复合膜材料范文（精选12篇）
复合膜材料 第1篇
1 聚酰胺复合膜
聚酰胺(PA)复合膜一般由无纺布层,支撑层和选择性活性层组成,膜的支撑层材料一般有聚砜(PSF)、聚醚砜(PES)、聚丙烯腈(PAN)、聚氯乙烯(PVC)、混合纤维素酯等。聚砜和聚醚砜均廉价无毒、耐酸碱、机械强度高,表现出优良的热稳定性和化学稳定性,是目前较为普遍的两种膜材料。聚酰胺复合膜的选择性活性层主要是通过反应单体脂肪族/芳香族胺(如间苯二胺、哌嗪、对苯二胺)和酰氯(如均苯三甲酰氯、间苯二甲酰氯)间的界面聚合反应合成的,其中最典型的是间苯二胺(MPD)和均苯三甲酰氯(TMC)界面聚合制得的聚酰胺复合膜。
2 纳米材料改性聚酰胺复合膜
(1)二氧化钛(Ti O2)Ti O2成本低、化学性质稳定且无毒,其表现出了极佳的亲水性和光催化性,具有杀菌功能、防紫外线功能以及自清洁功能。Ti O2由于其超亲水性和抑菌性被众多研究者应用于复合膜的改性中,Jeong等人将纳米Ti O2通过界面聚合过程引入到聚酰胺层中[1],Fan等人分别将不同量的Ti O2分散在水相或油相中,通过界面聚合方法制备Ti O2/聚酰胺反渗透复合膜[2]。扫面电镜图谱结果表明,当Ti O2添加到水相中时,其同时存在于聚酰胺复合膜功能层的底层以及聚砜基膜的指状孔道中。当添加到有机相中时,复合膜表面结构致密,峰谷结构明显,可在功能层的表面观察到其的存在。同时相比于水相中的引入,在有机相中引入Ti O2能更好地提高膜分离性能,并在紫外光照下对大肠杆菌表现出良好的杀灭性能。
Lee等人将有机相的正己烷换成二氯一氟乙烷(HCFC),以更好地分散纳米Ti O2(0-10wt%)[3]。实验结果表明,当Ti O2的配比从0增加到5wt%,膜通量略有下降而对Mg SO4的截留有所上升。但当Ti O2的配比进一步增加到10wt%时,由于膜通量的显著提升,截盐率下降到了<5%的水平。
为了降低Ti O2颗粒在膜表面的团聚,rajaeian等人使用氨基硅烷偶联剂双[3-(三甲氧基硅基)丙基]乙二胺(AAPTS)对Ti O2颗粒表面进行改性[4],进而应用到界面聚合过程。Ti O2表面存在的硅烷官能团能有效地降低Ti O2颗粒和聚集粒子之间TiO-Ti氧桥键的形成概率。由于改性纳米颗粒在非极性溶液中不存在分散质量的讨论,故将改性的纳米Ti O2颗粒投加到MPD水溶液中,而非正己烷有机相中。实验结果表明,改性Ti O2纳米颗粒的引入提高了膜的水通量,当Ti O2的质量比从0.005wt%增加到0.1wt%,复合膜TFC的水通量从11.2 L m-2h-1提升到13.2 L m-2h-1,改性复合膜TFN的水通量从20 L m-2h-1提升至27 L m-2h-1。
(2)氧化石墨烯(GO)氧化石墨烯(GO)为单一的原子层结构,其带有的羧基、环氧基、羟基等官能团,加入到膜材料中,能够增加TFC膜的亲水性,获得较高的过水通量,同时膜表面和水之间的界面能较低从而阻碍了污染物在膜表面的沉积。
Myoung Jun Park等人将GO纳米颗粒引入到复合膜的支撑层聚砜(PSf)层中[5],得到PSf/GO支撑层,进而通过界面聚合在支撑层上制得PA层,获得聚酰胺复合膜。实验结果表明,加入0.25wt%的GO能使PSf/GO支撑层获得更好的结构性能,包括厚度、孔隙率和孔径等。GO的引入显著的提高了复合膜的水通量,并且更有利于PA层的形成(PA/PSf/GO膜的通量为19.77 L m-2h-1,PA/PSf膜的通量为6.08 L m-2h-1)。
Saira Bano等人将GO纳米颗粒引入到水相中[6],通过界面聚合制得聚酰胺复合膜,提高了膜的过水通量和抗污染性能,并成功地应用于海水淡化工艺上。实验结果表明,引入0.2wt%的GO制得的PA/GO膜的水通量增加到单纯PA膜水通量的1.25倍,且截盐率的变化很小可以忽略不计。
Jun Yin等人则是在在界面聚合过程中将GO纳米颗粒引入到有机相中[7],使得GO在PA层上均匀分布,改善了膜的性能。当GO的配比从0增加到0.015wt%,膜的水通量从39.0±1.6 L m-2h-1提高到59.4±0.4 L m-2h-1,而Na Cl和Na2SO4的截留分别从95.7±0.6%降至93.8±0.6%,98.1±0.4%降至97.3±0.3%。GO纳米片层间距可作为水通道从而增强膜的水渗透性。
(3)纳米沸石纳米沸石是指晶粒大小在1nm~100nm之间的沸石,其具有较大的外比表面积和较高的晶内扩散速率,具有较高的反应活性和表面能,能够提高催化剂的利用率,增强大分子转化能力并且提高选择性。不同的研究结果表明,纳米沸石的类型对水通量提高的影响各异,同时界面聚合的条件也会影响膜的水通量。Lind等人[8]的研究表明,运用尺寸较小的纳米沸石(~100nm)改性聚酰胺膜能获得更高的水通量,而运用尺寸较大的纳米沸石(~300nm)则能增加膜的负电荷,获得更优的表面性能。这可能由于PA表面形态不规则,厚度一般为100~500nm[9]。虽然目前许多研究表明,在PA层合成过程中大量引入纳米材料(﹥1wt%)可能会导致功能层上发生颗粒团聚而使膜产生明显缺陷从而降低截盐效果,但也不排除存在其他可能降低分离性能的因素。
(4)其他纳米材料除了上述三种纳米材料,其他类型的纳米材料包括铝硅酸盐单壁碳纳米管(SWNTs),二氧化硅(Si O2)和金属醇盐都被应用于聚酰胺复合膜的改性。这些研究均表明,纳米材料改性所得的聚酰胺复合膜具有更好的性能,表现出较高的水通量、良好的抗污染性能,也为纳米材料改性聚酰胺复合膜的定量奠定了基础。
3 纳米材料改性聚酰胺复合膜的挑战
尽管在过去十年间,纳米材料改性的聚酰胺复合膜在水处理过程中表现出了巨大的潜能,目前此类膜依然存在一些问题和挑战。
首先成膜过程中PA层上纳米颗粒发生的团聚现象,会降低纳米材料的有效表面积,甚至可能导致PA结构的缺陷。这主要是因为纳米颗粒具有巨大的比表能,在溶液中(水相或有机相)的分散率较低。其次,相比于有机相,亲水性纳米材料可以更好地分散在水相中,在界面聚合过程中,通常通过柔软的橡胶辊去除基膜表面过量的水相溶液,这时大量的纳米颗粒可能伴随胺溶液一起被除去,只留下少量的纳米颗粒。另外,纳米材料和PA膜之间缺乏相互化学作用,可能使得纳米材料在界面聚合过程或者过滤过程中易滤出,从而降低了改性聚酰胺膜的效率和性能。从以往的研究成果中我们不难发现,无机纳米材料和有机PA膜之间的不相容性普遍存在,然而少有研究探讨过纳米材料的滤出和在膜上的物理相互作用、化学表面结合等。所以,PA膜和功能性纳米材料之间分子相互作用的研究是值得特别关注的问题。
摘要：为了获得更高性能的聚酰胺复合膜,无机纳米材料常被应用于膜的改性。本文综述了纳米材料改性聚酰胺复合膜的研究进展,将纳米材料引入到聚酰胺薄层中能使膜获得更好的分离性能,纳米材料的改性还能使膜表现出更佳的抗污染性、耐氯性、抗菌性。另外,本文还提出了纳米材料改性聚酰胺复合膜所面临的挑战。
关键词：纳米材料,聚酰胺复合膜,界面聚合,亲水性,抗污染性
参考文献
[1]JEONG,B.-H.et al.Interfacial polymerization of thin film nanocomposites:a new concept for reverse osmosis membranes.Journal of Membrane Science,v.294,n.1,p.1-7,2007.ISSN 0376-7388.
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[3]LEE,H.S.et al.Polyamide thin-film nanofiltration membranes containing TiO_2 nanoparticles.Desalination,v.219,n.1,p.48-56,2008.ISSN 0011-9164.
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[5]PARK,M.J.et al.Graphene oxide incorporated polysulfone substrate for the fabrication of flat-sheet thin-film composite forward osmosis membranes.Journal of Membrane Science,v.493,p.496-507,2015.ISSN 0376-7388.
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[7]YINJ.;ZHU,G.;DENG,B.Graphene oxide(GO)enhanced polyamide(PA)thin-film nanocomposite(TFN)membrane for water purification.Desalination,v.379,p.93-101,2016.ISSN 0011-9164.
[8]LFND,M.L.et al.Influence of zeolite crystal size on zeolitepolyamide thin film nanocomposite membranes.Langmuir,v.25,n.17,p.10139-10145,2009.ISSN 0743-7463.
