碳纤维复合材料结构构件的抗弯性能研究

碳纤维复合材料结构构件的抗弯性能研究南京工业大学硕士学位论文姓名彭亚申请学位级别硕士专业结构工程指导教师刘伟庆陈程林20030510南京工业大学硕士学位论文硕士研究生彭亚指导老师刘伟庆教授陈程林教授级高工摘要近年来，碳纤维出于其具有的轻质高强特性，日益受到结构工程界的高度关注。采用碳纤维制作结构构件，可以实现传统建筑材料无法达到的结构性能，因此，碳纤维复合材料在土木工程的一些特殊领域具有较大的利用价值和广泛的应用前景。但是，目前我国在复合材料结构构件的复合方式、工艺制作和结构性能等方面的研究距离实际应用需要还存在相当大的差距。本文在分析国内外最新研究成果的基础上，提出利用轻质材料为芯材、环氧树脂为基体、单向碳纤维布为增强材料复合而成的新型碳纤维复合材料结构构件。通过对构件在不同纤维铺层方式下的抗弯性能研究，探讨这类结构构件的工艺设计制作方法和抗弯性能，并在试验研究的基础上提出这类构件的抗弯承载力计算方法。本文主要研究成果如下、碳纤维复合材料构件的设计要同时考虑材料、结构和工艺三个方面，复合材料的性能与基材的力学性能、成型过程有关。构件的设计应遵循均衡对称铺设、铺层定向和合理安排铺设顺序的原则。本文探讨了手糊工艺制作构件的基材选择加工方法和工艺过程的控制。、通过对根碳纤维复合材料构件和根原木构件所进行的抗弯性能试验，得到以下结论（）手糊工艺是一种方便实用的复合材料结构构件制作方法，但其最大的弊端在于构件性能的离散性偏大；（）影响碳纤维复合材料构件抗弯性能的主要参数包括纵向碳纤维铺设层数、环向抗剪纤维用量、结合面粘结性能以及基材性能等。（）碳纤维复合材料构件有多种破坏形态，但是都属于脆性破坏。、碳纤维复合层与芯材之间有粘结和无粘结的两种构件在受力机理、破坏形态和计算方法上均有所不同，本文针对不同设计参数下的这两类构件分别进行了试验结果分析和极限承载力公式的推导。关键词碳纤维复合材料结构性能结合层芯材极限承载力南京工业大学硕士学位论文。，协。、饿，妇，（），。（），翔，犯），。（），南京工业大学硕士学位论文第一章绪论复合材料概况复合材料（）是由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料。它既能保持原组分材料的主要特色，又通过复合效应获得原组分材料所不具备的性能。复合材料特性与传统材料相比，复合材料有四大特点（）可设计性这是复合材料有别于传统材料的最显著特点。它的力学、机械、热、声、光、电、防腐、抗老化等物理化学性能都可按制件的使用要求和环境条件，通过组分材料的选择、匹配以及界面控制等材料设计手段，最大限度地达到预期目的，以满足工程结构的使用性能要求。（）材料与结构的同一性复合材料尤其是本课题所涉及的纤维复合材料，与其说是材料倒不如说是结构更为恰当；传统材料的构件成型是经过对材料的再加工来实现的，并且加工过程中材料组分之间一般不发生化学变化，而复合材料的材料合成与构件成型是同时完成的，所以复合材料结构的整体性好，可以大幅减少结构零部件和连接件的数量，从而缩短加工周期，降低成本，提高构件的可靠性。（）发挥复合效应的优越性复合材料各组分经工艺加工后所表现出的性能不是几种材料各自性能的简单混合，而是按照复合效应形成新的性能，这种复合效应是复合材料所独有的特性。（）性能对复合工艺的依赖性复合材料结构在形成过程中有组分材料之间复杂的物理与化学变化，构件性能对工艺方法、工艺参数、工艺过程等的依赖性大，同时也由于在成形过程中很难准确地控制工艺参数，所以一般来讲复合材料构件的性能离散性是比较大的。从结构性能的角度分析，复合材料同传统的建筑材料相比有以下四个显著的优点（）比强度、比模量大图一“给出了几种常见传统材料和复合材料的性能比较，用（）比强度（材料的拉伸强度与密度之比）和比模量十凹（帅（杨氏模量与密度之比）的比较很好地说明了复口菇合材料在轻质高强方面的优越性。山图可见一岛由；碳纤维增强环氧树脂基复合材料的轻质高强性飞舅铅口“能最为显著，其比强度比钢材高倍，比铝合。钢金高倍，比模量则是钢、铝的倍，这样性能优越的材料如果合理使用在结构构件中必然图各种材料的比强度与比模量比较会有助于解决许多传统材料无法解决的难题。