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纤维增强复合材料论文三篇

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  篇一:玻璃纤维增强材料论文

  摘要:本文从玻璃纤维增强材料的特点用途开篇,通过介绍玻璃纤维国内外的发展现状,与玻璃纤维增强材料生产中所体现出的问题,进而对玻璃纤维增强材料的发展前景做出预测。

  关键词: 玻璃纤维增强材料 发展现状 发展前景 特点

  引言:

  玻璃纤维增强材料简称(GFRP)俗名玻璃钢。它是以玻璃纤维及其制品(玻璃布、带、毡、纱等)作为增强材料,以合成树脂作基体材料的一种复合材料。 复合材料的概念是指一种材料不能满足使用要求,需要由两种或两种以上的材料复合在一起.组成另一种能满足人们要求的材料,即复合材料。单一种玻璃纤维,虽然强度很高,但纤维间是松散的,只能承受拉力.不能承受弯曲、剪切和压应力 ,还不做成固定的几何形状.是松软体。如果用合成树脂把它们粘合在一起,就可以做成各种具有固定形状的坚硬制品.既能承受拉应力,又可承受弯曲、压缩和剪切应力 这就组成了玻璃纤维增强的塑料基复合材料。根据合成树脂的不同玻璃钢主要有环氧玻璃钢、酚醛玻璃钢、聚酯玻璃钢。

  玻璃纤维增强材料的特点、用途:

  玻璃纤维增强复合材料强度高、质量轻,具有减震性、抗疲劳性、耐化学品腐蚀性等优点,并且具有优异的抗弹、降噪性能,而且是价格低廉[1]。在汽车中应用玻璃纤维增强材料,可以提高汽车用材料的力学性能,降低汽车零部件的制造成本,加快汽车的装配速度,减轻汽车的重量,节省燃料. 随着汽车工业的迅速发展,对玻璃纤维及其复合材料的市场需求量将与日俱增,因此对玻璃纤维增强材料研究有很大的现实意义。

  玻璃纤维的发展现状:

  国外情况:美国是世界上生产玻璃纤维及复合材料数量最多的国家。它的玻璃纤维产量占全世界玻纤总产量的 32%(1992),1992年它所生产的复合材料包括热塑性及热固性玻璃钢为113万吨, 占全世界总产量的33.2%[2], 据国外最新报道,2003年全球玻璃纤维总产能已达到300万吨,实际生产总值为250万吨,其中地窑拉丝产量已占总产量85-90%,在250万吨总产量中用于增强热固性塑料的制品越有100万吨,热塑性的制品有70万吨。其中纺织产品及湿法薄毡共80万吨,共占总产量的32%,玻璃纤维纺织纱及机织物针织物,网格织物,缝编织物,与多轴向织物,是玻璃纤维制品中品种最多的一类玻纤制品,发展速度很快,具有广阔的市场前景。

  据国外专家预测,今后几年内,全球玻璃纤维总产量平均年递增速率将保持在5%左右,即全球玻纤总产量平均每年递增12-13万吨左右,其中美从2002年到2007年的年增长率为2.5%,欧洲为4%,亚洲为7%。国外玻纤制品的分类主要有纺织制品,增强制品,其中增强制品包括增强用纱,增强用毡,增强用布,增强热固性热塑性材料等。

  国内情况:据我国玻璃纤维工业协会报道,2003年全国玻璃纤维总产量 47.3万吨,同比增长32.7%,其中池窑玻纤产量为27.8万吨,同比增长73.75%,纺织玻璃纤维占31.72%,增强玻璃纤维占68.28%。按产品品种分类,则纺织玻璃纤维中有各种工业用布6万吨、电子电器布5万吨、各种纺织用纱2万吨等等。

  我国玻璃纤维制品的应用领域包括电子电器领域,目前我国已经成为世界印制电路板生产中心,成为世界第二大印制电路生产国。建筑防水应用领域,由于玻璃纤维具有耐水耐碱拉伸强度高化学性能未定等优点,可以通过表面处理方式,与树脂沥青等材料结合成为较为理想的的防水材料。化工环保应用领域,由于玻璃纤维耐高温抗腐蚀,具有很高的抗拉强度,所以在化工及环保等工业部门得到了越来越广泛的应用。航空航天及通讯领域,玻璃纤维作为一种新型功能材料和结构材料,目前已经成为航空航天通讯部门不可缺少的基础材料。 玻璃纤维增强材料的生产上存在的问题:采用传统的切削方法加工纤维增强复合材料,还存在很多问题,普遍存在刀具磨损快、加工精度低、粉尘污染严重等问题。对以GFRP材料的加工特性进行了研究分析,主要表现在以下几方面:

  (1)刀具磨损快,寿命低。玻璃纤维材料含硅、铝等元素,易形成二氧化硅和三氧化二铝等高硬度、难切削的物质,由于摩擦(钻头、孔壁和切屑三者之间相互摩擦)的存在,这些物质不断变碎,排屑比较困难,未排出的切屑在孔内变成研磨料,研磨刀具表面,致使刀具急剧磨损;切削加工时产生的切削热随刀具、切屑、空气传散出去的很少,致使切削区域温度升高,而且大多集中在刃口部位,在这样的条件下进行切削加工,刀具刃口更容易被磨钝。

  (2)加工质量差。刀具的几何参数、刀具材料、切削工艺参数、操作方式、冷却方式等都会影响纤维增强复合材料的加工精度。除孔尺寸误差、圆度误差、位置误差等几何缺陷外,孔壁周围经常出现材料抽丝、毛边、分层、撕裂、裂纹等加工缺陷,尤其是在孔的进口和出口处,由于没有外层材料的约束,纤维增强复合材料的最外侧(顶面层和底面层)材料刚度弱,抵抗变形能力差,在切削力和切削热的共同作用下,很容易发生由于变形和退让形成的孔口撕裂及分层现象;孔径收缩也很严重,甚至会卡住、咬死钻头,使得刀具无法退出己加工孔,破坏了孔的加工表面,深孔钻削时尤为严重:这些特有缺陷是GFRI钻孔技术研究的重点。

  (3)粉尘污染严重,玻璃纤维增强复合材料切削形成的粉尘是以一种不均匀、无规则运动状态而存在的,具有一定的附着能力,无论是在机床上、工件表面上、操作者身上,还是除尘装置中,都可以看见一层附着物,对皮肤有一定的刺激性,有刺痒的感觉。吸入大量粉尘还对呼吸系统造成损害,严重时可能会得矽肺,让人丧失劳动能力。因此,在复合材料进行加工过程中一定要采取有效的除尘防护措施,避免粉尘污染环境和操作间的空气。

  玻璃纤维增强材料的发展前景:

  目前,美国复合材料的年平均增长率为4%,我国比美国的增长速度较快约为9%,是全球复合材料增长较快的国家。在复合材料行业中,玻璃纤维增强材料中的热塑性塑料远远超过热固性塑料,其原因是热塑性材料的所具有的独特的可回收再利用的特性,可采用注射,挤出,压制,层压等各种方式,同时具有成型周期短,生产效率高等优点,其应用范围不断扩大。

  据有关资料表明,1997年我国GFRP总产量为20万吨,2002年发展到54万吨,这五年平均速率为18.4%。我国交通,电力,建筑等行业的发展,强烈要求增强型热塑性材料的高速增长,所以应加大开发力度,针对玻璃纤维增强材料化学惰性大,成型粘度大的特点,积极开发专用浸润剂,提高其与塑料表面的结合力和熔融混合的均匀性,最好能制成高质量的预混品。

  据国外统计,汽车业,建筑业占玻璃纤维增强塑料消费市场的50%以上,随着我国汽车工业的快速发展和建筑业水平的不断提高,玻璃纤维增强热塑性材料将有非常广阔的市场前景。

  结语:

  总之玻璃纤维增强材料的发展趋势:一是玻璃钢的应用范围不断开拓,二是玻璃钢先进性能不断提高,玻璃纤维增强材料也具有弹性模量低、长期耐温性差 、易老化等缺点阻碍了应用的发展。所以以后的研究中着力改善其性能中不足的地方。而其面临的问题:一是由材料性能的提高带来的材料的难加工性与刀具的磨损,成本的提高,二是玻璃钢的再利用问题,美国、日本有关厂家已对热固性玻璃钢的废料提出了两种不同的处理方法,如美国的机械粉碎法,将玻璃钢废料经速冻、粉碎、磨粉,将所得细粉做填料使用。中国玻璃钢的回收利用技术尚处于起步阶段。

  参考文献

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  [2] 林树益,高建枢,朱晶莹.国内外增强用玻璃纤维的现状与发展.南京玻璃纤维研究设计院(210012),1994(2).