复合型材料 第2篇
机电工程系11数控3+2班 梁帅 22号
摘要：复合材料对现代科学技术的发展有着十分重要的作用。复合材料的研究深度和应用广度及其生产发展的速度和规模已成为衡量一个国家科学技术先进水平的重要标志之一。复合材料是现代科学技术不断进步的结果，是材料设计的一个突破；复合材料的发展同时又进一步推动了现代科学技术的不断步。
关键词： 分类 性能 应用 分类
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。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被广泛应用于航空航天、汽车、电子电气、建筑、健身器材等领域，在近几年更是得到了飞速发展。
复合材料是一种混合物。在很多领域都发挥了很大的作用，代替了很多传统的材料。复合材料按其组成分为金属与金属复合材料、非金属与金属复合材料、非金属与非金属复合材料。按其结构特点又分为：①纤维复合材料。将各种纤维增强体置于基体材料内复合而成。如纤维增强塑料、纤维增强金属等。②夹层复合材料。由性质不同的表面材料和芯材组合而成。通常面材强度高、薄；芯材质轻、强度低，但具有一定刚度和厚度。分为实心夹层和蜂窝夹层两种。③细粒复合材料。将硬质细粒均匀分布于基体中，如弥散强化合金、金属陶瓷等。④混杂复合材料。由两种或两种以上增强相材料混杂于一种基体相材料中构成。与普通单增强相复合材料比，其冲击强度、疲劳强度和断裂韧性显著提高，并具有特殊的热膨胀性能。分为层内混杂、层间混杂、夹芯混杂、层内/层间混杂和超混杂复合材料。
60年代，为满足航空航天等尖端技术所用材料的需要，先后研制和生产了以高性能纤维（如碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维等）为增强材料的复合材料，其比强度大于4×106厘米（cm），比模量大于4×108cm。为了与第一代玻璃纤维增强树脂复合材料相区别，将这种复合材料称为先进复合材料。按基体材料不同，先进复合材料分为树脂基、金属基和陶瓷基复合材料。其使用温度分别达250～350℃、350～1200℃和1200℃以上。先进复合材料除作为结构材料外，还可用作功能材料，如梯度复合材料(材料的化学和结晶学组成、结构、空隙等在空间连续梯变的功能复合材料)、机敏复合材料（具有感觉、处理和执行功能，能适应环境变化的功能复合材料）、仿生复合材料、隐身复合材料等。
性能
复合材料中以纤维增强材料应用最广、用量最大。其特点是比重小、比强度和比模量大。例如碳纤维与环氧树脂复合的材料，其比强度和比模量均比钢和铝合金大数倍，还具有优良的化学稳定性、减摩耐磨、自润滑、耐热、耐疲劳、耐蠕变、消声、电绝缘等性能。石墨纤维与树脂复合可得到膨胀系数几乎等于零的材料。纤维增强材料的另一个特点是各向异性，因此可按制件不同部位的强度要求设计纤维的排列。以碳纤维和碳化硅纤维增强的铝基复合材料，在500℃时仍能保持足够的强度和模量。碳化硅纤维与钛复合，不但钛的耐热性提高，且耐磨损，可用作发动机风扇叶片。碳化硅纤维与陶瓷复合，使用温度可达1500℃，比超合金涡轮叶片的使用温度（1100℃）高得多。碳纤维增强碳、石墨纤维增强碳或石墨纤维增强石墨，构成耐烧蚀材料，已用于航天器、火箭导弹和原子能反应堆中。非金属基复合材料由于密度小，用于汽车和飞机可减轻重量、提高速度、节约能源。用碳纤维和玻璃纤维混合制成的复合材料片弹簧，其刚度和承载能力与重量大5倍多的钢片弹簧相当。
应用领域
复合材料的主要应用领域有：①航空航天领域。由于复合材料热稳定性好，比强度、比刚度高，可用于制造飞机机翼和前机身、卫星天线及其支撑结构、太阳能电池翼和外壳、大型运载火箭的 壳体、发动机壳体、航天飞机结构件等。②汽车工业。由于复合材料具有特殊的振动阻尼特性，可减振和降低噪声、抗疲劳性能好，损伤后易修理，便于整体成形，故可用于制造汽车车身、受力构件、传动轴、发动机架及其内部构件。③化工、纺织和机械制造领域。有良好耐蚀性的碳纤维与树脂基体复合而成的材料，可用于制造化工设备、纺织机、造纸机、复印机、高速机床、精密仪器等。④医学领域。碳纤维复合材料具有优异的力学性能和不吸收X射线特性，可用于制造医用X光机和矫形支架等。碳纤维复合材料还具有生物组织相容性和血液相容性，生物环境下稳定性好，也用作生物医学材料。此外，复合材料还用于制造体育运动器件和用作建筑材料等。由于复合材料具有重量轻、强度高、加工成型方便、弹性优良、耐化学腐蚀和耐候性好等特点，已逐步取代木材及金属合金，广泛应用于航空航天、汽车、电子电气、建筑、健身器材等领域，在近几年更是得到了飞速发展。随着科技的发展，树脂与玻璃纤维在技术上不断进步，生产厂家的制造能力普遍提高，使得玻纤增强复合材料的价格成本已被许多行业接受，但玻纤增强复合材料的强度尚不足以和金属匹敌。因此，碳纤维、硼纤维等增强复合材料相继问世，使高分子复合材料家族更加完备，已经成为众多产业的必备材料。目前全世界复合材料的年产量已达550多万吨，年产值达1300亿美元以上，若将欧、美的军事航空航天的高价值产品计入，其产值将更为惊人。从全球范围看，世界复合材料的生产主要集中在欧美和东亚地区。近几年欧美复合材料产需均持续增长，而亚洲的日本则因经济不景气，发展较为缓慢，但中国尤其是中国内地的市场发展迅速。据世界主要复合材料生产商PPG公司统计，2000年欧洲的复合材料全球占有率约为32%，年产量约200万吨。与此同时，美国复合材料在20世纪90年代年均增长率约为美国GDP增长率的2倍，达到4%~6%。2000年，美国复合材料的年产量达170万吨左右。特别是汽车用复合材料的迅速增加使得美国汽车在全球市场上重新崛起。亚洲近几年复合材料的发展情况与政治经济的整体变化密切相关，各国的占有率变化很大。总体而言，亚洲的复合材料仍将继续增长，2000年的总产量约为145万吨，预计2005年总产量将达180万吨。
从应用上看，复合材料在美国和欧洲主要用于航空航天、汽车等行业。2000年美国汽车零件的复合材料用量达14.8万吨，欧洲汽车复合材料用量到2003年估计可达10.5万吨。而在日本，复合材料主要用于住宅建设，如卫浴设备等，此类产品在2000年的用量达7.5万吨，汽车等领域的用量仅为2.4万吨。不过从全球范围看，汽车工业是复合材料最大的用户，今后发展潜力仍十分巨大，目前还有许多新技术正在开发中。例如，为降低发动机噪声，增加轿车的舒适性，正着力开发两层冷轧板间粘附热塑性树脂的减振钢板；为满足发动机向高速、增压、高负荷方向发展的要求，发动机活塞、连杆、轴瓦已开始应用金属基复合材料。为满足汽车轻量化要求，必将会有越来越多的新型复合材料将被应用到汽车制造业中。与此同时，随着近年来人们对环保问题的日益重视，高分子复合材料取代木材方面的应用也得到了进一步推广。例如，用植物纤维与废塑料加工而成的复合材料，在北美已被大量用作托盘和包装箱，用以替代木制产品；而可降解复合材料也成为国内外开发研究的重点。
另外，纳米技术逐渐引起人们的关注，纳米复合材料的研究开发也成为新的热点。以纳米改性塑料，可使塑料的聚集态及结晶形态发生改变，从而使之具有新的性能，在克服传统材料刚性与韧性难以相容的矛盾的同时，大大提高了材料的综合性能。
总结
复合材料对现代科学技术的发展有着十分重要的作用。复合材料的研究深度和应用广度及其生产发展的速度和规模已成为衡量一个国家科学技术先进水平的重要标志之一。复合材料是现代科学技术不断进步的结果，是材料设计的一个突破；复合材料的发展同时又进一步推动了现代科学技术的不断步。可以预料，随着高性能树脂先进复合材料的不断成熟和发展、金属基、特别是金属间化合物基复合材料和陶瓷基复合材料的实用化、以及微观尺度的纳米复合材料和分子复合材料的发展，复合材料在人类生活中的重要性将越来越显著。
中国复合材料发展潜力很大，但须处理好以下热点问题。复合材料创新、聚丙烯腈基纤维发展、玻璃纤维结构调整、开发能源、交通用复合材料市场、纤维复合材料基础设施应用、复合材料综合处理与再生等方面。随着科学技术的发展，现代复合材料也将赋予新的内容和使命。21世纪将是复合材料的新时代。
参考文献
复合材料加工技术分析 第3篇
关键词： 复合材料加工技术加工难点 材料切削 零件结构工艺性差
中图分类号TU5文献标识码A
1 前言
碳纤维复合材料尤其是高性能、耐高温碳纤维复合材料因为它结构的可设计性、优良的性能、长寿命、减重等，在航空领域应用的越来越广泛。 加工复合材料是当前复材零件使用过程中周期比较长、成本比较高、风险比较大的工序之一。 在我国构建复合材料产业链还存在相当大的缺失，相关的配套加工技术也不太成熟，在复合材料的加工技术研究方面所投入的人力物力也相对不够，跟国外比较先进的机械切削加工技术研究相比有相当大的差距。正是因为复合材料在各方面日益广泛的应用，才使其加工工艺的研究受到越来越多的关注。
2 复合材料加工技术的分析
复合材料是一种多相材料，所谓多相是指两种或者两种以上的组织或者化学性能的材料，而复合材料就是将多相材料经过各种加工方法加工而成。复合材料所含有的两相为增强相与基体相。复合材料有两种机械加工方法，即常规加工和特种加工两种方法。常规加工工艺与金属加工的方法相同，加工方法相对简单，工艺相对较为成熟。然而，当加工复杂工件的时候会对切削刀具产生很大的磨损，而且其加工质量较差而且切削过程中所产生的粉末会对人体产生很大的影响。特种加工工艺过程相对较易监控，加工时切削刀具与被加工工件接触量很小甚至为零，这对自动化加工非常有帮助。但因为复合材料自身的复杂性，特种加工的应用受到限制，所以相对而言，常规加工应用较多。
2.1 复合材料常规加工技术的研究
在复合材料加工初期，所采用的加工方法一般是金属材料的加工方法。随着复合材料的种类增多，加工过程当中出现了很多的问题，例如刀具磨损较快等，这就要求复合材料的加工技术面向多样化。后来，国内外很多的学者相继提出了一些关于复合材料加工的方法，并在原有方法的基础上提出了进一步改进复合材料切削工艺以及更新切削刀具等一系列的观点。直至后来，Koplev进行了很多的实验，认为复合材料切屑的形成其实就是其断裂过程的发生，而这个观点后来也得到很多人的认可。自此，很多学者开始把重点转向切削刀具结构设计等。
2.2 复合材料特种加工技术研究
复合材料常规加工过程中会对切削刀具产生很大的磨损，而且其加工质量较差而且切削过程中所产生的粉末会对人体产生很大的影响。此外，常规加工方法加工复杂工件也较为困难。而特种加工工艺过程相对较易监控，加工时切削刀具与被加工工件接触量很小甚至为零，有利于自动化加工，而且随加工工件的切割面所产生的损伤很小，所以，被加工工件形变量会非常小。目前常用的复合材料特种加工方法主要有：超声波加工以及电火花加工等等。
3复合材料加工难点分析
3.1材料切削性能差
复合材料在其密集处的脆性较大，所以切削较易崩裂，而在小分子区域，分子结合力很小，切削更易崩裂；而纤维密集处不容易被切断，此时若切削刀具不够锋利而切削过程当中的切削进给量又过大，这样，材料纤维极易被成片扯离而发生一系列的缺陷。复合材料强度较大，切削性能也很差，在切削过程中更易发生“起毛”和“扯离”。同时，在复合材料加工过程当中，刀具较易磨损而变钝，这既会对被加工件的表面质量及尺寸精度产生很大的影响，还会降低材料加工效率。总之，正是由于复合材料本身的组成及其特性，而使其切削性能较差。
3.2零件结构工艺性差
有很多零件都呈回转体形状，其主要是由柱、锥、曲面等所组成的，零件的主要的工作面大多是尖边结构，由单个圆孔或者锥孔等所形成，而这会严重影响复合材料的加工，而导致其在切削过程当中极易出现翻边以及崩边。
4 解决复合材料加工问题的措施
4.1改进毛坯结构和模压成型工艺
为了有利于材料加工，就要对结构进行改进，主要方法就是减少直角边，在台阶处要选择光滑连接并且应尽量减少尖角结构。研究表明影响复合材料切削性能的一个很大的方面就是其组织的均匀性，此外，模压过程当中的预浸料预烘环节的均匀性也是影响复合材料切削性能的一个主要因素。
4.2选择合适的刀具与切削参数
由于复合材料本身的特性，在进行复合材料切削加工时所用的切削刀具硬度要高，同时还要满足耐冲击以及耐磨等条件。而硬质合金作为一种能承受较大冲击负荷的材料可以同时满足上述条件。此外，人造金刚石以及立方氮化硼都是超硬的材料，所以可以用这三种材质刀具进行切削，同时选择合适的速度及进给切削参数。
4.3优化加工方法
研究各种加工方法可以减少复合材料加工问题的发生，通过对复合材料进行各方面的分析研究，笔者总结出如下几个方法：
（1）合理编排切削路径。
在复合材料的加工过程当中，如果被加工件的切削部位受到很大的拉应力会使其发生“翻边”、 “崩边”等现象。所以，在进行切削的时候要按“入体”的切削路径进行切削。
（2）设置工艺槽，防止零件崩边。
由于乱纤维复合材料在钻头的锋利程度上受到限制，不适合采取普通的钻孔方法进行加工通孔。但是可以用增加工艺槽的方法，这样就可以有效地防止孔口崩边现象的发生。
（3）采用粗、精加工。
对于乱纤维复合材料的模压件不适合用大切深的方法进行加工。为有效防止以上问题的发生，应该尽量增强刀具的耐用度，并尽量提升加工的效率，采用分粗、精加工的加工方法。
5 总结
通过分析复合材料加工技术，对复合材料加工技术也有了一定的了解。笔者认为在今后的研究当中应该在下面几个方向加以努力：
通过分析复合材料加工技术，对复合材料加工技术也有了一定的了解。笔者认为在今后的研究当中应该在下面几个方向加以努力：
（1）对切削力、复合材料的性能、切削热温度场的分布及产生原因进行深入的研究；
（2）对复合材料的加工刀具的材料、几何参数进行研究；
（3）对复合材料的特种加工技术进行研究；
（4）通过研究复合材料的表面质量的生成原因，建立一个可以综合评价其表面质量的统一的标准。
参考文献
[1] 汪周斌， 付晓阳. 复合材料加工技术研究[J]. 科技资讯， 2011 （21）： 58-58.
[2] 陈玲林， 孙会来. 复合材料加工研究现状及激光在其加工中的应用[J]. 激光杂志， 2014， 35（2）： 7-9.
