《复合材料教学课件》5聚合物基复合材料.ppt

一 聚合物基复合材料的分类二 聚合物基复合材料的性能三 聚合物基复合材料的制备工艺四 复合材料成型固化工艺五 PMC的界面六 纤维增强聚合物复合材料的力学性能七 铺层设计八 结构设计 第八章聚合物基复合材料 一 聚合物复合材料的分类 纤维增强 FRC 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 1 高比强 高比模量 二 聚合物复合材料的性能 表8 1聚合物复合材料与几种金属材料的力学性能比较 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 1 预浸料 预混料制备预浸料是指定向排列的连续纤维 单向 织物 浸渍树脂后所形成的厚度均匀的薄片状半成品 预混料是指不连续纤维浸渍树脂或与树脂混合后所形成的较厚的片 SMC GMT 团状 BMC 或粒状半成品以及注射模塑料 IMC 三 聚合物复合材料的制备工艺 1 1热固性预浸料 湿法 溶液浸渍法 干法 热熔预浸法轮鼓缠绕法 图8 1浸渍法制备预浸料示意图 1 2热塑性预浸料 按树脂状态不同 分为预浸渍技术和后浸渍技术两大类 预浸渍技术 溶液浸渍 熔融浸渍 特点是预浸料中树脂完全浸渍纤维 后浸渍技术 预浸料中树脂以粉末 纤维或包层等形式存在 对纤维的完全浸渍要在复合材料成型过程中完成 1 3预混料制造 1 SMC和BMC制造 这是一类可直接进行模压成型而不需要事先进行固化 干燥等其它工序的纤维增强热固性模塑料 其组成包括短切玻璃纤维 树脂 引发剂 固化剂或催化剂 填料等 SMC一般使用专用SMC机组制造 BMC常用捏合法制造 2 GMT和IMC制造 GMT是一种类似于热固性SMC的复合材料半成品 所采用的增强剂是无碱玻璃 无纺毡或连续纤维 制造工艺有熔融浸渍法和悬浮浸渍法 IMC一般使用双螺杆挤出机制造 由切割机切断 长度一般为3 6mm 1 聚合物基复合材料的成型工艺 聚合物基复合材料的性能在纤维与树脂体系确定后 主要决定于成型工艺 成型工艺主要包括以下两个方面 一是成型 即将预浸料按产品的要求 铺置成一定的形状 一般就是产品的形状 二是固化 即把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 并能达到预期的性能要求 生产中采用的成型工艺 1 手糊成型 2 注射成型 3 真空袋压法成型 4 挤出成型 5 压力袋成型 6 纤维缠绕成型 7 树脂注射和树脂传递成型 8 真空辅助树脂注射成型 9 连续板材成型 10 拉挤成型 11 离心浇铸成型 12 层压或卷制成型 13 夹层结构成型 14 模压成型 15 热塑性片状模塑料热冲压成型 16 喷射成型 1 手糊成型工艺手糊成型工艺是复合材料最早的一种成型方法 也是一种最简单的方法 其具体工艺过程如下 首先 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 其工艺流程如下图所示 模具准备 涂脱模剂 手糊成型 树脂胶液配制 增强材料准备 固化 脱模 后处理 检验 制品 手糊成型工艺流程图 为了得到良好的脱模效果和理想的制品 同时使用几种脱模剂 可以发挥多种脱模剂的综合性能 手糊成型工艺优点 不受产品尺寸和形状限制 适宜尺寸大 批量小 形状复杂产品的生产 设备简单 投资少 设备折旧费低 工艺简单 易于满足产品设计要求 可以在产品不同部位任意增补增强材料 制品树脂含量较高 耐腐蚀性好 手糊成型工艺缺点 生产效率低 劳动强度大 劳动卫生条件差 产品质量不易控制 性能稳定性不高 产品力学性能较低 图8 2手糊成型工艺示意图 2 模压成型工艺模压成型工艺是一种古老的技术 早在20世纪初就出现了酚醛塑料模压成型 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 模压成型工艺过程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 