混雜復合材料.ppt

第六節(jié)混雜纖維增強的復合材料 一 概述1 混雜纖維增強復合材料的含義與特點理想的結構材料 要求它們受載后開始有較高的模量 隨之達到較高的屈服極限 銪在承載能力稍有降低的情況下持續(xù)到一定應變量后破壞 這樣的結構材料 可以通過不同斷裂應變的纖維混雜 制成混雜纖維復合材料實現(xiàn) 混雜纖維復合材料從廣義上講 包括的類型非常廣 就基體而言 可以民樹脂基體 也可以是各種樹脂聚合物混合基體 金屬基體以及各種陶瓷 玻璃等非金屬基體 而從增強材料來說 可以是兩種連續(xù)纖維單向增強 也可以是兩種纖維混雜編織 兩種短纖維混雜增強 兩種粒子混雜增強以及纖維與粒子混雜增強 在這一部分 我們介紹的混雜纖維增強復合材料是指兩種或兩種以上的連續(xù)纖維增強同一種樹脂基體的復合材料 這種復合材料 除具有一般復合材料特點外 還具有一些新的性能 使用范圍更廣 混雜纖維復合材料有下列幾個特點 1 結構設計與材料設計的統(tǒng)一性 混雜纖維復合材料可以根據(jù)結構的使用性能要求 通過不同類型纖維 不同纖維的相對量 不同的混雜方式進行設計 在混雜纖維復合材料設計中 結構設計與材料設計的統(tǒng)一更為突出 結構設計本身包含著材料設計 2 擴大構件設計自由度與工藝實現(xiàn)的可能性 由于混雜復合材料構件工藝實現(xiàn)的可能性超過單一纖維復合材料 相應又擴大了構件的設計自由度 從而使混雜纖維復合材料構件的設計自由度進一步擴大 3 提高與改善復合材料的某些性能 通過兩種或多種纖維 兩種或多種樹脂基體混雜復合 依據(jù)組分的不同 含量不同 復合結構類型不同可得到不同的混合復合材料 以提高或改善復合材料的某些性能 如采用玻璃纖維與碳纖維混雜 可改善碳纖維復合材料沖擊強度低 易出現(xiàn)脆性破壞的現(xiàn)象 一般而言 加15 的玻璃纖維 沖擊強度可提高2 3倍 4 降低制品成本 采用混雜纖維復合材料 由于復合材料的性能得到改善 從而在性能允許的情況下 可用價格低的纖維取代部分高價纖維 從而降低制品成本 2 混雜纖維復合材料組分混雜纖維復合材料的組分和普通復合材料的組分相似 樹脂基體一般由合成樹脂與各種助劑組成基體體系 常用的樹脂有環(huán)氧樹脂 雙馬來酰亞胺樹脂 熱塑性樹脂等 復合材料的力學性能主要來自增強纖維 混雜纖維增強復合材料的增強纖維使用最多的是碳纖維 玻璃纖維 凱夫拉纖維等纖維的組合 3 混雜復合材料研究的重要意義其意義在于 1 節(jié)約成本 通過采用便宜的玻璃纖維取代昂貴的碳纖維來降低成本 2 通過對所用纖維及其體積含量的優(yōu)化選擇 從而達到較寬范圍的物理和機械性能 3 可以得到獨特的單項或組合的性質 這是只用單一類型纖維所不易得到的 4 混雜纖維復合材料的應用混雜纖維復合材料是復合材料大家族中的優(yōu)秀代表 它除了具有一般復合材料的特點外 還有其他復合材料不可與之相比的許多獨有的特點 混雜復合材料在70年代初開發(fā)以來 一直受到人們的普遍重視 在短短的十多年間 混雜復合材料無論作為結構材料還是作為功能材料 不僅已廣泛地應用于航空航天工業(yè) 汽車工業(yè) 船舶工業(yè)等領域 而且還作為優(yōu)良的建筑材料 體育用品材料 醫(yī)療衛(wèi)生材料等被廣泛地采用 大量的事實證明 混雜復合材料在應用中不僅可方便地滿足設計性能上的要求 而且還可以降低產品成本 減輕產品質量 延長產品壽命 提高經濟效益 1 從降低復合材料的價格來說 將碳纖維復合材料和玻璃纖維復合材料混雜做成混雜復合材料 材料成本較低 可明顯提高斷裂韌性 也可改善機械加工 如鉆孔等 性能 2 從提高玻璃鋼的剛度和抗疲勞強度來說 將玻璃纖維復合材料和碳纖維復合材料混雜做成混雜復合材料 效果較好 可以大幅度地提高彎曲強度 把碳纖維鋪高在外側 