復合材料

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復合材料范文第1篇

論文摘要:本文介紹了一種新型材料—紡織結構復合材料的發展與應用情況，對其組成特點、成型工藝和設計因素進行了分析，并提出分析該種材料力學性能的一般性方法。

材料、能源和食品既是人類賴以生存的三大要素，又是人類與自然界作斗爭所追求的三大目標，由它們組成的某個時代的物質世界就是人類歷史演進的標志。

一、紡織復合材料技術分析

紡織結構復合材料是紡織技術和現代復合材料技術結合的產物，它與通常的纖維復合材料具有較大的區別。纖維復合材料是通過把纖維束按一定的角度和一定的順序進行鋪層或纏繞而制成的，基體材料和纖維材料于鋪層或纏繞時同時組合，形成層狀結構，因此也稱層合(壓)復合材料。纖維復合材料中的纖維是平行的、互不交疊的。而紡織結構復合材料是利用紡織技術首先用纖維束織造成所需結構的形狀，形成預成型結構件(簡稱預成型)，然后以預成型作為增強骨架進行浸膠固化而直接形成復合材料結構。正是這種工藝的變革，使紡織結構復合材料與普通復合材料相比具有許多突出的優點，同時由于細觀結構的復雜化又給設計和分析增添了更多的困難。迄今雖然經過許多研究者的努力，已經發展了各種分析模型，能解決一些應用問題，但還遠沒有成熟，還需要經過比較、積累和進一步發展，以形成完善而統一的分析、設計方法和相應的標準，才能使紡織結構復合材料得到更廣泛的應用。

二、紡織復合材料的發展

在20年代，波音公司就已經使用紡織結構來增強飛機的機翼。50年代，美國通用電器公司也選擇紡織結構作為碳/碳復合材料鼻錐的增強形式。70年代初，在纏繞工藝的影響下，二維編織工藝被引入復合材料領域。隨著復合材料的發展，二維編織工藝也得到了迅速的發展，并為制造復雜形狀復合材料開辟了一條成功之路。80年代，通過紡織界與復合材料界的合作，編織技術由二維發展到三維，從而為制造高性能復合材料提供了新的途徑。三維編織結構復合材料由于其增強體為三維整體結構，大大提高了其厚度方向的強度和抗沖擊損傷的性能，因而倍受重視并獲得迅速發展。創造不補充加油而連續環球飛行一周記錄的“航行者”飛機與美國比奇公司的“星舟”1號公務機，都采用了一些編織結構件。英國道蒂公司的復合材料螺旋漿，其漿葉為編織結構，獲得1991年英國女王技術成果大獎。美國航空航天局(NASA)大力開展三維編織結構復合材料研究工作。計劃中包括開發編織技術和自動化加工、開發熱塑性樹脂等重要內容。

由此可見，現代紡織結構復合材料是在常規復合材料高度發展和廣泛應用于各工業領域的基礎上產生和發展起來的，通過吸收紡織學科各類織造技術，形成了機織、針織、編織等類別的紡織結構復合材料。值得指出的是，在過去40年里，還主要是以層板復合材料應用最廣，特別是在航空航天、軍事工業、交通等領域占據重要地位。復合材料的出現和發展對20世紀的結構工程產生了巨大的推動作用，并形成全球性的先進纖維材料的市場。在這種應用背景下，層板復合材料因存在“層”而帶來力學性能的弱點:如分層、開裂敏感和損傷擴展快，垂直結構厚度方向強度低，抗沖擊性能差等都顯露出來。由此古代紡織結構復合材料的思想必然被人們接受用來消除復合材料的“層”。在常規復合材料成熟的設計分析方法、織造工藝以及高效的紡織織造技術的前提下，現代紡織結構復合材料以驚人的速度蓬勃發展，已波及美國、法國、英國、德國、俄羅斯、拉脫維亞、芬蘭、比利時、中國、日本、南朝鮮等國。其重要原因之一，就是紡織構造的優越的力學性能，特別是不同的織造技術所形成的纖維束的微觀構

型，適應十分廣泛的載荷環境作用下的工程結構的要求。

三、紡織結構復合材料應用

（一）按當代歷史觀點，紡織結構復合材料的出現是近世紀材料科學發展的重大進步之一。而按紡織結構復合材料的定義，可以追溯到中國古代用編成排的秫桔混合粘土做成的墻體，這是紡織結構復合材料在建筑領域的最早應用。

（二）用銅絲編織成的陶瓷基容器。可以考證，早在中國明朝(1368年～1644年)就可精制此類景泰藍。由此可知，人類很早就熟知紡織結構復合材料的優點:織造的纖維網絡具有優越的整體增強作用。因而紡織結構復合材料的出現和發展是一個悠久的歷史過程。

（三）在航空航天領域，高溫、燒蝕和高速沖刷的導彈頭錐、火箭發動機的喉襯采用三維整體編織結構復合材料。發動機裙和導彈彈體(或火箭箭體)以及飛機機身則采用二維編織或機織結構復合材料。目前對空間飛行器，特別是對那些長時間在軌道運行的空間站、空間實驗室和重復使用的太空運輸系統，正在進行一類智能型紡織結構復合材料的研究。這類結構是將諸如光纖(傳感)、壓電(驅動)等元件埋入材料內部，以監控制造過程中的質量和運行中結構的健康狀況或控制結構的動力學行為;

（四）在交通運輸領域，從自行車到汽車、艦艇、高速火車和軍用戰車，都可以找出用紡織結構復合材料制成的零、部件和主體構架的例子，只是不同部件采用不同類型的紡織結構而已。如形狀復雜的螺旋槳、曲軸就采用整體編織結構復合材料;