金属对模准备 涂脱模剂 膜压成型 模塑料 颗粒树脂 短纤维 固化 脱模 后处理 检验 制品 加热 加压 加热 冷却 膜压成型工艺流程图 图8 7模压成型工艺原理 模压成型工艺优点模压成型工艺有较高的生产效率 制品尺寸准确 表面光洁 多数结构复杂的制品可一次成型 无需二次加工 制品外观及尺寸的重复性好 容易实现机械化和自动化等 模压成型工艺缺点模具设计制造复杂 压机及模具投资高 制品尺寸受设备限制 一般只适合制造批量大的中 小型制品 模压成型工艺已成为复合材料的重要成型方法 在各种成型工艺中所占比例仅次于手糊 喷射和连续成型 居第三位 近年来随着专业化 自动化和生产效率的提高 制品成本不断降低 使用范围越来越广泛 模压制品主要用作结构件 连接件 防护件和电气绝缘等 广泛应用于工业 农业 交通运输 电气 化工 建筑 机械等领域 由于模压制品质量可靠 在兵器 飞机 导弹 卫星上也都得到应用 3 层压成型工艺层压成型工艺 是把一定层数的浸胶布 纸 叠在一起 送入多层液压机 在一定的温度和压力下压制成板材的工艺 层压成型工艺属于干法压力成型范畴 是复合材料的一种主要成型工艺 层压成型工艺生产的制品包括各种绝缘材料板 人造木板 塑料贴面板 覆铜箔层压板等 复合材料层压板的生产工艺流程如下 层压板的生产工艺流程 增强材料 热固性树脂 浸胶 胶布 裁剪叠合 热压 脱模 切边 产品 层压成型工艺的优点是制品表面光洁 质量较好且稳定以及生产效率较高 层压成型工艺的缺点是只能生产板材 且产品的尺寸大小受设备的限制 风车叶片 4 喷射成型工艺将分别混有促进剂和引发剂的不饱和聚酯树脂从喷枪两侧 或在喷枪内混合 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 当不饱和聚酯树脂与玻璃纤维无捻粗纱混合沉积到一定厚度时 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 其具体工艺流程图如下 玻璃纤维无捻粗纱 聚酯树脂 加热 引发剂 促进剂 静态混合 切割喷枪 模具 喷射成型 辊压 固化 脱模 喷射成型工艺流程图 图8 10喷射成型原理图 喷射成型对所用原材料有一定要求 例如树脂体系的粘度应适中 容易喷射雾化 脱除气泡和浸润纤维以及不带静电等 最常用的树脂是在室温或稍高温度下即可固化的不饱和聚酯等 喷射法使用的模具与手糊法类似 而生产效率可提高数倍 劳动强度降低 能够制作大尺寸制品 用喷射成型方法虽然可以制成复杂形状的制品 但其厚度和纤维含量都较难精确控制 树脂含量一般在60 以上 孔隙率较高 制品强度较低 施工现场污染和浪费较大 利用喷射法可以制作大蓬车车身 船体 广告模型 舞台道具 贮藏箱 建筑构件 机器外罩 容器 安全帽等 5 连续缠绕成型工艺 将浸过树脂胶液的连续纤维或布带 按照一定规律缠绕到芯模上 然后固化脱模成为增强塑料制品的工艺过程 称为缠绕工艺 缠绕工艺流程图如下图所示 缠绕工艺流程图 纱团 胶液配制 浸胶 烘干 络纱 胶纱纱绽 张力控制 纵 环向缠绕 芯模 纵 环向缠绕 张力控制 加热粘流 固化 脱模 打模喷漆 成品 湿法缠绕成型工艺 干法缠绕成型工艺 8 5湿法缠绕的工艺原理图图8 6缠绕线成型图 利用连续纤维缠绕技术制作复合材料制品时 有两种不同的方式可供选择 一是将纤维或带状织物浸树脂后 再缠绕在芯模上 二是先将纤维或带状织物缠好后 再浸渍树脂 目前普遍采用前者 缠绕机类似一部机床 纤维通过树脂槽后 用轧辊除去纤维中多余的树脂 为改善工艺性能和避免损伤纤维 可预先在纤维表面徐覆一层半固化的基体树脂 或者直接使用预浸料 纤维缠绕方式和角度可以通过机械传动或计算机控制 缠绕达到要求厚度后 根据所选用的树脂类型 在室温或加热箱内固化 脱模便得到复合材料制品 利用纤维缠绕工艺制造压力容器时 一般要求纤维具有较高的强度和模量 容易被树脂浸润 纤维纱的张力均匀以及缠绕时不起毛 不断头等 另外 在缠绕的时候 