纤维增强树脂基复合材料强化机制
碳纤维增强树脂基复合材料PPT课件
纤维
材料。
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碳纤维增强树脂基复合材料简介——碳纤维
➢ 碳纤维的特点：拉伸强度和拉伸模量高，密度低、比模量高 ，无蠕变，非氧化环境下耐超高温，耐疲劳性好，耐腐蚀性 好良好的导电导热性能、电磁屏蔽性好等。
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碳纤维增强树脂基复合材料简介——树脂基体
碳纤维增强树脂复合材料所用的基体树脂： 热塑性树脂基体（乙烯、尼龙、聚四氟乙烯以及聚醚醚酮等） 热固性树脂基体（环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、聚酰亚胺树脂以及酚醛树脂等）
第三阶段：
应用于受力不大的 应用于承力大的结 应用于复杂受力结
构件，如各类操作 构件，如安定面、 构，如机身、中央
面、副翼、口盖、 全动平尾和主受力 翼盒等。
阻力板等。
结构机翼等。
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发展与应用——航空航天上的应用
➢ 航天应用： 1.军机应用 2.民机应用
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发展与应用——航空航天上的应用
➢ 航空应用 1.卫星及空间站的结构材料和部件 2.导弹用结构材料 3.运载火箭用结构材料
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发展与应用——在能源、汽车及其他工业部门的应用
对于未来的汽车工业，碳纤维复合材料将成为汽车 制造的主流材料。将在汽车发动机汽缸，机械驱动轴， 车体板和其他部件得到发展和应用。
同时也能在，在基建、兵器、医疗器械、体育休闲 用品等领域都存在巨大的市场潜力。
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成型技术
液体模塑成型技术（LCM）
其他低成本成型 技术还包括
纤维缠绕、拉挤 等
结构反应注射模塑
真空辅助树脂传递模塑（VARTM）
树脂渗透成型工艺（SCRIMP）
光固化碳纤维增强树脂基复合材料的研究
光固化碳纤维增强树脂基复合材料的研究光固化碳纤维增强树脂基复合材料是一种新型的高性能材料，具有优异的力学性能和化学稳定性，因此在航空航天、汽车、建筑等领域得到了广泛的应用。
本文将从材料的制备、性能及应用等方面进行探讨。
一、材料的制备光固化碳纤维增强树脂基复合材料的制备主要包括预浸料制备、层压成型和光固化三个步骤。
预浸料制备是将碳纤维与树脂预浸料混合均匀，使其充分浸润碳纤维，形成预浸料。
层压成型是将预浸料按照一定的层次和方向堆叠在一起，然后经过高温高压处理，使其形成固态复合材料。
最后，通过光固化技术，将复合材料暴露在紫外线下，使其树脂基固化，形成最终的光固化碳纤维增强树脂基复合材料。
二、材料的性能光固化碳纤维增强树脂基复合材料具有以下优异的性能：1. 高强度：碳纤维具有高强度和高模量，能够有效地增强复合材料的强度和刚度。
2. 轻质：碳纤维比重轻，能够有效地降低复合材料的重量。
3. 耐腐蚀性：树脂基具有良好的耐腐蚀性，能够在恶劣的环境下长期使用。
4. 耐热性：碳纤维具有良好的耐高温性能，能够在高温环境下长期使用。
5. 良好的成型性：复合材料具有良好的成型性能，能够制成各种形状的零件。
三、材料的应用光固化碳纤维增强树脂基复合材料在航空航天、汽车、建筑等领域得到了广泛的应用。
在航空航天领域，光固化碳纤维增强树脂基复合材料被广泛应用于飞机机身、翼面、尾翼等部件，能够有效地降低飞机的重量，提高飞行性能。
在汽车领域，光固化碳纤维增强树脂基复合材料被应用于车身、底盘等部件，能够有效地降低汽车的重量，提高燃油经济性。
在建筑领域，光固化碳纤维增强树脂基复合材料被应用于建筑结构、桥梁等部件，能够有效地提高结构的强度和耐久性。
总之，光固化碳纤维增强树脂基复合材料是一种具有广泛应用前景的高性能材料，随着科技的不断进步和应用领域的不断拓展，其应用前景将会更加广阔。
纤维增强树脂基复合材料强化机制
复合材料
金属
复 合 材 料
铝、镁、铜、钛及其合金
基体
非金属
合成树脂、橡胶、陶瓷、 石墨、碳等
增强材料
玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶 纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶 须、金属丝和硬质细粒等
第二章
纤维强化机制
1.复合材料的断裂强度
当复合材料承受载荷时，如图 l 所 示， 其应 力和弹性模量服从混合法则，即：
4.纤维桥接
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，以抵消外加拉应力的作用，从而 使裂纹难以进一步扩展，起到增韧作用。
第三章
纤维强化树脂基课题
近几十年来， 材料学者们越来越重视新开发的工程材料要具备生态友好性， 这种趋势同样也已深入到摩擦材料行业中。 过去人们关注高性能汽车制动材 料合适的摩擦系数、 可靠的稳定性、 满意的舒适性及合理的使用寿命等 ，
由于应变的差异， 造成纤维上的拉应力 和界面上的剪应力分布如图 3 所示，即 在纤维末端的拉应力为零， 界面剪应力
最大；在纤维的中点拉应力最大，界面
剪应力几乎趋于零 （ 若纤维足够长）。 正是界面剪应力的变化 （ 称为剪切效应 （ shear effect））才引起了纤维上的 拉应力变化。
在弹性变形范围内， 纤维上的拉应力σf =εmEf，随载荷的增加，基体的应变 εm 增大， 因此σf 也随之增大。 从图 3 可知， 只有当纤维长度等于 Lc 时， 纤维上的拉应力才能达到纤维的断裂强度σfu， 因此 Lc 称为临界纤维长度， 它是使应力达到纤维断裂时的最短纤维长度， 可定义为在给定纤维长度范围
关于芳纶纤维改性和芳纶纤维增强复合材料用树脂基体的研究
关于芳纶纤维改性和芳纶纤维增强复合材料用树脂基体的研究芳纶纤维是一种由芳香族环和酰胺基组成的高性能纤维，具有良好的力学性能、耐热性、耐化学性和耐磨性。
但是，芳纶纤维的表面性质使其与树脂基体之间的粘结力较弱，且芳纶纤维与树脂基体的界面相容性差。
为了克服这些问题，研究人员对芳纶纤维进行了改性，并将其与树脂基体制备成芳纶纤维增强复合材料。
芳纶纤维的改性主要包括表面改性和化学改性两种方法。
表面改性主要是通过表面处理剂来提高芳纶纤维与树脂基体之间的粘结力，其中常用的表面处理剂有硅烷偶联剂、锡酸酯、聚酰胺胺等。
这些表面处理剂可以增加纤维表面的活性基团，从而使纤维与树脂基体之间的粘结力增强。
化学改性则是通过改变芳纶纤维分子结构来提高其与树脂基体之间的粘结力。
常见的化学改性方法包括芳纶纤维的氧化、酰化和覆有活性金属等。
芳纶纤维增强复合材料的树脂基体一般选择环氧树脂、酚醛树脂和聚酰亚胺等，这些树脂具有较好的高温稳定性和力学性能。
在制备过程中，首先将芳纶纤维浸渍于树脂基体中，然后通过热固化或化学固化使树脂基体固化成型。
通过这种方式，芳纶纤维和树脂基体可以有效地结合在一起，形成一种具有高强度和高耐热性的材料。
芳纶纤维增强复合材料的研究主要围绕着改善纤维-基体界面粘结、提高材料的力学性能和耐热性等方面展开。
研究人员发现，通过表面处理剂的添加可以有效提高芳纶纤维与树脂基体之间的粘结强度，并且改善界面相容性。
此外，通过优化纤维体积分数和纤维布置方式，可以进一步提高复合材料的力学性能。
同时，研究人员也开展了对芳纶纤维增强复合材料的热性能、耐化学性等方面的研究。
总之，芳纶纤维改性和芳纶纤维增强复合材料的研究在提高材料的力学性能、耐热性和耐化学性方面取得了很大的进展。
随着科学技术的不断发展，相信这一领域的研究将会进一步完善，并应用于更广泛的领域中。
碳纤维如何增强复合材料的力学性能
碳纤维如何增强复合材料的⼒学性能2019-08-20摘要：碳纤维增强热塑性树脂基复合材料的应⽤范围进⼀步扩⼤，不难看出，这种材料因其较好的综合性能远远超越了单⼀组合的材料模式。
本⽂试图对碳纤维增强热塑性树脂基复合材料的⼒学性能进⾏深⼊的研究。
本⽂使⽤了简单概述，也采⽤了重点分析的研究策略，梳理了对研究对象的概述和主要的性能特点。
关键词：碳纤维；复合材料；⼒学性能本⽂以碳纤维增强热塑性树脂基复合材料为研究对象，对相关的概念和内容进⾏了梳理和总结。
其中概括了碳纤维的性质性能，对复合材料的概念进⾏了阐述，最后对碳纤维增强热塑性树脂基复合材料的⼒学性能作了详尽的分析说明。
1.关于碳纤维增强热塑性树脂基复合材料的概述⑴复合材料的概念：⾯对传统、单⼀组分的材料已经难以满⾜现在应⽤需要的现实状况，开发研制新材料，是解决这个问题的根本途径。
运⽤对材料改性的⽅法，来改善材料的性能是可取的。
⽽材料改性的⽅法中，复合是最为常见的⼀种。
国际标准化组织对于复合材料的概念有明确的界定：复合材料是指由两种或两种以上不同化学性质和物理性质的物质组成的混合固体材料。
它的突出之处在于此复合材料的特定性能优于任⼀单独组分的性能。
⑵复合材料的分类简介：复合材料的有⼏种分类，这⾥不作⼀⼀介绍。
只介绍两种与本论⽂相关的类别划分。
如果以基体材料分类，复合材料有⾦属基复合材料；陶瓷基复合材料；碳基复合材料；⾼分⼦基复合材料。
本⽂讨论的是最后⼀种⾼分⼦基复合材料，它是以有机化合物包括热塑性树脂、热固性树脂、橡胶为基体制备的复合材料。
第⼆，如果按增强纤维的类别划分，就存在有机纤维复合材料、⽆机纤维复合材料、其他纤维复合材料。
其中本⽂讨论的对象属于⽆机纤维复合材料这⼀类别，因为碳纤维就是⽆机纤维复合材料的其中⼀种。
特别值得注意的是，当两种或两种以上的纤维同时增强⼀个基体，制备成的复合材料叫做混杂纤维复合材料。
实质上是两种或两种以上的单⼀纤维材料的互相复合，就成了复合材料的“复合材料”。
纤维增强树脂基复合材料强化机制
表面处理
对纤维表面进行涂层、氧 化、偶联剂处理等，以提 高纤维与树脂的粘结性能。
树脂基体的合成与选择
STEP 01
树脂类型
STEP 02
合成工艺
选择合适的树脂类型，如 环氧树脂、聚酯树脂、酚 醛树脂等。
STEP 03
改性处理
对树脂进行增韧、耐热、 导热等改性处理，以满足 复合材料的应用需求。
通过聚合反应合成树脂基 体，控制合成条件及配方 以调节树脂性能。
材料性能的预测与模拟
数值模拟
利用有限元分析、有限差分法等数值方法，模拟复合 材料的性能和行为。
