玻璃纖維復(fù)合材料介紹課件

玻璃纖維復(fù)合材料一、玻璃纖維復(fù)合材料簡介二、玻璃纖維復(fù)合材料特點三、玻璃纖維復(fù)合材料制備與成型工藝四、玻璃纖維復(fù)合材料基本構(gòu)造形式五、我國玻璃鋼發(fā)展歷程與應(yīng)用現(xiàn)狀六、玻璃纖維復(fù)合材料加工存在的問題七、玻璃纖維復(fù)合材料加工工藝研究現(xiàn)狀八、玻璃纖維增強復(fù)合材料的發(fā)展趨勢與面臨的問題2021/10/10星期日1一、玻璃纖維復(fù)合材料簡介玻璃纖維增強材料簡稱（GFRP）俗名玻璃鋼。它是以玻璃纖維及其制品(玻璃布、帶、氈、紗等)作為增強材料，以合成樹脂作基體材料的一種復(fù)合材料。復(fù)合材料的概念是指一種材料不能滿足使用要求，需要由兩種或兩種以上的材料復(fù)合在一起．組成另一種能滿足人們要求的材料，即復(fù)合材料。單一種玻璃纖維，雖然強度很高，但纖維間是松散的，只能承受拉力．不能承受彎曲、剪切和壓應(yīng)力，還不做成固定的幾何形狀．是松軟體。如果用合成樹脂把它們粘合在一起，就可以做成各種具有固定形狀的堅硬制品．既能承受拉應(yīng)力，又可承受彎曲、壓縮和剪切應(yīng)力這就組成了玻璃纖維增強的塑料基復(fù)合材料。根據(jù)合成樹脂的不同玻璃鋼主要有環(huán)氧玻璃鋼、酚醛玻璃鋼、聚酯玻璃鋼。玻璃纖維短切絲玻璃纖維絲玻璃鋼2021/10/10星期日2二、玻璃纖維增強材料特點(1)輕質(zhì)高強玻璃纖維增強復(fù)合材料密度小(1.5一2.0g/cm，)，大約只有普通鋼的1/4，比鋁合金還輕1/3，但若按比強度計算(強度與密度的比值)，玻璃纖維增強復(fù)合材料強度超過普通鋼，甚至超過個別特殊合金鋼。優(yōu)異的比強度、比模量(彈性模量與密度的比值)，滿足了特種車輛輕量化的要求。(2)各向異性，層間強度低(一般不到其拉伸強度的10%)、性能分散性大，材料的剪切強度低于拉伸強度。(3)電絕緣和導(dǎo)熱性能：玻璃纖維增強復(fù)合材料是一種優(yōu)秀的電絕緣材料，不受電磁作用，不反射無線電波。導(dǎo)熱性差，線膨脹系數(shù)低，只有金屬材料的1/1000一1/100，是優(yōu)良的防護和耐燒蝕材料。(4)耐熱性能：玻璃纖維增強復(fù)合材料耐熱性能優(yōu)異，可以耐瞬時一高溫，如玻璃纖維酚醛基復(fù)合材料能耐3800℃高溫，但其長期耐高溫性能較差，一般不超過100℃。(5)耐腐蝕性能：采用熱固性樹脂的玻璃纖維復(fù)合材料具有良好的耐腐蝕性能，但對于硝酸、濃硫酸等這類含有氧化性介質(zhì)的溶劑，復(fù)合材料基體樹脂極易氧化，而且溫度升高會加速腐蝕。(6)抗疲勞性能：金屬材料的疲勞破壞是由里向外沒有征兆突然發(fā)生的，而玻璃纖維增強復(fù)合材料中纖維和基體形成的界面可以有效阻止裂紋的擴展，破壞過程是漸進，往往發(fā)生在界面的薄弱處。2021/10/10星期日3三、玻璃纖維復(fù)合材料的制備與成型工藝玻璃纖維一般由玻璃原料如純堿、芒硝、石灰石等礦物原料進行生產(chǎn),通過坩堝拉絲或池窖拉絲等生產(chǎn)工藝，制成玻璃纖維原絲后,再加工成玻璃紗、玻璃纖維、玻璃纖維氈等產(chǎn)品，然后再用合成樹脂把它們粘合在一起，就制成了玻璃鋼。玻璃鋼是目前世界上產(chǎn)量最大、用途最廣的復(fù)合材料。隨著玻璃鋼的不斷應(yīng)用和品種的不斷增多，各種成型加工技術(shù)也得到了相應(yīng)的發(fā)展。目前的玻璃鋼成型技術(shù)有幾十種，按工藝原理分主要有:手糊成型、噴射成型、纏繞成型、模壓成型、反應(yīng)注塑成型、連續(xù)拉擠成型。我國1958年開始生產(chǎn)玻璃纖維增強復(fù)合材料，到目前為止仍以手糊成型為主，大約占整個玻璃纖維增強復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)的70%。但最近幾年通過引進國外先進技術(shù)和裝備，如大型自動控制纏繞機、拉擠成型機組等設(shè)備，我國玻璃纖維增強復(fù)合材料的生產(chǎn)制造水平得到了很大的提高，與國外的差距也越來越小。

