第6章 复合材料的设计

载荷的稳定性 材料性质的均匀性和分散性 理论计算公式的近似性 构件的重要性与危险程度 加工工艺的准确性 无损检测的局限性 使用环境条件
(3)防雷击 雷击是一种自然现象。碳纤维复合材料是 半导电材料，它比金属构件受雷击损伤更加严 重。这是由于雷击引起强大的电流通过碳纤维 复合材料后会产生很大的热量使复合材料的基 体热解，引起其机械性能大幅度下降，以致造 成结构破坏。必须进行雷击防护. (4)抗冲击 冲击损伤可分为三类：①高能量冲击，在 结构上造成贯穿性损伤，并伴随少量的局部分 层；②中等能量冲击，在冲击区造成外表凹陷， 内表面纤维断裂和内部分层；③低能量冲击， 在结构内部造成分层，而在表面只产生目视几 乎不能发现的表面损伤。

3．结构设计应考虑的其他因素
(1)热应力 复合材料与金属零件连接是不可避免的。当使 用温度与连接装配时的温度不同时，由于热膨胀系 数之间的差异常常会出现连接处的翘曲变形。与此 同时， 复合材料与金属间会产生由温度变化引起的 热应力。 (2)防腐蚀 碳纤维复合材料与金属材料之间的电位差使得它 对大部分金属都有很大的电化腐蚀作用，特别是在 水或潮湿空气中，碳纤维的阳极作用而造成金属结 构的加速腐蚀，因而需要采取某种形式的隔离措施 以克服这种腐蚀。


1. 复合材料结构设计的特点

2．复合材料结构设计条件

要设计材料而不是选择材料 结构设计要与材料设计相结合 要利用结构物塑造容易的特点 要注意复合材料的各向异性特征
结构性能要求 载荷情况 环境条件 结构的可靠性与经济性






3．复合材料结构设计过程
6.2.2
材料设计
材料设计，通常是指选用几种 原材料复合制成具有所要求性能的材 料的过程 这里所指的原材料主要是 料的过程。这里所指的原材料主要是 指基体材料和增强材料。材料设计包 括原材料选择、单层性能的确定和复



(2) 纤维选择

(3) 树脂选择
要求基体材料能在结构物使用温度范围 内正常工作。 要求基体材料具有一定的力学性能。 要求基体的断裂伸长率大于或者接近纤 维的断裂伸长率。 要求基体材料具有满足使用要求的物理、 化学性能. 要求具有一定的工艺性。

首先要确定纤维的类别 其次要确定纤维的品种规格
(4)铺层最小比例原则
为避免基体承载，减少湿热应力， 使复合材料与其相连接的金属泊松比 相协调，以减少连接诱导应力等，对 于方向为0°，90°，±45°铺层，其 任一方向的铺层最小比例应大于6%10%。
图6-5 按承力方式选取的常用铺层形式
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(5)铺设顺序原则

(6)冲击载荷区设计原则
3．复合材料层合板设计
铺层定向原则 均衡对称铺设原则 铺层取向按承载选取原则 铺层最小比例原则

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铺设顺序原则 冲击载荷区设计原则 防边缘分层破坏设计原则 抗局部屈曲设计原则 连接区设计原则 变厚度设计原则

(1)铺层定向原则
由于层合板铺层取向过多会造 成设计工作的复杂化，目前多选择 0°， ，45°， ，90°和 和-45 45°四种铺层 四种铺层 方向。如果需要设计成准各向同性 的层合板，除了用[0/45/90/-45]层 合板外，为了减少定向数，还可采 用[60/0/-60]层合板。
(1)构件的拐角应具有较大的圆角半径，避免 在拐角处出现纤维断裂、富树脂、架桥 （即各层之间未完全粘接）等缺陷。 (2)对于外形复杂的复合材料构件设计，应考 对于外形复杂的复合材料构件设计 应考 虑制造工艺上的难易程度，可采用合理的 分离面分成两个或两个以上构件；对于曲 率较大的曲面应采用织物铺层；对于外形 突变处应采用光滑过渡；对于壁厚变化应 避免突变，可采用阶梯形变化。
6.3 复合材料制品设计

复合材料叶片的设计 复合材料容器的设计 大型复合材料型材设计 复合材料制件中预埋嵌件的设计



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6. 3. 1 复合材料叶片的设计
一般风机叶片剖面设计图
外层是层合板薄壁结构 腹内填充硬质泡沫塑料 外层是层合板薄壁结构，腹内填充硬质泡沫塑料 （也可空腹）。层合板主要由单向层和±45°层组成， 单向层可采用单向纤维铺设，也可选用单向织物（叶 片横向也有较小的应力），以承受由离心力和弯矩产 生的轴向应力，±45°层可采用1：1（经纬纤维量相 等）纤维布的45°铺设，以承受主要由扭矩产生的剪 切应力。单向层与±45°层纤维用量比例可按轴向应 力与剪切应力比例来确定。




2. 单层性能的确定
已知原材料的性能欲准确确定单层的 性能是较为困难的。然而结构设计的初步阶 段，为了层合板设计、整体结构设计的需要 必须提供必要的单层性能参数，特别是刚度 和强度参数。为此，通常是利用细观力学分 析方法推得的预测公式确定的。而在最终设 计阶段，一般为了单层性能参数的真实可靠， 使设计更为合理，单层性能的确定需用试验 的方法直接测定。