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  [8]张世杰,张炜,郭亚林.纳米炭粉改性炭布/苯并噁嗪复合材料性能研究[J].玻璃钢/复合材料,2009,(2):29.32.

  篇二:关于纤维增强复合材料力学性能可设计性的分析

  摘要:纤维增强复合材料是一种多相结构材料,主要由增强纤维和树脂基体材料组成。其性能可设计性是指可按照设计要求进行选择不同的增强材料和树脂基体材料以及它们的含量和各种铺层形式,可组成具有不同性能的各种复合材料。这给复合材料可设计性提供更大的自由度。该文结合工程应用需要,主要对其力学性能可设计性进行了分析研究。

  关键词:纤维增强复合材料 力学性能 可设计性 分析

  Abstract: Fiber-reinforced composite,which was a muhiphase

  material,consisted of reinforced-fiber and resin. The properties of this composites can be designed by choosing different fiber, resign basis, their volume and lami-nate forms. This method provided more design freedom, and can make kinds of products with different properties. According to the need of engineering, the designability of composites mechanical properties were researched in this paper.

  Key Words: Fiber-reinforced composites Mechanical properties DesignabilityAnalysis

  1 引言

  纤维增强复合材料是一种各向异性材料,它可以根据各种构件的载荷分布要求选择不同的纤维增强材料和树脂基体材料。选择适合构件性能要求的铺层形式来满足强度、刚度和各种特殊要求,可为结构设计优化提供更大的自由度,这是传统的各向同性材料无法比拟的。

  纤维增强复合材料单向板的力学性能是复合材料结构的基本单元。掌握纤维增强复合材料单向板的力学性能是进一步分析各种铺层层合板力学性能的基础。对纤维增强复合材料进行结构分析和应力分析时,必须知道单向板的4个材料固有性质,即E1T 、E2T 、μ12和G12;此外还至少要知道单向板5个基本强度数据,即σ1T 、σ2T 、σ1C 、σ2C和τ12 。为了确定上述9个工程常数,结合型号任务的需求,我们选择了M40碳纤维作为增强材料与环氧648三氟化硼单乙胺为基体材料,采用真空袋一热压罐成型工艺,在较稳定的工艺条件下制备M40/环氧648复合材料单向板和工程应用中常用的几种铺层形式层板,对其进行了性能试验和分析。本文除了对上述内容作了简要分析外,还对正交织物复合材料的有关内容作了相关分析。

  2 复合材料的力学性能特点

  在纤维增强复合材料中,纤维增强材料和树脂基体材料的性能往往有很大差异,因此在单向复合材料层板层内,沿纤维方向的性能(称为纵向性能,它主要由纤维性能决定)和垂直于纤维方向的性能(称为横向性能,它主要由树脂基体性能决定)相差很大,从而形成正交各向异性性能。而层合复合材料又是由不同方向的单向材料层叠合而成,所以在层合复合材料层面内,各向异性的特性更为突出,呈现出比正交各向异性更为复杂。此外,垂直于层面的性能(称为层间性能,它主要由层间结合材料决定)又与层内性能有很大差异,这又进一步增加了复合材料性能的复杂性。

  总之,复合材料是一种非均匀的各向异性材料,与传统的金属材料相比,在性能的表征上要复杂得多。例,按照单向复合材料的特点,它主要的力学参数有:E1T(纵向拉伸弹性模量)、E2T(横向拉伸弹性模量)、γ12(纵横向拉伸泊松比)、

  G12(剪切模量)、σ1T (纵向拉伸强度)、σ2T (横向拉伸强度)、σ1C(纵向压缩强度)、σ2C(横向压缩强度)和τ12(剪切强度);而对各向同性的金属材料则可近似地记为:E1T=E2T、γ12=γ、σ1T=σ2T 、σ1C =σ2C、G12=G,且G=E/2(1+γ),这显得金属材料表征要比复合材料简单得多。

  由层合复合材料力学性能分析可知,单向复合材料是复合材料的基础,因此常用它的性能来说明复合材料的性能。一般在手册中复合材料性能数据就是指单向复合材料数据,这里需特别指出的是单向复合材料性能只是表征复合材料性能,决不能用它替代实际使用的复合材料性能,即层合板复合材料性能。

  复合材料的性能与材料中含有的纤维数量有很大关系,所以在规定上述数据时,一般还应给定材料所含的纤维数量,一般用纤维所占的体积百分数Vf来表示,称为纤维体积百分含量。

