第21卷第2期高分子材料科学与工程Vo l.21,N o.2 2005年3月POLYM ER M AT ERIALS SCIENCE AND ENGINEERING M ar.2005 PTFE复合材料的摩擦学性能及力学性能X
张招柱,曹佩弦,王 坤,刘维民
(中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室,甘肃兰州730000)
摘要:利用M M-200型磨损试验机,对不同填料填充PT FE复合材料的摩擦磨损性能进行了研究,并探讨了淬火处理对PT FE复合材料摩擦学性能及力学性能的影响。研究发现,几乎所有填料均可大大降低PT FE复合材料的磨损,但其对P T FE复合材料性能的影响差别较大。聚苯脂填充P T F E复合材料虽然具有良好的摩擦磨损性能,但是其拉伸强度较小。P I增大了PT FE复合材料的摩擦系数,随着P I含量的增加,P T F E复合材料的拉伸强度增大,而其伸长率则减小。CdO填充P T F E复合材料虽具有良好的摩擦性能,但其伸长率较大。淬火处理使PT FE复合材料的结晶度下降,从而导致P T F E复合材料的硬度减小、耐磨性变差。
关键词:P T F E复合材料;摩擦磨损;力学性能
中图分类号:O631.2+1 文献标识码:A 文章编号:1000-7555(2005)02-0189-04
聚四氟乙烯(PTFE)是一种优异的固体润滑材料,它具有低的摩擦系数和良好的化学稳定性及热稳定性,但PT FE的耐磨性较差。目前,人们已用不同种类的填料对PTFE进行填充改性,并对PTFE复合材料的摩擦磨损性能进行了大量的研究[1～4],但是淬火处理对PT FE复合材料摩擦学性能及力学性能影响的研究尚未见有详细报道。本文着重采用聚酰亚胺、聚苯脂、CdO、Cu粉、玻璃纤维及炭纤维等对PTFE进行填充改性,利用MM-200型磨损试验机对PT FE复合材料在干摩擦条件下的摩擦磨损性能进行了研究,并探讨了淬火处理对PT FE复合材料摩擦学性能及力学性能的影响。
1 实验部分
将Cu粉、Pb粉、CdO粉、石墨(Gr)、玻璃纤维(GF)、炭纤维(CF)、聚酰亚胺(PI)、聚苯脂(Ekonol)等(粒度小于76L m)以一定的体积比添加到PT FE粉末(粒度39L m)中,混合均匀后冷压成型,然后在空气中自由烧结,其中部分样品作淬火处理。样品尺寸为30m m×7mm ×6mm,对偶为直径40m m的45#钢环,样品及45#钢环表面均用900#水砂纸抛光打磨。在室温、干摩擦条件下,利用M M-200型磨损试验机对PTFE复合材料的摩擦磨损性能进行了评价。在每次试验前,将样品及对偶表面用丙酮棉球擦洗干净,并在空气中晾干。本试验所选用的负荷为200N,速度为0.42m/s,摩擦磨损试验时间均为120min。磨损量以试验后样品表面的磨痕宽度计。通过测量摩擦力矩,进而计算出摩擦系数,摩擦系数取后60m in内的平均值。硬度测定在布洛维显微硬度计上进行。拉伸性能在LJ500型拉力试验机上进行,试样尺寸按GB/T1040-92规定,采用I型试样。
2 结果与讨论
T ab.1给出了PT FE复合材料的摩擦磨损及力学性能测试结果。可以看出,几乎所有填料均可大大降低PT FE复合材料的磨损,极大地提高PTFE复合材料的耐磨性。同时,填料的加入均在不同程度上提高了PT FE复合材料的硬度,但却降低了PT FE复合材料的拉伸强度(5#样品除外)和伸长率。在本试验所选用
X收稿日期:2003-06-03;修订日期:2003-08-08
作者简介:张招柱(1965-),男,博士,研究员. E-mail:zz zhang@https://www.doczj.com/doc/9b13588502.html,
的填料中,聚苯脂具有良好的减磨效果,从而使聚苯脂填充的两种PT FE 复合材料(2#和3#样品)具有良好的耐磨性,但是这两种PTFE 复合材料的拉伸强度较小。而CdO 则降低了PT FE 复合材料的摩擦系数,从而使CdO 填充的两种PT FE 复合材料(7#和8#样品)具有良好的摩擦性能,但是这两种PT FE 复合材料的耐磨性较差。炭纤维和石墨填充PT FE 复合材
料(13#样品)的摩擦磨损性能虽然较差,但是其拉伸强度和伸长率则较大。而Cu 粉和炭纤维填充的PTFE 复合材料(5#样品)的综合摩擦、磨损及力学性能则较好。
Fig.1～Fig.4分别给出了PI 的添加量对PTFE 复合材料的摩擦系数、磨痕宽度、伸长率和拉伸强度的影响。由Fig .1可以看出,PI 填充增大了PTFE 复合材料的摩擦系数,而且
Tab .1 Properties of the PTFE composites
No .of sam ple PTFE compos ites
Friction coefficient
W idth of w ear scar (mm )
T ens ile s trength (M Pa )
Tension rate (%)Hardness (HB )1#PT FE
0.1815.623.16215
4.32#PT FE +Ekonol 0.18 2.9310.04 6.33#PT FE +Ekonol +PI 0.19 2.8914.36 6.4
4#PT FE +Cu +Glass fiber 0.20 3.5120.0576 5.55#
PT FE +Cu +C arbon fiber 0.18 3.1032.30104 6.56#
PT FE +Cu +Pb +Graphite 0.19 3.2717.8428 5.77
#
PT FE +CdO
0.16 3.6714.96161 5.08#PT FE +CdO +Carbon fiber 0.16 5.9919.72104 5.99#PT FE +30(v )%PI 0.21 3.4914.6062 5.410#PT FE +40(v )%PI 0.25 3.5115.95307.011#PT FE +50(v)%PI 0.23 3.4217.64217.312#PT FE +60(v)%PI
0.27 3.4521.91187.113#
PT FE +Graph ite +Carbon fiber
0.27
4.17
21.64
126
5.
