结构复合材料教学讲义

纤维织物或片状纤维 短纤维增强 粒状填料
2020/6/1
影响复合材料性能的因素：原材料、结构设计方法 及成型工艺。
(1) 增强材料的强度及弹性模量以及基体材料的强 度及化学稳定性等是决定GFRP性能的主要因素;
(2) 增强材料的含量及其排布方式与方向次之; (3) 增强纤维与基体树脂的界面粘结状况
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(2) 压缩特性 在应力很小、纤维未压弯的时候，压缩弹性模量与拉伸弹
性模量接近。玻璃布增强FRP的压缩弹性模量大体是单向FRP 的0.50~0.55倍；纤维毡增强FRP的大致是单向FRP的0.4倍。
明显的方向依赖性，应尽量在最大外力方向上排布增强 纤维，以求充分发挥材料的潜力，降低材料消耗。
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（3）弹性模量和层间剪切强度低 弹性模量低，刚度不足。准各向同性板，其弹性模量与 木材接近。 （4）性能分散性大
FRP的性能受一系列因素的影响，性能不稳定。
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2. 静态特性 基本静态特性包括拉伸、压缩和弯曲强度及弹性模量。 (1) 拉伸特性
90º
弯曲模量 7.7
13.7 14.7
11.8
13.7
(GPa)
7.7
8.5
9.6
8.6
8.7
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7.7 192
13.4 15.7
156
166
11.3 185
13.1 212
构成 性能
玻璃纤维毡 玻璃布 无捻粗纱布 玻 玻 玻 玻 玻
四层
八层
三层
璃璃璃 玻 布 毡 布璃 璃
二 四 二璃
纤维含量(%)
密度(g/cm3)
拉伸强度 (MPa)
拉伸模量 (GPa)
弯曲强度 (MPa)
弯20曲20/6模/1 量 (GPa)
0~0.07
0.84
10.5~28.0
23 51 46 38 50
41
1.52 1.64 1.63
1.50
1.67
1.53
81 231 168
130 169
136
6.4 14.4 13.6
对于单向增强FRP，沿纤维方向的拉伸强度及弹性模量均 随纤维体积含量Vf的增大而正比例增加。对于采用短切纤维毡 和玻璃布增强的FRP层合板来说，其拉伸强度及弹性模量虽不 与Vf成正比增加，但仍随Vf增加而增加 。
双向FRP其纤维方向的主弹性模量大约是单向FRP的 0.50~0.55倍；随机纤维增强FRP近似于各向同性，其弹性模量 大约是单向FRP的0.35~0.40倍。
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分类：
树脂基复合材料
基体材料
无机非金属基复合材料
金属基复合材料陶瓷基复合材料、石膏基 复合材料、水泥基复合材 料、氯氧镁基复合材料、 碳基复合材料
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增强纤维的类型
碳纤维复合材料
玻璃纤维复合材料 有机纤维复合材料
硼纤维复合材料 混杂纤维复合材料
增强物的外形
连续纤维增强复合材料
6.7
27.7
8.5
143 190 217
190
247
204
5.7 12.7 8.7 13.8
9.0
17.5~70.0 35.0~120.0
48
50
1.61
1.63
150
156
8.6
9.0
218
227
9.7
10.0
1、机械性能的特点 （1）比强度高
FRP密度为1.4～2.2g/cm3，约为钢1/4~1/5，而强度与 一般的碳素钢相近。因此FRP的比强度很高。 （2）各向异性
层 层 层布 毡
布
二四
二
层层
层
板厚
6
(mm)
3
2.5
7.5
4.0
角度 0º 45º 90º 0º45º 0º 45º 90º0º 45º 90º 0º45º90º
90º
剪切强度 97
(MPa)
96
95 2020/6/1
107
124
113
136
108
128
99
119
98
129
99
118
增强材料及成型方法和强度的关系
成型方法 性能
增强材料
手糊成型 玻璃毡 (600g/m2) 无捻粗纱布 (900g/m2) 玻璃布 (340g/m2)
真空袋成型 玻璃毡
(600g/m2) 玻璃布
(340g/m2)
加压袋成型 玻璃毡
(600g/m2)
热压釜成型 玻璃毡
(600g/m2)
模压成型 玻璃毡 (600g/m2)
成型压力 (MPa)
结构复合材料
工程应用的角度
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结构复合材料
以其力学性能如强 度、刚度、形变等 特性为工程所应用
功能复合材料
以其声、光、电、热、磁等物理 特性为工程所应用，诸如压电材 料、阻尼材料、自控发热材料、 吸波屏蔽材料、磁性材料、生物 相容性材料、磁性分离材料。
作用：主要用作承力和次承力结构。 要求：质量轻、强度和刚度高，且能耐一定的温度。 组成：由增强体和基体复合而成，前者是复合材料中承受 载荷的主要组元，后者则使增强体彼此粘接形成整体，并 起传递应力和增韧的作用。
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E-42环氧FRP不同方向的拉伸性能
性能
0º 15º
比例极限 178 84
拉伸强度 (MPa)
破坏强度
269
210
离散系数 12.6 7.9
弹性模量 E1×10-4 (MPa) E2×10-4
延伸率 ε(%)
1.67 1.43 1.6
1.33 0.63 2.5
30º 50 173 17.3 1.11 0.16 4.8
方向 45º 60º 75º 45 50 80 158 163 194 11.3 12.8 8.3 1.0 1.00 1.25 0.13 0.16 0.50 4.8 4.8 2.6
90º 160 263 11.9 1.52 1.22 1.9
注：原材料：无碱100平纹布9层，E-42环氧树脂。 试验温度：15℃~22 ℃ ；144根试件。
90º
拉伸强度 86
2(0M20/6P/1 a)
84
171
207
109
77
109 85
208 93
构成 性能
玻璃纤维毡 玻璃布 无捻粗纱布 玻 玻 玻 玻 玻
四层
八层
三层
璃璃璃 玻 布 毡 布璃 璃
二 四 二璃
层 层 层布 毡
布
二四
二
层层
层
板厚
6
(mm)
3
2.5
7.5
4.0
角度 0º 45º 90º 0º45º 0º 45º 90º0º 45º 90º 0º45º90º
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玻璃纤维的构成与FRP的机械性能
构成 性能
玻璃纤维毡 玻璃布 无捻粗纱布 玻 玻 玻 玻 玻
四层
八层
三层 璃 璃 璃 玻
布 毡 布璃 璃
二 四 二璃
层 层 层布 毡
布
二四
二
层层
层
板厚
6
(mm)
3
ห้องสมุดไป่ตู้2.5
7.5
4.0
角度 0º 45º 90º 0º45º 0º 45º 90º0º 45º 90º 0º45º90º