【课件】层状复合材料PPT

• 钉孔和螺栓孔的表面粗糙度对连接件疲劳寿命的影响
• 影响铆钉孔和螺栓孔表面粗糙度的因素很多,如,切痕相对外载荷作用的方向引起的划伤 大小、表面波纹的平均值、孔表面的显微硬度、残余工艺应力的大小、孔表面冷做硬 化层和残余工艺应力层的深度等。
13
• 构件之间及结构件与紧固件之间的摩擦对连接寿命的影响
• 孔挤压强化技术
• 孔挤压是一种使孔的内表面获得形变强化的工艺措施，效果明显。孔挤压是利用棒、 衬套、模具等特殊的工具，对零件孔或周边连续。缓慢。均匀地挤压，形成塑性变形 硬化层。
• 在复合材料结构件的装配连接中，通常针对螺接，在孔内装衬套，使其获得均匀、适 量的干涉量，以提高连接强度和疲劳寿命。
复合材料装配
1
复合材料
• 由于复合材料的材料特殊性及成型工艺性，已被广泛应用 于现代飞机结构件的制造上，且其用量有不断扩大的趋势， 飞机结构复合材料化将从根本上改变飞机结构设计和制造 传统。
• 虽然大型化的复合材料成型设备可制造出集成化、整体化、 大型化的飞机结构件，但由于结构设计、制造和使用维护 等方面的需求，必须给出一定的设计和工艺分离面等，在 这些
• 提高结构之间及紧固件与结构之间的紧密程度以减少摩擦 腐蚀
• 提高结构之间及紧固件与结构之间的紧密程度有许多方法,例如,精加工可以提高结构件 之间和结构件与紧固件之间配合精度，减少疲劳源；
• 结构之间涂敷密封剂、漆料等,在一定程度上保证了结构之间的紧密性,且提高了结构的 韧性,减少了结构之间在运动时的摩擦,从而抑制摩擦腐蚀,提高了结构的抗疲劳性能。
• 复合材料干涉连接会造成分层和基体碎裂，因此复合材料零件不适合于干涉铆接。但 在增加金属衬套之后，由于金属衬套分散了可能的集中载荷，使复合材料零件连接的 干涉量可达到 0.15mm。因此，现在所用的复合材料的干涉连接，都在孔内增加了金属 衬套。复合材料的干涉连接不能提高连接的疲劳强度，但具有连接刚度更好、使孔内 局部分层和损伤的情况减少等优点。当与金属连接的时候，孔径相同时不用分别铰孔。

机的风电叶片复合材料用量
2011年国内基础设施结构中复合材料应用
产值比重
结构加固补强 建筑模板、墙板
95% 3%
配筋混凝土桥面板、路Fra bibliotek等1%
1%
加固行业中每1亿产值中纤维用量约为2.5吨，据此计算复合材料在工程建 设行业中的总产值为15-20亿，2010年全国建筑业企业完成建筑业总产值 95206亿元，复合材料应用的产生的产值约为万分之1.5。
我国风电叶片复合材料产业情况
截至到2011年6月底，中国新增风电装机容量 为800万千瓦，累计装机容量达到5280万千瓦
截止到2011年6月底 中国新增装机风电叶片材料 (万吨) 中国各年风电新增装机容量和总装机容量 中国累计装机风电叶片材料 (万吨）
假设装机的全部为1.5MW的风电叶片，
每只叶片的重量约为6吨，估算中国装
我国风电叶片复合材料产业情况截至到2011年6月底中国新增风电装机容量为800万千瓦累计装机容量达到5280万千瓦截止到2011年6月底中国新增装机风电叶片材料万吨中国累计装机风电叶片材料万吨假设装机的全部为15mw的风电叶片每只叶片的重量约为6吨估算中国装机的风电叶片复合材料用量中国各年风电新增装机容量和总装机容量可整理ppt2011年国内基础设施结构中复合材料应用结构加固补强95建筑模板墙板3配筋混凝土1桥面板路面等1产值比重产值比重加固行业中每1亿产值中纤维用量约为25吨据此计算复合材料在工程建设行业中的总产值为1520亿2010年全国建筑业企业完成建筑业总产值95206亿元复合材料应用的产生的产值约为万分之15
乙烯基酯树脂
国内目前产量为9.2万吨.2010年产销量为2.79万吨；2011年预计产销量在3.53 万吨，比去年增长26.5%。 年产销量超过3,800吨的厂家有五家，分别是华昌聚合物、上纬、亚什兰、 金陵帝斯曼和上海富晨，占全国乙烯基树脂总产销量的90%。