2021/10/10星期日4(l)手糊成型工藝是復(fù)合材料最早采用的，也是最簡單的成型工藝方法。它先在模具上涂上一層脫脂劑，然后將含有固化劑的樹脂混合物涂刷在模具上，再在其上鋪上裁剪好的玻璃纖維編織物，通過增壓使其充分浸潤并排除氣泡后，再涂刷樹脂混合物，鋪上第二層玻璃纖維編織物，重復(fù)上述過程直至達到設(shè)計要求為止，最后通過固化、脫模成型生產(chǎn)出復(fù)合材料制品。(2)纏繞成型工藝是將浸漬樹脂的連續(xù)纖維或布帶纏繞到芯模上，固化脫模后得到復(fù)合材料的一種成型工藝。按樹脂浸漬狀態(tài)主要分為濕法纏繞和干法纏繞兩種。(3)模壓成型工藝是將樹脂和短纖維的混合物放入到金屬模具，閉模后加熱、加壓使其充滿模腔，固化脫模后得到復(fù)合材料制品。模壓成型是可兼適用于熱固性樹脂和熱塑性樹脂的成型方法。(4)拉擠成型工藝是將浸漬過樹脂膠液的連續(xù)纖維束或編織物，通過一定的工藝，在牽引裝置的作用下連續(xù)定型固化，制成長度不限的復(fù)合材料成型方法。2021/10/10星期日5四、玻璃纖維增強復(fù)合材料基本構(gòu)造形式

一般可分為以下三種構(gòu)造形式:單層復(fù)合材料，疊層復(fù)合材料，短纖維復(fù)合材料。(1)單層復(fù)合材料單層復(fù)合材料，或稱單層板，結(jié)構(gòu)如圖2.1所示，單層復(fù)合材料中纖維按一個方向整齊排列或由正交雙向編織排列，其中纖維方向稱之為縱向，用“1”表示，垂直于纖維方向稱之為橫向，用“2”表示，沿復(fù)合材料層厚度方向用“3”表示，1，2，3軸稱為復(fù)合材料的主軸[47〕。在單層復(fù)合材料中纖維和基體可能是各向同性材料，但由于纖維排列具有方向性，在各個方向上纖維含量并不相同，因此單層復(fù)合材料是各向異性、不均勻的材料。2021/10/10星期日62021/10/10星期日72021/10/10星期日8五、我國玻璃纖維復(fù)合材料的發(fā)展歷程與應(yīng)用現(xiàn)狀中國的玻璃鋼工業(yè)始于1958年，已經(jīng)歷了50余年的發(fā)展歷程，從業(yè)人員從最初的7人研究小組發(fā)展到現(xiàn)在的超過25萬人，產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域已從最初的航天耐燒蝕防熱部件發(fā)展到現(xiàn)在的建筑業(yè)、化工、交通運輸與能源、機械與電器、電子工業(yè)、醫(yī)療、體育與娛樂、航空航天、食品工業(yè)和國防軍工等領(lǐng)域。

2021/10/10星期日9六、玻璃纖維復(fù)合材料加工存在的問題采用傳統(tǒng)的切削方法加工纖維增強復(fù)合材料，還存在很多問題，普遍存在刀具磨損快、加工精度低、粉塵污染嚴重等問題。對以GFRP材料的加工特性進行了研究分析，主要表現(xiàn)在以下幾方面：（1）刀具磨損快，壽命低。玻璃纖維材料含硅、鋁等元素，易形成二氧化硅和三氧化二鋁等高硬度、難切削的物質(zhì)，由于摩擦(鉆頭、孔壁和切屑三者之間相互摩擦)的存在，這些物質(zhì)不斷變碎，排屑比較困難，未排出的切屑在孔內(nèi)變成研磨料，研磨刀具表面，致使刀具急劇磨損;切削加工時產(chǎn)生的切削熱隨刀具、切屑、空氣傳散出去的很少，致使切削區(qū)域溫度升高，而且大多集中在刃口部位，在這樣的條件下進行切削加工，刀具刃口更容易被磨鈍，如圖1.2，失去了正常的切削性能刀具刃口更容易被磨鈍。