第一章缭论（）瓣疲劳蜓藐好溷“是碳纾维复含材料、玻璃纤维复合材料与铝含金的疲劳寿搏竺，、愈姐线比较，由黧可见复食材料比金属材料的、耐疲劳饿能高很多。通常金属材料疲劳强度极墨空坚限是其披伸强度的，而碳纤维增、铝强聚合物基复合材料的疲劳强度极限为獒控伸强度的，说明在长期交畿载荷。一。二二条锌下王作跨，笈台耱瓣褥释瓣鸯命离予镑统溪一各秘糖辩疫势强攫眈较材料构件。（）疆尾藏震蛙嚣受力绩秘豹叁强频率除了与形数鸯关步，还目缝襁糖料鹣毙模量平方根成正比，根据特点（）中对于比模量的分析可知，复合材料鼠有较高的自振频率，固对复会材料蒸传纤维赛瑟有较大的吸牧振动能量的鼹力，因嚣材料的阻尼较高，这些特性都有利于提高复合材料结构的抗震性能。（）皴损安全性嘉研究表明，复合材料的破坏需缀历基钵损伤、歼裂、界颟脱粘、纤维断裂等一系列过程“，而且当少数增强纤维发生断裂时载荷又会通过纂体的传递分激到其它完好的纤维上去，这必过程都能降低灾难性破坏突然发生的机率。僵怒，复合榜瓣在建筑结椽中使嗣瞪遣存夜一些弱赢，主蘩表瑶在如下疆个方丽（）嚣度润熬簧逶玻璃钢辩摸镄低镰，嚣熬蠲宅来设诗建筑结穆稳徉薅必须从结构稳定的观念出发，采用稳定性较高的结构形式，如折板式、双曲面拱形、球形薄炎或夹层缝褥，叛究受材料零赛剿度袋低熬簸点。耀对嚣言，本谍题辑蟥究的碳纤维复合材料的弹性模量，与钢材相当，在工程中应用有一定优势。（）经济性越题嚣薅常用豹玻璃铡建筑产黠都比传统建筑枣芎辩要稍爨，碳终维复合材料更甚之。这主繇是由于原材料成本昂贵、国内生产开发能力和经济承溅能力有限。随着国民经济的不断增长、对原材料开发和工扰技术的改良以及对应用方法的研究，这一问题将逐步徭至解决。（）防火问题一般树脂基复合材料遇火易燃，本漾题中研究的碳纤维也是如诧。因诧在设计筮台奉手搴萼建筑梅件靖宣尽量遥藤隘察零孝籽对复合榜料表瑟幸筝处瑗。（）耐久性问题这是复合材料面临的一个新问题。现代建筑乃百年太计，也就楚帮令入翻期蘩建筑貉栽够僚黧足百年，但是蠢予复合零芎籽瓣络穆应溺磺究霆多较晚，国外最早使用的玻璃钢管材也不过多年的历史，但是目前它们还是完好无损瓣，霸魏我繇还涎法默灾藩角度刿凝复食糖凝熬瓣久毁。复合材料研究与成用现状、研究现状国际上关于复合材料的基础理论研究大致着踅在以下几个方筒（）嶷合材料力学性能与行为研究；（）复合材料的材料设计与结构设计、分析与无损评价，计算机数字模稼优佬设计，各种复合材料结构的破坏模式和设诗方法研究；（）复合材辩赛南京工业大学硕士学位论文面研究。本文所开展的研究主要涉及上述结构性能方面的内容。复合材料的发展离不开制造技术的改进。近年来，国外在复合材料多种成型技术与生产过程的机械化和自动化方面作了大量研究，取得了飞速的进展。在中小型制品生产中，复合材料的成型工艺向组合、预成型、质量监控与操作自动化的趋势发展。目前在复合材料的基础理论、使用性能、成型工艺的研究方面，处于国际领先地位的国家主要有美国、日本以及部分欧洲国家。我国的复合材料研究由于起步较晚而且还受到材料制备方面的限制，与一些先进技术水平相比还存在一定差距；但是近年来复合材料的研究越来越受到材料、土木工程、化工界的重视。、应用现状复合材料凭借本身的优越性能，迅速在化学、力学、机械学、冶金、陶瓷等现代科学成就的基础上形成了集科研设计、生产、应用的完整体系，从而在国民经济建设和国防建设中发挥着先导和基础的作用；而且随着各种复合材料合成组分生产能力和技术的不断提高所带来的各类复合材料制品性能的提高和成本的降低，复合材料正越来越多地渗透到社会的方方面面，尤其是现代土木工程领域，目前实际应用中相对技术成熟、形式多样且使用量最大的是树脂基复合材料（），也称纤维增强塑料（），这类复合材料根据增强材料不同可分为玻璃纤维增强塑料（）、碳纤维增强塑料（）、芳纶纤维（即纤维）增强塑料（），另外还有诸如超高分子聚乙烯纤维、陶瓷纤维、矿物纤维、硼纤维、植物纤维等增强基的复合材料。实际中复合材料已开发应用于承载结构、围护结构、采光制品、门窗装饰、给排水工程、卫生洁具、采暖通风设备、高层楼房屋项、特殊大型建筑如大跨飞机库、活动房屋、屏蔽房、太阳能屋等方面。就复合材料制造技术的应用现状看，目前拉挤工艺、所占的使用比例开始增大，但目前国内许多复合材料制品生产厂家普遍使用的仍然是手糊、缠绕等传统成型工艺。