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【中譯版】《復(fù)合材料指南》（一）復(fù)合材料理論/原理等 已有2人參與
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本內(nèi)容較多，將分多次進(jìn)行分享，更多內(nèi)容 敬請(qǐng)關(guān)注復(fù)合材料前沿公眾號(hào)！ 01 指南介紹 要充分了解復(fù)合材料在結(jié)構(gòu)中的作用和應(yīng)用，就需要了解組成材料本身及其加工方式。本指南著眼于基本的復(fù)合材料理論，所使用的材料的性質(zhì)，然后是各種加工技術(shù)，通常用于將材料轉(zhuǎn)化為成品結(jié)構(gòu)。 02 復(fù)合理論 復(fù)合材料最基本的形式是由至少兩種元素共同作用而產(chǎn)生的材料性質(zhì)不同于這些元素本身的性質(zhì)。在實(shí)踐中，大多數(shù)復(fù)合材料由塊狀材料(“基體”)和某種增強(qiáng)材料組成，這種增強(qiáng)材料的添加主要是為了增加基體的強(qiáng)度和剛度。這種強(qiáng)化物通常以纖維形式存在。今天，最常見的人造復(fù)合材料可以分為三大類: 聚合物基復(fù)合材料(PMC’s) —這些是最常見的，將在這里討論。也被稱為FRP -纖維增強(qiáng)聚合物(或塑料)-這些材料使用聚合物基樹脂作為基體，以及各種纖維，如玻璃纖維，碳纖維和芳綸作為增強(qiáng)。 金屬基復(fù)合材料(MMC’s) —在汽車工業(yè)中越來(lái)越多地發(fā)現(xiàn)，這些材料使用鋁等金屬作為基體，并用碳化硅等纖維進(jìn)行加固。 陶瓷基復(fù)合材料(CMC’s)—用于非常高溫的環(huán)境，這些材料使用陶瓷作為基體，并用短纖維或攪拌器(如由碳化硅和氮化硼制成的攪拌器)加強(qiáng)它。 03 聚合物基復(fù)合材料 樹脂體系，如環(huán)氧樹脂和聚酯，其本身用于結(jié)構(gòu)制造的用途有限，因?yàn)榕c大多數(shù)金屬相比，它們的機(jī)械性能不是很高。然而，他們有理想的性質(zhì)，最顯著的是他們的能力，很容易形成復(fù)雜的形狀。 玻璃、芳綸和硼等材料具有極高的抗拉和抗壓強(qiáng)度，但在“固體形態(tài)”時(shí)，這些性能并不明顯。這是因?yàn)�，�?dāng)受到壓力時(shí)，隨機(jī)的表面缺陷會(huì)導(dǎo)致每種材料開裂并在其理論“斷點(diǎn)”以下失效。為了克服這個(gè)問(wèn)題，材料以纖維的形式生產(chǎn)，因此，盡管會(huì)出現(xiàn)相同數(shù)量的隨機(jī)缺陷，但它們將被限制在少數(shù)纖維中，其余的都表現(xiàn)出材料的理論強(qiáng)度。因此，一束纖維將更準(zhǔn)確地反映該材料的最佳性能。然而，單獨(dú)的纖維只能在纖維的長(zhǎng)度上表現(xiàn)出拉伸性能，就像繩子中的纖維一樣。 當(dāng)樹脂系統(tǒng)與增強(qiáng)纖維(如玻璃、碳素和芳綸)結(jié)合在一起時(shí)，才能獲得優(yōu)異的性能。樹脂基體將施加在復(fù)合材料上的載荷分散到每個(gè)單獨(dú)的纖維之間，還可以保護(hù)纖維免受磨損和沖擊造成的損壞。高強(qiáng)度和剛度，易于塑造復(fù)雜形狀，高耐環(huán)境性，所有這些都與低密度相結(jié)合，使合成的復(fù)合材料在許多應(yīng)用中優(yōu)于金屬。 由于PMC結(jié)合了樹脂體系和增強(qiáng)纖維，所得到的復(fù)合材料的性能將結(jié)合樹脂自身的某些性能和纖維自身的某些性能。 總的來(lái)說(shuō)，復(fù)合材料的性能由以下因素決定: 纖維的性質(zhì) 樹脂的性能 復(fù)合材料中纖維與樹脂的比例 復(fù)合材料中纖維的幾何形狀和取向 后面將更詳細(xì)地討論前兩個(gè)問(wèn)題。纖維與樹脂的比例主要來(lái)自于將樹脂與纖維結(jié)合的制造工藝，這將在制造工藝一節(jié)中描述。然而，它也受到所使用的樹脂系統(tǒng)的類型和纖維被合并的形式的影響。一般來(lái)說(shuō)，由于纖維的機(jī)械性能比樹脂高得多，纖維體積分?jǐn)?shù)越高，合成復(fù)合材料的機(jī)械性能就越高。在實(shí)踐中，這是有限制的，因?yàn)槔w維需要完全涂上樹脂才能有效，而且一般圓形截面的纖維將有一個(gè)最佳的包裝。此外，用于將纖維與樹脂結(jié)合的制造過(guò)程會(huì)導(dǎo)致不同數(shù)量的缺陷和空氣夾雜物。 通常情況下，與普通手糊工藝一樣廣泛應(yīng)用于造船行業(yè)中，纖維體積分?jǐn)?shù)的限制約為30-40%。