《复合材料板簧》PPT课件

桨。 60年代在美国利用纤维缠绕技术，制造出北极星、土星等大型固体火
箭发动机的壳体，为航天技术开辟了轻质高强结构的最佳途径。 1972年美国PPG公司研究成功热塑性片状模型料成型技术，1975年
投入生产。 80年代又发展了离心浇铸成型法
自从先进复合材料投入应用以来， 有三件值得一提的成果
1、美国全部用碳纤维复合材料制成一架八座商用飞机--里尔芳2100 号，并试飞成功，这架飞机仅重567kg，它以结构小巧重量轻而称奇 于世。
1970年用玻璃钢蜂窝夹层结构制造了一座直径 44m的雷达罩
原材料：
包括基体相和增强相的原材及添加剂。 基体相材料指作为基体的各种聚合物，包
括热固性树脂和热塑性树脂 增强相材料则是指各种纤维，如玻璃纤维、
碳纤维、芳纶纤维、高密度聚乙烯纤维等。 添加剂是复合材料产品在生产或加工过程
中需要添加的辅助化学品通称为添加剂或" 助剂"
3、是在波音-767大型客机上使用了先进复合材料作为主承力结构， 这架可载80人的客运飞机使用碳纤维、有机纤维、玻璃纤维增强树脂 以及各种混杂纤维的复合材料制造了机翼前缘、压力容器、引擎罩等 构件，不仅使收音机结构重量减轻，还提高了飞机的各种飞行性能。
复合材料在中国
起始于1958年 ，首先用于军工制品，而后逐渐 扩展到民用。
复合材料基础知识
2009.1.2
定义：
复合材料(Composite materials)，是以 一种材料为基体(Matrix)，另一种材料为 增强体(reinforcement)组合而成的材料。 各种材料在性能上互相取长补短，产生协 同效应，使复合材料的综合性能优于原组 成材料而满足各种不同的要求。
非金属基复合材料由于密度小，用于汽车和飞机可减轻重量、提高速 度、节约能源。用碳纤维和玻璃纤维混合制成的复合材料片弹簧，其 刚度和承载能力与重量大5倍多的钢片弹簧相当。

强体的浸润和结合，严重的界面反应将造成增强体 的损
伤和形成脆性界面相等十分有害。碳纤维/铝钛铜合 金复
合材料中，生成TiC，使界面附近的铝、铜富集。 500℃
时，在C纤维/铝材料界面生成Al4C3脆性层。
2.4 复合材料的界面
2.4.5 界面反应或界面扩散理论
在复合材料组分之间发生原
子或分子间的扩散或反应，从
因此，在研究和设计界面时，不应只追求界面结合而应考 虑到最优化和最佳综合性能。
2.3复合材料组分的相容性
物理相容性： 1. 是指基体应具有足够的韧性和强度，能够将外部载荷均匀
地传递到增强剂上，而不会有明显的不连续现象。 2. 由于裂纹或位错移动，在基体上产生的局部应力不应在增
强剂上形成高的局部应力。 3. 另一个重要的物理关系是热膨胀系数。基体与增强相热膨
物理和化学吸附作用。液态树脂对纤维表面的良好浸润是 十分重要的。浸润不良会在界面上产生空隙，导致界面缺 陷和应力集中，使界面强度下降。良好的或完全浸润将使 界面强度大大提高，甚至优于基体本身的内聚强度。
2.4 复合材料的界面
2.4.1界面润湿理论 ： 从热力学观点来考虑两个结合面与其表面能的关系，一般用 表面张力来表征。
胀系数的差异对复合材料的界面结合产生重要的影响，从 而影响材料的各类性能。
2. 3复合材料组分的相容性
物理相容性： 例如：
对于韧性基体材料，最好具有较高的热膨胀系数。这是因 为热膨胀系数较高的相从较高的加工温度冷却是将受到张 应力；
对于脆性材料的增强相，一般都是抗压强度大于抗拉强度， 处于压缩状态比较有利。
2.3复合材料组分的相容性
化学相容性： ➢ 对复合材料来说， 以下因素与复合材料化学相容性有关的