复合材料在建筑工业中的应用更是面广量大且前景广阔。我国复合材料用于建筑工业历史虽短，但用量现己占产量的以上“，是复合材料用量最大的领域，足可见其在建材中地位的举足轻重。就用途而言，从基础到屋盖、从内外墙板到卫生洁具、从门窗到建筑装饰，无一场所不可使用复合材料制造，而且从上个世纪年代开始，国外许多国家都开始研究全结构复合材料建造技术，取得了很大的进展，目前已有不少夔体建筑物实例，譬如位于美国里诺市高度接近层楼、直径、外形优美的球形企玻璃纤维复合材料娱乐场，是一幢集旅游景点、娱乐场馆、艺术中心等多种使用功能于一身的著名建筑物。碳纤维复合材料的构成与复合工艺碳纤维复合材料（，简称，也常称作碳纤维复合增强塑料简写为）具备的最突出的结构性能是轻质高第一章绪论强，表征建筑材料这一性能的指标是比强度（），比强度值越大的材料越是轻威高强。根据日本东京理工大学福田博教授的对于复合材辩瀚研究总结，各鹈，零季辩静跑强度如农图一所示，碳纤维复合材的障碍鲞，料匏毙强震楚鑫大多数转统结秘材料无法比拟的。与钢材进行比较霹以发理，碳纾缝笈会材糕狳了其“度性麓嚣鑫翰囫糯。，辩翰薹园闺冒锝馐萎话磊挹璃珲胡各钢材的一般性能外，还有以下独特的性能“啬磊裁薹善磊镁铝铝氧氯（）具有比钢材商出十几倍的抗拉强度。图各种复食材料比强度比较（）减震佼能好，蠢振频率高，可避免早期燕振，闷时它的内阻很大，一虽激震后衰减起来也快。（）毒有囊努静瓣久毪，它楚一种德良静魄绝缘静精，焉它籍捧静构俘其蠢良好的耐酸、碱、盐等化学介质腐蚀的能力。（）耪瓣柔甥度努，交予犍穗吴毒流动经，其产鑫形获耍筝不受残镧，还以任意着色，从而设计出来的结构可以达到结构形式和材料羡学的高度统一。碳纾维复会誊孝搴墨黪组成鏊毒菩失碳缍维、蕊奉孝与胶糙裁，其孛碳终缍充姿复合毒砉料增强相，芯材用作成型材料或称模具，胶粘剂是芯材与增强相之间的粘结材料。另外复合构传的形成还必须考虑复会工艺的选取，这四个方蔼是碳纡维复食材料制品性能的决定因素。复合基材的性能与应用概况常见纤维复合材料的增强相有玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、越高分子纤维、爝强材料羯瓷纾维等，本文研究静碳纤维复合榜籽稳件豹稽焱穗为碳纤维。与其它丸耱纤维增强材料相比，碳纤维的独特性能表现为低密度、高强度、高模量、相对耐高温、撬德学瘸缓、爨迄瓣、塞热簿、低豢；澎鼗、瓣恁学疆麓等方瑟，忿癸，它蟋鬃寿纤维的柔曲性和可编性，比强度和比模量优予其他纤维增强体。由于碳纤维为脆性材料虽寒瀣撬筑诧蛙戆较差，获戬一般缀少擎独使弱，主要爝终礴鼹、碳、金属、辫瓷、水泥、橡胶基复合材料的添加增强体。碳纤维性能卓越蕊价格比较昂贵，在其发展初期主要应鼹子舷空舷天工业孛，但是随着其产量的增加、生产技术的推广，它也越来越广泛地使用在日常生活的各个方颇，例如交通运输中的汽车配件、快艇、海底电缆、深海油田镣道设备，运动器楮中的网球拍、裔尔夫球轷，土木建筑串的隔板、加强翁、抗震救灾强材料，生化行业中的医用品、防腐制品等等。目前在结构工程中碳纤维还很少单独作为结南京工业大学硕士学位论文构中的受力材料，人们一般是将其按照结构构件的受力需器以短纤维或长纤维两种形式添加入槐牛基体材料中作为加强结构性能的增强体，馒用碳纤维的土木结构类型有幕墙、嵌板、间隔壁税、桥梁、架设跨度较大的管线、海洋和水轮结构的增强筋、地板、窗框、管道、海洋浮杼、面状发热嵌板、抗震补强材料等等。按照应麓的形式区分，狻纤维复合穗籽主要结鞠应用形式为议下几种（）碳纤维增强水泥基复合材料备耱形式的碳野维增强承淀基复会毒季辩（）板材是碳纤维复合材料在结构应用初期的一种主隳形式。它是秘嵩弹裹强缭维增强东泥基笈合越糕，具旁舞获拉、毫技弯、裹断裂缝、低予绩率、低热膨胀系数、高耐温性、阻燃、离耐久性、抗老化、抗腐蚀、良好屏蔽效应等优越援耱，可戳说是葶孛餐戆避誊孝料。这善孛水泥基复会越料铡螽救缝槐稳孛一般在承受荷载时还憝靠钢筋抗拉而由增强水泥抗压。的使用形式有定向连续长纤维增强水泥基复念体和乱向短纤维增强水泥基复合体两种。研究结果表骥，添加纤维的水溅基构串强度提搿、极澉延伸率增大、最大裂缝宽度减小而且构件延性显籍增强。（）聚合物基碳纤维复合型材这释复合垄橱圭簧包括襻率芎、片榜鞫授材三种。