复合材料概论第5章 聚合物基复合材料课件.pptx

第五章 聚合物基复合材料,1、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,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，纤维类增强材料为增强剂的复合材料。,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。,发展简况,聚合物基复合材料发展史第二阶段：20世纪60年代中期20世纪80年代初,聚合物基复合材料的特点,1.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源于增强纤维的高性能和低密度。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金属材料。,2.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。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。 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，而是经历基体开裂、界而脱粘、纤维拔出、断裂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能力。内部有缺陷、裂纹时，也不会突然发展而断裂。,3.阻尼减震性好 复合材料有较高的自振频率，其结构一般不易产生共振。同时，复合材料基体与纤维的界面有较大的吸收振动能量的能力，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。4.具有多种功能性(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1，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烧烛防护材料。（P79）(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。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)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。(4)优良的耐腐蚀性。(5)有特殊的光学、电学、磁学的特性。,5.良好的加工工艺性(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，即材料具有可设计性。(2)可以根据制品的形状、大小、数量选择加工成型方法。(3)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。6.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各向异性，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，经济合理。,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,芳纶纤维增强型,基体材料性能,通用型,耐化学介质腐蚀型,耐高温型,复合材料成型固化方式,常温常压固化成型,高温加压固化成型,阻燃型,聚合物基体的结构形式,热固性树脂基复合材料,热塑性树脂基复合材料,5.1.1玻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。,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。,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。,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。,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，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。,5.1.2 玻璃纤维增强热塑性塑料(代号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1.11.6之间，为钢材的1516；比强度高，蠕变性大大改善。,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会降低机械强度，并有增重现象。,2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。,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。,4玻璃纤维增强聚碳酸酯(代号FR-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，FR-P比P的耐疲劳强度提高2-3倍，耐应力开裂性能可提高6-8倍，耐热性比P提高10-20 ，线膨胀系数缩小为1.6-2.410-m/ ，因而可制成耐热的机械零件。,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。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209-250MPa，耐疲劳强度达52MPa。耐热性提高最大，PET的热变形温度为85 ，PR-PFT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FR-PA6，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。,6玻璃纤维增强聚甲醛(代号FRPOM) 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性有很大提高。含有25玻璃纤维的FRPOM的抗拉强度为纯POM的两倍、弹性模量为纯POM的三倍，耐疲劳强度为纯POM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。,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、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。,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。,2玻璃纤维聚酰胺(代号FR-PA) 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(FR-PA6)、玻璃纤维增强尼龙66(FR-PA66)、玻璃纤维增强尼龙1010(FR-PA1010)等。玻璃纤维的含量达到30-35时，其增强效果最为理想，抗拉强度可提高2-3倍，抗压强度提高1.5倍，最突出的是耐热性提高幅度最大。,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。是高强度高模量纤维增强塑料中性能最好的一种。,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。,5.1.4 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。在机械工业中制成各种机械零件。,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能的要求而进行的材料获得方法与工程途径的规划。对设计一词的传统解释为：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、工艺、用地、进度、费用等各方面的计划和估算。,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及参数，来改变复合材料的性能，特别是使其具有各向异性，从而适应在不同位置、不同方向和不同环境条件下的使用要求。