复合膜材料 第4篇
研究复合材料的模态性能是认清复合材料在不同振动和噪声环境下的可靠性、保证结构安全服役的重要基础。现在,对复合材料振动特性的研究逐渐得到了人们的重视。Schultz 和Tsai[6]、Hashin[7]、Adams等[8,9,10]进行了复合材料阻尼的开创性研究工作;E.C. Botelho等在自由振动模式下对连续纤维/金属复合材料的模态阻尼行为进行了研究[11];武海鹏等用悬臂梁法对玻璃纤维和炭纤维复合材料进行阻尼测试;并用 Adams-Bacon法和Ni-Adams法对实验结果进行了分析[12]。在三维编织复合材料方面,卢子兴等分析了玻璃纤维三维编织复合材料悬臂梁的振动特性[13];李典森等进行了玻璃纤维三维编织复合材料振动阻尼特性的实验研究[14]。本工作对炭纤维三维四向编织复合材料进行了悬臂梁模态实验测试,研究了编织角对三维四向编织复合材料的模态参数(损耗因子、固有频率)的影响;同时,研究了不同铺层角度的炭纤维层合复合材料的动态特性,并且对这两种复合材料的振动性能进行了比较。
1 炭纤维三维四向编织复合材料和层合复合材料的制备
实验采用密度1.76g/cm3,线密度0.8g/m的T700-12K炭纤维制作三维四向编织复合材料试件。图1给出了三维四向编织复合材料的内部结构图,图2给出了三维四向编织复合材料的表面结构图。图1中γ是内部编织角,图2中α是表面编织角。图3是实验用三维四向编织复合材料试件。内部编织角γ和表面编织角α之间的关系见公式(1):
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为了与层合复合材料的动态特性相比较,对相同尺寸的层合复合材料试件也进行了实验模态分析。图4中的层合复合材料采用面密度为500g/m2的T700-12K炭纤维平纹布铺制成。在层合复合材料中,平纹织物的经纱方向和试样的长度方向之间的角度定义为纤维取向角。层合复合材料的取向角分别是30°,40°,45°。
所有试件的固化均采用树脂传递模塑法简称RTM (Resin Transfer Molding)工艺,制成复合材料试件。
用于模态实验用的复合材料试件尺寸的平均值,长:250mm,宽:25mm,厚:4mm。
用于模态测试的3组(每组3个试件)三维四向编织复合材料试件的相关参数(3个试件的平均值)列于表1。用于模态测试的3组(每组3个试件)层合复合材料试件的相关参数(三个试件的平均值)列于表2。
从表1和表2中可以看到,这两种复合材料的纤维体积分数比较接近,在52.27%～54.8%的范围内;纤维取向角度基本一致,但三维四向编织复合材料的内部编织角表示的是纤维在空间的取向,表面编织角表示的是纤维在平面的取向;通过测量三维编织复合材料的表面编织角,计算出三维编织复合材料的内部编织角。层合复合材料的纤维取向角度表示的是纤维的平面取向。在三维编织复合材料结构中,内部纤维成空间取向,而在层合复合材料结构中的纤维无空间取向,所以本工作中对比的是三维编织复合材料的空间纤维取向角度(即:内部编织角)与层合复合材料的平面纤维取向角度对其模态性能的影响。
2 实验装置
图5为复合材料悬臂梁振动模态的实验系统的模拟图。 实验中,试件一端被固支,呈悬臂状态,使用单入单出(SISO)识别法锤击悬臂梁的“根部”(距离夹持点约2cm处)。图6是装有力传感器的手锤对被测对象施加一个局部的激励,由通道1采样得到的力的脉冲信号;在实验中引入力窗函数,是为了在进行信号采样及数据处理时,尽量减小干扰信号的引入以及控制力锤敲击力的大小和采样时间。用加速度传感器从被测试对象得到测点的加速度响应信号,与冲击力信号一起经过A/D转换器及FFT分析仪进行传递函数估计,并由模态分析系统提供模态参数。
3 结果与讨论
根据振动衰减波形,通过公式(2),(3)可以得到悬臂梁振动的阻尼Δ和阻尼比η[11,15]。
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式中:η为悬臂梁的振动阻尼比;Χn,Χn+1分别为衰减曲线中相邻两个振幅曲线的峰值。
在自由振动下,悬臂梁振幅的时程信号通过进行快速傅里叶转换(FFT),便可得到悬臂梁的振动频谱图[16]。
根据公式(4)可以获得225mm长,25mm宽,4mm厚的长方体悬臂梁试件的存储模量[8]。
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E′是弹性模量(GPa);f是固有频率(Hz);I是惯性矩(m4);M是加速度计的质量(kg);m是试件的质量(kg);L是试件的长度(m)。
损耗因子tanx可以从下面的振动衰减波形中通过公式(5)计算得到。
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损耗模量E″可以通过公式(6)获得:
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三维四向编织复合材料模态实验的结果见表3,层合复合材料模态实验的结果见表4。
3.1 纤维取向角度对复合材料固有频率和阻尼比的影响
图7是三维四向编织复合材料和层合复合材料的纤维取向角度与固有频率间的关系图,从图7可知,当纤维体积含量相同时,曲线的变化规律基本一致,即三维四向编织复合材料与层合复合材料的固有频率随着纤维取向角度的增加而减小。
根据公式(4)可知当梁的外部尺寸相同时, 固有频率的大小主要取决于材料的弹性模量。因此,三维四向编织复合材料与层合复合材料梁的固有频率随细观结构参数的变化可归因为细观结构参数对材料弹性模量的影响。由图1的三维编织复合材料内部结构图可知,三维四向编织结构内部编织纱的走向随着表面编织角的减小而变得更加平直,增大了轴向强度,沿四向纱方向的弹性模量也随之增大,使得三维四向编织复合材料固有频率增大。
从图7中可知,在纤维取向角度基本相同的情况下,层合复合材料的固有频率均小于同阶次的编织复合材料,例如:内部编织角为30.06°的三维四向编织复合材料的一阶固有频率要比纤维取向角为30°的层合复合材料的一阶固有频率高58.68%;二阶固有频率高75.61%;三阶固有频率高73.79%。内部编织角为43.31°的三维四向编织复合材料的一阶固有频率要比纤维取向角为40°的层合复合材料的一阶固有频率高54.95%;内部编制角为46.20°的三维四向编织复合材料的一阶固有频率要比纤维取向角为45°的层合复合材料的一阶固有频率高57.88%。这是因为三维编织结构是具有多轴纤维取向的高度整体化的连续纤维集合体。而传统的层合板复合材料与三维编织结构相比具有难以克服的固有缺陷,比如:沿厚度方向的刚度和强度性能较差,面内剪切和层间剪切强度较低,易分层,并且冲击韧性和损伤容限水平都较低。综上所述,这都使得在纤维取向角度基本相同的情况下,三维编织复合材料的固有频率要高于同阶次的层合复合材料的固有频率。
复合材料的损耗因子还可以通过材料的比阻尼容量计算求得。根据材料和结构比阻尼容量(SDC)定义公式(7)[14]:
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式中:ΔU 表示一个交变应力周期内材料和结构的耗散能量;U 表示一个交变应力周期内材料和结构的最大应变能量。
图8是三维四向编织复合材料和层合复合材料的纤维取向角度与损耗因子间的关系图。从图8分析可知,纤维取向角度越大,材料的损耗因子越大。相同纤维取向角度的情况下,三维四向编织复合材料的一阶、二阶损耗因子均小于层合复合材料。随纤维取向角度的增大,相同纤维取向角度的三维编织复合材料的三阶损耗因子与层合复合材料的三阶损耗因子间的差距越来越小,甚至大于层合复合材料的损耗因子。例如:内部编织角为30.06°的B-A1三维四向编织复合材料的一阶损耗因子(8.340%)比纤维取向角为30°的L-A1层合复合材料一阶损耗因子(13.069%)低36.18%;二阶损耗因子(2.531%)要比层合复合材料的二阶损耗因子(3.602%)低29.7%;三阶损耗因子(4.057%)要比层合复合材料的三阶损耗因子(4.063%)低0.001%。内部编织角为46.20°的4-B-A3三维四向编织复合材料的一阶损耗因子(9.313%)比纤维取向角为45°的L-A3层合复合材料一阶损耗因子(14.400%)低35.33%;二阶损耗因子(3.234%)要比层合复合材料的二阶损耗因子(3.963%)低18.4%;但是三阶损耗因子(4.842%)要比层合复合材料的三阶损耗因子(4.672%)高3.645%。这说明,随着纤维取向角度的增加,在纤维取向角度基本相同的情况下,三维编织复合材料前三阶的损耗因子和层合复合材料的损耗因子的差距在减小。并且,在纤维取向角比较大的情况下,三维四向编织复合材料的三阶损耗因子要大于层合复合材料的同阶损耗因子。因此,三维四向编织复合材料的减振性能与层合复合材料相比,虽然在低阶阻尼性能方面并不占优势,但是在高价阻尼性能方面不比层合复合材料差,甚至比层合复合材料要好。
在纤维取向角度基本相同的情况下,三维编织复合材料的固有频率上比层合复合材料大,而且在高阶阻尼性能方面也比层合复合材料有一定的优势。纤维取向角度的变化,不但对三维四向编织复合材料的损耗因子有影响,也会对层合复合材料的损耗因子也产生重要影响。
复合材料内部阻尼取决于以下因素[11]:基体和增强体的性质和相对比例;杂质的形状尺寸;增强体相对于轴向载荷的方向;增强体的表面处理和空隙。当纤维取向角度变大时,材料振动能向热能的转换途径发生了变化,一方面是由于材料的内耗;另一方面是因为纤维与树脂间界面的变化、材料的黏弹性行为、材料的不均匀性引起的应力变化以及材料的微缺陷、损伤的产生等起的作用,这对材料的振动能量耗散也有很大影响。
在三维四向编织复合材料中,随着角度的增大,编织纱的截面形状逐渐变成圆形。此时,编织纱之间的相互作用力减小,纤维与基体之间更容易发生滑移,复合材料对振动的消耗转换变大,这些都将影响材料振动能量的耗散。即当纤维体积含量一定时,增大纤维取向角度,三维四向编织结构复合材料损耗因子增大,减振性能提高。此外,纤维体积含量一定,纤维取向角增大,编织结构的不均匀性变大,局部应力变大引起的能量耗散,也会使三维四向编织复合材料的阻尼和减振性能提高。
3.2 纤维取向角度对复合材料的抗激振性能的影响
给不同纤维取向角度的三维四向编织复合材料与层合复合材料一个较小的瞬态激励让其自由振动,记录材料的振动情况。由于结构阻尼的作用,振动逐渐衰减。这是基于在无外部周期力作用于振动试片的假设条件下,其原有的能量由于部分产生辐射和内摩擦生热而消失。因为复合材料试件的阻尼能力减弱了其自由振动,所以连续的振幅愈来愈小,直至复合材料试件恢复到静止状态。图9是三维四向编织复合材料与层合复合材料加速度衰减曲线图。从图9中可以看出,在激振力作用下,加速度响应曲线为非周期振荡曲线,并呈指数规律衰减。通过实验观察,材料的损耗因子越大,曲线衰减的越快。B-A1的初始振幅是0.4,经过大约0.2s衰减完毕;L-A1的初始振幅是0.32,经过大约0.16s衰减完毕了;B-A3的初始振幅是0.2,经过大约0.14s衰减完毕。通过比较图9中的加速度衰减曲线可知,当纤维取向相同时,三维四向编织复合材料的阻尼性能要比层合复合材料要差,振动衰减速度慢。当纤维体积含量相同,纤维取向角度不相同时,如图中的B-A3与L-A1加速度衰减曲线相比,B-A3的加速度衰减曲线明显在相同时间内比L-A1衰减快。这说明通过设计三维四向编织复合材料的编织角,可以获得满足设计要求的阻尼性能。
