第6章 复合材料的设计
复合材料模具设计课程设计
复合材料模具设计课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生理解复合材料的定义、性质及应用领域，掌握复合材料模具设计的基本原理；2. 使学生掌握复合材料模具的构造、分类及设计方法，了解不同模具参数对复合材料制品性能的影响；3. 引导学生了解复合材料模具设计过程中的材料选择、工艺参数优化等关键问题。
技能目标：1. 培养学生运用CAD软件进行复合材料模具设计的能力，提高其绘图速度和准确性；2. 培养学生分析实际工程问题，运用所学知识解决复合材料模具设计过程中遇到的技术难题；3. 提高学生的团队协作和沟通能力，使其能够就复合材料模具设计方案进行讨论、修改和完善。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对复合材料模具设计领域的兴趣，激发其创新意识和探索精神；2. 培养学生严谨、务实的学习态度，使其能够遵循工程规范，注重细节，提高设计质量；3. 引导学生关注复合材料模具设计在环境保护、资源利用等方面的意义，培养其社会责任感和职业道德。
课程性质：本课程为专业选修课，旨在使学生掌握复合材料模具设计的基本知识，提高其实践操作能力。
学生特点：学生具备一定的材料科学、力学和机械设计基础，对复合材料模具设计有一定了解，但实践经验不足。
教学要求：结合学生特点和课程性质，注重理论与实践相结合，强化实际操作训练，提高学生的综合运用能力。
通过课程学习，使学生能够独立完成复合材料模具设计任务，为未来从事相关工作奠定基础。
二、教学内容1. 复合材料基本知识：介绍复合材料的定义、分类、性能特点及应用领域，重点讲解复合材料在模具设计中的应用优势。
教材章节：第一章 复合材料概述2. 复合材料模具设计原理：讲解复合材料模具设计的基本原理，包括模具结构、分类及设计方法。
教材章节：第二章 复合材料模具设计原理3. 复合材料模具设计流程：详细介绍复合材料模具设计流程，包括模具需求分析、材料选择、工艺参数确定等。
教材章节：第三章 复合材料模具设计流程4. CAD软件在复合材料模具设计中的应用：讲解CAD软件在复合材料模具设计中的应用，使学生掌握软件操作方法。
清华大学《工程材料》第5版教材简介
清华大学《工程材料》第5版教材简介《工程材料》第5版教材由清华大学材料学院朱张校教授、姚可夫教授主编，清华大学出版社出版。
《工程材料》第5版教材目录如下：绪论0.1中华民族对材料发展的重大贡献0.2材料的结合键0.3工程材料的分类第1章材料的结构与性能特点1.1金属材料的结构与组织1.2金属材料的性能特点1.3高分子材料的结构与性能特点1.4陶瓷材料的结构与性能特点第2章金属材料组织和性能的控制2.1纯金属的结晶2.2合金的结晶2.3金属的塑性加工2.4钢的热处理2.5钢的合金化2.6表面技术第3章金属材料3.1碳钢3.2合金钢3.3铸钢与铸铁3.4有色金属及其合金第4章高分子材料4.1工程塑料4.2合成纤维4.3合成橡胶第5章陶瓷材料5.1普通陶瓷5.2特种陶瓷第6章复合材料6.1复合材料的复合原则6.2复合材料的性能特点6.3非金属基复合材料6.4金属基复合材料第7章功能材料及新材料7.1电功能材料7.2磁功能材料7.3热功能材料7.4光功能材料7.5隐形材料及智能材料7.6纳米材料第8章零件失效分析与选材原则8.1机械零件的失效8.2机械零件失效分析8.3机械零件选材原则第9章典型工件的选材及工艺路线设计9.1齿轮选材9.2轴类零件选材9.3弹簧选材9.4刃具选材第10章工程材料的应用10.1汽车用材10.2机床用材10.3仪器仪表用材10.4热能设备用材10.5化工设备用材10.6航空航天器用材附录1金属材料室温拉伸试验方法新、旧国家标准性能名称和符号对照表附录2金属热处理工艺的分类及代号(摘自GB/T 12603—2005) 附录3常用钢的临界点附录4钢铁及合金牌号统一数字代号体系(摘自GB/T 17616—1998)附录5国内外常用钢号对照表附录6常用铝及铝合金状态代号与说明(摘编自GB/T 16475—2008)附录7若干物理量单位换算表附录8工程材料常用词汇中英文对照表参考文献本教材有以下特点：（1）体系科学合理，内容丰富新颖，实例丰富。
【复合材料概论】复习重点应试宝典
【复合材料概论】复习重点应试宝典第⼀章总论1、名词：复合材料基体增强体结构复合材料功能复合材料复合材料(Composite materials)，是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的⽅法，在宏观上组成具有新性能的材料。
包围增强相并且相对较软和韧的贯连材料，称为基体相。
细丝(连续的或短切的)、薄⽚或颗粒状，具有较⾼的强度、模量、硬度和脆性，在复合材料承受外加载荷时是主要承载相，称为增强相或增强体。
它们在复合材料中呈分散形式，被基体相隔离包围，因此也称作分散相。
结构复合材料：⽤于制造受⼒构件的复合材料。
功能复合材料：具有各种特殊性能（如阻尼，导电，导磁，换能，摩擦，屏蔽等）的复合材料。
2、在材料发展过程中，作为⼀名材料⼯作者的主要任务是什么？（1）发现新的物质，测试其结构和性能；（2）由已知的物质，通过新的制备⼯艺，改变其显微结构，改善材料的性能；（3）由已知的物质进⾏复合，制备出具有优良性能的复合材料。
3、简述现代复合材料发展的四个阶段。
第⼀代：1940-1960 玻璃纤维增强塑料第⼆代：1960-1980 先进复合材料的发展时期第三代：1980-2000 纤维增强⾦属基复合材料第四代：2000年⾄今多功能复合材料（功能梯度复合材料、智能复合材料）4、简述复合材料的命名和分类⽅法。
增强材料+（/）基体+复合材料按增强材料形态分：连续纤维复合材料，短纤维复合材料，粒状填料复合材料，编织复合材料；按增强纤维种类分类：玻璃纤维复合材料，碳纤维复合材料，有机纤维复合材料，⾦属纤维复合材料，陶瓷纤维复合材料，混杂复合材料（复合材料的“复合材料”）；按基体材料分类：聚合物基复合材料，⾦属基复合材料，⽆机⾮⾦属基复合材料；按材料作⽤分类：结构复合材料，功能复合材料。