4
190
高分子材料科学与工程2005年
PT FE 复合材料的摩擦系数基本上随着PI 含量的增加而增大。Fig .2的结果表明,PI 填充大大降低了PTFE 复合材料的磨损;但在本试验的PI 添加量范围内,随着PI 含量的进一步增大,PI 含量的增加对PT FE 复合材料的耐磨性影响不大。Fig .3的结果表明,PI 填充PT FE 复合材料的伸长率基本上随着PI 含量的增加而减小。Fig.4的结果则表明,PI 填充PT FE 复合材料的拉伸强度先随PI 添加量的增加而减小,然后又随PI 添加量(30%～60%)的增加而增大。
Fig .5 Variations of friction coefficients (L )with load for
Ekonol filled PTFE
composites
Fig .6 Variation of the width of wear scar with load for
Ekonol filled PTFE composites
Fig.5和Fig.6分别给出了聚苯脂填充PT FE 复合材料(2#
样品)的摩擦系数及磨痕宽度随负荷的变化曲线。可以看出,聚苯脂填充PT FE 复合材料(2#样品)的磨痕宽度随负荷的增大而增大,但其摩擦系数却随负荷的增大而减小。
Tab .2给出了纯PT FE 在自由冷却和淬火处理两种不同工艺条件下拉伸强度和伸长率的测试结果。可以看出,淬火处理对PT FE 的拉伸强度影响不大,但却增大了PTFE 的伸长
率。X 射线衍射(XRD)分析结果表明,经淬火处理的PT FE 样品的结晶度低于自由冷却的
PTFE 样品的结晶度。所以,PT FE 材料结晶度的大小对其拉伸强度的影响不大,而伸长率则随结晶度的降低而增大。
Tab .2 Ef fects of quench on the tensile
strength and tension rate of PTFE
Tensile strength (MPa )F ree cooling Water quench
T ensi o n rat e (%)F ree c o oling
Wa ter quench
18.59
18.57
257
286
Fig .7 Ef fect of quench on the friction coefficients (L )of
PTFE composites
□:free cooling ;■:w ater quench .
Fig .8 Effect of quench on the width of wear scar of PTFE
composites
□:free cooling;■:w ater quench.
Fig .9 Eff ect of quench on the hardness of PTFE composites
□:free cooling;■:w ater qu ench.
Fig .7～Fig .9分别给出了淬火处理对PTFE 复合材料的摩擦系数、磨痕宽度及硬度的影响。Fig.7的结果表明,淬火处理使PT FE +30(v )%PI 复合材料的摩擦系数明显增大,但对其它几种PTFE 复合材料的摩擦系数则影响不大。Fig.8的结果表明,除聚苯脂填充PTFE 复合材料(2#
样品)外,淬火处理使其它几种PT FE 复合材料的磨损增大,耐磨性降低。而Fig.9的结果则表明,淬火处理均在不同
191
第2期
张招柱等:PTFE 复合材料的摩擦学性能及力学性能
程度上降低了PTFE复合材料的硬度。
综合T ab.2及Fig.7～Fig.9的结果可以看出,淬火处理使PT FE复合材料的结晶度降低,从而导致其硬度减小,伸长率和磨损增大(聚苯脂填充PTFE复合材料的耐磨性除外)。淬火处理使PTFE+30(v)%PI复合材料的摩擦系数明显增大,但对其它几种PTFE复合材料的摩擦系数则影响不大。所以,淬火处理不利于PT FE复合材料综合性能的改善。参考文献:
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[4] 张招柱(ZH ANG Zhao-zhu),薛群基(XUE Qun-ji),
刘维民(LIU W ei-min),等.摩擦学学报(T ribology),
1997,17(1):45～52.
STUDY ON TRIBOLOGICAL AND MECHANICAL
PROPERTIES OF PTFE COMPOSITES
ZHANG Zhao-zhu,CAO Pei-xian,WANG Kun,LIU Wei-min
(State K ey L abor atory o f S olid L ubrication,L anz hou Institute o f Chemical
P hy sics,Chinese Academy of Sciences,L anz hou730000,China)
ABSTRACT:T he friction and wear properties of PT FE composites filled w ith different filler s w er e studied by using an M M-200w ear tester,then the effects of w ater quench treatm ent on the tribo logical and m echanical proper ties o f the PTFE com posites w ere investigated.Ex perimental results show that the w ear of the PTFE co mpo sites can be gr eatly reduced by the filler s,but the effects of fillers on the pr operties of PTFE co mposites are differ ent.T he PTFE composites filled w ith Ekonol have excellent frictio n and w ear properties,but its tensile strength is low.The filler of PI in PT FE increases the friction co efficients of the PTFE com posites.With the increase of the co ntent o f PI in PTFE,the tensile streng th o f the PT FE composites incr eases,but its tension rate decreases.T he PT FE co mpo sites filled w ith CdO hav e excellent frictio n pr operties,but its tension rate is hig h.Water quench treatment reduces the crystalline density of the PT FE co mpo s-ites,and this leads to the decrease of the har dness and anti-w ear properties of the PTFE co mpo s-ites.
