第8章結構復合材料

1、第8章結構復合材料8章結構復合材 料 結構復合材料結構復合材料 工程應用的角度工程應用的角度 結構復合材料結構復合材料 功能復合材料功能復合材料 以其力學性能如強以其力學性能如強 度、剛度、形變等度、剛度、形變等 特性為工程所應用特性為工程所應用 以其聲、光、電、熱、磁等物理以其聲、光、電、熱、磁等物理 特性為工程所應用，諸如壓電材特性為工程所應用，諸如壓電材 料、阻尼材料、自控發(fā)熱材料、料、阻尼材料、自控發(fā)熱材料、 吸波屏蔽材料、磁性材料、生物吸波屏蔽材料、磁性材料、生物 相容性材料、磁性分離材料。相容性材料、磁性分離材料。 第8章結構復合材料8章結構復合材 料 作用：主要用作承力和次承力結

2、構。作用：主要用作承力和次承力結構。 要求：質量輕、強度和剛度高，且能耐一定的溫度。要求：質量輕、強度和剛度高，且能耐一定的溫度。 組成：由增強體和基體復合而成，前者是復合材料中承受組成：由增強體和基體復合而成，前者是復合材料中承受 載荷的主要組元，后者則使增強體彼此粘接形成整體，并載荷的主要組元，后者則使增強體彼此粘接形成整體，并 起傳遞應力和增韌的作用。起傳遞應力和增韌的作用。 第8章結構復合材料8章結構復合材 料 無機非金屬基復合材料無機非金屬基復合材料基體材料基體材料 樹脂基復合材料樹脂基復合材料 金屬基復合材料金屬基復合材料 陶瓷基復合材料、石膏基陶瓷基復合材料、石膏基 復合材料、水

3、泥基復合材復合材料、水泥基復合材 料、氯氧鎂基復合材料、料、氯氧鎂基復合材料、 碳基復合材料碳基復合材料 分類：分類： 第8章結構復合材料8章結構復合材 料 增強纖維的類型增強纖維的類型 碳纖維復合材料碳纖維復合材料 玻璃纖維復合材料玻璃纖維復合材料 有機纖維復合材料有機纖維復合材料 增強物的外形增強物的外形 連續(xù)纖維增強復合材料連續(xù)纖維增強復合材料 纖維織物或片狀纖維纖維織物或片狀纖維 短纖維增強短纖維增強 硼纖維復合材料硼纖維復合材料 混雜纖維復合材料混雜纖維復合材料 粒狀填料粒狀填料 第8章結構復合材料8章結構復合材 料 9.1 玻璃纖維增強聚合物復合材料玻璃纖維增強聚合物復合材料 近代

4、復合材料中的第一代產品，集中了玻近代復合材料中的第一代產品，集中了玻 璃纖維和聚合物的優(yōu)點，比強度高、絕熱、耐璃纖維和聚合物的優(yōu)點，比強度高、絕熱、耐 燒蝕、電絕緣、抗磁和成型制造方便等優(yōu)點。燒蝕、電絕緣、抗磁和成型制造方便等優(yōu)點。 增強體增強體玻璃纖維玻璃纖維 基體基體 聚合物聚合物 不飽和聚酯樹脂不飽和聚酯樹脂 酚醛樹脂酚醛樹脂 環(huán)氧樹脂環(huán)氧樹脂 第8章結構復合材料8章結構復合材 料 影響復合材料性能的因素：原材料、結構設計方法影響復合材料性能的因素：原材料、結構設計方法 及成型工藝。及成型工藝。 (1) 增強材料的強度及彈性模量以及基體材料的強增強材料的強度及彈性模量以及基體材料的強 度

5、及化學穩(wěn)定性等是決定度及化學穩(wěn)定性等是決定GFRP性能的主要因素性能的主要因素; (2) 增強材料的含量及其排布方式與方向次之增強材料的含量及其排布方式與方向次之; (3) 增強纖維與基體樹脂的界面粘結狀況增強纖維與基體樹脂的界面粘結狀況 第8章結構復合材料8章結構復合材 料 構成構成 性能性能 玻璃纖維氈玻璃纖維氈 四層四層 玻璃布玻璃布 八層八層 無捻粗紗布無捻粗紗布 三層三層 玻玻 玻玻 玻玻 璃璃 璃璃 璃璃 布布 氈氈 布布 二二 四四 二二 層層 層層 層層 玻玻 玻玻 玻玻 璃璃 璃璃 璃璃 布布 氈氈 布布 二二 四四 二二 層層 層層 層層 板厚板厚(mm)632.57.54

6、.0 角度角度0 45 90 0 45 90 0 45 900 45 900 45 90 拉伸強度拉伸強度 (MPa) 86 84 91 171 109 175 207 77 244 109 85 104 208 93 204 拉伸模量拉伸模量 (GPa) 8.5 9.1 9.3 16.1 10.9 16.9 19.8 11.0 19.9 10.2 8.7 10.0 16.9 10.7 16.7 彎曲強度彎曲強度 (MPa) 137 139 142 262 206 253 403 225 407 199 104 201 295 211 274 玻璃纖維的構成與玻璃纖維的構成與FRP的機械性能的

