复合材料泡沫夹层结构冲击损伤的研究
复合材料泡沫夹层结构冲击损伤的研究
毕业设计（论文）题目：复合材料泡沫夹层结构冲击损伤的研究
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复合材料泡沫夹层结构冲击损伤的研究
摘要：玻璃纤维增强复合材料泡沫夹层结构性能优异，应用广泛。但复合材料泡沫夹层结构在厚度方向上没有增强纤维，故层间强度低，容易分层，所以复合材料泡沫夹层结构对冲击载荷比较敏感。因此，对复合材料泡沫夹层结构冲击损伤的研究以提高复合材料的抗冲击性能显得尤为重要。
本论文采用手糊成型制作复合材料泡沫夹层结构，利用落锤式冲击试验机对复合材料泡沫夹层结构进行冲击实验，利用超声波探伤仪检测试样冲击损伤情况，并测试了试样冲击后压缩强度；分析了复合材料泡沫夹层结构的冲击损伤形式机理以及玻纤含量对复合材料泡沫夹层结构抗冲击性能的影响。
结果表明：在本论文制备的玻纤含量为33%和玻纤含量为25%的两类复合材料泡沫夹层结构的10种试样中，[08/100%]试样在经13.72J能量冲击后压缩强度损失为率6.5%，是所有试样中压缩强度损失率最小的。这是因为玻纤含量是33%，发泡度为100%的泡沫夹层结构有利于分散冲击时所产生的能量，从而提高了复合材料的抗冲击性能。[08/100%]和[06/100%]两种试样冲击后压缩强度损失率分别为6.5%和7.5%。这是因为泡沫夹层结构的夹芯材料发泡度越高，越能有效地吸收冲击时所产生的能量，使得试样抗冲击能力更强。
关键字：复合材料泡沫夹层结构；冲击损伤；冲击后压缩强度；超声检测
Studies on impact damage of Composite foam
sandwich structure
Student: Yuan Xing Class:0985021
Supervisor: Xie Xiaolin Student ID: 37 Abstract: Glass fiber reinforced composite foam sandwich boards are widely used because of their outsttanding performances. However, there was no
reinforcing fiber in the thickness direction of the composite material, the
interlaminar strength is low and it is easily layered. So the composites are sensitive
to impact loading. Therefore, it is of great importance to study the impact damage
of composite materials in order to improve the impact resistance of composite
materials.
In this thesis, composite foam sandwich production was formed by hand
lay-up molding, drop hammer impact test machine was used to test the impact
damage of composite foam sandwich, ultrasonic flaw detection was used to detect
the sample`s impact damage and specimen`s compressive strength after the
impact, those test was performed to analyse the impact damage mechanism of
composite foam sandwich laminate form and the impact effect of the quantities of
fiberglass on foam sandwich structure .
The results show that: among 10 kinds of samples in which glass fiber
content is either 33% or 25%, the loss rate of the [08/100%] specimens`
compression strength after impact is 6.5% ,which is the minimum of all samples`
loss rate . This is because the foam sandwich laminates of 33% glass fiber and
100% foaming degree is conducive to spread impact energy generated, thereby
improving the impact resistance of the composites. the loss rates of compression
strength of [08/100%] and [06/100%] after impact were 6.5% and 7.5%. This is
because the higher foaming degree of the foam sandwich structure, the more
effectively can it absorb impact energy generated, which improves the impact
resistance of the specimen.