Keywords:PTFE co mposites;frictio n and w ear;m echanical pro perties
192高分子材料科学与工程2005年
3D编织复合材料的细观结构与力学性能 摘要归纳、梳理三维编织复合材料细观结构表征方面较有代表性的单胞模型，分析、比较各结构模型的优缺点，从理论分析与试验测试两方面总结三维编织复合材料刚度和强度性能的研究成果与进展，探讨细观结构表征与力学性能预报中存在的主要问题，并展望今后的研究重点与发展方向。 关键词三维编织复合材料；细观结构；力学性能 Microstructure and Mechanical Properties of 3D Braided Composites ABSTRACT Typical unit cell models on microstructure of 3D braided composites were summarized. Advantages and disadvantages of various models were compared. Developments of research on mechanical properties of 3D braided composites were introduced from theoretical analysis and experimental test perspectives. Finally, problems in the present study were discussed and further development trend is prospected KEYWORDS 3D braided composites; Microstructure; Mechanical properties 1 引言 三维编织复合材料是20世纪80年代为满足航空航天部门对高性能材料的需求而研发出的先进结构材料，具有高度整体化的空间互锁网状结构，可有效避免传统层合复合材料的分层破坏，冲击韧性、损伤容限与抗疲劳特性优异，结构可设计性强，能够实现异形件的净尺寸整体成型，因此在结构材料领域倍受关注。 力学性能是三维编织复合材料结构设计的核心，直接关系应用安全性与可靠性，细观结构是影响力学性能的关键，正确描述细观结构是准确预测宏观力学性能的必要前提。细观结构表征与力学性能预报一直是三维编织复合材料的研究重点，具有重要的理论价值与实践意义。 2 三维编织复合材料的细观结构单胞模型 Ko[1]首次提出“纤维构造”术语，定义出图1所示的立方体单胞模型，单胞由四根不计细度的直纱线组成，纱线沿体对角线方向取向并相交于立方体中心，模型大致描述出了编织体内部的纱线分布情况。
复合材料力学 论文题目：用氧化铝填充导热和电绝缘环氧 复合材料的无缺陷石墨烯纳米片 院系班级：工程力学1302 姓名：黄义良 学号： 201314060215
用氧化铝填充导热和电绝缘环氧复合材料的无缺陷石墨烯纳米片 孙仁辉1 ，姚华1 ，张浩斌1 ，李越1 ，米耀荣2 ，于中振3 （1.北京化工大学材料科学与工程学院，有机无机复合材料国家重点实验室北京 100029;2.高级材料技术中心（CAMT ），航空航天，机械和机电工程学院J07，悉尼大学;3.北京化工大学软件物理科学与工程北京先进创新中心，北京100029） 摘要：虽然石墨烯由于其高纵横比和优异的导热性可以显着地改善聚合物的导热性，但是其导致电绝缘的严重降低，并且因此限制了其聚合物复合材料在电子和系统的热管理中的广泛应用。为了解决这个问题，电绝缘Al 2O 3用于装饰高质量（无缺陷）石墨烯纳米片（GNP ）。借助超临界二氧化碳（scCO 2），通过Al(NO 3)3 前体的快速成核和水解，然后在600℃下煅烧，在惰性GNP 表面上形成许多Al 2O 3纳米颗粒。或者，通过用缓冲溶液控制Al 2(SO 4)3 前体的成核和水解，Al 2(SO 4)3 缓慢成核并在GNP 上水解以形成氢氧化铝，然后将其转化为Al 2O 3纳米层，而不通过煅烧进行相分离。与在scCO2的帮助下的Al 2O 3@GNP 混合物相比，在缓冲溶液的帮助下制备的混合物高度有效地赋予具有优良导热性的环氧树脂，同时保持其电绝缘。具有12％质量百分比的Al 2O 3@GNP 混合物的环氧复合材料表现出1.49W /（m ·K ）的高热导率，其比纯环氧树脂高677％，表明其作为导热和电绝缘填料用于基于聚合物的功能复合材料。 关键词：聚合物复合基材料（PMCs ） 功能复合材料 电气特性 热性能 Decoration of defect-free graphene nanoplatelets with alumina for thermally conductive and electrically insulating epoxy composites Renhui Sun 1，Hua Yao 1， Hao-Bin Zhang 1，Yue Li 1，Yiu-Wing Mai 2，Zhong-Zhen Yu 3 (1.State Key Laboratory of Organic-Inorganic Composites, College of Materials Science and Engineering, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China; 2.Centre for Advanced Materials Technology (CAMT), School of Aerospace, Mechanical and Mechatronic Engineering J07, The University of Sydney, Sydney, NSW 2006, Australia; 3.Beijing Advanced Innovation Center for Soft Matter Science and Engineering, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China) Abstract:Although graphene can significantly improve the thermal conductivity of polymers due to its high aspect ratio and excellent thermal conductance, it causes serious reduction in electrical insulation and thus limits the wide applications of its polymer composites in the thermal management of electronics and systems. To solve this problem, electrically insulating Al 2O 3is used to decorate high quality (defect-free) graphene nanoplatelets (GNPs). Aided by supercritical carbon dioxide (scCO 2), numerous Al 2O 3 nanoparticles are formed