5、简述复合材料的共同性能特点。
(1)、综合发挥各组成材料的优点，⼀种材料具有多种性能；(2)、复合材料性能的可设计性；(3)、制成任意形状产品，避免多次加⼯⼯序。
第六章无机结合料稳定类混合料
•第六章无机结合料稳定类混合料
亦为CaO;
➢ 消石灰粉：将块状生石灰用适量的水消化而得的粉末，亦
称熟石灰，其主要成分为Ca(OH)2。 由于石灰原料中常含有碳酸镁成分，经煅烧生成的生
石灰中，或多或少含有氧化镁成分。建材行业标准中，根 据石灰中氧化镁含量按表6-2将石灰分为钙质石灰和镁质石 灰两类。
•第六章无机结合料稳定类混合料
6.1.1.1石灰的生产、消化与硬化
石灰土强度的形成与发展是通过机械压实、离 子交换反应、氢氧化钙结晶和碳酸化作用，以及火山 灰反应等一系列复杂、交织的物理-化学作用的过程来 完成的。
•第六章无机结合料稳定类混合料
离子交换反应：从石灰氢氧化钙中游离出的钙离子和氢氧根离子与粘土
矿物中的钠、氢离子发生离子交换，其结果使得粘土颗粒吸附水膜减薄， 促使土粒凝集和凝聚，形成稳定团粒结构。
⑴ 建材行业标准（表6-3）：将生石灰、生石灰粉和消石灰粉分
。 为优等品、一等品和合格品三个等级
•第六章无机结合料稳定类混合料
⑵ 道路行业标准（JTJ034－93）仍按袁国家标准 （GB1594-79）将生石灰和消石灰分别划分为3个等 级（见表6-4）
•第六章无机结合料稳定类混合料
6.1.2 石灰稳定土的技术性质
•第六章无机结合料稳定类混合料
无机结合料稳定性经压实成型并经养护后，可形成板 体结构，当其7d的抗压强度符合设计要求(表6-1)时，可 以作为道路路面结构中的基层或底(垫)基层，称为结合料 稳定类基(垫)层，在道路工程中，这类材料有被称之为半 刚性基层材料。
复合材料第六章功能复合材料
一类复合效应为线性效应； 另一类则为非线性效应。 在这两类复合效应中，又可以显示出不 同的特征。
7
下表列出了不同复合效应的类别。
不同复合效应的类别
线性效应 平均效应 平行效应 相补效应 相抵效应
复合效应 非线性效应 相乘效应 诱导效应 共振效应 系统效应
30
2、功能复合材料的设计
复合材料的最大特点在于它的可设计性。
因此，在给定的性能要求、使用环境及 经济条件限制的前提下，从材料的选择途径 和工艺结构途径上进行设计。
31
例如，利用线性效应的混合法则，通过 合理铺设可以设计出某一温度区间膨胀系数 为零或接近于零的构件。
又如XY平面是压电，XZ平面呈电致发光 性，通过铺层设计可以得到YZ平面压致发光 的复合材料。
EcEmVmEfVf
10
平行效应
显示这一效应的复合材料，它的各 组分材料在复合材料中，均保留本身 的作用，既无制约，也无补偿。
11
对于增强体（如纤维）与基体界 面结合很弱的复合材料，所显示的复 合效应，可以看作是平行效应。
12
相补效应
组成复合材料的基体与增强体，在性 能上相互补充，从而提高了综合性能，则 显示出相补效应。
55
音光
电气 信号
磁性 信号
磁头
作为磁 性保留
记录材料
磁记录再生的原理示意图
56
由麦克风及摄像机将声音及光变成电 信号，再由磁头变成磁信号，从而固定在 磁记录介质上。
读出时，与记录过程相反，使声音和 图像再生。
57
理想的磁记录介质要尽可能地高密度， 能长期保存记录，再生时尽可能高输出。
聚合物多相复合体系结构、性能及应用-第6章
(a)非线性法平面增强 (b) 一种开式格状结构 (c）一种柔性结构
(a)
(b)
(c)
管、容器的螺旋缠绕、平面缠绕线型
六、聚合物复合材料结构与性能
夹层 结构
六、聚合物复合材料结构与性能
混杂复 合材料 的混杂 类型
六、聚合物复合材料结构与性能 2、聚合物基复合材料的性能 与传统的均质材料相比，具有许多优异的性能：
六、聚合物复合材料结构与性能
系统效应：这是一种材料的复杂效应，至目前为止，这一 效应的机理尚不清楚，但在实际现象中存在着 这种效应。
• 比如红、黄、蓝三色组成的彩色世界
• 比如涂膜的硬度大于基体和膜层硬度之和
六、聚合物复合材料结构与性能
单向纤维增强复合材料的强度与模量
纵向拉伸性能
六、聚合物复合材料结构与性能
增强材料的强度及弹性模量、基体材料的强度及化学稳定 性等是决定复合材料性能的最主要因素； 原材料选定，增强材料的含量及其排布方式与方向又跃居 重要地位； 此外，采用不同的成型工艺，制品性能亦有较大差异； 最后，增强纤维与基体树脂的界面粘结状况在一定条件下 也会影响复合材料的性能。
六、聚合物复合材料结构与性能
六、聚合物复合材料结构与性能
复合材料和金属材料疲劳的对比 复合材料与金属材料 的结构构造不同，疲 劳的机理不同，所表 现出来的疲劳现象也 有很大的差别，总的 来说，复合材料的抗 疲劳的破坏比传统金 属材料好的多。
疲劳S-N曲线
六、聚合物复合材料结构与性能
复合材料与金属材料的疲劳性能区别如下： 1 ）金属材料在交变载荷的作用下，可以观察到单一主裂纹 有规律的扩展现象，这一主裂纹控制这最终的疲劳破坏。 对于复合材料往往出现较大范围的损伤，表现出非常复 杂的疲劳破坏行为，很少出现单一裂纹控制的破坏机理。 2 ）疲劳破坏在复合材料中总是从承载能力比较薄弱的纤维 处开始，然后逐渐扩展到结合面上，由于大范围的损伤， 所以复合材料的疲劳极限比较高。例如碳纤维－聚酯树 脂复合材料的疲劳极限是拉伸强度的70%～80%，而金属 材料的疲劳极限只有强度极限值的40%～50%。
6 金属基复合材料
6.2.2金属基复合材料的基本性能
5. 耐磨性好 6. 良好的疲劳性能和断裂韧性 良好的界面结合状态可有效传递载荷, 阻止裂纹的扩展， 提高材料的断裂韧性. 7. 不吸潮， 不老化，气密性好
6.2.3 金属基体在复合材料中的作 用
1. 固结增强体 2. 传递和承受载荷 3. 赋予复合材料一定形状， 保证复合材 料具有一定的可加工性. 4. 复合材料的强度、 刚度、密度、耐高 温、 耐介质、 导电、导热等性能均与基 体的相应性质密切相关.
