成型方法有：(1)手糊成型湿法铺层成型。(2)真空袋压法成型。(3)压力袋成型。(4)树脂注射和树脂传递成型。(5)喷射成型。(6)真空辅助树脂注射成型。(7)夹层结构成型。(8)模压成型。(9)注射成型。(10)挤出成型。(11)纤维缠绕成型。(12)拉挤成型。(13)连续板材成型。(14)层压或卷制成型。(15

42、)热塑性片状模塑料热冲压成型。 (16)离心浇铸成型。上述(9)(10)，(15)为热塑性树脂基复合材料成型工艺，分别适用于短纤维增强和连续纤维增强热塑性复合材料两类。,65,66,531 手糊工艺,手糊工艺是聚合物基复合材料制造中最早采用和最简单的方法。其工艺过程是先在模具上涂刷含有固化剂的树脂混合物，再在其上铺贴一层按要求剪裁好的纤维织物，用刷子、压辊或刮刀压挤织物，使其均匀浸胶并排除气泡后，再涂刷树脂混合物和铺贴第二层纤维织物，反复上述过程直至达到所需厚度为止。然后，在一定压力作用下加热固化成型(热压成型)。或者利用树脂体系固化时放出的热量固化成型(冷压成型)，最后脱模得到复合材料制品。

43、,67,手糊工艺的优点：（1）不受产品尺寸和形状限制，适宜尺寸大批量小、形状复杂的产品生产。（2）设备简单、投资少、设备折旧费低。（3）工艺简单。（4）制品树脂含量较高，耐腐蚀性好。手糊工艺的缺点：（1）生产效率低，劳动强度大，劳动卫生条件差。（2）产品质量不易控制，性能稳定性差。（3）产品力学性能较低。,68,1原材料选择合理选择原材料是满足产品设计要求，保证产品质量降低成本的重要前提（1）聚合物基体的选择手糊成型工艺用树脂类型有不饱和聚酚树脂，用量约占各类树脂的80%。其次是环氧树脂。目前在航空结构制品上开始采用湿热性能和断裂韧性优良的双马来酰亚胺树脂。以及耐高温耐辐射和良好电性能的聚酰亚

44、胺等高性能树脂。（2）增强材料的选择用量最多的增强材料是玻璃纤维及其织物，如无碱纤维、中碱纤维、有碱纤维。,69,(3)脱模剂的选择 为使制品与模具分离而附于模具成型面的物质称为脱模剂。其功用是使制品顺利地从模具上取下来，同时保证制品表观质量和模具完好无损。 脱模剂分内、外脱模剂两大类。手糊成型用的是外脱模剂，常用的外脱模剂有： a薄膜型脱模剂：有聚酯薄膜、聚乙烯醇薄膜，玻璃纸等，其中聚酯薄膜用量较大。 b混合溶液型脱模剂：此类脱模剂中聚乙烯醇溶液应用最多。c蜡型脱模剂：蜡型脱模剂(详见表513)使用方便，省工省时省料，脱模效果好。,70,2手糊成型模具的设计与制造手糊成型模具分单模和对模两类

45、。单模又分阳模和阴模两种。无论单模和对模，又都可以根据需要设计成整体式或拼装式。应用最普遍的模具材料是玻璃钢。其他模具材料还有：木材、石膏砂、石蜡、可溶性盐、低熔点金属、金属等。,71,3原材料准备(1)胶液淮备胶液的工艺性是影响手糊制品质量的重要因素。胶液的工艺性主要指胶液粘度和凝胶时间。（2）增强材料准备。手糊成型所用增强材料主要是布和毡。为提高它们同基体的粘结力，增强材料必须进行表面处理。（3)胶衣糊准备胶衣糊是用来制作表面胶衣层的。胶衣树脂种类很多，例如耐水性、自熄性、耐热型应根据使用条件进行选择。(4)手糊制品厚度与层数计算制品厚度的预测、铺层层数计算,72,4糊 制(1)刷胶衣胶衣