《复合材料结构设计》习题 §1 绪论 1.1 什么是复合材料？ 1.2 复合材料如何分类？ 1.3 复合材料中主要的增强材料有哪些？ 1.4 复合材料中主要的基体材料有哪些？ 1.5 纤维复合材料力学性能的特点哪些？ 1.6 复合材料结构设计有何特点？ 1.7 根据复合材料力学性能的特点在复合材料结构设计时应特别注意到哪些问题? §2 纤维、树脂的基本力学性能 2.1 玻璃纤维的主要种类及其它们的主要成分的特点是什么？ 2.2 玻璃纤维的主要制品有哪些？玻璃纤维纱和织物规格的表示单位是什么？2.3 有一玻璃纤维纱的规格为2400tex，求该纱的横截面积（取玻璃纤维的密度 为2.54g/cm3）？ 2.4 有一玻璃纤维短切毡其规格为450 g/m2，求该毡的厚度（取玻璃纤维的密 度为2.54g/cm3）？ 2.5 无碱玻璃纤维（E-glass）的拉伸弹性模量、拉伸强度及断裂伸长率的大致 值是多少？ 2.6 碳纤维T-300的拉伸弹性模量、拉伸强度及断裂伸长率的大致值是多少？密 度为多少？ 2.7 芳纶纤维（kevlar纤维）的拉伸弹性模量、拉伸强度及断裂伸长率的大致值 是多少？密度为多少？ 2.8 常用热固性树脂有哪几种？它们的拉伸弹性模量、拉伸强度的大致值是多 少？密度为多少？热变形温度值大致值多少？ 2.9 简述单向纤维复合材料抗拉弹性模量、抗拉强度的估算方法。 2.10 试比较玻璃纤维、碳纤维单向复合材料顺纤维方向拉压弹性模量和强度值，指出其特点。 2.11 简述温度、湿度、大气、腐蚀质对复合材料性能的影响。 2.12 如何确定复合材料的线膨胀系数？ 2.13已知玻璃纤维密度为ρf=2.54g/cm3，树脂密度为ρR=1.20g/cm3，采用规格 为450 g/m2的玻璃纤维短切毡制作内衬时，其树脂含量为70％，这样制作一层其GFRP的厚度为多少? 2.14 采用2400Tex的玻璃纤维（ρf=2.54g/cm3）制造管道，其树脂含量为35％ （ρR=1.20g/cm3），缠绕密度为3股/10 mm，试求缠绕层单层厚度? 2.15 试估算上题中单层板顺纤维方向和垂直纤维方向的抗拉弹性模量和抗拉强度。 2.16已知碳纤维密度为ρf=1.80g/cm3，树脂密度为ρR=1.25g/cm3，采用规格为300 g/m2的碳纤维布制作复合材料时，其树脂含量为32％，这样制作一层其CFRP的厚度为多少?其纤维体积含量为多少？ 2.17 某拉挤构件的腹板，厚度为5mm，采用±45°的玻璃纤维多轴向织物（面密
1、简述构成复合材料的元素及其作用 复合材料由两种以上组分以及他们之间的界面组成。即构成复合材料的元素包括基体相、增强相、界面相。 基体相作用：具有支撑和保护增强相的作用。在复合材料受外加载荷时，基体相一剪切变形的方式起向增强相分配和传递载荷的作用，提高塑性变 形能力。 增强和作用：能够强化基体和的材料称为增强体，增强体在复合材料中是分散相, 在复合材料承受外加载荷时增强相主要起到承载载荷的作用。 界面相作用：界面相是使基体相和增强相彼此相连的过渡层。界面相具有一定厚度，在化学成分和力学性质上与基体相和增强相有明显区别。在复 合材料受外加载荷时能够起到传递载荷的作用。 2、简述复合材料的基本特点 (1)复合材料的性能具有可设计性 材料性能的可设计性是指通过改变材料的组分、结构、工艺方法和工艺参数来调节材料的性能。显然，复合材料中包含了诸多影响最终性能、可调节的因素，赋予了复合材料的性能可设计性以极大的自由度。 ⑵ 材料与构件制造的一致性 制造复合材料与制造构件往往是同步的，即复合材料与复合材料构架同时成型，在采用某种方法把增强体掺入基体成型复合材料的同时?，通常也就形成了复合材料的构件。 (3)叠加效应 叠加效应指的是依靠增强体与基体性能的登加，使复合材料获得一?种新的、独特而又优于个单元组分的性能，以实现预期的性能指标。 (4)复合材料的不足 复合材料的增强体和基体可供选择地范围有限；制备工艺复杂，性能存在波动、离散性；复合材料制品成本较高。
3、说明增强体在结构复合材料中的作用能够强化基体的材料称为增强体。增强体在复合材料中是分散相。复合材料中的增强体，按几何形状可分为颗 粒状、纤维状、薄片状和由纤维编制的三维立体结构。喑属性可分为有机增强体 和无机增强体。复合材料中最主要的增强体是纤维状的。对于结构复合材料，纤 维的主要作用是承载，纤维承受载荷的比例远大于基体；对于多功能复合材料， 纤维的主要作用是吸波、隐身、防热、耐磨、耐腐蚀和抗震等其中一种或多种， 同时为材料提供基本的结构性能；对于结构陶瓷复合材料，纤维的主要作用是增 加韧性。 4、说明纤维增强复合材料为何有最小纤维含量和最大纤维含量 在复合材料中，纤维体积含量是一个很重要的参数。纤维强度高，基体韧性好，若加入少量纤维，不仅起不到强化作用反而弱化，因为纤维在基体内相当于裂纹。所以存在最小纤维含量，即临界纤维含量。若纤维含量小于临界纤维量，则在受外载荷作用时，纤维首先断裂，同时基体会承受载荷，产生较大变形，是否断裂取决于基体强度。纤维量增加，强度下降。当纤维量大于临界纤维量时，纤维主要承受载荷。纤维量增加强度增加。总之，含量过低，不能充分发挥复合材料中增强材料的作用；含量过高，由于纤维和基体间不能形成一定厚度的界面过渡层, 无法承担基体对纤维的力传递，也不利于复合材料抗拉强度的提高。 5、如何设才计复合材料 材料设计是指根据对?材料性能的要求而进行的材料获得方法与工程途径的规划。复合材料设计是通过改变原材料体系、比例、配置和复合工艺类型及参数，来改变复合材料的性能，特别是是器有各向异性，从而适应在不同位置、不同方位和不同环境条件下的使用要求。复合材料的可设计性赋予了结构设计者更大的自由度，从而有可能设计出能够充分发掘与应用材料潜力的优化结构。复合材料制品的设计与研制步骤可以归纳如下： 1）通过论证明确对于材料的使用性能要求，确定设计目标 2）选择材料体系（增强体、基体） 3）确定组分比例、几何形态及增强体的配置 4）确定制备工艺方法及工艺参数
Thermo-Calc 概述：（原产地:瑞典）热力学计算软件的开拓者，软件开发历史比较悠久，因此软件功能比较完善和强大，所涉及的领域比较广泛，包括冶金、金属合金、陶瓷、熔岩、硬质合金、粉末冶金、无几物等等，产品主要包括TCC、TCW、DICTRA、二次开发工具和数据库。 软件功能：1、热力学——相图、热力学性能、凝固模拟、液相面、热液作用、变质、岩石形成、沉淀、风化过程的演变、腐蚀、循环、重熔、烧结、煅烧、燃烧中的物质形成、CVD 图、薄膜的形成、CVM 计算，化学有序 - 无序等等。2、动力学（DICTRA）——扩散模拟，如合金均匀化、渗碳、脱碳、渗氮、奥氏体/铁素体相变、珠光体长大、微观偏析、硬质合金的烧结等等。 数据库：TC的数据库比较多，甚至可以说杂来形容，呵呵，TC自己做的最好的数据库应该是Fe，当然现在也有像Ni等等的自己开发的数据库，但是大部分数据库都是利用第三方的，如有色金属（Al、Mg、Ti等）是英国ThermoTech的。当然TC的同盟战线非常广，所以相应可用的数据库也就非常多，包括众多无几物数据库、陶瓷数据库、硬质合金数据库、核材料数据库等等。 优势：软件功能强大、用户群较大方便交流、软件扩展性能好、灵活性强、适用范围广。 缺点：操作界面不是很友好，很难上手，动力学（扩散）数据目前不是很全，计算引擎技术滞后（主要表现在初始值方面）。 适用范围：适合于科学研究，尤其是理论研究，从行上来讲非常适合黑色金属行业，当然陶瓷、化工等行业也是首选（因为其他没有软件有这方面的数据库和功能）。