7、機械性能 第8章結構復合材料8章結構復合材 料 構成構成 性能性能 玻璃纖維氈玻璃纖維氈 四層四層 玻璃布玻璃布 八層八層 無捻粗紗布無捻粗紗布 三層三層 玻玻 玻玻 玻玻 璃璃 璃璃 璃璃 布布 氈氈 布布 二二 四四 二二 層層 層層 層層 玻玻 玻玻 玻玻 璃璃 璃璃 璃璃 布布 氈氈 布布 二二 四四 二二 層層 層層 層層 板厚板厚(mm)632.57.54.0 角度角度0 45 90 0 45 90 0 45 900 45 900 45 90 彎曲模量彎曲模量 (GPa) 7.7 7.7 7.7 13.7 8.5 13.4 14.7 9.6 15.7 11.8 8.6 11.3 1

8、3.7 8.7 13.1 壓縮強度壓縮強度 (MPa) 192 193 204 156 145 182 166 117 188 185 203 193 212 129 230 壓縮模量壓縮模量 (GPa) 5.7 5.7 6.7 11.2 7.2 12.3 15.7 7.6 15.1 7.4 8.3 7.3 12.7 7.1 12.3 第8章結構復合材料8章結構復合材 料 構成構成 性能性能 玻璃纖維氈玻璃纖維氈 四層四層 玻璃布玻璃布 八層八層 無捻粗紗布無捻粗紗布 三層三層 玻玻 玻玻 玻玻 璃璃 璃璃 璃璃 布布 氈氈 布布 二二 四四 二二 層層 層層 層層 玻玻 玻玻 玻玻 璃璃 璃

9、璃 璃璃 布布 氈氈 布布 二二 四四 二二 層層 層層 層層 板厚板厚(mm)632.57.54.0 角度角度0 45 90 0 45 90 0 45 900 45 900 45 90 剪切強度剪切強度 (MPa) 97 96 95 107 113 108 124 136 128 99 98 99 119 129 118 拉伸泊松拉伸泊松 比比 0.319 0.327 0.313 0.162 0.396 0.174 0.189 0.496 0.177 0.266 0.408 0.268 0.180 0.432 0.193 第8章結構復合材料8章結構復合材 料 增強材料及成型方法和強度的關系增

10、強材料及成型方法和強度的關系 成型方法成型方法 性能性能 手糊成型手糊成型真空袋成型真空袋成型加壓袋成型加壓袋成型熱壓釜成型熱壓釜成型模壓成型模壓成型 增強材料增強材料 玻璃氈玻璃氈 (600g/m2) 無捻粗紗布無捻粗紗布 (900g/m2) 玻璃布玻璃布 (340g/m2) 玻璃氈玻璃氈 (600g/m2) 玻璃布玻璃布 (340g/m2) 玻璃氈玻璃氈 (600g/m2) 玻璃氈玻璃氈 (600g/m2) 玻璃氈玻璃氈 (600g/m2) 成型壓力成型壓力(MPa)00.070.8410.528.017.570.035.0120.0 纖維含量纖維含量(%)23 51 4638 50414

11、850 密度密度(g/cm3)1.52 1.64 1.63 1.50 1.671.531.611.63 拉伸強度拉伸強度(MPa) 81 231 168130 169136150156 拉伸模量拉伸模量(GPa) 6.4 14.4 13.6 6.7 27.78.58.69.0 彎曲強度彎曲強度(MPa) 143 190 217 190 247204218227 彎曲模量彎曲模量(GPa) 5.7 12.7 13.8 8.7 13.89.09.710.0 壓縮強度壓縮強度(MPa) 118 119 132 157 148159 162163 第8章結構復合材料8章結構復合材 料 1、機械性能的特

12、點、機械性能的特點 （1）比強度高）比強度高 FRP密度為密度為1.42.2g/cm3，約為鋼，約為鋼1/41/5，而強度與一，而強度與一 般的碳素鋼相近。因此般的碳素鋼相近。因此FRP的比強度很高。的比強度很高。 （2）各向異性）各向異性 明顯的方向依賴性，應盡量在最大外力方向上排布增強明顯的方向依賴性，應盡量在最大外力方向上排布增強 纖維，以求充分發(fā)揮材料的潛力，降低材料消耗。纖維，以求充分發(fā)揮材料的潛力，降低材料消耗。 第8章結構復合材料8章結構復合材 料 （3）彈性模量和層間剪切強度低）彈性模量和層間剪切強度低 彈性模量低，剛度不足。準各向同性板，其彈性模量與彈性模量低，剛度不足。準各

