复合材料指导书

CMYCMMYCYCMYKGTC-3-0509-内容简介1. 简介 4 1.1 复合材料基本理论 4 1.2 高分子基复合材料 42. 复合材料的设计 5 2.1 载荷 5 2.1.1 拉伸 6 2.1.2 压缩 6 2.1.3 剪切 5 2.1.4 弯曲 7 2.2 应力或应变 7 2.3 纤维方向 9 2.4 抗疲劳性能 93. 复合材料的整体性 9 3.1 混合定律 9 3.2 层合理论 11 3.3 层合方法 124. 夹芯复合材料 12GTC-3-0509-5. 材料选择 13 5.1 树脂基体 13 5.1.1 聚酯树脂 14 5.1.2 乙烯基酯树脂 16 5.1.3 环氧树脂 17 5.1.4 树脂性能比较 18 5.1.5 其它树脂系统 20 5.2 纤维 21 5.2.1 常见纤维及其它工程材料的性能 22 5.2.2 纤维种类 25 5.3 织物种类 28 5.3.1 单向织物 29 5.3.2 0/90度织物 29 5.3.3 机织编织物 29 5.3.4 多向织物 32 5.3.5 其它织物 34 5.4 夹芯材料芯材 34 5.4.1 泡沫材料 34 5.4.2 蜂窝材料 36 5.4.3 设计考量 386. 工艺方法 38 6.1 喷涂成型 39 6.2 手糊成型 40 6.3 真空袋工艺 41 6.4 缠绕成型 42 6.5 挤拉成型 43 6.6 树脂传递模塑工艺 (RTM) 44 6.7 其他灌注工艺 - SCRIMP，RIFT，VARTM等 45 6.8 预浸料 - 高压釜工艺 46 6.9 预浸料 - 非高压釜工艺 47 6.10 半预浸料SPRINT/梁用预浸料SparPreg - 非高压釜工艺 48GTC-3-0509-7. 二次粘接绑定 49 7.1 粘接理论 49 7.1.1 机械层间联锁 49 7.1.2 界面渗透理论 49 7.1.3 静电理论 49 7.1.4 吸收理论 49 7.1.5 弱界面层 50 7.2 表面预处理 50 7.3 粘接剂的选择 51 7.3.1 环氧类或增韧环氧类(Epoxy) 51 7.3.2 聚氨酯类(PU) 51 7.3.3 丙烯酸、甲基丙烯酸类结构粘接剂(Acrylics, methacrylates) 51 7.3.4 聚酯类(Polyester) 52 7.3.5 氨酯－丙烯酸（Urethane-acrylates) 52 7.3.6 热稳定型粘接剂：双马来酰亚胺（Bismaleimides） 聚酰亚胺（Polyimides） 氰酸盐酯(Cyanate esters) 52 7.3.7 厌氧型 (Anaerobics) 和氰基丙烯酸酯 (cyanoacrylates) 52 7.4 接头的设计 528. 凝胶、固化与后固化 539. 粘接测试和检测 53 9.1 目视检测 54 9.1.1 目视检测 54 9.1.2 敲击检测 54 9.1.3 超声检测 54 9.1.4 CT扫描 55 9.1.5 激光剪切测量技术 (Shearography) 55 9.1.6 热成像技术 (Thermography) 55 9.1.7 拉姆波检测 (Lamb Wave) 55 9.1.8 放射成像 (Radiography) 56 9.2 破坏性测试 9.2.1 力学性能测试 56GTC-3-0509-1. 简介为了更充分地展现复合材料在承载结构中的作用并拓展其应用空间，对结构复合材料本身及工艺方法的深刻理解是非常有必要的。这份指导书重点介绍了复合材料基本理论、原材料性能和在成品结构中广泛应用的各种工艺技术。1.1 复合材料基本理论复合材料广义的定义是将两种或两种以上具有不同物性的材料结合在一起，形成一种新材料，以满足某种特性的要求。实际应用中，复合材料包括基体材料和增强材料，增强材料通常以纤维形式出现，以提高基体的强度和刚度。