復(fù)合材料力學(xué)

復(fù)合材料力學(xué)第1頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月復(fù)合材料力學(xué)第二章、制備與表征熱固性樹脂（如聚脂、環(huán)氧等）一般是粘度很大的液體狀，類似很稠的漿糊，但粘度大。如果不加固化劑（Hardener），樹脂的液狀形態(tài)將始終保持不變。固化劑也是一種液態(tài)物資，當(dāng)按比例與樹脂相混后，樹脂的黏度大大降低、流動性增加，變成膠水狀，方便向增強(qiáng)纖維中浸膠。在適當(dāng)?shù)臏囟认?，這種膠水狀的持續(xù)時(shí)間有限，短者幾分鐘、長不過一、二個(gè)小時(shí)，基體開始固化、變硬，同時(shí)釋放大量的熱。由于基體的固化，將一根根彼此獨(dú)立的纖維粘結(jié)、捆綁成一個(gè)整體，成為復(fù)合材料制品。樹脂開始固化的時(shí)間與固化劑用量和環(huán)境溫度有很大關(guān)系。相同樹脂，固化時(shí)間可達(dá)數(shù)分鐘或數(shù)小時(shí)。第2頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月復(fù)合材料力學(xué)第二章、制備與表征一般來說，在固化劑用量范圍內(nèi)使用量越大，樹脂維持液態(tài)的時(shí)間越短，固化后制品越脆；溫度越低，則樹脂維持液態(tài)的時(shí)間越長。習(xí)慣上將樹脂固化前維持液態(tài)的時(shí)間稱為凝膠時(shí)間。實(shí)際生產(chǎn)中可以充分利用這一特點(diǎn)，調(diào)整凝膠時(shí)間，達(dá)到不同的工藝目的。比如，若制品較大或鋪層較多，需要較長時(shí)間準(zhǔn)備鋪層來確保制品品質(zhì)，可以通過減少固化劑用量、降低環(huán)境溫度來延長凝膠時(shí)間；但若制品重復(fù)性好、可實(shí)現(xiàn)自動生產(chǎn)，則可以通過提高環(huán)境溫度來縮短凝膠時(shí)間。另外，不同的樹脂或固化劑，固化要求的環(huán)境條件（溫度等）不一樣。有的只需在室溫（200C左右）下固化，有的則須在中溫（如800C）下固化。固化度表示固化程度，一般制品要求90%以上。第3頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月復(fù)合材料力學(xué)第二章、制備與表征中溫固化必須對浸膠后的纖維（濕纖維）升溫。這一方面使工藝變的復(fù)雜、加大了設(shè)備投入，但在另一方面，可以有足夠的時(shí)間完成固化前的各項(xiàng)準(zhǔn)備，并且，中溫固化的復(fù)合材料制品品質(zhì)一般比室溫固化的要好、固化周期短。固化可以是在自然條件下進(jìn)行，也可以是在真空條件（制品置于真空袋內(nèi)）實(shí)現(xiàn)。在真空環(huán)境下固化的制品品質(zhì)一般都要好的多（減少氣泡等）。聚酯固化一般只需在室溫下進(jìn)行，中溫固化不易實(shí)現(xiàn)；但環(huán)氧則通過添加不同的固化劑，可以實(shí)現(xiàn)在很大溫度范圍內(nèi)固化。事實(shí)上，以環(huán)氧樹脂為基體做成的復(fù)合材料，即便在室溫下固化，也往往置于中溫爐內(nèi)進(jìn)行后固化處理，一是保證固化充分，二是消除內(nèi)應(yīng)力。第4頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月復(fù)合材料力學(xué)第二章、制備與表征第5頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月復(fù)合材料力學(xué)第二章、制備與表征第6頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月復(fù)合材料力學(xué)第二章、制備與表征手糊法是一種適用范圍廣、成本低但勞動強(qiáng)度大的工藝過程。制品的品質(zhì)在很大程度上取決于操作工的技術(shù)水平。第7頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月復(fù)合材料力學(xué)第二章、制備與表征2.1.2樹脂傳遞模塑法（RTM）RTM（ResinTransferMolding）工藝主要原理是：先在模腔中鋪放好按性能和結(jié)構(gòu)要求設(shè)計(jì)好的增強(qiáng)材料，封閉模腔，抽真空，再采用注射設(shè)備將低粘度樹脂體系注入閉合模腔，浸潤纖維、固化成型，得到復(fù)合材料構(gòu)件。