（五）在建筑領域，可分為兩類:一類是剛性復合材料構件，如梁、柱、骨架等;一類則是柔性復合材料構件，如體育館、停車場和車站的屋頂、野營帳篷等。前者大多采用三維織造類結構復合材料，后者則用二維織造類結構復合材料〔8〕;六）體育用品如高爾夫球桿，醫療用品如人造血管、骨骼等都可用三維織造類結構復合材料。

四、紡織復合材料的應用優勢

（一）高強度、高模量，特別是包括厚度方向、橫向的全方位增強，使材料具有高損傷容限、高斷裂韌性、耐沖擊、抗分層、開裂和疲勞等;

（二）優良的可設計性，可按加載方向增加纖維束數，以及按實際需要(整體)織造復雜形狀的零、部件和一次完成組合件，如加筋殼、開孔結構的制造等;

（三）可自動化高效率生產和接近實際產品形狀的制造，使加工量和連接大大減少。因而經濟性好、成本低、制造周期短;

（四）易于在預成型和復合前安放機敏類材料，如光纖、壓電等，從而實現對復合工藝質量監控、產品在服務期間

的壽命監測、振動控制等，這樣既提高了產品質量又增加了可靠性。

五、紡織結構復合材料的組成與設計因素

紡織結構復合材料類似于自然界經過優勝劣汰的生物組織。所不同的是由纖維束組成的種種預成型構造是經過現代紡織技術織造成形的。將成型后的纖維束網絡骨架充填以基體材料，經固化制成紡織結構復合材料。

紡織結構復合材料的另一個組分就是基體材料。主要有樹脂基、金屬基、陶瓷基和碳碳基4類基體材料。在復合材料中，基體起著傳遞載荷、均衡載荷和固箝支持纖維的作用。只有纖維和基體兩者有機地匹配協調，才能充分發揮整體作用和各自的性能，即通常估算力學性能的混合律方可成立。值得指出，混合律還只是一個工程處理模式，切勿從混合律各組分所占的比例來判定各個組分所起的作用。這是因為紡織結構復合材料的工藝性、力學性能中的壓縮、彎曲、剪切、扭轉強度、對環境的溫度、介質相容性以及導電、傳熱等物理或化學性能主要取決于基體材料。研究表明，兩組分固化后組分之間受4種力的相互作用而固結成整體:其一，兩組分本身的內聚力;其二，在纖維表面的微孔隙被基體大分子滲透擴散而“釘牢”所產生的機械作用力;其三，包括氫鍵和范德華力在內的吸附力;其四，基體的化學基團與纖維表面化學基團起化學反應所形成的化學鍵的作用力。這是組分選擇和工藝方法選擇的第二個應考慮的因素。

復合材料范文第2篇

關鍵詞：復合材料損傷；復合材料檢查；復合材料修理

1.飛機復合材料

1.1 應用種類

飛機復合材料結構通常被稱為"纖維增強塑料"。這是因為它使用高強度的纖維增強材料，嵌入在一種樹脂基體里，以層或層片的形式疊加起來，形成層板。然后使用一種精確控制的加壓加熱工藝把該層板固化為一種非常堅固和堅硬的結構。

組成飛機復合材料的組元有纖維增強材料，基體和界面層（圖1）。纖維增強材料體是承載的組元，均勻地分布在基體中，并對基體起增強（韌）作用；基體是起著連接纖維增強材料，使復合材料獲得一定的形狀，并保護纖維增強材料的作用；界面層是包覆在增強體外面的涂層，其功能是傳力，同時防止基體對纖維增強材料的損傷，并調節基體與纖維增強材料之間的物理、化學結合狀態，確保纖維增強材料作用的發揮。通過界面層產生的復合效應，可以使復合材料超越原來各組元的性能，達到最大幅度改善強度或韌性的目的。飛機復合材料不但是多組元的材料，而且，材料的機械性能和物理性能隨方向而變化，也是各向異性的材料。

2.復合材料的損傷

2.1 復合材料基體樹脂裂紋損傷

復合材料層合板在承受拉伸載荷或交變載荷時，我們首先能在偏軸層內觀察到基體裂紋。最早出現裂紋的往往是90？鋪層，其后是其他偏軸層。一般說來，相對軸向載荷方向的角度越小，越不容易形成基體樹脂裂紋。偏軸層內的基體樹脂裂紋是偏軸層內的主要損傷形式。基體樹脂裂紋的起始依賴于該層內的應力水平。只要層內的應力水平達到了基體樹脂材料的破壞強度，或者雖應力水平低于基體樹脂的破壞強度，但經過足夠的載荷循環，偏軸層內就會出現基體樹脂裂紋。偏軸層內的基體樹脂裂紋損傷與鋪層順序有關。例如，[0/90/ 45]s層合板90？鋪層中的裂紋比[0/ 45/90]s層合板90？鋪層中的裂紋多。所有偏軸層的裂紋加在一起，有60%～90%的裂紋產生在20%疲勞壽命以前。但是，出現大量的基體樹脂裂紋并不影響構件應用時的安全性，大量的靜力試驗和疲勞試驗都證明了復合材料具有獨特的"損傷-安全"特性。

2.2 復合材料撞擊損傷

復合材料耐撞擊的性能較差。常會因受到外來物撞擊而產生損傷。當撞擊能量低于某個水平時，雖然目視不能覺察到損傷，這種損傷可能導致強度顯著降低。復合材料結構在使用過程中，可能會因受到撞擊而產生各式各樣的損傷，可分為硬物體撞擊和軟物體撞擊損傷。

硬物體的撞擊往往是引起復合材料的局部損傷，可能導致復合材料強度明顯下降，甚至在短時間的疲勞過程中發生疲勞破壞。飛機起飛和著陸滑跑時跑道上的石子以及空中飛行時遇到冰雹，都可能使復合材料構件產生撞擊損傷；另外，在制造和維護過程中，不正確的維護行為，例如跌落工具的撞擊等也會使復合材料構件產生撞擊損傷。