Pandat 概述：（原产地:美国，全是中国人开发，呵呵）热力学计算软件的后起者，或者说新秀吧，呵呵！主要是抓住竞争对手界面不友好和需要计算初值的弱点发展起来的，目前主要是在金属材料也就是合金行业中发展，产品包括Pandat、PanEngine和数据库。 软件功能：相图计算、热力学性能、凝固模拟、液相投影面、相图优化以及动力学二次开发（注意二次开发要在C++环境中进行）等。 数据库：Pandat的数据库主要的优势还在于有色金属方面，尤其是Mg和Al的数据应该是全球最优秀的，除此之外还有自己开发的Ti、Fe、Ni、Zr等，以及日本的Cu和Solder数据库。 优势：界面非常友好，容易上手不要很多的计算机知识，计算引擎先进（其实就是算法比较好），可二次开发。 缺点：功能不是很完善，适用面比较窄（暂时只能用于金属行业） 适用范围：适合于科学研究，工程应用，但目前只推荐用于金属行业。 另外推出了Demo版，对于二元体系是完全免费的，因此推荐大家下载使用，当然可用于发表文章。 这里可以下载： JMatPro 概述：（原产地：英国，和ThermoTech是一家，主要是做数据库的），定位非常新颖，主要
《复合材料力学》沈观林编著清华大学出版社 第一章复合材料概论 1.1复合材料及其种类 1、复合材料是由两种或多种不同性质的材料用物理和化学方法在宏观尺度上组成的具有新性能的材料。 2、复合材料从应用的性质分为功能复合材料和结构复合材料两大类。功能复合材料主要具有特殊的功能。 3、结构复合材料由基体材料和增强材料两种组分组成。其中增强材料在复合材料中起主要作用，提供刚度和强度，基本控制其性能。基体材料起配合作用，支持和固定纤维材料，传递纤维间的载荷，保护纤维。根据复合材料中增强材料的几何形状，复合材料可分为三大类：颗粒 复合材料、纤维增强复合材料（fiber-reinforced composite）、层禾口 复合材料。 （1）颗粒：非金属颗粒在非金属基体中的复合材料如混凝土；金属颗粒在非金属基体如固体火箭推进剂；非金属在金属集体中如金属陶 '瓷O （2）层合（至少两层材料复合而成）：双金属片；涂覆金属；夹层玻璃。 （3）纤维增强：按纤维种类分为玻璃纤维（玻璃钢）、硼纤维、碳纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维和芳纶纤维等。 按基体材料分为各种树脂基体、金属基体、陶瓷基体、和碳基体。按纤维形状、尺寸可分为连续纤维、短纤维、纤维布增强复合材料。 还有两种或更多纤维增强一种基体的复合材料。如玻璃纤维和碳纤维增强树脂称为混杂纤维复合材料。 5、常用纤维（性能表见P7表1-1） 玻璃纤维（高强度、高延伸率、低弹性模量、耐高温） 硼纤维（早期用于飞行器，价高）碳纤维（主要以聚丙烯腈PAN纤维或沥青为原料，经加热氧化，碳化、石墨化处理而成；可分为高强度、高模量、极高模量，后两种成为石墨纤维（经石墨化2500~3000°C）；密度比玻璃纤维小、弹性模
树脂基复合材料的力学性能 力学性能是材料最重要的性能。树脂基复合材料具有比强度高、比模量大、抗疲劳性能好等优点，用于承力结构的树脂基复合材料利用的是它的这种优良的力学性能，而利用各种物理、化学和生物功能的功能复合材料，在制造和使用过程中，也必须考虑其力学性能，以保证产品的质量和使用寿命。 1、树脂基复合材料的刚度 树脂基复合材料的刚度特性由组分材料的性质、增强材料的取向和所占的体积分数决定。树脂基复合材料的力学研究表明，对于宏观均匀的树脂基复合材料，弹性特性复合是一种混合效应，表现为各种形式的混合律，它是组分材料刚性在某种意义上的平均，界面缺陷对它作用不是明显。 由于制造工艺、随机因素的影响，在实际复合材料中不可避免地存在各种不均匀性和不连续性，残余应力、空隙、裂纹、界面结合不完善等都会影响到材料的弹性性能。此外，纤维（粒子）的外形、规整性、分布均匀性也会影响材料的弹性性能。但总体而言，树脂基复合材料的刚度是相材料稳定的宏观反映。 对于树脂基复合材料的层合结构，基于单层的不同材质和性能及铺层的方向可出现耦合变形，使得刚度分析变得复杂。另一方面，也可以通过对单层的弹性常数（包括弹性模量和泊松比）进行设计，进而选择铺层方向、层数及顺序对层合结构的刚度进行设计，以适应不同场合的应用要求。 2、树脂基复合材料的强度 材料的强度首先和破坏联系在一起。树脂基复合材料的破坏是一个动态的过程，且破坏模式复杂。各组分性能对破坏的作用机理、各种缺陷对强度的影响，均有街于具体深入研究。 树脂基复合材强度的复合是一种协同效应，从组分材料的性能和树脂基复合材料本身的细观结构导出其强度性质。对于最简单的情形，即单向树脂基复合材料的强度和破坏的细观力学研究，还不够成熟。 单向树脂基复合材料的轴向拉、压强度不等，轴向压缩问题比拉伸问题复杂。其破坏机理也与拉伸不同，它伴随有纤维在基体中的局部屈曲。实验得知：单向树脂基复合材料在轴向压缩下，碳纤维是剪切破坏的；凯芙拉（Kevlar）纤维的破坏模式是扭结；玻璃纤维一般是弯曲破坏。 单向树脂基复合材料的横向拉伸强度和压缩强度也不同。实验表
Trans. Nonferrous Met. Soc. China 23(2013) 3714?3721 Elastic and thermodynamic properties of Re2N at high pressure and high temperature Mei-guang ZHANG1, Hai-yan YAN2, Qun WEI3, Duo-hui HUANG4 1. Department of Physics and information Technology, Baoji University of Arts and Sciences, Baoji 721016, China; 2. College of Chemistry and Chemical Engineering, Baoji University of Arts and Sciences, Baoji 721013, China; 3. School of Physics and Optoelectronic Engineering, Xidian University, Xi’an 710071, China; 4. Computational Physics Key Laboratory of Sichuan Province, Yibin University, Yibin 644007, China Received 24 September 2012; accepted 14 April 2013 Abstract: First principles calculations are preformed to systematically investigate