聚合物基复合材料 ppt课件

单层设计
层合板设计
结构设计
实验校核
1．设计条件
• 载荷情况
静载 ---- 强度，刚度。 动载 ---- 抗冲击强度。 交变 ---- 疲劳强度。
• 环境条件：温度，湿度，腐蚀等。可能引起的强度 下降。（如GF、KF耐湿性差）
• 功能性要求：如烧蚀、润滑、导电、导热、防雷电、 抗电磁干扰、透光等。
• 结构可靠性和经济性。
⑵、环氧玻璃钢
H H2
CH3
H2C C C O
O
CH3
H2
H2
O C CH C O
OH n
CH3
H2 H
O C C CH2
CH3
O
• 综合力学性能最好，粘结能力最强， 与玻纤复合界面剪切强度最高，尺寸 稳定性好，耐蚀性好；收缩率只有12%，粘度大，施工困难，成型需要 加热。
⑶．酚醛玻璃钢
OH
OH
2．原料选择
选择原则：满足性能要求，廉价，易于获得。 （1）比强度、比刚度高的原则
（2）材料与结构的使用环境相适应的原则
（3）满足结构特殊性要求的原则
（4）满足工艺性要求的原则
（5）成本低效益高的原则
2．原料选择
纤维选择特殊要求： • 高强度，高刚度 • 高抗冲击 • 低温性能 • 尺寸稳定 • 透波，吸波
聚合物基复合材料的特性
通过改变纤维、基体的种类 及相对含量、纤维集合形式 及排列方式、铺层结构等可 以满足对复合材料结构与性 能的各种设计要求。
复合材料制品的制造始于 整体成型,一般不需焊、铆、 切割等二次加工,工艺过程 比较简单。
©2003 Brooks/Cole, a division of Tomson Learning, Inc. Thomson
高性能CF、BF GF、KF CF KF、CF GF、KF、Al2O3
树脂的选择：
（1）基体材料能在结构使用温度范围内正常工作 （2）具有一定的力学性能 （3）基体的断裂伸长率不小于纤维的，以充分发挥纤维的增
强作用 （4）具有满足使用要求的物理、化学性能，如吸湿性、耐介
同时，复合材料中的基体界面具有吸震能力，使材料的 震动阻尼很高，即使激起振动也能很快衰减。
• 对相同尺寸和形状的梁进行振 动试验的结果表明,对同一振动, 轻合金梁需要9秒钟才能停止,而 碳纤维复合材料梁只需2～3秒。
聚合物基复合材料的特性
在纤维复合材料中，由于有大量独立的纤 维，在每平方厘米面积上的纤维数少至几千根， 多达数万根。当过载时复合材料中即使有少量纤 维断裂时，载荷就会迅速重新分配到未被破坏的 纤维上，不至于造成构件在瞬间完全丧失承载能 力而断裂，仍能安全使用一段时间。
OH
OH
OH
H2
H2
H2
H2
C
C
C
C
CH2 H2 C
CH2 H2 C
CH2 H2 C
CH2
CH2
OH
OH
OH
OH
OH
• 耐热性最好, <350℃长期使用，短期可达 1000℃；电学性能好，耐烧蚀材料，耐电 弧。性脆，尺寸不稳定，收缩率大，对皮 肤有刺激作用。
玻璃钢采光板
玻璃钢汽车保险杠
玻璃钢型材
赛艇、帆船壳体
聚合物基复合材料
聚合物基复合材料
聚合物基复合材料是由物化性质截然不同的增强材料和有 机高分子化合物通过一定工艺方法复合而成的多相固体材料。
影响聚合物基复合材料性能的因素：
1、增强材料的强度及弹性模量以及基体材料的强度及化学 稳定性 2、增强材料的含量及其排布方式与方向 3、不同的成型工艺 4、增强材料与基体的界面粘接状况
聚合物基复合材料的特性
增强纤维的缺陷少,抗疲劳性好，基体的塑性好, 抑制微 裂纹的出现，即使形成微裂纹,在裂纹的缓慢扩展过程 中,基体的纵向拉压将引起其横向收缩,而在裂纹尖端的 前纹尖端钝化,减缓其扩展。
聚合物基复合材料的特性
受力结构的自振频率有关因素： 结构形状 比模量的平方根成正比
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品种
1、GF增强热固性塑料（GFRP）---- 玻璃钢
⑴、聚酯玻璃钢
*O
CH3
H2
C
C
H
O HH
O CC C
O
CH3
O
C O CH CH2 O C
O C*
n
加工性能最好。低粘度，可室温固化； 价低，用量占80% 。透光性好，可制 作采光瓦。收缩率大，耐酸碱性差。
比模量 100GPa
0.27 0.21 1.5 1.0
抗拉强度与密度 之比
比强度高的材料 能承受高的应力
弹性模量与密度之 比 比模量高说明材料 轻而且刚性大
采用复合材料可大 大减轻构件或制品 的重量
聚合物基复合材料的特性
疲劳破坏的种类不同： 金属： 突发性破坏 疲劳强度极 限是其拉伸强度的30%~50% 聚合物基复合材料： 有预兆破坏 极限为拉伸强度的70%~80%
⑵、芳纶纤维增强塑料 • 与塑料相容性好，价格适中，应用前景广泛。 • 抗拉强度与C纤维相当，冲击强度远高于C纤维；
振动衰减是玻璃钢的4～5倍。 • 抗压性能差。
⑶、B纤维增强塑料 突出优点是刚度好，价格比C纤维还贵。
⑷、SiC纤维增强塑料 突出优点是与树脂相容性好。
碳纤维头盔
地铁闸瓦
C 纤 维 增 强
学生实验过程及作品
聚合物基复合材料的特性
聚合物基复合材料的特性
材料种类 性能
钢 玻璃钢 碳纤维/环氧 硼纤维/环氧
比重
7.6 2.0 1.6 2.1
抗拉强度 GPa 1.03 1.06 1.07 1.38
弹性模量 100GPa
2.1 0.4 2.4 2.1
比强度 GPa 0.13 0.53 0.7 0.66
芳 纶 纤 维 增 强
聚合物基复合材料设计
包括：材料设计和结构设计。
• 材料设计：根据使用要求，选取原材料；安排合适的 工艺路线，将其制成满足性能要求的材料。
• 结构设计：确定构件的最终构型、几何尺寸、组合关 系等，使之满足力学性能，安全寿命，可加工性和经济 性要求。
设计过程：
确定设计条件
原料选择
体育馆采光
透光型玻璃钢
2、GF增强热塑性塑料 (FR-TP)
特点：
⑴、比重最轻1.1～1.6
雾灯
⑵、抗儒变性等力学性能明显提高
车门反射镜架
⑶、热学性能大大改善>50% ⑷、尺寸稳定性提高
车用立体声音响喇叭
3、高强度纤维增强塑料
⑴、C纤维增强塑料 比强度，比模量高的材料；耐腐蚀耐热都很
好。抗冲击性较好，价格昂贵。