复合材料的分层研究
复合材料的分层缺陷
引言
目前被广泛用于飞机承力构件的纤维增强树脂基复合材料（CFRP）主要是层合板与层合结构。在层合板的制造过程中，常由于许多不确定的因素，使复合材料结构发生分层、孔隙、气孔等等不同形式的缺陷；同时，复合材料层合板在装配与服役过程中所受到低能冲击很容易引发各种形式的损伤。由于增强纤维铺设方向的不一致常导致铺层间刚度的不匹配，引发较高的层间应力，而层间应力的主要传递介质是较弱的树脂基体，因此对于复合材料层合板，分层是其主要的损伤形式。有报导统计，复合材料层合板在加工、装配和使用过程中产生的分层损伤，占缺陷件的50%以上[1]。
分层常存在于结构内部，无法根据表面状态检测出来，并且分层的存在极大地降低了结构的刚度，特别在压缩载荷作用下，由于发生局部屈曲而导致分层扩展，使结构在低于其压缩强度时发生破坏。在飞机研制与制造过程中，复合材料层合板的分层损伤问题一直是难以解决的结构问题之一，也是影响CFRP 在结构组分中应用的主要限制因素。因此，如何充分地结合试验测试，利用数值模拟的方法评估分层的许和容限，成为决定飞机结构综合性能的亟待解决的关键问题。
1.1 分层产生的原因
Pagano 和Schoeppner[2]根据复合材料构件的形状，将分层产生的原因分为
两类。第一类为曲率构件，工程中常见的曲率构件包括扇形体、管状结构、圆柱形结构、球形结构和压力容器等；第二类为变厚度截面，工程中常见于薄层板与
补强件连接区域、自由边界处、粘合连接处及螺栓接合处等。在上述结构件中，临近的两铺层极易在法向和剪切向应力作用下发生脱胶和形成层间裂纹。
以外，温湿效应、层板制备和服役状态等亦是分层产生的原因。由于纤维与树脂的热膨胀系数以及吸湿率均存在差异，因此，不同铺层易在固化过程产生不同程度的收缩并在吸收湿气后产生不同程度的膨胀，不同程度的收缩与膨胀所产生的剩余压力是导致分层的源头之一[3， 4]。在层合板的制备过程中，由于手工铺设质量具有分散性，极易形成富树脂区，进而引发树脂固化时铺层间的收缩程
度差异，使层间具有较低的力学特性，极易形成分层 [5，6]。在服役过程中，低 速冲击所产生的横向集中力是层合板结构形成分层的重要原因之一。 冲击引发的 临近铺层间的内部损伤、层合板制造过程中工具的掉落、复合材料部件的组装及 维修以及军用飞机及结构的弹道冲击等均会引发层间分层。
1.2分层的种类
[5， 6]将分层分为内部分层(Internal delaminations )和浅表分层
(Near-surface delaminationS 两类。其中，内部分层源自层合板的内部铺层，由 于树脂裂纹和铺层界面间相互作用而形成，它的存在会降低结构件的承载能力。
特别是在压缩载荷作用下，层合板的弯曲行为受到严重影响(如图 1)。虽然分 层将层合板分为两个部分，但是由于两个子层板变形间的相互作用， 层合板呈现 相似的偏转状态，发生整体屈曲。
浅表分层产生于层合板接近表面的浅层位置， 呈现出比内部分层更为复杂的 分层行为。分层区域的变形受到厚子板的影响相对更小，浅表处的分层部分并不 定受较厚的子板的牵制而变形，因此对于浅表分层，不仅需要考虑浅表分层的 扩展，还需要考虑分层子板的局部稳定性。根据载荷形式及分层状态可将浅表分 层分为如图2所示的种类。
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图1内部分层及对结构稳定性的影响
图2浅表分层的种类
在分层产生后，内部分层和浅表分层在静承载和疲劳载荷作用下可能发生分 层扩
展，层合板的强度和稳定性明显下降。确定分层缺陷的形式对复合材料结构 的完整性是十分层重要的。
1.3分层的微观结构
在微观尺度下，层间裂纹扩展后将在裂纹前缘形成损伤区域。 根据树脂的韧
性和应力水平（I 型，II 型，山 型和混合型，如图3所示），损伤区域的尺寸 和形状呈现不同的状态。剪切载荷下裂纹尖端应力场的衰减较缓慢，因此 和III 型裂纹尖端的损伤区域比I 型区域广。此外，受树脂基体的影响，脆性 与韧性树脂基体的损伤状态具有明显的区别。
在脆性树脂体系下，I 型裂纹尖端的损伤区域会发生微裂纹的合并和生长以 及纤维一树脂间的脱胶现象，上述现象都会诱发裂纹前进，其中，脱胶行为的发
生常伴随着纤维桥接和纤维断裂现象的发生。而对于剪切模式的
II 型和III 型 分层，裂纹前缘处的微裂纹发生合并的现象，并与铺层角度呈 45°方向扩展, 直至到达富树脂区域。界面处微裂纹的合并在纤维间的树脂区域呈现锯齿状， 如 图4所示。而对于韧性材料体系，裂纹前缘的塑性变形推进裂纹扩展，呈现出 韧性断裂并伴随层间脱层现象的发生[7]
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图3 I型、II型和III型裂纹拓展模式
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图4层间II型分层的扩展模式：（a）裂纹尖端处微裂纹的形成；（b）微裂纹的生长及张开；（C）微裂纹的合并及剪切尖端的形成
2准静态下分层行为预测方法
分层力学由前苏联的固体物理学家Obreimoff （1894-1981）最先着手研究，1930年，他在题名“The Splitting Strength of Mica”⑹ 的论文中详细讨论了层
间断裂韧性并研究了在剪切力作用下云母试样的分层现象。时至今日，分层的力学问题在吸引重多科研工作者兴趣的同时，已取得了突出的成果，分层行为的预测方法发展成为强度理论方法、断裂力学方法和损伤力学方法等三类。
2.1强度理论方法
强度理论方法是研究分层问题的传统方法，是以结构或材料抵抗损伤发生的
能力为基础，通过将材料内部的节点应力与界面强度的大小进行比较来判断界面是否发生分层。该预测分层损伤的方法由Whitney等［9］首先提出；在进一步
应用平均应力准则的基础上，Kim等［11］对受拉、压载荷作用下的层合板的分层产生时的临界载荷值进行了预测。但是由于不连续铺层端部易出现应力奇异, 应力准则方法高度依赖网格尺寸；且由于平均应力准则或点应力准则都引入了特征长度的概念，而特征长度并没有很强的理论基础，使该方法不能够准确地预测
分层扩展行为[12] 0
2.2线弹性断裂力学方法
断裂力学方法通过计算裂纹尖端应力场与裂纹尖端张开位移来评价界面的损伤状态。在忽略材料非线性的前提下，可以采用线弹性断裂力学方法（LEFM）有效地预测分层扩展状态，该方法的核心内容为裂纹尖端能量释放率的计算。计