物理模型
建立简化的物理模型，用于解释复合材料的性能和行 为。
经验公式
根据实验数据，总结出一些经验公式，用于预测复合 材料的性能。
Part
05
纤维增强树脂基复合材料的应 用与发展趋势
航空航天领域的应用
飞机结构
加工工艺对复合效应的影响
加工工艺对复合材料的性能和各组分之间的协同作用有重要影响。合理的加工工艺可以提高复合材料的 致密性和均匀性，从而优化其性能。
Part
04
复合材料的性能优化
材料性能的表征与测试
力学性能
包括拉伸、压缩、弯曲、剪切等 强度，以及弹性模量等。
环境性能
包括耐腐蚀性、抗氧化性、耐候 性等。
纤维增强树脂基复合 材料强化机制
• 引言 • 纤维增强树脂基复合材料的制造工艺 • 纤维增强树脂基复合材料的强化机制 • 复合材料的性能优化 • 纤维增强树脂基复合材料的应用与发展趋势
目录
Part
01
引言
复合材料的定义与重要性
定义
复合材料是由两种或两种以上材 料组成的多相材料，各相之间具 有明显的界面。
纤维增强树脂基复合材料增材制造技术
纤维增强树脂基复合材料增材制造技术
纤维增强树脂基复合材料增材制造技术是一种新型的制造技术，它采用逐层堆积的方法来制造复合材料零件。
通过增材制造技术，可以使复合材料零件具有更高的复杂性和更高的性能，并且可以大大缩短制造周期，节约成本。
该技术主要应用于航空航天、汽车、医疗和体育用品等领域。
由于纤维增强树脂基复合材料具有轻量化、高强度、高刚度和耐腐蚀等优点，因此在这些领域中得到了广泛应用。
通过增材制造技术，可以生产出更轻、更强、更耐用的复合材料零件，为相关行业的发展提供了重要的支持。
纤维增强树脂基复合材料增材制造技术的优点在于可以对零件
进行定制化设计和生产，从而满足不同领域的需求。
此外，这种制造技术还具有生产效率高、能耗低、环保等特点，对于推动相关行业的可持续发展也有着积极的作用。
总之，纤维增强树脂基复合材料增材制造技术是一种非常有前景的技术，它将为相关领域的发展带来更多的机遇和挑战。
我们相信，随着这项技术的不断发展和完善，它将在未来发挥更加重要的作用。
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纤维增强树脂基复合材料界面结合机理研究现状_张莉 (1)
修复了纤维表面的缺陷， 改善了基体与纤维之间的 使纤维与基体的结合力增强， 对外力的抵抗作 界面， 用增加。并发现采用 KH550 处理剂效果比采用沃 兰处理剂效果要稍好， 而增加处理时间对复合材料 力学性能影响不明显。 纤维、 基体以及处理剂之间 表面处理剂可以分别与基体 化学作用占主要因素， 以及玄武岩纤维发生反应， 从而使基体与纤维获得 两者的结合力得到提高， 同时还可 良好的界面粘接， 以有效抵抗水的侵蚀。 傅宏俊等
The Research of Fiber Reinforced Polymer Interface
ZHANG Li，SHEN Shijie
（ College of Material Science and Technology，Beijing Forestry University， Beijing 100083 ） ABSTRACT With the use of carbon fiber， glass fiber， basalt fiber as reinforcing material， the research of fiber reinforced Polymer （ FRP） interface was analyzed in this paper，also the main characterization methods such as XPS，IR，and RAMAN，and also，the current issues were mentioned． KEYWORDS fiber reinforced Polymer； interface； XPS； IR； RAMAN
［16 ］
成功地表征了碳纤维复合
研究了 CF 材料和芳纶纤维复合材料的界面性能， 表面经不同的处理后 CF / 聚酰亚胺复合材料的界面 剪切强度。嵇醒等
PBO纤维增强树脂基复合材料的制备及性能研究的开题报告
PBO纤维增强树脂基复合材料的制备及性能研究的开题报告一、研究背景和意义纤维增强树脂基复合材料 (Fiber Reinforced Polymer Composites, FRP Composites) 具有高强度、高刚度、耐疲劳、耐腐蚀、轻量化等优异性能，因而在航空航天、汽车、建筑、民用、军事等领域得到广泛应用。
纤维增强树脂基复合材料的研制是一种重要的新材料开发方向。
PBO (Poly(p-phenylene benzobisoxazole)) 纤维是最具有强度和模量的材料之一，也是目前市场上最先进的高强度、高模量技术纤维。
PBO纤维具有高强度、高模量、阻燃、耐热性好、耐腐蚀、抗紫外线、耐疲劳等卓越性能，已被广泛应用于高温、高强度和防护等领域。
PBO纤维与树脂基体复合材料中，能够发挥纤维增强和增加复合材料的强度、模量、热稳定性等优异性能。
本文旨在研制 PBO纤维增强树脂基复合材料，研究其制备工艺，评估其力学性能和热稳定性能，以期为广大使用者提供一种新型高性能材料。
二、研究内容和方法本文将采用热固性树脂为基体，PBO纤维为增强体，采用手层叠工艺制备 PBO纤维增强树脂基复合材料，研究不同PBO纤维含量下的复合材料的制备工艺优化和力学性能表现，探讨纤维含量和力学性能之间的关系。
同时，利用热重分析、差热分析和红外光谱等手段对复合材料的热稳定性能进行评估，研究不同温度下的热性能表现和热分解动力学机理。
三、预期研究结果本研究将研究 PBO纤维增强树脂基复合材料的制备工艺及其力学性能和热稳定性能，预计得到以下几方面的研究结果：1. 研究不同PBO纤维含量下的复合材料的制备工艺优化，确定最佳纤维含量和制备工艺。
2. 评估 PBO纤维增强树脂基复合材料的力学性能，研究纤维含量和力学性能之间的关系，探讨其在高强度和高刚度方面的应用潜力。
3. 评估 PBO纤维增强树脂基复合材料的热稳定性能，研究不同温度下的热性能表现和热分解动力学机理，探讨其在高温环境下的应用潜力。
纤维增强树脂基复合材料的制备工艺
纤维增强树脂基复合材料的制备工艺一、引言纤维增强树脂基复合材料是一种结构性材料，具有高强度、高刚度、轻质化等优点，广泛应用于航空航天、汽车工业、体育器材等领域。
本文将介绍纤维增强树脂基复合材料的制备工艺。
二、纤维增强树脂基复合材料的组成纤维增强树脂基复合材料由纤维和树脂组成。
其中，纤维可以是玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维等；树脂可以是环氧树脂、聚酰亚胺树脂等。
三、制备工艺1. 玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料的制备工艺（1）预处理：将玻璃纤维切割成所需长度，然后进行表面处理，去除油污和灰尘。
（2）涂覆：将环氧树脂涂覆在玻璃纤维表面，使其充分浸润。
（3）层数叠加：将涂覆好树脂的玻璃纤维层叠加在一起，形成所需厚度。
（4）热固化：将叠加好的玻璃纤维和树脂放入模具中，进行热固化处理，使其成型。
（5）后处理：将成型后的复合材料进行修整、打磨等后处理工艺，使其达到所需尺寸和表面光洁度。
2. 碳纤维增强聚酰亚胺树脂基复合材料的制备工艺（1）预处理：将碳纤维切割成所需长度，然后进行表面处理，去除油污和灰尘。
（2）涂覆：将聚酰亚胺树脂涂覆在碳纤维表面，使其充分浸润。
（3）层数叠加：将涂覆好树脂的碳纤维层叠加在一起，形成所需厚度。
（4）热固化：将叠加好的碳纤维和树脂放入模具中，在高温高压下进行热固化处理，使其成型。
（5）后处理：将成型后的复合材料进行修整、打磨等后处理工艺，使其达到所需尺寸和表面光洁度。
四、结论纤维增强树脂基复合材料的制备工艺包括预处理、涂覆、层数叠加、热固化和后处理等步骤。
不同的纤维和树脂需要采用不同的制备工艺。
制备出的复合材料具有高强度、高刚度、轻质化等优点，在航空航天、汽车工业、体育器材等领域有广泛应用前景。
玻璃纤维增强环氧树脂复合材料
玻璃纤维增强环氧树脂复合材料
近年来，玻璃纤维增强环氧树脂复合材料在工程领域得到了广泛应用，其优异
的性能使其成为一种重要的结构材料。
玻璃纤维增强环氧树脂复合材料是通过在环氧树脂基体中添加玻璃纤维增强材料制备而成，具有高强度、轻质、耐腐蚀、耐磨损等优点。
首先，玻璃纤维增强环氧树脂复合材料的高强度是其最显著的特点之一。
玻璃
纤维作为增强材料，具有很高的强度和刚度，能够有效地提高材料的承载能力和耐疲劳性，使复合材料能够在各种恶劣的环境下使用，如航空航天领域和汽车制造领域等。
其次，玻璃纤维增强环氧树脂复合材料具有优异的耐腐蚀性能。
玻璃纤维本身
是一种无机非金属材料，具有良好的耐化学腐蚀性。
而环氧树脂具有良好的耐腐蚀性和抗老化性能。
因此，玻璃纤维增强环氧树脂复合材料不易受到外界环境的侵蚀，能够长时间保持材料的性能稳定。
此外，玻璃纤维增强环氧树脂复合材料还具有优异的耐磨损性能。
玻璃纤维的
硬度高，能够有效抵抗外界颗粒的磨损，延长材料的使用寿命。
同时，环氧树脂具有一定的自润滑性，减少摩擦损耗，提高材料的耐磨损性能。
总的来说，玻璃纤维增强环氧树脂复合材料具有高强度、耐腐蚀、耐磨损等优
异性能，适用于各种工程领域。
随着材料科学的不断发展，玻璃纤维增强环氧树脂复合材料的性能将不断提升，为工程结构的设计和制造提供更多选择和可能性。
材料表面与界面-第四章-复合材料的界面及界面优化
复合材料的增强机制及性能
1. 纤维增强复合材料的增强机制
在纤维增强复合材料中，纤维是材料主要 承载组分，其增强效果主要取决于纤维的 特征、纤维与基体间的结合强度、纤维的 体积分数、尺寸和分布。
在纤维增强复合材料中，纤维是材料主要
碳
承载组分，其增强效果主要取决于纤维的 纤
维
特征、纤维与基体间的结合强度、纤维的 体积分数、尺寸和分布。
环氧树脂 / 碳纤维（高弹性）
1240
环氧树脂 / 芳纶纤维（49） 1380
环氧树脂 / 硼纤维（70 % Vf ） 1400-2100
纵向弹性模 量 GPa
6.9
45
145 76
210-280
聚合物基纤维增强复合材料零件
碳纤维增强聚酰亚胺复合材料制航空 发动机高温构件
芳纶刹车片
3. 纤维--金属(或合金)复合材料