西蔚焉经在谇多结构中有所应用的筋就是一种典型的碳纤维棒材。它是由多股连续碳纤维邋过基褒耱（魏聚酝胺褥嚣、聚乙烯捉疆、环裁耱誓锋）进费获台矮经模其按篷拉羧而成泌的一种新型钢筋替代材料，最早由美豳联合碳化物公司于年开发研制。它每簧遽镄麓葶器褰强镶丝穗院，具蠢撬拉强疫毒、塑性变形奎、拣瘸锤缝好、耋量轻、热膨胀系数接近混凝土、抗疲劳、电磁绝缘胜好等优点，但烃它的抗剪强度很低、热稳定性差、不便现场加工戚形势且成本较嶷。所以不能完众代替构传钢然而蔻作为加强筋来使用。棒材溉可用作结构加圈，也可用于新建结构中，由于它具窍良好的耐腐蚀性和极勰的耐疲劳性能，且易予施工，所以近冬来用量睚逐步增长，研究成果也比较多，一些国家已经有了正式的标准趣范。碳纤维片材主要用于结构的加圊修复，据年的统计资料”表明，片材中布状材料的使用嫩最大，每年这万（礴纤维重约为璃），盈菝零最为袋熬，丽艇早在年，美国、加拿大、日本、西欧镣国家都已经有了这些方面的标准规范。碳纤维复合材精熬常露结构一簸楚遂路、褥梁、隧遥等交逶系统大鍪绩梅和主本建筑结构耱强热固工程。目前碳纤维复合材料板材在国外已经应用予许多桥梁工程中充当主要受力楗瓣，瑟在溺内它还仅限于月终重要本缝擒联橇粱工程中静於强翔懿耪糕。以下足按照使用碳纤维的结构类艇不同列举一些结构应用的工穰实例。）桥梁方露猩桥梁工程中使用碳纤维复合材料国内外都己缀比较常见，其中日本在这研究方向上成果比较突出，对于材料和结构的设计、工艺制作、装配等方面的技术也较为宪善，不过日本使露碾纤维作为主要受力辛才料之一而建造的掰窝桥、哈瘁桥、米纳米桥等其跨度在之间的示例，丽在拟建的连接欧洲西班牙和非洲大陆第一章绪论摩洛哥的跨直布罗陀海峡大桥时，一个专家方案建议采用的拉索桥主跨最小达，据分析，这一方案的桥梁自重是同样强度钢拉索桥的”。采用材料比用钢材承载能力提高了左右，极限跨度增大到倍以上，并能使桥梁结构性能更为优越，设计更加灵活，所以新型用于斜拉桥的发展趋势迅猛。下表列出了各种材料的拉索能够达到的极限跨度，对于的性能优越性有一定说服力。表斜拉桥极限跨度比较拉索材料极限跨度按照缆索承载能力按照缆索刚度要求按照缆索动力要求钢索碳纤维，珂氧碳纤维，环氧我国由于碳纤维复合材料的研究与应用起步较晚，目前在桥梁工程中采用碳纤维型材较少，多将其用于加固工程中。）固方面为恢复和提高原有结构的承载能力，采用在结构构件受拉侧局部或全侧用环氧树脂粘贴材料的加固方法，具有施工方便、加固费用低（达到同样加固效果时比钢板加固费用低）、不降低结构净空、不增加结构自重等优点，而且加固过程基本不影响结构正常使用，另外纤维材料的加固不会像钢板加固混凝土梁那样，因为锈蚀引起粘结层强度的损失。所以，采用碳纤维进行加圃在国内外都越来越普遍。国外采用粘贴碳纤维板加固桥梁的技术于年月首次用于瑞士依巴赫桥的加固中。该工程十分典型，很好地将碳纤维加固和钢板加固做了鲜明比较。总长米的多跨连续箱梁（其中被损坏的桥跨长米），原计划用的钢板将桥梁承载能力恢复到设计值，后改为板加固，补强使用了块和块的的板，加固材料总重而强度和刚度均比原设计的钢材加固还要高。我国冶金工业部建筑研究所的统计资料“表明，采用材料进行加固修复的结构数量增长很快。其中北京民族文化富大修工程是冲应用于加工修复工程的首次尝试。但是，目前我国碳纤维复合材料的结构应用研究还存在以下问题）标准的完善，包括材料的生产、使用、检验、加固设计、计算原理、工程施工与验收等一系列标准化工作。）加快材料的国产化，目前我国粘贴树脂已经实现了国产化，而碳纤维材料却依赖进，这在很大程度上限制了材料的结构应用。）碳纤维复合材料的结构性能和设计方法需要深入探讨。多年来结构工程界将研究重点放在传统建筑材料和结构形式上，对于新型建材尤其是复合材料的研究偏少。随着我国国民经济的不断增长，采用碳纤维复合材料作为结构的主要受力材料必然是世纪新材料与结构的研究趋势之一。南京工业大学硕士学位论文、芯材芯材是复合材料增强层的支撑主体，它不只是在制各时帮助纤维复合层按照设计要求完成成型过程，并且能够为构件的复合层提供设计所需的截面惯性矩，会直接影响到构件的性能。对于各种采用接触成型工艺制作的复合材料构件，芯材是主要设备和构件组成部分，尤其是对于本课题中选用的手糊成型纤维复合材料构件。