算应变能释放率的常用方法包括虚裂纹扩展技术（VCCT）、J积分、虚裂纹扩张和刚度微分方法等，通过比较应变能释放率分量的组合式与某临界值间的关系, 可以对分层的状态进行预测。
2.3损伤力学方法
损伤力学方法是通过引入微缺陷/微裂纹的面积等形式的损伤变量来预测界面处分层状态，相比断裂力学方法，该方法不仅可以预测已存在裂纹的扩展状态，更重要的是，可以预测新裂纹的产生。以内聚力理论为基础，该方法考虑了
复合材料基体与增强相间以化学反应的形式生成的一层界面物质层，以界面参数的形式，充分地反映了界面物质层的模量、强度和韧性等材料参数。
内聚力裂纹模型由Dugdale [13]和Barenblatt [14]首次提出：材料在屈服应
力的作用下，会在裂纹前缘形成薄的塑性区域，在该区域范围内的裂纹表面有应力作用，此作用力为“内聚力”；而与之相对的裂纹表面不受任何应力作用
的区域为断裂区（如图5所示）。
虽然内聚力模型属于局部损伤模型[15]，对网格具有依赖性，但由于其支
持网格间的相互独立，因此可以方便地实现网格的充分细化，达到准确计算的目
的。采用内聚力模型方法可以同时预测分层的产生和扩展，可以同时完成损伤容限和强度分析。
复合材料界面与设计
先进聚合物复合材料界面设计与表征进展 姓名：卢刚班级：材研1005 学号：104972100244 摘要：本文简述了界面的形成与作用机理，着重介绍了聚合物基复合材料界面改进的几种方法。 关键词：聚合物；复合材料；界面 Abstract：This paper briefly describes the formation of the interface and the mechanism of action,mainly introduces some methods about the UI improvement of the polymer-based composites. 1引言 聚合物基复合材料是由纤维和基体结合为一个整体，使复合材料具备了原组成材料所没有的性能，并且由于界面的存在，纤维和基体所发挥的作用，是各自独立而又相互存在的。 界面是复合材料组成的重要组成成分，它的结构与性能，以及粘合强度等因素，直接关系到复合材料的性能。所以，复合材料界面问题的研究有着十分重要的意义。 现代科学的发展为复合材料界面的分析表征提供了强有力的手段。扫描电镜、红外光谱、紫外光谱、光电子能谱、动态力学分析、原子粒显微镜等，在复合材料界面分析表征中得到充分利用，为揭示界面的本质、丰富界面的理论做出了重要贡献。 2界面的形成与作用机理 2.1界面的形成 复合材料体系对界面要求各不相同，它们的成形加工方法与工艺差别很大，各有特点，使复合材料界面形成过程十分复杂，理论上可分为两个阶段：第一阶段：增强体与基体在一组份为液态（或粘流态）时的接触与浸润过程。在复合材料的制备过程中，要求组份间能牢固的结合，并有足够的强度。要实现这一点，必须要使材料在界面上形成能量最低结合，通常都存在一个液态对固体的相互浸润。所谓浸润，即把不同的液滴放到不同的液态表面上，有时液滴会立即铺展开来，遮盖固体的表面，这一现象称为“浸润”。
复合材料结构分析总结
复合材料结构分析总结 说明：整理自Simwe论坛，复合材料版块，原创fea_stud，大家要感谢他呀 目录 1# 复合材料结构分析总结（一）——概述篇 5# 复合材料结构分析总结（二）——建模篇 10# 复合材料结构分析总结（三）——分析篇 13# 复合材料结构分析总结（四）——优化篇 做了一年多的复合材料压力容器的分析工作，也积累了一些分析经验，到了总结的时候了，回想起来，总最初采用I-deas，到MSC.Patran、Nastran，到最后选定Ansys为自己的分析工具，确实有一些东西值得和大家分享，与从事复合材料结构分析的朋友门共同探讨。 （一）概述篇 复合材料是由一种以上具有不同性质的材料构成，其主要优点是具有优异的材料性能，在工程应用中典型的一种复合材料为纤维增强复合材料，这种材料的特性表现为正交各向异性，对于这种材料的模拟，很多的程序都提供了一些处理方法，在I-Deas、Nastran、Ansys中都有相应的处理方法。笔者最初是用I-Deas下建立各项异性材料结合三维实体结构单元来模拟（由于研究对象是厚壁容器，不宜采用壳单元），分析结果还是非常好的，而且I-Deas强大的建模功能，但由于课题要求要进行压力容器的优化分析，而且必须要自己写优化程序，I-Deas的二次开发功能开放性不是很强，所以改为MSC.Patran，Patran 提供了一种非常好的二次开发编程语言PCL（以后在MSC的版中专门给大家贴出这部分内容），采用Patran结合Nastran的分析环境，建立了基于正交各项异性和各项异性两种分析模型，但最终发现，在得到的最后结果中，复合材料层之间的应力结果始终不合理，而模型是没有问题的（因为在I-Deas中，相同的模型结果是合理的），于是最后转向Ansys，刚开始接触Ansys，真有相见恨晚的感觉，丰富的单元库，开放的二次开发环境（APDL 语言），下面就重点写Ansys的内容。 在ANSYS程序中，可以通过各项异性单元（Solid 64）来模拟，另外还专门提供了一类层合单元（Layer Elements）来模拟层合结构（Shell 99, Shell 91, Shell 181, Solid 46 和Solid 191）的复合材料。 采用ANSYS程序对复合材料结构进行处理的主要问题如下： （1）选择单元类型 针对不同的结构和输出结果的要求，选用不同的单元类型。 Shell 99 ——线性结构壳单元，用于较小或中等厚度复合材料板或壳结构，一般长度方向和厚度方向的比值大于10； Shell 91 ——非线性结构壳单元，这种单元支持材料的塑性和大应变行为； Shell 181——有限应变壳单元，这种单元支持几乎所有的包括大应变在内的材料 的非线性行为； Solid 46 ——三维实体结构单元，用于厚度较大的复合材料层合壳或实体结构；
Abaqus中复合材料地累积损伤与失效