(1)A1;(2)A2;(3)A3 (1)A1;(2)A2;(3)A3
在模态识别中,各试样的振动功率谱曲线是由振幅的时程数据经过快速傅里叶变换得到的。振动的频谱中,功率谱值反映的振动能量在频率中的分布,频谱包围的面积表示结构振动的总能量,在相同激振条件下,振动的总能量越小,说明结构耗散的能量越多。通过模态实验,获得了材料的实频特性曲线和虚频特性曲线。在实频特性曲线中,和横坐标轴相交的零点是对应的谐振点处,为固有频率;固有频率左右的两个正负极值点为对应两个半功率点。阻尼比由半功率带宽确定,正负两极值间的水平距离越大,系统的阻尼越大。在虚频特性曲线中,负极值点处为谐振点,对应最大响应,固有频率由此时对应的负极值点确定;虚频特性曲线上负极值左右的二分之一峰值处两点为对应半功率点,阻尼比仍由公式(8)半功率带宽确定[17],即:
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以图10中,B-A1和L-A1对应的二阶固有频率对应的实频和虚频图为例。从图10可知,B-A1的二阶实频特性曲线的高度是50,虚频特性曲线的高度是45;二阶实频特性曲线的宽度是54,虚频特性曲线的宽度是36。层合复合材料L-A1对应的实频特性曲线高度是30,虚频特性曲线是25;二阶实频特性曲线的宽度是72,虚频特性曲线的宽度是46。B-A1的实频曲线高度比L-A1的高66.7%,虚频曲线高度高80%;B-A1的实频曲线宽度比L-A1的窄25%,虚频曲线宽度窄22.74%;随着纤维取向角度的增大,编织复合材料和层合复合材料所对应峰值的高都变小,极致点间的宽度都变大。B-A3的二阶实频特性曲线的高度是12,虚频特性曲线的高度是11;二阶实频特性曲线的宽度是180,虚频特性曲线的宽度是40。层合复合材料L-A3的二阶实频特性曲线高度是15,虚频特性曲线是13。二阶实频特性曲线的宽度是115,虚频特性曲线的宽度是65。B-A3的实频曲线高度比L-A3的低20%,虚频曲线高度低15.39%;B-A3的实频曲线宽度比L-A3的宽56.52%,虚频曲线宽度窄38.46%。随着纤维取向角度的增大,三维四向编织复合材料对应的峰值比层合复合材料更加平滑,两极值点间的距离更大。
(1)A1;(2)A2;(3)A3 (1)A1;(2)A2;(3)A3
在瞬态激振力的作用下,随着角度的增大,各阶峰值所对应的固有频率减小,损耗因子变大。当纤维体积含量相同,层合复合材料与三维四向编织复合材料具有相同的树脂基体含量,由于复合材料的阻尼特性主要取决于树脂基体的黏弹性,因此两种材料的阻尼比相互关系不变。而相同纤维体积含量条件下,两种复合材料损耗因子之间的关系取决于纤维取向角度的大小。与传统的层合复合材料相比,三维四向编织复合材料可以在较短的时间内将一定振动振幅迅速降低下来,从而减少振动的危害,这就是其作为减振复合材料使用的本质。三维四向编织复合材料的抗击激振能力更强,能够抵抗外界更剧烈的振动。
4 结论
(1)纤维体积分数相同时,随着纤维取向角度的增大,三维四向编织复合材料与层合复合材料各阶固有频率都随之减小,损耗因子随之增大;纤维取向角度相同时,三维四向编织复合材料的固有频率比层合复合材料同阶次的固有频率值要大。三维四向编织复合材料的一阶,二阶损耗因子小于同阶次层合复合材料,但是三阶损耗因子大于层合复合材料同阶次损耗因子。
(2)在激振力作用下,三维四向编织复合材料与层合复合材料的加速度响应曲线为非周期振荡衰减的指数曲线;材料的损耗因子越大,曲线衰减的越快。
水泥基复合材料 第5篇
班级:Z090162学号:Z09016206姓名:张欢 水泥基复合材料概述
以硅酸盐水泥为基体，以耐碱玻璃纤维、通用合成纤维、各种陶瓷纤维、碳和芳纶等高性能纤维、金属丝以及天然植物纤维和矿物纤维为增强体，加入填料、化学助剂和水经复合工艺构成的复合材料。
它比一般混凝土性能有所提高。以短切的耐碱玻璃纤维约3％～10％含量的复合材料为例，其密度为1600～2500kg/m3，抗冲强度8.0～24.5N·mm/mm2，压缩强度48～83MPa，热膨胀系数为(11～16)×10-6K-1。性能随所用原材料、配比、工艺和养护条件而异。水泥基复合材料基本上用于制造建筑构件，如内、外墙板、天花板等。
目前，先进水泥基复合材料的发展也比较迅速。先进水泥基复合材料是通过组成、结构优化设计，采用先进技术制备的具有优异性能的新型高技术水泥基材料，其性能特点是韧性好、强度高、可设计性好，是当前本领域研究的重点和技术应用的难点。
水泥基复合材料的分类及应用
（1）纤维水泥基复合材料
水泥基复合材料可分为水泥基和增强体两部分！目前比较热门的水泥基复合材料为：纤维水泥基复合材料。它通常是指以水泥净浆，砂浆或者混凝土为基体，以非连续的短纤维或连续的长纤维作增强材料所组成的水泥基复合材料，也叫纤维混凝土。
在混凝土中加入纤维，可以强化、韧化水泥砂浆，提高水泥基复合材料拉伸、弯曲以及冲击强度，控制裂纹的扩展，改善失效模式和未成型时材料的流动性，是改善其性能的最有效途径。
纤维在水泥基体中至少有以下三个主要作用：
1，提高基体开裂的应力水平，即使水泥基体能承受更高的应力。
2，改善基体的应变能或延展性，从而增加它吸收能量的能力或提高它的韧性。纤维对基体韧性的改善往往比较显著，甚至在它对基体的增强作用小的情况下也是如此。
3，能够阻止裂纹的扩展或改变裂纹前进的方向，减少裂纹的宽度和平均断裂空间。对于早期的水泥基材料来说，由于纤维的存在，阻碍了骨科的离析和分层，保证了早期均匀的泌水性，从而阻止沉降裂纹的产生。不定向分布的纤维有助于削弱砂浆或者混凝土塑性收缩及冻融时的张力，收缩的能量被分散到无数的具有高抗拉强度的纤维上，从而极为有效地增强了混凝土或砂浆的韧性，抑制了微细胞的产生和发展。
（2）纳米水泥基复合材料
水泥是大众建材，用量大，人们还未充分重视使用纳米技术对其进行改性。其实，水
泥硬化浆体(水泥石)是由众多的纳米级粒子(水化硅酸钙凝胶)和众多的纳米级孔和毛细孔(结构缺陷)以及尺寸较大的结晶型水化产物(大晶体对强度和韧性都不太有利)所组成的。借鉴当今纳米技术在陶瓷和聚合物领域内的研究和应用成果，应用纳米技术对水泥进行改性的研究，可望进一步改善水泥的微观结构，以提高其物理力学性能和耐久性。
采用纳米技术改善水泥硬化浆体的结构，可望在纳米矿粉－超细矿粉－高效减水剂－水溶性聚合物－水泥系统中，制得性能优异的、高性能的水泥硬化浆体－纳米复合水泥结构材料，并广泛应用于高性能或超高性能的水泥基涂料、砂浆和混凝土材料中。在不远的将来，继超细矿粉之后，纳米矿粉将有可能成为超高性能混凝土材料的又一重要组分。这也是传统水泥材料的改进和又一次革命。
（3）水泥基复合吸波材料
隐身技术是一种通过控制和降低武器系统和其它军事目标的特征信号，使其难以发现、识别、跟踪和攻击的综合性技术。因而它广泛应用于运动军事目标，如飞机、导弹、坦克、潜艇等，同时也可用于非运动军事目标，如雷达站、军用机场、军事掩体等。
通过对水泥基复合材料进行改性，使它能够吸收电磁波，从而达到对雷达的隐身性能，即得到所谓的水泥基复合吸波材料。水泥基吸波材料是在水泥或混凝土中掺入吸波剂而具有吸收电磁波功能的一类新型材料。在民用方面，它即可以用来屏蔽电磁波对人体的辐射，达到净化电磁波污染环境的目的；还可以用来防止计算机中心的数据泄密，起到保密作用；在军事上，水泥基复合吸波材料可以起到干扰雷达探测目标，减弱回波信号，使雷达无法探测到地面固定目标或探测精度明显降低，避免敌方的军事打击。目前国外一般采用伪装网来覆盖地面军事目标，改变目标及其阴影的形状，以对付地面和空中的各种侦查手段。
（4）聚合物水泥基复合材
有机物，特别是高分子聚合物，其优异的柔韧性，抗冲击性，以及良好的抗渗性和单位体积重量小等等固有的优势，是众所周知的。这正好弥补了普通水泥基材料的缺陷。大量的工程实践证明，高分子聚合物在水泥基材料中有效地改进了其性能
。若把水泥基材料视为由水泥浆休粘结剂和集料两种结构组分构成的复合材料时，则聚合物可从儿个方面来改善水泥基材料的性能。(I)提高粘结剂本身强度；(2)增强粘结剂和集料界面间的粘结力；(3)提高集料的强度；(4)填充空隙；(5)上述综合效果。
就此改性效果而言，目前应用在工程中的聚合物水泥基材料可分为三个类别：(1)用聚合物作粘结剂以粘结集料称为树脂混凝土(PC)，如人造大理石等。(2)在已硬化的普通水泥混凝土中浸渍聚合物，或有机单体在硬化体内聚合填充孔隙，称为聚合物浸渍混凝土(PIC)，如防渗墙面板，隧道衬壁等。(3)用水泥和聚合物两种粘结剂粘结集料，称为聚合物水泥混凝土(PCC)。如聚合物修补砂浆，高等级公路、桥面等。一般的水泥基复合材料主要是由未水化的水泥熟料颗粒、水泥的水化结晶矿物和凝胶体、水和少量的空气组成。因此它是一个固一液一气多相多孔体。其材料的强度也就受着这些因素的制约和影响。聚合物的加入改变了这些因素的变化关系，从而影响强度的提高
水泥基复合材料的优缺点
P.K.Mehta 在评述水泥基材料时指出,水泥基材料既不像钢材那样坚固，也不像钢材那样坚韧，而成为应用最广泛的材料的三个主要原因是其具有很好的耐水性、优异的可加工性
和显著的经济性。因此，水泥基材料仍然是当今应用最为广泛的建筑材料。然而，水泥基材料属于脆性材料，它的的抗拉、抗弯强度低，极限应变小，抗冲强度差，脆性大，易开裂，存在着严重的耐久性问题，往往引发突发性的且难以控制的建筑物的破坏，造成了巨大的经济损失，并严重污染环境，因此，作为一种结构材料在应用中受到很大限制。通过纤维增强水泥和纤维增强混凝土复合材料，是强化与韧化的水泥和混凝土、进一步提高了其阻裂能力和耐久性，是获得高性能水泥和混凝土的有效途径。
水泥基复合材料的国内外发展状况
自1990年提出高性能混凝土以来，高性能混凝土的内涵已经有了一个不断完善和发展的过程。美国十分强调高强度和高耐久性；日本学者更关注施工性。我国吴中伟院士则综合了各种论点提出了较为全面的高性能混凝土的定义，他认为高性能混凝土时一种新型的高技术混凝土，是在大幅度提高常规混凝土性能的基础上，采用现代混凝土技术，选用优质原材料，在妥善的质量控制制成的具有耐久性高、抗阻裂能力强、工作性良好、实用性强、提及稳定性好以及经济合理的水泥基复合材料。邓家才等用压缩韧性指数衡量了碳纤维对水泥基复合材料韧性的增强作用，发现碳纤维水泥基复合材料的压缩韧性指数明显大于基准水泥基复合材料（增加59%～110%），并且随着碳纤维掺量的增加，变形能力和承载能力增强。罗建林，段中东以改性巴基管（CNTs）为增强材料，制成了巴基管水泥基材料。2006年大连理工大学徐世烺科研团队的高淑龄博士配制得到了拉应变能力为0．7％的PVA纤维水泥基复合材料。