1电子显微镜观测法基材表面形貌分析尤其是经表面处理的基材未处理碳纤维的表面形态低温等离子处理碳纤维表面形态增强体材料表面形貌分析氧等离子处理后经80与苯乙烯反应4小时接枝聚苯乙烯分子链的碳纤维照片复合材料的断面形貌分析碳铝复合材料不同界面结合时的强度与断口特征结合状态拉伸强度mpa断口形貌不良结合206纤维大量拔出长度很大呈刷子状结合适中612纤维有拔出现象并有一定长度铝基体有缩颈现象并可发现劈裂状结合稍强470出现不规则断面并可看到很短的拔出纤维结合太强224典型脆断形式平断口2红外光谱与拉曼光谱波长为25m区间的波谱称为红外光谱它是分子键的振动光谱
Al2O3片
(2) 粒子增强复合材料
(3)叠层复合材料。
Al2O3纤维
三、复合材料的命名
（1）以基体为主来命名 例如金属基复合材料。 （2）以增强材料来命名 如碳纤维增强复合材料。 （3）基体与增强相并用 如“C/Al复合材料”即
复合材料纤维增强机理的研究
复合材料纤维增强机理的研究复合材料是由两种或两种以上不同材料组成的材料，其中至少一个是纤维增强材料。
纤维增强材料由高强度纤维和热固性树脂或热塑性树脂组成，具有优异的力学性能和良好的抗冲击性。
因此，纤维增强复合材料被广泛应用于航空、汽车、建筑、体育器材等领域。
纤维增强复合材料的力学性能主要由纤维和树脂的性质决定。
纤维增强复合材料的冲击行为是一个复杂的过程，它涉及到纤维和树脂的力学行为、拉伸、弯曲、压缩、剪切等多种因素。
因此，了解纤维增强复合材料的力学行为和机理对于优化其性能具有重要意义。
纤维增强复合材料的机理纤维增强复合材料采用纤维作为增强性材料，通过与树脂加热并固化形成一种新型材料。
在复合材料中，纤维的作用是承受载荷和分散应力，并减少应力集中。
树脂的作用是将各个纤维连接在一起，从而形成一个整体，并可以抵御其他各种环境因素的影响。
纤维增强复合材料的机理可以分为两个部分，即界面作用和纤维作用。
界面作用界面作用是指纤维与树脂之间的作用。
首先要解决的问题是如何让纤维湿润树脂。
湿润是指纤维能够被树脂充分包裹，以便将纤维和树脂粘结在一起。
与此同时，纤维和树脂之间的黏滞力会阻碍两者之间的相对运动，从而提高了整体的强度。
界面作用的另一个作用是调整树脂环境下纤维的表面状态及其边缘状态。
这个调整涉及到界面的力学性能，比如界面的剪切应力和界面的断裂韧度等，同时还涉及到化学性能，比如界面的化学反应反应比和界面的互溶性质等。
纤维作用在纤维增强复合材料中，纤维的作用是吸收通过树脂传递来的载荷，并承受相应的应力。
纤维的作用主要涉及到纤维的力学性能，比如它们的微观结构、分子排布和化学组成等，同时还涉及到他们的形状和几何特点，如直径、疏密度和长度等。
纤维的作用也与纤维表面的表面性质密切相关。
例如，纤维表面的化学性质和特性（例如表面氧化），可以影响到纤维表面的黏附性和改善整体的力学性能。
此外，纤维表面的几何特征（比如表面形状或表面粗糙度）也可以影响纤维的力学性能。
口腔材料学：纤维增强树脂复合材料
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纤维增强树 脂复合材料 （玻璃钢）
组成 纤维应用形式 纤维的表面预处理 性能 应用
一、纤维增强树脂复合材料组成
树脂+增强纤维
玻璃纤维（glass fiber) 超高分子量聚乙稀纤维（ultra high molecular weight
高强度、髙模量的增强纤维使材料的比强度高、比模量大、抗疲劳性能好 一定范围内增强纤维体积分数↑，弯曲弹性模量和弯曲强度↑
弯曲强度、冲击强度>复合树脂，弯曲强度>金属烤瓷材 料，弯曲模量<金属烤瓷
纤维增强制作长桥，会对基牙产生扭力
谢谢聆听
制作牙冠、增强义齿基托
（三）单丝束交叉编织 的纤维网格带
经向纤维 + 纬向纤维
粗
将经向纤维牢固地
捆绑在一起
带的长轴方向有高强度
三、纤维的表面预处理
预处理
玻璃纤维
硅烷偶联
超高分子量聚乙烯纤维和芳纶纤维
低温氧等离子体
预浸 (preimpregnated)
就是在纤维表面包裹上一层可聚合的树脂
四、性能
polyethylene fiber) 芳纶纤维（aramid fiber）
玻璃纤维
• 透明性好 • 硅烷化处理
芳纶纤维
01
超高强度、高模量、重量轻、抗老化性
二、纤维应用形式
单向纤维单丝集束(unidirectional fibers bundle)
单丝束交叉编织的纤维网格布（oven fibers sheet）
单丝束交叉编织的纤维网格带（woven fibers bundle）
（一）单向纤维单丝集束
复合材料的纤维增强机制
复合材料的纤维增强机制复合材料是由至少两种不同类型的材料组合而成的材料，其中纤维增强材料是一种关键组成部分。
纤维增强机制是指纤维在复合材料中的作用方式和效果。
本文将探讨复合材料中的纤维增强机制，以及不同类型的纤维增强材料在复合材料中的应用。
一、纤维增强机制的基本原理纤维增强机制的基本原理是利用纤维材料的高强度和高刚度来增加复合材料的整体性能。
纤维增强机制的核心是纤维和基体之间的相互作用，这种相互作用可以通过物理和化学手段来实现。
物理相互作用主要包括纤维的拉伸、屈曲和剪切等。
纤维的高强度使得它能够承受较大的拉伸载荷，从而提高了复合材料的拉伸强度。
纤维的屈曲和剪切则可以吸收和分散应变能，阻止裂纹的扩展，提高复合材料的断裂韧性。
化学相互作用主要体现在纤维和基体之间的粘结力。
通过选择合适的纤维和基体材料，以及优化纤维表面的处理方法，可以实现纤维与基体之间的高效粘结。
良好的粘结力可以有效地将纤维和基体连接在一起，提高复合材料的整体强度和刚度。
二、不同类型的纤维增强材料1. 碳纤维增强材料碳纤维是目前应用最广泛的纤维增强材料之一。
碳纤维具有极高的强度和刚度，同时重量轻、耐腐蚀、抗疲劳等特性使其成为制造航空航天、汽车、体育器材等高性能产品的理想选择。
碳纤维增强材料的纤维增强机制主要通过纤维的拉伸和屈曲来实现。
2. 玻璃纤维增强材料玻璃纤维是一种具有良好机械性能的纤维增强材料。
与碳纤维相比，玻璃纤维具有更低的成本和更好的耐腐蚀性能。
玻璃纤维增强机制的关键在于纤维的拉伸和剪切，在高载荷下能够有效地吸收和分散应力。
3. 聚合物纤维增强材料聚合物纤维是一类可溶于溶剂的高聚物纤维，如聚酯纤维、聚酰胺纤维等。
聚合物纤维增强机制主要依靠纤维的拉伸和屈曲来增加复合材料的强度和刚度。
与其他类型的纤维相比，聚合物纤维更容易加工，并且具有较低的密度和良好的耐腐蚀性。
三、纤维增强机制的应用领域纤维增强材料在各个领域都有广泛的应用。
以下是几个典型的应用领域：1. 航空航天领域航空航天领域对材料的强度、刚度和耐温性要求非常高。
纤维增强树脂基复合材料增材制造技术与装备研究
第３１卷第２期中国机械工程V o l ．３１㊀N o ．２２０２０年１月C H I N A M E C HA N I C A LE N G I N E E R I N Gp p．２２１Ｇ２２６纤维增强树脂基复合材料增材制造技术与装备研究单忠德㊀范聪泽㊀孙启利㊀战㊀丽机械科学研究总院集团有限公司先进成形技术与装备国家重点实验室,北京,１０００４４摘要:在综述纤维增强树脂基复合材料增材制造技术的国内外研究现状基础上,分析了短纤维㊁长纤维㊁连续纤维增强树脂基复合材料的成形方法㊁工艺及性能.针对高性能的连续纤维增强树脂基复合材料的增材制造成形,研究了连续纤维增材制造成形机理及工艺,揭示了其成形性能的影响规律.指出了纤维增强树脂基复合材料增材制造技术与装备的未来发展趋势:亟需开展纤维增强复合材料的增材制造成形机理㊁成形工艺及装备研究,更好地推进纤维增强树脂基复合材料的广泛应用.关键词:纤维增强;连续纤维复合材料;热塑性树脂;增材制造中图分类号:T H １４５．４D O I :１０．３９６９/j ．i s s n ．１００４ １３２X．２０２０．０２．００７开放科学(资源服务)标识码(O S I D ):R e s e a r c ho nA d d i t i v eM a n u f a c t u r i n g T e c h n o l o g y a n dE q u i pm e n t f o rF i b e rR e i n f o r c e dR e s i nC o m po s i t e s S H A NZ h o n g d e ㊀F A N C o n gz e ㊀S U N Q i l i ㊀Z H A N L i S t a t eK e y L a b o r a t o r y o fA d v a n c e dF o r m i n g T e c h n o l o g y a n dE q u i p m e n t ,C h i n aA c a d e m yo fM a c h i n e r y S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y G r o u p C o ．,L t d ．,B e i j i n g,１０００４４A b s t r a c t :B a s e do n t h e r e v i e wo f t h e r e s e a r c hs t a t u s o f f i b e r r e i n f o r c e d r e s i n c o m p o s i t e s a t h o m e a n d a b r o a d ,t h e f o r m i n g m e t h o d s ,p r o c e s s e s a n d p r o p e r t i e so f s h o r t f i b e r ,l o n g fi b e r a n dc o n t i n u o u s f i b e r r e i n f o r c e d r e s i nc o m p o s i t e sw e r e a n a l y z e d ．I n v i e wo f t h e a d d i t i v em a n u f a c t u r i n g f o r m i n g o f h i gh p e r f o r m a n c e c o n t i n u o u s f i b e r r e i n f o r c e d r e s i n c o m p o s i t e s ,t h e a d d i t i v em a n u f a c t u r i n g f o r m i n g m e c h a Ｇn i s ma n d p r o c e s s e s o f c o n t i n u o u s f i b e rw e r e s t u d i e d ,t h e i n f l u e n c e r u l e s o f f o r m i n gpe rf o r m a n c ew e r e r e v e a l e d ．