复合材料板簧选材及力学性能分析报告

1、 复合材料板簧选材、结构设计与力学性能分析报告一复合材料板簧选材1.1概述复合材料是指由两种或者两种以上的不同形态或者不同性质的材料按照一定的复合工艺组合形成的一种结构物。复合材料既具备原材料的特点又有原材料没有的性能,所以不能把复合材料看做组分材料的简单相加1。复合材料中的连续相叫做基体,而分散相叫做增强材料。增强材料以独立的形态分布于基体当中。基体的主要作用是承载增强材料,防止增强材料遭受腐烛和物理损伤。增强材料除了提高复合材料基体的力学性能外,还能提高热变形温度,使复合材料在磁、电、热方面具有新功能2。1.2原材料的选择原则在满足结构使用性能要求的条件下，要尽可能地降低成本；材料的力学性

2、能要满足结构的强度、刚度和稳定性要求；材料的耐环境性能可使结构在使用环境条件下正常工作，并满足结构的寿命要求；所选材料体系适合于拟采用的成型工艺，且在预浸料制备、固话成型、机械加工装配和修补等方面具有良好的工艺性；对所选材料体系有深入了解，尽可能地选用已定型的、批量生产的、质量稳定的原材料；货源充足，容易运输、储存，安全性好；材料应满足结构的特殊性能要求，如雷达罩要求有透波性，客机的内装饰件要求阻燃性等。1.3基体材料的选择 选择原则应满足结构的使用温度范围要求。应满足基体的力学性能要求树脂的物理、化学性能应满足于结构的使用要求满足工艺性要求低毒性、低刺激性，价格合理考虑到汽车板簧的工作特点，

3、复合材料板簧的基体材料应具有长期在静载和动载下的承载能力 （耐蠕变和抗疲劳性）、吸收冲击性能（韧性）及一定的耐热性。此外，复合材料板簧中的增强材料的设计为长度方向的纵向分布，其厚度与宽度方向的层间剪切强度仅依靠基体材料来提供，因此基体材料层间剪切强度的控制也尤为重要。目前，制造复合材料板弹簧的树脂基体主要有环氧树脂及聚氨酯这两类。环氧树脂是分子中含有两个或两个以上环氧基团的一类高分子化合物，实际上是含有不同聚合度分子的混合物，其性能除了与合成条件有关外，主要取决于分子结构。环氧树脂具有良好的机械性能与层间剪切强度、较低的固化收缩率及优良的工艺性能，且市场供应充足，成本较低，是比较理想的基体材料

4、。环氧树脂最大的弱点是韧性较差，固化后的环氧树脂性脆，耐冲击性较差，容易开裂。因此需要对其进行改性，以达到增韧的目的。经过调研，已有企业利用增韧改性环氧树脂生产出了合格的复合材料板簧样件。但是，由于企业能力及环氧树脂本身特性所限，复合材料板簧样件的生产仍然使用模压成型工艺，成型周期较长、效率低，而且复合材料板簧样件的性能不稳定，不利于复合材料板簧的产业化。汉高公司生产的乐泰MAX2是一种聚氨酯基复合材料基体树脂，虽然价格稍高于环氧树脂，但其固化速度快于环氧树脂。由于粘度较低，浸润性也优于环氧树脂，可以更高效、更温和地渗透并浸渍纤维材料，所以注塑时间更短，有利于复合材料板簧的大批量生产。在反应放

5、热特征方面，乐泰MAX2的放热量为268J/g，环氧树脂的放热量为430J/g，这意味着在反应过程及固化过程中乐泰MAX2的放热量更小，降低了局部过热以及由此导致的收缩等风险。对于板簧这样较厚的层合板结构，可明显减小内应力的残留，对复合材料板簧的疲劳寿命有利。在机械性能方面，乐泰MAX2与环氧树脂的对比如表1所示：表1乐泰MAX2与环氧树脂机械性能的对比牌号乐泰MAX2环氧树脂拉伸模量/MPa280031003400拉伸强度/MPa80 70100弹性伸长率/%510 36Tg玻璃态转变温度/105120110140临界应力强度因子K1c（MPa/m2）1.2 0.50.9从表1可知，乐泰MA