隨著航空航天工業(yè)中應(yīng)用的高質(zhì)量、高精密工藝，纖維體積分?jǐn)?shù)可達(dá)到70%左右。 復(fù)合材料中纖維的幾何形狀也很重要，因?yàn)槔w維在其長(zhǎng)度上具有最高的機(jī)械性能，而不是在其寬度上。這導(dǎo)致了復(fù)合材料的高度各向異性特性，與金屬不同，當(dāng)在不同方向測(cè)試時(shí)，復(fù)合材料的力學(xué)性能可能會(huì)有很大的不同。這意味著在考慮使用復(fù)合材料時(shí)，在設(shè)計(jì)階段了解應(yīng)用載荷的大小和方向是非常重要的。當(dāng)正確解釋時(shí)，這些各向異性特性是非常有利的，因?yàn)橹恍枰獙⒉牧戏旁趯⑹┘虞d荷的地方，從而避免了冗余材料。 同樣重要的是要注意，金屬材料的性能在很大程度上是由材料供應(yīng)商決定的，而將材料制造成成品結(jié)構(gòu)的人幾乎無(wú)法改變這些“內(nèi)置”性能。然而，復(fù)合材料是在結(jié)構(gòu)本身被制造的同時(shí)形成的。這意味著制造結(jié)構(gòu)的人正在創(chuàng)造合成復(fù)合材料的性能，因此他們使用的制造工藝在決定合成結(jié)構(gòu)的性能方面起著異常關(guān)鍵的作用。 01 加載 結(jié)構(gòu)中的任何材料都必須承受四種主要的直接載荷:拉伸、壓縮、剪切和彎曲。 拉伸 圖2顯示了施加到復(fù)合材料上的拉伸載荷。復(fù)合材料對(duì)拉伸載荷的響應(yīng)非常依賴于增強(qiáng)纖維的拉伸剛度和強(qiáng)度性能，因?yàn)檫@些遠(yuǎn)高于樹脂體系本身。 壓縮 圖3顯示了壓縮載荷下的復(fù)合材料。在這里，樹脂系統(tǒng)的粘合劑和剛度特性是至關(guān)重要的，因?yàn)闃渲淖饔檬潜３掷w維為直柱并防止它們屈曲。 剪切 圖4顯示了經(jīng)歷剪切載荷的復(fù)合材料。這種負(fù)荷試圖使相鄰的纖維層相互滑動(dòng)。在剪切載荷下，樹脂起主要作用，將應(yīng)力傳遞到整個(gè)復(fù)合材料。為了使復(fù)合材料在剪切載荷下表現(xiàn)良好，樹脂元件不僅必須表現(xiàn)出良好的機(jī)械性能，而且必須與增強(qiáng)纖維具有高附著力。復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度(ILSS)通常用于表示多層復(fù)合材料(“層狀材料”)的這一特性。 彎曲 彎曲荷載實(shí)際上是拉伸、壓縮和剪切荷載的組合。如圖所示加載時(shí)，上面受壓，下面受拉，層合板中部受剪切。 05 與其他結(jié)構(gòu)材料的比較 由于上述因素，復(fù)合材料的機(jī)械性能有非常大的波動(dòng)范圍。即使單獨(dú)考慮一種纖維類型，復(fù)合材料的性能也會(huì)隨著纖維含量和取向而變化10倍。因此，下面的比較顯示了復(fù)合材料的一系列力學(xué)性能。每種材料的最低性能都與簡(jiǎn)單的制造工藝和材料形式有關(guān)(例如噴涂玻璃纖維)，而較高的性能則與更高技術(shù)制造有關(guān)(例如單向玻璃纖維預(yù)浸料的蒸壓成型)，例如在航空航天工業(yè)中。 對(duì)于所示的其他材料，還給出了強(qiáng)度和剛度(模量)的范圍，以表明與不同合金相關(guān)的性能的擴(kuò)展，例如。 圖6 普通結(jié)構(gòu)材料的抗拉強(qiáng)度 圖7 常用結(jié)構(gòu)材料的拉伸模量 圖8 常用結(jié)構(gòu)材料的密度 上圖清楚地顯示了不同復(fù)合材料所能顯示的性能范圍。這些特性可以最好地概括為高強(qiáng)度和高剛度與低密度相結(jié)合。正是這些特性產(chǎn)生了高強(qiáng)度和剛度重量比的特性，使復(fù)合材料結(jié)構(gòu)成為許多應(yīng)用的理想材料。這尤其適用于涉及運(yùn)動(dòng)的應(yīng)用，如汽車、火車和飛機(jī)，因?yàn)檫@些應(yīng)用中較輕的結(jié)構(gòu)在提高這些應(yīng)用的效率方面發(fā)揮著重要作用。 復(fù)合材料的強(qiáng)度和剛度與重量的比值可以用下面的圖表來(lái)說(shuō)明。這些僅僅是用材料的力學(xué)性能除以密度的結(jié)果。一般來(lái)說(shuō)，在前面圖表中所示的范圍的較高端的特性是由材料的最高密度變體產(chǎn)生的。下面的圖中所示的特定恰當(dāng)度的分布考慮到了這一點(diǎn)。 圖9 常用結(jié)構(gòu)材料的比抗拉強(qiáng)度 圖10 常用結(jié)構(gòu)材料的比拉伸模量 由不同纖維類型制成的層壓板之間的進(jìn)一步比較將在本指南后面的“增強(qiáng)材料”一節(jié)中給出。 Panny 譯本 未完待續(xù) |
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