超高韧性水泥基复合材料早期的英文名称为“Engineered Cementitious Composite”。缩写为ECC。最早由密歇根大学的“教授和麻省理工的Leung教授采用细观力学和断裂力学基本原理提出了该材料的基本设计理念。Li等为提高
现代飞机的“血肉”：复合材料 第6篇
2005年和2007年，世界上最大的民用客机——空中客车A380以及美国的大型喷气客机——波音787相继诞生，它们代表了当今世界民机的最高水平。细心的人们惊奇地发现，在这两款飞机的选材介绍中，复合材料的用量均达到空前水平。其中，A380飞机上的复合材料用量为25％左右，而波音787飞机上的复合材料用量则超过了50％。事实上，除了上述民机以外，现在最先进的第四代战机F－22、F－35等的复合材料用量也分别高达24％和30％。A380、波音787、F－22、F－35等一批先进飞机的问世标志着现代飞机已从“铝为主，钛、钢、复合材料结构并存”的时代迈向“复合材料为主，铝、钛、钢结构共存”的新时代。
另据专家透露，在我国着手建造的国产大飞机上，传统的铝合金部件有望被大量轻而强韧的碳纤维等复合材料所取代，并且这件完美“外衣”将尽可能地实现中国制造。
第四代材料
那么，到底什么是复合材料呢?不同的组织或出处给出的定义略有不同。如，国际标准化组织将复合材料定义为：“两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料”；而“材料大辞典”则将复合材料定义如下：“复合材料是由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料。它与一般材料的简单混合有本质区别，既保留原组成材料的重要特色，又通过复合效应获得原组分所不具备的性能。可以通过材料设计使原组分的性能相互补充并彼此关联，从而获得更优越的性能。”
可见，复合材料并不是什么新材料，它只是由两种或两种以上的不同材料组合而成的工程材料而已。也许其中某种组分的某项特性并不优越，但不同材料之间却能互相协同，取长补短，使复合材料的最终综合性能优于原组成材料，从而满足各种不同的要求。
研究人员把复合材料这种扬长避短的作用称为复合效应。人们利用复合效应可以自由选择复合材料的组成物质，人为设计各种新型复合材料，从而把材料科学推进到新的阶段。所以，国外也把复合材料称为第四代材料或“设计材料”。
现代飞机为何大量使用复合材料
目前飞机上广泛使用的复合材料以碳、硼、玻璃等纤维增强树脂为主。这些碳纤维、硼纤维或玻璃纤维通常具有很高的强度和刚度，而树脂基体的密度很低。除了上述的纤维增强树脂复合材料以外，飞机上还使用了金属基复合材料、陶瓷基复合材料以及碳／碳复合材料。
现代飞机结构中之所以大量使用这些复合材料，主要有以下几个原因。
首先，和金属材料相比，复合材料具有更高的比强度和比刚度。这里所说的比强度、比刚度指的是材料的强度或刚度除以密度。这是两个衡量材料承载能力的重要指标。显然，比强度和比刚度越高，说明这种材料的重量越轻，并且相对强度和刚度越大。碳、硼、玻璃等纤维增强树脂的这些特性，正是结构设计，特别是航空、航天结构设计对材料的基本要求。
其次，复合材料具有良好的抗疲劳性能。飞机在滑行、起飞、降落和着陆过程中不断经受着交变的循环载荷，即所谓的疲劳载荷。结构或材料承受这种疲劳载荷的能力通常被称为材料的抗疲劳性能。研究表明，金属结构在受到疲劳载荷时，局部位置极有可能萌生裂纹，裂纹进而会在不知不觉中增长，最后突然断裂。相比之下，复合材料的疲劳断裂通常是从基体开始，逐渐扩展到纤维和基体的界面上，始终没有突发性的变化。因此，检修人员可以有足够的时间来检查和补救。一项实验表明，用碳纤维复合材料制成的直升飞机旋翼，其疲劳寿命比用铝合金金属的长数倍。
第三，复合材料具有良好的安全性及减振性能。在纤维增强复合材料的基体中有成千上万根独立的纤维。当用这种材料制成的构件超载，并有少量纤维断裂时，载荷会被迅速重新分配并传递到未遭破坏的纤维上，因此整个构件不至于在短时间内丧失承载能力。与此同时，纤维复合材料的纤维和基体界面的阻尼(指振动系统能量损失、振幅逐渐减小的能力)较大，因此，纤维复合材料结构的振动衰减时间比相应的轻金属结构要短得多，即具有较好的减振性能。
第四，复合材料的成型工艺简单。纤维增强复合材料一般适合于整体成型，因而减少了零部件的数目，从而可减少设计计算工作量并有利于提高计算的准确性。另外，制作纤维增强复合材料部件的步骤是把纤维和基体黏结在一起，先用模具成型，而后加温固化，在制作过程中基体由流体变为固体，不易在材料中造成微小裂纹，而且固化后残余应力(构件在机械制造加工的过程中，将受到来自各种工艺等因素的作用和影响，在这些因素消失后，若构件所受到的上述作用力不能随之完全消失，仍有部分作用和影响残留在构件内。则这种残留的作用和影响被称为残留应力，或残余应力)很小。这些对提高结构的疲劳寿命都是极其有利的。
第五，使用复合材料的经济性价比高。虽然碳纤维等复合材料的成本在目前依旧比铝合金要贵，但飞机重量大幅度减轻所带来的经济效益远远超过了材料成本较高的负面效应。根据波音公司的承诺，使用了50％复合材料的波音787飞机可以降低20％的油耗，其中有8％的油耗归功于大量使用复合材料后显著减轻了机身重量。另外，与钢或铝合金零件相比，复合材料更适合整体化成型，如波音787机身就是由4个大型复合材料机身段拼接而成。减少了零部件数量就意味着成本的降低。与此同时，由于选用了大量的复合材料零部件，传统的金属结构机械修补方法，如铆接、焊接、螺接等可以大量被新的复合材料结构胶接修补技术所替代。复合材料胶接修补不仅工艺简单、维修质量可靠，而且成本低廉。据报道，若大量采用复合材料结构胶接修补技术，波音787的外场维护间隔时间将有望从同类波音767飞机的500小时提高到1000小时，维修费用则比同类波音777飞机低32％。
第六，铝、钛等合金通过冶金手段加入碳化硅短纤维、氧化铝粒子等增强剂后，在比强度、耐高温、耐疲劳、抗紫外辐射等性能方面与未强化前的合金相比，都有显著的改进。
最后，陶瓷基复合材料以及碳／碳复合材料具有良好的强度和热稳定性，非常适合于制作某些耐高温的发动机部件。
现代飞机使用了哪些复合材料
目前飞机上使用的复合材料一般以纤维增强树脂为主。严格地讲，树脂其实也属于塑料，常用的主要包括环氧树脂、聚酯、乙烯酯、酚醛和聚酰亚胺树脂等。虽然这些树脂低密度的特点符合飞机设计“斤斤计较”的要求，但是其强度较低，于是研究人员通过加入各种纤维来增加材料的强度。这些增强纤维主要有碳纤维、硼纤维、玻璃纤维和芳纶纤维等。
除了纤维增强树脂复合材料以外，近20年来，以铝、钛及镁等为基体的复合材料在航空领域内也取得了重大突破，如以碳化硅短纤维、氧化铝粒子增强的铝、钛合金为基体的复合材料。这类材料与未强化合金相比，在比强度和比刚度、耐高温、耐疲劳、抗震动、耐紫外线辐射、可加工性等性能方面都有大幅度的提高。
陶瓷基复合材料以及碳／碳复合材料也是近年来出现的可用作耐高温发动机部件的两类新型复合材料。目前用的最多的陶瓷基复合材料产品是以碳化硅或碳纤维增强的氧化物或氮化物基体材料，可用于制造飞机发动机加力燃烧室、燃烧室瓦片、喷嘴、火焰稳定器等，以代替高温合金。这种陶瓷基复合材料抗弯强度高，断裂韧性高，比重小，抗氧化，耐高温，热膨胀系数较小，工作温度在1250℃－1650℃。与此类似，碳／碳复合材料的耐热性也很好，能耐1650℃以上的高温，它具有密度小、强度高、模量高、导热性优良、膨胀率低以及抗蠕变和抗热冲击性等优点，已开始应用于火箭发动机的喷管喉衬、隔热瓦片和飞机刹车块等部位。
值得一提的是，一种近来出现的被称作“Glare层板”的新型复合材料。这种材料具有三明治结构。外层通常是由铝合金板组成，铝合金板中间夹有芳纶或玻璃等加强纤维。这种Glare层板具有复合材料高强低密的特点，又兼有铝合金的优点——韧性和抗疲劳性能好。据报道，合理设计使用Glare层板可使飞机结构减重30％，而且经济效益更好，因此，A380客机上已大量应用了这种Glare层板。
复合材料的铣削 第7篇
随着新一代碳纤维增强塑料 (CFRP) 和层压材料向更轻、更强方向发展, 性能不断提高, 其在汽车各个领域中的地位日渐突出。但作为一种工件材料, 各类纤维增强环氧树脂、聚酯和乙烯基塑料的硬度高、难切削, 并且不能在加工的过程中出现一点点异常偏差;预加工附加值高, 且不允许废品的产生。因此, 其主要挑战是如何提高制造工艺, 尤其是机加工。
新一代专用刀具纷纷涌现, 解决了各类复合材料的最常见加工需求。目前, 复合材料切削的首选刀具解决方案是, 采用整体硬质合金为基体, 薄的PVD金刚石 (PCD) 涂层、钎焊PCD刀片或在切削刃处烧结PCD。
铣削复合材料与钻削相似, 也同样具有挑战性。如果刀具在同一时间需要加工几个不同材料的层, 需要考虑到所有因素并重新设计工艺。如果需要多次进刀完成不同材料层的加工, 则需更改参数以匹配各层。专门针对CFRP和复杂层压材料的加工进行了优化。目前针对端铣和方肩铣的粗加工和精加工, 可选用优化的带金刚石涂层的整体硬质合金立铣刀。
复合膜材料 第8篇
纤维复合材料是复合材料按照结构分类中的一种, 是以一种纤维材料为基体, 另一种纤维材料为增强体, 将各种纤维增强体置于基体材料内复合而成的新材料。各种组成纤维材料在性能上能互相取长补短, 产生协同效应, 使纤维复合材料的综合性能优于原组成材料, 从而满足各种不同需求。例如:玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维等。其中就玻璃纤维而言, 由于高强度玻璃纤维性价比较高, 因此增长率也比较快, 年增长率达到10%以上。其应用范围也不仅局限于军用方面, 民用产品也有广泛应用, 如防弹头盔、防弹服、直升飞机机翼、预警机雷达罩、各种高压压力容器、民用飞机直板、体育用品, 各类耐高温制品以及轮胎帘子线等。
迄今为止, 我国高强度玻璃纤维已达到国际先进水平, 且拥有自主知识产权, 形成了小规模产业, 现阶段年产可达500吨。碳纤维复合材料具有强度高、模量高、耐高温、导电等一系列性能, 首先在航空航天领域得到广泛应用, 近年来在运动器具和体育用品方面也广泛采用。土木建筑、交通运输、汽车、能源等领域将会大规模采用工业级碳纤维。
在纤维复合材料主要应用领域中, 由于它与传统材料相比有很多优点:比强度和比模量高;抗疲劳性好;减振能力好;高温性能好;破损安全性好;性能的各向异性及可设计性强等, 使得在桥梁和房屋补强、隧道工程以及大型储仓修补和加固中市场前景看好。
碳纤维复合材料研究
项目简介:碳纤维及其复合材料具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、导电、传热和膨胀系数小等一系列优异性能。既可作为结构材料承载重荷, 又可作为功能材料发挥作用。目前几乎没有什么材料具有这样多方面特性。因此, 碳纤维复合材料属先进复合材料, 是典型高新技术产品。碳纤维复合材料的基体可用
树脂、炭、金属和无机材料等。所处阶段:成熟应用阶段
玻璃纤维复合材料制品及其耐久性研究
项目简介:该项目研制了玻纤水泥材料 (GRC) 拱形弦波屋盖。该产品用短切玻纤与网格布的双重增强, 全截面均匀受力, 充分发挥复合材料的力学潜能, 承载能力比同等厚度的平板提高近20倍, 板厚仅为10mm的屋面板其极限跨度可达到7.2m, 实现了结构安全性与经济性的良好统一。
