纤维增强复合材料疲劳性能研究进展
T1000 级碳纤维及其复合材料研究与应用进展

摘要本文介绍了T1000 级碳纤维的发展历程,综述了T1000 级碳纤维及其复合材料的研究及应用情况,指出了国产T1000 级碳纤维应用研究需要关注的问题。
1引言碳纤维是一种碳元素组成占总质量90%以上,具有高强度、高模量、耐高温等优点的纤维材料。
最早可追溯至18 世纪的爱迪生和斯旺,1959年日本首先发明了聚丙烯腈(PAN)基碳纤维,而当下碳纤维的核心技术和产能被日本、美国以及一些欧洲发达国家和地区掌控。
T1000 级碳纤维作为碳纤维中的高端产品,在航空航天领域有着极大的用途。
高性能碳纤维的研究可以改善固体火箭发动机消极质量、提升载药量、提高质量比,对于先进武器的发展研究以及航天探索有重大意义。
目前国外已经大量使用T1000 级碳纤维的缠绕容器和固体火箭发动机壳体,因此开展国产T1000级碳纤维及其复合材料的应用研究迫在眉睫。
碳纤维的制备包括物理、化学、材料科学等多个领域的内容,总体分为纺丝原液的聚合、聚丙烯腈原丝的纺制、预氧化和碳化三个步骤,有众多因素需要调控。
根据缺陷理论和最弱连接理论,制备过程中产生的缺陷是影响碳纤维性能的主要因素,为保证碳纤维的性能,需要对每个工艺流程中工艺参数精准调控,由于加工过程中的各参数之间相互作用十分复杂,且目前一些工艺流程中的实际形成和演变机理不明,也使得高性能碳纤维,尤其是T1000 级碳纤维的研制有很大困难。
T1000 级碳纤维的研究主要包括碳纤维本身性能的研究、碳纤维复合材料的改性研究、碳纤维复合材料使用性能的研究几个方面。
由于T1000 级碳纤维本身的高性能、价格昂贵等原因,且国产T1000 级碳纤维还没有正式投入应用的报道,在实际应用方面主要介绍国外T1000 级碳纤维在航空航天以及其他领域的应用情况。
2T1000 级碳纤维性能研究现状1962 年正式开展PAN 基碳纤维的研制,1986 年研制出T1000G 碳纤维。
2014 年 3 月,通过碳化精细控制技术在纳米层级内控制纤维结构,成功研发出T1100G 碳纤维,2017 年 6 月强度由6600MPa 更新至7000MPa,目前东丽已完成了T1200 碳纤维的量产。
FRP材料的力学性能分析及研究现状

FRP材料的力学性能分析及研究现状摘要:纤维增强复合材料(简称FRP)是一种高性能材料,其在建筑结构加固技术中的应用优势显著。
重点介绍了FRP材料的力学性能,并对FRP材料的研究现状作了综述性的概括。
关键词:FRP 力学性能研究进展如何提高钢筋混凝十结构的耐久性、增强使用寿命是土木工程中迫在眉睫的问题。
鉴于上述方面的需要,由于纤维增强聚合物(FRP)具有轻质、高强、耐久性好等优点,日本、美国、欧洲等发达国家很早就开始对其研究,探索其替代预应力高强钢筋(钢绞线)的可行性。
现在FRP材料在混凝土结构中的应用受到越来越多的国家学者的关注,已成为国际混凝土领域的一大热点。
1、FRP的组成根据FRP纤维种类的不同,FRP可分为碳纤维CFRP、玻璃纤维GFRP、芳纶纤维AFRP以及近来国外新开发的PBO-FRP复合材料和DFRP等复合材料,还有国内最近投入生产的连续玄武岩纤维CBF等。
FRP筋是以纤维为增强材料,以合成树脂为基本结合材料,并掺入适量的辅助剂,采用挤拉成型技术形成的一种新型复合材料。
FRP复合材料的物理力学特性与纤维种类、纤维含量、粘结基体、表面处理以及成型工艺等因素有关,不同成分的FRP筋性能差别很大。
2、FRP筋的特点及力学性能FRP复合材料具有抗拉强度高、质量轻、不锈蚀、热膨胀系数低、无磁性以及抗疲劳性能好等特性。
如CFRP的抗拉强度可达到3000MPa以上,比强度高(比钢材高lO~15倍);CFRP和AFRP的抗疲劳性能较好,大大优于钢材,其疲劳极限可达静荷载强度的70%~80%,但GFRP的疲劳性能低于钢材。