13、向同性板，其彈性模量與 木材接近。木材接近。 （4）性能分散性大）性能分散性大 FRP的性能受一系列因素的影響，性能不穩(wěn)定。的性能受一系列因素的影響，性能不穩(wěn)定。 第8章結構復合材料8章結構復合材 料 2. 靜態(tài)特性靜態(tài)特性 基本靜態(tài)特性包括拉伸、壓縮和彎曲強度及彈性模量?；眷o態(tài)特性包括拉伸、壓縮和彎曲強度及彈性模量。 (1) 拉伸特性拉伸特性 對于單向增強對于單向增強FRP，沿纖維方向的拉伸強度及彈性模量均，沿纖維方向的拉伸強度及彈性模量均 隨纖維體積含量隨纖維體積含量Vf的增大而正比例增加。對于采用短切纖維氈的增大而正比例增加。對于采用短切纖維氈 和玻璃布增強的和玻璃布增強的FRP層合板

14、來說，其拉伸強度及彈性模量雖不層合板來說，其拉伸強度及彈性模量雖不 與與Vf成正比增加，但仍隨成正比增加，但仍隨Vf增加而增加增加而增加 。 雙向雙向FRP其纖維方向的主彈性模量大約是單向其纖維方向的主彈性模量大約是單向FRP的的 0.500.55倍；隨機纖維增強倍；隨機纖維增強FRP近似于各向同性，其彈性模量近似于各向同性，其彈性模量 大約是單向大約是單向FRP的的0.350.40倍。倍。 第8章結構復合材料8章結構復合材 料 性能性能 方向方向 0153045607590 拉伸強度拉伸強度 (MPa) 比例極限比例極限1788450455080160 破壞強度破壞強度26921017315

15、8163194263 離散系數(shù)離散系數(shù)12.67.917.311.312.88.311.9 彈性模量彈性模量 (MPa) E110-41.671.331.111.01.001.251.52 E210-41.430.630.160.130.160.501.22 延伸率延伸率(%)1.62.54.84.84.82.61.9 E-42環(huán)氧環(huán)氧FRP不同方向的拉伸性能不同方向的拉伸性能 注：原材料：無堿注：原材料：無堿100平紋布平紋布9層，層，E-42環(huán)氧樹脂。環(huán)氧樹脂。 試驗溫度：試驗溫度：1522 ；144根試件。根試件。 第8章結構復合材料8章結構復合材 料 (2) 壓縮特性壓縮特性 在應力很

16、小、纖維未壓彎的時候，壓縮彈性模量與拉伸彈在應力很小、纖維未壓彎的時候，壓縮彈性模量與拉伸彈 性模量接近。玻璃布增強性模量接近。玻璃布增強FRP的壓縮彈性模量大體是單向的壓縮彈性模量大體是單向FRP 的的0.500.55倍；纖維氈增強倍；纖維氈增強FRP的大致是單向的大致是單向FRP的的0.4倍。倍。 單向單向FRP的壓縮強度隨纖維含量增加而提高，但并非成比的壓縮強度隨纖維含量增加而提高，但并非成比 例增長。例增長。 第8章結構復合材料8章結構復合材 料 E-42環(huán)氧環(huán)氧FRP不同方向的壓縮性能不同方向的壓縮性能 注：原材料：無堿注：原材料：無堿100平紋布平紋布184層，層，E-42環(huán)氧樹脂

17、。環(huán)氧樹脂。 樹脂含量：樹脂含量：42.3%。 性能性能 方向方向 022.54567.590 壓縮強度壓縮強度 (MPa) 256159134.1167218.7 壓縮模量壓縮模量 (GPa) 19.513.610.812.917.5 試件數(shù)試件數(shù)(根根) 44654 第8章結構復合材料8章結構復合材 料 (3) 彎曲特性彎曲特性 FRP的彎曲強度及彈性模量都隨纖維含量的上升而增加。纖的彎曲強度及彈性模量都隨纖維含量的上升而增加。纖 維制品類型不同，方向不同，則彎曲性能亦不同。維制品類型不同，方向不同，則彎曲性能亦不同。 (4)剪切特性剪切特性 纖維含量增大，纖維含量增大，F(xiàn)RP的剪切彈性模

18、量上升，的剪切彈性模量上升，F(xiàn)RP的剪切特性的剪切特性 也呈現(xiàn)方向性。也呈現(xiàn)方向性。 性能性能 方向方向 0153045607590 剪切強度剪切強度(MPa) 8583.295.099.298.190.789.5 E-42環(huán)氧環(huán)氧FRP垂直板面剪切性能垂直板面剪切性能 第8章結構復合材料8章結構復合材 料 3. 疲勞特性疲勞特性 影響影響FRP疲勞特性的因素是多方面的，實驗表明，靜態(tài)強疲勞特性的因素是多方面的，實驗表明，靜態(tài)強 度高的度高的FRP，其疲勞強度也高。與靜態(tài)強度不同，每種，其疲勞強度也高。與靜態(tài)強度不同，每種FRP存存 在一個最佳體積含量，疲勞強度最高。實際纖維體積含量低于在一個