复合材料板簧
北京玻璃钢研究设计院 北京中材汽车复合材料有限公司 2010年6月
1. 2. 3. 4.
国内外复合材料板簧的研究及应用状况 复合材料板簧应用实例 复合材料板簧应用的意义 复合材料板簧的技术发展概况
1、国内外复合材料板簧的研究及应用状况
由于塑料弹簧具有钢制弹簧难以取代的优点，因此美、 英、日等国竞相开展研制，取得了不少研制成果，并已批 量投入实际应用。它的发展大体经历了三个阶段。 1970年以前为原理性实验探索阶段。在这一阶段， 发表的应用理论分析文章和阶段性研制报告比较多。在此 期间，由于适合于工程应用的热固性塑料尚处在早期发展 阶段，工程塑料弹簧的研制遇到许多问题，如材料的耐温 性差、硬度低不耐磨、价格高、难以制成广泛的螺旋弹簧， 加之设计程序，加工设备和工艺参数都遇到一些有待解决 的新问题，因而延缓了塑料弹簧向实际应用的进程。
控制，必须在加热加压的情况下进行固化。
４、复合材料板簧的技术发展概况
复合材料板簧的成型工艺
（2）拉挤工艺是通过拉出连续树脂浸渍纤维，通过陶瓷连接去生产一
个给定的交叉区域，可以通过R.F.加热快速固化，拉挤工艺可以生产直
的，连续的区域，但是只要纤维含量是恒定的，如果应用合适的工具可 以生产出形状或弧度变化的板簧，因此当产品脱离结合区后后固化程度
动态特性 疲劳寿命是衡量弹簧动态特性的重要指标。实践证明，FRP板簧的疲 劳寿命比钢制板簧好。英国GKN公司在液压伺服试验台上对FRP板簧 做多向加载（模拟汽车在实际运行中的垂直力、倾翻力和纵向力）疲 劳试验。根据汽车制造厂的规定，该车使用的钢制板簧以最大动行程 的70%做台架疲劳试验，应能承受2×10 作用次数。GKN公司宣布， 该公司生产的FRP板簧可承受10 作用次数的疲劳试验。 环境试验 GKN公司生产的FRP板簧能经受车辆行驶中所受到的全部腐蚀，如油、 蓄电池酸液和盐水。只有焊接火焰、电孤焊飞溅火星如长时间接触， 对其会稍有影响。

前景
随着科技的不断进步和环保意识的提高，未来复合材料将 更加注重环保、可再生、高性能等方向的发展，同时其在 智能制造、新能源等领域的应用也将不断拓展。
02
CATALOGUE
复合材料的组成与结构
基体材料
01
02
03
定义
基体材料是复合材料中连 续相，起粘结、保护增强 材料并传递载荷到增强材 料上的作用。
生物相容性
某些复合材料具有良好的生物相容性 ，可用于医疗器械、人体植入物等领 域。
05
CATALOGUE
复合材料的应用实例
航空航天领域应用
飞机结构
复合材料用于制造飞机机翼、机身和尾翼等结构部件，具 有轻质高强、耐腐蚀、耐疲劳等优点，可提高飞行器的性 能和燃油经济性。
航天器结构
复合材料在航天器结构中也有广泛应用，如卫星、火箭和 空间站等，其轻质高强的特性有助于减轻发射重量和提高 有效载荷。
美观、舒适、环保等特点。
03
动力系统
复合材料可用于制造汽车发动机罩、进气歧管等动力系统部件，具有优
异的耐高温性能和力学性能。
建筑领域应用
建筑结构
复合材料可用于制造建筑结构中的梁、板、柱等承重部件，具有轻质高强、耐腐蚀、耐疲 劳等优点，有助于提高建筑物的抗震性能和耐久性。
建筑装饰
复合材料也可用于制造建筑装饰材料，如墙板、吊顶、隔断等，具有美观、环保、易安装 等特点。
某些复合材料在受到冲击时能 够吸收大量能量，表现出良好
的抗冲击性能。
物理性能
低密度
相对于金属材料，复合材料通常具有较低的 密度，有利于实现轻量化设计。
优异的电绝缘性
某些复合材料具有极佳的电绝缘性能，适用 于电气和电子设备。