与钢筋不同,FRP筋是各向异性材料,FRP筋的应力-应变关系呈线性关系,与钢材应力-应变关系比较如图1所示。
FRP在达到极限抗拉强度之前无塑性交形,且FRP筋的极限应变比钢筋小。
FRP材料与普通钢材的性能比较见表1。
新型FRP产品PBO-FRP除具有与高强CFRP有相近的力学性能外,还表现出更好的物理性能,如良好的柔韧性等;DFRP冲也具有优异的物理力学性能,抗拉极限应变可达3.5%,延性良好[1]。
碳纤维增强聚合物基复合材料的研究进展

碳纤维增强聚合物基复合材料的研究进展随着科技的不断进步和人类对材料性能的不断追求,碳纤维增强聚合物基复合材料正在成为重要的研究领域。
这种材料的优越性能得到了广泛认可,它具有轻质、高强、高刚性、抗腐蚀、耐高温等优点,越来越多的领域都在积极研究和应用它。
在本文中,我们将探讨碳纤维增强聚合物基复合材料的研究进展。
1. 碳纤维增强聚合物基复合材料的性能和特点碳纤维增强聚合物基复合材料的最明显特点就是它的轻量化,其密度只有金属的1/4到1/5,但是强度却可以接近或者超过一些金属。
同时,它还具有超强的耐高温性能,能够在高温环境下稳定工作,这在军工、航空等领域具有重要的应用前景。
另外,与传统材料相比,碳纤维增强聚合物基复合材料还具有优异的防腐蚀性能和良好的抗疲劳性能等特点,可以应用在海洋、建筑等领域。
2. 碳纤维增强聚合物基复合材料的制备方法碳纤维增强聚合物基复合材料的制备方法多种多样,其中常用的有手工层叠法、自动层叠法、预浸法和纺丝法等。
手工层叠法是最基础的制备方法,需要手动将碳纤维和树脂搭配层叠,此方法有着简单明了、适用范围广等优点。
自动层叠法是在手工层叠法的基础上进行改进的方法。
它采用机器自动进行层叠,它的优点在于生产效率高,批量生产更为便利。
预浸法是将树脂和碳纤维一起预浸泡,然后在模具中形成复合材料,这种方法制备出来的复合材料质量优良,但价格较高。
纺丝法是将树脂和碳纤维混合,并通过纺织机器将其纺织成所需形状的复合材料,该方法适用于少量高性能需求的制品。
3. 碳纤维增强聚合物基复合材料的应用领域碳纤维增强聚合物基复合材料的应用领域非常广泛,下面我们简单介绍几个:(1)航空航天领域:碳纤维增强聚合物基复合材料本身就具有轻质高强的特点,其中70%以上的航空航天结构部件已经应用了该材料。
(2)汽车工业领域:随着汽车工业向环保、节能、安全的方向发展,碳纤维增强聚合物基复合材料在汽车制造领域也越来越受到重视。
(3)体育用品领域:在体育用品领域,碳纤维增强聚合物基复合材料也有广泛的应用,例如滑雪板、高尔夫球杆等。
纤维增强铝基复合材料研究进展

作者简介: 刘连 涛 (9 1 ) 男 , 1 8 一 , 山东 临 沂 人 , 昆明 理 工 大 学 材 料 系 在读 硕 士研 究 生 。 收稿 日期 : 0 8 0 — 7 20— 等 纤维增 强铝基 复合 材料研 究进展
学术 综论 维 和 向 纤 维 传 递 载 荷 以 及 阻 止 裂 纹 扩 展 的作 用 ,
得 的突破 性进 展 【 1 1 。金 属基 复 合材 料 自问世 以来 就
化 和减 少应 力集 中 ,从 而改善 了材 料 的断裂 韧性 。
1 . 导 热 、导 电性 能 好 3
由 于复 合 材 料 中铝 基 体 的 体 积 分 数 较 大 , 因 此 保 持 了金 属 的 良好 的导 热 导 电性 。 良好 的导 热 性 利 于 减 少 复 合 材 料 构 件 在 受 热 后 产 生 的 温 度 梯 度 和 迅速 散 热 ,这 对构 件 的 尺寸 稳 定性 十分 重要 。
Reno c d Almii m t x Co o i s— RAMC) ifre u nu Mar mp st F i e