19、最佳體積含量，疲勞強度最高。實際纖維體積含量低于 或高于最佳值，其疲勞強度都會下降?；蚋哂谧罴阎担淦趶姸榷紩陆怠?方向性：加振方向與纖維方向的夾角由方向性：加振方向與纖維方向的夾角由0上升到上升到45，疲勞強度，疲勞強度 急劇下降。急劇下降。 存在缺陷，溫度上升，疲勞強度下降存在缺陷，溫度上升，疲勞強度下降 第8章結構復合材料8章結構復合材 料 1. 電性能電性能 包括介電常數(shù)、介電損耗角正切值、體積和表面電阻系數(shù)，包括介電常數(shù)、介電損耗角正切值、體積和表面電阻系數(shù)， 擊穿強度等擊穿強度等 FRP的電性能一般介于纖維的電性能與樹脂的電性能之間的電性能一般介于纖維的電性能與樹脂的電性能之間

20、 改善纖維或樹脂的電性能，有利于改善改善纖維或樹脂的電性能，有利于改善FRP的電性能的電性能 樹脂的極性越大，電絕緣性越差。分子中極性基團的存在樹脂的極性越大，電絕緣性越差。分子中極性基團的存在 及分子結構的不對稱性均影響樹脂分子的極性，從而影響樹脂及分子結構的不對稱性均影響樹脂分子的極性，從而影響樹脂 的電性能。的電性能。 第8章結構復合材料8章結構復合材 料 2. FRP的溫度特性的溫度特性 （1）熱性能）熱性能 包括導熱系數(shù)、比熱容、線膨脹系數(shù)和熱變形溫度包括導熱系數(shù)、比熱容、線膨脹系數(shù)和熱變形溫度 在室溫下，在室溫下，F(xiàn)RP的導熱系數(shù)一般在的導熱系數(shù)一般在0.17W/(mK)0.33

21、W/(mK)范圍內，金屬材料的導熱系數(shù)多在范圍內，金屬材料的導熱系數(shù)多在35W/(mK) 232 W/(mK)范圍之間，范圍之間， FRP具有良好的隔熱性能，可作隔熱材料具有良好的隔熱性能，可作隔熱材料 使用。使用。 第8章結構復合材料8章結構復合材 料 熱膨脹系數(shù)熱膨脹系數(shù)(436)10-6 C-1與金屬相近，在一定溫與金屬相近，在一定溫 度范圍內具有較好的熱穩(wěn)定性和尺寸穩(wěn)定性。但熱變形度范圍內具有較好的熱穩(wěn)定性和尺寸穩(wěn)定性。但熱變形 溫度和耐熱溫度極限較低，耐熱性不好。溫度和耐熱溫度極限較低，耐熱性不好。 溫度升高時，增強纖維與基體樹脂的熱膨脹系數(shù)差溫度升高時，增強纖維與基體樹脂的熱膨脹系

22、數(shù)差 距較大，在溫度升高時，易于在纖維樹脂界面產生熱距較大，在溫度升高時，易于在纖維樹脂界面產生熱 應力，影響應力，影響FRP的機械性能。的機械性能。 第8章結構復合材料8章結構復合材 料 (2) 耐熱性耐熱性 溫度對于聚合物基體的影響溫度對于聚合物基體的影響 纖維增強材料一般具有很好的熱穩(wěn)定性，但纖維增強材料一般具有很好的熱穩(wěn)定性，但 樹脂基體易受溫度的影響。樹脂基體易受溫度的影響。 熱固性樹脂基體已交聯(lián)成體型網(wǎng)狀大分子，只熱固性樹脂基體已交聯(lián)成體型網(wǎng)狀大分子，只 有玻璃態(tài)和橡膠態(tài)。聚合物物理狀態(tài)的改變將導致有玻璃態(tài)和橡膠態(tài)。聚合物物理狀態(tài)的改變將導致 FRP的機械性能發(fā)生巨大變化。的機械性

23、能發(fā)生巨大變化。 第8章結構復合材料8章結構復合材 料 影響熱固性樹脂耐熱性的主要因素：影響熱固性樹脂耐熱性的主要因素： 大分子鏈剛性提高，交聯(lián)密度增大，則樹脂大分子鏈剛性提高，交聯(lián)密度增大，則樹脂 玻璃化溫度升高，熱變形溫度升高，但同時柔韌玻璃化溫度升高，熱變形溫度升高，但同時柔韌 性減小，延伸率降低，脆性增加。性減小，延伸率降低，脆性增加。 大分子鏈剛性大分子鏈剛性 固化劑性質固化劑性質 體型樹脂的固化交聯(lián)密度體型樹脂的固化交聯(lián)密度 第8章結構復合材料8章結構復合材 料 溫度對溫度對FRP拉伸性能的影響拉伸性能的影響 溫度對溫度對 FRP拉伸強度和彈性模量的影響具有的特征：拉伸強度和彈性模

24、量的影響具有的特征： i) 低溫范圍內，拉伸性能好，隨溫度上升，強度降低；低溫范圍內，拉伸性能好，隨溫度上升，強度降低； ii) 在低溫范圍內，無捻粗紗布在低溫范圍內，無捻粗紗布FRP于濕態(tài)下拉伸強度于濕態(tài)下拉伸強度 大，而平紋布大，而平紋布FRP無此傾向；無此傾向； iii) 在中溫范圍內，平紋布在中溫范圍內，平紋布FRP在在50C左右拉伸強度最左右拉伸強度最 高，而緞紋布和無捻粗紗布都隨溫度上升拉伸性能下降；高，而緞紋布和無捻粗紗布都隨溫度上升拉伸性能下降； iv) 隨著纖維含量的增加，隨著纖維含量的增加，F(xiàn)RP的耐熱性提高。的耐熱性提高。 第8章結構復合材料8章結構復合材 料 溫度對溫度