Keyword：Composite foam sandwich structures; Impact damage; Compressive strength after impact; Ultrasonic testing
Signature of Supervisor:
目录
1绪论 (1)
1.1选题的依据及意义 (9)
1.2国内外相关研究进展 (10)
1.3研究内容 (11)
2实验部分 (12)
2.1实验仪器和原料 (12)
2.2复合材料泡沫夹层结构的制备 (14)
2.3复合材料泡沫夹层结构的冲击试验 (15)
2.4复合材料泡沫夹层结构冲击损伤的超声检测 (16)
2.5复合材料泡沫夹层结构的压缩试验 (17)
3结果与讨论 (18)
3.1复合材料泡沫夹层结构冲击损伤超声检测结果 (21)
3.2复合材料泡沫夹层结构冲击后压缩强度 (25)
4结论 (26)
参考文献 (27)
致谢 (28)
复合材料泡沫夹层结构冲击损伤的研究
1 绪论
1.1 选题的依据及意义
复合材料是由两种或两种以上的不同化学性质或不同组织相的物质，以微观或宏观的形式组合而成的材料。复合材料具有比强度、比刚度高，可设计性强，抗疲劳性能好等优点，广泛应用于航空航天技术、空间技术、武器装备技术、能源工程、海洋工程、生物工程乃至民用建筑和交通运输等领域[1]。在航空方面，目前各发达国家的飞机中，机翼蒙皮、机身、垂尾、副翼、雷达罩、翼肋等主承力构件都已经使用复合材料，大量使用复合材料能够大幅度减轻飞机的自重，改善飞机的总体结构。另外由于复合材料构件大多采用整体成形，又极大地减少了连接件，从而有效提高了飞机结构整体的可靠性。随着制造成本的不断下降，成型工艺机械化、自动化程度不断提高，民用飞机也越来越多的使用复合材料，波音787和空客A350飞机复合材料用量都已达到机体结构重量的50%。而更加注重先进性能的军用飞机，复合材料的用量往往更高，如美国的B2战略轰炸机，其复合材料用量占到了整体的80%，一些最新的无人侦察飞机更是采用了全复合材料设计概念。建筑工业中，复合材料广泛应用于各种轻型结构房屋，建筑装饰、卫生洁具、冷却塔、储水箱、门窗及其门窗构件、落水系统和地面等；化学工业中，复合材料主要应用于防腐蚀管、罐、泵、阀等。交通运输方面，如汽车制造业中，复合材料主要应用于各种车身结构件、引擎罩、仪表盘、车门、底板、座椅等；在铁路运输中用于客车车厢、车门窗、水箱、卫生间、冷藏车、储藏车、集装箱、逃生平台等；造船工业中，复合材料用于生产各种工作挺、渔船、摩托艇、扫雷艇、潜水艇、救生艇、游艇以及船上舾装件等；此外，复合材料在电气工业、军械、体育用品、农渔业及机械制造工业等都有较广泛应用。
但是其结构在制造、使用和维修过程中很容易受到低速冲击引起的损伤，这种损伤主要发生在材料内部不容易被肉眼发现，称之为“难以察觉的冲击损伤”。低速冲击引起的损伤破坏了复合材料夹层结构的完整性，使其强度刚度大幅下降，引起人们的广泛重视。
复合材料由基体材料和增强材料两种组分组成。基体采用各种树脂或金属、非金属材料；增强材料采用各种纤维或颗粒等材料。其中增强材料在复合材料中起主要作用，
提供刚度和强度，主要用于控制其性能。基体材料起配合作用，它支持和固定纤维材料，传递纤维间的载荷，保护纤维，防止磨损或腐蚀，改善复合材料的某些性能。复合材料的力学性能比一般金属材料复杂的多，主要有不均匀、不连续、各向异性等特点[2]。根据复合材料中增强材料的几何形状，复合材料可分为三大类：
(1) 颗粒复合材料，由颗粒增强材料和基体组成；
(2) 纤维增强复合材料，由纤维和基体组成；