二、钛及钛合金
钛及其合金由于具有比强度高、耐热性好、耐 蚀性能优异等突出优点，自1952年正式作为结构材 料使用以来发展极为迅速，在航空工业和化学工业 中得到了广泛的应用。化学性质十分活泼，缺点是 在真空或惰性气体中进行生产，成本高，价格贵。
钛基复合材料
二、钛及钛合金
（一）纯钛 钛是一种银白色的金属，密度小，熔点高，高的 比强度和比刚度，较高的高温强度。钛的热膨胀系数 很小，热应力较小，导热性差，切削、磨削加工性能 较差。在空气中，容易形成薄而致密的惰性氧化膜， 在氧化性介质中的耐蚀性优良，在海水等介质中也具 有极高的耐蚀性；钛在不同浓度的酸（ HF 除外）以及 碱溶液和有机酸中，也具有良好的耐蚀性。 纯钛具有同素异构转变，在882.5℃以上直至熔点 具有体心立方晶格，称为β —Ti。在882.5℃以下具有 密排六方晶格，称为α —Ti。
（二）钛合金
钛合金分为α 型钛合金 β 型钛合金 α +β 型钛合金 以TA、TB和TC表示其牌号
三、铜及铜合金
在自然界中既以矿石的形式存在，又以纯金属的形 式存在。其应用以纯铜为主。铜及铜合金的产品中， 80%是以纯铜被加工成各种形状供应的。
（一）纯铜 呈紫红色，又称紫铜。属重金属范畴，无同素异构 转变，无磁性。最显著的特点是导电、导热性好，仅次于 银。 高的化学稳定性，在大气、淡水中具有良好的抗蚀 性，在海水中的抗蚀性较差。 纯铜具有立方面心结构，极优良的塑性，可进行冷热 压力加工。
复合材料力学第六章2
变分符号
屈曲前平板保持平的，当外载荷达到某一临 界值时，层合板产生微弯状态，即小变形范围。 满足平衡方程。
像弯曲问题推导基本微分方程那样，将几何方程代入 物理方程，再代入平衡方程，就可得以下方程：
0 x Nx kx 0 Ny Aij y Bij ky 0 xy N xy k xy
D12 D22 D26
D16 k x D26 k y D66 k xy
u0, x w0, xx Bij v0, y Dij w0, yy u0, y v0, x 2w0, xy
B12 B22 B26
B16 k x B26 k y B66 k xy
u0, x w0, xx Aij v0, y Bij w0, yy u0, y v0, x 2w0, xy
D11 w, xxxx 4 D16 w, xxxy 2 D12 2 D66 w, xxyy 4 D26 w, xyyy D22 w, yyyy B11 u, xxx 3B16 u, xxy B12 2 B66 u, xyy B26 u, yyy B16 v, xxx B12 2 B66 v, xxy 3B26 v, xyy B22 v, yyy N x w, xx 2 N xy w, xy N y w, yy 0
A11u, xx 2 A16u, xy A66u, yy A16v, xx A12 A66 v, xy A26v, yy B11w, xxx 3B16 w, xxy B12 2 B66 w, xyy B26 w, yyy 0 A16u, xx A12 A66 u, xy A26u, yy A66v, xx 2 A26v, xy A22v, yy B16 w, xxx B12 2 B66 w, xxy 3B26 w, xyy B22 w, yyy 0
复合材料结构设计基础教学设计
复合材料结构设计基础教学设计一、教学目标本课程旨在使学生掌握复合材料结构的基本概念、特点和设计方法，以及复合材料结构设计的相关知识和应用技术。
具体的目标如下：1.了解复合材料结构的基本概念和特点；2.掌握复合材料结构设计的基本方法和步骤；3.熟悉复合材料结构设计中常用的软件工具；4.能够独立完成复合材料结构设计的基本任务。
二、教学内容1. 复合材料结构的基本概念和特点1.复合材料结构的定义和分类；2.复合材料的基本组成和结构特点；3.复合材料结构的性能特点。
2. 复合材料结构设计的基本方法和步骤1.复合材料结构设计的流程和步骤；2.复合材料结构设计中的注意事项；3.复合材料结构设计中的常见问题及解决方法。
3. 复合材料结构设计中常用的软件工具1.多物理场仿真软件；2.结构分析软件；3.材料力学软件。
4. 复合材料结构设计的应用技术1.复合材料结构在航空航天、汽车、船舶等领域的应用；2.复合材料结构的材料选择和成型工艺。
三、教学方式1.讲授课程内容；2.课堂练习和案例分析；3.实验操作和实验报告；4.课堂互动和讨论。
四、教学评估1.平时成绩（作业、课堂参与、考勤等）占20%；2.期中考试成绩占30%；3.期末考试成绩占50%。
五、教学资源1.复合材料结构教材（可以使用多种教材，如《复合材料结构设计》等）；2.复合材料结构仿真和分析软件；3.复合材料成型实验设备；4.学校图书馆及网上资源。
六、教学进度章节教学内容授课时间第一章复合材料结构的基本概念和特点2周第二章复合材料结构设计的基本方法和步骤3周第三章复合材料结构设计中常用的软件工具2周章节教学内容授课时间第四章复合材料结构设计的应用技术2周总结总结和期末考试1周以上是本课程的教学设计，希望能够满足广大学生的需求，提高学生的专业水平，培养高素质的复合材料结构设计人才。
第6章 复合材料性能
复合材料基本力学特性－破坏机理
(1)脆性破坏
(2)脆性破坏 伴随纤维拔出
(3)不规则破坏
复合材料基本力学特性－破坏机理