軟物體的撞擊主要是指飛鳥的撞擊。這種撞擊有時直接造成結構破壞，有時只引起局部損傷。主要取決于撞擊物的質量、材料、撞擊速度、幾何形狀和撞擊時的偏斜角度。

2.3 復合材料層間分層損傷

在面內軸向載荷作用下，沿著復合材料構件邊緣會產生層間應力或壓應力（垂直層合板平面方向）。如果外載荷（靜載荷）引起的層間應力是拉應力，并且超過了材料的層間強度，那么自由邊緣處將會產生分層。應當指出，當交變應力水平低于開始分層的靜應力水平時，在疲勞壽命初期也可能產生分層。

復合材料層合板的鋪層順序將決定在自由邊緣處產生的層間法向應力是拉應力還是壓應力。例如，[30/90]s層合板在拉伸載荷作用下，自由邊緣處產生的層間法向應力是拉應力，而在壓縮載荷作用下所產生的是壓應力，所以，[30/90]s層合板在拉伸載荷作用下，將產生廣泛的分層損傷，而在壓縮載荷作用下，不會產生如此嚴重的分層損傷。原因是它在壓縮載荷作用下，自由邊緣處的層間法向應力是壓應力。[90/30]s層合板在壓縮載荷作用下，自由邊緣處產生層間拉應力，所以它在壓縮載荷下產生分層損傷。另外，還應指出，兩個90？鋪層粘貼在一起，易在自由邊緣處引起分層損傷。采用縫紉或編織布包覆邊緣的方法和提高基體材料的層間強度，都可以提高層間抗分層破壞的能力。

3.復合材料損傷的修理

3.1 復合材料修理設備

在復合材料結構修理固化過程中，需要對修理部位進行加溫；在修理過程中，常用的加溫設備有烘箱和加熱毯，也可以選擇使用熱壓罐。熱壓罐使用正壓來壓實材料鋪層，同時使用氮氣和空氣的熱混合氣體，通過高速循環來固化材料。烘箱使用真空袋內的負壓來壓實材料鋪層，同時使用高速循環的空氣來固化材料。加熱燈用于固化低溫修理。加熱燈與修理表面的距離將決定修理部位的溫度，需要一個可調節的支架來變換到修理部位的距離。加熱燈不能接觸或接近修理部位或部件，否則會造成修理區域或部件的損壞。同時可以使用熱電偶來測量表面溫度，如果在加熱燈直接光束下的溫度比較高，可以使用熱補儀控制器來控制加熱燈的溫度。電熱毯由兩層硅膠夾一層金屬電阻加熱元件構成。復合材料修理使用每平方英寸上輸出5瓦功率的電熱毯。為確保修理部位的邊緣也能充分固化，應使用比修理區域大4英寸的電熱毯。

在修理中可以設定一個指示最高溫度的熱電偶來控制修理固化周期，熱補儀在修理固化周期中可以監控真空袋中的真空水平，如果真空袋出現異常，熱補儀會發出報警。

3.2 復合材料修理輔助材料

輔助材料是修理完后它并不成為修理部件的一部分。輔助材料指的是在修理過程中被用來輔助固化工藝或幫助固化達到正確的纖維-樹脂比率的材料。（圖2）

輔助材料有：分離膜/織布、吸膠材料和透氣棉、真空袋膜、做真空袋的密封膠帶等。這些材料有不同的成分、厚度和溫度范圍可供選擇。分離膜/織布在需要控制樹脂流動的情況下使用，或與樹脂/膠黏劑接觸使用。無孔分離膜/織布作為一種隔離物，起隔離作用。有孔分離膜/織布允許樹脂和空氣通過，在固化之后可以輕易地從部件上去除。吸膠材料和透氣棉可以是同一種材料，但有不同的應用。這種材料吸收力強，多孔，通常由聚酯材料制成。吸膠材料用來吸收部件上的多余樹脂，給樹脂固化時的化學揮發物以及空氣提供通道，便于它們在固化過程中逸出。透氣棉通常用于不與樹脂接觸的情況下，只在真空袋膜與其他真空袋材料之間使用，為空氣從鋪層的逸出提供通道。密封膠帶用于部件和真空袋膜之間，起空氣密封作用，產生修理所需要的真空壓力。

3.3 復合材料修理材料

1.樹脂材料：樹脂用于浸漬纖維織物，樹脂是雙組分環氧樹脂系列。在兩組分混合使用前，各組分可以在室溫下保存。

2.纖維織物：纖維織物（纖維織物和纖維單向帶）是濕鋪層修理的鋪層材料。濕鋪層修理由用戶采用纖維織物浸涂樹脂進行的鋪層修理。

參考文獻

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復合材料范文第3篇

關鍵詞：聚苯胺 復合材料 合成方法

The Synthesis Of Polyaniline Composite Materials

LiushengCaoming

(College of Chemical Engineering and Energy; Zhengzhou University，Zhengzhou Henan China 450001)

Abstract:In recent years,polyaniline has attracted much attention because of its excellent properties. The study on its synthesis and doped mechanism is always one of the major research contents of polyanline.In this paper, the synthesis methods of polyanline composite materials are reviewed

Keywords:polyanlineComposite materialsSynthesis methods

一、引言

半導體金屬氧化物傳感器是目前主要的商業化的氣體傳感器，但在應用中存在選擇性差、操作溫度高、穩定性也不令人滿意等問題。而以聚苯胺（PANI）為代表的導電高分子氣敏材料由于價廉易得、合成和制膜工藝簡單且可在常溫下工作等優點，已成為研究的熱點。但是純的聚苯胺氣敏材料存在選擇性性差、靈敏度低以及穩定性欠佳等缺點，并且聚苯胺為共軛的剛性鏈結構，在有機溶劑中溶解度低、成膜性能差，不易加工成型從而阻礙了它作為氣敏材料在實際中的應用。所以，為了克服純聚苯胺的缺點，通過選擇合適的通用高分子材料與聚苯胺復合，提高其靈敏度和選擇性；改善材料的加工成膜性能；同時使之具有很好的穩定性，從而能夠更廣泛地應用于氣體傳感器中。