以其 高 的 比强 度 、 比刚度 、轴 向拉 伸 强 度 和耐 磨
性 , 优 异 的 耐 高 温 性 能 和 低 的 热 膨 胀 系 数 , 良好
的导 电 、导 热性 、抗 疲 劳 性 和 潮 湿 或 辐 射 环 境 下 良好 的尺 寸稳 定性 等 优点 , 已在 航 天 航空 、汽 车 、 机 械 电 子 等领 域 作 为 高强 度 耐 高 温 材 料 ,显 示 出
高 性 能纤 维 具 有 高 强 度 、高 模 量 、低 密 度 ,
明显 的 提 高 了 复合 材 料 的 比强 度 、 比模 量 .加 入
而 单 向复合 材 料 的疲 劳 极 限 可达 4 %~ 0 0 8 %。原 因
纤维增强复合材料在建筑结构加固工程中的应用研究_1

纤维增强复合材料在建筑结构加固工程中的应用研究发布时间:2022-05-25T03:25:12.616Z 来源:《工程建设标准化》2022年第2月第3期作者:杨清荔[导读] FRP材料由于其优良的材料性能,在建筑结构加固工程领域中已得到了广泛应用,杨清荔天津建科建筑节能环境检测有限公司天津市 300161摘要:FRP材料由于其优良的材料性能,在建筑结构加固工程领域中已得到了广泛应用,并已成为新的研究方向,相关研究亦取得了丰硕成果。
对FRP材料性能、FRP研究现状、FRP在建筑结构加固工程中的应用进行了阐述,并对FRP在建筑结构加固工程中的应用进行了展望。
关键词:纤维增强复合材料;建筑结构;加固工程;应用引言纤维增强复合材料(FiberReinforcedPlastic,简称FRP)是一种高性能材料。
目前工程结构中的FRP材料主要包括玻璃纤维、碳纤维和芳纶纤维3种,分别简称为GFRP、CFRP和AFRP。
FRP材料强度很高,接近高强预应力钢筋。
与传统结构材料相比,FRP材料具有高强、轻质、耐腐蚀和施工方便等优点。
FRP材料能适应现代工程结构向大跨、高耸、重载、高强和轻质发展以及承受恶劣条件的需要,符合现代施工技术的工业化要求,因此正被越来越广泛地应用于桥梁、各类民用建筑、海洋和近海以及地下工程等结构中。
1FRP材料概述 FRP材料具有耐腐蚀性,在化工、能源、矿山、污水处理等行业的建筑物和构筑物中,以及船舶、汽车等交通工具中得到广泛的应用,在建筑结构加固工程结构中使用FRP材料可以大大减少腐蚀破坏所带来的各种危害和损失。
FRP材料的主要优点如下:(1)比强度高和比模量大。
这是FRP材料的最大优点。
比强度和比模量是衡量结构材料承载能力的重要指标。
使用FRP材料可减轻自重,承受更大的荷载,便于现场安装。
(2)良好的耐腐蚀性。
FRP材料耐腐蚀特性好,因而可在酸、碱、氯盐和潮湿的环境中抵抗化学腐蚀,这是传统结构材料难以比拟的。
玻璃纤维增强树脂基复合材料疲劳性能的试验研究

l e c r e f r d fe e t p y o e tt n l mi a e , c mp r d t e t s aa wi h r d ci n y t e t e r ci a o e s a d i u v o i r n l r n a i a n t s o a e h e t d t t t e p e i t s b h h o e t lm d l n f i o h o c n l z dt ai eme h n s o a s e i f r e e i a ay e e ft u c a im f ls b r en o c d r sn lmi a e . h g g i f r a n ts Ke r s g a s b r c mp st ; f t u ; e p r n ; l mi ae y wo d : ls e ; o o ie ai e i f g x e me t a n t . i