  3纤维取向与强度一各向异性

  单向复合材料,以应力方向与纤维轴平行时为标准,使θ的角度从0°到90°,即变化到直角时复合材料层板的强度变化结果见图1所示。此图的纵轴是对数刻度,在θ=0°的时候,即应力与纤维平行所加载荷时的断裂强度为100,随θ的增加,强度急速减少,90°的时候只显示了3%的强度。把不同方向的强度有如此大差别的材料称为各向异性材料,所以纤维增强复合材料是典型的各向异性材料。

  图1单向叠层板不同拉伸方向的不同破坏机理

  图1中除了实测数据外,还有3条线,这是表 示试样破坏时的估算值:①假设纤维拉伸破坏;②假设纤维与基体之间的剪断破坏;③假设基体拉伸破坏。从这些估算值和实测值的情况来看,θ只有在非常小的时候才是纤维的拉伸破坏;而在几度至15°时纤维和基体之间的剪断破坏成为控制因素,强度降至1

  0%左右;当θ达到更大角度时,强度变成百分之几。基材的破坏是控制因素。 从以上结果可得出:①单向型复合材料,在沿纤维方向有特高的强度和刚度,但在垂直纤维方向上却很弱,因此只有在载荷情况非常清楚的情况下才使用这种材料。例:揽绳、柱等杆件在一般计算中把它作为单向受力分析的;②复合材料是一种多相结构材料,在力学分析时,在考虑纤维和基体性能时,还应考虑纤维与基体的界面性质。

  4材料设计分析

  在工程实际应用中,单向复合材料很少能单独使用,要缓和各向异性,使用多向排列纤维是可以实现的。图2(a)为[0°/90°]T铺层形式,以理论估算分析其纵向、横向强度是相同的,因铺层厚度增加1倍,则单位截面积平均强度减小一半,此时以与纤维轴成45°方向拉伸时,暴露出增加纤维的不足,进而变为准各向同性的话,可按图2(b)那样采用[60°/0°/60°]T铺层形式,此时厚度增加1层,而强度变成约1/3。按此思路分析,如果把单向材料按实际需要铺叠出层板,就可反映出纤维增强复合材料可以根据方向来设计的特性。由此可见,材料设计的特性是完全能够实现的。

  5纤维增强复合材料单向板和几种铺层层合板力学性能

  复合材料结构设计与所用材料性能有着密切的 关系,而选用不同的材料会使结构特性有很大的差异,为了满足我单位结构设计的要求,对M40/环氧648材料的性能进行了测试,其结果列于表1和表2中。

  除此之外,根据结构设计对M40/环氧648层合板铺层设计和分析要求,对M40/环氧648单向板工程常数和几种铺层层合板拉伸性能测定结果见表3、表4。

  6正交织物复合材料

  正交复合材料可以用正交织物或用单向预浸无纬布按[0°/90°]s铺层形式制作。其在0°、90°方向上可以有较大的强度和刚度,但在45°方向上性能则较低,对于一般矩形平板或薄壳形结构件,可采用这种铺层形式。碳纤

  篇三:材料复合设计论文-纤维增强镁基复合材料工艺设计

  摘要:本设计选择镁作为复合材料的基体,选择碳纤维作为增强体,根据镁基复合材料的结构与性能上的特点设计了复合方案,并介绍了纤维增强镁基复合材料的性能特点和应用前景等。本文设计采用压挤铸造法和喷射沉积法制备碳纤维镁基复合材料的工艺方案。通过分析这两种制备方法的原理确定了这两种设计方案的工艺流程图,并对工艺流程具体问题进行分析总结。

  关键词:纤维增强;镁基;挤压铸造法;喷射沉积法;工艺流程

  前言:

  传统镁金属及其合金虽然有着良好的强度、刚度、韧性,但是其耐腐蚀性、耐氧化性以及塑性等方面却不尽人意。而在通过材料复合后,其表现出的良好的化学性能、耐磨损耐疲劳、耐高温等一系列优良的性能备受航空航天、汽车、机械及电子等高技术领域的重视[1]。自二十世纪八十年代至今,镁基复合材料已成为金属基复合材料的研究热点之一[2-3]。