the elastic and thermodynamic properties of Re2N at high pressure and high temperature. The Re2N exhibits a clear elastic anisotropy and the elastic constants C11 and C33vary rapidly in comparison with the variations in C12, C13 and C44 at high pressure. In addition, bulk modulus B, elastic modulus E, and shear modulus G as a function of crystal orientations for Re2N are also investigated for the first time. The tensile directional dependences of the elastic modulus obey the following trend: [0001][1211][1010][1011] E E E E >>>. The shear moduli of Re2N within the (0001) basal plane are the smallest and greatly reduce the resistance of against large shear deformations. Based on the quasi-harmonic Debye model, the dependences of Debye temperature, Grüneisen parameter, heat capacity and thermal expansion coefficient on the temperature and pressure are explored in the whole pressure range from 0 to 50 GPa and temperature range from 0 to 1600 K. Key words: Re2N; transition metal nitrides; elastic properties; thermodynamic properties 1 Introduction Transition metal nitrides are of great interest in both fundamental science and technological applications because of their unusual physical and chemical properties [1?3]. Traditional applications have taken advantage of the hard and refractory nature of many early transition metal nitrides, such as TiN, CrN and HfN. In contrast, not too much success has been achieved in exploring the late transition metal nitrides, especially for platinum group and noble metals nitrides. Until recently, a significant progress in synthesis of the dinitrides of Pt, Ir, Os, and Pd has been made at extreme conditions (approximately 50 GPa and 2000 K) [4?7]. These nitrides have been shown to possess ultrahigh bulk moduli (428 GPa for IrN2) comparable with those of the traditional superhard materials, thus exhibiting interesting mechanical properties. Extensive studies [8?13] are therefore carried out in order to hunt for new potential superhard transition metal nitrides. More recently, FRIEDRICH et al [14] have succeeded in synthesizing two novel rhenium nitrides (Re2N and Re3N) and characterized them using white beam Laue microdiffraction. Both hexagonal phases have very high bulk moduli (> 400 GPa); close to that of c-BN and higher than that of ReB2. Between these two nitrides, the Re2N adopts hexagonal structures with a space group P63/mmc, and the atomic positions are Re (1/3, 2/3, 0.106) and N (1/3, 2/3, 3/4). Following this exciting work, FRIEDRICH et al [15] and DELIGOZ et al [16] investigated the vibrational properties of the hexagonal Re2N. ZHANG et al [17] later have studied the thermodynamic stability and mechanical properties as well as a bond deformation mechanism of Re2N. The structural, electronic, and elastic properties of Re2N have been also investigated at ambient conditions [18?21], and the Re2N was found to be an ultra-incompressible Foundation item: Project (11204007) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project (2012JQ1005) supported by Natural Science Basic Research Plan of Shaanxi Province, China; Project (2013JK0638) supported by the Education Committee Natural Science Foundation of Shaanxi Province, China Corresponding author: Mei-guang ZHANG; Tel: +86-917-3364258; E-mail: zhmgbj@https://www.doczj.com/doc/9b13588502.html, DOI:10.1016/S1003-6326(13)62921-0