所使用的芯模应有足够的强度和刚度 能够承受成型加工过程中各种载荷 缠绕张力 固化时的热应力 自重等 满足制品形状尺寸和精度要求以及容易与固化制品分离等 常用的芯模材料有石膏 石蜡 金属或合金 塑料等 也可用水溶性高分材料 如以聚烯醇作粘结剂制成芯模 连续纤维缠绕技术的优点首先 纤维按预定要求排列的规整度和精度高 通过改变纤维排布方式 数量 可以实现等强度设计 因此 能在较大程度上发挥增强纤维抗张性能优异的特点 其次 用连续纤维缠绕技术所制得的成品 结构合理 比强度和比模量高 质量比较稳定和生产效率较高等 连续纤维缠绕技术的缺点设备投资费用大 只有大批量生产时才可能降低成本 连续纤维缠绕法适于制作承受一定内压的中空型容器 如固体火箭发动机壳体 导弹放热层和发射筒 压力容器 大型贮罐 各种管材等 近年来发展起来的异型缠绕技术 可以实现复杂横截面形状的回转体或断面呈矩形 方形以及不规则形状容器的成型 6 拉挤成型工艺拉挤成型工艺中 首先将浸渍过树脂胶液的连续纤维束或带状织物在牵引装置作用下通过成型模而定型 其次 在模中或固化炉中固化 制成具有特定横截面形状和长度不受限制的复合材料 如管材 棒材 槽型材 工字型材 方型材等 一般情况下 只将预制品在成型模中加热到预固化的程度 最后固化是在加热箱中完成的 卧式拉挤成型过程原理图 制品 切割 纤维 树脂槽 挤胶器 预成型 拉拢 热模 拉挤成型过程中 要求增强纤维的强度高 集束性好 不发生悬垂和容易被树脂胶液浸润 常用的增强纤维如玻璃纤维 芳香族聚酰胺纤维 碳纤维以及金属纤维等 用作基体材料的树脂以热固性树脂为主 要求树脂的粘度低和适用期长等 大量使用的基体材料有不饱和聚酯树脂和环氧树脂等 另外 以耐热性较好 熔体粘度较低的热塑性树脂为基体的拉挤成型工艺也取得了很大进展 其拉挤成型的关键在于增强材料的浸渍 在拉挤成型工艺中 目前常用的方法如热熔涂覆法和混编法 热熔涂覆法是使增强材料通过熔融树脂 浸渍树脂后在成型模中冷却定型 混编法中 首先按一定比例将热塑性聚合物纤维与增强材料混编织成带状 空芯状等几何形状的织物 然后 利用具有一定几何形状的织物通过热模时基体纤维熔化并浸渍增强材料 冷却定型后成为产品 拉挤成型的优点 生产效率高 易于实现自动化 制品中增强材料的含量一般为40 80 能够充分发挥增强材料的作用 制品性能稳定可靠 不需要或仅需要进行少量加工 生产过程中树脂损耗少 制品的纵向和横向强度可任意调整 以适应不同制品的使用要求 其长度可根据需要定长切割 拉挤制品的主要应用领域 1 耐腐蚀领域 主要用于上 下水装置 工业废水处理设备 化工挡板及化工 石油 造纸和冶金等工厂内的栏杆 楼梯 平台扶手等 2 电工领域 主要用于高压电缆保护管 电缆架 绝缘梯 绝缘杆 灯柱 变压器和电机的零部件等 3 建筑领域 主要用于门窗结构用型材 桁架 桥梁 栏杆 支架 天花板吊架等 4 运输领域 主要用于卡车构架 冷藏车箱 汽车笼板 刹车片 行李架 保险杆 船舶甲板 电气火车轨道护板等 5 运动娱乐领域 主要用于钓鱼杆 弓箭杆 滑雪板 撑杆跳杆 曲辊球辊 活动游泳池底板等 6 能源开发领域 主要用于太阳能收集器 支架和抽油杆等 7 航空航天领域 如宇宙飞船天线绝缘管 飞船用电机零部件等 目前 随着科学和技术的不断发展 正向着提高生产速度 热塑性和热固性树脂同时使用的复合结构材料和方向发展 生产大型制品 改进产品外观质量和提高产品的横向强度都将是拉挤成型工艺今后的发展方向 7 注射成型工艺注射成型是树脂基复合材料生产中的一种重要成型方法 它适用于热塑性和热固性复合材料 但以热塑性复合材料应用最广 图8 9注射成型原理图 注射成型工艺原理注射成型是根据金属压铸原理发展起来的一种成型方法 该方法是将颗粒状树脂 短纤维送入注射腔内 加热熔化 混合均匀 并以一定的挤出压力 注射到温度较低的密闭模具中 经过冷却定型后 开模便得到复合材料制品 注射成型工艺过程包括加料 熔化 混合 注射 冷却硬化和脱模等步骤 加工热固性树脂时 一般是将温度较低的树脂体系 