纤维增强复合材料的数值模拟
[摘要]本文研究的材料为市场常见的玻璃纤维环氧树脂基复合材料，这种材料具有较高的比强度，比刚度和耐久性，绝缘等特点。本文通过对自行制作的不同铺层的复合材料试样进行性能试验,得出试验力-位移曲线图，实验之后就试验力-位移曲线图进行试样的强度和弯曲刚度计算和分析，还对各个试样的强度刚度进行对比分析。本文除了进行模拟分析，逐一与实验对照，并得出结论。
[关键词]复合材料；数值模拟；玻璃纤维；环氧树脂
Numerical Simulation of Fiber Reinforced Composites
Abstract This paper studies the materials for the market common glass fiber epoxy matrix composites,this material has a higher specific strength,specific stiffness and durability.The performance test was carried out on the self production of different ply composite specimens,draw the experimental force displacement curve,the test force displacement curve of specimen strength and flexural stiffness calculation and analysis,but also the strength of the samples at each stiffness ratio analysis was conducted to.In addition to simulation analysis,and conparation with the experiments one by one,and concluded.
Key words:finite element；composite material；glassfiber；epoxy resin
引言 (1)
1复合材料及其应用简介 (2)
1.1复合材料 (2)
1.2复合材料的应用 (2)
2有限元分析方法和ANSYS软件介绍 (4)
2.1有限元分析方法应用简介 (4)
2.2ANSYS软件 (4)
3试样的制备及测试 (5)
3.1复合材料试样的制备 (5)
3.2实验设备 (7)
3.3实验方法 (7)
3.4有限元分析 (11)
3.4.1确定材料参数 (11)
3.4.2定义壳体截面 (12)
3.4.3建立模型 (12)
3.4.4模拟设置 (12)
3.4.5模拟结果 (12)
3.4.6实验结果与模拟结果对比 (14)
结束语 (15)
致谢语 (16)
参考文献 (17)
材料可分为金属，无机非金属，有机高分子材料等，各种材料都有各自的性能特点。现代高科技的快速发展对材料提出了更高更苛刻的要求。例如海洋开发领域要求材料耐高压，耐腐蚀等，航天航空领域要求材料高比强，高比模，耐冲击，耐高温，耐辐射等，在工业生产中要求材料强度高，韧性好，抗疲劳，抗氧化等性能特点。当前单一的材料仍在快速发展，例如金属材料的一些重要的力学性能的开发已经遇到了瓶颈，为了更好地迎合科技发展，人们寻求一种能够具有高强，模量等性能集一身的材料，于是复合材料出现了[1]。
复合材料是指由至少两种，且各自具有不同性能的单一材料通过物理或化学的方法组合而成，最后具有新的性能的材料。复合材料各组元的含量要大于复合材料总量的5%，单一材料的性能也要明显不同于其他的各个单一材料的性能[2]。各种材料在结构性能上互相融合弥补，最终得到各个组成成分无法兼有的的多种优秀的性能特点，使复合材料的综合性能优于原来的各个单一组元材料，这些性能可以满足各种各样不同且较高的要求，用以满足科技发展对新材料的需求[3]。纤维增强复合材料具有轻质，高强度，抗腐蚀，抗电磁干扰等优点，广泛应用于航空、汽车工业等。
本文研究对象为玻璃纤维增强环氧树脂复合材料，如今纤维增强复合材料的应用越来越广泛，纤维增强复合材料的高的比刚度，比强度等特点在未来可以替代越来的材料，但是在使用复合材料前仍必须要对其在服役期间的强度刚度等性能进行研究[2]。
本在对该材料进行建模时需要对材料进行铺层，施加增强体，ANSYS可以很好地胜任这样复杂的结构分析工作。本文期望通过对不同纤维角度铺层搭配的玻璃纤维环氧树脂基复合材料的研究能够总结出一套纤维角度搭配方案的经验用实验法对不同角度铺层搭配的试样进行研究之外，还采用ANSYS软件对试样，根据产品性能要求，自定义复合材料铺层。同时期望通过本次研究，可以使ANSYS软件更真实地求解复合材料的各项性能，为复合材料的数值模拟提供依据。
1复合材料及其应用简介
1.1复合材料
为了适应发展新需求，得到多种优异的材料性能而将至少两种的单一材料通过各种有效方法将材料组合在一起，形成一种在性能上兼有各个成分的性能甚至优于成分性能的新型材料。复合材料一般是由基体和增强体组成。基体分为金属和非金属两大类。而增强体则有纤维状和颗粒状等方式，称为纤维增强和颗粒增强，如碳纤维复合材料和混凝土等。
在本文中围绕的复合材料为玻璃纤维增强复合材料是属于纤维增强类别的复合材料，纤维增强复合材料有许多种，可按照增强层分类，分为玻璃纤维，硼纤维，碳纤维等等，按照基体分类可以为金属基体，树脂基体，橡胶基体等等。
现如今复合材料的应用非常广泛，大到航空航天领域，小到汽车，体育运动器材，这与复合材料的力学性能及高的比强度，比刚度，轻质特点密切相关，同种零件用不同材料，复合材料可能可以比钢铁等常用材料更加适应零件工作环境，具有更长的寿命。
1.2复合材料的应用
复合材料的应用已经不是新鲜事了，体育，交通，制造，航空航天等等都有复合材料的身影，接下来介绍几种复合材料的应用。
赛艇为水上运动，在水中前行时需要克服水对船身的阻力，对赛艇船身的外形设计，如流水线设计，还有赛艇的艇身表面与水之间的摩檫系数能够减小，那么运动员将在比赛中有更大的胜算。同时也要保证赛艇的耐用性，长期在水上漂浮的赛艇，赛艇艇身容易受到腐蚀，因此赛艇外表面需要采用耐腐蚀的材料。除此之外，赛艇在比赛中赛艇艇身还要承受水对它的冲击力，如果艇身外形设计更加趋于流水线，赛艇与水接触的表面能够采用光滑的材料，则赛艇在前行过程中可以轻易卸掉水的阻力和冲击力赢得比赛。因此艇身材料的选用影响着比赛成绩，艇身材料有木质，玻璃钢再到后来的复合材料。这种复合材料制成的艇身，质量不仅轻便，使赛艇加速更快，更加耐腐蚀，而且这种材料制作的赛艇在坚固程度上也是能够保证的。
棒球棒是指在棒球比赛中，运动员用来击打棒球的棒子，棒球棒常见的材质有木质，铝质和复合材料球棒。棒球棒在该运动中的作用是打击高速的棒球，在运动员挥球棒直
到击打棒球的过程中，球棒需要承受棒体的拉力，弯矩，和击打棒球时承受的冲击力和压力。木质球棒具有较好的弹性和韧性，铝棒则相较于木质球棒更不易断裂，然而复合材料棒球棒却具有这两种材料的球棒的性能特点。即便如此，在正规的国际棒球比赛中，复合材料制棒球棒是不被允许的。
随着科技的发展，汽车正在变得更轻、速度更快，行驶更安全、更节能环保、更加耐用的方向发展改进。汽车的质量更轻直接带来的好处是减少损耗，速度快，更安全。为此，当前汽车工业已经大量使用复合材料。具有较大的比强度和比刚度等优点的复合材料在汽车上的应用无疑将会大幅减轻汽车质量。汽车车身的复合材料与钢相比，密度更低，却比钢更耐腐蚀，更抗损伤。目前，汽车业的人们正在努力提高汽车的燃油率，减轻车身重量是主要的方法，而复合材料在汽车上的使用无疑可以做到这一点。
在国内外有些飞机在生产过程中使用了大量的复合材料，梁结构等支撑结构。在该机体上应用复合材料的零部件有很多，有蒙皮，骨梁，部分隔框和构架，燃油箱骨架和箱壁，还有后机身的龙骨腹板等等。复合材料在飞机的这些部位的作用大多是支撑作用，这就对复合材料的强度刚度等力学性能有严格的要求，可见复合材料是经过考验的，是可靠的。但是飞机上使用的复合材料和汽车，体育器械上的复合材料是有所不同的。飞机上使用的复合材料为高性能环氧树脂基复合材料，其成型工艺有树脂转移成型，纤维束自动铺放，超级隔板成型等。
2有限元分析方法和ANSYS软件介绍
2.1有限元分析方法应用简介
有限元法是一种以严密的数学理论为基础的数值分析方法。
有限元方法的基本原理是将要分析求解的对象建立模型，然后将模型离散化，离散成有限个单元，称为Element，即网格划分，整个有限元模型是由单元构成的，我们在做数值模拟时就用这种模型来代替实际的结构来进行结构分析的[4]。