和明顯提高抗疲勞強度 相對于玻璃鋼而言 3 從減輕結構質量 提高斷裂韌性來說 將碳纖維復合材料和Kevlar49增強復合材料混雜 效果較好 因為Kevlar纖維的密度較小 其彈性模量比玻璃纖維約大一倍 因此可提高結構的效能 也可提高斷裂韌性和材料的阻尼 所以 在航空上常用中強度碳纖維和Kevlar49纖維混雜的復合材料 4 從提高Kevlar纖維復合材料的壓縮強度來說 應和碳纖維復合材料或輕金屬 例如鋁合金和鈦合金 混雜鋪層做成混雜復合材料 還可以提高剛度 相對于Kevlar纖維復合材料而言 5 按照纖維發(fā)展的趨勢 拉伸強度可得到很大的提高 由于纖維在基體中的局部屈曲與彎折 壓縮強度不可能得到明顯的提高 因此與抗壓縮性能很好的硼纖維及其他纖維復合做成混雜復合材料 是一種比較有效的方法 硼纖維很貴 所以一般很少用于混雜復合材料 但在上述情況下使用硼纖維 可能是合適的而且是有效的 對于硼纖維和其他抗壓強度高的纖維的生產 應給予適當?shù)闹匾?6 在給定比例比較合理的低延伸率纖維 例如碳纖維和硼纖維 和高延伸率纖維 例如玻璃纖維和Kevlar纖維 的情況下 若主要關心的是提高混雜復合材料的彎曲剛度 則應該把低延伸率的纖維鋪設在外邊 采用夾層混雜的形式 如果主要關心的是提高低延伸率纖維的平均斷裂應變 則以層內混雜和按層混雜為好 低延伸率纖維在高延伸率纖維中的分散度越大越好 7 玻璃纖維和Kevlar纖維都具有很高的強度和相當大的延伸率 但Kevlar纖維的模量要高一倍左右 抗疲勞性能也比玻璃纖維復合材料要好得多 在作內壓容器時 往往有鋁材做降低局部應力 明顯提高疲勞壽命 8 采用織物復合材料和單向復合材料混雜 在制造有曲率的部件時工藝性能較好 9 在打孔和有缺口的部分 若采用一部分高延伸率的纖維以取代低延伸率的纖維 則可以減小應力集中系數(shù) 并提高結構部件的抗疲勞強度和承載能力 10 短纖維復合材料的性能總是比同類長纖維復合材料在纖維方向的性能差 在制造短纖維片狀模塑料的過程中 在兩表面貼上很薄的單向復合材料層片或雙向復合材料織布 則有利于提高強度和剛度 11 為了特殊的要求 可采用特殊的混雜復合材料 使纖維增強復合材料 例如Kevlar0復合材料預浸片 和金屬材料 例如鋁合金和鈦合金 復合成混雜復合材料 就可以具備金屬復合材料的某些特性 但使用溫度較低 如果采用高溫的樹脂以取代環(huán)氧樹脂 則這種混雜復合材料的高溫性能就比纖維增強樹脂基復合材料要高些 吸濕問題也將大為減輕 導電和導熱性能則大大改善 抗壓強度也能有所提高 在高溫條件下 采用金屬基復合材料 陶瓷基復合材料和耐高溫的樹脂基體復合材料做成超混雜的層狀復合材料 也是很有發(fā)展前途的 12 在使用復合材料時 在絕大多數(shù)情況下 特別是正常使用的情況下 對于許用應變都有一定的限制 比如說受拉時不得超過0 035 0 040 受壓時不得超過0 0030 0 0035 這些數(shù)值已比波音公司規(guī)定的許用應變要高些 所以高延伸率復合材料 例如玻璃鋼和Kevlar纖維復合材料在單一使用時 由于其模量較低 相對于碳纖維復合材料而言 只能用到拉伸強度的一小部分 10 25 雖然安全可可靠 但大部分強度潛力得不到充分的發(fā)揮 碳張彈性模量較高 但是延伸率較低 抗沖擊性能和斷裂韌性較差是其主要缺點 單獨使用時 其可靠性較差 且價格較貴 所以 混雜使用 取高 低延伸率纖維之所長以彌補其所短是取合適的 即使在混雜復合材料中的低延伸率纖維發(fā)生少量斷裂成為短纖維 基本上仍能發(fā)揮作用 況且 斷裂應變很小的高模量碳纖維 其極限拉伸應變也可以達到和超過上面提到的許用應變值 對于混雜復合材料 在作分析比較沓 如果只考慮兩種單一材料的拉伸強度 而不考慮彈性模量的差別和許用應變應該基本相同等方面 只知其有利方面而不知其不利方面 