所处阶段:中期阶段
意义:该产品可与屋面建筑功能与结构承重融为一体, 自承重、自防水;强度高、韧性好、造型优美;重量轻、造价低、施工简便。产品可广泛应用于体育活动中心、展览中心、仓储中心、集贸市场、工业厂房等工程建设中, 安全可靠, 市场前景良好。
纤维复合材料加固建筑结构研究
项目简介:该课题研究内容包括配制粘贴玻纤片材的粘结用胶, 计算分析粘贴纤维复合材料对地基沉降引起砖砌体裂缝所起的作用。自行研制的配套用于粘贴玻璃纤维的配套胶粘结剂基本达到碳纤维片材加固混凝土结构技术规程《C E C S 1 4 6:2 0 0 3》的性能指标。研制了配套用于粘贴玻璃纤维的底层涂料、修平腻子和配套胶粘结剂, 用自制的胶进行了钢筋混凝土梁的抗剪加固。进行了砖墙加固理论计算分析和钢筋混凝土梁粘贴玻璃纤维抗剪加固试验。
所处阶段:成熟应用阶段
碳纤维复合材料在石油开采中应用
项目简介:高强度高柔韧性碳纤维复合材料抽油杆, 解决了长期以来抽油杆综合性能难于提高的难题。该抽油杆由碳纤维增强树脂基复合材料组成, 接头为专门设计的高强度专用接头, 安全可靠。高的模量、耐腐蚀和耐磨性;抗疲劳性能好, 疲劳实验后, 剩余强度90%;重量轻, 千米碳纤维抽油杆重量仅180公斤;柔韧性好, 最小曲率半径为350毫米, 可盘绕生产和运输;截面积小, 仅为钢制抽油杆的五分之一;碳纤维的减磨特性, 极大地保护了套管;机械化操作;实际应用节电三分之一以上, 提高产油量三分之一以上, 生产无污染, 废杆可回收再利用。
所处阶段:成熟应用阶段
竹纤维复合材料结构、性能及制备工艺研究
项目简介:该项目首次以竹材加工废弃物和木材为原料, 加工成竹、木纤维;按适当比例制造竹木复合中密度纤维板, 经过系统研究和生产性实验, 科学地确定了竹, 木纤维的合理比例, 研究了温度、压力、时间之间的关系, 确定了最佳工艺, 为竹、木复合中密度纤维板生产提供了科学依据, 成果达到国内同类研究的领先水平。产品经国家竹木产品质量监督检验中心检测, 所检项目符合GB/T11718-1999标准要求。
所处阶段:初期阶段
意义:该项目的研制成功, 使竹构加工厂废弃物得到综合利用, 并创造了可观的经济效益和无法估量的生态效益。
碳纤维复合材料加固钢筋混凝土受弯构件试验研究
项目简介:该项目采用碳纤维复合材料, 对不同强度等级、不同配筋率的混凝土受弯构件进行加固, 经试验分析, 取得了斜截面抗剪和正截面抗弯破坏特征, 构件抗剪、抗弯能力增强规律, 工作机理, 材料的作用发挥 (允许极限变形) , 二次受力的影响。给出了该项加固技术的设计计算方法、施工工艺、构造措施、检验和验收及施工安全注意事项等, 并在此研究报告基础上, 在国内首次编制了《碳纤维复合材料加固混凝土受弯构件技术规程》, 在工程建设中广泛推广应用。
所处阶段:成熟应用阶段
高阻燃性新型酚醛复合材料的研制
项目简介:该课题研制了一种具有高阻燃性、能够常温固化的酚醛树脂, 应用于玻璃纤维增强树脂复合材料, 得到具有高阻燃性的酚醛复合材料。
课题利用金属盐络合催化制备出高临位、高反应活性的浅色酚醛树脂;另采用间苯二酚与甲醛反应形成初期树脂, 利用间苯二酚更高反应活性的特点, 并添加催化剂形成起快速固化作用的组份。这样的双组份树脂具有常温固化的特点, 可用于玻璃钢的手糊制作。树脂具有低色泽、低气味, 常温固化的特点, 其固化产物和用该树脂手糊制作的玻璃钢板的燃烧性能如下:氧指数:树脂为50.4;玻璃纤维板为72.1;玻璃纤维板的烟密度为5.4。无论树脂还是玻璃纤维复合材料均具有优良的阻燃性能和防火效果。使用该树脂手糊制备的玻璃纤维复合材料的弯曲强度可达140MPa以上, 弯曲弹性模量可大于14GPa, 拉伸强度达到260MPa, 其具有良好的机械性能, 可满足需要用于结构材料。
所处阶段:初期阶段
意义:该种材料作为结构材料能够广泛应用于建筑、交通、矿山等领域, 同时起到防火作用。
高性能高附加值木纤维复合工程材料开发
项目简介:利用该技术生产的木纤维/合成纤维复合材料是以木材或各种短纤维植物材料为原料, 大规模生产制造各种形状复杂的高强度工程产品。该技术解决了单纯木质材料压延变形功能差, 不能象塑料那样通过一定的工艺过程形成具有复杂形状结构工程产品的问题。另一方面又解决了单纯塑料制品在使用过程中热稳定性差、不易自然降解等问题。因此, 该技术产品在轿车内饰件, 异型包装材料、建筑装饰材料、以及家具等方面有广泛用途。极大地扩展了木材及其制品的应用领域。
所处阶段:中期阶段
意义:木纤维/合成纤维复合工程材料生产技术是人造板技术和纺织工业的无纺织技术嫁结而形成的新型技术路线, 属于国内首创。
三维编织纤维增强医用聚合物复合材料应用基础理论研究
项目简介:该项目创造性的提出了将航空航天领域应用的三维编织复合材料应用于生物医学骨科领域的理论构想。首先对该复合材料在骨植入方面的应用进行了系统的基础性研究, 包括三维编织复合材料界面理论研究、成型理论研究、疲劳机理探索、吸湿理论和混杂效应等的研究。在理论研究的基础上, 设计和制造出力学和生物学性能最适合骨愈合的特性要求的三维编织纤维复合材料。
所处阶段:中期阶段
明胶/蒙脱土杂化纳米复合材料
项目简介:将二维片层状增强材料—蒙脱土引入到生物相容性、降解性良好的生物材料—明胶中, 使其高性能化。本论文首次将插层技术应用到生物材料上, 扩大了蒙脱土的应用范围, 对明胶等蛋白质材料的性能改善探索了新的途径, 使其作为结构生物材料具有潜在的应用前景。制备了明胶/蒙脱土杂化纳米复合材料, 并通过DSC、T G A、S E M和拉伸性能测试等手段, 考察了复合材料的热性能和机械性能。结果表明, 制得的复合材料为插层型或部分剥离型纳米复合材料, 其性能得到了显著提高。复合材料DSC曲线中的高温Tg峰值消失, 热失重和热分解速率明显降低。在不同的蒙脱土含量和明胶基体pH值的情况下, 复合材料的拉伸强度和杨氏模量均明显提高。同时SEM照片显示, 由于蒙脱土的插层作用, 明胶断口表面呈现塑化的趋势。
意义:该项目应用前景广阔。
纤维复合材料抗环境研究
项目简介:纤维复合材料由于强度高、耐腐蚀等优异性能而被广泛用于许多特殊场合, 但其抗环境性能与许多因素有关, 研究这些因素对纤维复合材料影响对材料的应用具有重要意义。本项目采用玻璃纤维增强复合材料, 用于对圆柱形水泥混泥土进行增强, 对这一增强系统在不同的热湿条件下进行处理, 并对其抗压性能进行了测试, 探讨了复合条件、热湿等外界条件对增强系统性能的影响。
意义:本研究结果对水泥混泥土结构增强补强具有一定的参考价值;可应用于纤维复合材料、水泥混泥土结构增强补强领域;在金属材料易被腐蚀的场合采用纤维增强复合材料, 可产生明显的经济效益。
壳聚糖-明胶网络/羟基磷灰石复合材料支架的研究-成骨细胞培养
项目简介:将原代培养大鼠颅骨成骨细胞第3代, 种植于孔隙率分别为85.20%、90.40%和95.80%的支架材料中, 结果大鼠颅骨成骨细胞在孔隙率为90.40%和95.80%的支架材料中生长良好, 增殖较快, 周围分泌有大量细胞外基质, 3周时局部已出现骨样组织, 且细胞/支架结构物有利于钙质沉积, 表明此壳聚糖-明胶网络/羟基磷灰石复合材料支架有望成为培养自体成骨细胞的材料, 以重建新的骨组织。
成果类型:基础理论
植物纤维增强热塑性塑料复合材料研究开发
项目简介:该项目研究的技术水平达到国际先进。项目以热磨机械浆 (TMP) 等植物纤维为增强材料, 以尼龙、聚丙烯等热塑性塑料为基体, 通过复合工艺制成新型材料。该复合材料制备工艺路线合理, 技术先进, 植物纤维与基体之间产生良好的界面粘合作用, 其主要性能指标比基体提高0.2～2.0倍。其主要创新是通过分子设计成功开发出蜡状相容剂、攻克了植物纤维复合材料研制中TMP强度低、基体加工温度高易导致纤维发生热降解等技术难题。产品具有质轻、价廉、材料的收缩与扭曲小、机械性能高、加工性好、能耗小、对生产设备磨损小等优点;产品性能价格比高, 且国内尚未见此类产品问世;加工过程不仅可以采用传统的通过粒子原料成型, 而且可以采用增强剂与基体直接复合成型。
所处阶段:成熟应用阶段
纤维复合材料 (FRP) 在混凝土输水洞 (管) 修复加固中应用
项目简介:该课题针对钢筋混凝土输水洞 (管) 在有压水流、有害介质、脉动压力作用下, 造成混凝土碳化、裂缝、渗水、漏水、钢筋腐蚀等病害, 采用高新纤维材料 (FRP) , 并自主开发研制了适用于潮湿条件的专用结构胶及相应的混凝土修补材料, 研究出一种新型有效的粘贴补强加固技术。
所处阶段:成熟应用阶段
新型复合增强纤维摩阻材料
项目简介:该项技术不采用金属材料, 而是采用性能优良的复合纤维和耐热性能优越的粘合剂混合制成的刹车片, 它具有成本低、密度小;耐温、耐磨、耐环境性能好等特点。这类摩阻材料具有稳定的摩擦性能, 且耐高温技术指标均达到或超过国家标准, 在潮湿、酸性气体环境中不腐蚀生锈、不发生力学衰退, 在高温时的磨损率远低于国标GB5763-1998的要求。从90年代初期至今, 曾开发了诸如碳纤维增强、Kevlaar纤维等摩阻材料。目前国内市场上除少数采用非金属材料外, 绝大多数采用半金属摩阻材料。
制砖用植物纤维镁质复合材料技术
项目简介:产品特性:抗裂、抗震性;不返卤;保温隔热性;轻质、强度;防水性与水泥粘附性;能钉、能切割、易加工;施工方便;价格便宜。由于材料的差异轻质加气植物纤维复合砖尽管比较廉价, 但与传统粘土砖相比价格略高, 需要在大规模生产中注意降低成本。
复合材料车身的发展动态 第9篇
目前, 汽车零件最常用的材料是一些热塑性塑料。长纤维增强的热塑性塑料结构件开始出现, 实例之一是2001款Volvo V70 XC AWD定型车的支撑盖板。这个件用玻纤增强的聚丙烯制成, 替代了原来的铸铝框架, 重2 kg, 降重27%, 且生产节拍减少4 min;另一个实例是热塑性塑料制得的BMW M3保险杠横梁, 在较高吸能的前提下, 减重60%。包括纤维增强在内的热固性聚合物的应用不多, 目前只有片状模压成型SMC和树脂传递模塑RTM两种方式, 1984-1996款雷诺Espace的聚酯SMC车身板和RTM背门使该车以年产量7万辆的水平成为SMC在汽车应用上的最重要象征之一。其它广泛应用SMC的车型还包括Renault Megane II的背门和翼子板、Fiat Coupé和Alfa Romeo GTV的集成发动机罩盖和翼子板、Mercedes-Benz CL-500的行李箱盖板、2002款Ford Thunderbird的车身护板和硬质顶盖以及Volvo V70的背门。以上这些应用得以实现的根本原因在于用金属无法获得希望的产品造型。
1 碳纤维增强复合材料
由于运动轿车具有低重量、高硬度/强度和低产量的特性, 再加上市场支撑高生产成本的可能性, 使复合材料的竞争力超过了其他结构材料。碳纤维增强复合材料制造的车身结构件在Porsche Carrera GT和Mercedes-Benz McLaren SLR上有所应用, Aston Martin Vanquish V12就使用了碳纤维和挤压成形的铝合金结构, 前、后碰撞元件用玻纤增强聚酯RTM制造。2003款Ferrari Enzo是使用碳纤维增强复合材料最多的汽车——碳纤维增强底盘和车身, 结构件只有碰撞能量吸收体和发动机支撑。