在对研究对象的模型进行离散后，我们要进行求解的力学性能等未知量就可以转变为各个节点的位移量(ANSYS中称之为DOF(Degree Of Freedom)，或是单元的变形量，试想一下，节点的位移包括在x,y,z轴上的平动和转动，节点的位移在ANSYS软件中可以通过一系列的代数方程组的计算得到，该计算过程不仅可以得到几点的位移，还可以得到节点的位移和应力应变的关系，这些关系需要通过数学中的矩阵，经过严密计算，然后求出指定或者所有节点上的应力、应变，还可以获得单元内任意位置的位移、应力、应变等需要求解的量[5]。
2.2ANSYS软件
ANSYS软件应用非常广泛的一款分析设计软件，这个软件是由美国ANSYS公司开发。ANSYS软件已经发展了近半个世纪了，拥有非常成熟，丰富的分析设计经验[6]。ANSYS今天的功能强大是因为这个软件是经过过多年的发展，多次完善，多次与其他分析模拟软件融合而成为今天的ANSYS软件。ANSYS软件到今天已有许多个模块，如用于复合材料的模拟分析的ACP，界面更加美化方便的workbench等，当然经典界面仍然功能强大。目前的ANSYS已经涵盖了结构力学、流体力学、电磁学、声学和热学分析等学科的一款的大型通用有限元分析软件，是一款不可多得的工程分析软件。ANSYS可以做复杂的复合材料结构分析，复合材料结构分析可以采用ANSYS经典界面，也可以采用ANSYS软件的ACP模块。本文采用ANSYS经典界面对E玻璃纤维环氧树脂基复合材料的短圆管进行结构分析。
3试样的制备及测试
3.1复合材料试样的制备
试样形状为长370mm，外直径为22mm，内直径为19mm的短管，如图3-1，试样材料为普通的E玻璃纤维环氧树脂复合材料。裁纱尺寸：每件试样的预浸料总长度为400mm，总宽度为200mm，双层厚度为1mm，每块纱布由两层预浸布贴合在一起，设计每件试件的缠绕层数为3圈（即有6层预浸料），长度为370~400mm（实验中试样取370mm）。实验试样有4种，每种试样有3根铺层相同的复合材料试样，每个方案的试样的预浸料铺层存在区别，具体方案如表3-1所示。
图3-1试样尺寸
表3-1试样预浸料配料
序号铺层材料角度长度（mm）宽度（mm）重量（g）
试样11G200350°双层40020049.3
试样21G20035±45°双层40020049.3
试样31G20035±45°双层40013032 2G200350°双层4007017.3
试样41G20035±45°双层4007017.2 2G200350°双层40013032.1
试样的制备过程如图3-2所示包括：预浸料裁切、预浸料卷制、预浸料成型、短管裁切等几个步骤。预浸料原材料是成卷且大面积的，将纱布按照表3-1裁切。纤维的抗剪切力不大，因此在切割纤维时也不需要太大的力。预浸料原材料的制备有两种方法，是干法和湿法[7]，本研究的复合材料预浸料为湿法制备的。预浸料原材料主要是由环氧树脂和浸润后的玻璃纤维组成，压成片状的复合材料，再用保鲜膜和纸包起来，其用途是保护复合材料，避免被氧化或者固化，一般预浸料是要保存在冷库里的，温度太高将
导致预浸料变质。预浸料原材料一般是单层的，裁剪后两张同角度同尺寸的复合材料贴合，形成试样方案中的双层复合材料，这样做的目的是为了避免角度铺层出错，影响产品质量，另一个目的是缠绕成型的时候能够施加更大的抱紧力，而不至于将预浸料拉扯变形。下图为成卷的原材料：
(a)预浸料原材料(b)裁切0度纱
(c)裁切完毕的纱布(d)将待卷制的纱布平铺在橡胶垫上
(e)卷制完成(f)试样成品
图3-2试样的制作过程
3.2实验设备
本次实验采用WDW-100型微机控制电子式万能试验机，这种试验机的主要参数如表3-2：
表3-2万能材料试验机的主要参数
产品名称WDW-100型微机控制电子式万能试验机
型号WDW-100
品牌长春科新
最大试验力100kN
等级0.5级
本实验所使用的万能材料试验机主要用于各种材料的拉伸、压缩和弯曲等力学性能试验。并且这台试验机还可以另外配备实验的附件来进行材料的其他实验，如进行剪切、断裂等试验。
试验机配合GTC350型全数字测量控制器和计算机一起使用，做到试验，测量，记录，分析计算于一体，对实验试样上的试验力、变形等性能参数进行实时记录计算，这台试验机按国标GB/T7314《金属材料室温压缩方法》和GB/T228《金属材料室温拉伸试验方法》的规定，对实验的全过程进行有效控制。
压头与支撑采用刚性材料，固定端采用螺钉固定。压头和支撑与试样的接触面为圆柱面，这样做的好处是避免受力时对试样进行剪切。
3.3实验方法
（1）跨距设置：将下部支点跨距调至340mm并锁定，跨距设置如图3-3所示。
图3-3跨距设置
（2）加载方式：本试验采用三点弯曲方式对圆形横截面试样施加弯曲力，一般加载到试样发生大变形导致破坏，记录全过程的载荷和位移等数据，载荷类型为位移载荷，
位移速度为10mm/min，总位移量为40mm。
（3）参考标准：本试验的参考标准有[9]YB/T5349-2006金属弯曲力学性能试验方法，[10]GBT21238-2007玻璃纤维增强塑料夹砂管，QBT2803-2006硬质塑料管材弯曲度测量方法，GB/T9647-2003热塑性塑料管材环刚度的测定。
（4）实验过程及分析：本实验有4种试样，各试样外形尺寸完全一致，纤维角度则如表3-1所示，下面将对各个试样的实验进行分析。
试样1为全0度预浸料组成，刚开始时，试样的主要变形为试样截面的环向变形，试样在环向受到张力,在位移达到1.5mm时，试件发出破裂的声响，试件出现裂纹，裂纹方向为顺纤维方向，因此发生破坏的是固化的环氧树脂，固化树脂不断出现裂纹，试验机的压头受到的反力总体上升，直到位移为6mm时试样破坏严重，此时试样的环刚度非常小，试样的主要变形形式为弯曲，纤维承受拉力，压头承受的反力减小。试样在出现许多长裂纹后，与压头接触附近的试样截面变形严重，试样整体弯曲变形严重，加载位移达到40mm后停止加载并卸荷，取出试件，试件除了顺纤维方向的裂纹外没有出现与纤维垂直的折痕。
一般来说随着基质的破坏，试样整体的刚度下降，如图3-4所示，但是在试样1的实验力-位移曲线中可以看到，实验在第一次破坏后的刚度下降并不明显或者并没有下降，第二次，第三次，第四次的破坏后试样的刚度仍比较大，在图中可以看到试样所承受的实验力随位移的增大呈锯齿状上升，直到达到最大实验力，但是在第四次破坏后，试样的刚度下降程度非常大，试样的承载力也迅速下降。
环氧树脂基质的强度要比玻璃纤维弱，因此加载到一定位移时，环氧树脂基质要先于玻璃纤维发生破坏。复合材料试样在受压过程中，试样受到轴向弯曲变形和环向截面变形。该试件的纤维角度为轴向0°，试样1比较不容易发生轴向弯曲变形，因此刚度比较大，即使环氧树脂基质发生破坏，但并不影响试样的整体刚度，直到实验力达到最大（132.25N）时，纤维开始断裂，刚度剧烈下降。在试件加载过程中，先发生破坏的是环氧树脂基质，因为试样还发生环向截面变形，变形使树脂需要承受径向压力和径向剪切力，致使试样出现顺纤维方向的裂纹。
试样2铺层方式为：45°，-45°相互交叠，一共6层。加载到一定位移时出现陆陆续续的小声响，在试验力-曲线图中并没有发生加载力的突变。当位移达到4.25mm时，试样破裂，在轴向出现明显弯曲，并且在接下来的加载过程中，试样弯曲度越来越大，直至加载结束，加载位移为40mm，此时对试样进行卸荷操作，在试样与压头接触部位的
外表面出现折痕，在折痕周边有毛刺以及微小裂纹。
图3-4试样1试验力-位移曲线
从试验力-位移曲线中观察，如图3-5，试样2在加载过程中试样上虽然有出现微小裂纹，但是在曲线图中只有一次试验力的突变，即出现在位移为4.25mm时,在试验力发生突变后，加载力还有上升一段时间，上升到约等于最大力后，随着位移载荷增加，试验力在缓缓下降，当位移达到30mm后则试验力稳定在20N。从图10中可以看出曲线较平缓，说明试样2刚度要较试样1的小，同时破坏均匀，试样强度较试样1稍低。
试样2的纤维铺层方式为±45°交叠，与试样1的纤维铺层相比，试样2的玻璃纤维与试样的环向截面变形和轴向弯曲变形的方向夹角都为45°，这样的好处是玻璃纤维在两种变形中都有受到作用力。试样2的强度和刚度都要低于试样1，这是因为试样1的玻璃纤维都用来抵抗轴向弯曲变形，但是试样1却很容易发生破坏，位移加载到约1.5就开始发生破坏。而与试样1相比，试样2却有更好的韧性。
图3-5试样2试验力-位移曲线
试样3在实验过程中的出现声响是加载大概30秒左右，时间出现较大的裂纹，接着试样出现明显的弯曲变形，并伴随着时不时的啪啪声响，直至加载结束，此时加载位移为40mm，进行卸荷操作，取出试样，查看试件，试件表面出现部分与试样轴向平行的裂纹，在受压处出现折痕，在底部出现倒刺。
