纤维复合材料的热膨胀系数(1)
纤维复合材料及其制造方法
耐疲劳性能好
• 疲劳破坏是材料在变载荷作用下， 由于裂纹的形成和扩展而形成的低 应力破坏。聚合物复合材料疲劳破 坏总是从纤维的薄弱环节开始，逐 渐扩展到结合面上，破坏前有明显 的预兆，而且纤维与基体的界面能 阻止裂纹的扩展。大多数金属材料 的疲劳强度极限是其抗拉强度的20 ％-50％，而碳纤维/聚酯复合材料的 疲劳极限可为其抗拉强度的70％-80
FRP注射成型过程：
预浸渍料加入料筒，适当加温加压，当物料运动到喷嘴时， 粘度应达到最低值，并被迅速注入模腔。在热压作用下固化定型， 然后开模取出制品。
FRTP和FRP的注射成型特点对比
(1) FRTP可以反复加热塑化， 物料的熔融和硬化完全是物理变 化；FRP加热固化后不能再塑化， 固化过程为不可逆反应。 (2) FRTP受热时，物料由玻璃态变 为熔融的粘流态，料筒温度要分段 控制，其塑化温度应高于粘流温度， 但低于分解温度；FRP在料筒中加 热时，树脂分子链发生运动，物料 熔融，但接着会发生化学反应、放 热，加速化学反应过程。因此， FRP注射成型的温度控制要比FRTP 严格得多。
cc复合材料置于高温和快速加热的环境中由于蒸发升华和可能的热化学氧化其部分表面可被烧蚀但其表面的凹陷浅良好地保留其外形且烧蚀均匀而对称碳的升华温度是3700材料苯乙烯尼龙酚高硅氧酚醛有效烧蚀热kcalkg1100014000173024904180不同树料的有效烧蚀热的比较43化学稳定性常温下化学稳定性好但耐热氧化性能差44抗氧化防护涂层法添加抗氧化剂涂层法是在制备好的cc材料上进行sicsin或其它耐火材料的涂层包括扩散法和化第四节混杂纤维复合材料定义混杂纤维复合材料是指两种或两种以上纤维混杂增强一种基体构成的复合材料重要意义
产生的裂纹在通过粘结界面时，纤维产生应力集中，严 C/C复合材料的强度下 重时导致纤维断裂。
玻璃纤维复合材料热性能研究
玻璃纤维复合材料热性能研究玻璃纤维复合材料是一种具有优异性能的复合材料，在许多领域都有广泛的应用。
热性能是玻璃纤维复合材料的重要性能之一，影响着其在高温环境下的应用。
热性能是指材料在高温下的热稳定性、导热性以及热膨胀性等方面的性能。
玻璃纤维复合材料在高温下容易发生热分解、软化和熔化等现象，这些现象会导致材料的性能下降甚至失效。
研究玻璃纤维复合材料的热性能对于其应用的安全可靠性具有重要的意义。
研究玻璃纤维复合材料的热稳定性是非常重要的。
热稳定性是指材料在高温下的热分解能力，通常通过热失重分析（TG）和差示扫描量热分析（DSC）等方法进行测试。
研究表明，添加适量的阻燃剂和抗氧化剂可以提高玻璃纤维复合材料的热稳定性，降低热分解的速率。
玻璃纤维复合材料的导热性也是研究的重点之一。
由于玻璃纤维本身具有较高的导热性，因此可以提高复合材料的导热性。
采用导热实验仪和热导率测试仪等设备可以测量玻璃纤维复合材料的导热性能。
通过改变纤维的长度和纤维的体积分数等方法，可以进一步提高玻璃纤维复合材料的导热性。
研究玻璃纤维复合材料的热膨胀性也是非常重要的。
热膨胀性是指材料在温度变化时长度和体积的变化程度。
由于玻璃纤维和复合材料基体的热膨胀系数存在差异，因此会导致复合材料的应力和变形，从而影响其性能。
需要对玻璃纤维复合材料的热膨胀性进行研究，并通过添加填料或采用交替层压等方法来改善其热膨胀性能。
玻璃纤维复合材料的热性能研究对于其应用具有重要的意义。
通过研究热稳定性、导热性和热膨胀性等性能，可以提高玻璃纤维复合材料的高温稳定性和耐热性，从而扩大其在高温环境下的应用范围。
不过，需要注意的是，以上所提到的研究仅仅是其中的一部分，还有许多其他的热性能也需要进行深入的研究。
碳纤维复合材料湿膨胀系数试验方法
碳纤维复合材料湿膨胀系数试验方法A Study of a T est M ethod for the Coefficientof M oist ure Ex pansion of Composite M aterials尹京智(北京航空材料研究院)Yin Jingzhi(Institute of Aero nautical M aterials,Beijing)[摘要] 提出了一种复合材料湿膨胀系数的测定方法,讨论了影响复合材料湿膨胀系数的因素,通过对T300/3231复合材料吸湿规律的试验研究,验证了该方法。
结果表明,该方法可以很好地用于碳纤维增强复合材料的湿膨胀系数的试验测定。
关键词 复合材料 湿膨胀 湿膨胀系数[Abstract] A test m ethod for determ ining the co efficient of m oisture ex pansion(CME)of co mpo site materials w as proposed in this paper.Some factor s that w ould influence the deter mina-tion o f CM E of composite materials w ere discussed.Ex perimental procedures w ere perform ed on the studies o f moisture ex pansion of composites T300/3231.T he results show ed that the metho d presented here can be u sed for the determining of CME of com po site materials. Keywords composite materials m oistur e ex pansion coefficient of mo istur e ex pansion1 前言 碳纤维复合材料(CFRP)的湿膨胀系数(B值)是飞机设计中不可缺少的设计参数,在确定装配余量,保证制件尺寸,防止翘曲、变形和减少装配应力等方面,都是必不可少的。
T800H级环氧基复合材料热力学性能测试