汽车工业主要以样车和概念车形式探索复合材料未来应用的可能性。1992年, GM Ultralite概念车车身就用到碳纤维SMC。2000年展出的BMW Z22侧框架也是用单片碳纤维增强RTM方法制造的。另一款复合材料概念车是Dodge Viper SRT-10 Carbon, 该车于2003年在美国拉斯维加斯的SEMA展览会上展出, 这辆车由一些涂清漆的碳纤维部件构成, 包括发动机罩和行李箱盖, 螺钉装配式硬质顶盖, 比标准生产车型降重70 kg。
2 玻纤增强SMC
多年来, 玻纤增强S M C已经广泛用在载货车的保险杠、脚踏板、托架、车身板和顶盖上。Ford Aeromax 9500在门板、发动机盖、顶盖和保险杠等部位使用了SMC, 共用到204 kg复合材料。其他卡车制造厂喜欢用热塑性塑料树脂制造他们的驾驶室, Volvo FH、Scania Series 4和Mercedes Benz Actros都使用Xenoy (GE的一种PC/PBT树脂) 来成形外板。2002年11月, Hendrickson International&Delphi Automotive Systems共同开发出一种全复合材料结构的载货车保险杠样件。这个保险杠不到10 kg, 比钢制零件轻50 kg, 复合材料保险杠使用了机织large-tow碳布和碎玻纤, 将所有固定点和内部金属梁一起成型。
3 复合材料的发展
复合材料随着新技术的发展也在前进。从宇航业“引进”的碳纤维已经在汽车领域有许多应用。最近的样车之一是2004款Corvette Z06纪念版, 仅就发动机罩盖这一零件而言, 碳纤维的比玻璃纤维SMC的轻33%。然而价格浮动成为制约碳纤维推广使用的主要因素, 这会给汽车增加潜在的经济风险。
传统的SMC也在进入新纪元。密度较低的小空心玻璃球已经问世, 另外改进了混合、喷漆表面更完美、提高了高温性能, 更适合发动机仓内应用。一种新型超级复合材料是碳纳米管和无机纳米微粒, 将它们加入传统的复合材料中, 提供某些独特的特性, 包括改良机械性能、限制液体和气体的透过、改进热性能、降低可燃性、增加导热性和导电性。引人注意的应用实例是GMC Safari和2002款Chevrolet Astro厢式车应用了一种纳米粘土颗粒增强的聚丙烯材料, 只用了2.5%纳米填料, 零件硬度等同于添加十倍量滑石粉填料的零件硬度, 这与纳米颗粒的巨大表面积有关。2004款Chevrolet Impala的车身侧围用了相同材料。
但是, 复合材料在规模生产的汽车上并没有得到广泛应用。原因之一是原材料成本, 另一个原因是缺乏合适的制造工艺。生产速率决定制造工艺的选择, 例如, 典型载货车需要的复合材料零件产量是5 000～2万件/年, 而轿车可能是8万～50万件/年甚至更多。其他要考虑模具费用、生产废料和生产节拍时间。
复合材料的生产模具比金属板材成形模具便宜得多。这是因为复合材料的生产工艺是一步操作或一个模具, 而钢板成形零部件则需要5～6个单独模具。模具方面的成本节省在产量低时很明显, 但这个优势在较高生产量时会丧失, 这时零件造价占优势。对于高产量而言, 惟一可用的复合材料的制造工艺是短纤维增强热塑型塑料注射成型和团状模塑成形 (BMC) 工艺。然而, 两者并不适用于复合材料部件。随着长纤维增强热塑性塑料注射工艺的发展, 用注射方法加工复合材料将成为可能。注射成型的主要优势是不产生废弃碎料和缩短生产节拍 (例如, 90 s成形1件仪表板) 。
也有几种生产工艺适合中等产量复合材料的生产。SMC和玻璃纤维布热塑性塑料 (GMT) 的压缩成型工艺是两种选择, 这两种工艺最近几年已实现高度自动化, 广泛用于轿车和载货车。而且, 现在已经解决了SMC在初期遇到的诸多问题, 例如高密度、表面完美和涂装性能。然而SMC和GMT目前的共同问题是局部加工和相应产生的废弃碎料, 例如, 方便装配SMC载货车保险杠需要磨孔, 这就有产生碎料的可能。
适用于中等产量的第3种工艺是RTM。它可用于结构件生产, 由于其良好的公差和能获得良好的机械性能而备受关注, RTM件的表面质量也很好。其劣势是模具成本相对高和材料浪费相对大, 生产节拍相对长。其他几种如纤维编织和纤维放置的复合材料制造工艺也已经自动化。毫无疑问, 为满足汽车工业的生产要求, 复合材料制造商正为更加具有竞争力而努力。
早期的轿车、客车和载货车几乎全部是金属制造的, 显然, 熔化再生这些材料直接获得“原状”新原料产品, 它们每次被熔化后, 前一个生命周期的“记忆”就失去了, 这样的材料是完美的。遗憾的是, 复合材料不一样。
最近几年, 为了方便汽车再利用, 工业上使用的聚合物的种类数已经明显减少, 并且为在汽车报废时便于辨认和拆解, 塑料零件上会有标记。有粗略的统计表明, 轿车由大约75%的金属和25%的非金属组成, 后者主要指塑料、玻璃、橡胶和织物。欧盟委员会出台了2000/53/CE规范规定不同材料的再利用要求, 定义报废汽车必须按如下要求进行处理。
●2 0 0 0以前:2 5%垃圾;75%再回收/材料再利用 (金属部分) 。
●2006年:15%垃圾;80%再回收/材料再利用;5%能量回收。
●2015年:5%垃圾;85%再回收/材料再利用;10%能量回收。
现在, 复合材料部件再回收利用的最大障碍不是再回收技术, 而是再回收材料的终端用途和再回收成本, 复合材料的再利用成本比原始材料高得多。与原始材料相比, 再回收的增强成分、碎末质量和技术性能都不能完全确定。因此, 还没有代表性地用再回收复合材料制造的汽车产品。目前低玻璃纤维或碳纤维或天然纤维增强的复合材料可以与其他燃料或废物一起焚烧处理。
关于多晶复合材料的讨论 第10篇
关键词：复合材料烧结体,综述,PDC,PcBN
多晶金刚石烧结体(PCD),多晶金刚石复合材料(PDC),多晶立方氮化硼(cBN)烧结体以及多晶立方氮化硼复合材料(PcBN)的应用越来越广泛,用量越来越大,从事这些多晶烧结体研究和生产的单位也越来越多。有付出就有回报,多晶烧结体的尺寸越来越大,质量不断提高。当然这些进步和提高很难量化,并不像一些虚假广告所宣传的那样,全国第一,国内领先,国际先进等等。就多晶烧结体的尺寸而言,只要高压高温设备允许,把多晶烧结体的尺寸做大一点并不困难。问题是质量如何,成功率怎样,硬质合金压头寿命长短,经济上是否合算。有些研究者在文章中称自己研制的产品在国内领先,水平很高。这样的自我评价还是要慎重为好。如果认真研究一下这些文章,就会发现实际水平并不高,甚至可以说水平很低。因为文章中常出现常识性的错误,概念也不清楚;对高温高压技术只知道些皮毛;缺乏坚实的物理、化学等方面的知识;对多晶烧结体的烧结理论和技术也仅仅停留在诸如“粘结剂”的总量,金刚石原料的质量,金刚石粒度的配比,真空高温处理等这些老生常谈的问题上。缺乏深入细致的研究……这样的水平怎么可能制造出高质量的产品?
本文旨在对多晶烧结体烧结中的某些常识性的问题进行讨论的。 PCD、PDC、cBN、PcBN是在高压高温条件下烧结而成。与常压条件下的烧结比较,它们的特别之处是需要高压。它们是陶瓷烧结中的个例。与氧化物、碳化物,其他氮化物等陶瓷的烧结大同小异。不少研究者称PCD、PDC、PcBN的烧结为“合成”,不免有些词不达意。这不仅是个单纯的术语问题,也反映了对烧结机理和方法的认识。
既然PCD、PDC、PcBN的制造是一个烧结过程,历史悠久并已成熟的烧结理论和技术,包括术语也适用于PCD、PDC、PcBN。在这方面超硬材料的研究者再“创新”就没有必要了。因为似是而非,含糊不清,难以理解的术语不能反映事物的本质。
在烧结时,除被烧结的主体成分金刚石、立方氮化硼(cBN)以外,往往添加一定量的烧结助剂或称助烧结剂,不少研究者称其为“粘结剂”。“粘结”代表什么意思?粘结剂的作用就是把金刚石颗粒、cBN颗粒物理地粘结起来?简单地粘起来的PCD、 PDC、PcBN能有高耐磨、抗冲击、耐高温性能?在高压高温条件下,助烧结剂要与金刚石、cBN发生化学反应,生成结合相,形成晶界或不生成结合相而是帮助完成烧结后停留在晶界处。具体属哪种情况视助烧结剂的种类和数量而定。由于加入助烧结剂的种类不同,有固相烧结和液相烧结之区别。前者为固相反应,后者有液相出现。加入的助烧结剂和烧结后生成的结合相往往是不同的,统称它们为“粘结剂”也不合适。国外的研究者称它们为结合剂(binder),不知是指加入的助烧结剂还是烧结后生成的结合相,也许是两者都包括,没有发现具体的解释。
为了使烧结体具有不同的性能,如硬度、耐磨性、强度、耐高温、导电性能等等,需要加入一些其他的添加剂。不能称这些添加剂为助烧结剂,更不能称为粘结剂。当然,添加剂同时起了助烧结剂的作用,则另当别论。
烧结完成后生成的晶界相是复杂的。在成分上可能会有助烧结剂、添加剂、带入的杂质以及它们之间相互作用生成的新物质,它们与金刚石、cBN之间发生反应生成的新物质。在结构上可能是玻璃相,也可能是晶化物,或二者都存在。烧结体的性能首先取决于烧结体的主要成分即金刚石、cBN的性能。cBN的硬度远不及金刚石的硬度,但它能在很高的温度条件下保持硬度不变并具有很好的化学稳定性,这使它能完成金刚石不能胜任的工作。晶界相的成分和结构也是影响烧结体性能的决定因素。晶化相要比玻璃相好。完全使晶界相消失会使PCD、PDC、PcBN的硬度更大,耐磨性更好。但这会使烧结体的强度下降,即脆性增大,不抗冲击。脆性是陶瓷制品的最大缺点。为解决这一问题,研究者们已进行了数十年的研究并取得了进展。
烧结体在高温条件下的强度是个重要研究课题。它与晶界物质的耐火度有关。耐火度是结合相在高温条件下保持固相而不变成液相的能力。多晶烧结体的研究者很少涉及这一重要问题,有的工具制造者称耐火度为红硬度。
使PCD,PDC,PcBN等烧结体同时具有高硬度、高耐磨性,抗冲击,耐高温等性能是困难的,没有万能的材料。为了解决各种加工问题,需要制造具有不同性能的PCD、PDC、PcBN,并使这些产品系列化。
超硬复合材料制造中有一个超硬材料与其他材料复合的问题。目前采用的异形界面,成分梯度变化等措施是有效的,尤其是后者。不少单位已取得了很好的效果。
如何加入助烧结剂,添加剂的问题,这要看制造具什么性能的多晶烧结体或复合材料。每种方法都有它的长处,同时也会有局限性。
想要制造出高质量的多晶烧结体及其复合材料,要求研究者和制造者熟练地掌握高压高温技术,这是基础,是工具。不会使用工具怎么可以做出色的工作?要具有坚实的物理化学等方面的知识,否则就不知道各种物质的性能,该选用哪种助烧结剂、添加剂,用量应该是多少,在高压高温下会发生什么反应,可能会生成什么新物质等等,你就不可能优化配方。要正确理解烧结过程,以便建立良好的烧结条件……总之,要有过硬的基本功。仅靠一知半解,道听途说,自己没有判断能力,不知道自己模仿的东西是否正确,这不仅会害自己,还会使谬误流传,危害他人。