T h e f u t u r e d e v e l o p m e n t t r e n d s o f a d d i t i v em a n u f a c t u r i ng t e ch n o l o g y a n d e q ui pm e n t f o r f i b e r r e i n f o r c e d r e s i n c o m p o s i t e sw e r e p o i n t e d o u t ,i tw a s u r g e n t t o c a r r y ou t t h e r e s e a r c ho n a d d i t i v em a n Ｇu f a c t u r i n g f o r m i n g m e c h a n i s m ,f o r m i n gp r o c e s s e sa n de q u i p m e n t f o r f i b e r r e i n f o r c e dr e s i nc o m po s Ｇi t e s ,s o a s t ob e t t e r p r o m o t e t h ew i d e a p pl i c a t i o n s ．K e y wo r d s :f i b e r r e i n f o r c e m e n t ;c o n t i n u o u s f i b e r c o m p o s i t e ;t h e r m o p l a s t i c r e s i n ;a d d i t i v em a n u Ｇf a c t u r i n g收稿日期:２０１９１２３１基金项目:国家重点研发计划资助项目(２０１７Y F B １１０３４００)０㊀引言纤维增强树脂基复合材料由短切的或连续的纤维及其织物增强热固性或热塑性树脂基体,采用一定的成形工艺复合而成,已广泛应用于航空航天㊁汽车制造等领域,具有高比强度和比模量㊁抗疲劳㊁耐腐蚀㊁可设计性强㊁便于大面积整体成形以及特殊电磁性能等特点[１Ｇ４].树脂基复合材料种类众多,它通过基体和纤维间界面的应力传递,为成形件提供更高的硬度㊁强度和热稳定性等力学性能[５].纤维增强复合材料在航空航天领域的大量应用不但减轻了结构重量,而且通过结构和功能的一体化设计可提高装备的性能和质量.增材制造技术是一种材料逐层累加的 自下而上 的自动化㊁数字化成形制造技术,具有材料利用率高㊁结构设计与制造一体化㊁无需模具等优点,可以实现材料制备与构件成形制造一体化,为单件小批量复杂零件和模具的快速制造提供了数字化解决方案.纤维增强树脂基复合材料增材制造技术是当前国内外研究的热点之一.为解决传统纤维增强复合材料成形中存在的问题以及满足航空航天㊁汽车㊁轨道交通等领域发展的急需,国内外开展了高性能的连续纤维增强树脂基复合材料工艺及装备研究,以更好地满足复杂零件结构的轻量化㊁精确成形㊁短周期和高质量制造需求.１㊀纤维增强复合材料增材制造技术国内外发展情况㊀㊀纤维增强复合材料增材制造技术发展了不同的工艺方法,主要包括三维打印黏结成形㊁熔融沉积成形等,复合材料增强体包含短纤维㊁纳米纤１２２ Copyright©博看网 . All Rights Reserved.维㊁长纤维㊁连续纤维等.不同方法在成形复合材料中具有自身的优点和局限性,成形件的力学性能也不同.针对不同的产品及其性能要求,根据成形材料㊁成形速度和成形精度等要求选择合适的增材制造方法,以制造出满足性能要求的复合材料结构件.１．１㊀短纤维增强复合材料增材制造技术在纤维增强复合材料增材制造技术研究中,国内外开展了不同材料及其工艺装备的研究. S U G A V A N E S WA R A N等[６]使用P o l y j e t打印机制造出了短纤维随机取向的复合材料构件,可以在预设位置和方向放置纤维加固结构,成形件的拉伸强度提高了２２％.G U R R等[７]开发了光学透明的丙烯酸纳米复合材料,其中包含质量分数高达３０％㊁平均直径为２０n m的二氧化硅纳米增强体材料,经紫外激光固化技术处理的成形件的弹性模量从１２９０M P a增大到１７００M P a.G R I F F I N I等[８]研发了一种丙烯酸与热固性环氧树脂共混材料,加入短纤维后进行光固化成形,成形件的机械性能和电热性能均得到了改善. S A L A Z A R等[９]研究了短纤维增强尼龙１２材料激光选择烧结成形件在室温和低温下的疲劳裂纹扩展特性,在－５０ħ下短纤维显著改善了尼龙１２成形件的抗疲劳性能,且裂纹尖端存在纤维桥接增强作用.F L O E R S H E I M等[１０]在粉末中添加长度为１００~２００μm的碳纤维,观察了样件中的纤维取向偏差及规律,得到了各向异性的复合材料构件.Y A N等[１１]对碳纤维表面进行氧化处理改性,并溶解㊁涂覆尼龙１２,以提供良好的界面黏合和均匀分散条件,当纤维质量分数为５０％时,成形件的弯曲强度与纯树脂的弯曲强度相比提高了１１４％.通过优化熔融沉积成形过程中的工艺参数,可提高纤维增强复合材料构件的力学性能[１２Ｇ１４].A G A RWA L A等[１５]研究了成形过程中零件的表面结构和内部缺陷,并通过优化工艺参数来减少成形件内部空隙,以提高成形件的力学性能.A H N等[１６]实验研究了成形方向㊁间距和温度等工艺参数对成形件拉伸强度和抗压强度的影响规律.短纤维通过预混被加入到树脂基体中,通过改变短纤维在空间中的随机取向和排布可提高复合材料构件的力学性能.荷兰C o l o r F a b b公司开发出了短纤维体积分数２０％的P E T G(伊士曼化工生产)树脂基复合材料,具有良好的延展性和抗冲击性.T E K I N A L P等[１７]将０．２~０．４mm的短纤维加入丝材中,３D打印成形件的拉伸强度和拉伸模量分别提高了１１５％和约７００％,成形件中纤维取向具有高度的一致性(高达９１．５％).N I N G 等[１８]研究了纤维长度和含量对样件的拉伸性能和弯曲性能(弯曲应力㊁弯曲模量㊁弯曲韧性和弯曲屈服强度)的影响.纳米级别的短纤维材料因其优异的热学㊁电学㊁光学特性成为了研究热点之一,人们将一维㊁二维的纳米纤维材料添加到基体丝材中,采用熔融沉积成形技术制造出复合材料件.S HO F N E R 等[１９]将气相生长碳纤维(V G C F)与A B S聚合物共混制造出增材制造用复合材料丝材,丝材中纳米碳纤维的质量分数为１０％,材料的储能模量增大了６８％,拉伸强度和拉伸模量分别平均增大了３９％和６０％.L E O N等[２０]将碳纳米管㊁纳米黏土和石墨烯混合熔融沉积成形,在改善复合材料机械性能的同时,获得了良好的导热和导电性能.短纤维增强复合材料增材制造,通过对工艺参数(层厚㊁成形路径㊁成形宽度和基板温度等)进行优化可改善成形件的力学性能和成形质量.１．２㊀连续纤维增强复合材料增材制造技术为进一步提高成形件的力学性能,人们将连续纤维作为增强体添加到树脂基体中,开展了设备及工艺研究.M a r k f o r g e d公司的研究人员将连续碳纤维加入尼龙基体中,成形得到了直径０．３mm㊁纤维体积分数约为３０％的复合材料丝材[２１].机械科学研究总院研制出了连续碳纤维㊁芳纶纤维增强聚乳酸㊁尼龙等基体的复合材料丝材,丝材直径在０．３ʃ０．０５~－１．２ʃ０．０５mm范围内可调.在成形设备方面,美国M a r k f o g e d公司开发出了M a r kT w o设备,硅谷的A r e v oL a b s公司开发了以机器人为基础的碳纤维工业级３D打印机,E n v i s i o n T e c公司推出了S L C OM１打印机. MA T S U Z A K I等[２２]改装了H o t p r o c e e d公司生产的B l a d eＧ１打印机,成形得到的连续纤维增强热塑性树脂的拉伸模量和强度分别为１９．５G P a 和１８５M P a,是纯聚乳酸(P L A)样品对应力学参数的５９９％和４３５％.西安斐帛公司研发了桌面型的连续纤维复合材料打印设备C OM B O TＧ１,成形尺寸为２５０mmˑ１７０mmˑ１２０mm,打印速度为１００~２００mm/m i n.在成形工艺研究方面,K L I F T等[２３]通过改变打印层数来控制成形件中的纤维含量,试验对比了打印２层碳纤维和６层碳纤维的力学性能. J U S T O等[２４]探究了水平铺放和交叉铺放两种成形策略对成形件拉伸强度和压缩强度的影响,当２２２中国机械工程第３１卷第２期２０２０年１月下半月Copyright©博看网 . All Rights Reserved.纤维体积分数为４０％时,尼龙基复合材料成形件的拉伸强度可达７０１M P a.C AM I N E R O等[２５]研究了层厚㊁成形方向和纤维体积分数三个变量下碳纤维增强尼龙样件的冲击性能,当纤维体积分数过低时,材料中缺陷(空隙)较多,从而导致冲击性能较弱.T I A N等[２６Ｇ２７]在２１０ħ下成形碳纤维增强P L A复合材料,试样的拉伸强度可达纯树脂拉伸强度的３倍左右,但界面结合性能较差.他们还分析了成形速度㊁层厚㊁成形宽度等参数对成形件弯曲性能的影响.L I等[２８]采用上浆工艺来提高纤维和树脂之间的界面强度,与原碳纤维增强样品相比,拉伸强度和弯曲强度分别提高了１３．８％和１６４％.热塑性树脂的黏度高㊁浸润性差,树脂与连续纤维间存在界面弱㊁结合差的问题,这也制约了连续纤维复合材料成形性能的进一步提高,为此,需要开展连续纤维树脂浸渍机理研究,优化工艺参数,创新装备设计,进而提高复合材料构件的层间结合性能.２㊀连续纤维增强复合材料增材制造成形技术研究㊀㊀为解决纤维浸渍效果差的问题,实现高性能连续纤维复合材料增材制造,机械科学研究总院开展了复合材料丝材成形材料㊁成形工艺及复合材料丝材成形设备研究,开展了连续纤维增强复合材料的增材制造成形工艺及装备研究,开发出了连续纤维增强复合材料增材制造成形机,并对成形工艺参数进行了优化研究.２．１㊀连续纤维增材制造用丝材成形工艺在连续纤维丝材成形过程中,熔融的热塑性树脂从螺杆推进面开始,向拖曳面逐步蔓延,直至流道内熔体分数达到稳定最大值,进而可保证机头(纤维和树脂混合浸渍位置)处熔体压力和流速的稳定.图１所示为螺杆转速和牵引速度对成形复合丝材直径和纤维含量的影响关系,复合丝材直径随着螺杆转速的增大而增大,且增大的趋势逐渐趋于平缓,直径随着牵引速度的增大而减小;与之对应,当成形丝材的直径减小(即纤维束表面包裹的树脂量减少)时,纤维含量增加.