ppt课件
6
3.3.2增强材料的表面处理
1.碳纤维的表面处理
表面处理的作用：使复合材料不仅具有良好的界面粘接力、 层间剪切强度，而且其界面的抗水性、断裂韧性及尺寸稳 定性均有明显的改进。此外，通过碳纤维表面改性处理， 还可制得具有某种特殊功能的复合材料。
1）氧化法
（1）气相法(或干法):以空气、氧气、臭氧等氧化剂，采用 等离子表面氧化或催化氧化法。
基体表面上的官能团与纤维表面上的官能团起化学反应， 因此在基体与纤维间产生化学键的结合，形成界面。如：偶 联剂的应用而得到证实，故也称“偶联”理论。
（2）液相法（或湿法）：有硝酸、次氯酸钠加硫酸、重铬 酸钾加硫酸、高锰酸钾加硝酸钠加硫酸氧化剂及电解氧化 法等。
ppt课件
7
2）涂层法
(1)有机聚合物涂层：树脂涂层、接枝涂层、电 沉积与电聚合等。
(2)无机聚合物涂层：经有机聚合物涂层后碳化、 碳氢化合物化学气相沉积、碳化硅或氧化铁涂层、 生长晶须涂层等。
网状结构是指在复合材料组分中，一相是三维连续，另 一相为二维连续的或者两相都是三维连续的。
ppt课件
21
2.层状结构
两组分均为二维连续相。所形成的材料在垂直于增强相和 平行于增强相的方向上，其力学等性质是不同的，特别是层 间剪切强度低。
3.单向结构
纤维单向增强及筒状结构的复合材料。
4.分散状结构
（1） 浸润剂会影响复合材料性能（妨碍了纤维与基 体材料的粘接），用前去除浸润剂，
（2）采用偶联剂对纤维表面进行处理。偶联剂的分 子结构中，一般都带有两种性质不同的极性基团， 一种基团与玻璃纤维结合，另一种基团能与基体树 脂结合，从而使纤维和基体这两类性质差异很大的 材料牢固地连接起来。

我国从1958年开始发展复合材料
2020/9/28
首先在航空航天技术和军事上应用
如导弹、火箭、人造卫星等尖端工业中， 同时，复合材料也成为发展高技术的关键材料。 另外，还广泛应用于汽车工业、化工、纺织、精密仪器、 造船、建筑、电子、桥梁、医疗、建筑、体育运动器材等 领域。
例： 波音757的机翼和机身复合材料整流包皮、直升飞机中能量吸收结构部 件等。 F117隐性飞机－－全复合材料 体育器材――金牌有科学家的一半
尽管纤维增强材料的作用是承受载荷，但是基体材料的 力学性能会明显地影响纤维的工作方式及其效率。
2020/9/28
• 例如，在没有基体的纤维束中大部分载荷由最直的纤 维承受，基体使得应力较均匀地分配给所有纤维，这 是由于基体使所有纤维经受同样的应变，应力通过剪 切过程传递，这要求纤维和基体之间有高的胶接强度 ，同时要求基体本身也具有高的剪切强度和模量。
各国在发展高技术计划中对先进复合材料都给予优先考虑 为增强我国综合国力，我国已把先进复合材料作为发展高技术
领域的关键新材料，被列位国家高技术研究发展计划纲要 重要内容。
2020/9/28
• 第一代：1940年到1960年，玻璃纤维增强塑料 • 第二代：1960年到1980年，先进复合材料
1965年英国科学家研制出碳纤维 1971年美国杜邦公司开发出开芙拉-49 1975年先进复合材料“碳纤维增强、及开芙拉纤维增强 环氧树脂复合材料” 用于飞机、火箭的主承力件上。 • 第三代：1980年到1990年，碳纤维增强金属基复合材料
2020/9/28
• 酚醛树脂
• 大量用于粉状压塑料、短纤维增强塑料， • 少量用于玻璃纤维复合材料、耐烧蚀材料等，很少使
用在碳纤维和有机纤维复合材料中。