纤维增强材料的累积损伤与失效：Abaqus拥有纤维增强材料的各向异性损伤的建模功能（纤维增强材料的损伤与失效概论，19.3.1节）。假设未损伤材料为线弹性材料。因为该材料在损伤的初始阶段没有大量的塑性变形，所以用来预测纤维增强材料的损伤行为。Hashin标准最开始用来预测损伤的产生，而损伤演化规律基于损伤过程和线性材料软化过程中的能量耗散理论。 另外，Abaqus也提供混凝土损伤模型，动态失效模型和在粘着单元以及连接单元中进行损伤与失效建模的专业功能。 本章节给出了累积损伤与失效的概论和损伤产生与演变规律的概念简介，并且仅限于塑性金属材料和纤维增强材料的损伤模型。 损伤与失效模型的通用框架 Abaqus提供材料失效模型的通用建模框架，其中允许同一种的材料应用多种失效机制。材料失效就是由材料刚度的逐渐减弱而引起的材料承担载荷的能力完全丧失。刚度逐渐减弱的过程采用损伤力学建模。 为了更好的了解Abaqus中失效建模的功能，考虑简单拉伸测试中的典型金属样品的变形。如图19.1.1-1中所示，应力应变图显示出明确的划分阶段。材料变形的初始阶段是线弹性变形（a-b段），之后随着应变的加强，材料进入塑性屈服阶段（b-c段）。超过c点后，材料的承载能力显著下降直到断裂（c-d段）。最后阶段的变形仅发生在样品变窄的区域。C点表明材料损伤的开始，也被称为损伤开始的标准。超过这一点之后，应力-应变曲线（c-d）由局部变形区域刚度减弱进展决定。根据损伤力学可知，曲线c-d可以看成曲线c-d‘的衰减，曲线c-d‘是在没有损伤的情况下，材料应该遵循的应力-应变规律曲线。
图19.1.1-1 金属样品典型的轴向应力-应变曲线 因此，在Abaqus中失效机制的详细说明里包括四个明显的部分： ●材料无损伤阶段的定义（如图19.1.1-1中曲线a-b-c-d‘） ●损伤开始的标准（如图19.1.1-1中c点） ●损伤发展演变的规律（如图19.1.1-1中曲线c-d） ●单元的选择性删除，因为一旦材料的刚度完全减退就会有单元从计算中移除（如图19.1.1-1 中的d点）。 关于这几部分的内容，我们会对金属塑性材料（金属塑性材料的损伤与失效概论，19.2.1节）和纤维增强材料（纤维增强符合材料的损伤与失效概论，19.3.1节）进行分开讨论。 网格依赖性 在连续介质力学中，通常是根据应力-应变关系建立材料本构模型。当材料表现出导致应变局部化的应变软化行为时，有限元分析的结果带有强烈的网格依赖性，能量的耗散程度取决于网格的精简程度。在Abaqus中所有可使用损伤演化模型都使用减轻网格依赖性的公式。这是通过在公式中引入特征长度来实现的，特征长度作为一个应力-位移关系可以表达本构关系中软化部分，它与单元尺寸有关系。在此情况下，损伤过程中耗散的能量不是由每个单位体积衡量，而是由每个单位面积衡量。这个能量值作为另外一个材料参数，用来计算材料发生完全损伤时的位移。这是与材料断裂力学中临界能量释放率的概念一致的。此公式确保了合适能量的耗散以及最大程度减轻网格的依赖。
改性酚醛树脂复合材料的研究进展及应用
改性酚醛树脂复合材料的研究进展及应用 综述了改性酚醛树脂复合材料的研究进展，重点介绍了我国改性酚醛树脂复合材料的研究进展及应用，最后指出了我国改性酚醛树脂复合材料今后的发展方向。 标签：酚醛树脂；改性；复合材料 酚醛树脂（PF）由酚类（苯酚、甲酚、二甲酚和间苯二酚等）和醛类（甲醛、乙醛和糠醛等）在酸性或碱性催化剂作用下缩聚而成，是最早合成的热固性树脂。普通酚醛树脂由于受分子结构的限制，热稳定性和残炭率较低，限制了其应用。为了克服传统酚醛树脂脆性较大、交联度低、耐热性不佳、释放游离甲基和游离酚等缺陷，对酚醛树脂进行复合改性是常用的方法，以此获得性能优越的酚醛树脂复合材料，广泛应用于清漆、胶粘剂、涂料、模塑料、层压材料、泡沫材料、耐烧蚀材料等方面。 1.酚醛树脂的结构 酚醛树脂的结构主要有线型酚醛树脂和甲阶酚醛树脂。线型酚醛树脂在加热过程中逐渐软化，温度降至常温后又变硬，即在重复加热、冷却过程中重复塑化、硬化，表现出热塑性，而不具有热硬性。甲阶酚醛树脂含有水分，为聚合度不大的线型分子混合物，溶于水、乙醇、丙酮等溶剂中，具有高温固化性，属可溶性热固性酚醛树脂。 2.复合材料制备研究进展 酚醛树脂反应活性低，固化反应放出缩合水，且必须在高温条件下才能进行固化，制约了其在复合材料领域的应用。为弥补这一缺陷与不足，进一步提高其综合性能，在其分子链极性节点周围形成连接界面，使分子链间的键能增强，通常在酚醛树脂中引入高耐热性纳米材料，可提高其在高温下的质量保持率，降低其高温炭化率，从而使材料在高温下的基本性能得以提高。酚醛树脂的耐热性和增韧改性主要是通过共混或化学反应来实现。 2.1化学改性制备 酚醛树脂的化学改性是指应用化学反应改变苯酚甲醛树脂分子结构的一类改性方法，途径主要有：羟基醚化或环氧化、控制分子链交联状态的不均匀性及引进钼、硼、磷、有机硅等组分，可以提高树脂的耐热性尤其是瞬时耐高温的特性。环氧综合性能良好，能兼顾热固性酚醛树脂和双酚的优势，提高材料的粘接性与耐热性，改善树脂脆性；有机硅的耐热性和耐潮性良好，与酚羟基发生化学反应，可增强酚醛树脂的耐热性与耐水性；硼元素能显著改善酚醛树脂的耐热性、耐瞬间高温性、耐烧蚀性，增强其力学性能。
ANSYS复合材料仿真分析及其在航空领域的应用
ANSYS复合材料仿真分析及其在航空领域的应用 复合材料，是由两种或两种以上性质不同的材料组成。主要组分是增强材料和基体材料。复合材料不仅保持了增强材料和基体材料本身的优点，而且通过各相组分性能的互补和关联，获得优异的性能。复合材料具有比强度大、比刚度高、抗疲劳性能好、各向异性、以及材料性能可设计的特点，应用于航空领域中，可以获得显著的减重效益，并改善结构性能。目前，复合材料技术已成为影响飞机发展的关键技术之一，逐渐应用于飞机等结构的主承力构件中，西方先进战斗机上复合材料使用量已达结构总重量的25%以上。飞机结构中，复合材料最常见的结构形式有板壳、实体、夹层、杆梁等结构。板壳结构如机翼蒙皮，实体结构如结构连接件，夹层结构如某些薄翼型和楔型结构，杆梁结构如梁、肋、壁板。此外，采用缠绕工艺制造的筒身结构也可视为层合结构的一种形式。一.复合材料设计分析与有限元方法复合材料层合结构的设计，就是对铺层层数、铺层厚度及铺层角的设计。采用传统的等代设计（等刚度、等强度）、准网络设计等设计方法，复合材料的优异性能难以充分发挥。在复合材料结构分析中，已经广泛采用有限元数值仿真分析，其基本原理在本质上与各向同性材料相同，只是离散方法和本构矩阵不同。复合材 料有限元法中的离散化是双重的，包括了对结构的离散和每一铺层的离散。这样的离散可以使铺层的力学性能、铺层方向、铺层形式直接体现在刚度矩阵中。有限元分析软件，均把增强材料和基体复合在一起，讨论结构的宏观力学行为，因此可以忽略复合材料的多相性导致的微观力学行为，以每一铺层为分析单元。