6、X2的机械性能与环氧树脂接近，但聚氨酯本身网络结构所决定的韧性及抗冲击性能明显优于环氧树脂，因此，当破坏发生时，聚氨酯内部裂纹的扩展速率远低于环氧树脂，对复合材料板簧的疲劳寿命有利。在耐化特性方面，乐泰MAX2的耐化性能与环氧树脂相当。此外，聚氨酯树脂能够与玻璃纤维形成优异的界面粘接，对标准纤维浸润剂有出色的适用性。综上所述，乐泰MAX2的综合性能优于环氧树脂，且更有利于保证复合材料板簧的性能及产业化前景。因此，选用乐泰MAX2作为复合材料板簧的基体材料。1.4基体材料的力学性能表2乐泰MAX2（纯树脂基体）的力学性能参数参数值密度/g.cm-31.041.20拉伸模量/GPa2.8拉伸强度/

7、MPa80断裂伸长率/%9弯曲模量/GPa2.7弯曲强度/MPa115玻璃态转变温度Tg/115临界应力强度因子K1c（MPa/m2）1.2表3乐泰MAX2与玻纤复合后的层合板力学性能参数参数值纤维体积含量/%48拉伸模量/GPa28拉伸强度/MPa630弯曲模量/GPa29弯曲强度/MPa960（4层单向排布玻璃纤维，载荷施加于玻纤方向）1.5增强纤维材料的选择选择原则若结构要求有高的抗冲击性能，可选用超高分子量聚乙烯纤维、芳纶纤维、玻璃纤维等作为增强材料。若结构要求有良好的透波、吸波性能，则可选用超高分子量聚乙烯纤维、芳纶纤维、无碱玻璃纤维、氧化铝纤维作为增强材料。若结构要求有高的刚度，则

8、可选用高模量碳纤维或硼纤维。比刚度最低的是玻璃纤维。若结构要求既有较大刚度又有较大强度时，则可选用比强度和比刚度均交到的碳纤维、硼纤维、超高分子量聚乙烯纤维。若结构要求有高的压缩强度，则可选用碳纤维、硼纤维、玻璃纤维。若结构要求热稳定性好，则可选用碳纤维、硼纤维、玻璃纤维。除了选用单一纤维，复合材料还可由多种纤维混合构成混杂复合材料。复合材料的性能在很大程度上取决于纤维的性能、含量及使用状态。目前板簧中的增强材料主要分为 E 玻纤、S 玻纤及碳纤维三种。主要增强纤维的性能如表4所示。 表4主要增强纤维的性能牌号密度/g.cm-3线胀系数/10-6K-1弹性模量/GPa拉伸强度/GPa伸长率/%

9、泊松比比强度/MPa比模量/GPaE玻纤2.555.0743.54.80.21137029S玻纤2.442.95.0844.75.7-197034M玻纤2.895.71103.5-A玻纤2.687.570803.62.00.22-C纤维1.75-2251.741.52.4-990128 玻璃纤维以石英砂、石灰石、白云石、石蜡等组分并配以纯碱、硼酸等，有时为简化工艺和获得预期的性能还适当掺入TiO2、ZrO2、Al2O3等氧化物来制备各种玻璃后，经熔融窑熔化拉丝而成。玻璃组成及拉丝工艺对纤维的性能有较大的影响。玻璃纤维主要特点是不燃、不腐烂、耐热、拉伸强度高，断裂伸长率较小，绝热性与化学稳定性好

10、，具有良好的电绝缘性及低的热膨胀系数，还有高的冲击强度。玻璃纤维的直径一般为520，纤维直径越细，性能越好。玻璃纤维强度高、综合性能优越，成本低廉，是目前应用面最广，产量最大的一种结构和功能复合材料的增强剂。E-玻璃纤维也称无碱玻璃纤维，具有良好的电绝缘性，具有高强度、弹性模量较高、密度低及良好的耐水性能，是当代增强高聚物较为理想的增强玻璃纤维。其主要缺陷是在酸、碱介质中抗化学腐蚀性较低，从而限制了它在水泥基体中的应用。S-玻璃纤维又称高强度玻璃纤维，它比E-玻璃纤维的拉伸强度高35%左右，代表性产品为“S-994”。在军事装备上应用广泛。虽然S玻纤的力学性能优于E玻纤，然而E玻纤的造价远低于