25、對FRP彎曲性能的影響彎曲性能的影響 FRP的彎曲強度和彎曲彈性模量均隨溫度升高的彎曲強度和彎曲彈性模量均隨溫度升高 而降低。特別是溫度超過而降低。特別是溫度超過70C100C后，急劇降低。后，急劇降低。 第8章結構復合材料8章結構復合材 料 性能性能 溫度溫度 室溫室溫60C100C150C200C 拉伸強度拉伸強度 (MPa) 306.0272.0243.0220.0221.0 壓縮強度壓縮強度 (MPa) 179.087.057.226.0 彎曲強度彎曲強度 (MPa) 264.0140.068.023.9 剪切強度剪切強度 (MPa) 24.614.39.97.5 197 聚酯聚酯FR

26、P在不同溫度下的機械性能在不同溫度下的機械性能 第8章結構復合材料8章結構復合材 料 E-51環(huán)氧環(huán)氧(固化劑：三乙醇胺固化劑：三乙醇胺)FRP在不同溫度下的機械性能在不同溫度下的機械性能 性能性能 溫度溫度C -60-45010254560 拉伸強度拉伸強度 (MPa) 300300300300220170150 拉伸模量拉伸模量 (GPa) 19.017.017.016.011.0 彎曲強度彎曲強度 (MPa) 470330120 彎曲模量彎曲模量 (GPa) 16.014.03.0 沖擊強度沖擊強度 (kJ/m2) 390280270 第8章結構復合材料8章結構復合材 料 （3）FRP阻

27、燃性及耐火性阻燃性及耐火性 阻燃性主要決定于樹脂基體。阻燃性主要決定于樹脂基體。 聚酯中引入鹵素；添加銻、磷等的化合物以及難燃的無聚酯中引入鹵素；添加銻、磷等的化合物以及難燃的無 機填料；機填料； 三氧化二銻與鹵素并用；磷化合物與鹵素并用；氫氧化三氧化二銻與鹵素并用；磷化合物與鹵素并用；氫氧化 鋁和水合氧化鋁與鹵素共用；鋁和水合氧化鋁與鹵素共用； 玻璃纖維含量升高，長度增大，可抑制發(fā)煙量玻璃纖維含量升高，長度增大，可抑制發(fā)煙量 第8章結構復合材料8章結構復合材 料 耐化學腐蝕性耐化學腐蝕性 耐侯性能耐侯性能 耐水性能耐水性能 第8章結構復合材料8章結構復合材 料 FRP具有優(yōu)良的耐化學腐蝕性具

28、有優(yōu)良的耐化學腐蝕性 耐化學腐蝕性耐化學腐蝕性 抵抗酸、堿、鹽及有機抵抗酸、堿、鹽及有機 溶劑等化學介質腐蝕破溶劑等化學介質腐蝕破 壞的長期工作性能。壞的長期工作性能。 化學介質對化學介質對FRP的腐蝕作用的腐蝕作用 與玻纖作用：酸、堿和水都是通過破壞與玻纖作用：酸、堿和水都是通過破壞SiO2網(wǎng)絡而腐網(wǎng)絡而腐 蝕玻璃的。一般而言，玻璃纖維的耐堿性均較差，有堿玻蝕玻璃的。一般而言，玻璃纖維的耐堿性均較差，有堿玻 璃纖維更甚；而耐酸性則以有堿玻璃纖維為好。璃纖維更甚；而耐酸性則以有堿玻璃纖維為好。 與基體作用：樹脂分子中活性官能團愈多，化學穩(wěn)定與基體作用：樹脂分子中活性官能團愈多，化學穩(wěn)定 性越差

29、，多數(shù)化學反應不可逆。性越差，多數(shù)化學反應不可逆。 也破壞玻纖與基體界面的作用也破壞玻纖與基體界面的作用 第8章結構復合材料8章結構復合材 料 (1) 溫濕度：空氣中的水分可以侵入樹脂或纖維溫濕度：空氣中的水分可以侵入樹脂或纖維-樹脂界中，樹脂界中， 破壞界面粘結，降低破壞界面粘結，降低FRP的彎曲強度。的彎曲強度。 (2) 光氧作用：受紫外光和氧作用，樹脂發(fā)生光氧化、光光氧作用：受紫外光和氧作用，樹脂發(fā)生光氧化、光 降解、交聯(lián)，生成氧化產物，發(fā)生分子鏈斷裂。降解、交聯(lián)，生成氧化產物，發(fā)生分子鏈斷裂。 (3) 風沙作用：風沙對風沙作用：風沙對FRP產生機械磨損，導致表面光澤產生機械磨損，導致表

