复合材料的增韧技术

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复合材料: 优点及用途
复合材料: 优点及用途
复合材料用途- 空客 A380
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韧性怎样评估?
应力密度因子: KIC 应变能量释放率: GIC, GIIC, GIIIC 应用特性
裂纹扩展的不同模式—模式 I:拉伸开裂, 模式 II: 滑移 或面内剪切, 模式III: 撕裂或反面剪切
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损失最小化)
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复合材料的增韧
复合材料的优点:
比强度和比模量高 耐腐蚀和抗疲劳 增加设计的灵活性 破损容限
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复合材料的增韧
高聚物第一代 – 橡胶增韧
表示:
模式I:平面应力 模式I:平面应变 模式II:平面应力 模式II:平面应变
形成空 腔的颗 粒
颗粒边界距离
剪切带
裂纹
形成区(应力集中区)
在或靠近区域内裂纹起点和 “外来”相 尺寸和形状: 取决于载荷和材料 多种增韧机制 裂纹阻止 颗粒形成空腔 和剪切带 基体剪切产生(塑性变形) 颗粒架桥 (延展颗粒及强力粘合) 裂纹阻止, 转移和微裂纹 (在延展性体系中很小)
复合材料: 优点及用途
复合材料用途- 可实现因素
材料成本 (复合材料制件
% Composite
60 50 40
• • •
成本) 设计及分析工具
技术成熟度 制造设施 自动化制造方法
30 20 10
787 represents a step-change in composite usage. ? Airbus targeting increased usage on A350 and evaluating technologies for A3XX that will match 787 in composite usage. 50% composite usage will be the starting point for future aircraft…but composite technology must enable the sustained usage.
陶瓷复合材料第一代: 颗粒增韧
玻璃 – 陶瓷: 可加工和极好的耐热冲击性 增韧: 微晶 (3维 晶须) 裂纹转移, 阻止, 架桥, 等.
橡胶架桥
应力集中 区
橡胶改性环氧的不同增韧机制 塑性或形成区的直径是2ry
FJ McGarry et al., Org. Coat. Plast. Chem., 28 (1) 512, 1968. 14
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0
1975
757
1980
1985
1990
1995
2000
2005
2010
2015
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类型: 连续纤维增强复合材料
金属基体
铝基和硼或碳化硅纤维
陶瓷基 碳,硼, 碳化硅纤维增强碳化硅基体 水泥基体
纤维素纤维(或石棉)增强水泥基体 高聚基体 热塑型(聚醚醚酮, 聚醚酮酮, PEI) 热固型
— 加成反应固化(环氧, 氰酸盐, 双马) — 缩合反应固化(聚酰亚胺, 酚醛)
复合材料的增韧
活性液体高聚物 断裂表面
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777 MD90
1980
1985
1990
1995
2000
2005
2010
2015
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韧性测试方法 GIC (层间拉伸); GIIC (层 间剪切/短梁剪切); 疲 劳 CAI; GIC; GIIC 热循环 打钉子; 弯曲; 冷冻/解 冻循环
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高温发动机零件(如,
叶片,内衬)
高聚物复 合材料
(碳纤维)
航空航天主承力及 次承力结构 建材
(如, 侧墙)
水泥符合 材料
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复合材料: 优点及用途
复合材料用途- 波音 787 梦幻客机
碳层压板 碳夹层结构 玻璃 铝 铝/钢/钛吊挂
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复合材料的增韧
形成区 (应力区)
空腔区
塑性剪切区
裂纹起点
裂纹扩展的过程: 空腔区首先形成 (在列为起点前), 接着是空腔间的剪切滑移线提高裂纹增长的生成抵 抗能力 在裂纹起点后面塑性剪切区形成 提高裂纹增长的扩展抵抗能力 形成区的整体尺寸 复合材料韧性
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复合材料: 优点及用途
用途
60
787-X
50
787 A30X
% 复合材料
40
A350
30 20
A320 A380
A321 A340 A310 767 MD80 757 A300 737-300 MD11 747-400 A330
取决于低成本,耐久,多 功能高效能复合材料 体系的技术发展
10 0
1975
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复合材料的增韧
活性液体高聚物
活性液体高聚物 刚开始时在环氧中是可混合的 随着固化的进行活性液体高聚物 作为分散橡胶相沉淀出来 相的分离可以通过聚集和增长的方式或者通过螺旋分解的方 式进行 结构形态取决于反应动力 韧性是橡胶体积比, 颗粒尺寸和分布的函数 通常寻求橡胶分散相的体积比最大化(例如,模量和玻璃化转化温度
复合材料的增韧
高聚物的冲击破损
生成 层间裂纹 分层 扩展 分层范围
侧壁分层及韧性 1. 临界失效应力(Hertzian 失效)
2. 冲击破损区 侧壁分层裂纹增长 “蝴蝶 ”型分层 层中旋转型分层
渗透 纤维断裂
转 移 量
I: 向纤维 II: 向 纤维
X 或 Y 方向
混合模式: I, II 和 III
From Prof. Albert Yee at UCI.
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复合材料的增韧
复合材料增韧的发展
高聚物复合材料
第一代: 橡胶 橡胶增韧 第二代: 热塑性塑料 热塑性塑料颗粒 共存连续热塑性塑料相 第三代 层间颗粒增韧
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低速冲击后层压复合材料制件的耐破损机理 Copyright 2008 by Cytec Engineered Materials, Published by Society for the Advancement of Material and Process Engineering with permission 11
A320 A340 A310 767 MD11 A300 737-300 747-400 MD90 MD80 A321 A330 777
787-X 787 A30X
A350
A380
(自动铺带, 纤维自动铺贴, 等)
性能(提高破损容限)
Dependant on technology for affordable, durable, multifunctional high performance composite systems
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复合材料的增韧
韧性=耐裂纹的发生和扩展能力
耐裂纹的发生能力: 抗击缺陷增长开始的能力 耐裂纹扩展能力: 材料阻止已有裂纹发展的能力.
冲击容限
耐冲击性: 就是材料在一定的冲击下所产生的破损量最小的一种能力 冲击破损容限: 就是材料在一定破损状态下对结构性能产生影响最小的一
种能力
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复合材料的增韧
韧性要求/ 评估与应用
由应用和设计驱使的韧性度量
模拟型/可能失效机制 韧性测试 (具有相关性且易于实施)
基体性能:典型设计驱使者(制约) 纤维性能和铺放:改善韧性避免突然失效
应用范例 陶瓷复合 材料
(碳化硅/碳 化硅)
关键Baidu Nhomakorabea效模式 (设计驱使者) 微裂纹(拉伸载荷) 和分层 (层 间张力及剪力); 氧化(寿命) 弯曲(压缩); 冲击破损(BVID) (安全) 从地面/天棚分层; 及在紧固件 处断裂(耐久性)
复合材料增韧
进展, 挑战和机遇
Jason Huang
氰特工程材料公司
2008年 2 月 24 – 27 日
概述
类型: 连续纤维增强复合材料 复合材料: 优点和用途 复合材料增韧 CYCOM® 977增韧环氧家族 层间增韧 其他增韧方法 挑战
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