二、聚苯胺復合材料的合成

復合材料的合成方法大致可分為：共聚法、共混法、“現場”吸附聚合法以及電化學合成法四種。

1.共聚法

該法是合成包含導電共軛鏈段的接枝或嵌段共聚物，也是獲得可溶性導電高分子的一種方法。這種共聚物在溶液中因界面活性能夠形成膠束，導電鏈段（硬段）處于核心，其含量多少決定共聚物在溶液中的凝聚性。用共聚改性的方法雖然可以在一定程度上改善聚苯胺的力學性能和加工性能，但同時使聚合物的導電性能下降，改善的效果并不明顯，報道的研究成果也較少。

2.共混法

共混法又可以溶液共混法、機械共混法和乳液共混法三種。

2.1溶液共混法

溶液共混法有兩種實施方法：（1）通過選用恰當的功能質子酸，使摻雜PANI與聚合物共溶于特定的有機溶劑中，通過溶液共混方法制備聚苯胺導電材料，其關鍵是摻雜劑和溶劑的選擇。（2）將本征態聚苯胺和聚合物分別溶于有機溶劑中，按一定比例混合澆鑄，得到本征態聚苯胺/聚合物薄膜，再將此薄膜浸于酸溶液中摻雜，從而得到導電復合膜。

在第一種方案中導電性能的摻雜劑功能質子酸中的功能基團、基體聚合物、溶劑、加工方法和所得共混材料的相結構的影響。第二種實施方法在酸溶液摻雜過程中，摻雜介質對摻雜效率有明顯的影響。

溶液共混法分散均勻、使用方便、能夠制得電導率較透明材料。但是導電聚苯胺在常用有機溶劑中溶解度小，需要耗費大量有機溶劑，容易造成環境污染。

2.2機械熔融共混法

機械共混法是制備聚合物共混材料的常用方法。將導電聚苯胺與基體聚合物同時放入混煉設備中，在熔融溫度下進行混煉，即可得到聚苯胺/聚合物導電共混材料。

機械熔融加工法既可以把導電聚合物粒子分散于熱塑性材料中，充分利用熱塑性聚合物的加工特性，也可以用涂覆有導電聚合物的熱塑性材料顆粒熱壓加工。基體聚合物、摻雜劑、溫度和加工方法的選擇，都會影響所得導電材料的性能。

2.3乳液共混法

乳液共混法有兩種實施方法：一種是原位乳液聚合法，即用溶劑將聚合物樹脂溶解后，加入表面活性劑制成乳液，再進行苯胺的聚合;另一種是兩步法，即先制備PANI膠乳，再與基體聚合物的溶液或乳液共混。

兩步法中，PANI膠乳的穩定是技術的關鍵，只有在穩定的膠乳體系中，才可以獲得性能均一的共混材料。目前多是采用PANI-DBSA膠乳體系，膠乳中PANI粒徑是納米級的，在適當的DBSA存在下，膠乳體系是穩定的，其分散程度和穩定程度，隨DBSA含量的增加而增加。其中一些DBSA是摻雜劑，過量的DBSA則充當表面活性劑。來保持體系穩定。甚至當PANI乳液與聚合物的溶液或乳液混合后，無須添加任何添加劑，所得分散體系也是穩定的。

乳液聚合對聚苯胺溶解性的改善得益于聚合過程中使用的乳化劑，乳化劑往往是大分子功能質子酸，不僅具有乳化作用，而且對生成的聚苯胺分子能進行有效的摻雜，起到模板或立體穩定劑的作用。

3.“現場”吸附聚合法

該方法是將苯胺單體吸附在非導電聚合物基材上，通過引發聚合苯胺單體在基材表面形成導電薄膜，從而獲得功能性聚苯胺復合材料。例如，將纖維、紡織品、塑料等基材浸在新配制的過硫酸銨與苯胺的酸性水溶液混合物中，使苯胺在基材的表面發生氧化聚合反應，聚苯胺可均勻地“沉積”在基材表面，形成良好的致密膜，以制成導電材料。

復合材料的力學性能以及熱力學性能主要由基材性能決定，這就為根據實際需要合成出具有不同熱、力學性能的聚苯胺復合材料提供了可能。

4.電化學合成法

電化學方法通常用來制備膜制品。其方式有兩種：一種是二段法，即在電解質溶液中，在預先覆有絕緣高分子膜的電極上電解聚苯胺單體。第二種是一段法，即將聚苯胺單體、支撐高分子一起溶于電解液中，一次電解得到所需復合膜。用電化學制備復合膜，不僅可以避免使用強烈的氧化劑和有害的摻雜劑，而且可以控制其膜結構。

三、結束語

近年來隨著氣體傳感器的廣泛應用和氣敏元件性能的需求，聚苯胺已成為一種新興的導電高分子材料而受到廣大科研工作者的青睞。雖然聚苯胺的基礎研究和摻雜機理的研究已經取得一定的成果，但是仍有很多問題亟待解決：聚苯胺的復合機制、導電機制以及進一步提高聚苯胺的性能。所以對聚苯胺這個新興的導電高分子材料，仍需科研工作者投入大量精力去研究！

參考文獻:

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復合材料范文第4篇

復合材料是指由兩種或兩種以上不同物質以不同方式組合而成的材料，它可以發揮各種材料的優點，克服單一材料的缺陷，擴大材料的應用范圍。由于復合材料具有重量輕、強度高、加工成型方便、彈性優良、耐化學腐蝕和耐候性好等特點，已逐步取代木材及金屬合金，廣泛應用于航空航天、汽車、電子電氣、建筑、健身器材等領域，在近幾年更是得到了飛速發展。