模具要具有周邊密封和緊固系統(tǒng)以及注射孔和排氣孔，以保證樹脂流動順暢并排出模腔中的全部氣體和徹底浸潤纖維。模具一般還應(yīng)具有加熱系統(tǒng)，可進(jìn)行加熱固化。

第8頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月復(fù)合材料力學(xué)第二章、制備與表征增強(qiáng)纖維芯模

下模腔上模腔注射孔排氣孔封模面封模面主要優(yōu)點(diǎn)：閉模成型，產(chǎn)品尺寸和外形精度高，適合成型高質(zhì)量的復(fù)合材料整體構(gòu)件；第9頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月復(fù)合材料力學(xué)第二章、制備與表征制品表面光潔度高（相對手糊成型）；

環(huán)境污染小(是唯一符合國際環(huán)保要求的復(fù)合材料成型工藝)；初期投資較?。ㄏ鄬ζ渌鼛追N方法）。主要不足：

工藝要求高，工藝參數(shù)較難控制；纖維體積含量一般在50%左右，比熱壓罐、纏繞成型低；對大部件成型時(shí)，有可能造成樹脂短路、制品報(bào)廢。第10頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1.3熱壓罐法（AutoclaveMolding）熱壓罐是一個(gè)封閉的容器，可以同時(shí)施加高壓、真空與溫度，實(shí)現(xiàn)較高品質(zhì)復(fù)合材料制品的制備。復(fù)合材料力學(xué)第二章、制備與表征第11頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月熱壓罐成型的對象為預(yù)浸料（prepreg）。復(fù)合材料力學(xué)第二章、制備與表征預(yù)浸料是預(yù)先浸有樹脂、經(jīng)過特殊工藝干燥但尚未固化的纖維布。升溫后，纖維布將產(chǎn)生固化。將預(yù)浸料裁剪成所需要的尺寸并按設(shè)計(jì)鋪層，置于熱壓罐內(nèi)。熱壓罐密封、抽真空、升溫、加壓。升溫將導(dǎo)致制品固化，加壓使各層形成良好粘結(jié)并可以壓制成較為復(fù)雜的曲面形狀，抽真空則可以消除固化中的氣泡產(chǎn)生。這種成型過程得到的制品品質(zhì)很高，纖維體積含量可以高達(dá)60-65%,但成本高昂。第12頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月復(fù)合材料力學(xué)第二章、制備與表征熱壓罐成型既可用于熱固性、也可用于熱塑性復(fù)合材料的制備。第13頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月復(fù)合材料力學(xué)第二章、制備與表征2.1.4纏繞法（FilamentWinding，長絲纏繞）在該過程中，連續(xù)纖維經(jīng)過低粘度的樹脂槽，然后，精確纏繞在芯模上。連續(xù)纖維束低粘度樹脂槽移動導(dǎo)向眼轉(zhuǎn)動芯模11詳細(xì)鋪層各層依次以相同或變化的角度纏繞一起直到達(dá)到所需要的厚度。第14頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月固化后，芯模可以根據(jù)需要移去，但對復(fù)雜結(jié)構(gòu)不能移去時(shí)往往采用薄壁芯模與復(fù)合材料成型一體。復(fù)合材料力學(xué)第二章、制備與表征適合于制備具有旋轉(zhuǎn)對稱的部件(管和柱)?？梢院芎每刂评w維鋪設(shè)方向，纖維體積含量則可高達(dá)65%。但設(shè)備投資高。一般適用于熱固性、但也可應(yīng)用于熱塑性復(fù)合材料的制備。第15頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月復(fù)合材料力學(xué)第二章、制備與表征第16頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1.5擠拉法（Pultrusion）顧名思義，擠拉法是將浸膠纖維束拔拉通過加熱的模具，在高溫下迅速固化，得到連續(xù)、相同截面的復(fù)合材料。纖維供給預(yù)浸導(dǎo)入熱固性樹脂槽預(yù)浸導(dǎo)出高溫模切斷截面復(fù)合材料力學(xué)第二章、制備與表征最適合于加工制備等截面、大批量的制品(桿、管、梁、角型、槽型等復(fù)合材料制品)。纖維定向非常一致，纖維體積含量可以高達(dá)60%。第17頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月復(fù)合材料力學(xué)第二章、制備與表征第18頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1.6噴射成型法（InjectionMolding）前面的成型方法主要是用于加工連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，噴射成型法則最適合于制備短纖維或顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料MoldedpartInsulationHeatedmoldRunnerCooledmanifold噴射腔混有短纖維的樹脂壓力泵容器旋轉(zhuǎn)推動桿復(fù)合材料力學(xué)第二章、制備與表征第19頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月復(fù)合材料力學(xué)第二章、制備與表征首先，混有短纖維和聚合物基體的原料置于容器中，通過溫控裝置加熱至流動狀態(tài)。通過置于容器內(nèi)的旋轉(zhuǎn)推動桿將液態(tài)原料擠出噴嘴，送達(dá)模腔。當(dāng)基體固化或膠連后，打開模腔，取出部件。噴射成型法適合于大批量制備復(fù)雜部件，可以精確控制部件的尺寸精度，但設(shè)備投資大、成本較高。該方法既可以用于熱塑性、也可以用于熱固性復(fù)合材料的制備。第20頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月復(fù)合材料力學(xué)第二章、制備與表征第21頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1.7熱壓成型法（Thermo-compressionmolding）