也是不夠全面的 但基體對于混雜復合材料也是十分重要的 復合材料的許用應變是由基體的延伸決定的 改進基體的斷裂應變和斷裂韌性 有利于提高混雜復合材料的性能 從混雜的意義上說 可以采用兩種樹脂基體 但某層采用某種樹脂基體視需要而定 如果采用混雜樹脂作為基體材料 屬改良樹脂 二 混雜纖維增強復合材料的混雜方式能夠廣泛工滿足設計與結構形式的需要 是混雜纖維復合材料的一個優(yōu)異特性 它不僅來源于參與混雜的纖維種類 性能和基體 而且更多的是采用不同的混雜方式 根據(jù)制作結構的需要進行鋪層來實現(xiàn) 混雜復合材料的混雜方式大體可分為6種類型 1 單向混雜纖維復合材料的混雜類型單向混雜纖維復合材料是通過預浸料沿一個方向的鋪層來實現(xiàn)的 但是其鋪層方式 纖維分散情況 可以是不同的 因而又可分為層內混雜 層間混雜和夾芯混雜 通常又分別稱之為A型 B型和C型混雜 如圖4 23所示 1 層內混雜復合材料 A型 由兩種纖維按一定的混雜比均勻地分散在同一基體中而構成的復合材料 2 層間混雜復合材料 B型 由兩種不同的單纖維復合材料層以不同的比例及方式交替地鋪迭在一起所構成的復合材料 3 夾芯結構 C型 通常是由一種普通纖維增強復合材料作為芯層 core 另一種高性能纖維增強復合材料作為表層 shell 所構成的復合材料 在力學分析中可以看成是一種結構 4 層內 層間混雜復合材料 AB型 由A型和B型兩種結構形式迭加而成 如圖AB型所示 除上述幾種典型的混雜類型外 還有隨機分布的短纖維混雜方式 圖中D型為短纖維混雜復合材料示意圖 2 單向預浸料角鋪層混雜類型角鋪層混雜是根據(jù)設計要求 將不同類型纖維的預浸料按一定角度鋪層的混雜形式 如圖6所示 3 不同種類纖維混雜織物的混雜類型這種類型的混雜除為滿足某些力學性能要求外 有時也有工藝上的需要 其主要是通過經緯向不同類型纖維的交織或編織物進行的混雜 近幾年來 又由于混雜纖維復合材料的發(fā)展 大大地推動了混雜織物的研究 如圖7所示為一層中有兩種纖維的混雜織物 4 超級混雜復合材料類型超級混雜復合材料根據(jù)制件實際使用受力要求 可以是纖維復合材料 片狀材料 金屬或非金屬材料等 進行混雜復合的材料 另外還包括種種夾層結構材料 超級混雜可以根據(jù)制件受力的情況 利用各種纖維復合材料 彈性材料 金屬或非金屬材料等進行各種形式的混雜 如使用在飛機 戰(zhàn)車等的防彈材料 就是由纖維復合材料 橡膠板材 合金鋼板等混雜復合的材料 如圖8所示為超級混雜復合材料 5 三向編織混雜類型編織縫合混雜纖維復合材料制件 主要是根據(jù)使用上的要求和工藝上的可實現(xiàn)性來決定的 也是最充分發(fā)揮混雜纖維復合材料設計懷應用特點的實例 如航空 宇航或各種交通工具等 常常需要各種復雜的結構件 它不僅要求性能可靠 而且形狀也十分復雜 使用一般的材料是不能實現(xiàn)的 甚至單一纖維復合材料也不能滿足要求 可見混雜纖維復合材料可以通過設計人員與工藝人員的精心配合 生產出像工藝品一樣的制件來滿足一些特殊的要求 對于工字梁形的復合材料構件 不僅應具有一般工字梁的特點 而且還要求上下兩個面板有不同的性能 并有較好的層間剪切強度 這樣的制件用一般的設計和工藝將難以實現(xiàn) 但是通過混雜化加上縫合工藝 可使層間剪切性能大大提高 圖9為縫合的織物混雜預浸料坯 6 混雜復合夾層結構類型在混雜復合材料類型中 前面已提出超級混雜復合材料概念 這種超級混雜復合材料所包括的內容是廣泛的 混雜復合夾層結構材料也算是其中內容之一 混雜復合夾層結構材料可以包括以下幾個方面 單一纖維復合材料的面板與不同形式的夾芯復合 混雜復合材料的面板與不同形式的夾芯復合 根據(jù)需要采用不同的內部混雜面板與不同的芯子復合 圖4 24是混雜復合夾層結構示意圖 夾層結構的制造分3部分 面板的制造 