隨著科技的發展，樹脂與玻璃纖維在技術上不斷進步，生產廠家的制造能力普遍提高，使得玻纖增強復合材料的價格成本已被許多行業接受，但玻纖增強復合材料的強度尚不足以和金屬匹敵。因此，碳纖維、硼纖維等增強復合材料相繼問世，使高分子復合材料家族更加完備，已經成為眾多產業的必備材料。目前全世界復合材料的年產量已達550多萬噸，年產值達1300億美元以上，若將歐、美的軍事航空航天的高價值產品計入，其產值將更為驚人。從全球范圍看，世界復合材料的生產主要集中在歐美和東亞地區。近幾年歐美復合材料產需均持續增長，而亞洲的日本則因經濟不景氣，發展較為緩慢，但中國尤其是中國內地的市場發展迅速。據世界主要復合材料生產商PPG公司統計，2000年歐洲的復合材料全球占有率約為32%，年產量約200萬噸。與此同時，美國復合材料在20世紀90年代年均增長率約為美國GDP增長率的2倍，達到4%~6%。2000年，美國復合材料的年產量達170萬噸左右。特別是汽車用復合材料的迅速增加使得美國汽車在全球市場上重新崛起。亞洲近幾年復合材料的發展情況與政治經濟的整體變化密切相關，各國的占有率變化很大。總體而言，亞洲的復合材料仍將繼續增長，2000年的總產量約為145萬噸，預計2005年總產量將達180萬噸。

從應用上看，復合材料在美國和歐洲主要用于航空航天、汽車等行業。2000年美國汽車零件的復合材料用量達14.8萬噸，歐洲汽車復合材料用量到2003年估計可達10.5萬噸。而在日本，復合材料主要用于住宅建設，如衛浴設備等，此類產品在2000年的用量達7.5萬噸，汽車等領域的用量僅為2.4萬噸。不過從全球范圍看，汽車工業是復合材料最大的用戶，今后發展潛力仍十分巨大，目前還有許多新技術正在開發中。例如，為降低發動機噪聲，增加轎車的舒適性，正著力開發兩層冷軋板間粘附熱塑性樹脂的減振鋼板；為滿足發動機向高速、增壓、高負荷方向發展的要求，發動機活塞、連桿、軸瓦已開始應用金屬基復合材料。為滿足汽車輕量化要求，必將會有越來越多的新型復合材料將被應用到汽車制造業中。與此同時，隨著近年來人們對環保問題的日益重視，高分子復合材料取代木材方面的應用也得到了進一步推廣。例如，用植物纖維與廢塑料加工而成的復合材料，在北美已被大量用作托盤和包裝箱，用以替代木制產品；而可降解復合材料也成為國內外開發研究的重點。

另外，納米技術逐漸引起人們的關注，納米復合材料的研究開發也成為新的熱點。以納米改性塑料，可使塑料的聚集態及結晶形態發生改變，從而使之具有新的性能，在克服傳統材料剛性與韌性難以相容的矛盾的同時，大大提高了材料的綜合性能。

樹脂基復合材料的增強材料

樹脂基復合材料采用的增強材料主要有玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維等。

1、玻璃纖維

目前用于高性能復合材料的玻璃纖維主要有高強度玻璃纖維、石英玻璃纖維和高硅氧玻璃纖維等。由于高強度玻璃纖維性價比較高，因此增長率也比較快，年增長率達到10%以上。高強度玻璃纖維復合材料不僅應用在軍用方面，近年來民用產品也有廣泛應用，如防彈頭盔、防彈服、直升飛機機翼、預警機雷達罩、各種高壓壓力容器、民用飛機直板、體育用品、各類耐高溫制品以及近期報道的性能優異的輪胎簾子線等。石英玻璃纖維及高硅氧玻璃纖維屬于耐高溫的玻璃纖維，是比較理想的耐熱防火材料，用其增強酚醛樹脂可制成各種結構的耐高溫、耐燒蝕的復合材料部件，大量應用于火箭、導彈的防熱材料。迄今為止，我國已經實用化的高性能樹脂基復合材料用的碳纖維、芳綸纖維、高強度玻璃纖維三大增強纖維中，只有高強度玻璃纖維已達到國際先進水平，且擁有自主知識產權，形成了小規模的產業，現階段年產可達500噸。

2、碳纖維

碳纖維具有強度高、模量高、耐高溫、導電等一系列性能，首先在航空航天領域得到廣泛應用，近年來在運動器具和體育用品方面也廣泛采用。據預測，土木建筑、交通運輸、汽車、能源等領域將會大規模采用工業級碳纖維。1997~2000年間，宇航用碳纖維的年增長率估計為31%，而工業用碳纖維的年增長率估計會達到130%。我國的碳纖維總體水平還比較低，相當于國外七十年代中、末期水平，與國外差距達20年左右。國產碳纖維的主要問題是性能不太穩定且離散系數大、無高性能碳纖維、品種單一、規格不全、連續長度不夠、未經表面處理、價格偏高等。

3、芳綸纖維

20世紀80年代以來，荷蘭、日本、前蘇聯也先后開展了芳綸纖維的研制開發工作。日本及俄羅斯的芳綸纖維已投入市場，年增長速度也達到20%左右。芳綸纖維比強度、比模量較高，因此被廣泛應用于航空航天領域的高性能復合材料零部件（如火箭發動機殼體、飛機發動機艙、整流罩、方向舵等）、艦船（如航空母艦、核潛艇、游艇、救生艇等）、汽車（如輪胎簾子線、高壓軟管、摩擦材料、高壓氣瓶等）以及耐熱運輸帶、體育運動器材等。