纤维的表面都会有缺陷，使纤维沿长度方向存 在弱点，尤其是脆性纤维对这种缺陷敏感性强 缺陷在复合材料中或多或少地随机分布，纤维 在外力作用下将在缺陷处出现断裂，可见断裂 很难发生在一个平面内 纤维中的缺陷不仅位置不同，而且严重程度也 不同
复合材料基本力学特性－破坏机理
复合材料的破坏特征
⒈ 聚合物复合材料的拉伸σ～ε关系，呈脆 性破化特征（纤维无屈服） ⒉ 破坏形貌（拉伸）
⑴ 脆性破坏 况（见图a） 断面平滑整齐对，发生在f-r间粘附较好的情
⑵ 脆性破坏纤维拔出 断面较不规则，有纤维拔出对应σb较 低， 发生在r-f粘附较差的情况（见图b） ⑶ 不规则破坏 断面很不规则，纤维拔出很多，对应σb最 低，发生在r-f粘附很差的情况，产生大量脱胶现象（见图c）
复合材料基本力学特性－力学效应
σ f Ef ＝ σ m Em
组分应力比与相应的弹性模量比相等： 为了在纤维中达到高应力以充分发挥高强度 纤维的效用，纤维的弹性模量应远大于基体 的弹性模量。
复合材料基本力学特性－力学效应
横向拉伸模量（串联模型）
1 / E2 = V f / E f + Vm / Em
强度
σ Tu = σ mu
ET Em
1 ⎞ ⎛ ⎜1 − V f 2 ⎟ ⎠ ⎝
失效应变
ε Tu
⎛ ⎞ = ε mu ⎜1 − V f ⎟ ⎝ ⎠
1 2
复合材料基本力学特性－力学效应
纵向压缩性能的复合效应
纵向压缩载荷作用下，单向复合材料的失效模式有三种：
聚合物基复合材料成型工艺
3. 固化（凝胶-----定型-----熟化）
固化方式
常温固化：温度＞15℃ （25~30℃）；湿度 ≤80% （15~30℃，8~24h）
加热固化：烘箱、固化炉、模具加热、红外 线加热 （60~80℃，1~2h）
固化度 丙酮萃取法 硬度法（巴氏硬度） ＞15
4. 脱模：气脱、顶脱、水脱
5. 后处理 修整：除去毛边、飞刺、修补表面及内部缺陷，钻孔 装配：机械连接、胶接 表面涂饰
四、手糊制品缺陷及原因
1. 胶衣起皱、龟裂、变色
原因： 起皱 ①胶衣层太薄；②固化剂不足；③气温太低； ④胶衣层厚度不均；⑤胶衣层固化不足
龟裂 ①胶衣层太厚；②固化时热量过大； ③固化剂用量过多；
变色 ①固化剂用量过多；②胶衣流挂； ③颜色分离；④胶衣层厚度不均
NaBO2 （5~8%） ），80℃溶于水； ⑦低熔点金属58%Bi+42%Sn，熔点135 ℃； ⑧玻璃钢 ⑨金属：钢材、铸铝，不能用铜（铜盐可妨碍树脂固化）
三、模具结构形式
单模 阴模（制品外表面光洁） 阳模（制品内表面光洁）
对合模 制品双面光洁 拼装模（组合模） 大型模具，由小块模具拼装而成
a.阴模示意图
4. 真空袋材料：气球步、橡胶袋、尼龙薄膜 5. 密封材料：胶条、胶带
图4-5 手糊玻璃钢制品举例
➢袋压成型
优点：仅用一个模具，就可得到形状复杂，尺寸较大，质量较好 的制件，也能制造夹层结构件
一、真空袋成型 1. 过程
制品毛坯 真空袋密封
抽真空
固化 制品
2. 特征 1）工艺简单，不需要专用设备；
3）预热和预成型
A. 预热作用：改善工艺性能，提高模压料温度，缩短固 化时间，降低成型压力；
复合材料的复合原则及界面
复合材料的复合原则及界面
整理课件
1
第一节 复合原则
要想制备一种好的复合材料，首先应 根据所要求的性能进行设计，这样才能成 功地制备出性能理想的复合材料。
复合材料的设计应遵循的原则如下：
整理课件
2
一、材料组元的选择
挑选最合适的材料组元尤为重要。
在选择材料组元时，首先应明确各组 元在使用中所应承担的功能，也就是说， 必须明确对材料性能的要求。
表面层的力学特性，润湿速度等。
整理课件
37
由于界面区相对于整体材料所占比重甚 微，欲单独对某一性能进行度量有很大困难。
因此常借于整体材料的力学性能来表征 界面性能，如层间剪切强度(ILSS)就是研究 界面粘结的良好办法；
如再能配合断裂形貌分析等即可对界面
的其他性能作较深入的研究。
整理课件
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由于复合材料的破坏形式随作 用力的类型、原材料结构组成不同 而异，故破坏可开始在树脂基体或 增强剂，也可开始在界面。
(2)阻断效应 结合适当的界面有阻止裂纹
扩展、中断材料破坏、减缓应力集中的作用。
整理课件
27
(3)不连续效应 在界面上产生物理性能 的不连续性和界面摩擦出现的现象，如抗电性、 电感应性、磁性、耐热性、尺寸稳定性等。
(4)散射和吸收效应 光波、声波、热弹
性波、冲击波等在界面产生散射和吸收，如透
光性、隔热性、隔音性、耐机械冲击及耐热冲
20
如金属基复合材料中，采用纤维与颗粒、 晶须增强时，同样采用固态法，但用纤维增 强时，一般采用扩散结合；而用颗粒或晶须 增强时，往往采用粉末冶金法结合。
因为颗粒或晶须增强时若采用扩散结合，
势必使制造工艺十分复杂，且无法保证颗粒
第六章 功能复合材料
压力－发光 电场－发光 （场致发光）
压电复合材料
• 压电陶瓷和聚合物基体按照一定的联接方 式、一定的体积比例和一定的空间几何分 布复合而成。
• 在电场的作用下，可以引起电介质中带电 粒子的相对位移而发生极化。但是，在某 些电介质晶体中，也可以通过纯粹的机械 作用(拉应力、压应力或切应力)而发生极化， 并导致介质两端表面内出现符号相反的束 缚电荷，其电荷密度与外力成比例。这种 由于机械力的作用而使电介质晶体产生极 化并形成表面荷电的效应，称为压电效应。 晶体的这一性质就叫压电性。
