近零膨胀复合材料构件铺层设计及试验研究

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1、万方数据天津工业大学硕士论文碳纤维复合材料与钢、铝材料的性能，可以看出碳纤维复合材料的各项性能均优于钢、铝材料。—■镪圈铝皿黯槲k皿衄越越图1-1碳纤维复合材料与钢、铝材料性能比较从广义上讲，复合材料是由两种或两种以上具有不同物理化学性能的材料在宏观尺度上构成的一种多相材料。复合材料具体而言是指经过选择的、含一定数量比的两种或两种以上的组元通过人工复合，组成多相、三维结合且各相之间有明显的界面的、具有特殊性能的材料f1】。复合材料的主要特征是：微观上是非均相材料，各个组分材料间有明显的界面；组分材料性能差异很大；组成复合材料后强度、刚度、热学性能有较大的改善；各组分材料的体积

2、分数应大于10％。复合材料按照增强材料形式的不同主要可以分为颗粒增强复合材料、纤维增强复合材料、晶须增强复合材料、多相结构复合材料等。到目前为止，以纤维增强复合材料最为常见。纤维增强复合材料按照纤维种类分为碳纤维、玻璃纤维、硼纤维、芳纶纤维、氧化铝纤维增强复合材料等；按照基体材料可以分为各种树脂基体、各种金属基、石墨基和陶瓷基几种；按照增强纤维形状、尺寸可分为短纤维、连续纤维、纤维布增强复合材料等。本文研究的是连续碳纤维增强环氧树脂基复合材料。一般来说，纤维复合材料的组元是纤维和树脂，纤维形式不变、两者形态上完全分相，如图l一2所示。一般而言长纤维增强复合材料的性能比短纤维增

3、强复合材料要好，但各向异性明显，经常用作结构材料。纤维与基体的协同作用赋予了纤维增强复合材料各项优异性能。纤维与基体材料在复合材料中发挥各自优势的同时，共同配合，互取所长。其中纤维主要负责承担载荷、提供力学性能、提供电学等性能，纤维承担着复合材料中大约70％----90％的载荷，分担复合材料热稳定性、强度、硬度等结构性能。基体材料主要起到黏接、隔离、保护纤维、定型的作用并对复合材料的破坏模式和性能产生影响。万方数据第一章绪论基体材料主要有金属、非金属、各种树脂材料，若对材料的比重有要求则可以选择树脂作为复合材料的基体。图1．2纤维与树脂制备复合材料过程与金属材料相比，纤维增强

4、复合材料显示出很大的优越性，具体体现为【1】：(1)具有高的比刚度、比强度。在与钢材料刚度相同时，重量仅为钢的五分之一，比强度可以达到铝合金的3至5倍。(2)具有良好的耐腐蚀性和耐疲劳强度。单向碳纤维增强环氧树脂复合材料的疲劳强度是静态强度的90％，而钢的疲劳强度只能达到50％。(3)抗噪音、耐冲击性能、振动性能良好。振动阻尼比金属高一个数量级。(4)可设计性强。纤维增强复合材料的性能除了与纤维与树脂自身特性密切相关，还决定于复合方式、复合结构。通过树脂、纤维及复合方式、结构的变化，能够得到性能各异的复合材料，例如通过选择不同的纤维原料、纤维体积含量、不同的铺设形式可以使复合

5、材料单一方向的热膨胀系数达到零，使复合材料具有更好的尺寸稳定性。(5)能够一体成型具有广阔的制造可能性。复合材料可以制造复杂轮廓，实现特殊形状整体成型，甚至不需要焊接和铆接，减少了连接部件，减少了装配时间，可靠性增加，大大缩短了生产周期，降低了加工成本。(6)可以制造智能部件。复合材料的在线加工控制性强，可以在结构中埋入传感元件。但纤维增强复合材料也存在一些缺点，主要体现在以下几方面：(1)原料成本高。成本几乎为铝和钢的5"--'20倍。(2)自动化程度低，劳动力需求量大，效率和产量受到限制。(3)性能数据缺少。纤维增强复合材料可参考的性能数据不完整，给产品的设计造成困难。(

6、4)容易吸湿，吸湿后产品性能会受到影响。(5)耐热性能、耐溶剂、耐环境应力开裂、耐化学性能与基体的性能息息相关。万方数据天津工业大学硕士论文为克服以上缺点，国内外研究者长期致力于复合技术的改进工作，并取得了优异的成果。复合材料的成型工艺从最简单的手糊成型逐渐发展壮大，纤维缠绕、SMC、RTM等技术的出现使复合材料的产量得到大幅度提高。复合材料的成型工艺多种多样，可以根据产品制造的实际情况选择合适的成型工艺进行加工。目前经常使用的复合材料成型技术如图1．3所示。图1—3常见复合材料成型工艺基于上述独特优势，复合材料成为能源、电子、生物工程、空间技术、新材料等公认高技术赖以发展的

7、基础。玻璃纤维增强树脂基复合材料是最早开发和应用的复合材料，最早在20世纪40年代，美国首先用手糊工艺制造了玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂复合材料并应用到军用雷达罩和飞机油箱，为纤维增强复合材料在军工用的应用开辟了道路。随着纤维生产技术的不断提高，在二十世纪60"--"70年代相继开发出轻质的碳纤维、芳纶纤维及其它高性能纤维。纤维增强复合材料最初应用于航空航天工业，而且一直在航空航天需求的驱动下不断发展，代表着复合材料最先进的技术。航空航天工业对纤维增强复合材料的应用主要是看重了其轻质、能够提升飞行器的性能