芯子的制造及面板與芯子的膠接工藝 面板的制造已有論述 膠接工藝主要是膠粘劑的選用與固化工藝 可以選用共固化成型工藝以減少膠接工序 夾芯材料主要有蜂窩芯子 泡沫芯子與波紋板芯子 1 蜂窩芯子 蜂窩芯子的格子形狀一般有5種 正六邊形 菱形 矩形 正弦曲線形和有加強帶六邊形 如圖4 25所示 蜂窩芯子所用的材料有金屬箔 如鋁箔 玻璃布 紙 勞綸紙 國外稱Nomex紙 等 蜂窩的制造有兩種方法 模壓法和膠接拉伸法 雖然模壓法蜂格尺寸精確 但生產效率低 目前很少用 主要采用膠接拉伸法 2 泡沫塑料夾芯 泡沫塑料夾芯結構是以復合材料為蒙皮 芯腔填充泡沫塑料的混雜復合結構 蒙皮材料可以用單一纖維復合材料 也可用混雜纖維復合材料或金屬板 芯子所用的泡沫塑料有硬質泡沫塑料 軟質泡沫塑料 由于泡沫夾芯結構質量輕 適用性廣 工藝簡單 已被廣泛用于飛機和各種運輸工具的結構制作 其中國內外研制與產生的小型飛機已采用全復合材料夾芯結構 泡沫夾芯結構的制造有3種方法 是將預制的蒙皮 預制的泡沫芯粘接在一起 這種方法工藝簡單 投資少 但效率低 是將泡沫劑灌鑄到預制的型腔中進行發(fā)泡 是連續(xù)成型法 四 混雜效應混雜纖維復合材料由于采用兩種纖維混雜 復合材料的性能出現(xiàn)綜合效果 某些性能 在一定條件下符合混合律關系 而另一些性能則與混合律關系出現(xiàn)正的 偏高 或負的 偏低 偏差 人們普遍地將此偏離混合律關系的現(xiàn)象稱為 混雜效應 混雜效應是混雜纖維復合材料所特有的一種現(xiàn)象 不僅與材料的組分結構 性能有關 而且還與混雜的結構類型 受力形式 界面狀況 以及對能量的不同響應等有關 正確理解與應用混雜效應是發(fā)揮混雜纖維復合材料等特性的重要工作 一 引起混雜效應的因素混雜纖維復合材料承受各種形式載荷會引起各種破壞過程 破壞的形式多種多樣 如基體開裂 界面脫膠 纖維斷裂 拔出 分層損傷 擴展及整體斷裂等 這些形態(tài)可能分別發(fā)生 也可能幾個同時發(fā)生 由于混雜纖維復合材料存在兩種以上纖維 增加了界面類型 界面數(shù) 各種纖維的力學性能差異以及相互協(xié)調制約等 使由此而引起的 混雜效應 十分復雜 1 制造工藝的熱收縮一般而言 混雜纖維復合材料體系中兩咱纖維的熱膨脹系數(shù)存在差異 這兩種纖維在復合材料固化后 由于不同的熱收縮造成零載時兩種纖維所處的受力狀態(tài)不同 如碳纖維 CF 玻璃纖維 GF 混雜復合后 由于熱收縮造成零載時 CF受壓 GF受拉 當復合材料受力時 就會出現(xiàn)混雜效應 如CF GF混雜復合材料 達到CF斷裂應力時 其斷裂應變提高 而使GF的破壞應變降低 因此 制造工藝的熱收縮對混雜效應有明顯的影響 2 基體的影響基體的混雜效應的關系尚沒有定量的認識 一般考慮為協(xié)調兩種纖維的力學行為而選用中等模量的樹脂基體 其實 復合材料很多性能與樹脂基體的性能有關 而有些性能又是由基體的性能怕決定的 由于樹脂的結構不同 必然引起不同的界面效應及裂紋在樹脂基體中的行為 樹脂基體固化形成的不同殘余應力 基體的韌性會明顯影響混雜復合材料中裂紋的傳播方式 因而混雜復合材料的破壞模式也將不同 這些必然對混雜效應產生不同的影響 3 混雜結構因素的影響混雜復合材料的斷裂應變并不恒定 它和峽谷種纖維的位置分布有關 一般可用混雜比和分散度這兩個結構參數(shù)表示兩種纖維的位置分布 混雜比是指兩種纖維相對體積分數(shù)之比 分散度是指混雜復合材料最小復合單元厚度的倒數(shù) 在許多場合 斷裂應變值隨混雜體系的分散度增加而增加 也隨著混雜比變化而明顯變化 研究表明 層間混雜結構的一層斷裂后裂紋并不趨勢傳入另一層 而是轉化為分層裂紋 并且由于裂紋長度有限 經過一段距離后載荷又重新由界面?zhèn)鬟f到原層中繼續(xù)承載 