1-3型水泥基压电复合材料
• 1-3型水泥基压电复合材料是由一维的压电 陶瓷柱平行地排列于三维连通的水泥基体 中而构成的两相压电复合材料。这种复合 材料集中了各相材料的优点,互补了单相的 缺点,具有低声阻抗、高机电耦合系数和低 机械品质因数等优点,更重要的是通过调节 压电陶瓷柱的体积分数及形状参数便可使 复合材料的声阻抗与混凝土材料的声阻抗 相匹配,从而有效地解决智能材料在土木工 程中的相容性问题。
压电陶瓷弯曲变形器
压电陶瓷风扇和继电器
压电振动加速计
0-3型压电复合材料
• 由不连续的陶瓷颗粒分散于三维连通 的聚合体基体中形成的。 • 可以做成薄片、棒或线材。
• 浇注树脂是非常关键的步骤,为了使树脂与 PZT柱结合紧密,树脂与PZT柱的界面上不 能存在气孔,因为气孔的存在易使声波产生 全反射,而且会导致力的传递不连续。因此, 要求树脂的流动性好，固化时间长。
功能复合材料的主要类型
功能特征 磁功能 复合材料 主要类型 屏蔽复合材料 吸波复合材料 透波复合材料 聚合物基导电复合材料 本征导电聚合物材料 压电复合材料 陶瓷基导电复合材料 水泥基导电复合材料 金属基导电复合材料 导电纳米复合材料 超导复合材料 减少电磁波对信息 用途 系统的干扰、减弱 吸收或衰减入射的 柔韧磁体、磁记录 电磁波对人体健康 电磁波，使其因干 隐身材料 的损害。 涉而消失或将其电 雷达罩、天线罩 磁能转换为其他形 屏蔽 式的能量。 防静电、开关 压电传感器 高压绝缘 建筑物绝缘 高强、耐热导电材料 锂电池 医用核磁成像技术
6-第六章_复合材料层合板的湿热效应解析
x, y T 1 L, T
(3.19)
T ex x eT T y y 1 eT 1 xy xy 2 2
（6.4）
式中，x，y和xy为单层非材料主方向的热膨胀系数。则有
图6.1 .2 碳纤维增强环氧单层 面内剪切应力—应变曲线
图6.3给出了典型碳纤维增强环氧树脂基复合材料单层在常温干燥和常温 吸湿1%下以及在高温（90℃）、干燥和吸湿1%下的面向剪切应力—应变 曲线。可以看到吸湿1%后的材料在高温下的面内剪切模量和强度均有大 幅度的下降。这一实验结果表明，在树脂基复合材料的刚度和强度分析 中必须考虑湿热的影响。
x m2 n2 2m n L 2 2 m 2m n T y n 2 2 xy 2m n 2m n （ 2 m n ） 0
（6.5）
二、湿膨胀变形
单层吸入水分后质量的增量和干燥状态下的质量之比称为单层的吸湿量， 用符号c表示， c m 100 % （6.6） m 式中，m为单层干燥状态的质量，m为吸湿后的质量增量。 单层吸湿后材料主方向的湿自由应变为 e H 和 e H ， e H 0 ，
6.1 湿热对单层力学性能的影响
高温尤其是湿热联合作用对树脂基复合材料力学性能的影响是显著的。 树脂基体在高温下，特别是吸入一定水分的基体在高温下的性能有明显下降， 因而导致复合材料单层力学性能中由基体性能控制的横向模量和强度、剪切 模量和强度下降。图6.1和图6.2给出了典型碳纤维增强环氧树脂基复合材料 单层在22℃，60℃和128℃三种温度和干燥条件下的横向拉伸和面内剪切应 力—应变曲线。可以看到随着温度的升高，该材料的横向模量和剪切模量明 显下降，横向拉伸强度下降较小，剪切强度在128℃时下降显著。
第6章-金属基复合材料制备技术
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6.4.4 液体浸渍法
是美国宇航公司发明的一种制造碳纤维增强铝基、镁基复合材 料的方法。原理：通过对碳（或石墨）纤维表面进行活化处理， 经处理的碳纤维与铝液、镁液相互自发浸润。当纤维束经过铝熔 池时，金属液就自发浸渍到纤维束中，形成复合丝。
（3）工艺简单、成本低，易于批量生产。
（4）主要用于制备短纤维、晶须、颗粒增强的铝、镁基复合 材料。
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6.4.3 无压浸渗法(自发浸渗法)
无压浸渍是指金属液体在无外力作用下自发浸渗固体颗粒多孔 预制件制备金属基复合材料的方法。
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1. 无压浸渍需要满足的条件 （1）金属液体对增强体颗粒润湿。 （2）预制件应具有相互连通的浸渗通道。 （3）体系组分性质需相匹配。 2. 特点和应用 （1）工艺简单、成本低，可实现近终成型。
液体金属浸渍法主要用于碳、石墨、碳化硅等丝束连续纤维增强 复合材料。这类纤维直径细，一般为7-11μm，每束含纤维数量 多，一般为500-3000根/束,金属液体渗透入纤维束相当困难， 也是制造C/Al、C/Mg、SiC/Al 复合材料的主要障碍，用Ti-B 涂层、超声波振动有效地解决了这一关键问题。
3. 冷却速度大，液滴冷却速度可达103～106K/s，基体金属组 织可获得快速凝固金属所具有的细晶组织，无宏观偏析, 组织 均匀致密。
4. 增强物分布均匀。 5. 有少量气体存在，最低 2%，最高5%。