防止物料在进入模具之前发生固化 与短纤维混合均匀后注射到模具 然后再加热模具使其固化成型 在加工过程中 由于熔体混合物的流动会使纤维在树脂基体中的分布有一定的各向异性 如果制品形状比较复杂 则容易出现局部纤维分布不均匀或大量树脂富集区 影响材料的性能 因此 注射成型工艺要求树脂与短纤维的混合均匀 混合体系有良好的流动性 而纤维含量不宜过高 一般在30 40 左右 注射成型法所得制品的精度高 生产周期短 效率较高 容易实现自动控制 除氟树脂外 几乎所有的热塑性树脂都可以采用这种方法成型 按物料在注射腔中熔化方式分类 常用的注射机有按塞式和螺杆式两种 由于按塞式注射机塑化能力较低 塑化均匀性差 注射压力损耗大及注射速度较慢等 已很少生产 现在普遍使用的是往复螺杆式注射机 8 袋压成型袋压成型是最早最广泛用于预浸料成型的工艺之一 将铺层铺放在模具中 依次铺上脱膜布 吸胶层 隔离膜 袋膜等 在热压下固化 经过所需的固化周期后 材料形具有一定结构形状的构件 图8 3 图8 3袋压成型原理图 袋压成型可分为真空袋成型 压力袋成型及热压成型 铺放与装袋是生产高质量构件的关键步骤 真空袋是袋装成型中最重要的材料之一 它帮助排除蒸汽 包埋的空气或其它挥发物 促进所期望的树脂流动 最普通的材料是尼龙膜 9 热压罐成型热压罐成型的基本工艺是 铺层被装袋并抽真空以排除包埋的空气或其它挥发物 在真空条件下在热压罐中加热 加压固化 图8 4 固化压力通常在0 35 0 7MPa 热压罐成型具有构件尺寸稳定 准确 性能优异等优点 可制造各种形状及尺寸的构件 图8 4热压罐装置剖面图 1 橡皮囊 2 成型套 3 模具 4 毛坯 5 弓形夹 6 热压罐 7 底板 10 树脂传递成型 ResinTransferMolding 先将增强剂置于模具中形成一定形状 再将树脂注射进入模具 浸渍并固化的一种复合材料生产工艺 是FRP的主要成型工艺之一 其最大特点是污染小 为闭模操作系统 另外在制品可设计性 可方向性增强 制品综合性能方面优于SMC BMC 图8 11树脂传递成型示意图 四 复合材料成型固化工艺 热固性树脂基复合材料的成型固化工艺是指将预浸料按零件要求铺层后 在一定的工艺参数下使形状固定下来 并赋予它设计所需要的性能 工艺过程有以下几方面的研究内容 即 原材料的工艺性 固化工艺过程的原理 固化工艺参数的选择 固化工艺方法与装备 工艺质量控制与检验以及辅助材料等 1 工艺性工艺性是指复合材料的各组分在一定的工艺过程中转化为制品的难易程度 制品的质量达到的难易程度 不同的材料具有不同的工艺性 必须根据材料的工艺性来选择相适应的工艺方法 反之 任何制品的成型固化工艺方法主要依据材料的工艺性 另外 根据制品的设计要求 研究适应现行工艺方法的新材料 或者研究新材料新工艺方法来满足制品结构的需要 通过材料工艺性的研究 促进材料和工艺技术的进步 每种具体的材料都有它自身的工艺性 对树脂而言其工艺性包括 树脂对纤维的浸润性 粘附性 流动性 固化温度 树脂的适用期 收缩率等 对纤维来说有 铺覆性 预浸料的制作性能以及预浸料的树脂含量 贮存期等 对工艺性的好坏还有一些外在的评定标准 除材料转化为制品的难易程度外 还有所制造制品的质量与所能达到的工艺条件所表现出来的工艺稳定性 性能指标的波动性 再就是经济效益和社会效益 2 复合材料固化工艺过程复合材料所用的树脂基体主要有两种组分 即树脂和固化剂 复合材料固化工艺参数一般是指温度 压力 时间及其三者的相互关系 温度包括升温速度 固化温度及保温时间 压力包括加压时机 压力大小和保压时间 复合材料的固化过程是树脂基体的物理和化学变化过程 也是纤维和树脂基体形成界面的过程 作为固化过程的工艺参数是根据内在质量与能量的变化规律所决定的 固化工艺参数的研究是找出得到复合材料最佳性能所需要的温度 压力 时间及其相互变化的制约关系 对固化过程的控制 关键是加温速率与温度的控制 应使整个制件在具体规定的时间内温度达到要求而且温度分布均匀 并在树脂粘度最合理的时机加压 