从试验力-位移曲线中观察，如图3-5，试样2在受压弯曲过程中，达到相对于前两个试样非常大的极限载荷180N才出现破坏，在位移载荷增加到3mm之前，试样表现得很稳定，没有出现影响整体性能的破坏，位移载荷达到3-6.5mm过程，试样发生微小破坏，试样刚度下降，试验力上升速度减缓，当位移载荷达到6.5mm时，试验力发生突变，瞬间降到155N，接下来试验力有些许上升，上升到160N后就开始缓慢下降，最后趋于缓和，直到加载位移达到40mm停止加载。
试样3是由两种纤维角度的预浸料铺层组成的，试样的最大实验力可以达到180N，刚度更是比试样1和试样2要大，就结构与试样1和试样2对比，试样3有两层45°玻璃纤维，可以用于抵抗环向截面变形，而外四层则用于抵抗轴向弯曲变形，但是以本次的参考材料三的点弯曲试验分析，由于试样圆管壁厚较薄，圆管受压部位在受压时需要承受的环向截面变形可能要大于轴向弯曲变形，因此猜想如果将±45°纤维方向的预浸料的层数增加将会增大试样的刚度。
图3-6试样3试验力-位移曲线
试样4在加载到大约20秒时出现大声响，试样表面出现裂纹，之后试样出现明显变形，弯曲变形较为明显，20秒以后的试样不时发出破裂的声音，弯曲速度变快变明显，直到加载位移量达到40mm，加载过程结束，取出试样4，观察试样表面，同样有一些与试样轴向平行的微裂纹，试样受压部位有垂直0°纤维的折痕。
试验力-位移曲线中观察，如图3-6，试样3在受压弯曲过程中，达到四个试样中最大的极限载荷195N才出现破坏。试验的加载位移量从0到3mm，试样4的试验力-位移曲线几乎是呈线性的，即在这段区间内，试件未受到破坏或者破坏非常小，在这段区间内试样是可靠的。试验位移载荷大于3mm后，试件发生破坏，但是试验力下降并不大，并且保持一定值（145N）一段时间才开始下降。
图3-7试样4试验力-位移曲线
如图3-7，最大力达到195N，刚度为370.6。都要大于试样3，且刚度要远大于试样3.造成这种差别的原因是试验方式，试验的试样圆管壁厚较薄，仅为1.5mm，圆管受压部位在受压时需要承受的环向截面变形可能要大于轴向弯曲变形[13]，因此增加45°铺层数。
3.4有限元分析
模拟目的是为了求解出不同铺层的复合材料在1mm位移载荷作用下的支反力，以及试样的应力分布情况，并与实验结果相比较，验证ANSYS软件可以准确地对复合材料的受力情况进行分析模拟。
3.4.1确定材料参数
本课题研究对象为玻璃纤维环氧树脂复合材料，该材料各向异性，涉及参数主要有拉伸模量、泊松比、剪切模量。参数设置按照文献[14]设置为E X=45100MPa，E Y=9000MPa，E Z=9000MPa，PR XY=0.287，PR YZ=0.091，PR XZ=0.297，G XY=16500MPa，G YZ=2480MPa，G XZ=16500MPa。
3.4.2定义壳体截面
单层材料厚度为0.25mm，方向角按表3-1设置。
3.4.3建立模型
在ANSYS Workbench Design Modeler模块中以短管的外形尺寸（如图3-1所示）画出三维模型，再在ANSYS ACP模块中进行分析。
3.4.4模拟设置
在ANSYS Workbench Mechanical模块中，设置约束、载荷，并划分网格。参照3.3节中的实验方法，在短管的左右两侧下方设置Fixed Support约束，跨距为340mm，以模拟三点弯曲实验中下方的两个圆柱支撑；正在短管中心上方设置Displacement约束，向下移动1mm，以模拟三点弯曲实验中向下加载的压头。设置结果如图3-12所示。
图3-8模型约束设置
3.4.5模拟结果
经过分析求解，可以获得试样模型的支反力和模型上的应力分布情况，如图3-9所示，各试样在B节点受到向下的位移载荷1mm时的反力云图和应力云图。图中反力值较试样实验值大得多，但是试样变形形式与试样实验的变形一致。
可以从图中查看试样中应力值和最大应力，并且查看应力分布情况，图中各个试样的最大应力均出现在试样受压处，说明采用ANSYS数值模拟方法可以准确反应试样的应力分布[15]，并且可以预测试样最容易发生失效的位置[10]。
(a)试样1下压1mm的反力(b)试样1应力分布
(c)试样2下压1mm的反力(d)试样2应力分布
(e)试样3下压1mm的反力(f)试样3应力分布
(g)试样4下压1mm的反力(h)试样4应力分布图
图3-9各试样的分析结果
3.4.6实验结果与模拟结果对比
为验证试样的数值模拟分析结果的合理性，将试样管在1mm 的位移载荷作用下的受力点的反力的实验测试值和模拟分析值列成图表，如图3-10所示。0
50
100
150
200
250
300
试样1试样2试样3试样4测试值模拟值
图3-10三点弯曲试验各试样变形1mm 的支反力
从图3-10可以看出,在1mm 位移载荷作用下,试样的支反力的有限元的分析结果与测试值之间误差较大，分析得到的值要比测试值大许多,但是其变化趋势与测试结果基本一致。误差较大的原因如下:
(1)由于试样制作过程中存在许多影响试样质量的因素，如试样采用袋压成型时压力不足导致试样内部存在气孔[17]，影响试样的强度。
(2)由于有限元分析过程中将材料模型采用单向的复合材料层合板的材料参数，使材料模型以单种材料进行有限元分析，结果是导致分析值较测试值高。
本文完成了对E玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料不同纤维角度铺层的试样进行了三点弯曲实验和采用ANSYS分析软件进行模拟印证，并加以分析总结，得出如下结论：
1、从实验结果结合对受力分析得出结论，复合材料不同铺层方式影响材料的力学性能，如抗弯强度和极限载荷。经过试验可以得出，试样1的抗弯强度要比试样2大，但是极限载荷则相反；试样3抗弯强度和极限载荷都要比试样2小。根据产品的实际需要可以将两种角度或者更多角度的复合材料适当搭配，以满足产品的力学性能要求。
2、ANSYS分析软件可以用于分析求解复杂的复合材料力学性能，并且只要进行一次材料力学性能试验测试，得出一些分析模拟必需的材料参数，就可以进行数值模拟。ANSYS软件对试样进行求解，可以预测试样最容易发生失效的位置，这样就能对产品生产过程中在该位置进行提前强化。
3、本文的研究存在一些不足，首先是试样在实验过程中，随着破坏的持续发生试样的刚度持续降低（复合材料的渐进损伤），而在数值模拟分析时并没有去模拟出来，还有在试样制作过程中也有许多因素会影响力学性能，如成型压力和成型温度，还有就是实验与分析模拟得到的数据并不是吻合的，为了使分析模拟分析能够更接近实验，需要对得到的数据添加一个系数进行处理。
毕业设计马上就要结束了，回想起这学期，感觉自己做了很多，别人也帮了我很多。王老师刚给为我这个名为《纤维增强复合材料的数值模拟》的题目时，我踌躇满志，自信满满，以为我可以很快就能完美地完成毕业设计，我查了很多书籍，看过很多相似的论文以及资料，这个时候才发现我无从下手。感谢王老师在这个时候帮我找了两本具有针对性的书，我学习之后感觉对毕业设计很有帮助。我懂得了一个道理，自己摸索固然收获最大，但是有人为你指条明路才能收获最快。本次毕业设计有很大一部分工作量是做材料性能实验，为了完成毕业设计，还需要自己动手去制备试样，在这过程可以更加深入去了解复合材料的成型等内容，感谢为我提供帮助和方便的企业。实验完之后就要进行软件分析，在分析过程中我碰到可很多问题，犯了很多错误，老师很有耐心地指导我，引导我要怎么做。经过这次毕业设计，我提高了分析问题解决问题的能力和提高学习能力，使我能够更好地掌握专业知识，为以后的继续发展，做好了充足的准备。
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纤维增强复合材料由增强纤维和基体组成。纤维(或晶须)的直径很小，一般在l0μm以下，缺陷较少又小，断裂应变不大于百分之三，是脆性材料，容易损伤、断裂和受到腐蚀。基体相对于纤维来说，强度和模量要低得多，但可经受较大的应变，往往具有粘弹性和弹塑性，是韧性材料。 纤维增强复合材料，由纤维的长短可分为短纤维增强复合材料、长纤维复合材料和杂乱短纤维增强复合材料。纤维增强复合材料由于纤维和基体的不同，品种很多，如碳纤维增强环氧、硼纤维增强环氧、Kevlar纤维增强环氧、Kevlar 纤维增强橡胶、玻璃纤维增强塑料、硼纤维增强铝、石墨纤维增强铝、碳纤维增强陶瓷、碳纤维增强碳和玻璃纤维增强水泥等。（1新型纺织材料及应用宗亚宁主编中国纺织出版社） 纤维增强复合材料的性能体现在以下方面： 比强度高比刚度大，成型工艺好，材料性能可以设计，抗疲劳性能好。破损安全性能好。多数增强纤维拉伸时的断裂应变很小、叠层复合材料的层间剪切强度和层间拉伸强度很低、影响复合材料性能的因素很多，会引起复合材料性能的较大变化、用硼纤维、碳纤维和碳化硅纤维等高性能纤维制成的树脂基复合材料，虽然某些性能很好，但价格昂贵、纤维增强复合材料与传统的金属材料相比，具有较高的强度和模量，较低的密度、纤维增强复合材料还具有独特的高阻尼性能，因而能较好地吸收振动能量，同时减少对相邻结构件的影响。 从本世纪40年代起，复合材料的发展已经历了整整半个世纪。随着技术的提高，应用领域已从航空航天和国防军工扩展到建筑与土木工程、陆上交通运输、船舶和近海工程、化工防腐、电气与电子、体育与娱乐用品、医疗器械与仿生制品以及家庭与办公用品等等各部门。复合材料在建筑上可作为结构材料、装饰材料、功能材料以及用来制造各种卫生洁具和水箱等。 纤维增强复合材料由增强材料和基体材料构成，每部分都有各自的作用，影响复合材料的性能。 作为增强材料的纤维是组成复合材料的主要成分。在纤维增强复合材料中占有相当的体积分数，同时是结构复合材料承受载荷的主要部分。增强纤维的类型、数量和取向对纤维增强复合材料的性能十分重要，它主要影响以下的方面：（1）密度；