4、超高分子量聚乙烯纖維

超高分子量聚乙烯纖維的比強度在各種纖維中位居第一，尤其是它的抗化學試劑侵蝕性能和抗老化性能優良。它還具有優良的高頻聲納透過性和耐海水腐蝕性，許多國家已用它來制造艦艇的高頻聲納導流罩，大大提高了艦艇的探雷、掃雷能力。除在軍事領域，在汽車制造、船舶制造、醫療器械、體育運動器材等領域超高分子量聚乙烯纖維也有廣闊的應用前景。該纖維一經問世就引起了世界發達國家的極大興趣和重視。

5、熱固性樹脂基復合材料

熱固性樹脂基復合材料是指以熱固性樹脂如不飽和聚酯樹脂、環氧樹脂、酚醛樹脂、乙烯基酯樹脂等為基體，以玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維等為增強材料制成的復合材料。環氧樹脂的特點是具有優良的化學穩定性、電絕緣性、耐腐蝕性、良好的粘接性能和較高的機械強度，廣泛應用于化工、輕工、機械、電子、水利、交通、汽車、家電和宇航等各個領域。1993年世界環氧樹脂生產能力為130萬噸，1996年遞增到143萬噸，1997年為148萬噸，1999年150萬噸，2003年達到180萬噸左右。我國從1975年開始研究環氧樹脂，據不完全統計，目前我國環氧樹脂生產企業約有170多家，總生產能力為50多萬噸，設備利用率為80%左右。酚醛樹脂具有耐熱性、耐磨擦性、機械強度高、電絕緣性優異、低發煙性和耐酸性優異等特點，因而在復合材料產業的各個領域得到廣泛的應用。1997年全球酚醛樹脂的產量為300萬噸，其中美國為164萬噸。我國的產量為18萬噸，進口4萬噸。乙烯基酯樹脂是20世紀60年展起來的一類新型熱固性樹脂，其特點是耐腐蝕性好，耐溶劑性好，機械強度高，延伸率大，與金屬、塑料、混凝土等材料的粘結性能好，耐疲勞性能好，電性能佳，耐熱老化，固化收縮率低，可常溫固化也可加熱固化。南京金陵帝斯曼樹脂有限公司引進荷蘭Atlac系列強耐腐蝕性乙烯基酯樹脂，已廣泛用于貯罐、容器、管道等，有的品種還能用于防水和熱壓成型。南京聚隆復合材料有限公司、上海新華樹脂廠、南通明佳聚合物有限公司等廠家也生產乙烯基酯樹脂。1971年以前我國的熱固性樹脂基復合材料工業主要是軍工產品，70年代后開始轉向民用。從1987年起，各地大量引進國外先進技術如池窯拉絲、短切氈、表面氈生產線及各種牌號的聚酯樹脂（美、德、荷、英、意、日）和環氧樹脂（日、德）生產技術；在成型工藝方面，引進了纏繞管、罐生產線、拉擠工藝生產線、SMC生產線、連續制板機組、樹脂傳遞模塑(RTM)成型機、噴射成型技術、樹脂注射成型技術及漁竿生產線等，形成了從研究、設計、生產及原材料配套的完整的工業體系，截止2000年底，我國熱固性樹脂基復合材料生產企業達3000多家，已有51家通過ISO9000質量體系認證，產品品種3000多種，總產量達73萬噸/年，居世界第二位。產品主要用于建筑、防腐、輕工、交通運輸、造船等工業領域。在建筑方面，有內外墻板、透明瓦、冷卻塔、空調罩、風機、玻璃鋼水箱、衛生潔具、凈化槽等；在石油化工方面，主要用于管道及貯罐；在交通運輸方面，汽車上主要有車身、引擎蓋、保險杠等配件，火車上有車廂板、門窗、座椅等，船艇方面主要有氣墊船、救生艇、偵察艇、漁船等；在機械及電器領域如屋頂風機、軸流風機、電纜橋架、絕緣棒、集成電路板等產品都具有相當的規模；在航空航天及軍事領域，輕型飛機、尾翼、衛星天線、火箭噴管、防彈板、防彈衣、魚雷等都取得了重大突破。

熱塑性樹脂基復合材料

熱塑性樹脂基復合材料是20世紀80年展起來的，主要有長纖維增強粒料(LFP)、連續纖維增強預浸帶(MITT)和玻璃纖維氈增強型熱塑性復合材料(GMT)。根據使用要求不同，樹脂基體主要有PP、PE、PA、PBT、PEI、PC、PES、PEEK、PI、PAI等熱塑性工程塑料，纖維種類包括玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維和硼纖維等一切可能的纖維品種。隨著熱塑性樹脂基復合材料技術的不斷成熟以及可回收利用的優勢，該品種的復合材料發展較快，歐美發達國家熱塑性樹脂基復合材料已經占到樹脂基復合材料總量的30%以上。

高性能熱塑性樹脂基復合材料以注射件居多，基體以PP、PA為主。產品有管件（彎頭、三通、法蘭）、閥門、葉輪、軸承、電器及汽車零件、擠出成型管道、GMT模壓制品（如吉普車座椅支架）、汽車踏板、座椅等。玻璃纖維增強聚丙烯在汽車中的應用包括通風和供暖系統、空氣過濾器外殼、變速箱蓋、座椅架、擋泥板墊片、傳動皮帶保護罩等。

滑石粉填充的PP具有高剛性、高強度、極好的耐熱老化性能及耐寒性。滑石粉增強PP在車內裝飾方面有著重要的應用，如用作通風系統零部件，儀表盤和自動剎車控制杠等，例如美國HPM公司用20%滑石粉填充PP制成的蜂窩狀結構的吸音天花板和轎車的搖窗升降器卷繩筒外殼。

云母復合材料具有高剛性、高熱變形溫度、低收縮率、低撓曲性、尺寸穩定以及低密度、低價格等特點，利用云母/聚丙烯復合材料可制作汽車儀表盤、前燈保護圈、擋板罩、車門護欄、電機風扇、百葉窗等部件，利用該材料的阻尼性可制作音響零件，利用其屏蔽性可制作蓄電池箱等。