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6.4.6 液态金属搅拌铸造法
1. 基本工艺原理
将颗粒增强体直接加入到熔融的基体金属液中，通过一定方式 的搅拌使颗粒增强体均匀地分散在金属熔体中，与金属基体形成 复合熔体，浇注成锭坯、铸件。 2. 工艺难点
《复合材料工艺与设备》第六章层压成型工艺及设备
《复合材料工艺与设备》第六章层压成型工艺及设备第六章层压成型工艺及设备6层压成型工艺及设备6.1概述6.1.1层压工艺的发展现状及前景课件6.1.1层压工艺的发展现状及前景层压工艺：是指将浸有或涂有树脂的片材层叠，在加热加压条件下，固化成型玻璃钢制品的一种成型工艺。
起始于30年代，目前在航空、航天、汽车、船舶、电讯等工业广泛应用。
层压成型工艺制品已经成为不可缺少的工程材料之一。
主要产品有：玻璃布层压板、木质层压板、棉布层压板、纸质层压板、石棉纤维层压板、复合层压板等。
第六章层压成型工艺及设备6.1.2层压工艺特点及应用课件6.1.2层压工艺的特点及应用工艺特点：生产的机械化、自动化程度较高；产品质量稳定；但一次性投资较大，适合于批量生产。
层压板可分为：纸层压板、木层压板、棉纤维层压板、玻璃纤维层压板等品种。
电绝缘部件；薄板适合于各领域；可用于制造齿轮、轴承、皮带轮等结构材料；用于飞机、汽车、船舶、电气工程等领域。
主要应用范围：例如：复铜箔层压板，用于制造印刷电路板。
第六章层压成型工艺及设备6.2胶布制备工艺及设备6.2.1制备工艺6.2.1.1原材料增强材料：课件玻璃布，石棉布，合成纤维布，玻璃毡，石棉毡，石棉纸，牛皮纸等。
酚醛树脂、氨基树脂、环氧树脂、不饱和聚酯树脂、有机硅树脂等。
6.2.16.2.1制备工艺树脂：6.2.1.2胶布制备工艺过程玻璃纤维布经化学处理或热处理后，浸渍树脂胶液，并控制胶含量。
在一定温度、时间条件下烘干，使树脂由A阶转到B阶，即得到需要的玻璃纤维胶布。
如P136工艺流程图。
第六章层压成型工艺及设备6.2.1.3胶布制备工艺参数主要有：胶液粘度、浸胶时间、烘干温度与时间、牵引张力。
(1)、胶液粘度课件一般通过胶液浓度及环境温度来控制。
浓度的控制往往采用测试密度的方法来实现。
各种玻璃布所用的胶液密度见P137,表6-1。
(2)、浸胶时间一般控制在15~45,不同的布浸透时间不同。
设计复合材料
设计复合材料
首先，材料的选择是设计复合材料的关键。
在选择材料时，需要考虑到复合材
料的使用环境、受力情况、外观要求等因素，合理选择树脂基体和增强材料，以及其他辅助材料。
树脂基体通常选择环氧树脂、酚醛树脂等，而增强材料可以选择碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等。
在材料选择时，需要综合考虑材料的力学性能、耐热性、耐腐蚀性等指标，以确保复合材料在使用过程中能够满足要求。
其次，成型工艺对复合材料的性能影响很大。
常见的成型工艺包括手工层叠、
预浸料成型、压缩成型、注塑成型等。
不同的成型工艺适用于不同的复合材料类型和产品形状，需要根据具体情况进行选择。
在成型工艺中，需要注意控制成型温度、压力、时间等参数，以确保复合材料的成型质量和性能稳定性。
最后，对复合材料的性能进行测试也是设计过程中不可或缺的一环。
常见的测
试项目包括拉伸强度、弯曲强度、冲击性能、热稳定性等。
通过对复合材料的性能测试，可以评估材料的实际性能是否符合设计要求，为产品的使用提供可靠的数据支持。
综上所述，设计复合材料需要综合考虑材料选择、成型工艺和性能测试等方面，以确保复合材料能够满足产品的使用要求。
在实际设计过程中，需要密切关注材料的性能指标，合理选择成型工艺，严格进行性能测试，从而设计出性能优良的复合材料产品。
第6章-2 金属基复合材料的界面及其表征
6.2.6.2 界面对金属基复合材料力学性能的影响
界面结合强度对复合材料 的冲击性能影响较大。纤维 从基体中拔出，纤维与基体 脱粘后，不同位移造成的相 对摩擦都会吸收冲击能量， 并且界面结合还影响纤维和 基体的变形能力。
三种复合材料的典型冲击载荷－ 时间关系曲线
1－弱界面结合 2－适中界面结合 3－强界面结合
1
界面组成及成分变化
2
界面区的位错分布
3
界面强度的表征
4
界面残余应力的测定
5 界面结构的高分辨观察及其原子模拟
10
6.3.1 界面组成及成分变化
确定界面上有无新相形成是界面表征的主要内容之一。新相可能是 增强体与基体通过扩散反应而在界面处形成的新相, 也可能是基体组 元与相界处杂质元素反应在界面处优先形核而成为新相。 一般情况下常用明场像或暗场像对界面附近区域形貌进行观察, 通 过选区衍射和X射线能谱进行微区结构和成分分析。 当析出物十分细小时, 可采用微衍射和电子能量损失谱来分析其结 构和成分, 电子能量损失谱尤其适合于对C、O等轻元素的分析。可 以准确判知界面析出物的结构、成分和形貌特征。
1、金属基复合材料界面可分成哪些类型？请分别举 例说明不同类型界面的特征。 2、金属基复合材料的界面结合有哪几种？什么样的 界面结合对力学性能更有利？
3
6.2.6 界面对性能的影响
不同类型和用途的金属基复合材料界面的作用和最佳界面结构 性能有很大差别。
纤维增强脆性基体复合材料的微观断裂模型 （a）纤维“桥接” （b）裂纹穿过纤维造成脆断