二.ANSYS复合材料仿真技术及其在航空领域应用复合材料具有各向异性、耦合效应、层间剪切等特殊性质，因此复合材料结构的精确仿真，已成为现代航空结构的迫切需求。许多CAE程序都可以进行复合材料的分析，但是大多程序并没有提供完备的功能，使复合材料的精确仿真难以完成。如有些程序不提供非线性分析能力，有些不提供层间剪切应力的求解能力，有些不提供考虑材料失效破坏继续计算能力等等。ANSYS作为一款著名的商业化大型通用有限元软件，广泛应用于航空航天领域，为飞机结构中的复合材料层合结构分析提供了完整精确的解决方案。1.复合材料的有限元模型建立针对飞机结构中的复合材料层合板、梁、实体以及加筋板等结构类型，ANSYS提供一种特殊的复合材料单元———层单元，以模拟各种复合材料，铺层数可达250层以上，并提供一系列技术模拟各种复杂层合结构。复合材料层单元支持非线性、振动特性、热应力、疲劳断裂等各种结构和热的分析功能和算法。2.复合材料的层合结构定义：■铺层结构：ANSYS对于每一铺层可先定义材料性质、铺层角、铺层厚度，然后通过由下到上的顺序逐层叠加组合为复合材料层合结构；也可以通过直接输入材料本构矩阵来定义复合材料性质。■板壳和梁单元截面形状：ANSYS利用截面形状工具可定义矩形、I型、槽型等各种形式；还可以定义各种函数曲线以模拟变厚度截面。3.特殊层合结构的模拟：?变厚度板壳铺层切断：将切断的某铺层厚度定义为零，即可模拟铺层切断前后的板壳实际形状。（图1上）?不同铺层板壳的节点协调：ANSYS板壳层单元的节点均可偏置到任意位置，使不同铺层数板壳的节点在中面或顶面、底面对齐。（图1下）?蜂窝/泡沫夹层结构：ANSYS通过板壳层单元来模拟夹层结构的特性，夹层面板和芯子可以是不同材料。（图2）?板－梁－实体组合结构：ANSYS将实体、板壳与梁等不同类型单元通过MPC技术相联系，各类单元的节点不需要重合并协调，便于飞机等复杂结构模型的处理。4.复合材料有限元模型的检查：复合材料结构模型建立后，可以将板壳和梁单元显示为实际形状，还可以通过图形显示和列表直观地观察铺层厚度、铺层角度和铺层组合形式，方便模型的检查及校对。（图3）5.复合材料层合结构分析ANSYS层单元支持各种静强度刚度、非线性、稳定性、疲劳断裂和振动特性等结构分析。完成分析后，可以图形显示或输出每个铺层及层间的应力和应变等结果（虽然一个单元包含许多铺层），根据这些结果可以判断结构是否失效破坏和满足设计要求。6.复合材料失效准则ANSYS已经预定义了三种复合材料破坏准则来评价复合材料结构安全性，包括最大应变/应力失效准则，蔡－吴（Tsai-Wu）准则。每种强度准则均可定义与温度相关，考虑不同温度下的材料性能。另外，用户也可自定义最多达六种的
复合材料损伤研究现状
复合材料损伤研究现状 复合材料是一种新型材料，由于其具有比强度、比模量高等优点，使其在众多领域都具有潜在的应用可能性。然而复合材料是由纤维、基体、界面等组成，其细观构造是一个复杂的多相体系，而且是不均匀和多向异性的，这使其结构内部的损伤与普通材料结构不同，在结构表面可能完全看不出损伤迹象，甚至用X 光和超声分层扫描也探测不到。现有的各种无损检测方法很难对复合材料结构损伤进行准确的探测与损伤程度评估，更无法对使用中的复合材料结构实现在线实时监测。将智能传感器敏感网络埋入复合材料内部，并配合适当的现代信号处理技术，构成智能复合材料结构系统，从而实现对复合材料内部状态的在线实时监测，及时发现并确定材料结构内部损伤的位置和程度,监视损伤区域的扩展，从而为材料结构的损伤检测、维修及自我修复提供准确信息，避免因复合材料结构损伤而带来巨大的损失。由于智能复合材料内部传感网络信号具有高度非线形、大数量、并行等特点，故使用传统的分析方法进行处理往往十分耗时、困难，甚至完全不可能。而现代模式识别方法(包括人工神经网络)、小波分析技术、时间有限元模型理论以及光时域反射计检测技术等就成为实现实时、在线、智能化处理分布式信号的理想工具。 结构损伤诊断，即对结构进行检测与评估，确定结构是否有损伤存在，进而判别结构损伤的程度和方位，一级结构目前的状况、使用功能和结构损伤的变化趋势等。 结构损伤诊断是近40年来发展起来的一门新学科，是一门适应工程实际需要而形成的交叉学科。结构损伤诊断概念的提出和发展，机械故障诊断问题开始引起各国政府的重视。美国国家宇航局（NASA）成立了机械故障预防小组（MFPG），英国成立了机器保健中心（MHMC），这些机构专门从事故障机理、检测、诊断和预报的技术研究，以及可靠性分析及耐久性评价，至此大型旋转机械的状态监测与故障诊断技术开始进入实用化阶段。20世纪80年代，以微型计算机为核心的现代故障诊断技术得到了迅速发展，涌现出许多商业化得计算机辅助监测和故障诊断系统，如美国SCIENTIFIC公司的PM系统、我国研制的大型旋转机械计算机状态检测与故障诊断系统等。在这一阶段，由于传感技术的飞速发展，使得诊断可以利用振动、噪声、温度、力、电、磁、光、射线等多种信号作为信息源，从而发展了振动诊断技术、声发射诊断技术、光谱诊断技术和热成像监测诊断技术等。与此同时，信号处理技术和模式识别、模糊数学、灰色系统理论等新的信息处理方法迅速发展，并在故障诊断技术中得到应用。 结构损伤诊断技术方面的工作在国外大体分为三个发展阶段： （1）20世纪40年代到50年代为探索阶段，注重对建筑结构缺陷原因的分析和补修方法的研究，检测工作大多数以目测方法为主。
空心玻璃微珠在复合材料中的应用研究
空心玻璃微珠在复合材料中的应用研究 空心玻璃微珠(ES)是由经特殊工艺制成的薄壁封闭的微小球形颗粒，具有中空、质轻、耐高低温、隔热保温、电绝缘强度高、耐磨、耐腐蚀、防辐射、隔音、吸水率低、化学性能稳定等优点，近年来作为复合材料填充剂，已广泛应用于建材、塑料、橡胶、涂料、航海和航天等领域。 1 空心玻璃微珠在建材中的应用 空心玻璃微珠密度低且不易吸水，可作添加剂制备低密度、低黏度、低渗透性及结合力强的轻质注浆水泥。用腔内全部填有水泥浆的空心微珠制成的轻质水泥(σc28值在27~33 MPa 之间)，优于传统膨胀珍珠岩轻质水泥(σc28=1~5.5 MPa)和膨润土轻质水泥(σc28=17~40 MPa)，且其隔热性能随微珠粒度的减小而提高。当微珠的腔内没有水泥浆时，样品的隔热性能得到最大改善。在美国，空心玻璃微珠已用于人造大理石生产，填充适当的空心玻璃微珠，可改善人造大理石纹理布局及颜色的连续性，降低固化时间，改善冲击强度，提高抗龟裂能力，降低破损率，同时改善机械加工性，减小后处理工具的磨损，且便于搬运及安装。