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荷主要 为单 向拉伸载荷 ,本文据 此采用拉 一拉加载
方 式 ,对 6 工 程 中 常 见铺 层 形式 的层 合 板 进 行 了疲 种
在环境温度2 5℃ ±5℃、湿度 3% 5 、标准 0  ̄6 % 大气压条件下进行试件加工。首先成形大块层合板, 根据 以往的试验经验,试验件夹头加强区如果胶接不 好,在试验中加强片会从试件上脱落。为 了防止二次
关 键 词 :玻 璃 纤 维 ;复 合 材 料 ;疲 劳 ;试 验 ;层 合板
RES EARCH ON TI R GU E ROPEI I P U’ES OF GLA S BER S FI
REI 0RCED NF RES N I COM P 0S TE I
YAN G Zho gq n n i g, W U Fuqing, LI N e , YA O ex n a A W i W iig
连续SiC纤维增强钛基复合材料应用及研究进展

2023 年第 43 卷航 空 材 料 学 报2023,Vol. 43第 6 期第 1 – 19 页JOURNAL OF AERONAUTICAL MATERIALS No.6 pp.1 – 19引用格式:王敏涓,黄浩,王宝,等. 连续SiC纤维增强钛基复合材料应用及研究进展[J]. 航空材料学报,2023,43(6):1-19.WANG Minjuan,HUANG Hao,WANG Bao,et al. Application and research progress of continuous SiC fiber reinforced titanium matrix composite materials[J]. Journal of Aeronautical Materials,2023,43(6):1-19.连续SiC纤维增强钛基复合材料应用及研究进展王敏涓1,2, 黄 浩1,2*, 王 宝1,2, 韩 波1, 杨平华1, 黄 旭1(1.中国航发北京航空材料研究院,北京 100095;2.中国航空发动机集团 先进钛合金重点实验室,北京 100095 )摘要:连续SiC纤维增强钛基(SiC f/Ti)复合材料具有比强度高、比模量高、耐高温等特点,在航空航天领域具有重要的应用前景。
本文总结了SiC f/Ti复合材料的应用、制备、性能调控和检测技术,并提出了SiC f/Ti复合材料未来需要突破的瓶颈问题。
SiC f/Ti复合材料单向性能优异,在环类转动件(叶环、涡轮盘等)、杆件(涡轮轴、连杆、紧固件等)以及板类构件(飞机蒙皮等)具有明显应用优势。
常用的SiC f/Ti复合材料的制备方法有箔压法和基体涂层法,箔压法适合制备板类结构件,基体涂层法适用于缠绕形式的结构件,如环、盘以及杆等。
SiC f/Ti复合材料的性能主要取决于SiC纤维、钛合金基体以及纤维/基体界面。
SiC纤维微观结构和性能对制备工艺具有较强的敏感性,通过反应器结构和沉积条件调控获得性能稳定的SiC纤维是研究重点之一。
纤维增强复合材料的力学性能分析

纤维增强复合材料的力学性能分析纤维增强复合材料是一种在工程领域中广泛应用的材料,由于其独特的力学性能,使得它成为许多领域的首选材料。
本文将对纤维增强复合材料的力学性能进行分析,包括强度、刚度、断裂韧性和疲劳性能等方面的内容。
1. 强度分析纤维增强复合材料的强度主要由纤维的强度和界面剪切强度决定。
纤维的强度是指纤维本身的抗拉强度,而界面剪切强度是指纤维和基体之间的结合强度。
通过适当的表征方法,可以测量和评估纤维增强复合材料的强度,如拉伸试验、剪切试验和压缩试验等。