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挤压铸造Al18B4O33w /Al-2.5%Mg 复合材料界面 TEM 照片
4Al18B4O33+33Mg = 33MgAl2O4+6Al+16B
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载荷的稳定性 材料性质的均匀性和分散性 理论计算公式的近似性 构件的重要性与危险程度 加工工艺的准确性 无损检测的局限性 使用环境条件
(3)防雷击 雷击是一种自然现象。碳纤维复合材料是 半导电材料，它比金属构件受雷击损伤更加严 重。这是由于雷击引起强大的电流通过碳纤维 复合材料后会产生很大的热量使复合材料的基 体热解，引起其机械性能大幅度下降，以致造 成结构破坏。必须进行雷击防护. (4)抗冲击 冲击损伤可分为三类：①高能量冲击，在 结构上造成贯穿性损伤，并伴随少量的局部分 层；②中等能量冲击，在冲击区造成外表凹陷， 内表面纤维断裂和内部分层；③低能量冲击， 在结构内部造成分层，而在表面只产生目视几 乎不能发现的表面损伤。
3．结构设计应考虑的其他因素
(1)热应力 复合材料与金属零件连接是不可避免的。当使 用温度与连接装配时的温度不同时，由于热膨胀系 数之间的差异常常会出现连接处的翘曲变形。与此 同时， 复合材料与金属间会产生由温度变化引起的 热应力。 (2)防腐蚀 碳纤维复合材料与金属材料之间的电位差使得它 对大部分金属都有很大的电化腐蚀作用，特别是在 水或潮湿空气中，碳纤维的阳极作用而造成金属结 构的加速腐蚀，因而需要采取某种形式的隔离措施 以克服这种腐蚀。
1. 复合材料结构设计的特点
2．复合材料结构设计条件
要设计材料而不是选择材料 结构设计要与材料设计相结合 要利用结构物塑造容易的特点 要注意复合材料的各向异性特征
结构性能要求 载荷情况 环境条件 结构的可靠性与经济性
3．复合材料结构设计过程
6.2.2
材料设计
材料设计，通常是指选用几种 原材料复合制成具有所要求性能的材 料的过程 这里所指的原材料主要是 料的过程。这里所指的原材料主要是 指基体材料和增强材料。材料设计包 括原材料选择、单层性能的确定和复
(2) 纤维选择
(3) 树脂选择
要求基体材料能在结构物使用温度范围 内正常工作。 要求基体材料具有一定的力学性能。 要求基体的断裂伸长率大于或者接近纤 维的断裂伸长率。 要求基体材料具有满足使用要求的物理、 化学性能. 要求具有一定的工艺性。
首先要确定纤维的类别 其次要确定纤维的品种规格
(4)铺层最小比例原则
为避免基体承载，减少湿热应力， 使复合材料与其相连接的金属泊松比 相协调，以减少连接诱导应力等，对 于方向为0°，90°，±45°铺层，其 任一方向的铺层最小比例应大于6%10%。
图6-5 按承力方式选取的常用铺层形式
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(5)铺设顺序原则
(6)冲击载荷区设计原则
3．复合材料层合板设计
铺层定向原则 均衡对称铺设原则 铺层取向按承载选取原则 铺层最小比例原则
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铺设顺序原则 冲击载荷区设计原则 防边缘分层破坏设计原则 抗局部屈曲设计原则 连接区设计原则 变厚度设计原则
(1)铺层定向原则
由于层合板铺层取向过多会造 成设计工作的复杂化，目前多选择 0°， ，45°， ，90°和 和-45 45°四种铺层 四种铺层 方向。如果需要设计成准各向同性 的层合板，除了用[0/45/90/-45]层 合板外，为了减少定向数，还可采 用[60/0/-60]层合板。
(1)构件的拐角应具有较大的圆角半径，避免 在拐角处出现纤维断裂、富树脂、架桥 （即各层之间未完全粘接）等缺陷。 (2)对于外形复杂的复合材料构件设计，应考 对于外形复杂的复合材料构件设计 应考 虑制造工艺上的难易程度，可采用合理的 分离面分成两个或两个以上构件；对于曲 率较大的曲面应采用织物铺层；对于外形 突变处应采用光滑过渡；对于壁厚变化应 避免突变，可采用阶梯形变化。
6.3 复合材料制品设计
复合材料叶片的设计 复合材料容器的设计 大型复合材料型材设计 复合材料制件中预埋嵌件的设计
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6. 3. 1 复合材料叶片的设计
一般风机叶片剖面设计图
外层是层合板薄壁结构 腹内填充硬质泡沫塑料 外层是层合板薄壁结构，腹内填充硬质泡沫塑料 （也可空腹）。层合板主要由单向层和±45°层组成， 单向层可采用单向纤维铺设，也可选用单向织物（叶 片横向也有较小的应力），以承受由离心力和弯矩产 生的轴向应力，±45°层可采用1：1（经纬纤维量相 等）纤维布的45°铺设，以承受主要由扭矩产生的剪 切应力。单向层与±45°层纤维用量比例可按轴向应 力与剪切应力比例来确定。
2. 单层性能的确定
已知原材料的性能欲准确确定单层的 性能是较为困难的。然而结构设计的初步阶 段，为了层合板设计、整体结构设计的需要 必须提供必要的单层性能参数，特别是刚度 和强度参数。为此，通常是利用细观力学分 析方法推得的预测公式确定的。而在最终设 计阶段，一般为了单层性能参数的真实可靠， 使设计更为合理，单层性能的确定需用试验 的方法直接测定。