(3) 层合复合材料，由多种片状材料层合而组成。
单层复合材料中纤维起增强和主要承载作用，基体起支撑纤维、保护纤维，并在纤维间起分配和传递载荷作用，载荷传递的机理是在基体中产生剪应力，通常把单层材料的应力-应变关系看作是线弹性的。
绝大多数情况下，单层复合材料并不单独使用，而是作为复合材料层合板的基本单元使用。叠层材料由上述单层板按照一定的纤维方向和次序，铺放成叠层形式，进行粘合，经加热固化处理而成。层合板由多层单层板构成，各层单层板的纤维方向一般不同。层合板也是各向异性的不均匀材料，但比单层板复杂的多，因此对其进行力学分析计算也将大大复杂化。复合材料层合板可以根据结构件的承载要求，设计各单层板的纤维铺设方向及其铺层顺序。
复合材料属于各向异性材料，沿纤维方向具有很高的强度和刚度，而在垂直于纤维方向力学性能相对很弱。根据受载和功能要求而设计的交叉铺层复合材料层合板的力学性能能够达到甚至超过金属材料[3]。
人们通常采用不饱和聚酯树脂为基体材料制作复合材料层合板，而不饱和聚酯树脂又是热固性树脂中最常用的一种，它是由饱和二元酸、不饱和二元酸和二元醇缩聚而成的线形聚合物，经过交联单体或活性溶剂稀释形成的具有一定黏度的树脂溶液。可以在室温下固化，常压下成型，工艺性能灵活，特别适合大型和现场制造玻璃钢制品。迄今，国内外用作复合材料基体的不饱和聚酯（树脂）基体基本上是邻苯二甲酸型（简称邻苯型）、间苯二甲酸型（简称间苯型）、双酚A型和乙烯基酯型、卤代不饱和聚酯树脂等。
不饱和聚酯树脂是具有多功能团的线型高分子化合物，在其骨架主链上具有聚酯链键和不饱和双键，而在大分子链两端各带有羧基和羟基。不饱和聚酯树脂的相对密度在1.11～1.20左右，固化时体积收缩率较大，固化树脂的一些性质如下[4]：
⑴耐热性绝大多数不饱和聚酯树脂的热变形温度都在50～60℃，一些耐热
性好的树脂则可达120℃。热膨胀系数α1为（130～150）×10-6℃。
⑵力学性能不饱和聚酯树脂具有较高的拉伸、弯曲、压缩等强度。
⑶耐化学腐蚀性能不饱和聚酯树脂耐水、稀酸、稀碱的性能较好，耐有机溶剂的性能差，同时，树脂的耐化学腐蚀性能随其化学结构和几何开关的不同，可以有很大的差异。
⑷介电性能不饱和聚酸树脂的介电性能良好。
玻璃纤维复合材料目前广泛应用于军工民用中的多个领域，在使用过程中不可避免的承受不同程度的冲击载荷，如火车开车停车时承受的冲击，汽车相撞时车体的受撞变形等。复合材料在使用过程中受到低能冲击时，大部分情况并没有明显的目视损伤，但却在层合板内部会生成不可视的分层，从而形成潜在的危险，内部损伤的存在可造成复合材料在强度和刚度上的很大损失。如何提高它们的耐冲击性能是复合材料领域研究的一个重点内容。随着科技的发展，一些高性能纤维相继问世，像碳纤维，芳香族聚酞胺纤维，聚乙烯纤维，硼纤维等。其中有冲击性能和综合性能较好的纤维，如聚乙烯纤维，碳纤维。但它们的价格比较贵，远没有玻璃纤维复合材料具有的良好性价比。而且玻璃纤维增强复合材料的理论体系相对比较完善，因此被广泛应用到各行各业中。
复合材料中泡沫夹层结构的最初应用从上世纪初的航空航天业开始，逐步发展到今天的船舶、交通运输、运动器材、风力发电、医疗器材等领域。常用的芯材有泡沫、巴萨木和蜂窝等多孔固体材料。巴萨木目前主要的用途集中在风电、船舶、铁路车辆等行业。相对而言，因为其密度选择范围小，面层破坏以后，吸水腐烂的缺点，已经逐步被PVC泡沫取代。但是因为其价格优势，目前还有一定的市场。常用的泡沫芯材有聚氯乙烯（PVC）、聚苯乙烯（PS）、聚氨酯（PUR）、丙烯腈-苯乙烯（SAN）、聚醚酰亚胺（PEI）及聚甲基丙烯酰亚胺（PMI）等。