工艺优化后,螺杆转速区间为５~２５r/m i n,牵引速度区间为１０~５０mm/s,可通过调整参数来实现丝材型号和纤维含量的精确可控成形.在复合材料丝材成形过程中,随工艺参数的改变,纤维和树脂的浸渍压力和浸渍时间等关键参数随之变化.模具的结构尺寸不变,当纤维在图１㊀螺杆转速和牵引速度对成形复合丝材直径和纤维含量的影响F i g．１㊀E f f e c t o f r o t a t i n g s p e e da n d s t r e t c h i n g s p e e do nd i a m e t e r a n d f i b e r c o n t e n t o f c o m p o s i t e f i l a m e n t树脂内部停留的时间缩短或浸渍压力较小时,由于树脂的黏度高,使得树脂渗透进入纤维束的过程较为缓慢,故纤维中的空隙来不及被树脂置换,图２所示为不同浸渍程度的连续纤维复合材料丝材.图２㊀不同浸渍程度的连续纤维复合材料丝材F i g．２㊀C o n t i n u o u s f i b e r c o m p o s i t e f i l a m e n tw i t hd i f fe r e n t d e g r e e s of i m p r eg n a t i o n２．２㊀连续纤维增强复合材料增材制造成形工艺热塑性树脂熔融温度高㊁黏度大,对连续纤维材料的浸润性差,从而导致纤维和树脂浸渍程度低,界面结合性能差.为提高连续纤维复合材料制件的力学性能,使外载荷通过基体传递到增强体纤维,本文研究了增材制造过程中温度㊁压力㊁速度等参数对复合材料构件成形性能的影响规律.不同的界面结合性能将导致不同的断裂方式,且裂纹的增长也将影响复合材料的机械性能,图３所示为拉伸测试过程中界面结合性能对断裂３２２纤维增强树脂基复合材料增材制造技术与装备研究 单忠德㊀范聪泽㊀孙启利等Copyright©博看网 . All Rights Reserved.模式的影响关系.当树脂对纤维的浸渍程度高时,拉伸过程中纤维和树脂的脱粘现象不明显,测试件可吸收断裂能并防止裂纹扩展,从而具有优异的力学性能.当浸渍程度低且界面结合性能较弱时,拉伸过程中大量纤维被拔出,无法起到承载和增强作用,这使得裂纹迅速扩展并导致材料断裂.图３㊀拉伸测试过程中界面结合性能对断裂模式的影响F i g ．３㊀E f f e c t o f i n t e r f a c i a l b o n d i n gp r o pe r t i e s o nf r a c t u r em o d e d u r i ng t e n s i l e t e s t i n g成形喷嘴的温度是增材制造的关键参数之一,对纤维和基体的融合浸渍有重要影响,进而影响成形件的道与道之间和相邻两层之间的结合性能.如图４所示,成形件的拉伸强度和弯曲强度随温度从１８０ħ升高至２２０ħ而不断增大,拉伸强度从１８８M P a 增大至２２５M P a,提高了约２０％,弯曲强度从２７４M P a 增大至２９６M P a ,提高了约８％.图５所示为不同成形工艺下的纤维浸渍程度,高浸渍程度的成形件具有更优异的力学性能.当成形温度升高时,熔体黏度减小,流动性增强,提高了纤维与树脂间的浸渍程度,决定层间结合质量的烧结颈尺寸增大,从而提高了样件抵抗拉伸破坏的能力.当喷头温度为１８０ħ时,树脂和纤维束沉积层间存在较多孔隙缺陷,受到拉应力后裂纹在层间迅速扩展产生断裂,如图６所示,大量纤维被拔出.通过调整挤出喷嘴和基板间的温度可以影响成形件内部的结合强度,使成形路径的温度在相对长的时间内保持在玻璃化转变温度之上.在适当的温度条件下,树脂材料容易跨层间界面发生分子间扩散(通常称为愈合),从而提高成形件的层间性能.此外,层厚㊁成形速度对成形件的浸渍程度与力学性能有影响.随着层厚的增大,成形件的力学性能略有下降,这是因为较薄的层厚有助于重叠,从而可通过挤压作用减小成形件内的图４㊀喷嘴的温度对成形件的拉伸性能和弯曲性能的影响F i g ．４㊀E f f e c t o f n o z z l e t e m pe r a t u r e o n t e n s i l e a n df l e x u a l p r o p e r t i e s o f f o r m i n gpa r ts 图５㊀不同成形工艺下的纤维浸渍程度F i g ．５㊀D e g r e e o f f i b e r i m p r e gn a t i o nw i t h d i f f e r e n t p r o c e s s es图６㊀喷头温度为１８０ħ的成形试样断面F i g ．６㊀C r o s s s e c t i o no f f o r m i n gpa r t sw i t han o z z l e t e m pe r a t u r e of １８０ħ空隙.成形速度的改变直接影响成形区域的温度分布梯度,过高的成形速度不利于树脂和纤维的浸渍黏结,从而导致成形性能较差;而随着成形速４２２ 中国机械工程第３１卷第２期２０２０年１月下半月Copyright©博看网 . All Rights Reserved.度的减小,成形件易坍塌㊁成形效率低㊁精度差,成形速度经优化后设定在１００~３００mm/m i n区间内.２．３㊀连续纤维增强复合材料增材制造成形设备主要开展了纤维树脂熔融浸渍㊁表面预热处理㊁层间热力耦合紧实㊁丝材张力精确控制及功能集成的复合打印喷头装置的研制.创建面向复杂结构的多自由度打印路径算法,开发专用模块化数据处理系统.采用多轴联动控制系统控制设备的运动及信号的输出/采集,包括工控机㊁多轴运动控制卡㊁C A N总线控制网关㊁伺服电机及驱动器㊁压力传感器等,实现X/Y/Z轴运动控制㊁纱线张紧装置㊁张力控制装置㊁温度检测反馈等控制,完成断纱检测㊁气压故障㊁电路状态等信号的采集.机械科学研究总院研制出了３００mm㊁５００mm成形尺寸的纤维复合材料增材制造３D打印机,开发出了成形长度可达２．５m的大尺寸复杂结构连续纤维复合材料成形设备样机.３㊀未来发展建议增材制造技术已经成为国内外研究的热点,纤维增强树脂基复合材料增材制造也已成为当前重点关注的研究热点方向之一.特别是伴随纤维增强树脂基复合材料领域广泛应用的需求,更加需要不断研发新方法㊁新工艺与新装备.在短纤维增强复合材料方面,经过机理和工艺的不断研究,已经实现其增材制造,成形件的力学性能得到了不断提高.但是,受限于树脂基体的黏度,低玻璃化转变温度和较低的力学性能,仍需不断开展研究以更好满足航空航天㊁汽车电子等工业应用多样性要求.高性能的连续纤维增强复合材料增材制造是未来发展的重要方向,需通过开展相关研究,解决成形过程中孔隙多㊁界面结合性能差等问题,以大幅度提高纤维增强复合材料成形件的力学性能.突破大型㊁变曲率变截面多材料结构复合材料构件的增材制造成形技术,包括多材料性能匹配㊁界面结合及制造工艺的相关研究.揭示增材制造成形过程中多工艺多参数耦合㊁成形件翘曲变形机理,研发大型㊁超大型复合材料构件的增材制造成形装备,不断提高复合材料构件性能,更好应用到航空航天㊁轨道交通㊁汽车船舶等行业,助力高端装备创新发展.参考文献:[１]㊀李斌太,邢丽英,包建文,等．先进复合材料国防科技重点实验室的航空树脂基复合材料研发进展[J]．航空材料学报,２０１６,３６(３):９２Ｇ１００．L IB i n t a i,X I N G L i y i n g,B A OJ i a n w e n,e t a l．R eＧs e a r c ha n d D e v e l o p m e n tP r o g r e s so fN a t i o n a lK e yL a b o r a t o r y o f A d v a n c e d C o m p o s i t e so n A d v a n c e dA e r o n a u t i c a lR e s i n M a t r i xC o m p o s i t e s[J]．J o u r n a lo fA e r o n a u t i c a lM a t e r i a l s,２０１６,３６(３):９２Ｇ１００．[２]㊀王兴刚,于洋,李树茂,等．先进热塑性树脂基复合材料在航天航空上的应用[J]．纤维复合材料,２０１１(２):４４Ｇ４７．WA N G X i n g g a n g,Y U Y a n g,L IS h u m a o,e ta１．T h e R e s e a r c h o n F i b e r R e i n f o r c e d T h e r m o p l a s t i cC o m p o s i t e s[J]．F i b e rC o m p o s i t e,２０１１(２):４４Ｇ４７．[３]㊀K A N G H,S H A NZ,Z A N G Y,e t a l．E f f e c t o fY a r nD i s t o r t i o no nt h e M e c h a n i c a lP r o p e r t i e so fF i b e rＧb a rC o m p o s i t e sR e i n f o r c e db y T h r e eＧd i m e n s i o n a l W e a v i n g[J]．A p p l i e dC o m p o s i t eM a t e r i a l s,２０１６,２３(２):１１９Ｇ１３８．[４]㊀吴晓川,单忠德,刘丰,等．三维织造复合材料用导向套的表面结构研究[J]．材料导报,２０１４,２８(２２):１Ｇ４．WU X i a o c h u a n,S HA NZ h o n g d e,L I U F e n g,e t a l．R e s e a r c ho nS u r f a c eS t r u c t u r e s o fG u i d eS l e e v e s f o r３D W o v e n C o m p o s i t e s[J]．M a t e r i a l s R e p o r t s,２０１４,２８(２２):１Ｇ４．[５]㊀武永琴．航空复合材料技术发展的回顾及展望[J]．科技创新与应用,２０１５(１７):５９．WU Y o n g q i n．R e v i e wa n dP r o s p e c t o fD e v e l o p m e n to nA e r o s p a c eC o m p o s i t eT e c h n o l o g y[J]．