我国某些多晶烧结体的质量不稳定是个大问题。因为影响质量不稳定的因素没有研究清楚并把它们稳定下来。除了高温高压技术上的问题,原材料方面存在的问题也值得重视。原材料生产者不能保证质量的现象经常发生,这给多晶烧结体的研究和制造造成麻烦。原材料质量的进一步提高也非常重要。例如作为原料的单晶金刚石和单晶 cBN的质量问题。
《复合材料工学》教学方法初探 第11篇
摘 要： 《复合材料工学》是复合材料与工程专业学生的专业方向课程之一，相关知识教学有其规律与特点，笔者结合自身教学实践，从课程作用、教材选择、课程教学、成绩考核与评价、教学效果与评价等方面探讨这门课的教学方法。
关键词： 《复合材料工学》 案例教学 教学要点
复合材料与工程专业人才可从事阻尼材料、抗辐射材料、热功能材料、摩擦功能材料、压电复合材料、仿生复合材料、梯度功能材料、功能陶瓷材料、超导功能材料、医用功能材料的研发、生产与管理工作[1]。复合材料相关工艺及设备的研究是复合材料与工程专业学生学习、研究的重要内容，不同组成、结构的复合材料对成型加工工艺及设备提出不同的参数要求，而工艺和设备的研究、开发和持续改进是从事相关工作的永恒主题[2]。复合材料工学就是面向高教学生开设的一门有关复合材料成型工艺及设备的专业方向课程。通过多年对本门课的教学，笔者总结出以下教学要点。
1.讲明本课程的作用
《复合材料工学》是复合材料与工程专业的一门专业方向课，是在学生学习了高分子化学与物理、材料复合原理、材料表面与界面、复合材料力学与结构设计等专业课基础上开设的。它是一门理论性和应用性都较强的课程，为学生今后从事有关复合材料加工的理论研究和生产一线工作打基础。
2.本课程教材的选择
目前，国内关于《复合材料工学》可选的教材比较少，笔者选用武汉理工大学刘雄亚主编的《复合材料工艺及设备》。该教材面向本科生教学，通过教材的学习，学生能对手糊成型工艺及设备、夹层结构成型工艺及设备、模压成型工艺及设备、层压成型工艺及设备、缠绕成型工艺及设备、挤出成型工艺及设备、注塑成型工艺及设备、无机非金属基复合材料成型工艺及设备、金属基复合材料成型工艺及设备等有比较系统的了解，具有一定的解决实际问题的能力。当然，由于教学过程中课程设定为64学时，老师可根据学生的学习兴趣进行适当取舍，如第十五章金属基复合材料成型工艺及设备的讲解可以适当补充一些教材以外的内容，因为这一章节的编写相对简单些，而无机非金属基、金属基复合材料是复合材料的一部分，近来研究和应用取得长足进展。
3.本课程的教学方法
3.1多媒体结合板书
信息拓展展示以多媒体为主，重点问题讲解以板书为主[3]。对于《复合材料工学》课程教学，多媒体课件的重点在以下三个方面突出应用：（1）当涉及大量信息拓展或者多种形式的直观展示时，以多媒体为主。如工艺流程图、各种设备图、一些成型加工过程的动画演示等。（2）对于大量公式推导、文字描述可以通过多媒体方式进行展示，从而比较准确完整地反映同时节省大量的授课时间。而板书的引导会带动学生思维层层深入，更容易将一个知识点讲透彻。如讲成型加工过程中的质量控制时，通过板书讲解与分析，引导学生思考，更容易将难点讲透。
3.2案例教学法
案例教学法是一项系统工程，需要教师精心创设教学情境，巧妙设置探究问题，引导学生在分析案例中研究问题，从而形成认识、发展能力、升华情感，并借助情境与问题实现教学目标[4]。对于《复合材料工学》课程教学，工厂已经采用的一些工艺实例都是鲜活的案例，教师可以在课堂上适当引入工艺实例，通过对工艺实例的分析，告诉学生各种参数是如何影响最终产品质量的，在工艺、设备设计与控制时遵循什么样的设计规律，为学生将来从事生产一线工作打好基础。
3.3课后在线答疑
电脑在当前高校学生中非常普及，学生对电脑的常用操作基本熟练，特别是一些交流工具，如电子邮件、QQ在线聊天甚至视频对话等，笔者认为借助互联网进行学生课后答疑是一种教学辅助方法。学生在课后学习，如在做课后作业时遇到问题，借助电子邮件向老师提问，提高学生的学习效率。当然，这种答疑方法有待进一步探索，如果老师每天进行大量的邮件答疑会增加教学负担，这时可以采取更为灵活的一些方法如建立QQ群，在指定时间内在线集中答疑等。
4.成绩考核与评价
《复合材料工学》是专业必修课，应采用笔试闭卷考核，由于这是一门应用性很强的课程，学生将来运用到相关知识时需要很强的主观能动性，笔者经过多年实践认为应侧重对概念和应用能力的考核，如用填充题、名词解释、简答、案例分析等题型，特别是案例分析题型，结合生产实际出现的产品质量问题要求学生分析问题、提出解决方案，不强求学生答案的唯一性，而是根据学生对课堂学习知识的把握和灵活应用情况综合评分。学生最终成绩按学校、系部要求进行，结合平时考核和期末考试成绩综合评分。笔者采用百分制，平时成绩占总成绩30%，期末考试成绩占总成绩70%。
5.教学效果与评价
通过本课程学习，要让学生基本掌握复合材料的各种成型加工工艺及熟悉相关的加工设备，具备一定的分析和解决与复合材料成型加工相关问题的能力，为复合材料与工程专业学生将《复合材料工学》知识应用到科学研究和生产实践中，为经济社会服务打下良好的基础。从已经毕业的学生反馈看，学习这门课为从事相关工作打下很好的基础，学生进入工厂后，能在比较短的时间满足岗位要求，从事复合材料工艺和设备的设计、改进等工作。
目前，工业上复合材料的加工工艺及生产设备的研发不断取得新的进展，知识更新非常快，而学生的学习方式、学习兴趣也有时代特征，如何上好《复合材料工学》这门课，还需要不断探索、持续研究。
参考文献：
[1]薄鑫涛.一种新型材料—复合材料.热处理，2015（2）：13.
[2]孙开颜，姚伟，高祥政，等.纤维增强复合材料产品加工工艺的改进.工程塑料应用，2015（2）：71-73.
[3]卞鸿巍，王荣颖，马恒.多媒体与板书在课堂教学中优化组合方法探讨.教育教学论坛，2014（39）：235-236.
桥梁复合材料防撞设施研究 第12篇
关键词：复合材料,防撞装置,研究现状
1引言
最近的几十年来, 全世界发生了很多起船撞桥事故, 造成了人员的伤亡、经济的损失和环境的污染等一系列不良后果。所以, 对通航孔桥墩安装防撞设施是非常有必要的。中国近年来在大桥中常用的直接式抗撞设施为钢结构套箱或浮箱形式, 但钢套箱刚度较大、易锈蚀、造价及维护费用高, 而大量的试验研究证明用复合材料结构作为能量吸收元件要比一些常用的金属材料结构具有的能量吸收能力要高, 而且其具有高强度、可恢复性强等优点。所以说桥梁复合材料防撞设施具有广阔的应用前景。
2复合材料的特点
复合材料是指由两种或两种以上成分不同, 性质不同, 有时形状也不同的相容性材料以物理方式合理的进行复合而制成的一种材料。它通常由基体材料和增强材料两大组成构成, 它不仅保持了组成材料自身的优良性能, 而且通过材料互补改善或突出某些特殊性能。复合材料可分为金属基复合材料和非金属基复合材料。金属基复合材料是以金属或合金为基体, 并以纤维、晶须、颗粒等为增强体的复合材料。按基体的类型, 金属基复合材料可分为:高温合金基、镍基、钛基、镁基、铁基等;按增强体的类型, 金属基复合材料可分:纤维增强、晶须增强和颗粒增强等。非金属基复合材料可以分为树脂基复合材料与陶瓷基复合材料, 树脂基复合材料具有质量轻、易于加工和改造等优点;陶瓷基复合材料具有高强度、高模量、耐磨损、耐高温且韧性较高等优点。
3桥梁复合材料防撞设施的研究现状
20世纪以来, 复合材料在航空、医学、机械和化工等领域得到了广泛的应用。近年来, 复合材料以其高强度、可恢复性强、比吸能高等优点, 开始在桥梁工程中得到广泛的应用。
下面我主要介绍一下复合材料在桥梁防撞方面的一些研究现状:
1983年, 美国学者Farley[1]进行了大量的撞击试验和理论分析, 表明具有相同层方位的混杂复合材料的能量吸收仅比单个类型纤维复合材料的稍好。
2002年, 南京航空航天大学的王鑫伟等[2]人通过试验研究了三种不同结构形式的复合材料元件在轴向准静态载荷下的压溃过程和能量吸收能力, 得出复合材料元件不同的结构形式在轴向压缩载荷作用下, 只要材料充分地破碎, 其吸收能量的能力是基本相同的。
2003年, 上海交通大学的卢国兴、王熙等[3]人通过大量的试验发现, 在轴向压缩载荷作用下, 复合材料圆管结构的吸能能力要比矩形或方形管的吸能能力大, 并且当圆管壁厚一定, 直径在一定范围内时, 复合材料圆管结构的吸能能力随直径D的减小而增大。
在2013年, 华南理工大学的赵树超[4]通过试验及仿真分析发现, 在等效静力作用下, 聚氨酯-钢复合结构防撞套箱具有良好的受力的性能和良好的抗疲劳性能, 其应力和位移均在合理的范围之内。
在2014年, 由邹锐、吴志敏等[5]人进行了大量的数值仿真分析表明双筒型复合材料桥梁防撞装置具有良好的缓冲吸能作用, 并将其应用到实际的桥梁防船撞工程项目中, 桥墩受到的最大船撞力减小了1/3左右。
复合材料板壳结构的损伤破坏机理与管状结构有较大的差别, 在冲击载荷作用下复合材料板壳结构会将一部份冲击能量转化为弹性形变能, 另一部份的能量则被不可恢复的损伤破坏变形吸收。
2001年, 北京航空航天大学的程小全[6]对低速冲击后复合材料层合板进行了大量的试验研究表明低速冲击后层合板的承压能力大幅下降, 且剩余压缩强度与冲击损伤投影面积的大小无直接关系。
2003年, 台湾学者Yu-Hao Pan[7]通过对低速冲击下复合材料层合板的损伤特性及失效强度的分析, 认为影响复合材料层合板吸能机制的主要因素是层合板层数。
2013年, 南京航空航天大学的许希武等[8]人对T300/QY8911复合材料层合板进行了低速冲击试验研究及数值仿真模拟, 将试验结果和数值仿真结果对比分析表明影响低速冲击后层板内部分层面积的主要因素是层间剪应力, 因此提高层间的剪切性能可显著提高复合材料层合板抗冲击性。
大量的试验和数据表明, 复合材料虽然具有强度高、韧性好等优点, 但是也存在着很多的问题亟待解决, 主要是因为它是各项异性的材料, 受力性能比较复杂, 强度失效准则表征困难。所以在复合材料方面还有大量的工作需要我们进一步去研究。
参考文献
[1]G.L.Farley.Energy absorption of composke materials[J].Journal of compositematerials.1983, 17:267.279.
[2]刘瑞同, 王鑫伟.轴向载荷下复合材料元件吸能能力的试验研究[J].南京航空航天大学学报.2002, 34 (5) :418-422
[3]王熙, 卢国兴, 余同希.复合材料管状结构的能量吸收性能[J].工程力学.2003, 20 (3) :155-160
[4]赵树超.复合结构的桥墩防撞设施受力性能研究[D].华南理工大学.2013
[5]邹锐, 吴志敏, 王立新, 方海, 刘伟庆.双筒型复合材料桥梁防撞装置的船—桥碰撞数值分析[J].公路.2014年07期
[6]程小全, 寇长河, 郦正能.低速冲击后复合材料层合板的压缩破坏行为[J].复合材料学报.2001, 18 (1) :115-11
[7]Tien-Wei Shyr, Yu-Hao Pan.Impact resistance anddamagecharacteristics of composite laminates.Composite structures.2003, 62:193-20