主要用于將平面形式的增強(qiáng)體－基體混合物轉(zhuǎn)換成三維復(fù)合材料構(gòu)型。“壓力成型”是最簡單的這類方法。將置于上、下兩半模具間的復(fù)合材料面料加熱到高于聚合物的軟化溫度，然后，模具對壓，得到所期望的結(jié)構(gòu)形式。模具加熱可以在自然環(huán)境、也可以是在真空環(huán)境下實(shí)現(xiàn)，后一種方式將使制品中的氣泡降到最低。分模后，得到復(fù)合材料制品。復(fù)合材料力學(xué)第二章、制備與表征第22頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月壓力板陽模定位銷陰模層板

模壓后的構(gòu)件加熱器

復(fù)合材料力學(xué)第二章、制備與表征第23頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月PressureSpacer19q1q2q3q4復(fù)合材料力學(xué)第二章、制備與表征第24頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月a)膜間層疊纖維布基體膜b)纖維共紡增強(qiáng)纖維基體纖維

基體粉末

增強(qiáng)纖維c)兩相共混纖維布顆粒

熱壓成型主要適合于熱塑性復(fù)合材料的制備復(fù)合材料力學(xué)第二章、制備與表征第25頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2表征2.2.1組成材料的性能纖維材料對于纖維，只有拉伸性能才可以通過現(xiàn)有的方法和手段測試，測試采用紙板夾持，示意如下。Tobecut復(fù)合材料力學(xué)第二章、制備與表征第26頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月纖維的其它力學(xué)性能（壓縮、剪切、泊松比等）難以直接測量，一般只能通過間接方式得到。即先測定復(fù)合材料以及基體材料的性能參數(shù)，再應(yīng)用細(xì)觀力學(xué)的公式反演出纖維的性能。純基體材料由于基體材料是各向同性的，基體的密度、強(qiáng)度、模量、泊松比、硬化模量、最大應(yīng)變、沖擊韌性等最重要的一些力學(xué)性能參數(shù)都有成熟的測試標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)用時(shí)，可以參照這些標(biāo)準(zhǔn)制樣和實(shí)驗(yàn)。復(fù)合材料力學(xué)第二章、制備與表征2.2.2纖維體積含量除了組份材料的性能外，影響復(fù)合材料性能的另一個(gè)重要參數(shù)是纖維體積含量。第27頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月有多種方法直接測試?yán)w維體積含量，常見的有燒釋法和基體溶解法。燒釋法:將一定面積的復(fù)合材料試樣充分干燥，比如，將試樣置于500C的烘箱內(nèi)干燥8小時(shí)以上。然后用電子天平精確測量試樣的重量Wc再將試樣放入陶瓷燒杯，置于加熱爐內(nèi)，升溫足夠高（對一般聚酯、環(huán)氧樹脂，加溫到5000C即可），將基體全部燒掉，剩余在陶瓷燒杯內(nèi)的為復(fù)合材料試樣所含的纖維。復(fù)合材料力學(xué)第二章、制備與表征雖然彼此有異，但基本原理都是通過去除基體后，根據(jù)剩余纖維的重量換算得到纖維的體積含量。第28頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月待燒杯冷卻后，測量剩余的纖維重量Wf。纖維體積含量就由下式計(jì)算：復(fù)合材料力學(xué)第二章、制備與表征(2.1)其中f、m分別是纖維和基體的質(zhì)量密度。其推導(dǎo)過程如下：

