混杂纤维增强的复合材料经典教材(83页)行业）详解.ppt

第六节混杂纤维增强的复合材料 一、概述 1．混杂纤维增强复合材料的含义与特点 理想的结构材料，要求它们受载后开始有较高的模量，随之达到较高的屈服极限，铕在承载能力稍有降低的情况下持续到一定应变量后破坏，这样的结构材料，可以通过不同断裂应变的纤维混杂，制成混杂纤维复合材料实现。 混杂纤维复合材料从广义上讲，包括的类型非常广。就基体而言，可以民树脂基体，也可以是各种树脂聚合物混合基体、金属基体以及各种陶瓷、玻璃等非金属基体。而从增强材料来说，可以是两种连续纤维单向增强，也可以是两种纤维混杂编织、两种短纤维混杂增强、两种粒子混杂增强以及纤维与粒子混杂增强。 在这一部分，我们介绍的混杂纤维增强复合材料是指两种或两种以上的连续纤维增强同一种树脂基体的复合材料。这种复合材料，除具有一般复合材料特点外，还具有一些新的性能，使用范围更广。混杂纤维复合材料有下列几个特点： （1）结构设计与材料设计的统一性。混杂纤维复合材料可以根据结构的使用性能要求，通过不同类型纤维、不同纤维的相对量、不同的混杂方式进行设计。在混杂纤维复合材料设计中，结构设计与材料设计的统一更为突出，结构设计本身包含着材料设计。 (2) 扩大构件设计自由度与工艺实现的可能 性。由于混杂复合材料构件工艺实现的可能性超过单一纤维复合材料，相应又扩大了构件的设计自由度，从而使 混杂纤维复合材料构件的设计自由度进一步扩大。 (3) 提高与改善复合材料的某些性能。通过两种或多种纤维，两种或多种树脂基体混杂复合，依据组分的不同、含量不同、复合结构类型不同可得到不同的混合复合材料，以提高或改善复合材料的某些性能。如采用玻璃纤维与碳纤维混杂，可改善碳纤维复合材料冲击强度低，易出现脆性破坏的现象。一般而言，加15％的玻璃纤维，冲击强度可提高2～3倍。 (4)降低制品成本。采用混杂纤维复合材料，由于复合材料的性能得到改善，从而在性能允许的情况下，可用价格低的纤维取代部分 高价纤维，从而降低制品成本。 2．混杂纤维复合材料组分 混杂纤维复合材料的组分和普通复合材料的组分相似，树脂基体一般由合成树脂与各种助剂组成基体体系。常用的树脂有环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、热塑性树脂等。 复合材料的力学性能主要来自增强纤维。混杂纤维增强复合材料的增强纤维使用最多的是碳纤维、玻璃纤维、凯夫拉纤维等纤维的组合。 3．混杂复合材料研究的重要意义 其意义在于： （1）节约成本，通过采用便宜的玻璃纤维取代昂贵的碳纤维来降低成本； （2）通过对所用纤维及其体积含量的优化选择，从而达到较宽范围的物理和机械性能； ( 3 )可以得到独特的单项或组合的性质，这是只用单一类型纤维所不易得到的。 4．混杂纤维复合材料的应用 混杂纤维复合材料是复合材料大家族中的优秀代表。它除了具有一般复合材料的特点外，还有其他复合材料不可与之相比的许多独有的特点。 混杂复合材料在70年代初开发以来，一直受到人们的普遍重视。在短短的十多年间，混杂复合材料无论作为结构材料还是作为功能材料，不仅已广泛地应用于航空航天工业、汽车工业、船舶工业等领域，而且还作为优良的建筑材料、体育用品材料、医疗卫生材料等被广泛地采用。 大量的事实证明，混杂复合材料在应用中不仅可方便地满足设计性能上的要求，而且还可以降低产品成本，减轻产品质量，延长产品寿命，提高经济效益。 （1）从降低复合材料的价格来说，将碳纤维复合材料和玻璃纤维复合材料混杂做成混杂复合材料，材料成本较低，可明显提高断裂韧性，也可改善机械加工（如钻孔等）性能。 （2）从提高玻璃钢的刚度和抗疲劳强度来说，将玻璃纤维复合材料和碳纤维复合材料混杂做成混杂复合材料，效果较好，可以大幅度地提高弯曲强度（把碳纤维铺高在外侧）和明显提高抗疲劳强度（相对于玻璃钢而言）. （3）从减轻结构质量、提高断裂韧性来说，将碳纤维复合材料和Kevlar49增强复合材料混杂，效果较好。因为Kevlar纤维的密度较小，其弹性模量比玻璃纤维约大一倍，因此可提高结构的效能，也可提高断裂韧性和材料的阻尼。所以，在航空上常用中强度碳纤维和Kevlar49纤维混杂的复合材料。 （4）从提高Kevlar纤维复合材料的压缩强度来说，应和碳纤维复合材料或轻金属（例如铝合金和钛合金）混杂铺层做成混杂复合材料，还可以提高刚度（相对于Kevlar纤维复合材料而言）。 （5）按照纤维发展的趋势，拉伸强度可得到很大的提高。由于纤维在基体中的局部屈曲与弯折，压缩强度不可能得到明显的提高，因此与抗压缩性能很好的硼纤维及其他纤维复合做成混杂复合材料，是一种比较有效的方法。硼纤维很贵，所以一般很少用于混杂复合材料，但在上述情况下使用硼纤维，可能是合适的而且是有效的。对于硼纤维和其他抗压强度高的纤维的生产，应给予适当的重视。 （6）在给定比例比较合理的低延伸率纤