以便使构件树脂含量合理 分布均匀 空隙含量最低 热固性树脂的典型固化过程可以有三个不很明显的阶段 第一阶段是树脂基体中树脂分子与固化剂分子相聚合形成可交联 或聚合 的活化中间体 这个阶段对多数树脂基体体系是处于熔融可流动状态 第二阶段是开始引发交联 或聚合 随着分子的加大或交联点的增多 进入第三阶段 即三维网状结构状态 这个阶段一般是不溶不熔状态 只可能有一点补充交联 热固性树脂复合材料的固化过程是一个不可逆的动态过程 在固化过程中 对于一个具体的树脂基体来说 大部分交联反应是在最高温度下进行的 这个温度称为固化温度 树脂基体交联将发生收缩 引起变形而产生残余应力 但此时的树脂基体仍有足够的粘度而允许残余应力完全释放掉 因此固化温度也称为应力释放温度 复合材料的固化初期在纤维周围存在一个富树脂层 经过升温 在一个加压点加压后 富树脂层开始流动 以渗透方式通过纤维间隙流入吸胶层 多余树脂流动后 纤维周围形成有一定树脂含量的复合材料 因此 由第二阶段向第三阶段的过渡是固化过程的关键时机 工艺过程中的加压时机也是在这个阶段 加压时机是指复合材料固化过程中加压的正确时间 加压的最佳时间是树脂达到凝胶点 指树脂基体有一定粘度 树脂基体的体积或宏观粘度对时间曲线的斜率突然增加的那一点 的时刻 在此时加压可使树脂基体产生流动 使树脂基体均匀分布 多余的树脂流出 并迫使树脂中的带入或反应形成的低分子挥发物形成的气泡压出 使制品内部无空隙 加压的时间如果在凝胶点前实施 树脂将流失过多 造成复合材料制品贫胶 如加压在凝胶点之后进行 树脂已开始硬化 则将造成复合材料制品树脂含量多 不均匀 以及有过多的空隙等 五 PMC的界面1 PMC的界面特点 1 大多数界面为物理粘结 结合强度较低 结合力主要来自如色散力 偶极力 氢键等物理粘结力 偶联剂与纤维的结合 化学反应或氢键 也不稳定 可能被环境 水 化学介质等 破坏 2 PMC的界面一般在较低温度下使用 其界面可保持相对稳定 3 PMC中增强剂本身一般不与基体材料反应 2 PMC的界面表征 PMC的界面结构主要包括增强剂表面 与基体的结合 反应 层或偶联剂参与的反应层以及接近反应层的基体拟制层 界面表征的目的是了解增强剂表面的组成 结构及物理 化学性质 基体与增强剂表面的作用 偶联剂与增强剂及基体作用 界面层性质 界面结合强度以及残余应力的大小及作用等 使用电子显微镜 SEM TEM 红外光谱 拉曼 Raman 光谱 二次离子质谱等进行界面层的化学结构表征 3 界面作用机理1 界面浸润理论 Z2 K cos t 树脂流入量Z与液体表面张力 接触角 时间t和孔径 成正比 与粘度 成反比 2 化学键理论 如在界面上形成共价键结合 在理论上可获得最强的界面结合 210 220J mol 这对在偶联剂的选择方面有一定指导意义 3 物理吸附理论 界面结合是属于机械铰合和基于次价键作用的物理吸附 4 变形理论 纤维经处理后 在界面上形成一层塑性层 松弛和减缓界面处的应力集中 5 拘束层理论 界面区的模量介于基体和纤维之间时可最均匀地传递应力 6 扩散层理论 偶联剂形成的界面是能与树脂相互扩散的聚合物硅氧烷层或其它的偶联剂层 7 减弱界面局部应力作用理论 基体与纤维之间的处理剂提供了一种具有 自愈合能力 的化学键 在载荷作用下处于不断形成与断裂的动态平衡 同时应力得以松弛 减缓了界面处的应力集中 4 PMC界面设计基本原则 改善浸润性 提高界面结合强度 1 使用偶联剂偶联剂是一种化合物 其分子两端含有不同的基团 一端可与增强剂发生化学或物理作用 另一端则能与基体材料发生化学或物理作用 从而使增强剂与基体靠偶联剂的偶联紧密地结合在一起 图8 12有机硅偶联剂对玻璃纤维的作用机制 2 增强剂表面 活化 处理由于碳纤维本身的结构特征 沿纤维轴向择优取向的同质多晶 以及石墨表面能低 纤维不能被树脂很好浸润 可通过适当的表面处理以改变纤维表面形态 结构 使其表面能提高 以改善浸润性或使表面生成一些能与树脂反应形成化学键的活性官能团 如引入 