构件采用接触工艺成型时，芯材又称为模具，按照组成形式分为阴模、阳模和对模三种，本试验构件将芯材用作纤维增强层的阳模。芯材可选取的材料有木材、玻璃钢、金属、石膏、水泥、陶土、硬质泡沫塑料和各种形式的蜂窝材料，其中最常用的是木材、水泥和玻璃钢，而以玻璃钢用量最大、制造成型的模具质量也是最好的。芯材的选取应满足以下要求（）应能达到制品的尺寸精度、外观质量及使用寿命要求；（）具备相当高的强度和刚度；（）不受树脂侵蚀，不影响树脂固化；（）耐热性能好，制品固化过程中芯材不会变形（）芯材易于加工；（）质量轻。、胶粘剂本课题研究旨在为新型复合材料结构的设计提供参考依据，试件采用的是环氧树脂结构胶，它具有以下几方面的突出优点（）形式多样。各种环氧类的树脂、固化剂、改性剂体系几乎可以适应各种应用对形式提出的要求，其范围可以从极低的粘度到高熔点固体。（）固化方便。选用各种不同的固化剂，环氧树脂体系几乎可以在温度范围内固化。（）粘附力强。环氧树脂分子链中固有的极性羟基和醚键的存在，使其对各种物质具有很高的粘附力。环氧树脂固化时的收缩性低，产生的内应力小，这也有助于提高粘附强度。（）收缩性低。环氧树脂和所用的固化剂的反应是通过直接加成反应或树脂分子中环氧基的开环聚合反应来进行的，没有水或其它挥发性副产物放出。它们和不饱和聚酯树脂、酚醛树脂相比，在固化过程中显示出很低的收缩性（小于）。（）力学性能好。固化后的环氧树脂体系具有优良的力学性能。经过复合后，试验构件外层的碳纤维树脂基复合材料是由两个独立物理相、包含基体材料（树脂）和增强材料所组成的一种固体产物。树脂基复合材料加强层具有如下的特点（）各向异性（短切纤维复合材料等显各向同性）；（）不均质（或结构组织质地的不连续性）；（）呈粘弹性行为；（）纤维（或树脂）体积含量不同，材料的物理性能存在差异；（）影响质量的因素多，材料性能多呈分散性。树脂基复合材料的整体性能并不是其组分材料性能的简单叠加或者平均，这其中涉及到一个复合效应问题。复合效应实质上是原相材料及其所形成的界面相互作用、相互依存、相互补充的结果。它表现为树脂基复合材料的性能在其组分材料基础上的线性和非线性的综合。复合效应有正有负，性能的提高总是人们所期望的，但有些材料在复合之后某些方面的性能可能出现抵消甚至降低的现象。第一章绪论复合效应静淡现形式多谗，大致土司分为两耱类型混台效应蠢蛰溺效应。混合效应也称作平均效成，是组分材料性能取长补短、拭同作用的结果，它是缀分孛芎瓣牲裁选较稳定豹总零反映，瓣爨罄约撬动反霾敏感。镑嚣效巍与潺会效应捐毙，则是普遍存在的凰形式多样，反映的是组分材料的各种原位特饿。所谓原位特性意昧若各棚组分专才料在复会材料中表现出来的性熊并不只楚其个性，个性不能表缎其复合后的材料性能。熨舍工艺及其特点复合成型工慧过程使得碳纤维环氧树芯材三者复合成的构件其有了结构构件的特性。树脂基复合材料的成型工艺灵活，其结构性能具有很强的可设计性。树鹭基复含奉孝籽可溜模其一次或鍪法来潮遮各种鞫佟，麸褥减少了零部孛瓣数量教接头等紧固件，并可节省原材料和时；熙为突出的是树脂基复合材料可以通过纤维耱类鞍不溺鑫瓣设计，憝潜在豹性畿集中熨必要懿方自主，搜增强毒孝糕更凳蠢效地发挥作用。通过调节复合材料备组分的成分、结构及排列方式，既可使构件在不麓方囊承受不羁鼹终雳力，透可以刳残燕有嚣瞧、钢蛙纛塑蛙等矛垂性能豹提襄基复合材料和多功能制品，这些是传统材料所不具备的优点。与其它材料加工工蕊相比，复合撼料成溅工艺其有如下特点”；（）材料带造与制品成型同时完成。一般情况下，复念材料的生产过程，也就是制品的成型过程。材料的性能必须根据制品的使用要求谶行设计，因此谯选择材料、设计配眈、确定纤维铺艨和成登方法时，帮登须满足截赫的褥能性能、结构形状耱外观质最要求等。（）铡菇成型院较麓餐。一般热器洼复合穗辩鹣耱籍蕊律，袋墼蓠是漉动滚体，增强材料是柔软纤维或织物，因此，用避些材料生产复含材料制品，所需工序及设冬要魄冀宅耪辩楚葶豹多，瓣予蘩些潮晶傻嚣一褰摸吴便能生产。树月簿基复合材料的工艺直接关系到材料的质爨，是艇合效应、“复合思想”能否髂理出来的关键。疆搴糕溪量豹控刳、趱强物虞粒表嚣魅理积铺设粒均匀牲、成型的温度和压力、厝处理及模具设计的合理性都影响最终产品的性能。在成型过程中，存在着一系列物瑗、化学和力学的闯题，需要综合考虑。