２００７年第２９卷第１期中国麻业科学ＰＬＡＮＴＦＩＢＥＲＳＣＩＥＮＣＥＳＩＮＣＨＩＮＡ４５文章编号：１６７３—７６３６（２００７）０１—００４５—０４ 天然纤维非织造物增强复合材料概述 兰红艳，靳向煜 （东华大学非织造材料与工程系，上海．２０００５１） 摘要：本文阐述了天然纤维复合材料的现状及发展趋势，说明了麻纤维在复合材料应用领域有着广阔的发展前景。 关键词：天然纤维；非织造；增强；复合材料 中图分类号：ＴＳｌ０２．２＋２文献标志码：Ｂ １天然纤维增强复合材料简介 材料是国民经济和社会发展的基础和先导，与能源、信息并列为现代高科技的三大支柱。随着世界经济的快速发展和人类生活水平的提高，以及健康意识和消费意识的增强与成熟，人们对材料及其产品的需求日益增长，且越来越认识到环境问题的重要性，环境材料已成为国际高科技新材料研究中的一个新领域。各国在研究具有净化环境、防止污染、替代有害物质、减少废弃物、资源再利用等方面做了大量工作，并取得了重大进展¨１。目前，各个行业都致力于传统材料向环境材料的过渡或转型，绿色工程已经以其不可阻挡之势迅猛发展起来。在环境材料中，天然纤维以其资源丰富、可再生且能自然降解的优势占据了重要地位，并且扮演越来越重要的角色。 复合材料是适应现代科学技术发展而涌现出的具有强大生命力的材料，它由两种或两种以上性质不同的材料，通过各种工艺组合而成。复合材料的各个组成材料在性能上起协同作用，得到单一材料无法比拟的综合性能。它具有刚度大、强度高、质量轻等特点，可根据使用条件进行设计与制造，以满足各种特殊用途，从而极大地提高了工程结构的性能陋】。天然纤维复合材料由天然纤维和基体组成。纤维作为增强体分散在基体中，起最主要的承载作用。目前已经把麻、竹纤维大量用作木材、玻璃纤维的替代品来增强聚合物基体，与合成纤维相比，天然纤维具有价廉质轻、比强度和比模量高等优良特性，最为关键的是天然纤维属可再生资源，可自然降解，不会对环境构成负担。以天然纤维为增强体的复合材料同样具有优良的性能，随着技术的提高，应用领域已从航空航天和国防军工扩展到建筑与土木工程、陆上交通运输、船舶和近海工程、化工防腐、电气与电子、体育与娱乐用品、医疗器械与仿生制品以及家庭办公用品等各个部ｆ－ｊｂ】。 在众多的天然纤维中麻类纤维的强度最好，而且麻类植物易种植，收获期短，产量高。尤其在石油资源日益短缺、木材资源日益受到保护的２１世纪，麻类纤维的优良特性正好满足人们追求自然、绿色、环保的要求。麻纤维与玻璃纤维、碳纤维相比具有以下特点：①单纤维粗细不均匀，支数和纤维根数在长度方向上不确定；②纤维有很多支叉；③纤维是亲水性的，自然状态下吸收大量水分。用天然植物纤维作为复合材料的增强体，首先需要解决的是亲水性强的纤维与亲油性强的基体之间的匹配问题；其次是天然纤维如何在基体中均匀分散的问题。近几年来，把天然纤维作为复合材料增强体使用的研究主要集中在以下几个方面；①纤维的表面处理机理和处理工艺的研究；②与天然纤维匹配的基体树脂的研究；③天然纤维增强体的制备方法和工艺研究；④天然纤维复合材料成型工艺的研究。其中，麻纤维的表面改性和增强体的制备是其中较为基础的两个环节Ｈ】。 麻纤维非织造布结构中，纤维束缠结，而且彼此之间存在较大的摩擦力．通过针刺工艺可以 收稿日期：２００６—０９—２０ 作者简介：兰红艳（１９７７一）．女。在读硕士研究生。
复合材料的发展和应用 复合材料的发展和应用 具有重量轻、强度高、加工成型方便、弹性优良、耐化学腐蚀和耐候 论文格式论文范文毕业论文 全球复合发展概况复合材料是指由两种或两种以上不同物质以不同方式组合而成的材料，它可以发挥各种材料的优点，克服单一材料的缺陷，扩大材料的应用范围。由于复合材料具有重量轻、强度高、加工成型方便、弹性优良、耐化学腐蚀和耐候性好等特点，已逐步取代木材及金属合金，广泛应用于航空航天、汽车、电气、、健身器材等领域，在近几年更是得到了飞速发展。另外，纳米技术逐渐引起人们的关注，纳米复合材料的研究开发也成为新的热点。以纳米改性塑料，可使塑料的聚集态及结晶形态发生改变，从而使之具有新的性能，在克服传统材料刚性与韧性难以相容的矛盾的同时，大大提高了材料的综合性能。树脂基复合材料的增强材料树脂基复合材料采用的增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维等。 1、玻璃纤维目前用于高性能复合材料的玻璃纤维主要有高强度玻璃纤维、石英玻璃纤维和高硅氧玻璃纤维等。由于高强度玻璃纤维性价比较高，因此增长率也比较快，年增长率达到10%以上。高强度玻璃纤维复合材料不仅应用在军用方面，近年来民用产品也有广泛应用，如防弹头盔、防弹服、直升飞机机翼、预警机雷达罩、各种高压压力容器、民用飞机直板、体育用品、各类耐高温制品以及近期报道
的性能优异的轮胎帘子线等。石英玻璃纤维及高硅氧玻璃纤维属于耐高温的玻璃纤维，是比较理想的耐热防火材料，用其增强酚醛树脂可制成各种结构的耐高温、耐烧蚀的复合材料部件，大量应用于火箭、导弹的防热材料。迄今为止，我国已经实用化的高性能树脂基复合材料用的碳纤维、芳纶纤维、高强度玻璃纤维三大增强纤维中，只有高强度玻璃纤维已达到国际先进水平，且拥有自主知识产权，形成了小规模的产业，现阶段年产可达500吨。 2、碳纤维 3、芳纶纤维 20世纪80年代以来，荷兰、日本、前苏联也先后开展了芳纶纤维的研制开发工作。日本及俄罗斯的芳纶纤维已投入市场，年增长速度也达到20%左右。芳纶纤维比强度、比模量较高，因此被广泛应用于航空航天领域的高性能复合材料零部件（如火箭发动机壳体、飞机发动机舱、整流罩、方向舵等）、舰船（如航空母舰、核潜艇、游艇、救生艇等）、汽车（如轮胎帘子线、高压软管、摩擦材料、高压气瓶等）以及耐热运输带、体育运动器材等。 4、超高分子量聚乙烯纤维超高分子量聚乙烯纤维的比强度在各种纤维中位居第一，尤其是它的抗化学试剂侵蚀性能和抗老化性能优良。它还具有优良的高频声纳透过性和耐海水腐蚀性，许多国家已用它来制造舰艇的高频声纳导流罩，大大提高了舰艇的探雷、扫雷能力。除在军事领域，在汽车制造、船舶制造、医疗器械、体育运动器材等领域超高分子量聚乙烯纤维也有广阔的应用前景。该纤维一经问世就引起了世界发达国家的极大兴趣和重视。 5、热固性树脂基复合材料热塑性树脂基复合材料热塑性树脂基复合材料是20世纪80年代发展起来的，主要有长纤维增强粒料、连
?综 述? 纤维增强复合材料嵌入式加固技术 3 岳清瑞 李庆伟 杨勇新 (国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心 北京 100088) 摘 要:纤维增强复合材料嵌入式加固方法近几年来在国外得到了广泛的研究与应用。介绍了此项技术的研究、应用状况,并详细阐述了嵌入式加固方法的特点、施工方法以及施工中需要注意的问题。嵌入式加固方法施工方便快捷、防火性能好、能防止人为或环境因素的破坏,是一种有效的加固方法,值得在我国进行研究、推广和应用。 