COOH OH NH2 C O等 从而提高纤维与基体的相容性以及结合强度 碳纤维表面处理方法主要有 氧化法 液相氧化 气相氧化法等 冷等离子体处理法 表面 气相 沉积 表面电聚合处理 3 使用聚合物涂层改善基体和纤维的润湿性以及界面粘接状态 改善界面应力状态 使用溶液聚合物涂层涂敷 电化学及等离子聚合等方法可获得 六 纤维增强聚合物基复合材料 FRP 的力学性能1 静态力学性能 呈完全弹性形变 没有屈服点和塑性区 断裂应变小 图8 14 FRP的纵向拉伸强度和模量主要由纤维控制 纵向压缩强度受纤维类型 纤维准直度 图8 15 界面粘结状况和基体模量等因素影响较大 FRP的横向拉伸强度主要由基体或界面控制 横向拉伸模量 剪切模量可由Halpin Tsai公式较准确地估算 FRP的高温力学性能主要由基体控制 图8 14纤维增强聚合物基复合材料的的应力 应变曲线 图8 15纤维增强聚合物基复合材料强度与纤维准直度的关系 图8 16FRP的高温力学性能 2 疲劳性能材料在低于静态强度极限的动载荷作用下 经过不同时间后的破坏称为材料的疲劳 其疲劳性能用疲劳寿命N或疲劳应力SN表示 所加应力幅值或最大应力与应力的循环次数关系曲线为S N曲线 图8 17FRP与金属铝的疲劳性能对比 S N曲线受各种材料和试验参数影响 包括 纤维类型及体积比 基体类型 铺层形式 界面性质 载荷形式 平均应力 交变应力频率 环境条件等 FRP的疲劳损伤首先发生在与载荷方向垂直或成大角度的铺层中 特别是在富纤维区域的裂纹中开始 损伤起源于纤维与基体的界面脱粘 通常沿纤维 基体界面扩展 疲劳导致复合材料的模量和静强度下降 当内部损伤积累到一定程度时发生灾难性破坏 此时作为复合材料的失效准则 也有把经过一定疲劳循后 模量和强度下降到某一特定值时作为失效准则 在同样条件下 FRP的疲劳性能优于金属 高模量FRP的疲劳性能优于低模量的FRP 图8 17 3 冲击和韧性表征复合材料韧性的方法有三种 冲击强度 断裂韧性及冲击后压缩强度 Charpy和Izod冲击试验是评价复合材料冲击性能的最普通方法 它是通过测量一个标准试样所需能量来确定冲击韧性 图8 18为一典型冲击载荷与时间关系曲线 全部冲击破坏所吸收的能量Q等于裂纹引发能Qi和裂纹扩展能QP之和 图8 18冲击试验中的典型加载历程 韧性DI指数定义为裂纹扩展能QP与裂纹引发能Qi之比 DI QP QiDI越大 材料韧性越好 对完全脆性材料 DI 0 FRP的能量吸收包括 1 纤维脱胶 2 纤维拔出 3 纤维破坏 4 基体变形和开裂 5 分层裂纹 纤维非常显著地影响破坏模式 通常韧性纤维 如玻璃纤维Kevla纤维增强树脂复合材料具有较高的冲击强度 而脆性纤维 如CFRP和BFRP冲击强度较低 基体变形要吸收较多的能量 热固性基体较脆 变形较小 因而冲击强度较低 热塑性基体可产生较大的塑性变形 具有较高的冲击强度 纤维与基体界面粘结强度强烈地影响FRP的冲击破坏模式 包括纤维的脱胶 分层和断裂 图8 19 纤维脱胶可吸收大量的能量 如果FRP脱胶程度较大 可明显增加冲击能 当纤维断裂的裂纹没有能力扩展到韧性基体中时 纤维常可从基体中拔出并引起基体变形 明显增加断裂能 分层裂纹通常吸收较大的能量 分层的增加会显著提高冲击能 当分层破坏占主导时 界面粘接越弱 冲击能越大 反之 当纤维断裂占主导作用时 界面粘接越强 冲击能越大 图8 19纤维复合材料中裂纹扩展模式 表8 2各种材料的典型冲击强度 七 铺层设计 铺层材料的铺层方案的设计 耦合效应 层合板厚度方向的非均质性造成层合结构的一个特有现象 即是在小变形情况下 面内内应力会引起平面变形 内力矩会引起面内变形 1 层合板设计的一般原则 1 铺层定向原则 目前多选择0 45 90 和 45 四种铺层方式 2 均衡对称铺设原则 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 3 铺层取向按承载选取原则 如果承受拉 压 载荷 铺层方向按载荷方向铺设 