这些实验可以得到材料在不同方向上的强度参数,帮助我们全面了解材料的强度特性。
2. 刚度分析纤维增强复合材料的刚度是指材料对应力的响应程度,又称为材料的弹性模量。
纤维增强复合材料的刚度与纤维的刚度以及纤维与基体的界面剪切刚度有关。
通过应力-应变曲线和Hooke定律,可以计算得到材料的弹性模量。
同时,可以利用动态力学测试方法,如振动试验和声学试验,进一步研究材料的刚度特性。
3. 断裂韧性分析断裂韧性是指材料在受力下抵抗破坏的能力,也可以看作是材料对能量吸收的能力。
纤维增强复合材料的断裂韧性主要由纤维和基体的界面特性以及纤维与基体的剥离、拉伸和剪切等行为决定。
通过断裂力学试验,如缺口拉伸试验和冲击试验,可以评估材料的断裂韧性。
4. 疲劳性能分析疲劳性能是指纤维增强复合材料在交变载荷下长时间使用的能力。
疲劳性能的分析可以通过应力-寿命曲线和疲劳寿命评估得到。
材料的纤维类型、纤维体积分数、界面质量、载荷幅值和频率等因素都会影响材料的疲劳性能。
为了提高纤维增强复合材料的疲劳寿命,可以采用增加纤维含量、改善界面质量、降低应力集中等方法。
综上所述,纤维增强复合材料的力学性能对其使用所处环境和预期寿命有着重要影响。
通过详细的力学性能分析,我们可以更好地了解材料的特性,并针对性地进行设计和工程应用。
纤维增强复合材料的力学性能分析是科学设计和工程应用的重要基础,也为材料学和结构力学领域的研究提供了有价值的参考。
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纤维增强复合材料疲劳性能研究进展
宋磊磊李嘉禄
(天津工业大学复合材料研究所天津市和教育部共建先进纺织复合材料重点实验室天津
300160)
摘要:随着科技的发展,纤维增强复合材料作为一种新型材料越来越多的应用于众多领域。
然而,纤维增强复合材料的疲劳性能对应用具有重要影响。
本文根据近年来国内有关复合材料疲劳性能的研究和探索,综述了纤维增强复合材料疲劳性能的定义、机理以及影响因素,并提出了当前存在的一些问题。
关键词:纤维增强复合材料疲劳
1 前沿
随着科技的进步,很多工业特别是高新技术工业对材料的要求不断提高。
复合材料由于比强度和刚度高、质量轻、耐磨性和耐腐蚀性好等优点,广泛应用于船舶、汽车、基础设施和航空航天等领域,以及文体用品、医疗器械、生物工程、建筑材料、化工机械等方面。
在复合材料构件的使用过程中,由于应力和环境等因素的影响,会逐渐产生构件的损伤以至破坏,其主要破坏形式之一是疲劳损伤。
疲劳损伤的产生、扩展与积累会加速材料的老化,造成材料耐环境性能严重下降以及强度与刚度的急剧损失,大大降低其使用寿命,甚至报废。
为了使复合材料的应用更加广泛和深入,本文综述了近年来在纤维增强复合材料疲劳性能方面的研究。
2 复合材料疲劳性能及损伤机理
在周期性交变载荷作用下材料发生的破坏行为称为疲劳,它记述了材料经受周期应变或应变时的失效过程。
复合材料疲劳主要是指复合材料构件在交变荷载作用下的疲劳损伤机理、疲劳特性(强度、刚度随着时间变化规律及其破坏规律)、寿命预测及疲劳设计。
复合材料是非均质(在大尺度上)和各向异性的,它以整体的方式积累损伤,且失效并不总是由一个宏观裂纹的扩展导致。
损伤积累的微观机构机理,包括纤维断裂基体开裂、脱粘、横向层开裂和分层等,这些机理有时独立发生,有时以互相作用的方式发生,而且材料参数和试验条件可能强烈影响其主要优势。
多种损伤及其组合,使疲劳损伤扩展往往缺乏规律性,完全不像大多数金属材料那样能观察到明显的单一主裂纹扩展,复合材料不仅初始缺陷/损伤大,而且在疲劳破坏发生之前,疲劳损伤已有了相当大的扩展。
3 影响复合材料疲劳性能的主要因素
3.1 基体材料
Boller研究了基体材料对玻璃纤维增强复合材料疲劳性能的影响,研究证明,不同的基体材料具有完全不同的疲劳性能。