关键词:纤维增强复合材料 嵌入式(NS M ) 加固 结构 施工步骤 工程应用 TECHNIQUE OF STRUCTURES STRENGTHENE D WITH NEAR SURFACE MOUNTE D FRP Y ue Qingrui Li Qing wei Y ang Y ongxin (National Engineering Research Center of Industrial Building Diagnosis and Rehabilitation Beijing 100088)Abstract :T echnique of structures strengthened with near surface m ounted (NS M )FRP has been studied and applied widely in abroad recent years.This paper introduces the research and applications of this technology ,discusses the characters of this technique ,construction process ,and s ome problems that merit attention in field application.NS M method is convenient and can prevent structures from fire or destruction of other factors.NS M method is effective and w orthy of being researched and applied in our country. K eyw ords :FRP near surface m ounted (NS M ) strengthening structures construction process field application 3国家863计划项目(编号2001AA336010)、2003年科研院所技术开发研究专项资金项目(编号2003EG 213003)资助。 第一作者:岳清瑞 男 1962年1月出生 教授级高级工程师收稿日期:2003-09-20 我国有大量的建筑物因种种原因需要维修加固,因此,探寻更为有效的加固方法成为土木工程界 的研究热点。近几年来,嵌入式(Near Surface M ount 2ed ,简称NS M )加固方法在国外得到了广泛的研究和 应用。所谓嵌入式加固方法是将加固材料放入结构表面预先开好的槽中,并向槽中注入粘结材料使之形成整体,以此来改善结构性能的方法。在20世纪40年代末瑞典的Asplund [1] 曾用此项技术加固瑞典 一座桥梁。他把钢筋置于在混凝土结构表面所开的槽中,在槽中灌入水泥浆,然后用喷浆混凝土覆盖进行表面处理。然而,由于水泥浆的粘结性能不是很好,所以加固部分与原结构的粘结效果不太好,从而影响了加固效果。正是由于材料的限制,使得这项技术在当时没有推广。随着材料产业日新月异的发展,新型材料不断出现,嵌入式方法也逐渐发展起来。20世纪60年代,研究人员开始在槽中注入环氧树脂来粘结钢筋,然而钢筋的易锈蚀性使得表面需要较厚的保护层 [2] 。当FRP 材料出现后,嵌入式 加固方法才真正显示出了其优良的加固效果。研究 人员开始采用FRP 筋或板带代替钢筋应用于嵌入式加固方法中,与钢筋相比,其优势不言自明:FRP 材料轻质高强,施工方便,省时省力;耐腐蚀,不象钢筋那样需要较厚的保护层;形状、规格可以根据实际工程的要求定做。 嵌入式加固方法近年来在国外工程中得到较多的应用,尤其是在混凝土结构加固工程中的应用尤其广泛。Hakan Nordin [2] 于1999年秋天用嵌入式方法加固了瑞典一座桥梁的桥板,材料为CFRP 板带(规格为35mm ×5mm ),工程开槽尺寸为40mm ×8mm ,加固效果令人十分满意。Alkhrdaji [3] 等人在 1998年对美国正在使用中的J -857桥梁进行加固, 其中有3块混凝土实心板是用嵌入式方法加固,应用CFRP 砂磨筋,直径约11mm ,开槽的尺寸为:长约6m ,宽约14mm ,深约19mm 。施工完毕后,经试验测 1 Industrial C onstruction V ol 134,N o 14,2004 工业建筑 2004年第34卷第4期
附录A纤维增强复合材料筋蠕变性能试验方法 A.1.1 1 范围 本试验方法适用于测定结构用纤维增强复合材料筋的蠕变性能，包括应变-时间关系，荷载水平-蠕变断裂时间曲线和蠕变断裂应力。 A.1.2 2 仪器 A.1.3 2.1 试验机 蠕变试验机或试验装置，应满足以下要求： ——试样的最大拉伸荷载应在试验机加载能力的15%-85%之间。 ——试验机夹具之间的最小长度应符合试件的基本要求。 ——能够提供稳定的恒定荷载。 A.1.4 2.2 应变测试装置 用于测量筋材伸长的引伸计或应变片应该能够记录在计测范围内的所有变化。 A.1.5 2.3 数据采集系统 系统应能以最小速率为每秒记录两次连续记录荷载、应变和位移。荷载、应变和位移的分辨率分别应不大于100N、10×10-6和0.001mm。 A.1.6 3 试件制备 A.1.7 3.1 试件选择 蠕变试验每组3个试件，其他试件选择要求与拉伸试验一致。 A.1.8 3.2 原始标距的标记和测量 引伸计或应变片应安装在试件的中部，距锚固端至少8倍试件计算直径。 A.1.9 4 试验条件 试验条件与拉伸试验一致。 A.1.10 5 试验方法 蠕变试验的开始时间以试验荷载达到既定蠕变试验恒定荷载的时刻计算。蠕变试验荷载应取试件极限荷载的0.2到0.8倍，在荷载达到既定荷载前发生破坏的试件为无效时间，若连续3个试件出现该情况，则应考虑降低恒定荷载。为了最终形成蠕变断裂应力预测曲线，蠕变断裂试验应至少包含3种不同的恒定荷载水平的试验组，蠕变断裂时间应分布在1～10小时，10～100小时和100～1000小时，且应包含至少1个在1000h内不发生破坏的试验组。
天然纤维增强复合材料吸声性能研究 A coustical Studies of N atural Fiber Reinforced Com posites 罗业,李岩 (同济大学航空航天与力学学院,上海200092) LU O Ye,LI Yan (School of Aerospace Eng ineer ing and Applied M echanics, T ongji U niv ersity,Shang hai200092,China) 摘要:采用热压成型法制备天然纤维增强复合材料层合板和蜂窝夹芯结构,利用双传声器阻抗管进行吸声性能测试,并与合成纤维增强复合材料层合板和蜂窝夹芯结构进行对比。结果表明:与合成纤维增强复合材料层合板相比,天然纤维增强复合材料层合板虽然具有更优异的吸声性能,但是仍不能满足吸声材料的要求,需通过材料设计进一步提高这种材料的吸声性能。而天然纤维增强蜂窝夹芯结构具有优异的吸声性能,吸声系数峰值高达014,可以被用作吸声材料。 关键词:天然纤维;吸声系数;表面阻抗;阻抗匹配 中图分类号:T B332文献标识码:A文章编号:1001-4381(2010)04-0051-04 Abstract:T he natur al fiber reinforced co mposite lam inates and ho neycomb sandw ich str uctures w ere prepared by hot press.Acoustic properties w er e tested w ith the aid of tw o-micropho ne impedance tube and co mpared w ith synthetic fiber reinforced co mposite counterparts.T he results show ed that natural fiber reinforced composites laminates had better acoustic pr operties than their synthetic counterparts, but still failed to reach the requir em ents as acoustic mater ials.Proper materials desig n is needed to further improve the aco ustic pro perties of natur al fiber r einfor ced composite laminates.While,natural fiber based honeycomb sandw ich str uctures had go od acoustical pro perties,w ith its peak sound absorp-tion coefficient appr oaching0.4,and thus co uld be used as acoustic materials. Key words:natur al fiber;sound absor ption coefficient;surface impedance;impedance matching 噪声污染已成为当代世界性的问题,同水污染和大气污染一起被列为全球三大污染[1]。随着工业、农业、交通运输业的发展,噪声污染日趋严重,已经成为越来越严重的社会问题。而噪声对人们的休息、学习和工作的影响以及对身心健康的危害,日益为人们所认识和关注。