如果承受剪切载荷 则铺层方向按45 成对铺设 如果承受双轴向载荷 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 和 45 多向铺设 4 铺层最小比例原则 对于方向为0 90 和 45 铺层 其任一方向的铺层最小比例应大于6 10 5 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 也就是说使层合板的单层组数尽量地大 或使每一单层组中的单层尽量地少 一般不超过4层 这样可减少两种定向层之间的层间分层的可能性 b 如果层合板中含有0 90 和 45 铺层 应尽量使 45 铺层之间用0 或90 层隔开 也尽量使0 和90 层之间用 45 或 45 层隔开 以降低层间应力 6 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 以承受局部冲击载荷 也要有一定量的45 铺层以使载荷扩散 除此之外 需要时还应局部加强以确保足够的强度 7 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 8 抗局部屈服设计原则 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 9 连接区设计原则 沿载荷的铺层比例应大于30 以保证足够的挤压强度 与载荷方向成 45 的铺层比例应大于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 10 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 2 等代设计法 等代设计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 以保证强度和刚度 这种设计法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 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 层合板排序设计法是在复杂应力状态下按复杂应力状态求其强度的 一般需用计算机实施 在多种载荷情况下 必须用层合板排序设计法才有效 4 层合板的层间问题 1 层间强度 层间抵抗分层破坏的能力 层间拉伸强度 层合板垂直于板面的拉应力作用下的极限应力 层间拉伸强度一般是指单向层压板的层间拉伸强度 大量试验证明 无论是单向层压板的层间拉伸强度还是多向层压板不同方向铺层之间形成的层间拉伸强度基本上是一致的 层间剪切强度 层压板不同方向铺层之间的剪切强度 通常采取三点弯曲试验方法求得 2 层间失效准则最大应力准则 层间应力的最大值达到其相应的强度时 即层间剪切应力达到层间剪切强度 或层间拉应力达到层间拉伸强度时 层合板就发生层间失效 在有层间剪切应力 xz又有层间剪切应力 yz时 其层间剪切应力为两矢量之和 大小为 xz2 yz2 1 2 层间应力相互作用准则 认为层间应力满足如下失效准则时 层间就失效 xz2 yz2 ib 2 z2 bi 2 1式中 ib bi分别为层间剪切强度和层间拉伸强度 平均应力准则 认为层间应力的平均值达到其相应的强度指标时 层压板就发生层间失效 基体失效准则 认为层压板是由各向异性的铺层与各向同性的基体层组合而成的 因而基体层失效就发生层间失效 基体层的失效准则可以用各向同性的失效准则 一般采用形状改变比能准则 修正的三维失效准则 这是一类在三维失效准则基础上修正了的层间失效准则 即将原来的三维失效准则中与应力分量 3 13 23对应的强度参数改用对应的层间强度 八 结构设计 最后确定产品结构的形状和尺寸 大致分三个步骤 1 明确设计条件 2 材料设计 3 结构设计 1 明确设计条件 1 结构性能要求 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