  1.纤维增强镁基复合材料的性能特点

  与传统的金属材料相比,金属基复合材料具有很高的比强度、比刚性、耐高温、热膨胀系数小、化学性能稳定、耐磨损耐疲劳以及优良的阻尼减震性能等诸多优良的性能特点[4][11],它由于其简单的制备工艺、微观组织均匀、材料性能各项同性等优点目前正朝着工业化生产和应用的方向不断发展着,其中铝基复合材料发展最快[5]。另一方面,由于镁的密度比铝更低,具有更好的比强度、比刚度,且具有良好的电磁屏蔽和阻尼性能等优点[6],镁基复合材料成为了另一具有强大竞争力的轻金属基复合材料,目前镁基复合材料是应用于汽车制造、航空航天、电子科技等多领域的理想材料之一[7]。

  目前对镁金属进行材料复合的增强体有纤维、晶须和颗粒等[8]。而以碳和石墨纤维等对镁金属进行材料复合能得到一种具有高比强度、高比模量和良好热稳定性的镁基复合材料[9]。其复合材料的性能取决于碳纤维的类型和性能、含量、分布和与基体界面结合状态,就比模量和热稳定性而言,石墨纤维增强镁基复合材料是各种材料中最高的一种。当石墨纤维含量达到50%左右,石墨纤维增强镁复合材料的热膨胀系数为零,根据纤维的状态可分为连续碳纤维增强镁和不连续碳纤维增强镁复合材料。连续长纤维可按设计要求铺排,为各向异性材料。单向纤维增强的镁基复合材料沿纤维方向性能高于垂直于纤维方向的性能[10][29]。

  2.应用背景

  在目前工程用金属中,镁合金密度小但强度高、刚性好,其镁合金的刚度随厚度的增加而成立方比增加,故而镁合金制造刚性好的性能对整体构件的设计十分有利。而且,镁合金的韧性好,很适合应于受冲击的零件—车轮;其减震性能优良,是避免由于振动、噪音而引起工人疲劳等场合的理想材料。另一方面,镁合金的热容量低、凝固速度快、压铸性能好、优良的切削加工性[12]。

  但是,镁金属很活泼,容易与空气中的氧气作用发生自燃,而且金属表面容易氧化,形成疏松多空的氧化镁,不能有效阻绝氧气的侵入,从而加快镁金属被氧气氧化,导致其耐腐蚀性能变差。另外,镁金属的室温塑性差。镁属于密排六方晶体结构,其在室温下只有1个滑移面和3个滑移系,因此它的塑性变形主要依赖于滑移与孪生的协调动作,但镁晶体中的滑移仅发生在滑移面与拉力方向相倾斜的某些晶体内,因而滑移的过程将会受到极大地限制,而且在这种取向下孪生很难发生,所以晶体很快就会出现脆性断裂。在温度超过250℃时,镁晶体中的附加滑移面开始起作用,塑性变形能力变强。

  于是科研人员针对镁金属的优缺点进行分析,开始研究对镁金属进行材料复合,以达到改善金属的各项性能指标的目的,而纤维增强镁基复合材料就是一种良好的改善途径之一。

  3.材料复合体系的选择

  3.1基体材料的选择

  现目前,铝基复合材料凭借着其高比强度、高比模量、耐磨损、耐腐蚀等诸多优良的性能已经得到了快速的发展,并广泛地应用于汽车、航空航天、电子和光学仪器以及体育用品等领域。而本文在选择基体材料时,考虑到镁的密度更低(1.74g/cm3),仅为铝的2/3,具有更高的比强度、比刚度,而且具有良好的阻尼性能和电磁屏蔽等性能,而镁基复合材料的增强体碳纤维具有良好的耐高温、耐腐蚀、不溶不胀等特性,因而复合材料会具有很高的比强度、比刚性、耐高温、热膨胀系数小、化学性能稳定、耐磨损耐疲劳以及优良的阻尼减震性能等性质[7]。

  一般来说,复合材料所具有的诸多性质取决于基体和增强体材料本以及材料之间的相互作用情况,所以为了得到性能优良的镁基复合材料,必须对其成分配比、界面控制、工艺流程以及参数控制进行统筹兼顾,找到最佳条件,才能找到综合性能优良、适应工艺流程化、产业化的新型复合材料。另一方面,由于目前铝基复合材料的制备工艺已日趋成熟,已经开发出诸多方法进行合成制备,而由于镁的熔点与铝相近,镁基复合材料的制备工艺与铝基复合材料相似,所以在工艺流程设计上可以参考铝基复合材料的生产工艺方法,并进行改进以适应镁基复合材料。因此本设计选取镁材料作为材料复合的基体。

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