人们开始将空心玻璃微珠用于涂料研究，以提高涂料的隔热、隔音性能。采用化学镀方法在玻璃微珠表面镀银并用于涂料中，结果表明，在控制反应温度和浓度的条件下，可使镀银玻璃微珠的红外辐射率由原来的1.02降为0.70，将其应用于涂料后，涂层的红外辐射率为0.80。 2 空心玻璃微珠在塑料、橡胶中的应用 近年来，空心玻璃微珠作为新型无机粉末填料用于工程塑料和橡胶的填充，使其具有优异的流变加工和抗冲击性能等优点。目前，研究较多的是对聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺、聚碳酸酯、有机硅树脂等的填充改性。用一步法和二步法两种混合工艺，研究了经过表面预处理的玻璃微珠填充PP的力学性能。结果表明，经过适当表面处理的玻璃微珠可以通过熔融共混均匀分散在PP中，粒子与基体界面结合良好。填充体系随着玻璃微珠含量的增加，拉伸强度增大，冲击强度下降。流动性随着玻璃微珠含量的增加而增大，然后随之下降。采用不同粒径的中空玻璃微珠填充聚丙烯，在较低的弯曲载荷下，随着HGB体积分数的增加，试样热变形温度(t d)明显增大；而在较高的弯曲载荷下，试样的t d增加缓慢，甚至有所下降。当载荷及微珠含量一定时，t d随着HGB粒径的增加而呈非线性函数形式增大。尼龙6是一种具有较好力学性能和热性能的工程塑料，通常是使用玻璃纤维进行改性来提高性能和拓展使用领域。但同时产生流动性差、玻纤外露、收缩率高、后翘曲严重、加工困难等不足。空心微珠是尺寸小，表面光滑坚硬，有极好的流动性、分散性，吸油率低，耐高温，用于填充尼龙可以改善浮纤外露，提高制品表面光洁度，改善流动性能，加工方便、降低收缩变形率，克服制品后翘曲现象，提高制品的耐热温度及耐磨、耐划伤性，且可以大大降低生产成本。研究人员以空心玻璃微珠为填料制备了玻璃微珠填充改性含油铸型尼龙复合材料，研究了复合材料的摩擦学性能和热性能。结果表明：加入玻璃微珠的复合材料的摩擦因数降低，耐磨性提高，其磨损行为主要是粘着磨损和磨粒磨损；该复合材料的热变形温度有所降低，但线膨胀系数减小。用硅烷偶联剂对空心玻璃微珠进行表面处理后填充MC尼龙，改善了MC尼龙和空心玻璃微珠的相容性，使复合材拉伸强度、弯曲强度和断裂伸长率比不经偶联剂处理的分别提高了约15.7%、12.2%和246%；同时耐热性提高，而吸水率和收缩率降低。夏英[11 ]在80%ABS树脂中加入20%的粒径为5 μm经表面处理的空心玻璃微珠，制得了综合性能较佳的空心玻璃微珠改性复合材料，其缺口冲击强度、拉伸强度、弯曲强度、弯曲弹性模量、熔体流动速率及氧指数分别为7.7 kJ/m2、47 MPa、69 MPa、2.75GPa、5g/10min和22.4%。邓聪[12]用空心玻璃微珠填充改性聚甲醛(POM)，结果表明，影响复合体系性能的主导因素是
复合材料界面制备技术的研究发展现状
复合材料界面制备技术的研究发展现状 孟明艾复合1001 3100706025 摘要：材料界面直接影响着材料的物理、化学、力学等性能与应用范围， 复合材料整体性能的优劣与复合材料界面结构和性能关系密切。分析材料界面的物理与化学过程、物质传输、能量转化及研究材料界面的结构与性能间的关系，对研究新材料和传统材料及其应用有着愈来愈重要的意义。 复合材料界面介绍 复合材料是由两种或两种以上不同物理、化学性质的以微观或宏观的形式复合而组成的多相固体材料。复合材料中增强体与基体接触构成的界面，是一层具有一定厚度（纳米以上）、结构随基体和增强体而异的、与基体有明显差别的新相——界面相（界面层）。界面是复合材料极为重要的微结构，它是增强体和基体相连接的“纽带”，也是应力及其他信息传递的桥梁，其结构与性能直接影响着复合材料的性能。因此，深入研究复合材料界面的的制备、技术形成过程、界面层性质、结合强度、应力传递行为对宏观力学性能的影响规律，从而有效进行控制界面，是获得高性能复合材料的关键。 复合材料界面及其组成 界面相并没有十分清晰的界限。界面相内部即使是同一组分其内部性质也有很大的不同，无论从物理状态还是化学情况，界面相各个组分之间都存在着相互扩散和相互影响，并不是一个绝对规整的结构。对于界面相，界面层的形成和结构大体可分为：1.表面的粗糙及活性而形成的吸附层；2.表面的化学物质与基质发生化学反应而成的物质；3.表面诱导的结晶层；4.聚合物和纤维冷却时，因收缩差所引起的残留应力层。 复合材料界面研究现状 界面与材料的各种性能的关系是复合材料研究的前沿领域，当前界面研究的重点是界面润湿、界面结构、界面结合机制和界面稳定性，它对颗粒的分布往往起着决定性的作用。因此，有关润湿机理、改善途径及影响因素仍是今后界面研究的重要课题。 但是，由于界面尺寸很小且不均匀，化学成分及结构复杂，对于界面的结合强度、界面的厚度、界面的应力状态尚无直接和准确的定量的方法，对于界面结合状态、形态、结构以及它对复合材料的影响尚没有适当的试验方法，需要借助电子质谱、红外扫描等试验逐步摸索和统一认识。因此，迄今为止，对复合材料界面的认识还不是很充分，主要表现在：（1）界面表征手段测试手段存在局限；（2）界面改善方法：无法解释界面在材料失效过程的确切作用；（3）材料力学研究：理论模型与材料加工的实际过程有很大差异。 复合材料界面制备技术的研究 制备技术不仅很大程度上影响着复合材料的性能，同时也是它进一步应用发展的重要因素。材料界面制备技术主要是接合。所谓接合，是指为得到具体指定特性的坯料而使用的一种材料复合手段。接合形式有物理吸附、化学反应、
复合材料的分层缺陷
复合材料的分层缺陷 引言 目前被广泛用于飞机承力构件的纤维增强树脂基复合材料（CFRP）主要是层合板与层合结构。在层合板的制造过程中，常由于许多不确定的因素，使复合材料结构发生分层、孔隙、气孔等等不同形式的缺陷；同时，复合材料层合板在装配与服役过程中所受到低能冲击很容易引发各种形式的损伤。由于增强纤维铺设方向的不一致常导致铺层间刚度的不匹配，引发较高的层间应力，而层间应力的主要传递介质是较弱的树脂基体，因此对于复合材料层合板，分层是其主要的损伤形式。有报导统计，复合材料层合板在加工、装配和使用过程中产生的分层损伤，占缺陷件的50%以上[1]。 分层常存在于结构内部，无法根据表面状态检测出来，并且分层的存在极大地降低了结构的刚度，特别在压缩载荷作用下，由于发生局部屈曲而导致分层扩展，使结构在低于其压缩强度时发生破坏。在飞机研制与制造过程中，复合材料层合板的分层损伤问题一直是难以解决的结构问题之一，也是影响CFRP 在结构组分中应用的主要限制因素。因此，如何充分地结合试验测试，利用数值模拟的方法评估分层的许和容限，成为决定飞机结构综合性能的亟待解决的关键问题。 1.1分层产生的原因 Pagano 和Schoeppner [2] 根据复合材料构件的形状，将分层产生的原因分为两类。第一类为曲率构件，工程中常见的曲率构件包括扇形体、管状结构、圆柱形结构、球形结构和压力容器等；第二类为变厚度截面，工程中常见于薄层板与补强件连接区域、自由边界处、粘合连接处及螺栓接合处等。在上述结构件中，
