复合材料概论课件 王国荣 第四章 聚合物基复合材料课件

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1、第四章聚合物基复合材料4.1概述4.2RMC的种类和性能4.3RMC结构设计4.4RMC成型加工技术4.5RMC的应用4.1概述发展最早理论最成熟成型工艺最完善应用最广泛成本最低发展潜力大4.1.1种类按聚合物基体的结构分为纤维增强热固性塑料（FRP）和纤维增强热塑性塑料（FRTP）；按增强纤维种类分为GF、CF、KF、BF、SIC等纤维增强塑料。4.1.2性能1）力学特性2）物理性能3）化学性能4）工艺特点5）复合材料的弱点一.力学特性各向异性材料材料各方向的力学、物理、化学性能均不同表4-2碳/

2、环氧单向板各向异性特性线弹性FRP的线弹性特性，可以利用弹性力学理论中，不涉及材料性能参数的方程（如几何关系、静力平衡条件等）。用应力—应变关系曲线说明表4-2碳/环氧单向板各向异性特性性能纤维向弹性模量/GPa垂直纤维向弹性模量/GPa纤维向拉伸强度/MPa垂直纤维向拉伸强度/MPa纤维向热膨胀系数/×10-6/K垂直纤维向热膨胀系数/×10-6/KT300/42111268.01414351.030复合材料最显著的特性是其性能（包括力学性能、物理性能、化学性能等）在一定范围内具有可设计性。可通过

3、选择基体、增强材料的类型和含量及增强材料的排列方式及基体与增强材料之间的界面性质等因素，获得常规材料难以提供的某一性能或综合性能。C.可设计性D.比强度、比模量高材料密度g/cm3抗拉强度MPa拉伸模量GPa比强度*1e6/cm比模量*1e8/cm膨胀系数*1e-6/KC/环氧1.6180012811.380.2K/环氧1.415008010.75.71.8G/环氧1.81000385.62.17.0钢7.814002101.42.712铝合金2.8500771.72.823钛合金4.5100011

4、02.22.49.0表4-1RMC与传统金属材料比较E.抗疲劳复合材料具有高疲劳强度。例如，碳纤维增强聚酯树脂的抗疲劳强度为其拉伸强度的70%~80%，而大多数金属材料只有其抗拉强度的40%~50%。F.减震性能好结构及设备的自振频率除与本身的质量和形状有关外还与材料的比模量的平方根成正比。RMC具有高比模量，因此也具有高自振频率，这样可以有效地防止在工作状态下产生共振及由此引起的时期破坏。同时，复合材料中纤维和基体间的界面有较强的吸振能力，表明它有较高的振动阻尼，故振动衰减比其它材料快。对相同形状

5、和尺寸的梁进行试验得知,轻合金梁需9秒才能停止振动,而CFRP只须2.5秒就停止。二.物理性能1）低密度：GFRP、CFRP、KFRP2）低热膨胀表1-3各种材料的热膨胀系数（10-6/K）材料种类热固性塑料热塑性塑料钢材混凝土木材先进FRP木纹向垂直木纹向纤维向垂直纤维向热膨胀系数608010103100303）透波性、无磁FRP—透波性能好，可用作结构隐形材料、雷达罩、电子信息结构工程材料。三.化学性能1）耐腐蚀：FRP具有优良的耐酸、碱、有机溶剂和海水及抗微生物作用的能力，特别适用于化工建筑、

6、地下建筑及水工建筑等工程；2）耐烧蚀：FRP的耐烧蚀性能通常好于金属和陶瓷，其中玻璃纤维、石英纤维及碳纤维增强的酚醛树脂均为优良的耐烧蚀材料。四.工艺特点成型工艺灵活，可根据不同部位的强度、刚度要求灵活布置增强材料；可用模具一次性成型复杂结构，从而减少后加工，提高整体强度。工艺：手糊法、缠绕法、模压法、RTM法、挤拉法，袋压法……。五.复合材料的弱点1）弹性模量低：通用FRP，特别是GFRP弹性模量低，只有钢材的1/5—1/6；2）层间强度和剪切模量低：层间为纯基体、界面粘接强度低，无垂直于界面方向

7、的纤维造成，解决办法，三维编织；3）RMC的耐高温性能较差；4）材料价格高：GFRP10元/kg、CF40--2000美元/kg复合材料的结构设计过程中应扬长避短，追求高性能价格比。4.2RMC结构设计复合材料本身是非均质、各向异性材料，因此，复合材料在经典非均质各向异性弹性力学基础上得到迅速发展。设计方法和相关理论结构层次：结构—典型构件—层合板—单向板—纤维和基体；相关理论：复合材料细观力学—经典层合理论—复合材料结构力学—结构设计；细观力学分析：单向板宏观性能与细观组分性能和相对含量关系；经典

8、层合理论：弹性、小变形、界面粘接牢固假定下的层合板理论；复合材料结构力学：研究复合材料典型构件在各种边界条件下的力学特性；结构设计：复合材料结构设计基准、荷载基准、可靠性、优化设计方法。4.3RMC成型加工技术RMC的成型工艺是RMC工业发展的基础和条件。目前RMC的成型方法已达20多种。主要工艺方法：手糊成型、喷射成型、RTM成型、缠绕成型、拉挤成型、模压成型、卷制成型等。4.3.1手糊成型成型方法：增强材料选择树脂配合比设计涂脱模剂糊制成型固化脱模修整模具设计与制