一般情况下,疲劳性能最好的是环氧树脂。
很多复合材料的疲劳试验证明,基体和界面是薄弱环节。
尽管树脂含量的变化在106次循
环下对疲劳性能强度的影响很小,但在玻璃钢中反应活性较低的树脂会导致较高的低应力疲劳寿命,最佳的树脂体积含量为25%~30%。
相反,树脂性能的变化对复合材料疲劳强度的影响并不大,提高基体抗裂纹扩展能力或者改善界面粘结性能都可能改善疲劳性能。
3.2 纤维材料
3.2.1 纤维性能
吴金荣等指出,由于纤维是复合材料中传递载荷和承受载荷的主要单元,因此纤维的强度、弹性模量、断裂应变和环境稳定性等是影响碳纤维增强复合材料疲劳特性的决定性因素。
3.2.2 混杂复合材料
赵谦等在对各种混杂比例的碳/玻璃复合材料进行拉伸试验后,指出影响混杂复合材料疲劳性能的因素很多,如组分材料的力学性能、混杂比例、混杂方式、纤维/基体界面强韧性等。
而相同比例条件下,混杂方式对强度和破坏延伸率的影响不大,夹芯结构的强度略高于分散结构。
3.2.3 短纤维
短纤维可以显著提高复合材料的韧性,由于疲劳性能部分依赖于强度,部分依赖于抵抗裂纹能力,因此短纤维有利于改善复合材料的疲劳性能。
Lavengood和Gulbransen测定了短切硼纤维/环氧树脂复合材料的失效循环次数,发现在低于失效应力的任一应力下循环,疲劳寿命随纤维的长径比增大而迅速增大,在长径比大约为200时达到稳定。
这意味着存在一个临界长径比,当长径比大于临界长径比后,疲劳强度正比于弯曲强度。
3.3 铺层方式
胡静等研究了拉-拉疲劳载荷作用下三种不同铺层的层合板复合材料的疲劳性能。
研究指出,0°铺层比例大的正交异性板,破坏时刚度临界值分散性较大,其疲劳寿命分散性也较大。
随着应力水平的降低,各种铺层复合材料的分散性变化不尽相同,准各向同性板的疲劳寿命分散性一般不变或稍有增大;而各向异性板疲劳寿命分散随应力水平的降低而有所降低。
随铺层方向外,铺层顺序也影响疲劳寿命。
Foye和Baker观察到当[±15/±45]s层合板中铺层顺序改变时,疲劳强度约产生175MPa的差异。
Pagano和Pipes通过层间应力分析指出,改变铺层顺序使层合板自由边的层间拉伸应力变为压缩,避免了边缘分层,提高了疲劳寿命。
3.4 纤维含量
材料中纤维的体积含量不仅对其静态力学性能影响很大,对弯曲疲劳性能同样起到决定性作用。
在一定范围内,增强纤维组分的体积百分数越高,疲劳寿命也高,疲劳极限增大,裂纹扩展速率下降。
一般认为体积百分数在60%~70%左右较好。
3.5 温度
张亚军在自然冷却和风扇冷却条件下进行了两组纤维增强复合材料的拉一拉疲劳性能试验。
结果表明,自然冷却时,由于加载频率过高而引起试验材料工作部分过热,使其疲劳寿命明显比采用风扇冷却时测试出的值偏低。
3.6 载荷形式
刘宇艳等利用自行建立的疲劳试验系统,以单向聚酯帘线增强橡胶复合材料为对象,研究了循环载荷作用下影响橡胶复合材料疲劳性能的因素。
研究指出,应力幅值和加载频率对橡胶复合材料疲劳性能影响较大,平均应力影响较小。
4 结语
复合材料疲劳性能对复合材料的广泛应用影响深远,但由于不同材料不同结构的复合材料疲劳形式都不尽相同,因此,很难使其疲劳性能系统化。
尽管近几十年以来,对于多种材料和结构的复合材料疲劳性能的探索取得了较大突破,但是仍需要发展和完善。
目前研究复合材料疲劳性能还是有很多问题,需要给以足够的重视,其中有以下几点。
(1)复合材料宏微观损伤结合分析。
(2)低频、高载下的弹塑性行为研究。
(3)混杂纤维疲劳问题研究。
(4)特殊疲劳研究。
复合材料结构件的工作状况很过是受环境影响的,这包括高温度,高湿度,介质等等。
(5)组建复合材料疲劳性能数据库。
(6)建立复合材料疲劳性能多参数模型。