常见的人造复合材料可以被分为三大类：高分子基复合材料 - 最广泛使用的复合材料，也被称为纤维增强高分子（FRP）材料，是此指导中重点讨论的对象。其中，高分子树脂为基体，各种纤维（如玻璃纤维、碳纤维和芳纶纤维）为增强材料。金属基复合材料 - 在汽车工业的应用日益广泛。该复合材料以金属如铝为基体，采用纤维或颗粒的方式增强，如碳化硅颗粒。陶瓷基复合材料 - 在极端高温的条件下使用。此复合材料采用陶瓷作为基体，短切纤维或晶须（碳化硅和氮化硼）为增强体制备而成。1.2 高分子基复合材料由于高分子树脂基体本身机械性能的限制，类似于环氧和聚酯的高分子材料无法和金属一样单独用于结构件的制造。然而，这类材料有着自身的性能优点，其中最突出的是它们很容易成型为复杂的形状。玻璃纤维、芳纶纤维和硼纤维等材料拥有较高的拉伸和压缩强度，但在块状形态下，其高性能的特点表现得并不明显，造成这种现象的原因是：被施加载荷后，表面随机分布的缺陷裂纹将导致材料在远低于“理论断裂点”时发生失效。为了克服这个问题，材料以纤维形式制备出来，尽管同样数量的缺陷仍会在纤维表面出现，但未发生失效的少数纤维可以体现材料的理论强度。因此，一束纤维可以更准确地反映材料的性能。只是纤维仅体现了沿长度方向的拉伸性能，无法体现其它性能。当树脂与纤维结合后，树脂基体传递载荷同时保护纤维免受冲击和磨损，高分子基复合材料结合了树脂基体和增强纤维的特性，同时被赋予了新的性能特点。高强度和刚度、易于成型为复杂形状、高耐候性，加上高分子基复合材料的低密度，使其在多个领域成为替代金属材料的最佳选择。 GTC-3-0509-综上所述，复合材料的性能取决于：i.) 纤维性能ii.) 树脂性能iii.) 纤维在复合材料中所占比例（纤维体积分数）iv.) 纤维在复合材料中的形状和排布方向前两个性能在下文会做详细讨论。纤维在复合材料中的比例很大程度上取决于制造工艺，制造工艺部分也会在下文讨论；该参数也受到树脂类型和纤维增强方式的影响。通常，纤维的力学性能远高于树脂，纤维体积分数越高，复合材料的力学性能也越好。但实际应用中并非完全如此，因为纤维需要被完全浸润并且纤维排布合理才能起到增强作用。而且，制造过程中各种缺陷或空气会被引入材料中，也会影响复合材料力学性能。就造船工业常用的手糊成型工艺而言，纤维体积分数大约可以达到30-40%；广泛应用于航空航天工艺的高性能、高精确度工艺，通常可以成功获得高达70%的纤维体积分数。纤维增强方式对复合材料性能也很重要，原因在于纤维仅在其长度方向拥有最高的力学强度，这导致复合材料有很明显的各向异性，与金属材料不同，复合材料在各个方向的力学性能差别很大，所以使用复合材料时，在设计阶段就要对其性能有深刻理解，包括用量和载荷方向。如果很好地解决了这些问题，各向异性将成为复合材料的巨大优势，只需把材料铺在需要承受载荷的位置，避免了多余材料造成的浪费和重量增加。另外需要注意的是，金属材料的性能很大程度上取决于材料供应商，使用者无法改变材料的固有本质。然而，复合材料是在结构构建的同时成型，这是复合材料的基本特性，无论是在设计阶段还是在制造阶段，都应该时刻考虑到该特性。2 复合材料的设计2.1 拉伸结构中的材料主要承受以下四种载荷：拉伸，压缩，剪切和弯曲。GTC-3-0509-2.1.1 拉伸图1给出了施加在复合材料上的拉伸载荷，复合材料在拉伸作用下的变形基本取决于增强纤维的拉伸强度和模量，这些性能远高于树脂体系本身的性能。 图1- 拉伸载荷2.1.2 压缩图2显示了复合材料承受压缩载荷时的状况。树脂在复合材料中的作用是保证纤维垂直排列并且防止纤维弯曲，纤维和树脂粘结以及树脂的模量对压缩强度有至关重要的影响。 图2- 压缩载荷2.1.3 剪切图3显示了复合材料承受剪切载荷时的状况，剪切载荷会让纤维层间发生滑动，此时，树脂在复合材料内传递载荷，为主要影响因素。