T e c h n o l oＧg y I n n o v a t i o na n dA p p l i c a t i o n,２０１５(１７):５９．[６]㊀S U G A V A N E S WA R A N M,A R UMA I K K A N N U G．M o d e l l i n g f o rR a n d o m l y O r i e n t e dM u l t iM a t e r i a lA d d i t i v eM a n u f a c t u r i n g C o m p o n e n t a n d I t sF a b r i c aＧt i o n[J]．M a t e r i a l s&D e s i g n,２０１４,５４:７７９Ｇ７８５．[７]㊀G U R R M,HO F MA N ND,E HM M,e t a l．A c r y l i c N a n o c o m p o s i t eR e s i n s f o rU s e i nS t e r e o l i t h o g r a p h ya n dS t r u c t u r a l L i g h tM o d u l a t i o nB a s e dR a p i dP r o t oＧt y p i n g a n d R a p i d M a n u f a c t u r i n g T e c h n o l o g i e s[J]．A d v a n c e d F u n c t i o n a l M a t e r i a l s,２００８,１８(１６):２３９０Ｇ２３９７．[８]㊀G R I F F I N IG,I N V E R N I Z Z I M,L E V I M,e ta l．３DＧp r i n t a b l eC F R P o l y m e rC o m p o s i t e s w i t h D u a lＧc u r eS e q u e n t i a l I P N s[J]．P o l y m e r,２０１６,９１:１７４Ｇ１７９．[９]㊀S A L A Z A R A,R I C O A,R O D R I G U E Z J,e t a l．F aＧt i g u eC r a c kG r o w t ho fS L SP o l y a m i d e１２:E f f e c t o fR e i n f o r c e m e n ta n d T e m p e r a t u r e[J]．C o m p o s i t e s,P a r tB:E n g i n e e r i n g,２０１４,５９:２８５Ｇ２９２．[１０]㊀F L O E R S H E I M R B,HO U G,F I R E S T O N E K．C F P C M a t e r i a lC h a r a c t e r i s t i c sa n d S L S P r o t o t yＧp i n g P r o c e s s[J]．R a p i dP r o t o t y p i n g J o u r n a l,２００９,５２２纤维增强树脂基复合材料增材制造技术与装备研究 单忠德㊀范聪泽㊀孙启利等Copyright©博看网 . All Rights Reserved.１５(５):３３９Ｇ３４５．[１１]㊀Y A N C,HA O L,X U L,e ta l．P r e p a r a t i o n,C h a r a c t e r i s a t i o na n dP r o c e s s i n g o fC a r b o n F i b e r/P o l y a m i d eＧ１２C o m p o s i t e sf o rS e l e c t i v eL a s e rS i nＧt e r i n g[J]．C o m p o s i t e s S c i e n c e&T e c h n o l o g y,２０１１,７１(１６):１８３４Ｇ１８４１．[１２]㊀S O O D A K,OH D A RRK,MA HA P A T R ASS．P a r a m e t r i c A p p r a i s a lo f M e c h a n i c a l P r o p e r t y o fF u s e d D e p o s i t i o n M o d e l l i n g P r o c e s s e d P a r t s[J]．M a t e r i a l s&D e s i g n,２０１０,３１(１):２８７Ｇ２９５．[１３]㊀HO S S A I NS M,E S P A L I N D,R AMO SJ,e t a l．I m p r o v e d M e c h a n i c a lP r o p e r t i e so fF u s e dD e p o s iＧt i o n M o d e l i n gＧm a n u f a c t u r e d P a r t st h r o u g h B u i l dP a r a m e t e rM o d i f i c a t i o n s[J]．J o u r n a lo f M a n u f a cＧt u r i n g S c i e n c ea n d E n g i n e e r i n g,２０１４,１３６(６):０６１００２．[１４]㊀S U N Q,R I Z V IG M,B E L L E HUM E U RC T,e ta l．E f f e c t o fP r o c e s s i n g C o n d i t i o n so nt h eB o n d i n gQ u a l i t y o f F D M P o l y m e r F i l a m e n t s[J]．R a p i dP r oＧt o t y p i n g J o u r n a l,２００８,１４(２):７２Ｇ８０．[１５]㊀A G A RWA L A M K,J AMA L A B A D V R,L a nＧg r a n aN A,e t a l．S t r u c t u r a lQ u a l i t y o fP a r t sP r oＧc e s s e db y F u s e dD e p o s i t i o n[J]．R a p i dP r o t o t y p i n gJ o u r n a l,１９９６,２(４):４Ｇ１９．[１６]㊀A HNSH,A N DSR,WR I G H TPK,e t a l．A n iＧs o t r o p i c M a t e r i a lP r o p e r t i e so fF u s e d D e p o s i t i o nM o d e l i n g A B S[J]．R a p i d P r o t o t y p i n g J o u r n a l,２００２,８(４):２４８Ｇ２５７．[１７]㊀T E K I N A L P H L,K U N CV,V E L E ZＧG A R C I A G M,e ta l．H i g h l y O r i e n t e d C a r b o n F i b e rＧp o l y m e rC o m p o s i t e s v i aA d d i t i v e M a n u f a c t u r i n g[J]．C o mＧp o s i t e sS c i e n c ea n d T e c h n o l o g y,２０１４,１０５:１４４Ｇ１５０．[１８]㊀N I N GF,C O N G W,HU Y,e t a l．A d d i t i v eM a nＧu f a c t u r i n g o f C a r b o nF i b e rＧr e i n f o r c e dP l a s t i cC o mＧp o s i t e sU s i n g F u s e d D e p o s i t i o n M o d e l i n g:E f f e c t so fP r o c e s sP a r a m e t e r so n T e n s i l eP r o p e r t i e s[J]．J o u r n a l o f C o m p o s i t eM a t e r i a l s,２０１７,５１(４):４５１Ｇ４６２．[１９]㊀S HO F N E R M L,L O Z A N O K,R O D RíG U E ZＧMA CÍA S F J,e ta l．N a n o f i b e rＧr e i n f o r c e d P o l yＧm e r sP r e p a r e db y F u s e dD e p o s i t i o n M o d e l i n g[J]．J o u r n a lo f A p p l i e d P o l y m e r S c i e n c e,２００３,８９(１１):３０８１Ｇ３０９０．[２０]㊀L E O N ACD,C H E N Q,P A L A G A N A SN B,e ta l．H i g hP e r f o r m a n c eP o l y m e rN a n o c o m p o s i t e s f o rA d d i t i v eM a n u f a c t u r i n g A p p l i c a t i o n s[J]．R e a c t i v e&F u n c t i o n a l P o l y m e r s,２０１６,１０３:１４１Ｇ１５５．[２１]㊀D I C K S O N A N,B A R R YJN,M C D O N N E L L K A,e t a l．F a b r i c a t i o no fC o n t i n u o u sC a r b o n,G l a s sa n dK e v l a rF ib r eR e i n f o rc e dP o l y m e rC o m p o s i t e sU s i n g A d d i t i v eM a n u f a c t u r i n g[J]．A d d i t i v eM a n uＧf a c t u r i n g,２０１７,１６:１４６Ｇ１５２．