我國的熱塑性樹脂基復合材料的研究開始于20世紀80年代末期，近十年來取得了快速發展，2000年產量達到12萬噸，約占樹脂基復合材料總產量的17%，，所用的基體材料仍以PP、PA為主，增強材料以玻璃纖維為主，少量為碳纖維，在熱塑性復合材料方面未能有重大突破，與發達國家尚有差距。

我國復合材料的發展潛力和熱點

我國復合材料發展潛力很大，但須處理好以下熱點問題。

1、復合材料創新

復合材料創新包括復合材料的技術發展、復合材料的工藝發展、復合材料的產品發展和復合材料的應用，具體要抓住樹脂基體發展創新、增強材料發展創新、生產工藝發展創新和產品應用發展創新。到2007年，亞洲占世界復合材料總銷售量的比例將從18%增加到25%，目前亞洲人均消費量僅為0.29kg，而美國為6.8kg，亞洲地區具有極大的增長潛力。

2、聚丙烯腈基纖維發展

我國碳纖維工業發展緩慢，從CF發展回顧、特點、國內碳纖維發展過程、中國PAN基CF市場概況、特點、“十五”科技攻關情況看，發展聚丙烯腈基纖維既有需要也有可能。

3、玻璃纖維結構調整

我國玻璃纖維70%以上用于增強基材，在國際市場上具有成本優勢，但在品種規格和質量上與先進國家尚有差距，必須改進和發展紗類、機織物、無紡氈、編織物、縫編織物、復合氈，推進玻纖與玻鋼兩行業密切合作，促進玻璃纖維增強材料的新發展。

4、開發能源、交通用復合材料市場

一是清潔、可再生能源用復合材料，包括風力發電用復合材料、煙氣脫硫裝置用復合材料、輸變電設備用復合材料和天然氣、氫氣高壓容器；二是汽車、城市軌道交通用復合材料，包括汽車車身、構架和車體外覆蓋件，軌道交通車體、車門、座椅、電纜槽、電纜架、格柵、電器箱等；三是民航客機用復合材料，主要為碳纖維復合材料。熱塑性復合材料約占10%，主要產品為機翼部件、垂直尾翼、機頭罩等。我國未來20年間需新增支線飛機661架，將形成民航客機的大產業，復合材料可建成新產業與之相配套；四是船艇用復合材料，主要為游艇和漁船，游艇作為高級娛樂耐用消費品在歐美有很大市場，由于我國魚類資源的減少、漁船雖發展緩慢，但復合材料特有的優點仍有發展的空間。

5、纖維復合材料基礎設施應用

國內外復合材料在橋梁、房屋、道路中的基礎應用廣泛，與傳統材料相比有很多優點，特別是在橋梁上和在房屋補強、隧道工程以及大型儲倉修補和加固中市場廣闊。

6、復合材料綜合處理與再生

復合材料范文第5篇

1試驗

1.1試件試驗件均為T700/9368層合板，試驗件的設計參考了《聚合物基復合材料手冊》［11］及相關的試驗標準。試件分為三組，光滑板和兩種不同孔徑的含孔層合板各1組，兩端均粘貼50mm長加強片加固。試件幾何形狀及尺寸見表1和圖1所示。全部試件的鋪層均為20層T700/9368，鋪設順序均為［45/90/-45/0/45/0/-45/0/90/0］s，(45°鋪層比例為40%。

1.2試件設備與方案拉-拉疲勞試驗在INSTRON8802材料試驗機上進行，試驗按照HB5440—1989(碳纖維樹脂基復合材料拉-拉疲勞試驗方法［11］)標準。試驗環境條件為自然干態(常態)，環境溫度為(23±3)℃。對三組試件分別先進行靜載拉伸試驗，得到每組試件的拉伸強度，用以確定疲勞試驗所需的載荷。

1.3光滑板試驗1組光滑板拉-拉疲勞試驗加載方式為正弦波，加載頻率10Hz，應力比均為0.1，引伸計跨距為130mm。一定循環次數后，通過材料試驗機所帶的應變引伸計測量各試件應變，獲得試件的剛度變化狀況。試件內部損傷采用超聲C掃描技術檢測。1組光滑板試驗共選擇70%、65%和60%三個應力水平，前兩個應力水平各取3個試件，60%應力水平取1個試件。各試件疲勞壽命見表3。從表中可以看出，除T700-KF1-3試件結果明顯偏離被去掉外，每個應力水平的光滑板疲勞壽命分散性均較小，試驗具有較好的置信度。由于T700碳纖維相比T300碳纖維的延伸率較大，因而出現大規模的纖維斷裂時間點較遲且偏差小，這也是T700層合板比T300層合板疲勞壽命分散性小的原因之一。圖2為70%和65%應力水平的試件剛度隨循環次數的衰減曲線。E0為初始剛渡，En為循環n次后剩余剛渡;N為疲勞壽命。從圖2中可以看出，疲勞加載的初始階段，剛度衰減比較劇烈，當循環次數超過10%壽命后，剛度衰減穩定近似為一條直線(70%應力水平下循環次數在97%全壽命點剛度明顯下偏，是因為此時已經進入了快速擴展區間)。從圖2中還可以看出，應力水平在65%和70%兩種情況下，全壽命范圍內試件的剛度衰減曲線相似度極好，而且具有在較長的疲勞加載段剛度的線性變化的特點，使得本工作后面以剛度降作為損傷量模擬的疲勞模型成為可能。試件拉-拉疲勞破壞情況如圖3所示。可以看出，T700層合板試件拉-拉疲勞的主要破壞特征是出現了大面積分層，這與靜態拉伸試件只在斷口處有分層明顯不同。相比T300層合板，T700層合板疲勞破壞后的試件分層面積更大，分布更密，這一方面是因為T700碳纖維的延伸率好，纖維斷裂出現遲;另一方面，T700的表面質量相比T300更光滑，樹脂與纖維界面強度有所下降。60%應力水平的T700-KF3-1試件在不同循環次數下進行了C掃描無損檢測，如圖4所示。結果表明，在疲勞加載初始階段，層合板內部即出現明顯的分層損傷。這時的循環次數只占層合板疲勞壽命的極小一部分，而且隨著循環次數的增加，首先是在兩端及邊緣部位出現分層，然后向中間迅速擴展，伴隨著45°方向的分布式基體開裂，在較短的時間里就出現大面積的分層，到30000次循環即約10%疲勞壽命時，分層已經接近擴展到整個層板，這也導致了圖2中疲勞加載初始階段剛度迅速下降。此階段力學性能上表現出的剛度衰減，主要來自于初始階段分層損傷和基體開裂。經過此階段后，分層損傷已經達到一個穩定擴展階段，剛度衰減如圖2所示接近為直線，直到接近90%壽命后出現大面積纖維斷裂導致板破壞。此結論和文獻［10］相一致。