固让时在基体内部和界面上都可能产生空隙、裂纹、缺胶鹾和富胶区；熟斑力可使基体产生或多域少的微裂纹，在许多工艺环节中也郜可造成纤维和纤维柬的弯曲、扭曲和折断；有些体系若工艺条件选择不潞可使基体与增强裙辩之间发生不受的纯学反禽；在圈纯后兹鞠工过程中，还可进步引起新的纤维断裂、界面脱粘和基体开裂等损伤。如何防止和藏少缺陷和壤傻，傈涯纾维、鏊律和赛露发挥正常秘功貔楚一今嚣常重鼗豹闺蹶。本课题研究选用的是传统手糊成溅工艺，有关工艺的选择和制备过程在第二章中将佟详绥攒逑。本义研究作、研究目标南京工业大学硕士学位论文瓣五静臻梅寄律设计模式。淄，。、桃。轻凄徽裳鬈瓣糕蓄爿意层罴基鞴糕翟筒埘市蔺薯西层。团可见）为普通钢筋砼结心羽构件形式，它充分利用了”“艇台材科屡争第二章碳纤维复合材料构件的制备和工艺第章碳纤维复合材料试件的制备帮工艺。弓言复念材料络掏构件设计和制作与一般结构肖显著区别。复合材料构件的材料、结构和工艺的设计制佟过程是同时完成的，在笈合材料构侔设计中应该首先明确设计条件，充分考虑到这种材料的复合特性、结构使用要求、应用环境等多方面静因素。瑗纾维祷鹭綦复合毒手瓣梅彳宰静往能主溪与增强枋秘、卷材、褥目蓦基俸有关，还爰受到试件形式、成型工艺、制作过程游因素的影响。复合材料本身具有离教毪大熬跨瞧，为了傻试睾浚能暴露悲达嚣设计强栎，爨矮羧据试佟要求选择合适的复合基材和成型工艺并鼠严格设计和控制制作邋程。结合课题煞礤究曩檬，本文；重试孛戆铡备过程与威黧艺擞了详缨豹分辑，零章针对这个方丽的研究结果，主要介绍了试验构件的设计特点、基材性能和工艺铡撵过程，并且澍于构传铡备过程孛出现的一系列闻题予以总结分辑。碳纤维复合材料构件的特点试件为一种特殊的碳纤维飘合材料构件，艇有以下特点（）材料设计、结撼设计积工艺设计要同对避萼亍农进行试验构件熬设计巾，除了考虑增强材料、基体材料、芯材的选择外，还根据构件的受力特点进行了铺层方案的设计，并且同时考虑了工艺方案对构件的影响。（）结构特性的可设计性纤维树膳基复念材料的强度和剐度依赖于所选盼增强材料类型、纤维的铺设方向、纤维的含照、树脂基体特性以及旗材性能。禳据受力特熹霹按纤维铺设方两分为稳备囱同性材辩、正交各矮异萑橱掌季秘爻在一个方向有高强度和刚度的单向性材料。试件属于正交各项异性材料。（）耪震懿备窝吴襁复会耪耩麓擎淘瑟会结梅漆纾维方淘院垂纛子终维方向的强度和刚魔要大很多倍，常常在受力过程中出现这样的破坏模式承担主要祷载豹终维方翔上没毒受骏嚣，爱瑟东其它方囱低压力下发生了酸蓼，这是魏搏设计中需要注意的。另外，材质的各项异性还表现在构件复合层所受三应力会号起剪应变、剪成力又会墨起线废交；弯距会弓起扭转交彤，扭转也可熊引起弯越变形。因此，这样的交叉效果绘复合材料构件前测试带来了一宛的不确定性。（）材料的不均匀性复合材料在宏观和微观上都楚不均匀的，这种不均匀性倦来复合垂手料朦合结构构件的耦合效应，即在小变形的情况下，西内的内力会母致弯曲变形，弯曲内力会引起耐内变形，从而构件的破坏形式复杂多样。（）较低的藤闯往戆金属静骛韬强度约为箕拉律强凄豹胬，露禳纤维餐含材料构件的层问剪切强度和层问拉伸强度最高只能达到基体树脂的剪切强度和拉纬强度，闲两试验秘佟豹撼嚣蒸俸遥耱十分重簧，实瓣椽孛孛毖矮对筏终这方嚣的薄弱部位进行相应的加强。本课题研究中对构件的环向加箍性能加强程度的分南京工业欠擘硕士学位论文耩藏跫钎嗣这一点掰份熬骚究。（）线弹性性能纤维增强树腊即复合材料的应力应变曲线直譬构件现芷坏是都爨燕线毪关系，羹窭耋缀小，不露金瘸材料具有翻撼兹塑。楚淫鼹黪羧。杰复合材料构件受力时高应力会导致纤维断裂，进而引发邻避区域纤维的断裂，很快结构破坏。（）材种眺能的分敝台材料性能的分散，很大程度上赴旧性能的离激性带来的，同类而水同批次勺构件性能差异都有可能很大，所以进成构件测试结莱的离散度必然较大。复合基材鳇力学性能基于上述特点，本课题在选材上尽可能根据构件的试验要求和承载方式选择合遥豹复合基毒孝。构件靛三耱基提分爱栗弱南京玻璃纤维疆究设计貌提袋懿型单向碳纤维稚、杉木和北京东洋机械建筑工程公司生产的筑力牌。型纤维缀配铡缨秘黢。、增姒材料由穗京玻璃纾维研究设计院提供的型单向碳纤维布是卷长，幅宽的碳纤维片材，如图一所示。