1）、玻璃钢
玻璃钢
基体：合成树脂 增强体：玻璃纤维
玻璃钢克服了玻璃易碎、密度较大，合成树脂强 度不够高的缺点，它具有强度高、密度小、韧性 好、耐腐、耐磨、耐撞、绝缘、产品美观、制造 方便等优良特性。可广泛用于制作小型娱乐设施、 管道、小舟、化工设施、小型建筑等
2）、碳纤维复合材料
碳纤维复 合材料
基体：合成树脂 增强体：碳纤维
2）机身隔热复合材料：
组成
基体：陶瓷
增强体：碳纤维、碳化硅纤维、氧 化铝纤维
性能：耐高温、韧性好
85.每一年，我都更加相信生命的浪费是在于：我们没有献出爱，我们没有使用力量，我们表现出自私的谨慎，不去冒险，避开痛苦，也失去了快乐。――[约翰·B·塔布] 86.微笑，昂首阔步，作深呼吸，嘴里哼着歌儿。倘使你不会唱歌，吹吹口哨或用鼻子哼一哼也可。如此一来，你想让自己烦恼都不可能。――[戴尔·卡内基]
97.有三个人是我的朋友爱我的人.恨我的人.以及对我冷漠的人。 爱我的人教我温柔；恨我的人教我谨慎；对我冷漠的人教我自立。――[J·E·丁格] 98.过去的事已经一去不复返。聪明的人是考虑现在和未来，根本无暇去想过去的事。――[英国哲学家培根] 99.真正的发现之旅不只是为了寻找全新的景色，也为了拥有全新的眼光。――[马塞尔·普劳斯特] 100.这个世界总是充满美好的事物，然而能看到这些美好事物的人，事实上是少之又少。――[罗丹] 101.称赞不但对人的感情，而且对人的理智也发生巨大的作用，在这种令人愉快的影响之下，我觉得更加聪明了，各种想法，以异常的速度接连涌入我的脑际。――[托尔斯泰] 102.人生过程的景观一直在变化，向前跨进，就看到与初始不同的景观，再上前去，又是另一番新的气候――。[叔本华] 103.为何我们如此汲汲于名利，如果一个人和他的同伴保持不一样的速度，或许他耳中听到的是不同的旋律，让他随他所听到的旋律走，无论快慢或远近。――[梭罗] 104.我们最容易不吝惜的是时间，而我们应该最担心的也是时间；因为没有时间的话，我们在世界上什么也不能做。――[威廉·彭] 105.人类的悲剧，就是想延长自己的寿命。我们往往只憧憬地平线那端的神奇【违禁词，被屏蔽】，而忘了去欣赏今天窗外正在盛开的玫瑰花。――[戴尔·卡内基] 106.休息并非无所事事，夏日炎炎时躺在树底下的草地，听着潺潺的水声，看着飘过的白云，亦非浪费时间。――[约翰·罗伯克] 107.没有人会只因年龄而衰老，我们是因放弃我们的理想而衰老。年龄会使皮肤老化，而放弃热情却会使灵魂老化。――[撒母耳·厄尔曼] 108.快乐和智能的区别在于：自认最快乐的人实际上就是最快乐的，但自认为最明智的人一般而言却是最愚蠢的。――[卡雷贝·C·科尔顿] 109.每个人皆有连自己都不清楚的潜在能力。无论是谁，在千钧一发之际，往往能轻易解决从前认为极不可能解决的事。――[戴尔·卡内基] 110.每天安静地坐十五分钟·倾听你的气息，感觉它，感觉你自己，并且试着什么都不想。――[艾瑞克·佛洛姆] 111.你知道何谓沮丧---就是你用一辈子工夫，在公司或任何领域里往上攀爬，却在抵达最高处的同时，发现自己爬错了墙头。－－[坎伯] 112.「伟大」这个名词未必非出现在规模很大的事情不可；生活中微小之处，照样可以伟大。――[布鲁克斯] 113.人生的目的有二：先是获得你想要的；然后是享受你所获得的。只有最明智的人类做到第二点。――[罗根·皮沙尔·史密斯] 114.要经常听.时常想.时时学习，才是真正的生活方式。对任何事既不抱希望，也不肯学习的人，没有生存的资格。

增韧机理。
（4）纤维桥接（Fiber Bridge） 对于特定位向和分布的纤维，裂纹很难偏转， 只能沿着原来的扩展方向继续扩展。这时紧靠裂 纹尖端处的纤维并未断裂，而是在裂纹两岸搭起 小桥，使两岸连在一起。这会在裂纹表面产生一 个压应力，以抵消外加应力的作用，从而使裂纹 难以进一步扩展，起到增韧作用。
散凝状。即在浆体中呈弥散分布。
采用浆体浸渍法也可制备连续纤维增韧陶瓷
基复合材料。
浆体法制备陶瓷基复合材料示意图
9.2.3反应烧结法
用此方法制备陶瓷基复合材料，除基体材料
几乎无收缩外，还具有以下优点：
（1）增强剂的体积比可以相当大；
（2）可用多种连续纤维预制体；
（3）大多数陶瓷基复合材料的反应烧结温度低于
（3）纤维拔出（Pull – out） 纤维拔出是指靠近裂纹尖端的纤维在外应力作用 下沿着它和基体的界力松弛，从而减缓
了裂纹的扩展。纤维拔出需外力做功，因此起到增韧
作用。
纤维拔出能总大于纤维脱粘能，纤维拔出的增韧
效果要比纤维脱粘更强。因此，纤维拔出是更重要的
液、溶胶、凝胶等过程而固化，再经热处理生成氧
化物或其它化合物固体的方法。该方法可控制材料
的微观结构，使均匀性达到微米、纳米甚至分子量
级水平。
（1）Sol – Gel法制备SiO2陶瓷原理如下：
Si(OR)4 + 4 H2O Si(OH)4+ 4 ROH
Si(OH)4 SiO2 + 2 H2O
工艺流程：
原料（陶瓷粉末、增强剂、粘结剂和助烧剂）
均匀混合（球磨、超声等） 冷压成形
（热压）烧结
适用于颗粒、晶须和短纤维增韧陶瓷基复合材料。
9.2.2浆体法（湿态法） 为了克服粉末冶金法中各组元混合不均的问 题，可采用浆体（湿态）法制备颗粒、晶须和短