2021/10/10星期日10（2）加工質(zhì)量差。刀具的幾何參數(shù)、刀具材料、切削工藝參數(shù)、操作方式、冷卻方式等都會影響纖維增強復(fù)合材料的加工精度。除孔尺寸誤差、圓度誤差、位置誤差等幾何缺陷外，孔壁周圍經(jīng)常出現(xiàn)材料抽絲、毛邊、分層、撕裂、裂紋等加工缺陷，如圖1.3，尤其是在孔的進口和出口處，由于沒有外層材料的約束，纖維增強復(fù)合材料的最外側(cè)(頂面層和底面層)材料剛度弱，抵抗變形能力差，在切削力和切削熱的共同作用下，很容易發(fā)生由于變形和退讓形成的孔口撕裂及分層現(xiàn)象;孔徑收縮也很嚴重，甚至?xí)ㄗ?、咬死鉆頭，使得刀具無法退出己加工孔，破壞了孔的加工表面，深孔鉆削時尤為嚴重:這些特有缺陷是GFRI鉆孔技術(shù)研究的重點。2021/10/10星期日11(3)粉塵污染嚴重，玻璃纖維增強復(fù)合材料切削形成的粉塵是以一種不均勻、無規(guī)則運動狀態(tài)而存在的，具有一定的附著能力，無論是在機床上、工件表面上、操作者身上，還是除塵裝置中，都可以看見一層附著物，對皮膚有一定的刺激性，有刺癢的感覺，如圖1.4所示。吸入大量粉塵還對呼吸系統(tǒng)造成損害，嚴重時可能會得矽肺，讓人喪失勞動能力。因此，在復(fù)合材料進行加工過程中一定要采取有效的除塵防護措施，避免粉塵污染環(huán)境和操作間的空氣。