第1期纤维复合材料㊀No.1㊀252024年3月FIBER ㊀COMPOSITES ㊀Mar.2024T800H 级环氧基复合材料热力学性能测试乔㊀巍,贾佳乐,路明坤(中建材(上海)航空技术有限公司,上海200120)摘㊀要㊀开展了T800H 级树脂基复合材料的热力学性能测量㊂采用热膨胀分析仪测量了0ħ~170ħ温度范围内复合材料热膨胀系数;对E1806树脂进行了恒温和动态DSC 扫描,基于自催化模型,建立了E1806树脂的固化动力学方程;利用旋转流变仪测量出E1806树脂的凝胶固化度为0.62;采用TMA 法测量出凝胶后单向层合板厚度方向上的收缩应变为0.88%㊂关键词㊀热力学性能;固化动力学方程;收缩应变;试验Thermodynamic Performance Test of T 800H Grade EpoxyMatrix Composite MaterialsQIAO Wei,JIA Jiale,LU Mingkun(CNBM (Shanghai)Aviation Technology Co.,Ltd.,Shanghai 200120)ABSTRACT ㊀This article conducted thermodynamic performance measurements of T800H resin based composite materials.The thermal expansion coefficient of composite materials was measured using a thermal expansion analyzer within the temper-ature range of 0ħto 170ħ;The constant temperature and dynamic DSC scanning were performed on E1806resin,and the curing kinetics equation of E1806resin was established based on an autocatalytic model;The gel curing degree of E1806resin was 0.62measured by rotary rheometer;The shrinkage strain in the thickness direction of unidirectional laminates af-ter gel is 0.88%measured by TMA method.KEYWORDS ㊀thermodynamic performance;curing kinetics equation;shrinkage strain;test基金项目:中国建材集团攻关专项资助(2021YCJS02)通讯作者:乔巍,博士㊂研究方向为复合材料结构设计及固化变形控制㊂E -mail:qiaow@1㊀引言复合材料具有高比强度,高比刚度,且具有良好的可设计性,因此,复合材料越来越多地应用于飞机机身㊁机翼等结构中[1-3]㊂复合材料热力学性能是复合材料固化过程模拟㊁残余应力和固化变形预测的基础,因此需要通过试验获得复合材料热力学性能及在固化过程中的固化反应行为㊂固化动力学方程主要描述固化过程中树脂基体固化反应程度与温度和时间的函数关系㊂众多学者对不同树脂体系固化反应行为进行了大量的理论和试验研究㊂李伟东等[4]和张晨乾等[5]研究了热压罐固化的双马聚酰亚胺树脂固化动力学行为,并绘制了树脂的时间-温度-转变(TTT)图㊂李自强等[6]在Kamal 动力学模型的基础上,通过差示扫描量热分析法(Differential Scanning Calorimetry,纤维复合材料2024年㊀DSC)获得了微波固化的环氧树脂固化反应动力方程㊂江天等[7]研究了热压罐固化的T800/环氧树脂体系的复合材料性能,其中树脂固化动力学方程和玻璃化转变温度方程的研究方法为DSC法㊂贾丽杰[8]利用江天试验测量的材料性能和固化动力学方程建立了复合材料固化变形的有限元模型,研究了结构因素对固化变形的影响㊂在固化过程中,复合材料化学收缩反应会产生收缩应变,目前获得树脂化学收缩应变的方法主要是试验法㊂Li等[9]采用重量法测量了MY750树脂凝胶前后的化学收缩率㊂杨喜等[10]采用王荣秋教授发明的毛细管膨胀计法实时监测了环氧树脂固化过程中化学收缩率的变化㊂丁安心[11]和Hu等[12]将光纤布拉格光栅传感器埋入预浸料内部,测量了固化过程中材料内应变的变化情况㊂Garstka等[13]采用静态热机械分析仪(Thermomechanical Analy-sis,TMA)测量了AS4/8552复合材料的收缩应变,江天等[7]采用了相同的方法监测了T800/环氧预浸料固化过程中的厚度变化情况㊂TMA法是目前比较主流的化学收缩应变测量方法,预浸料在一定的温度历程(复合材料厂推荐的固化工艺温度曲线)下,且在预浸料表面的特定方向上施加一定的机械力以模拟固化压力,这时测量在该方向上预浸料尺寸变化量随温度和时间的变化情况㊂目前研制的T800H环氧基复合材料的材料性能和固化动力学参数等尚不完善,亟需进行相关试验测量材料参数,为后续复合材料固化变形模拟提供输入条件㊂本文利用电液伺服试验机和热膨胀仪分别测量了复合材料力学性能和热膨胀系数,通过差示扫描量热分析仪和旋转流变仪分别研究了E1806环氧树脂的固化动力学方程和凝胶固化度,采用静态热机械分析仪研究了固化过程中T800H/E1806单向预浸料在厚度方向上的收缩应变㊂2㊀热膨胀系数测量复合材料试验件的材料牌号为T800H/E1806,纤维为T800级增强碳纤维,基体为E1806环氧基树脂,采用热压罐固化工艺成型㊂采用MST370系列电液伺服试验机测量复合材料的力学性能,其中复合材料纵向(沿着纤维方向)和横向(垂直纤维方向)弹性模量的试验标准为ASTM D3039,复合材料剪切模量和泊松比的试验标准为ASTM D7078㊂通过NETZSCH公司的DIL402Expedis热膨胀分析仪测量不同温度下复合材料热膨胀系数,试验件为固化好的单向层合板,试验标准为ASTM D696,测量范围为0ħ~170ħ,试验结果如图1所示㊂试验结果表明,复合材料横向热膨胀系数β2远大于纵向热膨胀系数β1,且β1的值很小,这是由于复合材料的纵向性能主要是由纤维性能决定的,且纤维的热膨胀系数很小㊂β1的试验结果随温度变化很小,因此可取均值-0.35με/ħ㊂β2的试验结果随温度的增加而增大,采用一次函数拟合该试验数据,拟合结果如公式(1)所示,拟合优度R2为0.978,接近于1,表明拟合效果良好㊂β2=(0.018T+30.642)με/ħ(1)式中,T为温度㊂图1㊀T800H复合材料热膨胀系数的试验结果3㊀固化动力学方程采用DSC法研究E1806树脂的固化动力学方程,获得树脂在固化过程中固化度随温度和时间的变化历程,为后续的固化变形仿真分析奠定试验基础㊂首先,采用德国NETZSCH公司的DSC200F3型号设备对树脂样品进行变温扫描,DSC试验测量设备如图2所示,样品质量为3mg,流速设定为50ml/min,时间设定为50min,升温速率有两种,分别为5ħ/min和10ħ/min㊂变温下DSC测量的热流-时间曲线如图3所示,获得了单位质量树脂固化反应释放的总热量Hr为452kJ/kg㊂在此基础上,采用DSC进行等温扫描,树脂样品质量约562㊀1期T800H 级环氧基复合材料热力学性能测试mg,流速设定为50ml /min,时间设定为60min,温度分别为165ħ㊁175ħ及185ħ,测量获得的热流-时间曲线如图4所示㊂图2㊀DSC试验测量设备图3㊀DSC 测量的热流-时间曲线图4㊀恒温下DSC 测量的热流-时间曲线假设树脂的固化率与热流变化率成正比,即[14]如公式(2)所示㊂dαdt =1H r dHdt(2)式中,t 为时间;α为固化度;dα/dt 为固化率;H 为热量;dH /dt 为热流变化率㊂将图4中的瞬时热量除以总热量Hr,再对时间进行积分,得到了固化度-固化率曲线,如图5所示㊂目前,固化动力学模型主要有宏观尺度上的唯象模型和细观尺度上的机理模型㊂由于固化反应过程过于复杂,采用机理模型进行建模和计算的难度高,因此现有的固化动力学研究主要以唯象模型为基础,再通过非线性拟合得到模型参数㊂目前常用的固化动力学模型主要有n 级动力学模型㊁Kamal 模型及自催化模型等㊂本文采用自催化模型对E1806树脂的固化反应进行动力学分析,自催化模型的表达式如公式(3)所示㊂dαdt =A exp (-ΔERT)αm (1-α)n (3)式中,A 为频率因子;ΔE 为活化能;m 和n 为动力学常数;R 为普适气体常数㊂根据图5中的固化度-固化率试验结果,采用神经网络优化算法对公式(3)进行非线性拟合,即可得到固化动力学参数㊂拟合优度R 2㊂图5同时给出了试验结果和自催化模型的拟合结果,结果表明,在固化反应阶段,自催化模型的拟合结果与试验结果吻合良好,拟合得到的E1806树脂固化动力学参数如表1所示㊂图5㊀不同温度下固化度-固化率的自催化模型拟合结果与试验结果对比表1㊀拟合的E1806树脂自催化模型固化动力学参数A /minΔE /(J /mol)mn4.824ˑ104 6.544ˑ1040.1636 1.33264㊀凝胶固化度测量随着固化的进行,树脂黏度逐渐增大,基体分子链逐渐增长,开始形成三维网状结构,此时会出72纤维复合材料2024年㊀现凝胶现象,其中树脂的凝胶点是固化反应到达一定程度的标准㊂在等温凝胶试验中,将固化反应到达凝胶点所需要的时间定义为凝胶时间t gel ,此时的固化度称为凝胶固化度αgel ㊂本文采用旋转流变仪研究了E1806树脂的凝胶固化度㊂采用美国TA 仪器公司的ARES -G2旋转流变仪在170ħ和180ħ两种温度下对树脂进行了等温扫描,获得的E1806树脂存储模量和损耗模量变化曲线如图6所示㊂结果表明,随着固化反应的进行,树脂存储模量E 和损耗模量Eᶄ均逐渐增加㊂此外,固化反应开始时E 小于Eᶄ,但到达某个时间点后E 将超过Eᶄ,且通常将E =Eᶄ对应的时刻定义为该温度下树脂的凝胶时间t gel [7],这样170ħ和180ħ对应的凝胶时间t gel 分别为31.05min 和21.12min㊂利用E1806树脂的固化动力学公式(3),计算出在170ħ和180ħ恒温下的凝胶固化度αgel 分别为0.61和0.63,因此本文通过旋转流变仪法测量得到的E1806树脂凝胶固化度取值为0.62㊂图6㊀旋转流变仪测量的E1806树脂存储模量和损耗模量曲线化学收缩应变测量采用TMA 法测量固化过程中T800H /E1806复合材料的化学收缩应变㊂试验所用TMA 为美国热流变科学仪器公司的Q400,如图7(a)所示,其温度精度为ʃ1ħ,位移精度为ʃ0.5nm㊂试验件为单向铺层的预浸料,如图7(b)所示,其面内尺寸4mm ˑ4mm,初始厚度为4.04mm㊂T800H /E1806复合材料的固化工艺温度曲线为:从室温升温至130ħ,保温一个小时,再升温至185ħ,保温两个小时,最后降至室温,升温和降温速率分别为2ħ/min 和-2ħ/min,如图8所示㊂此外,热压罐的固化压力为0.6MPa,真空袋压力为0.1MPa㊂采用TMA 进行测试时,将测量频率设定为1Hz,压头施加压强设定为0.7MPa,温度历程按工艺温度曲线,测量固化过程中试验件在厚度方向上的收缩应变历程㊂图7㊀TMA 试验仪器和试验件通过E1806树脂的固化动力学方程,计算得到135min 时的树脂固化度为0.62,即135min 时树脂将发生凝胶反应㊂由于凝胶前树脂的流动性较好,通常认为凝胶前复合材料内部的残余应变和残余应力都会随着树脂的流动而消失[13],因此可合理假设135min 时的应变为0㊂在此基础上,通过TMA 获得了固化过程中试验件厚度方向上的收缩应变变化曲线,如图8所示㊂结果表明,135min 前试验件厚度方向上的收缩应变为0;135min 至245min 时,试验件厚度方向上的收缩应变绝对值逐渐增加,需要注意的是,这里的收缩应变不仅包含了化学收缩应变,还包含了该时间段内产生的少量热应变;245min 后收缩应变保持恒定,试验件厚度方向上的收缩应变最终达到了-0.88%㊂采用一个三次多项式拟合固化过程中收缩应变的试验结果,获得的拟合式如公式(4)所示,图8表明拟合曲线与试验结果吻合较好㊂εsh 2=εsh3=0,tɤ135min -9.1076ˑ10-9t 3+6.025ˑ10-6t 2-0.00136t +0.0962,135<t <245min -0.0088,tȡ245minìîíïïïïï(4)式中,εsh 2和εsh3分别为复合材料面内横向和厚度方向上的化学收缩应变㊂由于纵向化学收缩应变εsh1主要由纤维性能决定,而纤维发生化学收缩,82㊀1期T800H 级环氧基复合材料热力学性能测试因此εsh1的值非常小,通常取为0㊂图8㊀固化过程中试验件厚度方向上的收缩应变变化曲线6㊀结语采用试验方法研究了T800H 级树脂基复合材料的热力学性能,结论如下:(1)采用热膨胀分析仪测量了E1806树脂0ħ~170ħ温度范围内复合材料热膨胀系数;(2)对E1806树脂进行了恒温和动态DSC 扫描,基于自催化模型,建立了E1806树脂的固化动力学方程;(3)利用旋转流变仪测量出E1806树脂的凝胶固化度为0.62;(4)采用TMA 法测量出凝胶后单向层合板厚度方向上的收缩应变为0.88%㊂参考文献[1]杜善义,关志东.我国大型客机先进复合材料技术应对策略思考[J].复合材料学报,2008(01):1-10.[2]王衡.先进复合材料在军用固定翼飞机上的发展历程及前景展望[J].纤维复合材料,2014,31(04):41-45.[3]张兴金,邓忠林.浅谈纤维复合材料与中国大飞机[J].纤维复合材料,2009,26(02):24-26.[4]李伟东,张金栋,刘刚,等.高韧性双马来酰亚胺树脂的固化反应动力学和TTT 图[J].复合材料学报.2016,33(07):1475-1483.[5]张晨乾,陈蔚,叶宏军,等.具有双峰反应特性的高韧性双马来酰亚胺树脂固化动力学和TTT 图[J].材料工程.2016,44(10):17-23.[6]李自强,湛利华,常腾飞,等.基于微波固化工艺的碳纤维T800/环氧树脂复合材料固化反应动力学[J].复合材料学报.2018,35(09):162-168.[7]江天,徐吉峰,刘卫平,等.整体化复合材料结构分阶段固化变形预报方法及其实验验证[J].复合材料学报.2013,30(5):61-66.[8]贾丽杰,叶金蕊,刘卫平,等.结构因素对复合材料典型结构件固化变形影响[J].复合材料学报.2013(s1):261-265.[9]Li C,Potter K,Wisnom M R,et al.In -situ measurement of chem-ical shrinkage of MY750epoxy resin by a novel gravimetric method [J].Composites Science 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维纶纤维在复合材料中的应用考核试卷
