混杂增强复合材料课件.ppt

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1、v 研究材料 使用性能使用性能 组成结构结构 合成与加工v改善材料性能途径： 有机纤维，高分子链引入第三组分进行共聚、共混； 合成新型的材料； 研制纤维混杂增强的复合材料；研制纤维混杂增强的复合材料； 对纤维进行表面处理。一、混杂纤维复合材料概述v 两种或两种以上的连续纤维增强同一种树脂基体的复合材料称之为混杂复合材料。v 树脂基体有环氧树脂、双马树脂和热塑性树脂等；v 增强纤维有玻璃纤维、碳纤维和凯夫拉纤维等的组合。 界面v 力学性能v 复合材料混杂方式v 混杂纤维复合材料特点v 混杂纤维复合材料发展方向 混杂复合材料的界面v 混杂复合材料的界面从概念上说与复合材料的界面含义是一样的，但在混

2、杂复合材料中由于有两种以上的纤维，又有不同的混杂形式。因此，在复合材料中所造成的界面将有几种不同的类型.改善界面表面处理：1.表面活化2.表面包覆 包覆无机物 包覆有机物混杂复合材料的力学性能v混杂纤维复合材料的弹性模量和拉伸强度与单一纤维情况一样，也可用混合定律处理，但要复杂一些。混杂纤维复合材料的力学行为不仅与组分性质、含量有关，而且与混杂方式也有关系。界面如图所示，当混杂复合材料应变达到低伸长纤维的断裂应变时，低伸长纤维首先断裂，即一级拉伸破坏强度。低伸长纤维断裂后，试样是否能继续承载取决于高伸长纤维的含量。当其含量超过临界含量时，载荷由高伸长纤维承担直到整个材料破坏。这时的断裂强度称之

3、为二级拉伸破坏强度。v 纵向弹性模量：v 混杂复合材料的纵向拉伸弹性模量介于两种单一纤维复合材料之间。以两种纤维混杂为例v 1.当基体对弹性模量有贡献混杂方式，其起始弹性模量为： E L = E f 1 V f 1+ E f 2 V f 2 + E m V m 2.当混杂复合材料应变达到低伸长纤维的断裂应变时，低伸长纤维首先断裂，即一级拉伸破坏时： E L =E f 2 V f 2+ E m V m 3.假设基体对复合材料的弹性模量贡献可以忽略： E L = （ E f 1 V f 1 + E f 2 V f 2）（1 - V m ）v 2、横向弹性模量 E T ：1/ E T = V f /

4、 E f T + V m / E mT1/ E T = V f 2/ （E f T 1 V f 1 + E f T 2V f 2） + V m / E mTE f T为纤维的横向弹性模量，V f 为总的纤维体积比。混杂复合材料的混杂方式v 1、单向混杂纤维复合材料v单向混杂纤维复合材料是通过预浸料沿一个方向的铺层来实现的，但其铺层方式可以是不同的，有层内混杂、层间混杂、夹芯混杂和短纤维混杂等四种方式。界面v2、单向预浸料角度铺层混杂v 3、混杂织物混杂v 4、三向编织物混杂v 三向编织混杂复合材料是一种三维方向上使用不同类型或不同性能的纤维编织复合材料。主要是根据使用上的要求，工艺上的可实现性

5、来决定的。v 5、复合夹层结构v 混杂复合夹层结构包括单一纤维复合材料的面板与不同形式的夹芯复合；混杂复合材料的面板与不同形式的夹芯复合；或者根据需要采用不同的内外混杂面板与不同的夹芯复合。混杂复合材料特点：v 1） 结构设计与材料设计的统一性。混杂纤维复合材料可以根据结构使用性能要求，通过不同类型纤维、不同纤维的相对含量、不同的混杂方式进行设计，以满足对复合材料结构和功能兼备的要求。界面v 2）扩大构件设计自由度与工艺实现的可能性。v 混杂复合材料构件的设计自由度较单一纤维复合材料要大。由于混杂复合材料构件工艺实现的可能性超过单一纤维复合材料，相应又进一步扩大了构件的设计自由度。如玻璃纤维复

6、合材料飞机机翼的翼尖部位刚度不够，可在翼尖部位适当使用碳纤维，制成混杂复合材料构件来增加刚度。而这种混杂复合材料构件的设计在工艺上是不难实现的。v 3）提高与改善复合材料的某些性能。v 通过不同类型纤维、不同纤维的相对含量、不同的混杂方式进行设计可得到不同的混杂纤维复合材料，以提高或改善复合材料的某些性能。v 1.在碳纤维复合材料中用15%玻璃纤维和碳纤维混杂，其冲击强度较单一碳纤维复合材料提高23 倍。v 2.玻璃纤维复合材料的模量较低。如引入50%的碳纤维作为表层，其模量可达到碳纤维复合材料的90%。v 3.碳纤维、Kevlar 纤维等沿纤维轴向具有负的热膨胀系数，如与具有正的热膨胀系数纤

7、维混杂可以得到预定热膨胀系数的材料，甚至可得到零热膨胀系数的材料。这对飞机、卫星等用高精密构件是非常重要的。v 4）降低制品成本。v 在性能允许的情况下，用价格低的纤维取代部分高价纤维制成混杂复合材料构件可以降低制品成本。另一方面，使用适量高价但高性能的纤维制成混杂复合材料构件，获得材料的高性能/价格比，同样获得大的经济效益。v 如直升飞机的金属旋翼桨叶改用混杂复合材料，就材料本身可能增加了成本。但结构改变后，零件数由原400 种减少到100 余种，重量减轻40%，同时简化了生产工艺、缩短了制备周期使用寿命由金属的几百小时提高到上万小时，取得了明显的经济效益。混杂纤维复合材料是复合材料发展重要方向之一v 1纤维的协调匹配，取长补短，不仅具有较高的模量，强度和韧性，而且可获得合适的热物理性能，扩大结构设计的自由度和材料的适用范围。v 2.减轻质量，降低成本，提高经济效益。