46、层厚度控制在0.25-0.5mm。胶衣层通常采用涂刷和喷涂两种方法。（2）结构层的糊制待胶衣层全部凝胶后，即可开始手糊作业、否则易损伤胶衣层。首先在模具上刷涂含有固化剂的树脂混合物，形成一层富树脂层，既能增强胶衣层防让龟裂)，又有利于胶衣层与结构层(玻璃布)的粘合。接着在模具上铺贴一层剪裁好的纤维织物，交替刷一层树脂、铺一层玻璃布，并要排除气泡，如此重复直到设计厚度。,73,(3)铺层控制同层纤维尽可能连续，铺层拼接的设计原则是，制品强度损失小，不影响外观质量和尺寸精度，施工方便。拼接的形式有搭接与对接两种，以对接为宜。接层错开并附加一次附加布。(4)铺层次固化拼接厚度超高7mm,需2次固化5

47、. 固化(1)不饱和聚酯树脂的固化及工艺控制 (2)不饱和聚酯树脂固化工艺控制6脱模、修整与装配,74,6脱模、修整与装配 脱模 脱模要保证制品不受损伤。脱模方法有如下几种：顶出脱模 在模具上预埋顶出装置，脱模时转动螺杆，将制品顶出。压力脱模 模具上留有压缩空气或水入口，脱模时将压缩空气或水（0.2MPa）压入模具和制品之间，同时用木锤和橡胶锤敲打，使制品和模具分离。大型制品（如船）脱模 可借助千斤顶、吊车和硬木楔等工具。复杂制品可采用手工脱模方法 先在模具上糊制二三层玻璃钢，待其固化后从模具上剥离，然后再放在模具上继续糊制到设计厚度，固化后很容易从模具上脱下来。修整修整分两种：一种是尺寸修整

48、，另一种缺陷修补。尺寸修整 成型后的制品，按设计尺寸切去超出多余部分；缺陷修补 包括穿孔修补，气泡、裂缝修补，破孔补强等。,75,532模压成型工艺1.概述模压成型是一种对热固性树脂和热塑性树脂都适用的纤维复合材料成型方法。将定量的模塑料或颗粒状树脂与短纤维的混合物放入敞开的金属对模中、闭模后加热使其熔化，并在压力作用下充满模腔，形成与模腔相同形状的模制品，再经加热使树脂进一步发生交联反应而固化，或者冷却使热塑性树脂硬化，脱模后得到复合材料制品。,76,模压成型,77,2模压料主要就SMC、BMC及DMC三种最常用的模压料片状模塑料(即SMC)SMC是用不饱和聚酯树脂、增稠剂、引发剂、交联剂、

49、低收缩添加剂、填料、内脱模剂、着色剂等混合成树脂糊浸渍短切玻璃纤维粗纱或玻璃纤维毡，并在两面用聚乙烯或聚膜包覆起来形成的片状模压成型材料。使用时，只需将两面的薄膜撕去，按制品的尺寸裁切、叠层、故入模具中加温加压，即得所需制品。,78,(2)团状模塑料(DMC)和散状模塑料(BMc) 团状模塑料(DMC)及散状模塑料(BMC)为预混模塑料。这类预混塑料主要是以聚酯为基体。因此，又可称为“聚酯料团”。以过增稠处理的聚酯料团称作“散状模塑料”。在成型方法上主要采用压制法此外还可采用压铸法和注射法。,79,3模压工艺模压工艺流程图如图59所示。,80,(1)压制前准备模压料预热和预成型模压料预成型是将

50、模压料在室温下预先压成与制品相似的形状，然后再进行压制预成型操作可缩短成型周期，提高生产率及制品性能。一般在预混料模压制品批量生产使用多腔模具或特殊形状和要求的制品时采用。,81,装料量的估算装料量等于模压料制品的密度乘以制品的体积，再加上35的挥发物、毛刺等损耗。脱模剂的选用 在模压中采用外脱模剂和内脱模剂结合使用的办法。外脱模剂是在装料前直接涂刷在模具的成型面上，内脱模剂则作为模压料组分一混合于模压料中。,82,(2)压制在模压过程中，物料宏观上历经粘流、凝胶和硬固三个阶段。微观上分子链由线型变成了网状体型结构。这种变化是以一定的温度、压力和时间为条件的。模压工艺的压制制度包含温度制度和压