B.耐寒性
C.耐紫外线性
D.耐生物降解性
18.以下哪些领域对维纶纤维复合材料的导电性能有特殊要求？( )
A.电子封装
B.风电叶片
C.建筑装饰
D.汽车内饰
19.维纶纤维增强复合材料的加工过程中可能会出现以下哪些问题？( )
A.纤维断裂
B.界面剥离
C.树脂分解
D.成型收缩
20.以下哪些因素会影响维纶纤维复合材料的生物医学性能？( )
C.成型工艺
D.所有以上选项
19.维纶纤维增强复合材料的回收利用主要受到哪个因素的影响？( )
A.纤维与树脂的界面结合强度
B.材料的降解性能
C.材料的燃烧性能
D.材料的导热性能
20.以下哪种复合材料应用领域对维纶纤维的性能要求最高？( )
A.汽车内饰
B.建筑装饰
C.风电叶片
D.电子包装
二、多选题（本题共20小题，每小题1.5分，共30分，在每小题给出的四个选项中，至少有一项是符合题目要求的）
4.以下哪些方法可以改善维纶纤维与树脂的界面结合？( )
A.纤维表面处理
B.树脂配方优化
C.纤维预热处理
D.降低加工温度
5.维纶纤维的吸湿性对其在复合材料中的应用有哪些影响？( )
A.影响复合材料的尺寸稳定性
B.影响复合材料的力学性能
C.提高复合材料的生物相容性
D.提高复合材料的热稳定性
6.以下哪些情况下，维纶纤维不适合作为复合材料的增强材料？( )
11. ABC
12. ABCD
13. ABC
14. ABCD
15. ABC
16. ABCD
17. ABC
18. AD
C_fMg复合材料的热膨胀系数及其理论计算
１ 引 言
在航空 、 航天等高精技术领域 ， 碳纤维增强镁基复 ／ 合材料 （ 因具有轻质 、 高比强度 、 高比 Ｃ Ｍ ｇ 复合材料 ） ｆ
１， ２］ 。其可应 模量以及良 好 的 尺 寸 稳 定 性 而 备 受 青 睐 ［ 用在卫星天线 、 波导管以及精密导航光学测量系统的
碳纤维 和 镁 基 体 的 基 本 物 理 性 能 如 表 １ 所 示 。 其 各 方 向 体 积 分 数 比 ｘ∶ｙ∶ｚ＝ ２． ５ Ｄ 碳纤维 织 物 （ ） ， （ ） 如图 １ 所示 。 纤 维 单 丝 直 径 平 均 为 （ ２∶２∶１ ｂ ７． ０ ） ±０． ２ ５ ｍ。表 １ 中 ＊ 号 为 在 ３ ０～２ ０ ０℃ 范 围 内 测 得 μ 。 的金属热膨胀系数 表 １ 碳纤维和镁合金的基本物理性能 Ｔ ａ ｂ ｌ ｅ １Ｐ ｈ ｓ ｉ ｃ ａ ｌ ｒ ｏ ｅ ｒ ｔ ｉ ｅ ｓ ｏ ｆ ｃ ａ ｒ ｂ ｏ ｎ ｆ ｉ ｂ ｒ ｅ ａ ｎ ｄ ｍ ａ － ｙ ｐ ｐ ｇ ｎ ｅ ｓ ｉ ｕ ｍ ａ ｌ ｌ ｏ ｙ
３， ４］ ／ 一些学者 ［ 研究了一维 （ 及二维（ １ Ｄ） ２ Ｄ） Ｃ Ｍ ｇ ｆ ， 复合材料的热膨 胀 行 为 认 为 退 火 有 助 于 降 低 复 合 材
ＥＬ ＥＴ α α Ｌ Ｔ （ ） （ ） （ ／℃ ） （ ／℃ ） Ｇ Ｐ ａ Ｇ Ｐ ａ １ ０－６ １ ０－６
４ ５ ２ ３ ０ ４ ５ ８． ２
９ ３ ２
） 卷 ２ ０ １ ２ ｆ ｇ 复合材料的热膨胀系数及其理论计算
童永煌１， 付业伟１， 齐乐华２， 程三旭１， 李贺军１
（ 西北工业大学 凝固技术国家重点实验室 ， 陕西 西安 ７ １． １ ０ ０ ７ ２； ） 西北工业大学 机电学院 ， 陕西 西安 ７ ２． １ ０ ０ ７ ２ 摘 要： 采用负压浸渗 －液固 挤 压 法 制 备 了 定 向 短 切 及穿 刺－ 碳纤维 （ ａ ｌ ｉ ｎ ｅ ｄ Ｃ ２ Ｄ 碳纤维织物（ ２． ５ ＤＣ ｇ ｓ ｆ） ｆ） 增强镁合金复合 材 料 ， 观察了两种复合材料的微观组 织结 构 ， 测定了其在３ ０～３ ５ ０℃ 范 围 的 热 膨 胀 系 数 （ ， 并在 Ｓ ｃ ｈ ａ ｅ ｒ α） ｐ ｙ模型的基础上提出了计算定向 ／Ｍ ／ Ｃ ５ ＤＣ Ｍ ｇ 复合材料及 ２． ｇ 复合材料α 值的修正 ｓ ｆ ｆ ／ 模型 。 结果表明 ， 在３ 两种 Ｃ ０～２ ０ ０℃ 范围内 ， Ｍ ｇ复 ｆ 合材料的α 值 均 表 现 出 随 温 度 的 升 高 而 升 高 的 趋 势 ， 但在超过 ２ 其 ５ ０℃ 以 后 ， α 值 出 现 降 低 或 稳 定 的 现 象， 原因为随着温度的升高 ， 铝元素固溶度的增大 、 基体发 生部分塑性变形 等 因 素 导 致 的 ； 提出的修正模型理论 计算值与其相应的 实 验 测 试α 值 之 间 的 误 差 均 在 ５％ 之内 ， 表明该修正模型能够有效预测实验中的α 值 。 关键词 ： 镁基复合材料 ； 热膨胀系数 ； 理论计 碳纤维 ； 算 中图分类号 ： Ｂ ３ ３ １ Ｔ （ ） 文章编号 ： １ ０ ０ １ ９ ７ ３ １ ２ ０ １ ２ ０ ７ ０ ９ ３ ２ ０ ４ － － － 文献标识码 ： Ａ
碳纤维复合材料的热膨胀系数
碳纤维复合材料的热膨胀系数引言碳纤维复合材料是一种由碳纤维和基体材料组成的复合材料。
它具有高强度、低密度、优异的耐热性能和良好的化学稳定性等特点，在航空航天、汽车制造、体育用品等领域得到了广泛应用。
在使用过程中，热膨胀系数是一个重要的物理参数，它描述了材料随温度变化时的尺寸变化情况。
本文将对碳纤维复合材料的热膨胀系数进行详细介绍。
碳纤维复合材料概述碳纤维复合材料是由高强度碳纤维和基体树脂组成的复合材料。
碳纤维具有高强度、高模量和低密度等优点，可以增加复合材料的强度和刚度。
基体树脂则起到粘结作用，保护碳纤维免受外界环境的侵蚀。
碳纤维复合材料具有优异的力学性能、耐热性能和化学稳定性，被广泛应用于航空航天、汽车制造、体育用品等领域。
热膨胀系数的定义热膨胀系数是描述材料在温度变化下尺寸变化的物理参数。
它定义为材料长度、面积或体积随温度变化的相对变化率。
热膨胀系数的单位通常是1/℃或1/K。