为此,各行各业在住宅、学校、工厂、交通工具以及城市环境等方面都建立起噪声的限制标准,而噪声控制技术也随之得到了飞速的发展。 噪声的控制分为三种途径[2]:在声源处降低噪声幅值;在声波传播途径中阻隔、吸收声能;在声音接收点采取保护措施,减少噪声影响。而实际应用中,最有效的噪声控制就是通过吸声材料来达到降噪的效果。 天然纤维由于比强度高、比模量高、价格低廉、可回收、可降解、可再生、绿色环保等特性而作为增强体在复合材料中得到广泛应用[3]。其织物、非织造布作为吸声材料也备受科学家和研究者的青睐[4-8],M ul-l er和Krobjlow ski通过Alpha-cabin和双传声器阻抗管研究了棉制绒头织物的吸声性能,发现了其优良的吸声性能[4];Parikh等[5]发现天然纤维针织毡能够有效降低汽车内噪音;张辉等[8]选用大麻、涤纶和棉纱线织造了不同规格的织物,分析了织物紧度、组织和化学试剂对大麻织物吸声系数的影响。而对于天然纤维增强复合材料的吸声性能却报道较少。 本工作着眼于绿色环保吸声材料的研制,以天然纤维增强复合材料层合板和蜂窝夹芯结构为对象,研究了其吸声性能,并和传统的合成纤维增强复合材料层合板和蜂窝夹芯结构进行比较,分析了其在吸声降噪领域的应用前景。 1实验 1.1实验材料 选用江西井竹麻业有限公司生产的平纹编织苎麻布,浙江宏成纺织整理有限公司生产的平纹编织黄麻布,常州天马集团公司生产的平纹编织玻璃纤维布以及上海怡昌碳纤维材料有限公司生产的平纹编织炭纤
第37卷第3期上海师范大学学报(自然科学版)Vol.37,N o.3 2008年6月J ou rnal of ShanghaiNor m alUn i versity(Natural S ci en ces)2008,J un 碳纤维及其复合材料的发展及应用 上官倩芡,蔡泖华 (上海师范大学机械与电子工程学院,上海201418) 摘要:叙述了碳纤维的结构形态、分类以及在力学、物理、化学方面的性能,介绍了碳纤维增强复合材料的特性,着重阐述了碳纤维增强树脂基复合材料中基体的分类、选择和应用,指出了碳纤维及其复合材料进一步发展的趋势. 关键词:碳纤维;复合材料 中图分类号:O636文献标识码:A文章编号:1000-5137(2008)03-0275-05 碳纤维作为一种高性能纤维,具有高比强度、高比模量、耐高温、抗化学腐蚀、耐辐射、耐疲劳、抗蠕变、导电、传热和热膨胀系数小等一系列优异性能.此外,还具有纤维的柔曲性和可编性[1~3].碳纤维既可用作结构材料承载负荷,又可作为功能材料发挥作用.因此碳纤维及其复合材料近几年发展十分迅速.本文作者就碳纤维的特性、分类及其在复合材料领域的应用等内容进行介绍. 1碳纤维特性、结构及分类 碳纤维是纤维状的碳材料,由有机纤维原丝在1000e以上的高温下碳化形成,且含碳量在90%以上的高性能纤维材料.碳纤维主要具备以下特性:1密度小、质量轻,碳纤维的密度为1.5~2g/c m3,相当于钢密度的1/4、铝合金密度的1/2;o强度、弹性模量高,其强度比钢大4~5倍,弹性回复为100%;?热膨胀系数小,导热率随温度升高而下降,耐骤冷、急热,即使从几千摄氏度的高温突然降到常温也不会炸裂;?摩擦系数小,并具有润滑性;?导电性好,25e时高模量碳纤维的比电阻为775L8/c m,高强度碳纤维则为1500L8/c m;?耐高温和低温性好,在3000e非氧化气氛下不熔化、不软化,在液氮温度下依旧很柔软,也不脆化;?耐酸性好,对酸呈惰性,能耐浓盐酸、磷酸、硫酸等侵蚀[4~7].除此之外,碳纤维还具有耐油、抗辐射、抗放射、吸收有毒气体和使中子减速等特性. 碳纤维的结构取决于原丝结构和碳化工艺,但无论用哪种材料,碳纤维中碳原子平面总是沿纤维轴平行取向.用X-射线、电子衍射和电子显微镜研究发现,真实的碳纤维结构并不是理想的石墨点阵结构,而是属于乱层石墨结构[8],如图1所示.构成此结构的基元是六角形碳原子的层晶格,由层晶格组成层平面.在层平面内的碳原子以强的共价键相连,其键长为0.1421n m;在层平面之间则由弱的范德华力相连,层间距在0.3360~0.3440n m之间;层与层之间碳原子没有规则的固定位置,因而层片边缘参差不齐.处于石墨层片边缘的碳原子和层面内部结构完整的基础碳原子不同.层面内部的基础碳原子所受的引力是对称的,键能高,反应活性低;处于表面边缘处的碳原子受力不对称,具有不成对电子,活性 收稿日期:2008-01-04 基金项目:上海市教委科研基金项目(06D Z034). 作者简介:上官倩芡(1974-),女,上海师范大学机械与电子工程学院副教授.
纤维增强复合材料（FRP）在工程结构加固中的应用 肖萍 （福建信息职业技术学院福州，350019） 摘要：介绍FRP这种新型高性能复合材料的种类、性能特点及对钢筋混凝土构件的加固方式，并 介绍了FRP复合材料在土木工程不同领域的应用发展，展望了FRP复合材料在今后土木工程领域的广 阔发展前景。 关键词： FRP 复合材料；材料性能；钢筋混凝土构；修复加固 随着社会科学技术的进步，土木工程结构学科的发展，在很大程度上得益于性质优异的新材料、新技术的应用和发展，而纤维增强复合材料（fiber reinforced polymer 简称FRP）以其优异的力学性能及适应现代工程结构向大跨、高耸、重载、轻质发展的需求，正被越来越广泛地应用于桥梁工程、各类民用建筑、海洋工程、地下工程中，受到结构工程界广泛关注。 1 FRP复合材料的种类 FRP复合材料是由纤维材料与基体材料按一定地比例混合，经过特别的模具挤压、拉拔而形成的高性能型材料。目前工程结构中常用的FRP主材主要有碳纤维（CGRP）、玻璃纤维（GFRP）、及芳纶纤维（AFRP），这些材料性能如表1所示，其材料形式主要有片材（纤维布和板）、棒材（筋材和索材）及型材（格栅型、工字型、蜂窝型等）。 1.1 在FRP片材中，纤维布是目前应用最为广泛的形式，它由连续的长纤维编织而成，通常是单向纤维布，使用前布浸润树脂，在采用FRP布加固时布的形状可以根据被加固结构的外形随意调整，加上它本身没有刚度，运输方便，较适用于梁与柱的抗剪、抗弯加固，柱与节点的抗震加固。但由于FRP布的厚度较薄，需多层粘贴才能满足要求，所以施工工艺较繁杂，操作较为困难。而FRP板则可以承受纤维方向上的拉和压，所以FRP板较适用于梁板柱的抗弯加固和抗剪加固。1.2 在FRP棒材中，FRP筋是采用单向成型工艺，将单向长纤维与树脂混合为棒材；而FRP索是将连续的长纤维单向编织，再用少量树脂浸润固化或不用树脂固化而制成的索状FRP制品。FRP 筋和FRP索可以在钢筋混凝土代替钢筋和预应力筋，特别是FRP筋用作预应力筋时，它的高强度、低弹性模量和抗腐蚀性对结构都十分有力。同时它们还可用于大跨度支撑结构、张拉结构和悬挑结构，且一般可节约劳动力和大量后期的维护费用。但工程造价一般高于采用钢筋的方案。 1.3 在FRP型材中，FRP格栅型材可代替钢筋网或钢筋笼，直接用作结构中作为楼面或夹心板等构件，同时FRP其他型材也可用于管道、桩基等尺寸较大或形状复杂的结构构件中。 2 FRP复合材料的基本力学性能和特点： 2.1 抗拉强度高，FRP的抗拉强度均明显高于钢筋，与高强钢丝抗拉强度差不多，一般是钢筋的两倍甚至达十倍。但FRP材料在达到抗拉强度前，几乎没有塑性变形产生，受拉时应力－应变呈线弹性上升直至脆断，因此FRP复合材料在与混凝土结构共同作用的过程中，往往不是由于FRP 材料被拉断破坏，而是由于FRP－混凝土界面强度不足导致混凝土结构界面被剥离破坏，所以，FRP－混凝土界面粘结性能问题成为今后工程应用的一个重点和难点。 2.2 FRP复合材料热膨胀系数与混凝土相近，这样当环境温度发生变化时，FRP与混凝土协调工作，两者间不会产生大的温度应力。 2.3 与钢材相比，大部分FRP产品弹性模量小。约为普通钢筋的25％～75％。因此，FRP结构的设计通常由变形控制。 2.4 FRP的抗剪强度低，其强度仅为抗拉强度的5％～20％，这使得FRP构件在连接过程中需要研制专门的锚具、夹具。也使得FRP构件的适度成为研究突出的问题。