电子元器件
复合材料也用于制造电子元器件，如电路板、连接器等，具有高精度、高可 靠性、耐高温等特性，可以提高元器件性能并降低生产成本。
03
复合材料的力学性能
复合材料的强度与硬度
强度
复合材料的强度主要取决于其组成材料的强度以及它们的层间结合强度。通常， 复合材料的强度比其组成材料的强度要高。
硬度
复合材料的硬度通常取决于其组成材料的硬度以及它们的层间结合强度。高硬度 可以提供更好的耐磨性。
的力学行为和结构的响应。
02
CAD软件
使用CAD软件进行复合材料的建模和几何形状设计，结合有限元分析
软件进行结构分析和优化。
03
材料数据库
利用材料数据库查询复合材料的性能参数，为结构设计提供数据支持
。
结构优化与轻量化设计
结构优化设计
通过结构优化设计，调整结构形状、尺寸和材料分布等参数， 以实现复合材料的最优性能。
案例二：汽车制造领域的复合材料应用
详细描述
2. 车架制造：采用铝合金、高强 度钢等材料的复合车架，具有更 高的承载能力和耐腐蚀性能。
总结词：汽车制造领域中，复合 材料被广泛应用于车身、车架、 车内装饰等方面，具有轻质、高 强度、耐腐蚀等优点。
1. 车身制造：采用碳纤维复合材 料的汽车车身具有更高的强度和 刚度，能够提高汽车的被动安全 性能。
循环经济
社会责任
推行循环经济模式，实现复合材料的循环利 用和再利用。
强化企业的社会责任意识，关注员工健康和 安全，推动可持续发展。
06
复合材料案例分析
案例一：航空航天领域的复合材料应用
01
02
总结词：航空航天领域 是复合材料应用的重要 领域之一，具有轻质、 高强度、耐腐蚀等优点 。

外形将酷似飞碟,另一个设想就是使用复合材料，如纤维增强塑料。这种复 合材料强度可与金属媲美，而重量却比金属轻得多，因此可以节省燃油。
中国自研大飞机面临发动机与复合材料两大难题
哥伦比亚号航天飞机坠毁
•
哥伦比亚号在 2003年2月1日，在代 号STS-107的第28次 任务重返大气层的阶 段中与控制中心失去 联系，并且在不久後 被发现在德克萨斯州 上空爆炸解体，机上 7名太空人全数罹难。 超高温空气从机体表 面缝隙入侵隔热瓦下 部，最终造成航天飞
增强体：纤维（碳纤维、硼纤维、碳
化硅纤维、氧化铝纤维等） 性能：耐高温、强度高、导电导热性好、 不吸湿和不易老化，密度小。
全复合材料机身：轻型机的价格，中型机 的宽敞客舱，客舱内站立高度为1.65米。
目前商用飞机上复合材料仅占全机重量的 50%，而某些直升机早已达到90%
荷兰计划研发新型绿色环保飞机
合成树脂 SiO2 Al2O3 MgO 合成树脂 C
耐高温，强度高，导电性好，导热 性好 耐1600℃以上的高温，强度高，密 度小
4复合材料的分类：
树脂基复合材料 （1）按基体分类 金属基复合材料 陶瓷基复合材料 （2）按增强体 的形状分类 颗粒增强复合材料
夹层增强复合材料
纤维增强复合材料
形形色色的复合材料
有机合 成材料
塑料
耐腐蚀
1 复合材料定义：
将两种或两种以上的性质不同的 材料经过特殊的加工制成的材料称 为复合材料。
注意：①由两种或两种以上的材料。
②特殊加工不是简单的混合， 而是复杂的物理化学变化。
天然复合材料：
竹、木、茅草、贝壳、骨骼
传统复合材料
麻刀（纸筋）石灰、 土柸（草秆、粘土）、 钢筋混泥土

平行于中面的坐标系
Oxyz
对 Oxyz 坐标系，有：
M NA B
Bε Dκ
上式中的各量可通过变换用中面坐标系里的相应量表示：
z z z0 ,x x ,y y
即：
u
0
u
0
z 0
w x
v
0
v0
z 0
w y
w w
ε0 ε0 z0κ κ κ
为了得到 N 、M ，可将中面内力 N、M向 Oxyz
§5-1 概述·标记法
一、概述
本章讨论经典叠层板的本构方程，即叠层板的中面内力 和中面变形的物理关系，以及借助本构方程得以求解的简单 问题。
叠层板的每一单层视为均匀的正交异性薄板；但沿垂直 于叠层板的方向，各层性能是不相同的。
假设：采用了弹性板壳理论中的直法线假设，即认为横向剪应
变 23, 31 和法线方向的应变 z 都为零。
k1
Dij
1 3
n k1
Q(k) ji
(zk3
z3k21)
n k1
Qj(ik)tk
(tk2 12
dk2
)
tk , d k 分别为k层的厚度及其中心线的z坐标值。
例5.1 求角叠层T300/5209[ 458 /458 ]的刚度矩阵
和柔度矩阵，以及在 Nx 9.81103N/m
作用下叠层的变形与应力分布。
不考虑第一破坏后应力重新分布的影响第一破坏时0层所具有的应变值gpa22313代入可得与无退化时的02254gpa差不多0层先破坏但其不会因退化而引起90层破坏故因在施加部分载荷而使材料最后破坏2压缩时1051910519gpa9189检查在下由于应力重新分布90层是否破坏
第五章 复合材料层合板的强度 和刚度分析