這種現(xiàn)象只在混雜結構中低伸長 LE 纖維的體積分數(shù)低于某一臨界值時才有 也就是說 在脆性纖維斷裂后 基體可承受全部載荷而不發(fā)生破壞 其次 低伸長 高伸長 LE HE 纖維間界面具有良好的粘結性 才能有效地傳遞應力 再者就是混雜纖維的分散度應高于某一臨界值 如在層間混雜中的CF的絕對厚度必須小到一定的程度才能得到多重斷裂模式 而夾芯混雜如夾芯厚度超過三層則幾乎看不到混雜效應 當然對導觀眾混雜是很容易觀察到的 混雜比對熱效應是明顯的 在GF CF比值較大的混雜復合材料中 熱收縮造成的內應力較大 因此熱效應也較大 當然對混雜效應也不 如層內混雜和夾芯混雜時 在GF CF比值相等的條件下 是熱效應引起的殘余應力 在層內混雜中它均勻地分布在整個體系內 而夾層混雜則主要集中在芯層與表層的界面 因此產生的各種效應也各不相同 4 界面狀態(tài)的影響混雜纖維復合材料的界面 從概念上說與復合材料的界面含義是一樣的 但它又有特殊的地方 由于混雜纖維復合材料由多于一種的纖維以不同的混雜形態(tài)進行復合 因此在復合材料中所造成的界面將有幾種不同的類型 且有不同的界面數(shù) 界面數(shù)的多少是混雜纖維復合材料的特征參數(shù) 而界面的狀態(tài) 纖維和基體間粘合效應等將在混雜復合材料的熱性能 物理性能等方面引起不同效果 如果界面粘合情況好 可以提高纖維粘合性能的界面值并降低分散度的臨界值 這必然反映到混雜結構因素與混雜效應的關系上 一般認為CF GF的界面的脫膠范圍隨著分散度的增加和CF體積分數(shù)降低而減少 另外 有人認為 混雜復合材料中的低伸長纖維斷裂時會產生強烈的聲發(fā)射 而不同的纖維具有不同的彈性模量和密度 因此將會對低伸長纖維斷裂產生的應力波表現(xiàn)出不同的動態(tài)響應 即出現(xiàn)應力幅值差和相位差 從而在鄰近纖維中所引起的動應力集中系數(shù)也不同 根據(jù)所提出的模型進行數(shù)學推導 找出純低伸長復合材料和混雜復合材料的動應力集中系數(shù) 并用它們的比值表示混雜效應 五 混雜纖維復合材料的特性混雜纖維復合材料最大的特點是多種材料性能的兼容性 可以最大限度地針對不同的應用條件和要求 進行復合材料結構設計 充分發(fā)揮混雜纖維和基體的性能 獲得具有更好的綜合性能及更高性能價格比的復合材料 甚至包括同時兼有相反性能的復合材料 如導電而絕熱 強度優(yōu)于鋼而彈性優(yōu)于橡膠等性能的材料 另外 選定最佳的纖維混雜比及混雜方式 可以使材料的某單項性能指數(shù)達到最大值 來滿足工程上的特殊要求 混雜纖維增強復合材料的特性具體表現(xiàn)為以下幾個方面 a 沖擊強度和斷裂韌性顯著提高普通碳纖維 環(huán)氧復合材料的沖擊強度很低 該材料在沖擊載荷下呈明顯的脆性破壞 在復合材料中屬脆性材料 若將試材料中15 的碳纖維用玻璃纖維代替 構成 碳 玻 環(huán)氧 混雜復合材料 其沖擊強度可以增加2 3倍 而且加人玻璃纖維后 由于混雜效果 混雜復合材料的破壞應變可提高40 b 相對于高級單纖維復合材料混雜纖維增強復合材料的成本明顯降低 高性能增強材料 如碳纖維 硼纖維 碳化硅纖維等 它們的模量比普通玻璃纖維約高出一個數(shù)量級 但價格卻比玻璃纖維高出數(shù)十倍到數(shù)百倍 故用這些纖維制作的復合材料價格十分高昂 且其綜合性能并不理想 而將少量的高級增強纖維以合理的方式加入到一般纖維復合材料中 則可能得到綜合性能好的混雜纖維增強復合材料 而成本卻大大降低 c 提高疲勞強度相對于普通纖維復合材料 混雜纖維復合材料的疲勞強度大為提高 在某些特定纖維含量及鋪迭形式下 混雜纖維復合材料的疲勞強度可高于構成它的普通纖維復合材料中的最高者 如玻璃纖維復合材料的疲勞強度隨應力循環(huán)次數(shù)呈非線性遞減 