力学性能:复合材料力学性能取决于增强材料的 性能、含量和分布，同时也取决于基体材料的 性能和含量。它可以根据使用条件进行设计， 从强度方面来讲，三类复合材料都可以获得较 高的强度。 耐老化性能:取决于基体材料性能和与增强材料 的界面粘接。一般来讲其耐老化性能的优劣次 序为：陶瓷基复合材料-金属基复合材料-树脂基 复合材料。树脂基复合材料的耐自然老化性能 也可以通过改进树脂配方、增加表面防护层等 方法来提高和改善。
图6-7 变厚度铺层的台阶
6.2.3 结构设计
复合材料结构设计除了具有包 含材料设计内容的特点外，就结构 设计本身而言 无论在设计工艺性 设计本身而言，无论在设计工艺性 要求、许用值与安全系数确定、设 计方法和考虑的各种因素方面都有 其自身的特点，一般不完全沿用金 属结构的设计方法。
1.结构设计应考虑的工艺性要求
图6-4 复合材料结构设计综合过程图
合材料层合板设计。
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1.原材料的选择与复合材料性能

(1)原材料选择原则

原材料选择原则 纤维选择 树脂选择
比强度高、比刚度大的原则。 材料与结构的使用环境相适应原则。 满足结构特殊性要求的原则。 满足工艺性要求的原则。 成本低、效益高的原则。
冲击载荷区层合板应有足够多的 0°层,用以承受局部冲击载荷；同时， 也要有 定量的±45°层以使载荷扩 也要有一定量的± 散。除此之外，必要时还应局部加强 以确保足够的抗冲击强度。
应使各定向层尽量沿层合板厚度均匀分布， 也即使层合板的单层组数尽量地大，或者说 使每一单层组中的单层尽量地少，一般不超 过4层，这样可以减少两种定向层之间的层间 层 这样可以减少两种定向层之间的层间 分层可能性。 如果层合板中含有±45°层、0°层和90°层， 应尽量使±45°层之间用0°层或90°层隔开， 也尽量使0°层和90°层之间用+45°或-45° 层隔开，以降低层间应力。
风机叶片设计的其他形式
6.3.2 复合材料容器的设计
复合材料容器的壁结构一般分为三层， 即内衬层、承力层和保护层。 承力层：多采用纤维缠绕工艺成型，按容器 承受压力的大小，确定纤维缠绕角度和纤维 用量，最有效发挥纤维的拉伸性能，承担全 部结构所受的载荷。 保护层：保护层是最外表面层，用于抗自然 老化和防止承力层受到机械损伤。保护层多 用表面毡形成富树脂层，也可用环氧腻子和 油漆刮在表面作为保护层。
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第三，低速冲击后试样在环境条件下进行压 缩两倍疲劳寿命试验。 剪切性能 剪切时使用许用值取由下述 两种情况得到的较小值。第一，在±45°层 合板试样在环境条件下进行反复加载卸载的 拉伸（或压缩）疲劳试验。并逐渐加大峰值 载荷，测定无残余应变下的最大剪应变值; 第二，±45°层合板试样在环境条件下经小 载荷加载卸载数次后，将其单调地拉伸至破 坏，测定其各级小载荷下的应力—应变曲线， 并确定线性段的最大剪应变值，经统计分析 得出使用许用值。
沿荷载方向的铺层比例应大于 30%，以保证足够的拉压强度；与荷 载方向成±45°的铺层比例应大于 40%，以增加剪切强度，同时有利于 扩散载荷和减少孔的应力集中。
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(10)变厚度设计原则
变厚度零件的铺层阶差、 各层台阶设计宽度应相等，其台 阶宽度应等于或大于2.5mm。为 防止台阶处剥离破坏，表面应由 连续铺层覆盖。



导热性能: 金属基复合材料50~65W/(m·K)>陶瓷基复 合材料0.7~3.5W/(m·K)>树脂基复合材料 0.35~0.45W/(m·K)。 耐化学腐蚀性能:通过选择适当的基体材料来实 现的，一般来说陶瓷基复合材料和树脂基复合 材料的耐化学腐蚀性能比金属基复合材料优越， 在树脂基复合材料中对于不同的树脂基体及增 强纤维其耐化学腐蚀性能也不相同。 工艺性:树脂基复合材料生产工艺成熟，产品成 本最低，金属基复合材料次之，陶瓷基复合材 料成型工艺最复杂，产品成本也最高。
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本章内容
第6章 复合材料的设计

复合材料的性能 复合材料的结构设计 复合材料的制品设计 复合材料的性能测试



6.1 复合材料的性能
三类复合材料的性能比较比强度,比模量 耐疲劳性 破损安全性 减震性



使用温度和材料硬度 :树脂基复合材料 的使用温度一般为60~250℃；金属基复 合材料为400~600℃；陶瓷基复合材料 为1000~1500℃。复合材料的硬度主要 取决于基体材料性能，一般陶瓷基复合 材料硬度大于金属基复合材料，金属基 复合材料硬度大于树脂基复合材料。

设计许用值的确定方法 设计许用值是在环境条件下，对结 构材料破坏试验进行定量统计后给出。 环境条件包括使用温度上限和 1% 水分含 量（对于环氧类基体为 1% ）的联合情况。 对破坏试验结果应进行分布检查（韦伯 分布还是正态分布），并按一定的可靠 性 要 求 给 出 设 计 许 用 值 。