热膨胀系数可以分为线膨胀系数、面膨胀系数和体膨胀系数三种。
碳纤维复合材料的热膨胀系数碳纤维复合材料的热膨胀系数与其组成材料和结构有关。
由于碳纤维具有高弹性模量和低密度，碳纤维复合材料的线膨胀系数相对较低。
而基体树脂的线膨胀系数通常较高，因此整体复合材料的线膨胀系数介于二者之间。
在实际应用中，可以通过控制碳纤维和基体树脂的比例来调节复合材料的热膨胀系数。
增加碳纤维的含量可以降低热膨胀系数，提高复合材料的尺寸稳定性。
还可以采用纤维方向堆叠、交错编织等工艺来改变复合材料的热膨胀行为。
碳纤维复合材料的应用由于碳纤维复合材料具有优异的力学性能和耐热性能，被广泛应用于各个领域。
航空航天碳纤维复合材料在航空航天领域有着重要的应用。
它可以减轻飞机和火箭等载体的重量，提高载荷能力和燃油效率。
碳纤维复合材料具有优异的抗热膨胀性能，在高温环境下依然保持稳定。
汽车制造碳纤维复合材料在汽车制造领域也有广泛应用。
它可以用于制造车身结构、悬挂系统和刹车系统等部件，提高汽车的强度和安全性能。
碳纤维复合材料在不同温度下的性能差异
第52卷第9期 辽 宁 化 工 Vol.52，No. 9 2023年9月 Liaoning Chemical Industry September，2023基金项目： 沈阳市科技局双百项目（项目编号：Y18-1-018）。
收稿日期： 2022-09-24碳纤维复合材料在不同温度下的性能差异张宋茂苗1，张罡2，赵平1，时卓3（1. 沈阳理工大学 环境与化学工程学院，辽宁 沈阳 110000；2. 沈阳理工大学 材料科学与工程学院，辽宁 沈阳 110000；3. 辽宁省轻工科学研究院有限公司，辽宁 沈阳 110000）摘 要：碳纤维复合材料越来越多地被应用在各个领域。
随着使用的范围越来越广，环境因素逐渐成为各行各业关注的对象。
因此，在设计中需要更多地考虑到环境对于材料耐久性使用的问题。
并且，随着人们对安全性能的要求越来越高，需要对碳纤维复合材料在不同温度下的工作状态、损伤特性有一个清晰的认知。
介绍了碳纤维树脂基材料在不同温度下比较典型的破坏模式以及失效机理，重点介绍了环氧树脂、碳纤维、碳纤维复合材料在不同温度下的破坏方式以及改进方式。
关 键 词：碳纤维复合材料；环氧树脂；碳纤维；温度中图分类号：TB332 文献标识码： A 文章编号： 1004-0935（2023）09-1365-05碳纤维复合材料最早应用于航空航天领域，其发展一直受航空航天驱动[1]。
由于碳纤维复合材料具有优异的机械、物理和化学性能的独特组合，如高强度、高模量、耐热性和高强度重量比，碳纤维被广泛应用于汽车能源系统、燃料电池、低温传感器系统、海上深海钻井平台以及抗静电和电磁屏蔽记忆材料[3,6-7,48]。
但是当碳纤维复合材料在使用时遭遇恶劣的环境条件时，如温度的大幅度变化，仅靠材料自身的结构无法应对，因此，碳纤维复合材料会在环境暴露下表现出一定程度的性能退化，从而缩短预期寿命[2-3]。
传统上，将高聚物的老化分为两大类：物理老化和化学老化。
纤维增强复合材料拉挤型材测试方法标准
纤维增强复合材料拉挤型材测试方法标准一、引言纤维增强复合材料（FRP）在现代工程领域中得到了广泛的应用，而纤维增强复合材料拉挤型材作为其中的重要一部分，其性能评定和测试方法对于产品质量和工程安全至关重要。
本文将从深度和广度两个方面，对纤维增强复合材料拉挤型材测试方法标准进行全面评估，以帮助读者更深入地理解该主题。
二、纤维增强复合材料拉挤型材测试方法标准的基本概念1. 纤维增强复合材料拉挤型材的定义和特点纤维增强复合材料拉挤型材是利用连续纤维增强塑料基体通过拉挤工艺制成的一种复合材料产品。
其具有优异的强度、刚度和耐腐蚀性能，被广泛应用于桥梁、建筑、船舶等领域。
2. 测试方法标准的重要性纤维增强复合材料拉挤型材的质量和性能评定需要依据一系列的测试方法，而这些测试方法标准对于产品的质量控制、工程设计和产品认证具有重要意义。
制定科学合理的测试方法标准能够有效保证产品质量和工程安全。
三、纤维增强复合材料拉挤型材测试方法标准的深度评估1. 力学性能测试方法(1) 拉伸性能测试：根据《GB/T 1447-2005 纤维增强塑料复合材料拉伸性能试验方法》进行拉伸性能测试，评定材料的拉伸强度和伸长率。
(2) 弯曲性能测试：根据《GB/T 9341-2008 纤维增强塑料复合材料弯曲性能试验方法》进行弯曲性能测试，评定材料的弯曲强度和弹性模量。
2. 物理性能测试方法(1) 密度测试：根据《GB/T 1033-1986 塑料拉伸型材密度测定方法》进行密度测试，评定材料的密度性能。
(2) 吸水性能测试：根据《GB/T 1462-2005 纤维增强塑料复合材料的水分浸泡性能试验方法》进行吸水性能测试，评定材料的抗水性能。
3. 热性能测试方法(1) 热膨胀系数测试：根据《GB/T 2580-2005 纤维增强塑料复合材料线性热膨胀系数的测定》进行热膨胀系数测试，评定材料的热膨胀性能。
(2) 热变形温度测试：根据《GB/T 1634-2004 长期使用温度下纤维增强塑料复合材料热变形温度的测定》进行热变形温度测试，评定材料的长期使用温度下的稳定性能。
玻璃纤维复合材料性能测试考核试卷
D.制备工艺
7.玻璃纤维复合材料的疲劳寿命与以下哪些因素有关？（）
A.应力水平
B.应变水平
C.纤维分布
D.环境条件
8.以下哪些方法可以用来测试玻璃纤维复合材料的摩擦性能？（）
A.滑动摩擦测试
B.静摩擦测试
C.粘附摩擦测试
D.磨损测试
9.玻璃纤维复合材料的耐燃性可以通过以下哪些测试来评估？（）
4.玻璃纤维复合材料的热导率通常高于金属。（）
5.玻璃纤维复合材料的疲劳性能与加载频率无关。（）
6.在玻璃纤维复合材料中，纤维的取向对力学性能没有影响。（）
7.玻璃纤维复合材料可以通过表面处理来提高其耐腐蚀性能。（）
8.玻璃纤维复合材料在潮湿环境下的性能不会发生变化。（）
9.玻璃纤维复合材料的燃烧性能与纤维的类型无关。（）
1.玻璃纤维复合材料的优点不包括以下哪一项？（）
A.耐腐蚀性好
B.重量轻
C.导电性能强
D.热膨胀系数小
2.以下哪种方法不是玻璃纤维的制备方法？（）
A.拉丝法
B.喷射法
C.挤压法
D.熔融法
3.玻璃纤维复合材料的基体材料主要是什么？（）
A.金属
B.塑料
C.橡胶
D.陶瓷
4.以下哪个因素不会影响玻璃纤维复合材料的力学性能？（）
D.制备工艺
4.以下哪些测试可以评估玻璃纤维复合材料的耐环境性能？（）
A.耐腐蚀测试
B.耐湿热测试
C.耐老化测试
D.疲劳测试
5.玻璃纤维复合材料的电性能包括以下哪些方面？（）
A.介电常数
B.介电损耗
C.绝缘电阻
D.导热系数
6.以下哪些因素会影响玻璃纤维复合材料的层间剪切强度？（）
碳纤维复合材料的性能.