临近的两铺层极易在法向和剪切向应力作用下发生脱胶和形成层间裂纹。 以外，温湿效应、层板制备和服役状态等亦是分层产生的原因。由于纤维与树脂的热膨胀系数以及吸湿率均存在差异，因此，不同铺层易在固化过程产生不同程度的收缩并在吸收湿气后产生不同程度的膨胀，不同程度的收缩与膨胀所产生的剩余压力是导致分层的源头之一[3，4] 。在层合板的制备过程中，由于手工铺设质量具有分散性，极易形成富树脂区，进而引发树脂固化时铺层间的收缩程度差异，使层间具有较低的力学特性，极易形成分层[5，6] 。在服役过程中，低速冲击所产生的横向集中力是层合板结构形成分层的重要原因之一。冲击引发的临近铺层间的内部损伤、层合板制造过程中工具的掉落、复合材料部件的组装及维修以及军用飞机及结构的弹道冲击等均会引发层间分层。 1.2 分层的种类 Bolotin [5，6] 将分层分为内部分层（Internal delaminations）和浅表分层（Near-surface delaminations）两类。其中，内部分层源自层合板的内部铺层，由于树脂裂纹和铺层界面间相互作用而形成，它的存在会降低结构件的承载能力。特别是在压缩载荷作用下，层合板的弯曲行为受到严重影响（如图1）。虽然分层将层合板分为两个部分，但是由于两个子层板变形间的相互作用，层合板呈现相似的偏转状态，发生整体屈曲。
复合材料的性能和应用
摘要：近年来，各种复合材料制备技术日益更新，从陶瓷基复合材料、金属基复合材料到聚合物基复合材料，各种制备技术都得到了很大改善，使得复合材料的性能和应用得到了显著提高。本文综述陶瓷基复合材料、金属基复合材料、聚合物基复合材料等几种重要的研究方法以及应用。 关键词：先进，复合材料，制造技术。 正文：一·陶瓷基复合材料 工程陶瓷的开发是目前国内外甚为重视的新型材料研究领域。纯陶瓷材料因其脆性，不能满足苛刻条件下的使用要求。因此，目前广泛采取增韧技术来提高陶瓷的使用性能。纤维和晶须增韧陶瓷是一类有效的方法。用纤维来增韧陶瓷的技术是十年代以后开始的，最初是用碳纤维增强陶瓷，八十年代以来又开发了用陶瓷纤维和晶须增韧陶瓷，增韧效果不断取得进展，增韧技术也不断有所创新。连续纤维增强陶瓷基复合材料是最有前途的高温结构材料之一，以其优异的高韧性、高强度得到世界各国的高度重视。 连续纤维补强陶瓷基复合料(Continuous Fiber Reinforced Ceramic Matrix Composites，简称CFCC)是将耐高温的纤维植入陶瓷基体中形成的一种高性能复合材料。由于其具有高强度和高韧性，特别是具有与普通陶瓷不同的非失效性断裂方式，使其受到世界各国的极大关注。连续纤维增强陶瓷基复合材料已经开始在航天航空、国防等领域得到广泛应用.20世纪70年代初，科学家在连续纤维增强聚合物基复合材料和纤维增强金属基复合材料研究基础上，首次提出纤维增强陶瓷基复合材料的概念，为高性能陶瓷材料的研究与开发开辟了一个方向。随着纤维制备技术和其它相关技术的进步，人们逐步开发出制备这类材料的有效方法，使得纤维增强陶瓷基复合材料的制备技术日渐成熟。 由于纤维增强陶瓷基复合材料有着优异的高温性能、高韧性、高比强、高比模以及热稳定性好等优点，能有效地克服对裂纹和热震的敏感性[5-6]，因此，在重复使用的热防护领域有着重要的应用和广泛的市场。连续纤维增韧陶瓷基复合材料具有类似金属的断裂行为，对裂纹不敏感，不会发生灾难性破坏。其耐高温和低密度特性，使其成为发展先进航空发动机、火箭发动机和空天飞行器防热结构的关键材料。 二·金属基复合材料 金属基复合材料具有比强度高，比刚度高，耐热，耐磨，导热，导电，尺寸稳定等优点，是一种很有发展前途的新材料，金属基复合材料广泛应用于制造航空抗天零部件，也用于制造各种民用产品。 按基体分，金属基复合材料分为：铝基、镁基、钛基、锌基、铁基、铜基等金属基复合材料；按增强材料分，可分为：纤维增强金属基复合材料；其纤维有C、SiC、Si3N4、B4C、Al2O3等纤维；粒子增强金属基复合材料，增强粒子有：Al2O3、TiC、SiC、Si3N4、BN、SiC、MgO等。 纤维增强金属基复合材料的制造方法： （1）叠层加压法：工艺过程是：将金属（合金）箔片或纤维增强金属片按要求剪裁，并一层一层的进行叠层，然后加热加压进行成型和连接，一般是在真空或气体中进行。适于这种方法的材料有铝、钛、铜、高温合金，其增强纤维随需要而定。为了改善连接性能，有事在两片之间加入中间金属或在待连接表面涂覆或沉积一层中间金属。 （2）辊轧成型连接法：其主要的基材是铝、钛箔片，增强纤维主要是B、C、SiC、Si3N4等，有时在基材表面要涂覆一层低熔点的中间金属，增强纤维表面要预先浸沾铝或经物理气相沉积（PVI）、化学气相沉积（CVI）处理。 （3）钎焊法：在增强纤维与基材之间加入箔状、粉末状或膏状的钎料，经真空钎焊或保护钎焊而成。钎焊法可以制造管材、型材、叶片等。 （4）热等静压法：如图2所示，其工艺过程是：将纤维与基材进行叠层并装入一模具中，
木塑复合材料的分类及改性
木塑复合材料的分类及改性木塑复合材料（Wood-plastic composites，简称WPC）是采用木材加工剩余物、森林抚育剩余物、废旧木材、农作物秸秆等木质纤维材料和废旧热塑性塑料为主要原料，通过挤出、压制等成型方式形成的复合材料[1]。木塑复合材料既具有木质纤维材料的高强度和高弹性，又具有塑料的高韧性和耐疲劳等优点，是一种既似木材又优于木材的新型代木材料[2]。 2010 年中国国内木材需求总量约为3.6亿m3，供需缺口达到1.2亿m3。随着需求的增加，供需缺口逐年增大，预计2015年达1.5 亿m3，2020年达2亿m3，到2050年接近6亿m3[3]。木材资源供应愈发严重不足的形势将在一定程度上影响我国整个国民经济的发展。速生丰产木材因其生长周期短、成材率高、经济效益好等显著特点而受到越来越多厂商和研究者的青睐。我国人工速生林主要品种有杨木、柳木、桦木、泡桐和桉木等。然而，速生木材与天然针叶木、阔叶木相比，存在着材质差、纤维短、易变形、易腐朽虫蛀等缺点，无法满足高档次木材加工业的要求，缺乏应用价值与经济价值。因此，研究者以基于物理、化学原理的新技术对速生木材进行改性，使其性能得到大幅度提升甚至达到优质天然木材的性能[4]，早在20 世纪30 年代，改性后的压缩木就曾用于欧美军用飞机以防雷达探测，目前速生木材改性技术是世界发达国家重点研究的技术领域之一。木塑复合材料(WPC) 就是木材改性的一种。 木屑是木塑复合材料的主要原料之一。目前纳入国家和地方生产计划的林区和大中城市制材加工厂，每年要产生大约250 万吨木屑，其中只有一小部分得到利用，大部分被丢弃，造成一定程度的环境污染和原料浪费。废旧塑料是木塑复合材料的另一主要原料，据我国轻工部门统计，2000年全国塑料制品总产量
