复合材料力学

复合材料力学第一页，共三十九页，编辑于2023年，星期日复合材料力学第二章、制备与表征热固性树脂（如聚脂、环氧等）一般是粘度很大的液体状，类似很稠的浆糊，但粘度大。如果不加固化剂（Hardener），树脂的液状形态将始终保持不变。固化剂也是一种液态物资，当按比例与树脂相混后，树脂的黏度大大降低、流动性增加，变成胶水状，方便向增强纤维中浸胶。在适当的温度下，这种胶水状的持续时间有限，短者几分钟、长不过一、二个小时，基体开始固化、变硬，同时释放大量的热。由于基体的固化，将一根根彼此独立的纤维粘结、捆绑成一个整体，成为复合材料制品。树脂开始固化的时间与固化剂用量和环境温度有很大关系。相同树脂，固化时间可达数分钟或数小时。第二页，共三十九页，编辑于2023年，星期日复合材料力学第二章、制备与表征一般来说，在固化剂用量范围内使用量越大，树脂维持液态的时间越短，固化后制品越脆；温度越低，则树脂维持液态的时间越长。习惯上将树脂固化前维持液态的时间称为凝胶时间。实际生产中可以充分利用这一特点，调整凝胶时间，达到不同的工艺目的。比如，若制品较大或铺层较多，需要较长时间准备铺层来确保制品品质，可以通过减少固化剂用量、降低环境温度来延长凝胶时间；但若制品重复性好、可实现自动生产，则可以通过提高环境温度来缩短凝胶时间。另外，不同的树脂或固化剂，固化要求的环境条件（温度等）不一样。有的只需在室温（200C左右）下固化，有的则须在中温（如800C）下固化。固化度表示固化程度，一般制品要求90%以上。第三页，共三十九页，编辑于2023年，星期日复合材料力学第二章、制备与表征中温固化必须对浸胶后的纤维（湿纤维）升温。这一方面使工艺变的复杂、加大了设备投入，但在另一方面，可以有足够的时间完成固化前的各项准备，并且，中温固化的复合材料制品品质一般比室温固化的要好、固化周期短。固化可以是在自然条件下进行，也可以是在真空条件（制品置于真空袋内）实现。在真空环境下固化的制品品质一般都要好的多（减少气泡等）。聚酯固化一般只需在室温下进行，中温固化不易实现；但环氧则通过添加不同的固化剂，可以实现在很大温度范围内固化。事实上，以环氧树脂为基体做成的复合材料，即便在室温下固化，也往往置于中温炉内进行后固化处理，一是保证固化充分，二是消除内应力。第四页，共三十九页，编辑于2023年，星期日复合材料力学第二章、制备与表征第五页，共三十九页，编辑于2023年，星期日复合材料力学第二章、制备与表征第六页，共三十九页，编辑于2023年，星期日复合材料力学第二章、制备与表征手糊法是一种适用范围广、成本低但劳动强度大的工艺过程。制品的品质在很大程度上取决于操作工的技术水平。第七页，共三十九页，编辑于2023年，星期日复合材料力学第二章、制备与表征2.1.2树脂传递模塑法（RTM）RTM（ResinTransferMolding）工艺主要原理是：先在模腔中铺放好按性能和结构要求设计好的增强材料，封闭模腔，抽真空，再采用注射设备将低粘度树脂体系注入闭合模腔，浸润纤维、固化成型，得到复合材料构件。

模具要具有周边密封和紧固系统以及注射孔和排气孔，以保证树脂流动顺畅并排出模腔中的全部气体和彻底浸润纤维。模具一般还应具有加热系统，可进行加热固化。

第八页，共三十九页，编辑于2023年，星期日复合材料力学第二章、制备与表征增强纤维芯模

下模腔上模腔注射孔排气孔封模面封模面主要优点：闭模成型，产品尺寸和外形精度高，适合成型高质量的复合材料整体构件；第九页，共三十九页，编辑于2023年，星期日复合材料力学第二章、制备与表征制品表面光洁度高（相对手糊成型）；