二、碳纤维增强复合材料
尽管碳纤维可单独使用发挥某些功能, 然而, 它属 于脆性材料, 只有将它与基体材料牢固地结合在一 起时, 才能利用其优异的力学性能, 使之更好地承载 负荷。因此, 碳纤维主要还是在复合材料中作增强 材料。根据使用目的不同可选用各种基体材料和复 合方式来达到所要求的复合效果。碳纤维可用来增 强树脂、碳、金属及各种无机陶瓷, 而目前使用得 最多、最广泛的是树脂基复合材料。
1.2碳纤维的特点
碳纤维主要具备以下特性: 1.密度小、质量轻, 碳纤维的密度为1. 5~ 2 g /cm3, 相当于钢密度的 1 /4、 铝合金密度1/2; 2. 强度、弹性模量高, 其强度比钢大4~ 5倍, 弹性回复为100% ; 3. 热膨胀系数小, 导热率随温度升高而下降, 耐骤冷、急热, 即使从几 千 摄氏度的高温突然降到常温也不会炸裂 4.摩擦系数小, 并具有润滑性; 5.导电性好, 25℃ 时高模量碳纤维的比电阻为775Ω*cm , 高强度碳纤维 则为1 500Ω*cm ; 6.耐高温和低温性好, 在3 000℃ 非氧化气氛下不熔化、不软化, 在液氮 温度下依旧很柔软, 也不脆化; 7.耐酸性好, 对酸呈惰性, 能耐浓盐酸、磷酸、硫酸等侵蚀。除此之外, 碳纤维还具有耐油、抗辐射的特性
常用的有聚乙烯、尼龙、聚四氟乙烯以及聚醚醚酮等。 在碳纤维增强树脂基复合材料中, 碳纤维起到增强作用, 而树 脂基体则使复合材料成型为承载外力的整体, 并通过界面传 递载荷于碳纤维, 因此它对碳纤维复合材料的技术性能、成 型工艺以及产品价格等都有直接的影响。碳纤维的复合方式 也会对复合材料的性能产生影响。在制备复合材料时, 碳纤 维大致可分为两种类型: 连续纤维和短纤维。连续纤维增强 的复合材料通常具有更好的机械性能, 但由于其制造成本较 高,并不适应于大规模的生产。短纤维复合材料可采用与树脂 基体相同的加工工艺, 如模压成型、注射成型以及挤出成型 等。当采用适合的成型工艺时, 短纤维复合材料甚至可以具 备与连续纤维复合材料相媲美的机械性能并且适宜于大规模 的生产, 因此短纤维复合材料近年来得到了广泛的应用。
双马来酰亚胺树脂和环氧树脂复合材料在极端温度下的性能对比
准值为在 95% 的置信度下, 99% 的性能数值群的最
2 测试结果
小值; B 基准值为在 95% 的置信度下, 90% 的性能
数值群的最小值。热膨胀系数测试结果见表 4和表
力学性能测试结果见表 2 和表 3, 其中的 A 基 5。
表 2 高模量碳纤维 /5405力学性能测试表
试 验温度,
常温 ( 20 )
国内主要的双马来酰 亚胺树脂有 5405、5428、 QY8911、QY9511等 10 几种, 其玻璃化转变温度均 在 220 以上, 较中温固化环氧的典型玻璃化温度 150 ~ 170 要高很多, 与二代改性增韧环氧树脂 的玻璃化温度相当。 5405 是由西北工业大学研制 的高性能复合材料树脂基体, 是一种兼有良好韧性、 工艺性和耐 150 高温的改性 BM I树脂, 固化温度
表 1 测试项目 及测试标准一览表
测试 项目
符号, 单位
常温
- 196
+ 150
测试方法
层间剪切强度 (M P a) 0∃弯曲强度 (M P a) 0∃弯曲模量 (M P a)
ib, M pa
f b
,
M pa
Ef, Gpa
#
#
#
#
#
#
#
GB /T3357 1999
# GB /T3356 1999
#
热膨胀系数 0∃ 热膨胀系数 90∃
( 3) 从弯 曲弹性模量测 试数据 ( 比较平均 值 ) 看, 低温下模量较常温强度要高, 高温时模量略有下 降, 与强度变化规律一样。两种树脂的弯曲弹性模 量在常温、极端低温和极端高温数值大小均相当。
( 4) 从层间剪切强度测试数据 (比较 A 基准值 ) 看, 两种树脂复合材料在极端低温下的层间剪切强 度较常温均略有下降, 高温时, 5405树脂复合材料 略有下降, 5224树脂复合材料略有上升。在整个温 度范围内, 5405树脂复合材料的层间剪切强度变化 幅度为 6. 4M pa, 5224树脂复合材料的层间剪切强 度变化幅度为 7. 4M pa, 均值和变化幅度均在正常范
碳纤维编织复合材料技术在羽毛球拍制造中的应用
材料科技与应用II畫驚器g创药钦翳〃©测收稿日期：2020-09-23作者简介：杨磊（1981-）男，陕西人，硕士，讲师，研究方向：体育科学。
碳纤维编织复合材料技术在羽毛球拍制造中的应用杨磊（西安医学院，西安710021）摘要:传统材料在应用羽毛球拍制造中，耐磨性差,使用寿命短。
为了解决这一问题，阐述了破纤维复合材料在羽毛球拍制造中的应用，分析了碳纤维编织复合材料的性能优势，通过与传统材料进行对比，阐述了碳纤维编织复合材料的性能特点。
探讨了碳纤维编织复合材料在羽毛球拍制造中的应用，紧接通过实验分析，与使用传统材料制作的羽毛球拍进行性能上的对比分析，结果表明，碳纤维编织复合材料所拥有的独特性能能够完美的适应羽毛球拍的制作需要，并且极大的提升了羽毛球拍的质量。
关键词:碳纤维编织复合材料;羽毛球拍;复合材料技术;材料应用中图分类号:TQ327.3文献标识码:A文章编号:1001-5922（2021）02-0063-04Application of Carbon Fiber Braided Composite MaterialTechnology in the Manufacture of Badminton RacketsYang Lei(Xi'an Medical Universit:y,Xi'aii710021,China)Abstract:Traditional materials have poor wear resistance and short service life in the manufacture of badminton rackets.In order to solve this problem,the application of carbon fiber composite materials in the manufacture of badminton rackets is described.The performance advantages of carbon fiber braided composite materials are analyzed.By comparing with traditional materials,the performance characteristics of carbon fiber braided composite materials are described.The application of carbon fiber braided composite materials in the manufacture of badminton rackets was discussed,followed by experimental analysis,and a comparative analysis of performance with badminton rackets made with traditional materials.The results show that the unique properties of carbon fiber braided composite materials can be perfect meets the production needs of badminton rackets,and greatly improves the quality of badminton rackets.Key words:carbon fiber braided composite material;badmintoii racket;composite material technology;material application0引言近年来，对于碳纤维材料的使用越来越频繁，碳纤维因为其外柔内刚的特点，被应用于多个领域，碳纤维的质量很轻，但强度远远高于那些被经常使用的材料，例如钢铁等叫碳纤维通常以不同形式应用在各个领域中，主要应用在布料、预浸料以及切短纤维产品中。
复合材料 计算
复合材料计算
复合材料是由两种或两种以上材料组成。
每种材料的物理和机械性能可以各不相同，但是通过巧妙的组合和设计，复合材料可以达到一个单一材料无法实现的效果。
对于复合材料的计算，我们需要考虑以下几个方面：
单位体积的质量：单位体积的质量是复合材料的一个重要参数，它可以帮助我们了解材料的密度。
公式为：密度= 总质量/ 总体积。
弹性模量：弹性模量是描述材料在受力时抵抗弹性变形的能力。
公式为：E = (1 + v) * (1 - 2v) * E1 * E2 / (1 + v) * (100 * E1 - 20 * E2) + v * (1 - v) * (100 * E2 - 20 * E1) / (1 - v) * (100 * E1 + 100 * E2)，其中E 是复合材料的弹性模量，E1 和E2 是基体和增强体的弹性模量，v 是泊松比。