力学性能:复合材料力学性能取决于增强材料的 性能、含量和分布，同时也取决于基体材料的 性能和含量。它可以根据使用条件进行设计， 从强度方面来讲，三类复合材料都可以获得较 高的强度。 耐老化性能:取决于基体材料性能和与增强材料 的界面粘接。一般来讲其耐老化性能的优劣次 序为：陶瓷基复合材料-金属基复合材料-树脂基 复合材料。树脂基复合材料的耐自然老化性能 也可以通过改进树脂配方、增加表面防护层等 方法来提高和改善。
图6-7 变厚度铺层的台阶
6.2.3 结构设计
复合材料结构设计除了具有包 含材料设计内容的特点外，就结构 设计本身而言 无论在设计工艺性 设计本身而言，无论在设计工艺性 要求、许用值与安全系数确定、设 计方法和考虑的各种因素方面都有 其自身的特点，一般不完全沿用金 属结构的设计方法。
1.结构设计应考虑的工艺性要求
图6-4 复合材料结构设计综合过程图
合材料层合板设计。
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1.原材料的选择与复合材料性能
(1)原材料选择原则
原材料选择原则 纤维选择 树脂选择
比强度高、比刚度大的原则。 材料与结构的使用环境相适应原则。 满足结构特殊性要求的原则。 满足工艺性要求的原则。 成本低、效益高的原则。
冲击载荷区层合板应有足够多的 0°层,用以承受局部冲击载荷；同时， 也要有 定量的±45°层以使载荷扩 也要有一定量的± 散。除此之外，必要时还应局部加强 以确保足够的抗冲击强度。
应使各定向层尽量沿层合板厚度均匀分布， 也即使层合板的单层组数尽量地大，或者说 使每一单层组中的单层尽量地少，一般不超 过4层，这样可以减少两种定向层之间的层间 层 这样可以减少两种定向层之间的层间 分层可能性。 如果层合板中含有±45°层、0°层和90°层， 应尽量使±45°层之间用0°层或90°层隔开， 也尽量使0°层和90°层之间用+45°或-45° 层隔开，以降低层间应力。
风机叶片设计的其他形式
6.3.2 复合材料容器的设计
复合材料容器的壁结构一般分为三层， 即内衬层、承力层和保护层。 承力层：多采用纤维缠绕工艺成型，按容器 承受压力的大小，确定纤维缠绕角度和纤维 用量，最有效发挥纤维的拉伸性能，承担全 部结构所受的载荷。 保护层：保护层是最外表面层，用于抗自然 老化和防止承力层受到机械损伤。保护层多 用表面毡形成富树脂层，也可用环氧腻子和 油漆刮在表面作为保护层。
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第三，低速冲击后试样在环境条件下进行压 缩两倍疲劳寿命试验。 剪切性能 剪切时使用许用值取由下述 两种情况得到的较小值。第一，在±45°层 合板试样在环境条件下进行反复加载卸载的 拉伸（或压缩）疲劳试验。并逐渐加大峰值 载荷，测定无残余应变下的最大剪应变值; 第二，±45°层合板试样在环境条件下经小 载荷加载卸载数次后，将其单调地拉伸至破 坏，测定其各级小载荷下的应力—应变曲线， 并确定线性段的最大剪应变值，经统计分析 得出使用许用值。
沿荷载方向的铺层比例应大于 30%，以保证足够的拉压强度；与荷 载方向成±45°的铺层比例应大于 40%，以增加剪切强度，同时有利于 扩散载荷和减少孔的应力集中。
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(10)变厚度设计原则
变厚度零件的铺层阶差、 各层台阶设计宽度应相等，其台 阶宽度应等于或大于2.5mm。为 防止台阶处剥离破坏，表面应由 连续铺层覆盖。
导热性能: 金属基复合材料50~65W/(m·K)>陶瓷基复 合材料0.7~3.5W/(m·K)>树脂基复合材料 0.35~0.45W/(m·K)。 耐化学腐蚀性能:通过选择适当的基体材料来实 现的，一般来说陶瓷基复合材料和树脂基复合 材料的耐化学腐蚀性能比金属基复合材料优越， 在树脂基复合材料中对于不同的树脂基体及增 强纤维其耐化学腐蚀性能也不相同。 工艺性:树脂基复合材料生产工艺成熟，产品成 本最低，金属基复合材料次之，陶瓷基复合材 料成型工艺最复杂，产品成本也最高。
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本章内容
第6章 复合材料的设计
复合材料的性能 复合材料的结构设计 复合材料的制品设计 复合材料的性能测试
6.1 复合材料的性能
三类复合材料的性能比较比强度,比模量 耐疲劳性 破损安全性 减震性
使用温度和材料硬度 :树脂基复合材料 的使用温度一般为60~250℃；金属基复 合材料为400~600℃；陶瓷基复合材料 为1000~1500℃。复合材料的硬度主要 取决于基体材料性能，一般陶瓷基复合 材料硬度大于金属基复合材料，金属基 复合材料硬度大于树脂基复合材料。
设计许用值的确定方法 设计许用值是在环境条件下，对结 构材料破坏试验进行定量统计后给出。 环境条件包括使用温度上限和 1% 水分含 量（对于环氧类基体为 1% ）的联合情况。 对破坏试验结果应进行分布检查（韦伯 分布还是正态分布），并按一定的可靠 性 要 求 给 出 设 计 许 用 值 。