由于碳纖維具有較高的模量和損傷容限 所以引入碳纖維后 混雜復合材料的疲勞性能有所改善 當加入50 的碳纖維時 混雜復合材料的疲勞強度轉變?yōu)榫€性遞減 而加入65 的碳纖維時 混雜復合材料的疲勞壽命可接近于單一碳纖維增強復合材料的水平 d 改善剛度性能一般而言 高級增強纖維均具高模量 它的加入可使普通纖維復合材料的剛度大大提高 尤其夾芯結構的混雜復合材料更是如此 如玻璃纖維復合材料由于模量較低 在一些主承力構件上的應用受到限制 如加入50 的碳纖維復合材料作為表層的夾層結構 其模量可達碳纖維增強復合材料的90 故可采用這種夾層結構制得不易失穩(wěn)破壞的大面積無支撐的薄板和薄殼 e 特殊的熱膨脹性能諸如石墨 芳綸等高級增強纖維 沿纖維軸向具有負的熱膨脹系數(shù) 用這些纖維和具有正的熱膨脹系數(shù)的纖維混雜 可以獲得預定的熱膨脹系數(shù) 甚至零膨脹系數(shù)的復合材料 這在實際應用中具有特殊的意義 如前者和熱膨脹系數(shù)相同的材料構成結構件時 可以避免熱應力的不利影響 后者可在計量儀器及通訊衛(wèi)星等領域發(fā)揮重要作用 由于混雜復合材料具有多種材料性能的兼容性 而且可具有上述一種或數(shù)種優(yōu)異特性 因此 必將不斷擴大和完善復合材料的應用領域 六 混雜纖維復合材料的應用混雜纖維增強復合材料作為復合材料家族中的代表 除了具有普通復合材料的特點外 還具有一般復合材料不可比擬的許多優(yōu)點 因此在短短的20多年間 混雜復合材料無論是作為結構材料還是作為功能材料 不僅廣泛地應用于航空 航天工業(yè) 汽車工業(yè) 造船工業(yè)等領域 而且還作為優(yōu)良的建筑材料 體育用品材料 生物工程材料等被廣泛地采用 1 在航空 航天工業(yè)中的應用航空 航天領域與其它領域不同 其技術要求相當高 就所用材料而言 其選擇準則如下 a 質量問題航空 航天產品的結構設計首先要考慮的就是質量問題 即材料在滿足高性能要求的前提下 其質量越輕越好 減輕結構質量意味著提高飛行性能 減少能耗 如人造衛(wèi)星的自身結構質量每減輕1kg 相當于節(jié)省270kg的推進劑 如果飛機上減輕質量 即可提高飛行速度 加大航程 增加運載能力 提高安全性 混雜復合材料由于具有更高的比強度 比模量 所以是航空 航天工業(yè)的理想材料 b 溫度要求飛行器對材料的溫度要求 一是耐高溫 二是熱穩(wěn)定性 因為飛行器在飛行過程中 由于氣動加熱導致溫度上升 并且飛行速度越大 溫度上升越快 如飛機在超音速下飛行 溫度通常為150 200 導彈在高馬赫數(shù)下飛行幾分鐘后 溫度上升到300 以上 而航天飛行器頭錐在返回地球進入大氣層的幾秒鐘內 溫度甚至高達1000 以上 同時 在較高的溫度變化速率條件下 要求在工作溫度范圍內 材料具有良好的熱穩(wěn)定性 因此 需要選擇熱膨脹系數(shù)近似為零的復合材料 采用不同角度鋪層的碳纖維復合材料及其混雜復合材料能夠滿足上述要求而成為候選材料之一 c 強度和模量航空 航天產品在力學性能方面的要求也是非常嚴格的 除了要求較高的抗拉強度和模量外 同時還應具備較高的壓縮強度 彎曲強度 剪切強度以及良好的沖擊特性 顯然一般單纖維復合材料難以全面滿足所有性能要求 必須考慮混雜復合材料 一般復合材料在航空 航天技術中的應用已有相對長的歷史 但僅限于非受力構件及一般的承力結構 如GFRP制造的雷達天線罩 CFRP制造的人造衛(wèi)星的Helios光學管道等 混雜復合材料的開發(fā) 使人們認識到它在航空 航天技術上的巨大潛力 并獲得了一般復合材料無法比擬的結果 a 火箭發(fā)動機殼體 CF KF混雜纖維復合材料用于固體火箭發(fā)動機殼體 使其性能得到明顯提高 衡量火箭性能的主要依據(jù)是它的理想速度 