碳纤维增强复合材料概述 摘要：本文对碳纤维增强复合材料进行了介绍，详细介绍了其优点和应用。并对碳纤维复合材料存在的问题提出建议。 关键字：碳纤维，复合材料，应用 Abstract: In this paper, the carbon fiber reinforced composite materials are introduced, its advantages and application was introduced in detail. And puts forward Suggestions on the problems existing in the carbon fiber composite materials. Key words: carbon fiber, composite materials, applications 1.碳纤维增强复合材料介绍 复合材料是将两种或两种以上不同品质的材料通过专门的成型工艺和制造方法复合而成的一种高性能新材料，按使用要求可分为结构复合材料和功能复合材料，到目前为止，主要的发展方向是结构复合材料，但现在也正在发展集结构和功能一体化的复合材料。通常将组成复合材料的材料或原材料称之为组分材料（constituent materials），它们可以是金属陶瓷或高聚物材料。对结构复合材料而言，组分材料包括基体和增强体，基体是复合材料中的连续相，其作用是将增强体固结在一起并在增强体之间传递载荷；增强体是复合材料中承载的主体，包括纤维、颗粒、晶须或片状物等的增强体，其中纤维可分为连续纤维、长纤维和短切纤维，按纤维材料又可分为金属纤维、陶瓷纤维和聚合物纤维，而目前用得最多的和最重要的是碳纤维[1]。 碳纤维是一种直径极细的连续细丝材料，直径范围在6～8 μm 内，是近几十年发展起来的一种新型材料。目前用在复合材料中的碳纤维主要有两大类：聚丙烯腈基碳纤维和沥青基碳纤维，分别用聚丙烯腈原丝（称之为前驱体）、沥青原丝通过专门而又复杂的碳化工艺制备而得。通过碳化工艺，使纤维中的氢、
·开发与创新· Development and Applications of Carbon Fiber and Its Composites GAO Bo ,XU Zi-Li (Wuhan Textile University ,Wuhan Hubei 430073,China Abstract:This paper introduces performance and features of carbon fiber,briefly overviews the history,including both foreign and domestic.And analyses the properties and applications of carbon fiber composite material,emphasizes the related performance that carbon fiber adds to the metal matrix composites and points out its research prospects.Key words:carbon fiber ;composite ;metal matrix 0引言 碳纤维是含碳量高于90%的无机高分子纤维,是由有机母体纤维(聚丙烯睛、粘胶丝或沥青等采用高温分解法在1000~3000℃高温的惰性气体下碳化制成的。它是一种力学性能优异的新材料,比重不到钢的1/4,能像铜那样导电,比不锈钢还耐腐蚀,而其复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa 以上,是钢的7~9倍,抗拉弹性模量为23000~43000Mpa ,也高于钢。碳纤维按其原料可分为三类:聚丙烯腈基(PAN 碳纤维、石油沥青基碳纤维和人造丝碳纤维三类。其中聚丙烯腈基碳纤维用途最广,需求也最大[1]。 1碳纤维的发展史 1.1国外碳纤维的发展历史 20世纪50年代美国开始研究粘胶基碳纤维,1959 年生产出了粘胶基纤维Thormel-25,这是最早的碳纤维产品。同一年,日本发明了用聚丙烯腈基(PAN 原丝
复合材料的发展及应用 随着科学技术迅速发展，特别是尖端科学技术的突飞猛进，对材料性能提出越来越高,越来越严和越来越多的要求。在许多方面，传统的单一材料已不能满足实际需要。这时候复合材料就出现在了这百家争鸣的舞台上。 基本概论 复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。此定义来自ISO。在复合材料中，通常有一相为连续相，称为基体；另一相为分散相，称为增强材料。从上述定义中可以看出，复合材料是两个或多个连续相与一个或多个分散相在连续相中的复合，复合后的产物为固体时才称为复合材料。所以我们可根据增强材料与基体材料的名称来给复合材料命名，增强基体复合材料。如：玻璃钎维环氧树脂复合材料，可写作玻璃/环氧复合材 料。 分类与性能 按增强材料形态分类可分为（1）连续纤维复合材料；（2）短纤维复合材料；（3）粒状填料复合材料；（4）编织复合材料。按增强纤维种类分类可分为（1)玻璃纤维复合材料；（2）碳纤维复合材料；（3）有机，金属，陶瓷纤维复合材料。在此篇文章中主要讨论以基体材料分类的几种复合材料。1.聚合物基复合材料——比强度，比模量大；耐疲劳性好；减震性好；过载时安全性好；具有多种功能性；
有很好的加工工艺性。2金属基复合材料——高比强度，高比模量；导热，导电性能；热膨胀系数小，尺寸稳定性好；良好的高温性能；耐磨性好；良好的疲劳性能和断裂韧性；不吸潮，不老化，气密性好。此外还有陶瓷，水泥基复合材料，都有与上类似的特点。 基体材料 一：金属材料 选择基体的原则：使用要求，组成特点，基体金属与增强物的相 容性。 结构复合材料的基体：450℃以下的轻金属基体（“铝基和镁基”用于航天飞机，人造卫星，空间站，汽车发动机零件，刹车盘等）；450-700℃的复合材料的金属基体（“钛合金”用于航天发动机）；1000℃以上的高温复合材料的金属基体（“镍基，铁基耐热合金和金属间化合物”用于燃气轮机）。 二：陶瓷材料 陶瓷是金属和非金属元素的固体化合物，其键合为共价键或离子键，与金属不同，它们不含有大量的电子。一般而言，陶瓷具有比金属更高的熔点和硬度，化学性质非常稳定，耐热性，抗老化性皆佳。常用的陶瓷基体主要包括玻璃（无机材料高温烧结），玻璃陶瓷，氧化物陶瓷（MgO，Al2O3，SiO2，莫来石等），非氧化物陶瓷（氮化物，碳化物，硼化物和硅化物等）。 三：聚合物材料
纤维增强聚丙烯复合材料及其在汽车中的应用 玻璃纤维毡增强热塑性片材（Glass Mat Reinforced Thermoplastics，简称GMT）作为先期研发应用成功的一种热塑性复合材料，曾对汽车工业采用新材料产生了积极而又深远的影响，至今仍方兴未艾。近年来，车用纤维增强聚丙烯复合材料的研究和应用又有了新的发展——自增强聚丙烯（SR-PP）和长玻纤增强聚丙烯（LGFPP）的开发应用成功使其成为汽车工业中的新宠。1 N# H* U$ H9 Z 在汽车塑料件所用塑料材料中，聚丙烯是用量最大、发展最快的塑料品种，其原因不仅是由于聚丙烯材料本身具有密度小、成本低、产量大、性价比高、化学稳定性好、易于加工成型和可回收利用等突出特点，而且还因为该种材料可通过共聚、共混、填充增强等方法得到改性，因而可适合不同的汽车零件的使用性能要求。 目前可用于汽车零部件的聚丙烯材料已有多个牌号的品种，可分别作为汽车保险杠、仪表板、方向盘、车门护板、发动机冷却风扇以及车身暖风组件等多种零部件的材料。尽管如此，为了提供高性能品种以满足高品质汽车在美观、舒适、安全、防腐以及轻量化方面提出的更高要求，人们仍然在不断地进行着聚丙烯材料的改性和应用方面的研究。自增强聚丙烯复合材料8 N" g: f: K+ E- N% T0 o/ d 自增强聚丙烯复合材料(Self-Reinforced Polypropylene Composite，简称SR-PP)是一种由高定向性的聚丙烯纤维和各向同性的聚丙烯基材组成的100%聚丙烯片材。SR-PP是继GMT之后国外最新开发应用的一种热塑性复合材料，它由英国Leads大学研制成功。2002年初，Amoco纤维有限公司在德国Gronau建立了第一条年产5000t SR-PP的生产线，其生产的产品目前主要用作车底遮护板。 自增强聚丙烯片材加工制备工艺的要素可概述为：将高模量的聚丙烯带排列起来，在适宜的温度和压力条件下，使每条带的薄层表皮熔融在一起，在冷却过程中，这种熔融的材料凝固或重结晶，从而粘合成为一个整体结构。由于生成的热压实片材由同一种聚合物材料所组成，再加上物相之间分子的连续性，使片材中纤维/基材间有着优异的粘合性。此外，由于每条定向带表面膜层的熔融效应，从而克服了GMT材料中增强玻璃纤维需要浸润处理的问题。自增强聚丙烯片材热压实制备工艺如图1所示。 国外有关专家在对自增强聚丙烯复合材料的性能进行研究后指出，SR-PP片材的刚性和强度与GMT材料很接近（弹性模量均在5GPa左右），但较GMT材料轻20%～30%。此外，与随意纤维方向排布的GMT片材和NMT（天然纤维增强聚丙烯）片材不同的是，SR-PP片材生产中使用的编织纤维结构使整个零件具有均匀一致的机械性能，可将加工零件的厚度进一步减薄20%～30%，这样就可以使成品的总重量减轻50%左右。表1列出了SR-PP、GMT和均聚PP三种材料的性能对比。