硬质聚氨酯PUR泡沫与其他泡沫相比，其力学性能一般，树脂/芯材界面易产生老化，从而导致面板剥离。作为结构材料使用时，常用作层合板的纵、横桁条或加强筋之芯材。有时PUR泡沫也能用于受载较小的夹层板中，起到隔热或隔音的作用。该类泡沫的使用温度为150℃左右，吸声性能良好，成型非常简单，但是机械加工过程中易碎或掉渣。PUR泡沫价格相对便宜，发泡工艺也比较简单，采用液体发泡。目前主要在运动器材，例如网球拍、冰球棒中用做工艺芯材，并起到一定的阻尼作用。另外在冲浪板中也普遍使用PUR泡沫或EPS泡沫作为芯材。
复合材料夹层结构的破坏对应着多种不同的破坏模式，复合材料夹层结构在外载
荷作用下的破坏模式及强度是人们一直研究的重点，其研究范围涵盖了泡沫夹层结构的理论分析、夹芯的细观结构理论分析、试验、数值模拟以及增强技术等。随着计算机分析软件的发展，用有限元分析软件来模拟预测夹层结构的破坏过程成为目前研究的一个热点方向，也具有及其重要的实用价值，如果能够正确评估复合材料泡沫芯夹层结构的破坏，就可以为夹层结构的检修更换提供依据，也能为设计师提供参考数据，对于了解复合材料夹层结构的损伤容限很重要，所以具有较大的工程意义。
低能量冲击损伤是纤维增强复合材料在实际结构应用中经常遇到的主要损伤形式[8]。相对于中、高能量的冲击，低能量冲击损伤对复合材料结构件的危害更加致命。高能量和中等能量的冲击可以在复合材料结构表面造成明显或易见的损伤，相对容易检测，并及时进行维修；低能量冲击往往导致结构产生目视不可检的内部损伤，复合材料结构表面没有损伤，或只有轻微的压痕，而内部已产生大量的基体开裂和大面积的分层扩展，有时还伴有少量纤维断裂[5-7]。这些目视不可检的内部损伤将使层合板的力学性能严重退化，其结构剩余强度会大幅度下降，其中剩余压缩强度(CAI)下降尤为显著，甚至达到60％以上[9]。在日常飞机、船舶、汽车等维护检测时，低能量冲击损伤往往难以被及时发现、修理，从而引发突然事故，给它们安全留下致命的隐患。此外，复合材料结构低能量冲击损伤后的剩余强度评估、疲劳寿命分析，以及结构的日常检测维护与损伤修复等问题，也都要在此基础上进一步展开深入的研究工作。因此，研究复合材料夹层结构的低能量冲击损伤问题具有重要的理论价值和现实意义。
1.2 国内外相关研究进展
复合材料的冲击损伤研究开始与上世纪七十年代，在八十年代逐步得到发展[13]。至今，已有许多研究者针对复合材料低能量冲击损伤问题进行了研究，并取得了一定的进展。
不少研究者提高耐冲击性能的主要措施是通过对填料的选择和表面进行改性来提高复合材料抗冲击性能。填料改性是对表面性质进行优化，赋予其新的功能，开拓新的应用领域，提高工业价值和附加值的重要技术手段之一【10】。
填料改性是为了改变填料表面原有的性质（亲油性、吸油率、浸润性、混合物粘度等），改善矿物填料与有机聚合物的相容性以及加工流动性，提高填料／树脂相界面之间的结合力，促进复合材料物理机械性能的提高，使非功能填料转变为功能填料。
提高增韧不饱和聚酯树脂的综合性能，使不饱和聚酯树脂增韧朝着功能化、精细化、高性能化的方向发展，一直是不饱和聚酯树脂增韧研究的主要方向。增韧改性途
径：改变不饱和聚酯树脂的化学结构有其局限性；弹性体增韧虽然可以提高冲击强度，但其它性能如拉伸强度、弯曲强度、耐热性能有所下降，这两种改性途径存在的缺陷，使不饱和聚酯树脂增韧改性的发展受到一定影响。无机物特别是纳米材料增韧，不仅起到增强增韧的效果，并且还可改善不饱和树脂聚酯耐磨、水、酸碱等性能；互穿聚合物网络(IPN)[11]的增韧是不饱和聚酯树脂增韧新的较有效的方法，它可增加基体与添加相之间的作用力和相容性，不仅有利于增韧，还赋予不饱和聚酯树脂其它优异性能，这两种改性途径是不饱和聚酯增韧发展趋势。