聚合物基复合材料的界面研究进展
大学研究生课程论文 题目聚合物基复合材料的界面研究进展成绩 专业材料工程 课程名称、代码1512011080405 年级 姓名学号 时间年月 任课教师
聚合物基复合材料的界面研究进展 【摘要】界面的好坏是直接影响复合材料性能的关键因素之一。当复合材料受到外力作用时，除增强材料和基体受力外，界面亦起着极其重要的作用。本文主要综述无机刚性粒子增强复合材料、无机纳米粒子增强复合材料、纤维增强复合材料、原位复合材料的界面特性及其改性方法，并简要介绍了各种复合材料的增强机理，界面相容性。 【关键词】聚合物；复合材料；综述；增强 1 前言 界面是复合材料极为重要的微观结构，它作为增强体与基体连接的“桥梁”，对复合材料的物理机械性能有至关重要的影响。复合材料一般是由增强相、基体相和它们的中间相(界面相)组成，它们各自都有其独特的结构、性能与作用，增强相主要起承载作用，基体相主要起连接增强相和传载作用，界面是增强相和基体相连接的桥梁，同时是应力的传递者[1]。目前对增强相和基体相的研究已取得了许多成果，但对作为复合材料三大微观结构之一的界面问题的研究却不够深入，其原因是测试界面的精细方法运用起来较困难，描述的理论尚不完整，尤其从力学的角度研究界面的性质、作用及其对复合材料力学性能的影响和破坏机理等方面的工作正在开展。界面的性质直接影响着复合材料的各项力学性能[2]，尤其是层间剪切、断裂、抗冲击等性能，因此随着复合材料科学和应用的发展，复合材料界面及其力学行为将越来越受到重视。 复合材料的强度、刚性及韧性是代表其物理机械性能的重要指标，对复合材料进行界面改性使两相界面具有合适的粘附力，形成一个相互作用匹配且能顺利传递应力的中间模量层，以提高聚合物基复合材料的力学性能一直是高分子材料科学的重要研究领域[3]。 2 无机刚性粒子增强聚合物基复合材料及其界面 无机刚性粒子增强聚合物是近年来研究的热点，它克服了以往用弹性体、热塑性树脂增韧聚合物时在韧性提高的同时刚性下降的缺点。常用的无机刚性粒子[4]有CaCO3、SiC、BaSO4、滑石、硅石灰、蒙脱土以及煤灰等。欧玉春[5]等提出刚性粒子增强增韧聚合物的界面结构模型，即在均匀分散的刚性粒子周围嵌入具有良好界面结合和一定厚度的柔性界面相，以便在材料经受破坏时能引发银纹，终止裂缝的扩展。在一定形态结构下它还可引发基体剪切屈服，从而消耗大量冲击能，又能较好地传递所承受的外应力，达到既增强又增韧的目的。 在PP/CaCO3复合体系中用酯酸类偶联剂在刚性粒子表面引入柔性或弹性界面层，降低
第二章 压电复合材料有限元分析方法 (恢复)
第二章压电复合材料有限元分析方法 2.1 1—3型压电复合材料常用的研究方法 第一、理论研究，包括利用细观力学和仿真软件进行数值分析的方法。人们对1-3型压电复合材料宏观等效特征参数进行研究时，从不同角度出发采用了形式多样的模型和理论，其中夹杂理论和均匀场理论具有代表性。夹杂理论的思想是，从细观力学出发，将1-3形压电复合材料的代表性体积单元（胞体）作为夹杂处理。求解过程中，使用的最著名的两个模型为：Dilute模型和Mori-Tanaka模型。夹杂理论的优点是其解析解能较好地反映材料的真实状况，解精度较高；缺点是其解题和计算过程烦琐，有时方程只能用数值方法求解。均匀场理论的思想是基于均匀场理论和混合定律，同时借助1-3型压电复合材料的细观力学模型导出其宏观等效特征参数。其基本的研究思路是：假设组成复合材料的每一相中力场和电场均匀分布，结合材料的本构方程得到1-3型压电复合材料的等效特征参数。Smith，Auld采用此理论研究了1-3型压电柱复合材料的弹性常数、电场、密度等等效特征参数。Gordon，John采用此理论研究了机电耦合系数、耗损因子、电学品质因子等等效特征参数。Bent, Hagood和Yoshikawa等基于此理论对交叉指形电极压电元件等效特征参数进行了研究。均匀场理论优点在于物理模型简单，物理概念清晰，计算也不复杂，并具有相当的精度和可靠性；不足在于其假设妨碍了两相分界面上的协调性。有限元作为一种广泛应用于解决实际问题的数值分析方法，将其引入压电复合材料研究中具有重要的意义。John，Gordon等用有限元方法分析了1-3型压电柱复合材料中压电柱为方形柱、圆形柱、二棱柱时的力电耦合系数及其波速特性，得到了压电柱在几何界面不同的情况下的等效力电耦合系数及等效波速曲线。 第二、实验研究。Helen，Gordon等对1-3型压电复合材料的宏观等效特征参数进行了理论和实验研究，结果表明两者符合良好；LVBT等运用了1-3型压电复合材料进行了声学方面的控制取得了良好的效果；John，Bent等对压电纤维复合材料的性能进行了深入的研究，结果显示压电纤维复合材料在高电场、大外载荷环境下具有优良的传感和作动性能。参数辨识研究是试验研究中重要的一种方法，基本思路是：分析1-3型压电纤维复合材料的响应特性，从中得到其等效宏观的模态和弹性波的传播特性参数。Guraja，Walter等采用的就是这种方法，他们研究了1-3型压电纤维复合材料薄板、厚板、变截面板的响应特性，得到了其相应的声波传播速度c，频率f,机械品质因素Q等参数的表达式，为1-3型压电纤维复合材料在超声波方面的应用提供了依据。 综合对比以上的研究方法，夹杂理论得出的结果比较接近实际结果，但是计算烦琐，而且对于高体积百分比的复合材料其计算结果跟实际相差较大；均匀场理论计算较为简单，但是模糊了两相材料之间的界面作用；实验研究方法是最接近实际的一种方法，但是由于实验条件、测试技术等一系列因素的制约使其不能广泛应用十实际中。由于交叉指形电极压电复合材料的复杂性，利用上面提到的夹杂理论和均匀场理论的方法，很难得到压电元件整体模型的性能状况。而数值研究有限元法，利用先进的分析软件ANSYS进行压电复合材料性能分析，可以超越目前现有的生产工艺和测试技术水平得到比较准确的分析结果，又可以减小压电元件的设计周期，减少实验制作压电元件的材料浪费和设备损耗。 2.2 有限元分析方法概述 有限元法（又称为有限单元法或有限元素法）是利用计算机进行数值模拟分析的方法。诞生于20世纪50年代初，最初只应用于力学领域中，现在广泛应用于结构、热、流体、电磁、声学等学科的设计分析及优化，有限元计算结果已成为各类工业产品设计和性能分析的