环境污染小(是唯一符合国际环保要求的复合材料成型工艺)；初期投资较小（相对其它几种方法）。主要不足：

工艺要求高，工艺参数较难控制；纤维体积含量一般在50%左右，比热压罐、缠绕成型低；对大部件成型时，有可能造成树脂短路、制品报废。第十页，共三十九页，编辑于2023年，星期日2.1.3热压罐法（AutoclaveMolding）热压罐是一个封闭的容器，可以同时施加高压、真空与温度，实现较高品质复合材料制品的制备。复合材料力学第二章、制备与表征第十一页，共三十九页，编辑于2023年，星期日热压罐成型的对象为预浸料（prepreg）。复合材料力学第二章、制备与表征预浸料是预先浸有树脂、经过特殊工艺干燥但尚未固化的纤维布。升温后，纤维布将产生固化。将预浸料裁剪成所需要的尺寸并按设计铺层，置于热压罐内。热压罐密封、抽真空、升温、加压。升温将导致制品固化，加压使各层形成良好粘结并可以压制成较为复杂的曲面形状，抽真空则可以消除固化中的气泡产生。这种成型过程得到的制品品质很高，纤维体积含量可以高达60-65%,但成本高昂。第十二页，共三十九页，编辑于2023年，星期日复合材料力学第二章、制备与表征热压罐成型既可用于热固性、也可用于热塑性复合材料的制备。第十三页，共三十九页，编辑于2023年，星期日复合材料力学第二章、制备与表征2.1.4缠绕法（FilamentWinding，长丝缠绕）在该过程中，连续纤维经过低粘度的树脂槽，然后，精确缠绕在芯模上。连续纤维束低粘度树脂槽移动导向眼转动芯模11详细铺层各层依次以相同或变化的角度缠绕一起直到达到所需要的厚度。第十四页，共三十九页，编辑于2023年，星期日固化后，芯模可以根据需要移去，但对复杂结构不能移去时往往采用薄壁芯模与复合材料成型一体。复合材料力学第二章、制备与表征适合于制备具有旋转对称的部件(管和柱)。可以很好控制纤维铺设方向，纤维体积含量则可高达65%。但设备投资高。一般适用于热固性、但也可应用于热塑性复合材料的制备。第十五页，共三十九页，编辑于2023年，星期日复合材料力学第二章、制备与表征第十六页，共三十九页，编辑于2023年，星期日2.1.5挤拉法（Pultrusion）顾名思义，挤拉法是将浸胶纤维束拔拉通过加热的模具，在高温下迅速固化，得到连续、相同截面的复合材料。纤维供给预浸导入热固性树脂槽预浸导出高温模切断截面复合材料力学第二章、制备与表征最适合于加工制备等截面、大批量的制品(杆、管、梁、角型、槽型等复合材料制品)。纤维定向非常一致，纤维体积含量可以高达60%。第十七页，共三十九页，编辑于2023年，星期日复合材料力学第二章、制备与表征第十八页，共三十九页，编辑于2023年，星期日2.1.6喷射成型法（InjectionMolding）前面的成型方法主要是用于加工连续纤维增强复合材料，喷射成型法则最适合于制备短纤维或颗粒增强复合材料MoldedpartInsulationHeatedmoldRunnerCooledmanifold喷射腔混有短纤维的树脂压力泵容器旋转推动杆复合材料力学第二章、制备与表征第十九页，共三十九页，编辑于2023年，星期日复合材料力学第二章、制备与表征首先，混有短纤维和聚合物基体的原料置于容器中，通过温控装置加热至流动状态。通过置于容器内的旋转推动杆将液态原料挤出喷嘴，送达模腔。当基体固化或胶连后，打开模腔，取出部件。喷射成型法适合于大批量制备复杂部件，可以精确控制部件的尺寸精度，但设备投资大、成本较高。该方法既可以用于热塑性、也可以用于热固性复合材料的制备。第二十页，共三十九页，编辑于2023年，星期日复合材料力学第二章、制备与表征第二十一页，共三十九页，编辑于2023年，星期日2.1.7热压成型法（Thermo-compressionmolding）

主要用于将平面形式的增强体－基体混合物转换成三维复合材料构型。“压力成型”是最简单的这类方法。将置于上、下两半模具间的复合材料面料加热到高于聚合物的软化温度，然后，模具对压，得到所期望的结构形式。模具加热可以在自然环境、也可以是在真空环境下实现，后一种方式将使制品中的气泡降到最低。分模后，得到复合材料制品。复合材料力学第二章、制备与表征第二十二页，共三十九页，编辑于2023年，星期日压力板阳模定位销阴模层板

模压后的构件加热器

复合材料力学第二章、制备与表征第二十三页，共三十九页，编辑于2023年，星期日PressureSpacer19q1q2q3q4复合材料力学第二章、制备与表征第二十四页，共三十九页，编辑于2023年，星期日a)膜间层叠纤维布基体膜b)纤维共纺增强纤维基体纤维