理想速度是忽略了空氣阻力及重力產生的速度損失后 推進劑燃燒終了時 火箭的最高速度 它隨 值 Wp WT 而增加 其中Wp為消耗推進劑的質量 WT為發(fā)射時火箭的全部質量 由此看出 減輕WT或火箭的結構質量的主要部分 即發(fā)動機的質量 對提高火箭速度及性能有著突出的意義 b 人造衛(wèi)星 混雜復合材料作為人造衛(wèi)星構件材料得到了比較多的應用 包括衛(wèi)星天線 攝像機支架 衛(wèi)星蒙皮及遙控協(xié)調電機的殼體等 選擇熱膨脹性能截然相反的纖維進行組合 得到零膨脹系數(shù)的混雜復合材料 可以保證在較大溫差范圍內天線反射器的高描準性和衛(wèi)星的攝像精度 c 戰(zhàn)略戰(zhàn)術導彈 20多年來 復合材料從只制作戰(zhàn)術導彈的雷達天線罩開始 到今天已能制造戰(zhàn)術導彈的彈體和彈翼 近年來 混雜復合材料也開始用于戰(zhàn)略導彈 典型的例子是用CF GF混雜增強酚醛樹脂制成的導彈頭錐 這就有效地解決了重返大氣時結構材料與燒蝕材料統(tǒng)一的問題 d 飛機構件 復合材料包括混雜復合材料在飛機結構中的應用 不論是所應用的飛機種類 還是構件的類型以及復合材料的用量都在日益擴大 實踐證明 混雜復合材料用于飛機結構 具有如下特點 疲勞性能好 混雜復合材料構件 如旋翼 的疲勞壽命大大高于金屬材料 且不會出現(xiàn)突然性的脆斷事故 抗腐蝕 耐沖擊 并且能夠減少飛機飛行時的振動 大幅度減少維修的工作量 降低質量與成本 采用復合材料制造飛機構件的實例很多 首先是在軍用飛機上的開發(fā)利用 經過非受力構件和次受力構件的應用之后 目前混雜復合材料已經開始用于戰(zhàn)斗機及其它軍用飛機的機翼 機身 頭罩等主受力結構部件 軍用直升機中 混雜復合材料的應用更為突出 從頭罩 阻帶板 方向舵 穩(wěn)定箱等到機身 旋翼等 如美國的YOH 60A 德國的BO 117及我國的延安 2號等直升機的旋翼 槳葉 現(xiàn)已全部采用混雜復合材料代替金屬制造 從而使結構質量大幅度下降 對于民用客機 由于其可靠性和安全性的要求 復合材料目前主要在受力不大的構件上使用 但其范圍卻相當廣泛 例如波音公司最新的B767上的前后翼身整流罩 發(fā)動機整流罩 機翼固定內外側后緣板 重尾固定后浮板 主起落架艙門等都采用了CF KF混雜增強復合材料 另外該機上的前起落架艙門 發(fā)動機艙皮 貨艙襯里等采用了CF GF混雜復合材料 據(jù)統(tǒng)計 B767客機上共用了246kg的混雜復合材料 波音公司打算在20世紀90年代 除發(fā)動機和起落架外 飛機的大部分結構材料均采用碳纖維 Kevlar纖維 玻璃纖維及其混雜復合材料 可以預見 21世紀的航空材料將是復合材料及混雜復合材料的時代 2 在船舶工業(yè)中的應用船舶工業(yè)一直是復合材料應用最多的領域之一 早在20世紀40年代 國外就開始用聚酯玻璃鋼造船 目前在小型 低速船艇 包括漁船 游艇 內河氣墊船 救生艇等 中 玻璃鋼的使用十分普遍 但現(xiàn)代船舶朝大型化 高速化方向發(fā)展 除了要求結構材料具有一定的強度 剛度外 還應該同時具備優(yōu)良的抗沖擊韌性 減振性 抗壓能力以及質量輕以節(jié)省能耗等特點 混雜復合材料優(yōu)良的綜合性能和設計自由度 被認為是現(xiàn)代船艇最有希望的材料 其中尤以CF GF混雜 CF KF混雜復合材料在高速船艇 包括賽艇 和大型豪華游艇等方面取得較快的進展 20世紀80年代初 日本首先開始了混雜復合材料在船體結構中的應用研究 開展了8m長摩托賽艇的研制 由于采用CF GF交替鋪層的混雜復合材料制作賽艇的外板 通過船體縱向彎曲試驗結果與原來的GFRP外板結構相比 剛度明顯提高 截面變形非常小 減重35 試制艇時速超過50nmile 1983年8月 