它由日本产、碳纤维及特种复合纤维青西二而成，其有轻质、高强、优良的耐久性及耐腐蚀性、张力均匀、不疆曲交形、施工馁捷等後点，南京玻璃纤维研究设计院第四研究所加固工程部已经采罢孽篙鏊等耋篓翥算鬈磊凳鬟雾嚣詈嚣纛凳雳务。根据南京玻璃纤维研究设计院第四研究所图。“”。型单向碳纤维布熬测试缮暴，受单囱碳纾维蠢豹擎层蓼凌、弹燃摸量、辑裂孛长率等基本性能指标如下表一所示表材料名称碳纾维布型号碳纤维拷材基本性能指探弹性模量抗拉强度断裂伸长率，单愆厚度、芯树根捌构件的没计思路，构仆外部纤维复合屡将承拟主要的弯曲荷裁内部芯毒手起矧支撵戚登和撵稳俘楚够酶後性怒静譬臻，辨戳褥伟器材鞠焱凌妥求不高。但是芯材质量几乎完全决定了构件的总质麓大小，为了达到构件的轻质高强，秘律静芯毒辛应瀵足轻凌要求。试孛采矮经过予澡处理懿衫东謇隽芯秘，其优点在于产量黼、价格适中、密度较小而抗弯强度、顺纹抗剪强度、横纹抗拉压强度均秘鼹较糍，共量本稼本爨是一秘鬻躅黪建筑结构材料。测试数据表骥，经过于煤处理后的芯材强度指标如下表。第二章磺纤维复合材料构件的备和工艺表蕊薅翡绩鞠程裁疆嚣（）树抗弯强魔顺纹抗压顺纹抗拙横纹抗压强度种强震五强度羹弹性模摄霆金表面局部液面杉木。、树月旨基体试验构件选月的树月嚣基体为型环氧树脂结构驳，其优点在于粘络力疆、固化温度范围广、固化后力学性能高、稳定度好、收缩健较低、化学稳疵、成本较低。擞型结构胶由环氧树脂粘结剡与固化剂两部分按照的比例配置丽成，根糖试率静实际工芑稍彳笮发现配莺赢树旨蒸俸凝胶时闻约凳，、辩黻内，当配置胶体出现急剧发热、胶体颜色变化、流动性降低、粘度加大等现象时，配胶佟接近凝羧楚理，垂乏辩胶体不可焉予穆稃瓣番佟。试件的设计与制作工艺复合材料的工艺崴接关系到构件的性能，也是复念材料能番实现复合效戚的关键。瓣耪料矮量夔控裁、增强耪料豹工艺剪裁彝镳设方式、成型温瘦与压力、芯材的加工等都直接影响最终制品的性能。在成型过程中，存在着一系列的物理、姥学彝力学豹翊题需要综合考虑，铡勉固让辩濡要考虑基体内部是否会密于霹让温度和环境条件的影响而产生窳隙、裂纹、缺胶区或富胶区等等。本文研究的构件为连续纤维增强复合材料结构形式，最简便实用的成型工艺为手猢成型工兹。碳纤维复合率芎科椅牛的手糊制作过程分为鏊榜的准备和工藏制作两个阶段，其中基材的准备包括芯材的加工、增强材料的准备和树脂胶液的配嚣三方瑟工终；工艺麓作包含璐逮帮王筵准备、镛层糍懿、露纯成型淤及螽怒蓬四个阶段。后处理过程通常是进行构件的脱模和修整工作，对于本课题中试验构孛不蒸螫递嚣嚣整理擦终。试件设计参数、设诗疆列复台材料构件的设计应该遵循铺层设计原则、材料设计原则和工艺设计原则。上文已经介绍构件的树料选择，丽工艺上试验构牛依据的是手糊工葱制作鹳基本原则完成，本节主要说明试验构件在铺层设计上依据的设计原则（）均衡对称铺设服则构件按照受力特点对称设计芯材芹廿铺设纤维，尽爨避免因构件复合滕厚度、强度和嗣度的麓并造成箍一剪、拉一弯藕合变形。（）铺层定向原则依据纯弯构件受力方向，构件设计时确定纵横两个铺屡方囱（郢本矮芯耱豹颓绞方向与羹崖本奉季纾维方囱），不遴行其它受度方良主豹终维（）纤维镳漂耱台内力终援方囱豹漾巍覆稳终的芯枣孝取囱彝纾缨镳设上均铺设。按照构件的受力方向进行设计。南京工业大学硕士学位论文（）铺墨颥痔覆爨尽量避免淘秘奄；设方囱上绎维豹连续键设，露跫将鑫方囊铺层交叉铺设。不同铺层方向间的结合有利于避免层问分离。并且，为了尽娥避受主受力方囊上镶层纾维豹裂瘸破坯，襁终采取先缀露压强巍的镳层顺序。、试验构件的设计参数铮对课题研究目的，试验麴饽设计中纤维镶设参数包括纵向纤维层数、环向箍条宽度、环向箍条间距、构件顶部与底部怒否增加加强纤维、纤维层与芯树之闽是否糙结。抗弯试骏共设计了组碳纤维复合材料构件，掰有构件的纤维铺设参数如袭所示表碳纤维复合材料构十纤维铺设参数列表参数翁号纤维铺设参数全底接顶弯剪段丽囊根数纯弯段环向加箍薤宽（）注环向包裹时搭接长疫，包裹糇序为纵向对接一底层顶浸糕站纾维带一环向搭接。每组四毽最阀基（）根试牛均接角标、者为芯材与加强层有粘结形式，角标、为无秸结分离形式。，本材翊量。，单向碳纤维布用鬟工艺准备、芯材的加工构件芯率孝选用的原料为衫本鳘末孝，蒜材的礁备工佟分为矫形楚理积木奉手干澡嚣方面。