2021/10/10星期日12七、玻璃纖維復(fù)合材料加工工藝研究現(xiàn)狀(1)目前GFRP的切削加工大多仍沿用金屬切削加工工藝和設(shè)備，如車削、銑削、磨削、鉆削等，傳統(tǒng)的機械加工方法具有方法簡單、工藝成熟、設(shè)備投入少、人員配置低等優(yōu)點，但也存在加工效率低、加工精度難以保證、加工缺陷難以克服等缺點。目前實際加工中，仍以傳統(tǒng)的機械加工方法為主。國內(nèi)外從事纖維增強復(fù)合材料加工技術(shù)研究的院校和研究機構(gòu)有很多，國外主要有美國的陸軍材料與力學(xué)研究中心、空軍材料研究所、華盛頓大學(xué)等，日本的大阪大學(xué)、橫濱國立大學(xué)等，俄羅斯、德國、英國、法國、瑞典等國家的一些研究機構(gòu)，其中美國的華盛頓大學(xué)、日本的橫濱大學(xué)主要從事纖維增強復(fù)合材料的二元切削及切削機理方面的研究工作。世界上排名靠前的幾家飛機制造公司，如美國的波音公司、歐洲的空中客車公司也在進行纖維增強復(fù)合材料加工技術(shù)方面的研究。國內(nèi)從事這方面研究工作的單位不是很多，主要有北京航空航天大學(xué)、大連理工大學(xué)、南京理工大學(xué)、鄭州大學(xué)，還有一些研究所等單位。2021/10/10星期日13(2)鄭州大學(xué)張秀麗等對高硅氧玻璃纖維復(fù)合材料進行了銑削加工試驗，考察了銑削參數(shù)和加工表面分層破壞之間的關(guān)系。大連理工的楊東軍等采用多種刀具對高硅氧玻璃纖維復(fù)合材料進行了車削加工試驗，認為立方氮化硼是最佳的刀具材料。聶曉慶比較了高速鋼鉆頭、硬質(zhì)合金鉆頭、涂層鉆頭和PCD鉆頭鉆削GFRP后的加工質(zhì)量認為，PCD是加工GFRP的最適合刀具材料。南京理工大學(xué)宋中權(quán)等利用TIN涂層的S刃麻花鉆對GFRP進行了孔加工試驗，，表明與普通麻花鉆相比，S刃鉆尖可有效減小鉆削軸向力和孔分層缺陷，并且對分層機理進行了理論研究，介紹了分層檢測的方法和評價指標(biāo)，提出了分層等缺陷的抑制方法。南京理工大學(xué)程寓等通過施加預(yù)應(yīng)力F來改善其切割加工性。上海航天精密研究所得吳志娟利用具有合理刀具幾何參數(shù)的聚晶金剛石刀具，采用以磨代鉆、以磨代銑等工藝對GFRP殼體進行了加工，解決了玻璃纖維的分層和撕裂問題。多刃尖麻花鉆2021/10/10星期日14GFRP切割一般用金剛石砂輪2021/10/10星期日15玻璃纖維切削加工原理2021/10/10星期日16玻璃纖維增強復(fù)合材料鉆削加工中形成的抽絲、毛邊、分層、撕裂的抑制方法(1)構(gòu)件加強法，即安置預(yù)壓應(yīng)力工藝裝置由于復(fù)合材料出口和入口處待切削材料厚度較薄，剛度較弱，再加上復(fù)合材料層間強度不強，在鉆頭的切削作用下，易發(fā)生分層、撕裂等缺陷。因此，通過夾具在工件的上、下表面裝夾墊板，夾具裝置，墊板主要為膠木板和硬塑料板2021/10/10星期日17(2)工藝改進法。鉆削軸向力和切削熱，是造成復(fù)合材料分層等缺陷的主要原因，因此通過理論研究和試驗驗證計算出復(fù)合材料分層和撕裂等缺陷的臨界軸向力，并通過改善鉆削工藝參數(shù)和刀具參數(shù)，減小鉆削軸向力使其接近甚至低于臨界軸向力，避免分層、撕裂等缺陷的發(fā)生。(3)高速鉆孔技術(shù)。目前高速切削，仍局限在選擇高的主軸轉(zhuǎn)速，而進給速度并沒有提高，因為通過此方法可以有效減小進給量，從而降低引起分層的鉆削軸向力。上述方法雖然提高了孔的加工質(zhì)量，但鉆孔效率太低。2021/10/10星期日18

工藝改進法中軸向力測定系統(tǒng)

2021/10/10星期日19鉆頭切入試樣后，軸向力急劇增大，當(dāng)主切削刃完全參與切削時，軸向力達到最大值。在鉆頭未鉆出試樣前，軸向力處于穩(wěn)定狀態(tài)，變化不大;隨著鉆頭鉆出復(fù)合材料，軸向力開始減小，直到主切削刃完全鉆出后軸向力下降為零。2021/10/10星期日20影響軸向力的因素(1)橫刃對軸向力的貢獻占整個軸向力的一半以上，因此減小橫刃大小，可以有效減小軸向力和分層，提高鉆孔質(zhì)量。2021/10/10星期日21鉆頭的結(jié)構(gòu)2021/10/10星期日22(2)涂層工藝可以有效減小軸向力，并且進給速度較大時，涂層的優(yōu)勢越明顯。2021/10/10星期日23(3)普通鉆尖麻花鉆鉆削軸向力有以下規(guī)律:進給速度越大，軸向力越大，而主軸轉(zhuǎn)速對其影響不顯著;進給量增大，軸向力增大;鉆頭直徑越大，軸向力越大。2021/10/10星期日24(4)多刃尖麻花鉆鉆削軸向力有以下規(guī)律:進給速度越大，軸向力越大;主軸轉(zhuǎn)速越高，軸向力越大。2021/10/10星期日25燒蝕的解決方案生產(chǎn)實踐和研究發(fā)現(xiàn)，采用以下措施可以有效降低切削熱:選取熱導(dǎo)率大的刀具材料，如硬質(zhì)合金、人造金剛石、立方氮化硼等;增大刀具的前角和后角，保證刀刃絕對鋒利，較小摩擦;可適當(dāng)增加刀尖刃口圓弧半徑，改善散熱條件和刀刃強度，降低切削溫度;減小切削速度，降低進給量和切削深度;增加冷卻設(shè)施和除塵設(shè)備;降低刀具的表面粗糙度，減小摩擦等。2021/10/10星期日26八