日本又建造了全長48m 總噸位493t 時速14nmile 1nmile 海里 1852m 的復合材料超豪華機動游艇 該艇是目前世界上最大級別的民用FRP船 共使用了150t復合材料 其中包括相當數(shù)量的混雜復合材料 碳纖維的用量達1t 英國在研制CF KF混雜復合材料快艇方面很有優(yōu)勢 他們認為在CF中混雜KF 可以提高航速20 節(jié)約燃料費用33 因此 早在20世紀70年代末 RAE公司就設計制造了15 8m長 以混雜復合材料為面板的夾層結構作為主受力構件的賽艇 這種賽艇輕便靈活 剛度大 能保證高速度下船體的流線外形 并有良好的減振性能 因此 在比賽中具有相當?shù)母偁幠芰?3 在汽車工業(yè)中的應用復合材料 包括混雜復合材料 在汽車工業(yè)中的應用非常廣泛 包括汽車的車身 驅動軸 彈簧 引擎 保險杠 操縱桿 方向盤 客艙隔板 底盤 結構粱 發(fā)動機罩 散熱器罩 車門等上百個部件 其用量也在迅速增長 以美國為例 用在汽車上的復合材料1983年為6萬t 1984年為7 9萬t 1989年增至29 2萬t 其主要原因有兩個方面 一是材料的綜合性能好 尤其是混雜復合材料 具有較高的比強度和比剛度 良好的耐腐蝕性與耐候性 尺寸穩(wěn)定性與整體結構化 以及耐磨 減振 隔音等多項特點 非常適合在汽車上使用 二是應用效果良好 大大地減輕了整車質量 從而使汽車在節(jié)約能源 提高速度 降降低成本等方面取得了顯著的經濟效益 下面是混雜復合材料作為汽車構件的應用實例 1 驅動軸采用CF GF混雜增強復合材料制造的驅動軸 是混雜復合材料用于汽車工業(yè)中的一個突出例子 這種驅動軸可以通過纏繞或擠拉成型工藝生產 并且可將由傳統(tǒng)金屬材料制造的雙件型軸改成單件型軸 從而增強了構件的剛度 提高了自振頻率 適合高速行駛 由于軸的質量減輕了 可以加快軸的轉速以節(jié)約燃料 同時 還改善了軸的動態(tài)性能和衰震特性 提高了駕駛操作的可靠性 2 彈簧目前采用混雜復合材料制造的汽車用彈簧有兩種 一種是板式彈簧 另一種是圈式彈簧 作為彈性構件 首先要考慮的是彈性率 它與材料的剛性有關 單純采用CFRP 雖然可以達到鋼材的水平 且減重70 但由于CF價格昂貴 其性能價格比并不高 若采用CF GF疊層混雜 或者夾芯結構 CFRP作面層 GFRP作芯子 則可滿足性能及使用要求 而且還可以改善沖擊韌性 提高性能價格比 有利于產品的商品化 3 車身殼體以碳纖維增強復合材料為骨架 用混雜復合材料制作殼體 可以使車體質量減輕的同時 增加剛度 減少震動 并能保持高速所需的氣動外形 提高車速 增加運載能力 例如 冷藏車車殼 用CF GF混雜復合材料做表皮 泡沫芯做絕熱層 可以大大減輕質量 增大載重量 4 引擎引擎采用混雜復合材料可使慣性載荷減少50 振動大大降低 噪音下降30 壽命提高2倍 且輕引擎?zhèn)鬟f功大 增加了時速 另外 由于混雜復合材料熱傳導率低 可以保持更多的余熱 在低速時就能產生更大的功率 從而節(jié)省了燃料 4 在建筑設施中的應用混雜復合材料在建筑工業(yè)中的應用 已不再滿足用于各種內裝飾 門窗 衛(wèi)生設備 各種管道等 而主要用作建筑結構材料 國外已有報道 建筑工業(yè)所需的各種型材 管材等均可使用混雜復合材料來制造 混雜復合材料作為建筑結構材料的典型實例是混雜復合材料工字粱 這種工字粱可以用碳纖維復合材料作為粱翼表面 而以一般無規(guī)短切玻璃纖維增強復合材料作為梁腰 這兩部分可以依據(jù)不同的準則進行優(yōu)化設計 這種工字梁的剛度比單純的GFRP的情況有了明顯的提高 因為當沿冀緣方向加入單向CFRP時 梁的剛度隨CF含量而增加 另一個實例是混雜復合材料的建筑結構板 通常是以CF GF或CF KF混雜復合材料作為面板 以SM