占材原材料共加工准备了根杉木型材，根据材质情况选用根作为试验稳髂酶芯榜，棂襻为瘵本撬弯强度溺试稳佟，各穗耪掇。芯耱瓣热工测试由南京林业大学木材工业学院宠成。芯孝芎熬多形莱鼹簸影裁瑟，截嚣尺寸籁搀传豹长度参鼹钢簸渥凝擒搏设诗毙例进行设计，构件尺寸为。由予碳纾终毒具有定豹硬度，嚣鼠抗剪瑕度低，所以在构孛豹外彤上要求芯材无棱角且表黼比较光滑，以使得碳纤维布无论环向还是纵向包裹时能够与芯材紧密续含丽不会造成威力集中域在来承载之前发生局部纤维联裂。如果构件纵向四面上存在棱角，那么在碳纤维铺设时容易攒环碳纤维布而鼠纤维无法与芯材紧密接触，构件受力时遥会造成局部应力集中；如果木材表面不平整，那么手糊工艺翻皋过程中一星胶辆翔来瞽浚渗妥芯丰葶表谣掰有鹜髓部位，芯李孝与骧纤维笺台层之间就会留有大量气泡，在构件成烈后这些气泡存在部位成为空洞，在受力时这些懿位必然皴为薄弱点，同襻容暴遮藏搀终瓣弱部酸耀。淤狳棱受瓣接藏冀倒角处理，即对每一根长方体芯材的四面沿纵向企长作半径的圆弧形倒角；为第二章碳纤维复合材料构件的制备和工艺保证构件表露族量，我稻预先将芯耱袭嚣进行了剜竞器涛涪鲶理。受终，芯率芎表面的平整光滑还十分有利于节约用胶量。零文遂季亍耪糖试验翔擒争魏弯蛙戆试验郝是在冬肇完戏，蘧瓣室湛褊低，过低的环境温度不利于碳纤维复合材料构件的成型，因而我们采用加热恒温固化方寰。本材与碳纾维环畿撼骀复会层豹手缩系数蓑别很大，翔卷芯辛才含水率高则会对构件造成如下两种可能的影响（）在加热围化时芯材受热鹣曲、变形很大，外部纤缎复合层在未固化完全的情况下硬度还较低，从丽固化过程中随芯材共阍变形，造成成型构件初始变形大；（）碳纤维层与芯材蔺仡变形麓异，造成碳纤维复合层剥离。为了避免发生上述情况，我们预先对芯材进行了干燥处理，降低其含永量，瀚霹芯摩手的厦爨也会隧之减，、。芯材的干燥在南京林业大学木材工业学院手燥试骢室完成，干燥设备为电热鼓风予煤试验簇，本謇孝溃头采耀玻璃获颈先涂练，这群霹疆耱盘苍毒葶手澡过稳孛端头开裂，在胶层固化后将芯树垂直予鼓风方向放入试验箱。初始定程温度，然螽逐步秀渥至，舞温过程，、鞋，在毽滋密状态下干燥，垣渥予燥过程为小时左右。根据干燥前后对术材的黧量钡试发现干燥过程使得芯材熏量减轻左右，含水量减少约。、增强材料的准备碳纾维布的准备指的是对纤维布的合理裁剪。单向碳纤维猫是一种十分典型的各项舜性丰毒科，在准备每一块包裹丰季料时应该尤其淀意裁剪的方向，级向裁剪时尽可能保证纤维束完整，避免将纤维丝剪断；裁剪完毕的纤维布应潞善放鼍，傈持平整，避凳薤曲交影。裁翳过程辛主要注意良下冗点（）裁夺懿方囱镶遵循设计疆求，对于构件环向和纵向用材应该尤其注意隧分裁布方向；（）布层的拼接上缀隆采孺瓣接方式，舔岛袋震搭接方式；（）森块按爨足砖大枣套截裁剪，有利于节约用材；（）裁剪时尽鼠剪断纤维束纬线而不破坏纤维。、秘舞胶滚豹鬻割试件使用的型结构胶由组胶粘剂与组固化剂配审而成，配合比。配胶过程；雯意到了下述三方西问题（）由于胶体擞胶肘阈有限，怒胶量不可过大，试验中发现室温时大约小时左右胶粘剂凝胶现象孵显，每次配制爨应保证在树脂凝胶前用究，一旦凝胶应该不再用于构件制作；（）配胶过程环境激发不可过低或过商，控截蜜验室溢度约为馕，过离潍度凝羧速度茯，难良羧潮胶液质艇，温度过低则胶体调和困难并且稠度犬、手糊困难；（）配胶调和时成采瑟搅拌棒肉一个方蠢匀速揽动，耱壹胶渡中懑入大量气泡；（）配获饺麓完挚疯瑟配胶工县采用丙酮进行及时清洗，防止残留胶体影响其再次使用。、场缝及工其瀚壤餐手糊成型工作场地要求清洁、干燥、通风良好，察温保持在为窳。手翱豹工其对予僳证产晶质量墩是缀重黉豹，按照工艺要求准备如下辘料和工其压辊、塑料薄膜、透明胶带、架盘天平、烧杯、刮板、直尺、卷尺、裁剪刀、毛南京工业大学硕士学位论文蠲、秀虢、鼓菇税、取暖器等，其中大郏劳壶鸯家玻璃绎缍臻袋浚诗臻撵袋。手糊制作场地设在玻纤院工艺实验室，固化场地为玻纤院医疗器械固化烘干实验塞。学糊工麓制作分为纛黧嚣鬻嚣一圃一圜一园嚣黼悯翮分为灞法和千法两类，试件选用其准备袋壅篓圄一理尉一成品的是湿法铺层中的结构层糊制幽登臻塑一方法。、铺屡糊制镶簇糨潮步骤翔下（）褥蕊耪嚣璇垫霆，平敖在王菸台上，先溺蓖瓣在芯孝葶表面完企而均匀的刷胶打底；（）将裁翦好的碳纤维布按照构件设计所要求的铺