不饱和树脂属热固性树脂，需在固化剂的作用下形成交联网状结构才能获得其特有性能。但在固化交联时，因体积收缩会产生收缩应力和不同材料热膨胀系数之差而产生热应力【12】。这些内应力往往被束缚在树脂与填料界面上，导致固化物内部产生微裂纹，使得不饱和树脂固化物的抗冲击性能变差，耐热冲击和断裂韧性降低。因此，消除不饱和树脂固化物的内应力，提高产品的韧性和抗开裂性能，已成为该领域的研究热点。国内外许多高分子材料专家一直在致力于不饱和树脂改性的研究，并已取得显著的成果，相继开发出许多用于改性不饱和树脂的改性剂产品，已成为改性不饱和树脂的主要手段。
复合材料泡沫夹层结构是飞行器、船舶工业、汽车工业等常用的结构形式，但由于夹层结构的层间性能和抵抗低速冲击性能较弱，在低速冲击载荷的作用下，会造成面板基体开裂和纤维断裂、夹芯压塌、面板和芯材间的界面脱胶等多种失效，导致夹层结构承载能力的下降。通过对复合材料泡沫夹层结构的低速冲击及冲击后含损伤的夹层结构在压缩载荷作用下损伤扩展的全过程进行模拟研究，预测分析夹层结构低速冲击后的剩余压缩强度。冲击损伤的剩余强度问题，是目前复合材料损伤容限研究领域中，最为人们关注的研究课题。人们对冲击后剩余强度的研究主要基于4种方法：（1）软化夹杂法，即将冲击损伤等效为规则形状的软化夹杂，然后采用基于各种破坏准则的点应为或平均应力判据确定板的失效强度；（2）子层屈曲法，将冲击损伤看做大小不同的多个规则形状的分层，认为压缩破坏过程是各个子层不断发生屈曲失效的过程，当所有的子层都屈曲时，层板发生破坏；（3）开口等效法，用一个圆孔或椭圆孔取代冲击损伤，之后用孔断裂韧性判据来判断板的破坏；（4）损伤累积法，利用动态有限计算层板的冲击损伤的刚度下降，作为板的初试损伤，用损伤累积法模拟板的压缩破坏过程，并计算剩余压缩强度。研究发现夹层结构的损伤尺寸随冲击能量的增加而增大，残余凹痕深度也随之增加，而其剩余压缩强度随着冲击能量的增加而降低。正确评估复合材料泡沫夹层结构的破坏，就可以为夹层机构的检修和更换提供依据，也能
为设计师提供参考数据，对于了解复合材料夹层结构的损伤容限很重要，为泡沫夹层结构的研究和应用提供了有效方法。
1.3 研究内容
本课题主要研究内容：
（1）以不饱和聚酯树脂为基体材料、玻璃纤维为增强材料，采用手糊成型工艺制备复合材料面板，以聚氨酯泡沫塑料为夹芯，制备复合材料泡沫夹层结构试样；
（2）采用落球式冲击试验仪测试试样的冲击性能；
（3）采用万能试验机测试冲击后试样的压缩强度；
（4）分析不同规格复合材料泡沫夹层结构试样的破坏机理；
（5）制备具有良好耐冲击性能的复合材料泡沫夹层结构试样。
2 实验部分
2.1 实验仪器和原料
本实验中使用的实验仪器和药品分别列于表2-1和表2-2中。
表2-1 实验仪器
仪器名称型号生产厂家
电子天平YP20001 上海光正医疗仪器有限公司
微机控制电子万能试验机WDW-500
上海华龙测试仪
器有限公司
落锤式冲击试
验机
自制
超声波探伤仪CTS-26 广东汕头超声电子股份有限公司
表2-2 实验药品
材料名称型号（规格）生产厂家
不饱和聚酯树
脂191
南京永祥化工有
限公司
过氧化甲乙酮AR 南京永祥化工有
限公司
环烷酸钴AR 南京永祥化工有
限公司
玻璃布0.2mm 九江市江南玻璃纤维有限公司
甲基硅油201（CS）杭州锴德化工有
限公司
聚氨酯A组分南京永祥化工有
限公司
聚氨酯B组分南京永祥化工有
限公司