30、面光澤 度下降、表面層脫落、纖維外露等度下降、表面層脫落、纖維外露等. 耐侯性能耐侯性能 FRP在戶外使用時，抵抗各種氣在戶外使用時，抵抗各種氣 體氣候因素的侵蝕破壞的能力。體氣候因素的侵蝕破壞的能力。 老化實驗：人工老化，自然老化老化實驗：人工老化，自然老化 第8章結構復合材料8章結構復合材 料 耐侯性能的改善：耐侯性能的改善： 保持保持FRP透光率的防老化措施透光率的防老化措施 思路思路措施措施防止變黃防止變黃 防止白化防止白化 防止微裂紋防止微裂紋 防止侵蝕及裸露防止侵蝕及裸露 針對針對 樹脂樹脂 添加紫外線吸收劑添加紫外線吸收劑 采用采用MMA單體單體 提高耐水性及韌性提高耐水性及韌性

31、 針對針對 玻纖玻纖 改進偶聯(lián)劑、浸潤劑改進偶聯(lián)劑、浸潤劑 減少紗中單絲根數(shù)減少紗中單絲根數(shù) 針對針對 FRP 表面表面 表面覆蓋氟薄膜表面覆蓋氟薄膜 表面覆蓋聚酯薄膜表面覆蓋聚酯薄膜 膠衣層膠衣層 表面氈與富樹脂層表面氈與富樹脂層 提高固化劑提高固化劑 其其 他他 采用適當固化劑采用適當固化劑 降低玻璃纖維含量降低玻璃纖維含量 注：效果顯著；注：效果顯著； ：效果較好：效果較好 第8章結構復合材料8章結構復合材 料 水能溶解和破壞玻纖的水能溶解和破壞玻纖的SiO2網(wǎng)絡，同時加速玻纖網(wǎng)絡，同時加速玻纖 表面微裂紋的擴展，從而降低玻纖的拉伸性能。表面微裂紋的擴展，從而降低玻纖的拉伸性能。 水可使

32、樹脂大分子溶脹，導致樹脂內聚強度降低；水可使樹脂大分子溶脹，導致樹脂內聚強度降低； 水對樹脂產生增塑作用，降低其彈性模量；能使酯鍵、水對樹脂產生增塑作用，降低其彈性模量；能使酯鍵、 醚鍵發(fā)生水解，造成斷鏈、降解等，醚鍵發(fā)生水解，造成斷鏈、降解等， 水能破壞纖維水能破壞纖維-樹脂界面，沿界面漸漸侵入，從而樹脂界面，沿界面漸漸侵入，從而 降低了降低了FRP的層間剪切性能和彎曲性能的層間剪切性能和彎曲性能 耐水性能耐水性能 第8章結構復合材料8章結構復合材 料 (1) 纖維進行偶聯(lián)劑表面處理纖維進行偶聯(lián)劑表面處理 提高提高FRP耐水性的方法：耐水性的方法： (2) 選用耐水性好的樹脂選用耐水性好的樹

33、脂 (3) 表面采用表面氈形成富樹脂層表面采用表面氈形成富樹脂層 (4) 表面涂層，表面貼附氟薄膜、聚酯薄膜等表面涂層，表面貼附氟薄膜、聚酯薄膜等 第8章結構復合材料8章結構復合材 料 9. 2 碳纖維及其復合材料碳纖維及其復合材料 碳纖維增強復合材料碳纖維增強復合材料(CFRP)作為第二代高性能復作為第二代高性能復 合材料，在性能、價格平衡關系中被公認為航空、航合材料，在性能、價格平衡關系中被公認為航空、航 天工業(yè)杰出的高性能結構材料。天工業(yè)杰出的高性能結構材料。 碳纖維增強復合材料的比強度和比模量都分別高碳纖維增強復合材料的比強度和比模量都分別高 于國外公認的作為高性能復合材料的最低值于國

34、外公認的作為高性能復合材料的最低值4106cm 和和4108cm。 第8章結構復合材料8章結構復合材 料 GFRP和和CFRP的部分性能對比的部分性能對比 材料材料 密度密度 (gcm3) 拉伸強度拉伸強度 (MPa) 比強度比強度 (106cm) 模量模量 （GPa） 比模量比模量 (108cm) GFRP2.01206.04.22.1 CFRP1.618011.212.88.0 第8章結構復合材料8章結構復合材 料 未來的大型航天空間站的結構材料將建立在這未來的大型航天空間站的結構材料將建立在這 些熱膨脹系數(shù)低的輕質、高強材料基礎上；傳統(tǒng)用些熱膨脹系數(shù)低的輕質、高強材料基礎上；傳統(tǒng)用 的精

35、細量具亦需用熱膨脹系數(shù)低的材料。的精細量具亦需用熱膨脹系數(shù)低的材料。CF增強環(huán)增強環(huán) 氧塑料具有隨溫度降低而力學性能提高的特性，可氧塑料具有隨溫度降低而力學性能提高的特性，可 用于低溫環(huán)境，并具有抗熱沖擊性。用于低溫環(huán)境，并具有抗熱沖擊性。CFRP可以制作可以制作 優(yōu)質的話筒、擴音器材以及其他音響器材。優(yōu)質的話筒、擴音器材以及其他音響器材。 性能性能 密度小，高強度，高剛度，熱密度小，高強度，高剛度，熱 膨脹系數(shù)低，耐疲勞和耐腐蝕等。膨脹系數(shù)低，耐疲勞和耐腐蝕等。 應用：應用：航空、航天工業(yè)，機械工業(yè)和體育用品航空、航天工業(yè)，機械工業(yè)和體育用品 耐疲勞性優(yōu)良，在運輸、耐疲勞性優(yōu)良，在運輸、 機