树脂具有良好的机械性能并且与增强纤维有良好的结合，才能保证复合材料具有较高的剪切性能。多层复合材料的这一性能常用层间剪切强度进行表征。 图3- 剪切载荷GTC-3-0509-2.1.4 弯曲弯曲载荷结合了拉伸、压缩和剪切等作用力。如图4所示，上表面受到的是压缩，下表面受到的拉伸，中间部分则承受剪切作用。 图4- 弯曲载荷2.2 应力或应变多层复合材料的强度定义为：材料完全失效时所能承受的载荷。这里的完全失效指的是树脂和增强纤维均完全断裂。然而，在达到失效强度前的某一应力水平下，树脂将开始从那些不沿载荷方向分布的纤维上剥离断裂，裂纹进而扩展至全部树脂基体，即所谓的“横向裂纹”。虽然在此应力水平材料不会完全失效，但断裂已经发生；设计时需要注意：如果希望延长结构寿命，在正常服役载荷下多层复合材料的应力不能超过此应力水平。图5- 典型层合板的应力/应变曲线GTC-3-0509-多层复合材料在出现微裂纹前的应变，很大程度上依赖于树脂体系的韧性以及与纤维的结合性能。对于很脆的树脂体系，如聚酯，微裂纹远在复合材料未失效前就开始出现，严重制约了材料的应变。例如，测试显示，玻璃纤维方格布增强聚酯复合材料的微裂纹在应变为0.2%时出现，最终失效应变却高于2.0%，亦即该材料的有效强度仅为极限强度的10%。尽管多层复合材料的极限拉伸强度取决于纤维强度，树脂中的微裂纹也不会使材料性能立即下降，但是在恶劣的现实环境中，如果遇到水或潮湿的空气，存在微裂纹的复合材料容易吸收更多的水，这样不仅增加结构重量，而且湿气会破坏树脂和纤维胶粘剂的结构，使其刚度下降，最终随着时间的推移，结构完全失效。通常树脂的化学性能和它与纤维表面胶粘剂的相容性决定了纤维/树脂的结合强度。环氧树脂具有优异的粘结性能，这已得到大家的认可，这种性能有助于多层复合材料获得更高的微裂纹应变。树脂的韧性比较难以测定，但可以用最终失效应变进行表征。图6比较了不同树脂的应力应变曲线。 图6- 典型树脂的应力/应变曲线需要注意的是，当复合材料承受拉伸载荷时，为了提高结构件的整体力学性能，树脂的变形量至少与纤维相当。图7给出了各种纤维自身的失效应变（非处于复合材料中），从中可以看出，S-玻纤的断裂伸长率为5.3%，因此需要与断裂伸长率接近的树脂搭配才能获得最高的拉伸性能。GTC-3-0509- 图7- 典型纤维的失效应变2.3 纤维方向纤维在复合材料中的分布很难实现完美排列，纺织纤维布容易导致纤维弯曲，使纤维束与载荷方向不一致。即使是非机织的缝合布，纤维束在缝合线附近也会出现弯曲。纤维束排列方向偏移将导致力学性能严重下降，特别是压缩性能，因为纤维束弯曲增加了材料屈曲的几率。2.4 抗疲劳性能与大多数金属材料相比，复合材料表现出了更优异的抗疲劳性能。考虑到疲劳失效是微量损伤的不断累积，任何复合材料的疲劳行为都受到以下因素的影响：树脂韧性，抗微裂纹能力，空隙率和制造过程中引入的其他缺陷。所以，环氧树脂基多层复合材料往往比聚酯和乙烯基酯的抗疲劳性能更卓越，这也是环氧树脂被应用于航天飞机结构的重要原因之一。3. 复合材料的整体性大部分复合材料结构都是由纤维或纤维布层铺而成的。因为纤维铺层方向可以变化，材料在厚度方向的性能并非一致，在三个方向均为高度各向异性。3.1 混合定律对于材质均一、各向同性的材料，其整体性能可以用杨氏模量和剪切模量进行描述，当这些材料结合形成复合材料后，可以根据各组分的贡献简单地对复合材料性能进行评价，即混合定律。对于两组分的复合材料：GTC-3-0509-0Vf+ Vm=1 其中，Vf = 纤维体积分数 Vm = 树脂体积分数基于混合定律，复合材料性能Pc 可以用以下公式评价：Pc= PfVf +P+P PPmVm =P=P PPf VVf +P+P PPm (1-V(1-Vf) 其中，Pf和Pm为纤维性能及树脂性能以弹性模量E1为例，平行于纤维方向时计算公式如下：E1=EfVf