复合材料的可设计性赋予了结构设计者更大的自由度，从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。,5.2.1.1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。,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、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。,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。,在结构设计中，首先应明确设计条件，即根据使用目的提出性能要求、载荷情况、环境条件及受几何形状和尺寸大小的限制等，这些往往是设计任务书的内容。（1）结构性能要求 一般来说，体现结构性能的主要内容有：结构所能承受的各种载荷，确保在使用寿命内的安全；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；隔绝外界的环境状态而保护内部物体。,5.2.1.2 复合材料结构设计条件,（2）载荷情况 结构承载分为静载荷和动载荷 静载荷：缓慢的由零增加到某一数值以后就保持不变或变动不显著的载荷； 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、耐疲劳来设计结构,（3）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： （a）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； （c）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。 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 所谓结构的可靠性，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。 结构强度最终取决于构成这种结构的材料强度，所以欲确定结构的可靠度，必须对材料特性作统计处理，整理出它们的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）的可靠性为最合理。,5.2.2 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的材料的过程。 由于不同构件的功能不同，因此对于组成构件的材料的性能要求也不同，同时，所采用的材料还受到相应约束条件的限制。,物理性能（如密度、导热性、导电性、磁性、微波吸收性或反射性、透光性等）化学性能（抗腐蚀性、抗氧化性等）力学性能（如强度、模量、韧性、硬度、耐磨性、抗疲劳性、抗蠕变性等）；,对材料性能的要求,对所采用材料的约束条件,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、使用条件（温度、气氛、载荷性质、所接触的介质等）。,一、原材料的选择原则（1）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，应使结构质量最轻。（2）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，其下降幅值应不大于10%。（3）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。,（4）满足工艺性要求的原则 复合材料的工艺性包括预浸料工艺性、固化成型工艺性、机加装配工艺性和修补工艺性四方面。,机加装配工艺性主要是指机加工艺性；修补工艺性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。 工艺性要求与选择的基体材料和纤维材料有关,（5）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。 成本低、效益高的原则是一项重要的选材原则（P90）,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,（1）若结构要求有良好的透波、吸波性能，可选取Kevlar(芳纶)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；（3）若结构要求有高的抗冲击性能，则可选用玻璃纤维、Kelvar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碳纤维；（5）若结构要求尺寸不随温度变化，则可选用Kelvar纤维或碳纤维；（6）若结构要求既有较大的强度又有较大的刚度时，则可选用比强度和比刚度均较高的碳纤维或硼纤维。,（1）各组分材料之间的相容性，包括：,物理相容性（如热膨胀系数）,化学相容性（如在制造和服役期间是否产生有害反应）,力学相容性（如在复合材料承受载荷包时，各组分之间的应变能否彼此协调）,（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（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位置与取向；（3）在制成复合材料后，其中的各组分应保持它们的固有优秀性质，并能扬长避短、相互补充，产生所需要的复合效应。,三、树脂选择,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基体；（2）复合材料其他性质（如对纤维的粘接性、传递和分散载荷的功能等）也依赖基体；（3）纤维增强复合材料的使用温度范围通常按基体划分。,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。 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，主要是用聚酰亚胺作为基体材料，它能在200259 温度下长期工作。,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；（2）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，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。,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。,(2)刚度的预测公式(3)强度的预测公式,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。,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6-10。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 。,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。(p99),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45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。,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。,(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，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。,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择。另外，在等代设计中，一般根据表5-11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。,（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。,5.2.3 结构设计,对应不同的设计目标，可以有下列五种设计类型：（1）安全设计（2）单项性能设计（3）等强度设计（4）等刚度设计（5）优化设计,（1）安全设计,要求所设计的结构或构件在使用条件下安全工作，不致发生失效。