基体粉末

增强纤维c)两相共混纤维布颗粒

热压成型主要适合于热塑性复合材料的制备复合材料力学第二章、制备与表征第二十五页，共三十九页，编辑于2023年，星期日2.2表征2.2.1组成材料的性能纤维材料对于纤维，只有拉伸性能才可以通过现有的方法和手段测试，测试采用纸板夹持，示意如下。Tobecut复合材料力学第二章、制备与表征第二十六页，共三十九页，编辑于2023年，星期日纤维的其它力学性能（压缩、剪切、泊松比等）难以直接测量，一般只能通过间接方式得到。即先测定复合材料以及基体材料的性能参数，再应用细观力学的公式反演出纤维的性能。纯基体材料由于基体材料是各向同性的，基体的密度、强度、模量、泊松比、硬化模量、最大应变、冲击韧性等最重要的一些力学性能参数都有成熟的测试标准。应用时，可以参照这些标准制样和实验。复合材料力学第二章、制备与表征2.2.2纤维体积含量除了组份材料的性能外，影响复合材料性能的另一个重要参数是纤维体积含量。第二十七页，共三十九页，编辑于2023年，星期日有多种方法直接测试纤维体积含量，常见的有烧释法和基体溶解法。烧释法:将一定面积的复合材料试样充分干燥，比如，将试样置于500C的烘箱内干燥8小时以上。然后用电子天平精确测量试样的重量Wc再将试样放入陶瓷烧杯，置于加热炉内，升温足够高（对一般聚酯、环氧树脂，加温到5000C即可），将基体全部烧掉，剩余在陶瓷烧杯内的为复合材料试样所含的纤维。复合材料力学第二章、制备与表征虽然彼此有异，但基本原理都是通过去除基体后，根据剩余纤维的重量换算得到纤维的体积含量。第二十八页，共三十九页，编辑于2023年，星期日待烧杯冷却后，测量剩余的纤维重量Wf。纤维体积含量就由下式计算：复合材料力学第二章、制备与表征(2.1)其中f、m分别是纤维和基体的质量密度。其推导过程如下：

复合材料的密度为：(2.2)

c=Vf+mVm根据定义,

Vf=/

Vm=/(2.3)第二十九页，共三十九页，编辑于2023年，星期日其中、、分别是试样中纤维、基体及复合材料的体积。复合材料力学第二章、制备与表征

根据定义Vf=Wfc/Wcf并由假定：

Vf+Vm=1(2.4)可导出公式(2.1)。(2.4)式忽略了气孔、气泡的含量，后者可以由

Vf+Vm+Vv=1导得为：(2.5)第三十页，共三十九页，编辑于2023年，星期日复合材料力学第二章、制备与表征例2.1：复合材料风机叶片由玻璃纤维和聚酯制成。已知玻璃纤维和聚酯的密度分别是：f=2.54g/cm3和m=1.24g/cm3，制备中测得树脂的重量比为38%，试求此风机叶片的纤维体积含量。解：根据所给条件，我们有Wm/Wc=0.38，从而，Wf/Wc=0.62。将这些参数代入（2.1）式，计算得到：因此，纤维体积含量为：Vf=44%。进一步，由(2.2)式得到：c=(2.54)(0.44)+(1.24)(0.56)=1.812g/cm3。代入（2.5）式，求得：第三十一页，共三十九页，编辑于2023年，星期日复合材料力学第二章、制备与表征2.2.3复合材料的性能拉伸试验由于其加工性能较差，复合材料一般（采用水冷金岗圆锯）切成等宽度的板条，端部再用铝等材料贴成加强片，以便消除试验机夹在端部引起的应力集中，使破坏在中间段发生。第三十二页，共三十九页，编辑于2023年，星期日复合材料力学第二章、制备与表征压缩试验是最难做成功的试验之一，主要是在压缩过程中易产生弯曲和屈曲。Specimen根据预试验的方法确定试样的厚度和标距。若(f-b)10%,试样尺寸合适；否则，调节试样的标长与厚度。

目前最为有效的压缩装置是IITRI

装置，如图所示(IllinoisInstituteofTechnologyResearchInstitute)第三十三页，共三十九页，编辑于2023年，星期日复合材料力学第二章、制备与表征剪切试验在各种剪切方法与装置中，Iosipescu方法是最有效的之一。c45o

450试样

=P/ct

(2.6)t=厚度(宽度)剪应力：剪应变:

xy=245o

(2.7)f与b分别是试样正面与反面的应变。第三十四页，共三十九页，编辑于2023年，星期日弯曲试验PtbL3-点弯曲P/2P/2aLbt4-点弯曲一般，L/t=16、32、40或60弯曲特性(模量、强度等)用各向同性的材料公式计算，如3-点弯曲的强度公式为：复合材料力学第二章、制备与表征第三十五页，共三十九页，编辑于2023年，星期日复合材料力学第二章、制备与表征其中，Pmax为所加的最大载荷，L、b、t为梁的跨度、宽度与厚度。第三十六页，共三十九页，编辑于2023年，星期日MechanicsofComp.Mater.习题（思考题）

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