混凝土＝水泥+砂+石
复合材料的种类
金属基
陶瓷基
按基体相分
聚合物基
水泥基
复 合 材
按增强相 的形态分
颗粒增强 纤维增强 晶须增强
碳纤维 玻璃纤维 有机纤维
复合纤维
料
编织物增强
按用途分
结构复合材料 承受载荷，作为承力结构使用
功能复合材料
电、磁、光、热、声、摩 擦、阻尼、化学分离性能
复合材料的特点
多相: 至少两相 复合效应：不仅保留了原组成材料的特色，而且
3、石墨/镁复合材料
这种材料密度低、线膨胀系数为零，尺寸的稳定性好，是金属基复合材料中具 有最高比强度和比弹性模量的复合材料。可在石墨纤维表面沉积TiB2，提高石 墨纤维的润湿性。
金属基复合材料
长纤维增强金属基复合材料
4、碳化硅/钛复合材料
碳化硅纤维比强度高、比模量高，高温强度高，耐热、耐氧化，与金属的反 应小，润湿性好。
主要应用于飞机发动机部件和涡轮叶片以及火箭发动机箱体材料。
5、氧化铝/铝复合材料
氧化铝纤维在氧化气氛中稳定，能在高温下保持其强度、刚度， 且硬度高，耐磨性好。这种复合材料具有高强度和高刚度，可用于 汽车发动机活塞和其他发动机零件。
金属基复合材料
1、氧化铝/铝复合材料
短纤维/晶须增强金属基复合材料 2、碳化硅/铝复合材料 3、氧化铝/镍复合材料
突出特点
性树脂基体—热塑性玻璃钢。
密度低：1.6～2.0g/cm3；
比强度高：较最高强度的合金钢还高3倍；
耐烧蚀
耐腐蚀
应用
航空航天工业：如雷达罩、机舱门、燃料箱、行李架和地板等。 火箭：发动机壳体、喷管。 汽车工业：如汽车车身、保险杠、车门、挡泥板、灯罩、内部装饰件等。 石油化工工业：如玻璃钢贮罐、容器、管道、洗涤器、冷却塔等

9100i, 9200i, 9400i
Columbia, Century
Kenworth 康沃斯 Peterbilt 彼得比尔特
T600, T800 385, 387
２、复合材料板簧应用实例
重型罐车的应用
２、复合材料板簧应用实例
重型卡车上的应用
２、复合材料板簧应用实例
后驱轿车上的应用 轿跑车上的应用 后轴横置
复合材料弹簧投入实际应用的数量和范围都在稳步发 展。
２、复合材料板簧应用实例
复合材料板簧已经在全球诸多汽车厂商得到大量应用， 如通用、福特、 戴姆勒克莱斯勒、 依维柯 、康沃斯、 彼 得比尔特、国际卡车公司等。
厂商
车型
厂商
车型
International 国际卡车 Freightliner 莱纳卡车
３、复合材料板簧应用的意义
采用复合材料板簧，与传统的金属板簧相比，最明显 的优势就是减重效应，由于复合材料的可设计性强且密度 小，同等性能的替代产品一般可减重均在50％以上。通过 选用不同材料及优化设计，减重比例甚至可以达到70％以 上，这也是目前其它部件优化过程中非常少见的减重优势。
３、复合材料板簧应用的意义
４、复合材料板簧的技术发展概况
设计要点： （1）弹性模量； （2）工作环境温度； （3）载荷作用时间； （4）变形量对E值的影响。
复合材料板簧的三种设计形式： （1）恒宽，变厚的设计。 （2）恒厚，变宽的设计。 （3）恒定的交叉设计（变宽和变厚而导致的恒定交叉设计）
４、复合材料板簧的技术发展概况固性复合材料板簧产品可以实现一次成型，其成型
工艺性和钢近似。 热塑性的工艺性好，容易成形，生产率也高，但机械
性能不如热固性塑料。 纤维增强复合材料同时还具有重量轻（比重为1.0—