[２２]㊀MA T S U Z A K IR,U E D A M,N AM I K I M,e ta l．T h r e eＧd i m e n s i o n a l P r i n t i n g o f C o n t i n u o u sＧf i b e rC o m p o s i t e s b y I nＧn o z z l e I m p r e g n a t i o n[J]．S c i e n t i fＧi cR e p o r t s,２０１６,６:２３０５８．[２３]㊀K L I F TFV D,K O G A Y,T O D O R O K IA,e t a l．３DP r i n t i n g o f C o n t i n u o u sC a r b o nF i b r eR e i n f o r c e dT h e r m oＧp l a s t i c C F R T P T e n s i l e T e s t S p e c i m e n s[J]．O p e n J．C o m p o s．M a t e r,２０１６,６(１):１８Ｇ２７．[２４]㊀J U S T OJ,TÁV A R A L,G A R CÍAＧG U Z MÁN L,e ta l．C h a r a c t e r i z a t i o no f３D P r i n t e d L o n g F i b r eR e i n f o r c e dC o m p o s i t e s[J]．C o m p o s i t eS t r u c t u r e s,２０１７,１８５:５３７Ｇ５４８．[２５]㊀C AM I N E R O M A,C HA C N J M,G A R CÍＧAMO R E N OI,e t a l．I m p a c tD a m a g eR e s i s t a n c e o f３DP r i n t e dC o n t i n u o u sF i b r eR e i n f o r c e d T h e r m oＧp l a s t i cC o m p o s i t e sU s i n g F u s e dD e p o s i t i o nM o d e lＧl i n g[J]．C o m p o s i t e s,P a r tB:E n g i n e e r i n g,２０１８,１４８:９３Ｇ１０３．[２６]㊀T I A N X,L I U T,Y A N G C,e ta l．I n t e r f a c ea n d P e r f o r m a n c e o f３DP r i n t e dC o n t i n u o u sC a r b o nF iＧb e rR e i n f o rc e dP L A C o m p o s i t e s[J]．C o m p o s i t e s,P a r tA:A p p l i e dS c i e n c e a n dM a n u f a c t u r i n g,２０１６,８８:１９８Ｇ２０５．[２７]㊀Y A N GC,T I A NX,L I U T,e t a l．３DP r i n t i n g f o rC o n t i n u o u sF i b e rR e i n f o r c e d T h e r m o p l a s t i cC o mＧp o s i t e s:M e c h a n i s m a n d P e r f o r m a n c e[J]．R a p i dP r o t o t y p i n g J o u r n a l,２０１７,２３(１):２０９Ｇ２１５．[２８]㊀L IN,L IY,L I US．R a p i dP r o t o t y p i n g o f C o n t i n uＧo u sC a r b o nF i b e rR e i n f o r c e dP o l y l a c t i cA c i dC o mＧp o s i t e sb y３D P r i n t i n g[J]．J o u r n a lo f M a t e r i a l sP r o c e s s i n g T e c h n o l o g y,２０１６,２３８:２１８Ｇ２２５．(编辑㊀胡佳慧)作者简介:单忠德,男,１９７０年生,工学博士㊁研究员㊁博士研究生导师,中国工程院院士.研究方向为数字化机械装备与先进成形技术.EＧm a i l:s h a n z d＠c a m．c o m．c n.６２２中国机械工程第３１卷第２期２０２０年１月下半月Copyright©博看网 . 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玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料各项性能的研究
玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料各项性能的研究首先，我们将分析该复合材料的力学性能。
玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料具有良好的强度和刚度，通常具有较高的拉伸、弯曲和冲击强度。
这是由于玻璃纤维的高拉伸强度和环氧树脂的高强度以及它们之间的良好结合所决定的。
此外，研究显示，纤维的长度和取向也对材料的力学性能有显著影响。
因此，在制备材料时，纤维的长度和取向应被精确控制。
其次，我们将研究该复合材料的热学性能。
玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料具有良好的热稳定性和耐高温性能。
在高温环境下，纤维和树脂的热膨胀系数应匹配，以避免材料的热应力和破坏。
同时，热导率也是一个重要的热学性能指标，它决定了材料的导热性能和热应力的分布。
因此，热导率的测量和调控也是研究的重点。
第三，我们将研究该复合材料的耐化学性能。
玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料通常具有良好的耐化学性能，能够在一定程度上抵抗酸、碱和溶剂的腐蚀。
然而，树脂的化学结构和纤维的表面状态可能对材料的耐化学性产生影响。
因此，研究材料与不同化学物质之间的相互作用，以及其耐腐蚀性能的影响因素是非常重要的。
最后，我们将探讨玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料的应用前景。
随着科技的不断进步和工程技术的发展，该复合材料在航空航天、汽车制造、建筑工程和电子设备等领域的应用前景非常广阔。
它具有重量轻、强度高、抗腐蚀等优点，可以显著提高产品的性能和可靠性。
综上所述，玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料具有良好的力学性能、热学性能和耐化学性能。
通过深入研究材料的各项性能及其影响因素，我们可以更好地设计和制备该复合材料，从而提高它在各个领域的应用价值。
碳纤维树脂基复合材料纵向压缩强度提高的多层次实现机制研究
碳纤维树脂基复合材料纵向压缩强度提高的多层次实现机制研究摘要：碳纤维树脂基复合材料是一种高强度、高刚度、轻质化且具有良好机械性能的材料，在航空、航天、汽车等领域得到广泛应用。
本研究通过对不同分子量的网状结构聚酰胺的添加和纤维角度的控制，构建了不同层次的复合结构，探究了多层次结构对碳纤维树脂基复合材料纵向压缩强度提高的机制。
结果表明，多层次结构的添加可以提高材料的纵向压缩强度，并且不同层次结构对提高强度的作用不同，其中网状结构聚酰胺的作用最为显著。
通过对材料断面结构的分析，也发现多层次结构可以提高材料的界面黏结强度，从而进一步提高材料的强度和韧性。
关键词：碳纤维树脂基复合材料；多层次结构；纵向压缩强度；界面黏结强度；网状结构聚酰胺1. 引言碳纤维树脂基复合材料具有高强度、高刚度、轻质化等优异的物理力学性能，在航空、航天、汽车等领域得到广泛应用。
然而，这种材料仍然存在纵向压缩强度不足的问题，这限制了其在特定领域的应用。
因此，提高碳纤维树脂基复合材料的纵向压缩强度，成为当前热点研究领域之一。
2. 实验部分2.1 材料制备本实验采用碳纤维预浸料和热固性树脂制备复合材料。
碳纤维采用T700型碳纤维，预浸料中的树脂采用环氧树脂，添加了不同分子量的网状结构聚酰胺（PAMAM）。
2.2 复合结构制备制备多层次复合结构，采用了纤维角度控制的方法。
将碳纤维沿着不同的角度进行叠层，获得不同纤维角度分布的多层次结构；同时，将不同分子量的PAMAM分别添加到不同的层次，获得不同分子量PAMAM 的多层次结构。
2.3 材料性能测试采用压缩机测试材料的纵向压缩强度，并通过SEM观察材料的断面结构，分析界面黏结强度。
3. 结果与讨论3.1 多层次结构对纵向压缩强度的影响结果表明，添加多层次结构可以提高材料的纵向压缩强度。
其中，不同分子量PAMAM的作用不同，分子量较大的PAMAM添加后的材料纵向压缩强度更高。
同时，不同纤维角度分布的多层次结构也对材料的纵向压缩强度有影响，当纤维角度分布在-45°和+45°时，材料的纵向压缩强度最高。
纤维增强树脂基复合材料的另一种增材制造技术
纤维增强树脂基复合材料的另一种增材制造技术纤维增强树脂基复合材料是一种具有优异性能和广泛应用前景的材料。
它将纤维作为增强体与树脂基体相结合，发挥了两者的优点，具备了高强度、高刚度、低重量和耐腐蚀等优异特性。
而增材制造技术作为一种新兴的制造方法，在纤维增强树脂基复合材料的生产中也有着重要的应用。
与传统的制造方法相比，增材制造技术能够更加精确地控制材料的构建过程，提高产品质量和性能。
然而，在纤维增强树脂基复合材料的增材制造中，目前主要采用的是层叠堆叠技术，即将纤维和树脂逐层堆叠叠加，形成复合材料。
这种技术虽然简单易行，但也存在一些不足之处。
层叠堆叠技术需要大量的人工操作，对于复杂形状的产品来说，容易产生疏漏和误差。
由于纤维和树脂的堆叠顺序固定，导致了复合材料的结构具有一定的规律性，缺乏灵活性和多样性。
为了解决这些问题，纤维增强树脂基复合材料的增材制造技术迎来了另一个重要的突破，即逐层喷射技术。
逐层喷射技术采用了类似3D打印的方法，通过控制喷射头的位置和运动轨迹，将纤维和树脂以粉末或液体的形式层层喷射到基底上，形成复合材料的结构。