复合材料的发展和应用的论文 全球复合材料发展概况 复合材料是指由两种或两种以上不同物质以不同方式组合而成的材料，它可以发挥各种材料的优点，克服单一材料的缺陷，扩大材料的应用范围。由于复合材料具有重量轻、强度高、加工成型方便、弹性优良、耐化学腐蚀和耐候性好等特点，已逐步取代木材及金属合金，广泛应用于航空航天、汽车、电子电气、建筑、健身器材等领域，在近几年更是得到了飞速发展。 随着科技的发展，树脂与玻璃纤维在技术上不断进步，生产厂家的制造能力普遍提高，使得玻纤增强复合材料的价格成本已被许多行业接受，但玻纤增强复合材料的强度尚不足以和金属匹敌。因此，碳纤维、硼纤维等增强复合材料相继问世，使高分子复合材料家族更加完备，已经成为众多产业的必备材料。目前全世界复合材料的年产量已达550多万吨，年产值达1300亿美元以上，若将欧、美的军事航空航天的高价值产品计入，其产值将更为惊人。从全球范围看，世界复合材料的生产主要集中在欧美和东亚地区。近几年欧美复合材料产需均持续增长，而亚洲的日本则因经济不景气，发展较为缓慢，但中国尤其是中国内地的市场发展迅速。据世界主要复合材料生产商ppg公司统计，2000年欧洲的复合材料全球占有率约为32%，年产量约200万吨。与此同时，美国复合材料在20世纪90年代年均增长率约为美国gdp增长率的2倍，达到4%~6%。2000年，美国复合材料的年产量达170万吨左右。特别是汽车用复合材料的迅速增加使得美国汽车在全球市场上重新崛起。亚洲近几年复合材料的发展情况与政治经济的整体变化密切相关，各国的占有率变化很大。总体而言，亚洲的复合材料仍将继续增长，2000年的总产量约为145万吨，预计2005年总产量将达180万吨。 从应用上看，复合材料在美国和欧洲主要用于航空航天、汽车等行业。2000年美国汽车零件的复合材料用量达万吨，欧洲汽车复合材料用量到2003年估计可达万吨。而在日本，复合材料主要用于住宅建设，如卫浴设备等，此类产品在2000年的用量达万吨，汽车等领域的用量仅为万吨。不过从全球范围看，汽车工业是复合材料最大的用户，今后发展潜力仍十分巨大，目前还有许多新技术正在开发中。例如，为降低发动机噪声，增加轿车的舒适性，正着力开发两层冷轧板间粘附热塑性树脂的减振钢板；为满足发动机向高速、增压、高负荷方向发展的要求，发动机活塞、连杆、轴瓦已开始应用金属基复合材料。为满足汽车轻量化要求，必将会有越来越多的新型复合材料将被应用到汽车制造业中。与此同时，随着近年来人们对环保问题的日益重视，高分子复合材料取代木材方面的应用也得到了进一步推广。例如，用植物纤维与废塑料加工而成的复合材料，在北美已被大量用作托盘和包装箱，用以替代木制产品；而可降解复合材料也成为国内外开发研究的重点。 另外，纳米技术逐渐引起人们的关注，纳米复合材料的研究开发也成为新的热点。以纳米改性塑料，可使塑料的聚集态及结晶形态发生改变，从而使之具有新的性能，在克服传统材料刚性与韧性难以相容的矛盾的同时，大大提高了材料的综合性能。 树脂基复合材料的增强材料 树脂基复合材料采用的增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维等。 1、玻璃纤维 目前用于高性能复合材料的玻璃纤维主要有高强度玻璃纤维、石英玻璃纤维和高硅氧玻璃纤维等。由于高强度玻璃纤维性价比较高，因此增长率也比较快，年增长率达到10%以上。高强度玻璃纤维复合材料不仅应用在军用方面，近年来民用产品也有广泛应用，如防弹头盔、防弹服、直升飞机机翼、预警机雷达罩、各种高压压力容器、民用飞机直板、体育用品、各类耐高温制品以及近期报道的性能优异的轮胎帘子线等。石英玻璃纤维及高硅氧玻璃
碳纤维复合材料在航空航天领域的应用林德春潘鼎高健陈尚开 （上海市复合材料学会）（东华大学）（连云港鹰游纺机集团公司） 碳纤维是纤维状的碳素材料，含碳量在90%以上。具有十分优异的力学性能，与其它高性能纤维相比具有最高比强度和最高比模量。特别是在2000℃以上高温惰性环境中，是唯一强度不下降的物质。此外，其还兼具其他多种得天独厚的优良性能：低密度、高升华热、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、抗疲劳、高震动衰减性、低热膨胀系数、导电导热性、电磁屏蔽性,纺织加工性均优良等。因此，碳纤维复合材料也同样具有其它复合材料无法比拟的优良性能,被应用于军事及民用工业的各个领域，在航空航天领域的光辉业绩，尤为世人所瞩目。 可以明显看出，在航空航天领域碳纤维的用量有大幅度增加，2006年比2001年增长约40%，2008年增长约76%，2010年和2001年相比增长超过100%。 本文将介绍碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）在航空航天领域应用的新进展。 1 航空领域应用的新进展 T300 碳纤维/树脂基复合材料已经在飞行器上广泛作为结构材料使用，目前应用较多的 为拉伸强度达到5.5GPa，断裂应变高出T300 碳纤维的30％的高强度中模量碳纤维T800H 纤维。 （1）军品 碳纤维增强树脂基复合材料是生产武器装备的重要材料。在战斗机和直升机上，碳纤维复合材料应用于战机主结构、次结构件和战机特殊部位的特种功能部件。国外将碳纤维/环氧和碳纤维/双马复合材料应用在战机机身、主翼、垂尾翼、平尾翼及蒙皮等部位，起到了明显的减重作用，大大提高了抗疲劳、耐腐蚀等性能，数据显示采用复合材料结构的前机身段，可比金属结构减轻质量31.5%，减少零件61.5%，减少紧固件61.3%；复合材料垂直安定面可减轻质量32.24%。用军机战术技术性能的重要指标——结构重量系数来衡量，国外第四代军机的结构重量系数已达到27～28%。未来以F-22为目标的背景机复合材料用量比例需求为35%左右，其中碳纤维复合材料将成为主体材料。国外一些轻型飞机和无人驾驶飞机，已实现了结构的复合材料化。目前主要使用的是T300级和T700级小丝束碳纤维增强的复合材。 美国在歼击机和战斗机上大量使用复合材料：F-22的结构重量系数为27.8%，先进复合材料的用量已达到25%以上，军用直升机用量达到50%以上。八十年代初美国生产的单人
复合材料的发展和应用(1) 全球复合材料发展概况 复合材料是指由两种或两种以上不同物质以不同方式组合而成的材料，它可以发挥各种材料的优点，克服单一材料的缺陷，扩大材料的应用范围。由于复合材料具有重量轻、强度高、加工成型方便、弹性优良、耐化学腐蚀和耐候性好等特点，已逐步取代木材及金属合金，广泛应用于航空航天、汽车、电子电气、建筑、健身器材等领域，在近几年更是得到了飞速发展。 随着科技的发展，树脂与玻璃纤维在技术上不断进步，生产厂家的制造能力普遍提高，使得玻纤增强复合材料的价格成本已被许多行业接受，但玻纤增强复合材料的强度尚不足以和金属匹敌。因此，碳纤维、硼纤维等增强复合材料相继问世，使高分子复合材料家族更加完备，已经成为众多产业的必备材料。目前全世界复合材料的年产量已达550多万吨，年产值达1300亿美元以上，若将欧、美的军事航空航天的高价值产品计入，其产值将更为惊人。从全球范围看，世界复合材料的生产主要集中在欧美和东亚地区。近几年欧美复合材料产需均持续增长，而亚洲的日本则因经济不景气，发展较为缓慢，但中国尤其是中国内地的市场发展迅速。据世界主要复合材料生产商PPG公司统计，20XX年欧洲的复
合材料全球占有率约为32%，年产量约200万吨。与此同时，美国复合材料在20世纪90年代年均增长率约为美国GDP增长率的2倍，达到4%~6%。20XX年，美国复合材料的年产量达170万吨左右。特别是汽车用复合材料的迅速增加使得美国汽车在全球市场上重新崛起。亚洲近几年复合材料的发展情况与政治经济的整体变化密切相关，各国的占有率变化很大。总体而言，亚洲的复合材料仍将继续增长，20XX年的总产量约为145万吨，预计20XX年总产量将达180万吨。 从应用上看，复合材料在美国和欧洲主要用于航空航天、汽车等行业。20XX年美国汽车零件的复合材料用量达万吨，欧洲汽车复合材料用量到20XX年估计可达万吨。而在日本，复合材料主要用于住宅建设，如卫浴设备等，此类产品在20XX年的用量达万吨，汽车等领域的用量仅为万吨。不过从全球范围看，汽车工业是复合材料最大的用户，今后发展潜力仍十分巨大，目前还有许多新技术正在开发中。例如，为降低发动机噪声，增加轿车的舒适性，正着力开发两层冷轧板间粘附热塑性树脂的减振钢板；为满足发动机向高速、增压、高负荷方向发展的要求，发动机活塞、连杆、轴瓦已开始应用金属基复合材料。为满足汽车轻量化要求，必将会有越来越多的新型复合材料将被应用到汽车制造业中。与此同时，随着近年来人们对环保问题的日益重视，高分子复合材料取代木材方面的应用也得到了进一步推广。例如，