目录 复合材料细观力学 (1) 简支层合板的自由振动 (9) 不同条件下对称层合板的弯曲分析 (14)
复合材料细观力学 ——混凝土细观力学 一、研究背景 复合材料细观力学 复合材料细观力学是20世纪力学领域重要的科学研究成果之一，是连续介质力学和材料科学相互衍生形成的新兴学科。 近20年来，我国科技工作者应用材料细观力学的理论和方法，成功研究了许多复合材料的增强，断裂和破坏问题，给出了一些特色和有价值的研究成果。 混凝土细观力学 混凝土作为一种重要的建筑材料已有百余年的历史，它广泛应用于房屋、桥梁、道路、矿井、及军工等诸多方面。在水工建筑方面，混凝土也被大量使用，特别是大体积混凝土，它是重力坝和拱坝的主要组成部分，对混凝土各项力学性能的准确把握及应用，在一定程度上决定了水工建筑物的质量和安全性能。 二、研究目的 长期以来，在混凝土应用的各个领域里，人们对混凝土的力学特性进行了大量的研究。如何充分的利用混凝土的力学性能，建造出更经济、更安全和更合理的建筑物或工程结构，一直都是结构工程设计领域研究的重要课题。 三、研究现状 混凝土是由粗骨料和水泥砂浆组成的非均质材料，它的力学性能
受到材料的品质、组分、施工工艺和使用条件等因素的影响。过去，人们对混凝土力学性能的研究很大程度上是依靠实验来确定的。随着实验技术的发展，混凝土各种力学性能被揭示出来。但由于实验需要花费大量的人力、物力和财力，而且所得到的实验成果往往由于实验条件的限制也是很有限的。 现代科学的一个重要的思维方式与研究方法就是层次方法，在对客观世界的研究中，当停留在某一层次，许多问题无法解决时，深入到下一个层次，问题就会迎刃而解。 对混凝土断裂问题的研究归纳为如下四个研究层次： 1)宏观层次：混凝土这种非均质材料存在着一个特征体积，经验的 特征体积相应于3～4倍的最大骨料体积。当混凝土体积大于这种特征体积时，材料被假定为均质的，当小于这种特征体积时，材料的非均质性将会十分明显。有限元计算结果反映了一定体积内的平均效应，这个特征体积的平均应力和平均应变称之谓宏观应力和宏观应变。 2)细观层次：在这个层次中，混凝土被认为是一种由骨料、砂浆和 它们之间的粘结带组成的三相非均质复合材料，细观内部裂隙的发展将直接影响混凝土的宏观力学性。细观层次的模型一般是毫米或厘米量级。 3)微观层次：在这个层次上，认为砂浆的非均质性是由浆体中的孔 隙所产生的。由于砂浆中孔隙很小而且量多，随机分布，水泥砂
复合材料力学性能表征(characterization of mechanical properties of composites) 力学性能包括拉伸、压缩、弯曲、剪切、冲击、硬度、疲劳等，这些数据的取得必须严格遵照标准。试验的标准环境条件为：温度23℃±2℃，相对湿度45％～55％，试样数量每项试验不少于5个。 此检测方法适用于树脂基复合材料，金属基复合材料力学性能可参考此方法进行。 拉伸拉伸试验是对尺寸符合标准的试样，在规定的试验速度下沿纵轴方向施加拉伸载荷，直至其破坏。通过拉伸试验可获得如下材料的性能指标： 式中P为最大载荷，N；b，h分别为试样的宽度和厚度，mm。 式中△L为试样破坏时标距L0内的伸长量，mm；L0为拉伸试样的测量标距，mm。 拉伸弹性模量Et 式中△P为载荷一形变曲线上初始直线段的载荷增量，N；△L为与△P相对应的标距L0内的变形增量，mm。 由于复合材料的各向异性，特别是用单向预浸带做的复合材料通常同时测以下项目： σL：∥纤维方向的拉伸强度； σT：⊥纤维方向的拉伸强度； EL：∥纤维方向的拉伸模量； ET：⊥纤维方向的拉伸模量。 应力-应变曲线记录拉伸过程中应力-应变变化规律的曲线，用于求取材料的力学参数和分析材料拉伸破坏的机制。 压缩对标准试样的两端施加均匀的、连续的轴向静压加载荷，直至试样破坏，以获得有关压缩性能的参数，若压缩试验中试样破坏或达最大载荷时的压缩应力为P(N)，试样横截面积为F(mm2)，则压缩强度σc为：
由压缩试验中应力-应变曲线上初始直线段的斜率，即应力与应变之比，可求出压缩弹性模量(MPa)。 由于复合材料的各向异性，特别是用单向预浸带做的复合材料通常同时测 σL：∥纤维方向的压缩强度； σT：⊥纤维方向的压缩强度； EL：∥纤维方向的压缩模量； ET：上纤维方向的压缩模量。 弯曲复合材料在弯曲试验中受力状态比较复杂，拉、压、剪、挤压等力同时对试样作用，因而对成型工艺配方，试验条件等因素的敏感性较大。用弯曲试验作为筛选试验是简单易行的方法。 复合材料的弯曲试验一般采用三点加载简支梁法，即将标准试样放在两支点上，在中间施加载荷，使试样变形直至破坏。材料的弯曲强度σ f为： 式中P为破坏载荷，N(或挠度为1.5倍试样厚度时的载荷)；l为跨度，mm；b，h分别为试样的宽度和厚度，mm。 弯曲弹性模量Ef是指比例极限内应力与应变的比值，可按下式计算： 式中△P为载荷，N(或挠度曲线上使直线段产生弯曲的载荷增量)；△f为与△P对应的试样跨距中点处的挠度增量。 剪切复合材料的特点之一是层间剪切强度低，并且层问剪切形式复杂，因此剪切试验对于复合材料的质量控制特别重要。层问剪切强度测试方法有直接剪切法和短梁弯曲法等。 (1)直接剪切法。试样的形式和尺寸如图，对试样的A、C面以一定的加载速度施加剪切，直至试样破坏。试样破坏时单位面积上所承受的载荷值为层间剪切强度τs。 式中Pb为破坏载荷，N；b，h分别为受剪面的宽度和高度，mm。
复合材料力学性能实验复习题 1.力学实验方法的内涵？ 是以近代力学理论为基础，以先进的科学方法为手段，测量应变、应力等力学量，从而正确真实地评价材料、零部件、结构等的技术手段与方法； 是用来解决“物尽其用”问题的科学方法； 2.力学实验的主要任务，结合纤维增强复合材料加以阐述。 面向生产，为生产服务；面对新技术新方法的引入，研究新的测试手段；面向力学，为力学的理论建设服务。 3.对于单向层合板而言，需要几组实验来确定其弹性模量和泊松比？如何确定实验方案？ 共需五组实验，拉伸0/90两组，压缩0/90两组，剪切试验一组。 4.单向拉伸实验中如何布置应变片？ 5.单向压缩实验中如何布置应变片？ 6.三点弯曲实验中如何布置应变片？ 7.剪切实验中如何布置应变片？ 8.若应变片的粘贴方向与实样应变方向不一致，该如何处理？ 9.若加载方向与材料方向不一致，该如何处理？（这个老师给了） 10.纤维体积含量的测试方法？ 密度法、溶解法 11.评价膜基结合强度的实验方法？ 划痕法、压痕法、刮剥法、拉伸法、黏结剂法、涂层直接加载法、激光剥离法、弯曲法。 12.简述试样机械加工的规范？ 试样的取位区(距板材边缘30mm以上，最小不得小于20mm) 试样的质量（气泡、分层、树脂富集、皱褶、翘曲、错误铺层） 试样的切割（保证纤维方向和铺层方向与试验要求相符） 试样的加工（采用硬质合金刀具或砂轮片加工，防止试样产生分层、刻痕和局部挤压等机械损伤） 试样的冷却（采用水冷，禁止油冷） 13.纤维增强复合材料在拉伸试验中的几种可能破坏模式及其原因？ 所有纤维在同一位置破坏，材料吸收断裂能量很小，材料断裂韧性差； 纤维在基体中拔出，吸收断裂能量很大，材料韧性增加并伴随界面开裂； 介于以上两者之间。 14.加强片的要求？ 材料硬度低，便于夹具的咬合；材料的强度高，保证载荷能传递到试样上，且在试样发生破坏前本身不发生破坏。