11、S玻纤。M-玻璃纤维又称高模量玻璃纤维，一般玻璃纤维强度很高，但模量却较低，只有钢的1/3左右，但由于密度比钢低，所以比模量却比钢高得多。它的弹性模量可达到95GPa，而且拉伸强度也很高，同时电绝缘性能好。AR-玻璃纤维含有约16%ZrO2，是抗碱玻璃纤维，抗碱性能优于普通玻璃纤维。主要用于制造墙板、各种管材等。碳纤维性能虽然优于玻璃纤维，但其昂贵的价格使其应用受到了限制。此外，碳纤维具有较低的冲击强度，而且在与金属的结合处可能发生电化学腐蚀，可能会削弱构件的强度。综合比较各主要增强材料的性能、成本及成型工艺，E 玻纤是最具性价比的选择。PPG2026玻璃纤维属于E-玻璃纤维，由美国PPG工业

12、公司生产，该公司具有60多年的玻璃纤维工程技术和制造经验，该型号玻璃纤维也是玻璃纤维行业的领先产品，能够增强纤维与树脂的粘结力，从而提升复合材料板簧的疲劳性能，完全能够满足复合材料板簧对增强纤维力学性能的要求。因此，采用PPG2026 2400tex玻璃纤维作为复合材料板簧的增强纤维。1.6增强纤维材料的力学性能表5 PPG2026 2400tex的力学性能直径/m密度/g.cm-3拉伸模量/GPa拉伸强度/MPa伸长率/%172.5882.726503.2 二复合材料结构设计2.1结构设计的一般原则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。结构强度计算用的许用值，分为使用许用

13、值和设计许用值，他们分别对应最大使用载荷和设计载荷。复合材料强度准侧只适用于复合材料单层，一般采用蔡-吴（Tsai-Wu）张量准则。复合材料结构在使用载荷作用下，不允许结构有永久变形。有刚度要求的一般部位，材料弹性常数的数值可选取对应温度区间的平均值；对于刚度有严格要求的重要部位，需要选用对应温度区间的B基准值。2.2结构设计的公益性要求铺层设计要考虑公益性问题。结构零件的拐角应有较大的圆角半径，避免在拐角处出现纤维断裂、富胶。纤维架桥等缺陷。对于外形结构复杂的结构，在外形变化区采用光滑过度，用织物代替无纬布。结构的表面质量要求较高时，应使该表面为贴膜面。复合材料构件的壁厚一般应控制在7.5m

14、m以下。对于壁厚大于7.5mm的构件，除了必须采用工艺措施保证质量外，设计时适当降低力学性能参数。为保证连接区的钻孔质量，在孔的钻出一侧，应铺一层玻璃纤维布。在设计复合材料制品时，能够设计成整体的尽可能设计成整体，或将可能合并的零件尽可能合并成一个构件，并采用固化工艺。三复合材料力学性能分析3.1复合材料力学性能特点从力学分析角度看，复合材料同常规材料（例如工程上大量采用的金属材料）的显著区别是非均质和各向异性3。3.1.1复合材料是一种结构从传统力学分析观点来看，连续纤维增强高聚物复合材料是有纤维和高聚物两种组分材料组成的，两者之间有明显的界面，所以，实际上就是一种结构。另外，这种材料是以层

15、合的形式制成的，所以这种材料有事一种层合材料4 。如图1-1所示3.1.2比强度、比模量较高纤维增强复合材料是有高比强度、低密度的纤维材料（增强体）与基体所组成。具有比传统材料较高的比强度和比模量。3.1.3具有可设计性纤维增强复合材料是由两种或两种以上不同强度和模量的材料组成的，而且多数又是每一铺层方向可以随意设置的层合结构材料。所以，可以改变组份材料的种类、含量，以及铺层方向和顺序，使之在一定的范围内满足结构设计中对材料强度、弹性和方向性的要求。这在通常金属材料的结构设计组是很难办到的。因此，复合材料不仅给设计人员提供了一种比强度、比模量高的材料，而且给设计人员提供了一种在一定范围内可随意改变性能的材料，以达到结构设计与材料设计高度统一的优化设计5。（3,4,5来自书）3.2复合材料力学分析的基本假设3.2.1基本假设层合板是连续的单向板是均匀的单向板是正交各向异性的层合板是线弹性的层合板的变形是很小的3.2.2层合板特点一般复合材料层合板可能不具有弹性主方向,因为若干复合材料单层板按照不同的弹性主方向铺设构成了复合