剪切模量：剪切模量是描述材料在剪切力作用下的刚度。
公式为：G = (v/B) * [(E1 * E2) / (E1 + E2)]，其中G 是剪切模量，v 是泊松比，B 是基体的剪切模量，E1 和E2 是增强体和基体的弹性模量。
强度和韧性：复合材料的强度和韧性取决于基体和增强体的性质以及它们之间的界面结合强度。
可以通过实验方法测定这些参数。
热膨胀系数：热膨胀系数是描述材料在温度变化时膨胀或收缩的程度。
公式为：α= αm * Vm + αf * Vf，其中α是复合材料的热膨胀系数，αm 和αf 是基体和增强体的热膨胀系数，Vm 和Vf 是基体和增强体的体积分数。
以上是一些常见的复合材料计算公式和方法，具体应用时需要根据实际情况选择合适的公式进行计算。
碳纤维 负热膨胀系数
碳纤维负热膨胀系数碳纤维的神奇特性：负热膨胀系数揭秘在我们日常生活中，大部分物质都有一个共同的特点：随着温度的升高，它们会膨胀。
这是因为热能使得物质内部的微粒运动加剧，导致微粒之间的平均距离增大，从而使整个物质体积变大。
然而，在材料科学的奇妙世界里，却存在着一些“不合群”的材料，它们在受热时反而会收缩，这种特性被称为负热膨胀性。
碳纤维，作为一种高性能的复合材料，就展现出了这种令人着迷的负热膨胀系数特性。
什么是碳纤维负热膨胀系数？首先，我们来了解一下什么是热膨胀系数。
热膨胀系数是描述物质在温度变化时体积发生变化的物理量。
对于大多数物质来说，这个系数是正的，意味着温度升高时体积会膨胀。
但是，碳纤维却是一种具有负热膨胀系数的材料，也就是说，在一定温度范围内，当碳纤维受热时，它的体积不仅不会膨胀，反而会收缩。
碳纤维负热膨胀系数的原理碳纤维之所以展现出负热膨胀系数，是因为其独特的微观结构。
碳纤维由长而细的碳晶体组成，这些晶体在纤维轴向上高度取向。
当碳纤维受热时，这些碳晶体之间的相互作用力会发生变化，导致纤维在轴向上发生收缩。
需要注意的是，并非所有方向上的热膨胀系数都是负的，碳纤维通常在纤维轴向上表现出负热膨胀性，而在垂直于纤维轴的方向上则可能表现出正常的正热膨胀性。
碳纤维负热膨胀系数的特点1.各向异性：如前所述，碳纤维的负热膨胀性主要表现在纤维轴向上，这是一种典型的各向异性特性。
2.温度依赖性：负热膨胀系数通常在一定温度范围内才显著，超出这个范围，碳纤维可能会表现出正常的正热膨胀性。
3.可设计性：通过调整碳纤维的制备工艺和微观结构，可以在一定程度上调控其负热膨胀系数的大小和温度范围。
碳纤维负热膨胀系数的应用领域碳纤维的负热膨胀系数特性使得它在许多高精尖领域都有着广泛的应用。
1.航空航天：在航空航天领域，精密仪器的尺寸稳定性至关重要。
碳纤维复合材料可用于制造需要高精度且对温度变化敏感的部件，如卫星天线、望远镜镜筒等。
常见材料热膨胀系数解析
常见材料热膨胀系数解析常见材料热膨胀系数解析引言：热膨胀是物体在温度变化时展现出的一种性质，也是工程设计和材料选择中不可忽视的因素。
随着温度的升高，物体的尺寸会发生改变，这可能会对工程结构的稳定性和性能产生重要影响。
理解和掌握常见材料的热膨胀系数是非常重要的。
一、热膨胀系数的概念和定义热膨胀系数是一个描述物体在温度变化时膨胀程度的物理量，通常用符号α表示。
它定义为单位温度变化下单位长度的线膨胀或体膨胀量。
常见的热膨胀系数单位是°C⁻¹。
二、常见材料的热膨胀系数1. 金属材料：金属是一类导热性能较好的材料，它的热膨胀系数一般比较大。
铝的热膨胀系数为22.2×10⁻⁶ °C⁻¹，而钢的热膨胀系数在10×10⁻⁶ - 13×10⁻⁶ °C⁻¹之间。
在工程设计中使用金属材料时，需要考虑温度变化对构件的影响。
2. 石材和混凝土：石材和混凝土是建筑工程中常用的材料，它们的热膨胀系数比金属要小。
石材的热膨胀系数在5×10⁻⁶ - 11×10⁻⁶ °C⁻¹之间，混凝土的热膨胀系数约为10×10⁻⁶ °C⁻¹。
这种相对较小的热膨胀系数使得石材和混凝土在温度变化下变形较小，更适用于建筑结构的使用。
3. 塑料和橡胶：塑料和橡胶是热膨胀系数较大的材料。
由于它们的热膨胀系数较高，温度变化会导致较大的变形。
在使用塑料和橡胶制品的工程中，需要考虑温度变化对构件的影响，特别是在高温环境下。
4. 玻璃：玻璃的热膨胀系数比较小，一般在8×10⁻⁶ - 10×10⁻⁶ °C⁻¹之间。
这使得玻璃在温度变化下变形较小，适用于长时间稳定性要求较高的工程结构和仪器设备。
三、热膨胀系数的影响和应用1. 工程设计中的考虑：在工程设计中，材料的热膨胀系数需要考虑作为一个重要的参数。
各种材料的膨胀系数
各种材料的膨胀系数膨胀系数是一个材料在温度变化时的膨胀程度的度量。
温度升高会导致材料体积膨胀，反之则会导致材料体积收缩。
不同材料的膨胀系数是不同的，下面将介绍几种常见材料的膨胀系数。
1.金属材料：-铝材：膨胀系数为23.1×10^-6/℃。
铝材是一种轻质金属，常用于制造航空器、汽车部件等。
-铜材：膨胀系数为16.7×10^-6/℃。
铜具有良好的导电和导热性能，常用于电器线路和管道。
-钢材：膨胀系数为12×10^-6/℃。
钢材是一种常用的结构材料，具有较高的强度和耐久性。
2.非金属材料：-混凝土：膨胀系数为10×10^-6/℃。
混凝土是一种常用的建筑材料，其膨胀系数较小。
-陶瓷：膨胀系数因不同种类而异，一般在4-10×10^-6/℃之间。
陶瓷是一种烧结材料，用于制造瓷器、卫生洁具等。
-玻璃：膨胀系数因不同类型而异，一般在5-10×10^-6/℃之间。
玻璃是一种无机非晶体材料，具有较低的膨胀系数。
-塑料：膨胀系数因不同类型而异，一般在60-400×10^-6/℃之间。
塑料是一种常见的可塑性材料，应用广泛。
3.复合材料：-碳纤维复合材料：膨胀系数因不同类型而异，一般在1-2×10^-6/℃之间。
碳纤维复合材料具有高强度、高刚度和低密度等优点，广泛应用于航空航天、汽车和体育器材等领域。
-玻璃纤维复合材料：膨胀系数因不同类型而异，一般在5-10×10^-6/℃之间。
玻璃纤维复合材料具有良好的耐腐蚀性能和较低的膨胀系数，用于制造船舶、储罐和管道等。
此外，需要注意的是，材料的膨胀系数还受到其他因素的影响，如材料的晶格结构、化学成分等。
因此，在实际应用中，需要根据具体材料和使用条件来选择合适的材料。
复合材料细观力学-1
补充方程
~ f (S I ) * ~ f ' fC 0 (S I ) *
复合材料内部体平均应变场
* A 0
A {C0 (C1 C0 )[ fI (1 f )S]}1(C0 C1)
(1 f ) (0) f (1) 0 f * (I f A)C 01 0
复合材料性能和损伤破坏规律取决于
组分材料性能 微细观结构特征
复合材料结构设计
复合材料本身是非均质、各向异性材料， 因此复合材料力学在经典非均匀各向异性 弹性力学基础上迅速发展。复合材料不仅 是材料，更确切的说是结构
以纤维增强的层合板结构为例，复合材料 设计可分为三个阶段：
追溯到19世纪爱因斯坦关于两种不同介电性能的电介 质组成的复合电介质等效介电常数预报问题。
50年代----70年代 80年代快速发展 90年代不可缺少
参考教程
杜善义、王彪 《复合材料细观力学》科学出版社 1997 Mura T. Micromechanics of defects in
已知
' S1 * 2 S2 **
将（4）是代入（1，3）式中
* [(C f Cm )(S1 I ) C f ]1[(C f Cm )~ (C f Cm )(S1 I ) *]
** (S2 I )1~
由材料内部扰动应力自 平衡（背应力法）得：
2.1Eshelby相变问题
将应变分解为两部分
ij
eij
* ij
扰动应变 本征应变
根据虎克定律，弹性体应力场
ij
Cijkl (kl
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纤维复合材料的热膨胀系数(1)复合材料学报ACTA MATERIAE COMPOSITAE SINICA 文章编号:1000-3851(2002) 03-0124-03第19卷第3期 Vol. 19 No. 36月 2002年 2002J une纤维复合材料的热膨胀系数王培吉, 范素华(山东建材学院物理系, 济南250022)摘要: 提出了一种利用压电光声技术测量材料热膨胀系数的实验方法, 并测试了单向复合材料C/C 、C/Al 的横向、纵向的热膨胀系数。
根据已有的理论计算方法与实验结果对该方法的测试结果进行验证, 证明了该检测方法的可靠性, 进而又测量了C /C 、C /Al 材料在任一方向上的热膨胀系数。
这种方法克服了理论计算过程复杂以及常规手段无法测量任一方向上热膨胀系数的缺陷。