复合材料聚合物的性能对比 聚合物复合材料的性能解释 1． 1 拉伸性能 拉伸性能包括拉伸强度，弹性模量、泊松比、断裂伸长率等。对于如高压容器、高压管、叶片等产品，必须要测出聚合物复合材料的拉伸性能，才能进行产品设计及检验。 对于不同的聚合物复合材料，拉伸性能试验方法是不同。对于普通的，用国标 GB/T1447 进行测试；对于缠绕成型的，用国标 GB/T1458 进行测试；对于定向纤维增强的，用国标 GB/T33541 进行测试；对于拉挤成型的，用国标GB/T13096-1 进行测试。使用最多的是 GB/T1447 。 国标 GB/T1447 ，对于不同成型工艺复合材料，又规定不同形状的拉伸试样，有带 R 型、直条型及哑铃型。使用拉伸试验机或万能试验按规定的加载速度对试样施加拉伸载荷直到试样破坏。用破坏载荷除以试样横截面面积则为拉伸强度。从测出的应力--------------------------- 应变曲线的直线段的斜率则为弹性模量，试样横向应变 与纵向应变比为泊松比。破坏时的应变称为断裂伸长率。 单位面积上的力，称为应力，通常用 MPa （兆帕）表示， 1MPa 相当于 1N/mm2 的应力。应变是单位长度的伸长量，是没有量刚（单位）的。 不同的现代复合材料其拉伸性能大不一样，以玻璃纤维增强的玻璃钢为例：1：1 玻璃钢，拉伸强度为（200-250 ）MPa ，弹性模量为（10-16 ）GPa；4：1 玻璃钢，拉伸强度为（250-350 ）MPa ，弹性模量为（15-22 ）GPa ；单向纤维的玻璃钢（如缠绕），拉伸强度大于800MPa ，弹性模量大于 24GPa ； SMC 材料，拉伸强度为（ 40-80 ） MPa ，弹性模量为（ 5-8 ）GPa ；DMC 材料，拉伸强度为（ 20-60 ） MPa ，弹性模量为（ 4-6 ）GPa。 1.2 弯曲性能 一般产品普遍存在弯曲载荷，弯曲性能是很重要的，同时，往往用弯曲性能来进行原材料，成型工艺参数，产品使用条件因素等的选择。 弯曲性能，一般采用国标 GB/T1449 进行测试；对于拉挤材料，用国标 GB/T13096.2 进行测试；对于单向纤维增强的，用国标 GB/T3356 进行测试。测试弯曲性能的试样一般是矩形截面积的长条，简称为矩形梁。采用当中加载的三点弯曲法。梁的横截面的上表面承压缩应力，梁下表面承受拉伸应力，横截面积上还要承受剪切应力，中性层剪应力最大，因此梁所承受弯曲时，其应力状态是很复杂的，破坏形式也是多种的。原材料品种、性能及成型工艺参数对弯曲性能很敏感，试验方法和试样尺寸同样也很敏感，为了达到材料弯曲破坏，国标对试样的跨（跨度或支距）高（试样厚度）比（ l/h ）有一定要求，一般要求 l/h >16，对于单向纤维增强的材料，要求l/h >32。 由于弯曲性能的复杂性及对各因素的敏感性，对于上述不同材料的弯曲性能，或大于 1.1 节中拉伸性能，或小于 1.1 节中的拉伸性能。在正常成型工艺情况下，一般弯曲强度略大于拉伸强度，弯曲弹性模量略小于拉伸弹性模量。 1． 3 压缩性能
力学性能是材料最重要的性能。树脂基复合材料具有比强度高、比模量大、抗疲劳性能好等优点，用于承力结构的树脂基复合材料利用的是它的这种优良的力学性能，而利用各种物理、化学和生物功能的功能复合材料，在制造和使用过程中，也必须考虑其力学性能，以保证产品的质量和使用寿命。 1、树脂基复合材料的刚度 树脂基复合材料的刚度特性由组分材料的性质、增强材料的取向和所占的体积分数决定。树脂基复合材料的力学研究表明，对于宏观均匀的树脂基复合材料，弹性特性复合是一种混合效应，表现为各种形式的混合律，它是组分材料刚性在某种意义上的平均，界面缺陷对它作用不是明显。 由于制造工艺、随机因素的影响，在实际复合材料中不可避免地存在各种不均匀性和不连续性，残余应力、空隙、裂纹、界面结合不完善等都会影响到材料的弹性性能。此外，纤维（粒子）的外形、规整性、分布均匀性也会影响材料的弹性性能。但总体而言，树脂基复合材料的刚度是相材料稳定的宏观反映。 对于树脂基复合材料的层合结构，基于单层的不同材质和性能及铺层的方向可出现耦合变形，使得刚度分析变得复杂。另一方面，也可以通过对单层的弹性常数（包括弹性模量和泊松比）进行设计，进而选择铺层方向、层数及顺序对层合结构的刚度进行设计，以适应不同场合的应用要求。 2、树脂基复合材料的强度 材料的强度首先和破坏联系在一起。树脂基复合材料的破坏是一个动态的过程，且破坏模式复杂。各组分性能对破坏的作用机理、各种缺陷对强度的影响，均有街于具体深入研究。 树脂基复合材强度的复合是一种协同效应，从组分材料的性能和树脂基复合材料本身的细观结构导出其强度性质。对于最简单的情形，即单向树脂基复合材料的强度和破坏的细观力学研究，
基本概念： 1、单层复合材料的宏观均匀性、宏观正交各向异性的意义；简述复合材料的工艺特点、生产流程。 宏观均匀性：材料内任意一点处的宏观物理特性都完全相同 宏观正交各向异性：材料具有两个正交弹性对称面，且材料中同一点处沿不同方向的力学性能不同 工艺特点： a.材料制造和构件成型同时完成，一般情况下，复合材料的生产过程也就是构件的成型过程，材料的性能必须根据构件的使用要求进行设计，因此在选择材料、设计配比、确定纤维铺层和成型方法时，都必须满足构件的物化性能、结构形状和外观质量要求等； b.成型工艺灵活简单，可用模具一次成型法来制造各种构件。 常用的成型方法主要有：手糊成型、喷射成型、缠绕成型、层压成型、拉挤、RTM等方法。生产流程：复合材料的生产流程主要有四个步骤：润湿/浸渍、铺层、叠层、固化 a、润湿/浸渍：纤维和树脂混合形成薄层； b、铺层：按设计角度和位置铺设纤维布或预浸料； c、叠层：使每层预浸料或薄层之间紧密结合，排出气泡 d、固化：可在真空或压力辅助下进行，固化时间越短，工艺的生产效率越高。 2、复合材料的基本概念，种类，优缺点； 基本概念：是由两种或者多种不同性质的材料用物理和化学方法在宏观尺度上组成的具有新性能的材料，一般复合材料的性能优于组分材料，并且有些性能是原来组分材料所没有的，复合材料改善了组分材料的刚度、强度、热学等性能。 种类：根据复合材料中增强材料的几何形状，复合材料分为： a、颗粒复合材料，由颗粒增强材料和基体组成； b、纤维增强复合材料，由纤维和基体组成； c、层合复合材料，由多种片状材料层合而成 优缺点：p16、p17 3、简述复合材料飞机雷达罩的性能要求以及基本组成结构和制造方法。 a、性能要求：透波、维持飞机整体空气动力学外形、减小阻力、保护雷达天线； b、组成结构：胶结泡沫板、充气式结构、螺接翼缘的实体薄板、金属空间骨架、薄蒙皮、