杏彩体育app复合材料的界说和分类

　　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.