高性能有机纤维增强复合材料的界面性能研究
高性能有机纤维增强复合材料的界面性能 研究 201001130606 高同舜
高性能有机纤维增强复合材料的界面性能研究 摘要：为了改善超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维、芳纶纤维增强树脂基复合材 料的界面粘结性能，本文从树脂基体入手，依据相似相容原理和纤维的结构特点开发出两种新型热固性树脂—PCH 树脂和AFR 树脂，分别用作UHMWPE 纤维复合材料和芳纶复合材料的基体，以未经表面处理的纤维作增强材料，采用热压成型法制备了UHMWPE 纤维/PCH 和芳纶/AFR 复合材料，并通过测定接触角、层间剪切强度(ILSS)、横向拉伸强度和扫描电镜观察形貌等方法研究了复合材料 的界面粘结性能。结果表明：UHMWPE 纤维和PCH 树脂浇注体的溶度参数相近，PCH 树脂溶液在UHMWPE 纤维表面的接触角为15.6°，说明对其具有良 好的浸润性；UHMWPE/PCH 复合材料的ILSS 和单丝拔出强度分别为42.6MPa 和21.8MPa，均远大于UHMWPE/环氧树脂(EP)复合材料的相应强度，扫描电镜分析也表明UHMWPE 纤维增强PCH树脂基复合材料具有优异的界面粘结性能。AFR 树脂溶液与芳纶纤维的接触角为42.8°，而EP 与芳纶的接触角为68°，说明AFR 树脂对芳纶的润湿性优于EP；芳纶/AFR 复合材料的ILSS、横向拉伸强度和纵向拉伸强度分别为74.6MPa、25.3MPa、2256 MPa，比芳纶/EP 复合材料的相应强度分别提高了28.7%、32.5%和13.4%，其复合材料破坏面的形貌也 说明芳纶与AFR 树脂之间的界面粘结性能较好。 Abstract:In order to improve the interfacial adhesion of UHMWPE fiber and aramid fiber reinforced polymer matrix composites, two new thermosetting resin systems (PCH and AFR) have been developed according to law of similar mutual solubility and the structural characteristics of fibers. The adhesion properties of UHMWPE fiber/PCH and aramid /AFR composites were investigated by the methods of the contact angle, interlaminar shear strength, transverse tensile strength and scanning electron croscopy etc. Test results show that a strong interaction occurs between fibers and the matrix due to the structural and polar similarity. In the case of slight ifference between solubility parameters of UHMWPE fiber and cured PCH resin, it is found that the wettability of PCH resin on surface of the fiber can be improved and UHMWPE /PCH composite has excellent transverse tensile strength, interlaminar shear strength and the pull-out strength together with the outstanding interfacial bond property. The contact angle (42.8 °) between AFR resin and aramid fiber is smaller than the contact angle (68°) between the epoxy resin (EP) and aramid fibers. Therefore, the AFR resin had better wettability with the aramid fibers. The nterlaminar shear strength, transverse tensile strength and longitudinal tensile trength of aramid/AFR composite are respectively 74.6 MPa, 25.3MPa and 2256 MPa, increasing by 28.7%, 32.5% and 13.4% respectively compared with aramid fibers/EP composite. According to the SEM photograph of aramid fibers/AFR composite, AFR resin had good interface bonding performance with aramid fibers . 关键词：超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维芳纶纤维复合材料界面粘结性Keywords: UHMWPE fiber; aramid fiber; composites; interfacial adhesion