1.4含孔層合板拉-拉疲勞試驗2組和3組含孔板試件拉-拉疲勞試驗加載方式為正弦波，加載頻率10Hz，應力比為0.1，引伸計跨距為200mm。對兩種孔徑的試件選擇不同的應力水平進行拉-拉疲勞試驗。含孔層合板試驗共選擇90%、85%和80%三個應力水平，前兩個應力水平各取3個試件，80%應力水平取1個試件。各試件疲勞壽命見表4。可以看出，除T700-KT1-3試件結果明顯偏離外，三個應力水平的光滑層合板疲勞壽命分散性較小，試驗具有較好的置信度。含孔層合板試件拉-拉疲勞破壞情況如圖5所示。試件斷口位置大致與靜態拉伸試件相同，位于孔兩側，但分層面積要大的多。對試件T700-KT2-2在不同循環次數下進行了C掃描無損檢測，結果如圖6所示。孔板內部初始損傷出現得很早，隨著循環次數的增加，先是在試件中段圓孔附近出現分層損傷，然后迅速由孔邊向兩端沿45°縱向擴展，在較短的時間里就出現大面積的分層，在經歷長時間的疲勞載荷作用后，最后在試件中間圓孔部位斷裂破壞。

2疲勞損傷模型

2.1光滑板疲勞損傷模型對復合材料疲勞壽命預測的疲勞累積損傷理論是運用固體物理學、材料強度理論和連續介質力學的唯像方法，它以材料的表觀現象為依據，建立與損傷耦合的力學分析模型，通過力學和數學的分析與計算，獲得所需的數值結果。在試驗階段用于復合材料的疲勞壽命預測的模型，包括剩余強度模型［1］、剩余剛度模型［2～6］以及耗散能模型［7］等等。本文在實驗研究所得到的剛度衰減結果基礎上，建立了剩余剛度模型，對T7009368層合板壽命進行預測。Lemaitre［8］創立的應變等效性假說認為，應力作用于受損材料所引起的變形等效于作用于一虛擬的無損傷材料的變形，虛擬無損傷材料的承載面積等于受損傷材料的實際有效承載面積。對于一維問題，該原理可用公式表示為:D=1－E'E(1此式即為彈性模量法即剛度下降法定義和度量損傷的基本依據。其中:D為損傷變量;E'為受損材料的損傷模量;E為無損材料的損傷模量。由此可以根據材料受損前后彈性模量的衰變來確定損傷的大小。為了把式(1)中定義的損傷因子應用到復合材料層合板的疲勞過程中，則應將損傷因子D和循環次數n建立起函數關系。以往研究結果［9］和本次的實驗結果均表明，纖維增強復合材料的疲勞損傷過程往往呈現出兩個明顯不同的階段，第一階段損傷擴展比較平穩，占總疲勞壽命的90%左右，而當疲勞損傷達到一定的程度后會進入第二個階段，這時候損傷發展比前一個階段快得多，在很短的時間內材料就發生破壞。因此本工作考慮采用分段函數對這兩個過程分別進行構建。第一階段損傷函數D1用指數函數構建，第二階段損傷函數D2用線性函數構建。Beaumont［7］根據對橫向裂紋擴展的分析提出第一階段疲勞損傷函數D1的表達式:式中a2，b2，c2為材料常數。取第一階段和第二階段的分界循環次數為nc，即當0≤n≤nc時，D=D1;當nc≤n≤N時，D=D2。nc可以根據試驗測得的剛度衰減數據和多元最小二乘法進行求解。

2.2含孔層合板疲勞損傷模型對于帶中心孔的層合板，在任意拉伸載荷作用下，只要求得特征長度a0之內的平均應力σy，加上一個修正系數β相乘來替換前面光滑板損傷模型式中的σmax，即可得到含孔板的疲勞累積損傷模型:

3疲勞壽命預測

3.1光滑板疲勞壽命預測將T700/9368層合板70%和65%應力水平下試驗結果對層合板疲勞損傷模型進行參數擬合。應用最小二乘法可得到擬合系數:a1=2.43×10－14，b1=－6.88，c1=0.33，a2=－553.5，b2=44035。將擬合系數代入式(3)和(4)得到T700/9368層合板疲勞損傷模型表達式為:本工作的計算和實驗結果均表明，當層合板彈性模量下降的初始模量的70%左右時，出現疲勞損傷分界點，循環次數約占總疲勞壽命的90%，見表5。

3.2含孔層合板疲勞壽命預測將孔板靜態拉伸試驗測得的試驗數據結合層合板性能參數，即可得到孔板特征長度，結合孔板拉-拉疲勞試驗，即可得到修正系數β的值，見表7。