36、械工業(yè)中用作工程材機械工業(yè)中用作工程材 料、載重橋梁等，是金料、載重橋梁等，是金 屬材料所不能匹敵的。屬材料所不能匹敵的。 解決了一般金屬所不能解解決了一般金屬所不能解 決的耐海水腐蝕問題。海決的耐海水腐蝕問題。海 洋油田鉆井用的外套管材洋油田鉆井用的外套管材 料，各種耐化學品容器和料，各種耐化學品容器和 反應器材、零部件等。反應器材、零部件等。 第8章結構復合材料8章結構復合材 料 缺點缺點脆性，斷裂延伸率低。脆性，斷裂延伸率低。 導致沖擊強度導致沖擊強度 和層間剪切強和層間剪切強 度等性能變壞度等性能變壞 解決措施解決措施 用碳纖維和玻璃纖維或芳綸纖維混合用碳纖維和玻璃纖維或芳綸纖維混合

37、增強的形式，由這些混合纖維增強的復合增強的形式，由這些混合纖維增強的復合 材料兼顧了高性能復合材料對模量、強度材料兼顧了高性能復合材料對模量、強度 和韌性的要求，能夠同時滿足多種性能的和韌性的要求，能夠同時滿足多種性能的 需要，增加了材料設計的自由度，擴大了需要，增加了材料設計的自由度，擴大了 碳纖維復合材料的應用領域。碳纖維復合材料的應用領域。 第8章結構復合材料8章結構復合材 料 以碳為基體的碳纖維增強材料。以碳為基體的碳纖維增強材料。 60年代發(fā)展起來，目前最理想的耐高溫材料。年代發(fā)展起來，目前最理想的耐高溫材料。 碳碳復合材料碳碳復合材料 優(yōu)越性優(yōu)越性 兼?zhèn)涮嫉亩栊院吞祭w維的高強度，在

38、高達兼?zhèn)涮嫉亩栊院吞祭w維的高強度，在高達3000 缺氧的條件下，依然能保持一定的強度。具有低密度、缺氧的條件下，依然能保持一定的強度。具有低密度、 高強度、高剛度和高溫穩(wěn)定等優(yōu)良性能，是航天飛機高強度、高剛度和高溫穩(wěn)定等優(yōu)良性能，是航天飛機 和其他軍事裝備的理想耐高溫結構材料。和其他軍事裝備的理想耐高溫結構材料。 第8章結構復合材料8章結構復合材 料 碳碳/碳復合材料的整體都是碳。碳原子間碳復合材料的整體都是碳。碳原子間 極強的結合力賦予材料極強的惰性，這種惰性極強的結合力賦予材料極強的惰性，這種惰性 又賦予碳又賦予碳/碳復合材料在其他材料都無法承受碳復合材料在其他材料都無法承受 的苛刻環(huán)境中

39、仍保持自己的形態(tài)和性能。的苛刻環(huán)境中仍保持自己的形態(tài)和性能。 惰性惰性 第8章結構復合材料8章結構復合材 料 碳的性能碳的性能 耐高溫性耐高溫性 耐化學藥品性耐化學藥品性 碳的加工溫度可高達碳的加工溫度可高達 2755K，處于如此高的溫處于如此高的溫 度下碳的微觀結構和化學度下碳的微觀結構和化學 組成仍不發(fā)生改變，高溫組成仍不發(fā)生改變，高溫 尺寸穩(wěn)定性極佳。尺寸穩(wěn)定性極佳。 對化學品也顯示出奇的惰對化學品也顯示出奇的惰 性，僅在高溫下才與氫和周期性，僅在高溫下才與氫和周期 表第表第6和第和第7列中的元素起反應，列中的元素起反應， 諸如氧、硫、氟和氯等。諸如氧、硫、氟和氯等。 第8章結構復合材料

40、8章結構復合材 料 碳纖維碳纖維 賦予賦予CFRC高強度和抗沖擊性。在常溫高強度和抗沖擊性。在常溫 或中溫下或中溫下CFRC的強度一般比耐熱合金低，的強度一般比耐熱合金低， 但在高溫條件下，金屬合金的強度迅速下降，但在高溫條件下，金屬合金的強度迅速下降， 而碳而碳/碳復合材料的強度卻略有升高。單向碳碳復合材料的強度卻略有升高。單向碳 纖維增強的纖維增強的CFRC其沿纖維軸向的強度甚至其沿纖維軸向的強度甚至 在常溫下都比超耐熱合金高。在常溫下都比超耐熱合金高。 第8章結構復合材料8章結構復合材 料 缺點缺點 碳的易氧化性碳的易氧化性 在周期性高應力條件下，基體碳素容在周期性高應力條件下，基體碳素