关键词: 热膨胀系数; 压电光声技术; 复合材料中图分类号: TB332; O482. 2 文献标识码:ATHERMAL EXPANS ION COEFFICIENT OF FIBER COMPOS ITESWANG Pei-ji, FA N Su-hua(Dept . of Physics , Shandong Institute of Building Materia l , J ina n 250022, China )Abstract: The thermal expansion coefficients of fiber composites are studied in this pa per. A method of mea suring the therma l expansion coefficient by piezoelectric photoa coustic technique was proposed . An intensity-modulated Ar la ser beam wa s used as the incident light. The beam was focused on an a bout 1μm dia meter spot and illumina ted collinearly the sa mple surface . Using the technique , piezo-electric photoacoustic signals a s a function of different frequencies were experimentally measured. The therma l expansion coefficients can be obtained by fitting the experimenta l data . On the other hand , the therma l expansion coefficients of one-wa y composite C/C a nd C/A l in the tra nsverse, longitudinal directions were mea sured . The mea sured results a re reliable by compa ring with other ca lcula tion methods a nd experimental results. Thermal expa nsion coefficients in arbitrary directions of C/C a nd C /A were given . The defects of the theoretica l calcula tion method , which is complica ted and by which the thermal expa nsion coefficient in arbitrary directions ca n not be measured, are overcome. Key words : therma l expansion coefficient ; piezoelectric photoacoustic technique ; composite 纤维复合材料特别是碳纤维复合材料, 由于其优越的性能, 在航空、电子封装等方面得以广泛应用[1, 2]+本文中将利用压电光声检测技术测量单向纤维复合材料的横向、纵向的热膨胀系数, 并将测量结果与现有的理论计算结果进行比较。
在此基础上, 进一步测量材料任一方向上的热膨胀系数。
众所周知, 复合材料性能的优劣, 热膨胀系数是衡量其性能的一个重要方面。
而获得热膨胀系数的方法有:(1) 通过实验测量, 常用的方法有光学干涉法、机械法与电学法等; (2) 理论计算, 目前还没有一个统一的计算公式, 同一种材料对不同的计算公式有时相差很大, 并且无论是理论计算, 还是实验测量都只能给出横、纵向的结果。
压电光声技术是近几年来发展起来的一种无损检测技术, 它具有实验简单、灵敏度高等特点, 能够检测不同条件下材料的光声信号, 进而测量出材料的各种性能。
因而,[3, 4]1 原理1. 1 测试原理当一束经过频率f 调制的激光照射到试样上时, 试样由于部分或全部吸收了光能, 而将光能转变为交变的热能; 试样吸热之后产生膨胀或压缩, 从而产生形变, 形变引起的弹性波传到压电传感器; 压电传感器在交变外力作用下, 产生了交变的压电信号收稿日期:2000-10-08; 收修改稿日期:2001-02-05作者介绍:王培吉(1965) , 男, 硕士, 副教授, 主要从事材料性能的测量及其机理分析的研究。
输出, 这就是光声信号; 当试样为光学不透明材料时, 压电传感器检测到的光声信号为P =MT 0kcdl[5](1)式中:P 为压电光声信号, T T 为试样的热膨胀系数, p 0为光功率, c 为试样的比热, d 为试样的密度, M 为与换能器有关的常数, l 为试样的厚度, k=2πf 为激光调制圆频率。
在不同频率下检测试样的光声信号, 根据所检测到的光声信号, 利用上式即可拟合出材料的热膨胀系数。
1. 2 实验测试图1为压电光声技术测量材料热膨胀系数的实+验装置图。
约1. 5W 的Ar 激光器经PAR192型斩波器调制后入射到平面反射镜上,光束经反射和聚焦后射入压电传感器中的试样上, 压电传感器所检测到的光声信号经5204型锁相放大器后进入计算机进行数据处理; 反射镜和聚焦透镜固定在同一步进电动机上,步进电动机的移动由计算机控制; 这样, 根据入射到试样上的不同频率和步进电动机不同的移动方向, 即可检测出试样在不同频率下不同方向上的光声信号, 从而测量出试样的热膨胀系数。
为保证试样与压电材料之间有良好的耦合, 采用了如图2所示的传声腔结构, 激光束通过窗口入射到试样上, 试样与压电材料之间的耦合剂为硅油; 弹簧的作用是使传感器与试样之间始终保持紧密的接触, 这样保证能量能够较好地传输。
同时, 为了减少外界对信号的干扰以及提高测量的精确度, 一方面, 对传声器加了屏蔽罩, 另一方面利用计算机控制步进电动机的转速和采样速率, 使每个数据点均是五次采样的平均值。
图2 压电传声器结构示意图Fig. 2 Schematic of piezoelectric microphone structure1. 3 测试结果在不同的频率下测量出试样的压电光声信号, 根据公式(1) 即可拟合出各试样的热膨胀系数。
测量时, 首先测量试样横向、纵向的热膨胀系数, 沿某一方向每间隔1mm 测量一个点, 共测量5个点, 每个数据点由式(1) 利用最小二乘法的误差最小原则, 即可拟合出试样在该点处的热膨胀系数, 每个方向上的测量值是5次测量的平均值, 表1给出了各试样横向与纵向的拟合结果。
2 讨论与分析当纤维与基体在同一方向上其性能均为同性的[3][4]前提下, Scha pery 和Rosen &Hashin 分别提出了不同的计算方法。
Schapery(SC) 的计算公式为f f f m m m f f m mL =L V +E T V ) /(E L V +T (E L T E V ) (2) T T =(1+_m ) T m V m +(1+_f Lt ) T f L V f -T L _LT (3)图1 压电光声检测技术结构示意图Fig . 1 Schematic of piezoelectric photoacoustic detection technique表1 各试样横向、纵向热膨胀系数的实验结果Table 1 Experimental results of thermal expansion coefficients in transvers e 、longitudinal directions of composite×10-6℃-Piezoelectricphotoacoustic methodCompositeDetecting directionExperimental Fitting results errors Q/%C/C C/AlT ransverse Longitudinal T ransverse Longitudinal7. 360. 687. 560. 272. 381. 891. 752. 051Experimental result of T P [6]Calculated value of RH method Calculated value of SC method7. 620. 737. 750. 317. 750. 827. 690. 375. 230. 548. 780. 47式中:E 为试样的弹性模量, T 为试样的热膨胀系数, _为材料的泊松比; 下标L 和T 分别表示沿纤维方向(纵向) 和垂直纤维方向(横向) , 上标m 和f 分别表示基体和纤维, V 和V 分别表示纤维和基体的体分比。
Rosen &Ha shin(RH) 的计算公式为f mT L =T L +(T k l -T k l ) P ij kl (S ij 11-S ij 11) (4)f mT T =T T +(T kl -T kl ) P ij kl (S ij 22-S ij 22) (5)f m式中:四阶张量P ij kl 满足P k lr t (S r tij -S rtij ) =I ij kl , i, j , fm由于压电光声技术在测量材料横、纵方向上的热膨胀系数时是准确可靠的, 因而所测得的任一方向的热膨胀系数也应是准确的, 同时该实验结果也符合热膨胀系数随测试角度(测试方向与纤维方向所成的角度) 的增加而增大的规律。