与层叠堆叠技术相比，逐层喷射技术具有以下几个明显的优点。
逐层喷射技术能够实现复合材料的自由排列和多样性组合。
通过控制喷射头的运动，可以灵活地调整纤维和树脂的分布，实现复合材料结构的多样化和定制化，满足不同应用领域的需求。
逐层喷射技术可以大大减少人工操作和生产时间。
相比于层叠堆叠技术，逐层喷射技术只需要喷射头的准确控制和材料供给系统的稳定工作，无需大量的人工操作。
逐层喷射技术可以实现快速的构建速度，大大缩短了生产周期，提高了生产效率。
另外，逐层喷射技术还可以实现复合材料内部结构的精确控制。
通过控制喷射头的参数和喷射轨迹，可以实现纤维的方向性排列和树脂的浸润情况的调控，使得复合材料的性能得到进一步的优化和提升。
纤维增强树脂基复合材料的逐层喷射技术作为一种新型的增材制造技术，为复合材料的生产带来了新的突破。
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当温度升高到 300 ℃ 时，竹纤维和树脂基体热解 导致摩擦表面形成黏着磨损为主的微观形貌， 不断 熔融和冷却界面物质以转移膜的形式以涂抹覆盖在 基体表面，如图 ( d) 所示． 而大量转移膜在摩擦 力的作用下不断地被剪切、涂覆、 碾压、 展开， 使材料表现出较好的摩擦阻力，并在连续摩擦过程 中保持较少的磨损量，故 试 样 摩 擦 系 数 为 0.33， 磨 损 率 为 0.42×10-7cm3 /( N·m) ． 这可以说明 适量竹纤维的加入对稳定不同盘温下复合材料的摩 擦磨损率性能有较积极的作用，能提高摩阻材料在 实际工况中的制动安全性和使用寿命．
料， 能承受断裂应力的纤维比例大大减小， 所以复合材料的极限强度将低于
单向纤维强化的复合材料。 因此， 决定短纤维强化复合材料强度的要素应考 虑纤维取向和纤维长度两个因素。
2 复合材料的韧性和断裂功
为了提高复合材料的韧性， 必须尽可能提高材料断裂时消耗的能量。
材料变形
吸收 能 量 的 方 式 形成新的表面
复合材料
金属
复 合 材 料
铝、镁、铜、钛及其合金
基体
非金属
合成树脂、橡胶、陶瓷、 石墨、碳等
增强材料
玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶 纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶 须、金属丝和硬质细粒等
第二章
纤维强化机制
1.复合材料的断裂强度
当复合材料承受载荷时，如图 l 所 示， 其应 力和弹性模量服从混合法则，即：
去了混杂增强的效果，同时也使周边的树脂及其他
组分致密性严重降低并更多地暴露在恶劣的摩擦副 表面． 此时竹纤维碳化形成的膜在摩擦表面起到了 润滑作用， 使摩擦系数降低至0.27; 且在摩擦剪切 力作用下更多地出现断裂、 剥落等现象，成为摩擦
对偶间的磨料而加速了系统的磨损， 故磨损率也急
剧升高至 1.18×10-7cm3 /( N·m) ．
03 04
复合材料 纤维的强化机制 纤维增强树脂基课题 碳纤维复合材料
第一章
复合材料
复合材料
复合材料，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（微观）上组成具有新性能的材料。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。
不同形状磨屑，可能由表面流动、 切削或细微层搓卷而
成，说明树脂对基体中增强纤维相、 填料等粘结作用不 佳． 此时材料摩擦系数为 0.32，磨损率为0.68×10－
7cm3/(
N·m) ．
( b) 所示， 表面膜的塑性变形更加均匀化，且磨屑 的形状细小． 摩擦表面出现疲劳磨损和热磨损特 征． 此时摩阻材料表面产生较大的温度梯度，受循 环热应力的作用，在表面膜产生冷焊现象，使摩阻材 料的表面产生裂纹，并扩展至小块磨粒而剥落，就会 产生热疲劳磨损． 因此在该温度下的磨损主要是由
纤维断裂、基体变形、裂纹 弯曲 和偏转、纤维脱粘 、 纤维拔出 、分层裂纹 、纤 维桥接。
增加断裂表面，即增加裂纹 的扩展路径 脆性基体和纤维
1.纤维断裂
断裂从材料中固有的小缺陷开始。 这些小 缺陷或许是已断裂的纤维基体中的裂纹或脱粘 的界面。 原始裂纹形成之后， 在负载产生的应 力作用下，裂纹开始扩展。 这时，在距裂纹前端 一定距离的纤维是完好的， 但处于高应力状态 下裂纹前端的纤维则可能断裂， 尽管这种断裂 不一定发生在材料的断裂面。 紧靠裂纹前端的 纤维在断裂之前可能发生从基体中拔出 ， 与基体 脱粘 等行为。 纤维在发生拔出和脱粘的瞬间，仍 然可能保持完好，随着裂纹的进一步扩展， 纤维 在脱粘或拔出后断裂。 这种断裂可能发生在断口， 也可能发生在基体内部。
较 优 含 量
竹,陶, 竹/陶 摩擦 磨损 实验
摩擦材料的磨 围
正交 优化 实验
CHASE实验 惯量实验 正交优化对比实验
与市 售刹 车片 对比
单因素实验
摩擦磨损实验
3.现有的实验仪器及设备
混料设备
SK2高速搅拌机
制样设备
飞纳台式扫描电镜，白光 共焦三维轮廓仪
纤维增强树脂基复合材料强化机制
主讲人：周子涵
福建土楼
土楼墙壁先用石块和灰浆砌筑 起墙基，接着就用夹墙板夯筑 墙壁，土墙的原料为当地粘质
红土，掺入适量的小石子和石
灰，俗称熟土。一些关键部位 还要掺入适量糯米饭，红糖， 以增加其粘性，土墙中间还要 买入杉木枝条竹片为墙骨增强
其拉力。
Content
01 02
得到强化， 必须 Ef 大于 Em， 即纤维需要较高的弹性模量。 强度提高的程度
取决于Ef / Em 之比。如果选择的强化组元 Ef 小 于Em，基体不仅得不到强化， 反而会使强度降低。
对于短纤维强化复合材料， 仅仅只是那些平行于拉 伸方向的纤维和当纤维的长度超过临界长度的情况 下， 纤维的极限强度才能发挥作用。 现研究基体 中只有一条短纤维的情况 。考虑长度为 L 的短纤维 嵌入在弹性模量小的基体上， 假设纤维与基体的界 面粘结很好且界面很薄，当沿纤维方向施加一载荷 时，那么施加到基体上的应力将通过界面传递到纤 维上。 由于基体与纤维的弹性模量不同， 因此产 生的拉伸应变不同， 在纤维末端处纤维的应变将小 于基体的应变，如图 2 所示。
却忽略了摩擦材料在制动过程中被释放到环境中的化学物质粒子可能具有的
毒性或可致基因突变性。
植杆复合材料 ,是利用一年生的植物杆维作为增强组分材料 , 以脂树作为
粘结 的基体材料 , 通过物理与化学的双重作用 , 制成性能优良的复合材料 。 靠基体将纤维粘合在一起（树脂，金属）
靠纤维塑化形成的氢键结合力成材（纤维板）
4.纤维桥接
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，以抵消外加拉应力的作用，从而 使裂纹难以进一步扩展，起到增韧作用。
第三章
纤维强化树脂基课题
近几十年来， 材料学者们越来越重视新开发的工程材料要具备生态友好性， 这种趋势同样也已深入到摩擦材料行业中。 过去人们关注高性能汽车制动材 料合适的摩擦系数、 可靠的稳定性、 满意的舒适性及合理的使用寿命等 ，
预热→热压成型→热处理→手工加工→产品( 合格试样) ． 其中烘干预处理采
用 DHG－9076A 型电热恒温鼓风干燥箱，混料采用主轴转速为1000r/min
的JF801S 型实验用犁耙式混料机进行搅拌， 热压成型在 Y32 － 63T 四柱 上压式液压机上进行。
2.实验方法
原料预处理 试 混料 样 制 模压成形 备 热处理 硬度测试 冲击试验 定速摩擦 磨损实验
内， 引起拉伸失效而不是界面剪切失效的最短纤维长度。 L> Lc 时， 才有强
化效果。
在复合材料中， 如果纤维的长度大大长于临界长度， 那么复合材料的强度与 连续长纤维强化情况相当。 在复合材料承受载荷时， 纤维所承受的应力是沿 纤维长度方向变化的， 在中心达到最大值。 对于随机取向的纤维强化复合材
于树脂高温粘结作用逐步失效后引起表面材料脱落的
磨损． 此时材料的摩擦系数( 0． 32) 变化不大而磨 损率［ 0.63×10-7cm3 /( N·m) ］ 略有减小．
定速摩擦试验表明竹纤维对基体的增强作用 在其体积百分数为 13% 时达到较佳果． 从 图 ( c)中可以看出: 在盘温 100 ℃ 下试样磨 损表面仍存在大量连续的摩擦膜， 仅在摩 擦膜边缘交界处分布着一些剥落的屑． 说 明材料承受干摩擦状态的滑动磨损时主要以 磨粒磨损为主， 此时其摩擦系数为0. 31， 磨损率为 0.43×10-7 cm3 /( N·m) ．
1.试验材料及制备
本试验中配方原料如下: 以腰果壳油改性酚醛树脂为粘结剂，竹纤维钢纤维、 无机盐晶须等为增强相，铜粒、 人造石墨、 刚玉微粉、 氧化铁粉等为摩擦性 能调节剂，硫酸钡、 叶腊石粉等为填料进行制动摩阻材料的配方设计。
试样制备采用热压成型工艺． 工艺路线如下: 原料预处理→称料→混料→模具
2.纤维脱粘
复合材料中纤维脱粘产生了新的表面， 因
此需要能量。 尽管单位面积的表面能很小， 但所有脱粘纤维总的表面能则很大。 每根纤维 的脱粘能量Q p为： 其中 d：纤维直径 lc:纤维临界长度 σfu：纤维拉伸强度 Ef：纤维弹性模量
3.纤维拔出
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面滑出的现象。 纤
维首先应发生脱粘才能被拔出。 纤维拔出会使 裂纹尖端应力松弛， 从而减缓了裂纹的扩展。 纤维的拔出需要外力做功，因此起到增韧作用。
3.纤维拔出
纤维拔出需做的功Q t: Qt= 平均力 距离 = d l 2 / 2 当纤维发生断裂，此时纤维的最大长度为l c/ 2 ，拔出每根纤维所做的最大功 为：Qt= d lc2 / 8 = d2fu lc/ 16 Qt/ Qp= fu / 3 Ef 因Ef fu，所以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增韧机理。
机械性能测试设备
XJJU-5.5摆锤式冲击试验机 XHR-150型塑料洛氏硬度计
摩擦磨损试验设备
X-DM调压变速摩擦试验机、 MM-1000型摩擦磨损试验机、 MMS-2A微机控制摩擦试验机
4.竹纤维增强制动摩阻材料的摩擦磨损机理分析
分别对含质量百分数为 0% 、 13% 和 17% 的竹纤维试样在盘温为 100 和 300 ℃ 测试后的表面形貌进行微观分析。 ( a)中可以观察到，盘温在 100 ℃ 时未增强试样摩擦后 表面呈不规则的崎岖状， 有平行于摩擦力方向的摩擦痕 迹，呈明显的磨粒磨损特征，此外还有较小的带片形态 的黏着磨损特征． 表面存在大量碎片状、 瓣状和球状等