復(fù)合材料的密度為：(2.2)

c=Vf+mVm根據(jù)定義,

Vf=/

Vm=/(2.3)第29頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月其中、、分別是試樣中纖維、基體及復(fù)合材料的體積。復(fù)合材料力學(xué)第二章、制備與表征

根據(jù)定義Vf=Wfc/Wcf并由假定：

Vf+Vm=1(2.4)可導(dǎo)出公式(2.1)。(2.4)式忽略了氣孔、氣泡的含量，后者可以由

Vf+Vm+Vv=1導(dǎo)得為：(2.5)第30頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月復(fù)合材料力學(xué)第二章、制備與表征例2.1：復(fù)合材料風(fēng)機(jī)葉片由玻璃纖維和聚酯制成。已知玻璃纖維和聚酯的密度分別是：f=2.54g/cm3和m=1.24g/cm3，制備中測得樹脂的重量比為38%，試求此風(fēng)機(jī)葉片的纖維體積含量。解：根據(jù)所給條件，我們有Wm/Wc=0.38，從而，Wf/Wc=0.62。將這些參數(shù)代入（2.1）式，計(jì)算得到：因此，纖維體積含量為：Vf=44%。進(jìn)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31頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月復(fù)合材料力學(xué)第二章、制備與表征2.2.3復(fù)合材料的性能拉伸試驗(yàn)由于其加工性能較差，復(fù)合材料一般（采用水冷金崗圓鋸）切成等寬度的板條，端部再用鋁等材料貼成加強(qiáng)片，以便消除試驗(yàn)機(jī)夾在端部引起的應(yīng)力集中，使破壞在中間段發(fā)生。第32頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月復(fù)合材料力學(xué)第二章、制備與表征壓縮試驗(yàn)是最難做成功的試驗(yàn)之一，主要是在壓縮過程中易產(chǎn)生彎曲和屈曲。Specimen根據(jù)預(yù)試驗(yàn)的方法確定試樣的厚度和標(biāo)距。若(f-b)10%,試樣尺寸合適；否則，調(diào)節(jié)試樣的標(biāo)長與厚度。

目前最為有效的壓縮裝置是IITRI

裝置，如圖所示(IllinoisInstituteofTechnologyResearchInstitute)第33頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月復(fù)合材料力學(xué)第二章、制備與表征剪切試驗(yàn)在各種剪切方法與裝置中，Iosipescu方法是最有效的之一。c45o

450試樣

=P/ct

(2.6)t=厚度(寬度)剪應(yīng)力：剪應(yīng)變:

xy=245o

(2.7)f與b分別是試樣正面與反面的應(yīng)變。第34頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月彎曲試驗(yàn)PtbL3-點(diǎn)彎曲P/2P/2aLbt4-點(diǎn)彎曲一般，L/t=16、32、40或60彎曲特性(模量、強(qiáng)度等)用各向同性的材料公式計(jì)算，如3-點(diǎn)彎曲的強(qiáng)度公式為：復(fù)合材料力學(xué)第二章、制備與表征第35頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月復(fù)合材料力學(xué)第二章、制備與表征其中，Pmax為所加的最大載荷，L、b、t為梁的跨度、寬度與厚度。第36頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月MechanicsofComp.Mater.習(xí)題（思考題）

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