具体到材料，则表现为必须达到特定的性能指标（如强度、模量等）。,（2）单项性能设计,使复合材料的某一项性能满足要求。例如透波或吸波、隐身、零膨胀、耐高温、耐某种化学介质等。但是设计者必须在重点满足主要要求的同时，尽可能地兼顾其他性能的综合要求，以避免结构复杂和臃肿。,（3）等强度设计,对于材料来说，等强度设计就是要求其性能的各向异性能够符合工作条件环境要求的方向性。,（4）等刚度设计,等刚度设计是要求材料的刚性能够满足对于构件变形的限制条件，并且没有过多的冗余。,（5）优化设计,优化设计（optimal design)就是使目标函数取极值的设计，包括：最小质量设计最长寿命设计最低成本设计最低单位时间使用费用设计，又称价值工程（value engineering）或价值分析（value analysis），即花费金额/服役时间愈低，其结构愈经济。,复合材料制品的设计和研制步骤,主要设计步骤：1）通过论证明确对于材料的使用性能要求，确定设计目标；2）选择材料体系（增强体、基体）；3）确定组分比例、几何形态及增强体的配置；4）确定制备工艺方法及工艺参数；5）在完成复合材料设计方案后，应结合市场供应情况和研制单位的已有条件，采购原材料，购置或改造工艺设备，完成制造工艺条件准备；6）按预定方案进行样品试制；7）测试所制得样品的实际性能，检验是否达到使用性能要求和设计目标。8）在总结试制经验与成果的基础上，调整设计方案，组织制品生产。,复合材料制件设计程序框图,通过论证明确性能要求,确定制件构型,选择材料,确定尺寸,试制件,是否达到设计要求,工艺性,成本核算,原材料、预成型材料,材料性能,结构核算,设计准则,结构功能试验,最终成品,实验方法,环境载荷状态,是,否,5.2 聚合物基复合材料的制造技术,聚合物基复合材料的制造把复合材料的制造和产品的制造融合为一体。 根据增强体和基体材料种类的不同，需要应用不同的制造工艺和方法。,根据基体材料不同分类：,热固性树脂复合材料的制造方法：手糊成型法、喷射成型法、模压成型法、注射成型法、RTM成型法(注射成型法)等。,热塑性复合材料的制造方法：模压成型法、注射成型法、RTM成型法、真空热压成型法、缠绕成型法等。,1.手糊成型工艺,2.喷射成型工艺,3.模压成型工艺,4.层压成型工艺,5.缠绕成型工艺,6.挤出成型工艺,7.注射成型工艺,8.树脂传递模塑,9.反应注射模塑和增强型反应注射模塑,1.手糊成型工艺,模具准备,树脂胶液配制,增强材料准备,涂脱模剂,手糊成型,固化,脱模,后处理,检验,制品,手糊成型工艺流程,纤维增强材料和树脂胶液在模具上铺覆成型，室温(或加热)、无压(或低压)条件下固化，脱模成制品的工艺方法。,手糊成型示意图,胶衣是赋予复合材料制品表面的一层美观、耐化学品侵蚀、耐擦伤和耐老化等的对其起到保护作用的表面涂层。,优点,(1) 不受尺寸、形状的限制，适宜尺寸大、批量小、形状复杂产品的生产； (2) 设备简单、投资少、设备折旧费低，成本低； (3) 工艺简单； (4) 可在任意部位增补增强材料，易满足产品设计要求； (5) 产品树脂含量高，耐腐蚀性能好。,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。,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。,(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512)使用方便，省工省时省料，脱模效果好。,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。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。,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,4糊 制(1)刷胶衣胶衣层厚度控制在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。,(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. 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,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，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。,2.喷射成型工艺,为改进手糊成型工艺而开发的一种半机械化成型工艺，是手糊工艺的变形。,工艺流程,将混有引发剂和促进剂的不饱和聚酯树脂从喷枪喷出，同时将玻璃纤维无捻粗纱用切割机切断并由喷枪中心喷出，与树脂一起均匀沉积到模具上。待沉积到一定厚度，用手辊滚压，使纤维浸透树脂、压实并除去气泡，最后固化成制品。,优点,(1)生产效率比手糊法提高24倍；(2)利用粗纱代替织物，降低了材料成本；(3)成型过程中无接缝，制品的整体性好；(4)减少了飞边、裁屑和剩余胶液的损耗；(5)可自由调节产品壁厚、纤维与树脂的比例及纤维的长度。,缺点,(1) 产品的均匀程度在很大程度上取决于操作工人的熟练程度；(2) 树脂含量高，增强纤维短，制品的强度较低，耐温性能差；(3) 因过量喷涂而造成原材料损耗大；(4) 阴模成型比阳模成型难度大，小型制品比大型制品难度大；(5) 现场粉尘大，工作环境恶劣；(6) 初期投资比手糊成型大。,3.模压成型工艺,定义,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。,加热加压的作用,使模压料塑化、流动，充满空腔，并使树脂发生固化反应。,3.模压成型工艺,优点,缺点,有较高的生产效率，适于大批量生产，制品尺寸精确，表面光洁，可以有两个精制表面，价格低廉，容易实现机械化和自动化，多数结构复杂的制品可一次成型，无需有损于制品性能的辅助加工，制品外观及尺寸的重复性好。,压模的设计与制造较复杂，初次投资较高，制品尺寸受设备限制，一般只适于制备中、小型玻璃钢制品。,SMC(片状模塑料，Sheet Molding Compound)的特点,SMC基本组成：不饱和聚酯树脂、增稠剂、引发剂、交联剂、低收缩添加剂、填料、内脱模剂、着色剂等混合物浸渍短切玻纤粗纱或玻纤毡，两表面加上保护膜(聚乙烯或聚丙烯薄膜)形成的片状模压成型材料。 使用时除去薄膜，按尺寸裁剪，然后进行模压成型。,增稠剂,SMC在压制成型、贮存、运输过程中均需要有较高的粘度(制备SMC时要求粘度低，浸渍纤维)，粘度的提高通过增稠剂实现。 通过增稠剂控制SMC从生产到使用全过程的粘度变化。,常用的增稠剂：,IIA族金属氧化物或氢氧化物：MgO、 Mg(OH)2、 CaO、 Ca(OH)2,MgO增稠的效果，与MgO活性和加入量有很大的关系。,应用较广的增稠剂特点：增稠速度快，短时间内能达到最高粘度。,MgO用量对不饱和聚酯增稠特性的影响,增稠机理,两个阶段,第一阶段,金属氧化物或氢氧化物与聚酯端基COOH进行酸碱反应，生成碱式盐。,碱式盐之间或与聚酯之间进一步脱水使分子量成倍增加,MgO和MgOH的碱式盐不进行此脱水反应，CaO和CaOH碱式盐可继续进行此脱水反应。,碱式盐与聚酯分子中的酯基(氧原子)以配位键形成络合物,第二阶段,镁盐的络合反应,Ca盐的络合反应,聚酯的分子量成倍提高，粘度上升而增稠。,SMC生产工艺,SMC生产工艺流程,树脂糊制备,树脂,固化剂,增稠剂,其它,低收缩添加剂,薄膜,粗纱,切割,沉降,浸渍,收卷,稠化,包装,填料,SMC成型机,模压工艺,模具预热,脱模剂涂刷,料的称量,料预热成预成型,装模,压制,脱模,后处理,打底及辅助加工,检验,成品,压制前准备,压制,模压成型工艺流程,4.层压成型工艺,层压工艺：,将浸有或涂有树脂的片材层叠，送入层压机，在加热加压条件下，固化成型玻璃钢制品的一种成型工艺。,生产的机械化、自动化程度较高；产品质量稳定；但一次性投资较大，适合于批量生产。,特点,干法成型，先将纸、布、玻璃布等浸胶，制成浸胶布(纸)半制品，再经加温加压成型。,胶布制备工艺过程,工艺流程,生产复合板材、管材以及布带缠绕制品的半成品,玻璃布经化学处理或热处理后，浸渍树脂胶液，并控制胶含量。在一定温度、时间条件下烘干，除去大部分溶剂等挥发物并使树脂有一定程度的固化，即得需要的玻璃纤维胶布。,层压成型工艺过程,预浸胶布制备、