41、容 易塵埃化失落而造成材料破損。易塵?；涠斐刹牧掀茡p。 碳的氧化溫度不高，在碳的氧化溫度不高，在866.5K即氧化即氧化 燃燒，產生燃燒，產生CO或或CO2。 第8章結構復合材料8章結構復合材 料 碳纖維碳纖維/熱固性樹脂復合材料熱分解而制成熱固性樹脂復合材料熱分解而制成 第一步第一步 熱固性樹脂基體經緩慢加熱，熱固性樹脂基體經緩慢加熱， 樹脂裂解轉化成碳，其他的所有元樹脂裂解轉化成碳，其他的所有元 素呈氣態(tài)逸散。素呈氣態(tài)逸散。 第二步第二步 加密加密 化學氣相沉積法化學氣相沉積法 液相浸漬法液相浸漬法 第8章結構復合材料8章結構復合材 料 化學氣相沉積法化學氣相沉積法 將碳氫化合物，如

42、甲烷、丙烷、天然氣將碳氫化合物，如甲烷、丙烷、天然氣 等通入預制件，并使其分解，析出的碳沉積。等通入預制件，并使其分解，析出的碳沉積。 達到要求的碳密度后再進行石墨化處理。達到要求的碳密度后再進行石墨化處理。 強度和模量都比較高，缺點是工藝周期比較長強度和模量都比較高，缺點是工藝周期比較長 把碳纖維增強材料浸入瀝青、酚醛或其他把碳纖維增強材料浸入瀝青、酚醛或其他 熱固性樹脂中，浸滲后再經過其他熱解碳化處熱固性樹脂中，浸滲后再經過其他熱解碳化處 理，反復數(shù)次以達到所要求的碳密度。理，反復數(shù)次以達到所要求的碳密度。 液相浸漬法液相浸漬法 第8章結構復合材料8章結構復合材 料 輕質、高強度、高硬度和

43、耐高溫特殊性能在輕質、高強度、高硬度和耐高溫特殊性能在 航空和航天領域中應用的優(yōu)勢地位。傳統(tǒng)的應用航空和航天領域中應用的優(yōu)勢地位。傳統(tǒng)的應用 是作航天飛機的機頭和翼前緣，火箭噴口和頭錐是作航天飛機的機頭和翼前緣，火箭噴口和頭錐 等饒蝕材料。等饒蝕材料。 與良好生物相容性，可用于與血液、軟組織、與良好生物相容性，可用于與血液、軟組織、 骨骼相接觸的人體外科醫(yī)學部門。骨骼相接觸的人體外科醫(yī)學部門。 第8章結構復合材料8章結構復合材 料 9. 3 有機纖維及其復合材料有機纖維及其復合材料 芳綸纖維芳綸纖維 芳香族聚酰胺類纖維的通稱，國外商芳香族聚酰胺類纖維的通稱，國外商 品牌號為凱芙拉（品牌號為凱芙

44、拉（Kevlar）纖維（美國杜邦）纖維（美國杜邦 公司公司1968年開始研究，年開始研究，1973年研制成功），年研制成功）， 我國命名為芳綸纖維。我國命名為芳綸纖維。 特點：高強度、高模量、耐高溫、耐腐蝕、低密度特點：高強度、高模量、耐高溫、耐腐蝕、低密度 第8章結構復合材料8章結構復合材 料 對位芳香族聚酰胺纖維對位芳香族聚酰胺纖維 間位芳香族聚酰胺纖維間位芳香族聚酰胺纖維 芳香族聚酰胺共聚纖維芳香族聚酰胺共聚纖維 芳環(huán)和雜環(huán)的二芳環(huán)和雜環(huán)的二 胺和二酰氯與對苯二胺和二酰氯與對苯二 酰氯和對苯二胺共聚。酰氯和對苯二胺共聚。 第8章結構復合材料8章結構復合材 料 1. 對位芳香族聚酰胺纖維對

45、位芳香族聚酰胺纖維 (1) 聚對苯甲酰胺（聚對胺基苯甲酰）纖維聚對苯甲酰胺（聚對胺基苯甲酰）纖維Poly（P-benzamide） 簡稱簡稱PBA纖維。纖維。 NHCO n NH2C O CH3 第8章結構復合材料8章結構復合材 料 (2)聚對苯二甲酰對苯二胺纖維聚對苯二甲酰對苯二胺纖維 Poly（P-Phenlene terephthalamide）簡稱）簡稱PPTA纖維纖維 COCONHNH n CC OO ClClNH2NH2 + 目前世界上生產的主要品種目前世界上生產的主要品種 第8章結構復合材料8章結構復合材 料 2. 間位芳香族聚酰胺纖維間位芳香族聚酰胺纖維 (1)聚間苯二甲酰間苯二胺纖維聚間苯二甲酰間苯二胺纖維 CO CONH NH n C C O O Cl ClNH2 NH2 + 特點：高溫性能好，高溫下的強度保持率好，以及尺寸穩(wěn)特點：高溫性能好，高