k1为主片和第如果用中心螺栓到卷耳中心间的距离代入求得的刚度值为钢板弹簧总成自由刚度c代入式69求得的刚度值是钢板弹簧总成的夹紧刚度钢板弹簧总成在自由状态下的弧高及曲率半径计算1钢板弹簧总成在自由状态下的弧高h钢板弹簧各片装配后在预压缩和u形螺栓夹紧前其主片上表面与两端不包括卷耳孔半径连线间的最大高度差图611称为钢板弹簧总成在自由状态下的弧高h为满载弧高
• 纵置钢板弹簧又有对称式与不对称式之分。钢板弹簧中部在车 轴(桥)上的固定中心至钢 板弹簧两端卷耳中心之间的距离若相等， 则为对称式钢板弹簧；若不相等，则称为不对称式 钢板弹簧。 多数情况下汽车采用对称式钢板弹簧。由于整车布置上的原因， 或者钢板弹簧在 汽车上的安装位置不动， 又要改变轴距或者通 过变化轴距达到改善轴荷分配的目的时， 采用 不对称式钢板弹 簧。
精选课件
15
• 在已知钢板弹簧总成自由状态下曲率半径 R0 和各片弹簧预加应 力 σ0 i 的条件下，可以用式(6—11)计算出各片弹簧自由状态下的 曲率半径 Ri 。 选取各片弹簧预应力时， 要求做到： 装配前各片 弹簧片间间隙相差不大， 且装配后各片能很好贴和； 为保证主
片及与其相邻的长 片有足够的使用寿命，应适当降低主片及与
• 钢板弹簧总截面系数 W0 用下式计算
精选课件
6
• W0 ≥ [ Fw ( L − ks )] / 4[σw ]
(6—6)
式中， [σw ] 为许用弯曲应力。 对于 55SiMnVB 或 60Si2Mn 等 材料， 表面经喷丸处理后， 推荐 [σw ] 在下列范围内选取： 前弹 簧和平衡悬架弹簧为 350～450MPa；后主簧为 450～550MPa ； 后副簧为 220 ～250MPa 。 将式(6—6)代人下式计算钢板弹簧 平均厚度 hp

请与同学们讨论：用于制造碳素球拍的材 料有哪 些优越性？它为什么会具有这些 优越性？
• 碳纤维增强体 • 碳纤维复合材料
• 合成树脂做基体 优点：具有韧性好，强度高而质轻的特点。
• 碳纤维增强复合材料也广泛应用于纺织机 械和化工机械的制造，以及医学上人体组 织中韧带的制作等。
2 航空、航天领域中的复合材料
• 现在，材料的复合正向着精细化方向发 展，出现了诸如仿生复合、纳米复合、 分子复合、智能复合等新方法，使得复 合材料大家族中增添了许多性能优异、 功能独特的新成员。随着科学技术的进 步，复合材料展现出不可估量的应用前 景。材料科学专家普遍认为，当前人类 已经人类已经从合成材料时代进入复合 材料时代。
126.在寒冷中颤抖过的人倍觉太阳的温暖，经历过各种人生烦恼的人，才懂得生命的珍贵。――[怀特曼] 127.一般的伟人总是让身边的人感到渺小；但真正的伟人却能让身边的人认为自己很伟大。――[G.K.Chesteron]
128.医生知道的事如此的少，他们的收费却是如此的高。――[马克吐温] 129.问题不在于：一个人能够轻蔑、藐视或批评什么，而是在于：他能够喜爱、看重以及欣赏什么。――[约翰·鲁斯金]
• 在火箭、导弹、卫星、宇宙飞船、航天飞 机上，复合材料有着广泛的应用。
纤维为增强体 • 复合材料：
金属为基体 纤维是碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维和氧化 铝纤维等耐热性能好的纤维，其中应用最广泛的 是碳纤维
金属用得较多的是铝、镁、钛等密度小 的轻金属
优点：这些 复合材料具有 耐高温、强度 高、导电性好、 导热性好、不 吸湿和不易老 化等优点。
本节教材小结 复 合 材 料
认识复合材料
基体 增强体
形形色色的复合材料
生产生活中常 用的复合材料