2.2 复合材料泡沫夹层结构的制备
本实验制备不同规格的复合材料泡沫夹层结构，选取玻纤含量为33%和玻纤含量为25%两种玻纤含量不同的复合材料板，制备发泡率为60%、70%、80%、90%、100%的泡沫夹层结构，用复合材料板与聚氨酯泡沫以不饱和树脂作为胶黏剂制成多种不同的复合材料夹层结构试样。
制备硬质聚氨酯泡沫塑料的配方（以质量分数计）：蔗糖聚醚和聚醚二醇，100；催化剂，3.5；发泡剂，8；泡沫稳定剂，2；PAPI，115；玻璃微珠，0~15。在配方中，前4项称为A组分，PAPI称为B组分。
由于树脂固化受外界温度的影响较大，实验树脂基体配比比例随温度变化而变化，在本文研究进行过程中，结合工作环境的温度状态，经过大量凝胶实验确定了不饱和聚酯树脂的配方，如表2-4所示。
表2-4 不饱和聚酯树脂配方（质量份）
不饱和聚酯树
脂/g 引发剂（过氧化甲
乙酮）/g
促进剂（环烷
酸钴）/g
100 2 0.3
复合材料板手糊成型工艺流程如图2-1所示：
图2-1 手糊成型工艺流程示意图
将复合材料板试样与聚氨酯泡沫以不饱和树脂作为胶黏剂制成复合材料夹层结构试样。
本文制备复合材料泡沫夹层结构的具体工艺过程如下：
（1）模具准备
将500mm×500mm×4mm玻璃平板表面擦洗干净、干燥，作为模具使用。
（2）玻璃布裁剪
根据需要，用剪刀裁剪300mm×300mm的玻璃布若干块。
（3）手糊成型操作
1）用裁剪好的脱模布平摊在玻璃平板上。
2）将1层玻璃布铺放在玻璃平板上。
3）根据设计的层数、配方等，按设计配方将引发剂与不饱和聚酯树脂混合均匀，然后加入促进剂搅匀，马上淋浇在玻璃布上，并用毛刷压实，使树脂浸透玻璃布，观察不应有明显气泡。
4）铺放下一层玻璃布，并立即涂树脂；紧接着第二层、第三层，重复操作。
5）达到所需层数时（6层），手糊成型完成。
6）待其达到一定强度后才能脱模。通常15~25℃、24h即可脱模。
7）复合材料板脱模后，修理毛边。复合材料板的厚度约为2mm。
将玻纤层数改为8层，重复上述操作制作厚度约为2mm的复合材料层合板。
硬质聚氨酯泡沫的具体制作工艺过程如下：
（1）模具的准备
将240mm×180mm×50mm铁制模具表面擦洗干净、干燥，作为模具使用。
（2）试样的制备
将称量好的聚氨酯A组分和聚氨酯B组分用塑料杯子混合均匀并搅拌约30秒，待混合物开始发热并且以肉眼可见的速度开始膨胀时倒入铁制模具中，用铁制钢板将发泡物体积固定，冷却。通常15~25℃、3~10分钟即可脱模。
（3）试样的裁剪
硬质聚氨酯泡沫脱模后，修理毛边。将制成的聚氨酯泡沫裁剪成60mm×50mm×50mm规格的小块聚氨酯泡沫。
将以上制得的复合材料板试样裁剪成60mm×50mm的规格，再用不饱和树脂作为胶黏剂将这些复合材料板和裁剪好的聚氨酯泡沫制成复合材料泡沫夹层结构试样。
2.3复合材料泡沫夹层结构的冲击试验
本论文采用落锤式冲击试验机对复合材料试样进行冲击试验。先将试样放在实验台内径为80mm、外径为100mm、厚为10mm的铁圈上如图2-2所示，将
落锤冲击头对准铁圈中心对试样进行冲击测试。每组试验数据取3个试样的平均值。
在实验中，落锤的质量为5kg，冲击头为半球形，直径为12.5mm。按需要设定落锤高度，从而获得不同的冲击能量。根据能量守恒定律，落锤瞬时最大冲击能量为：
E=mgh
式中：m——落锤的质量；
g——重力加速度；
h——落锤自由落体高度。
图2-2 落锤式冲击试验机
本论文冲击试验中，落锤自由落体高度为28cm、42cm、56cm、70cm、84cm，因此落锤冲击能量分别为13.72J、20.58J、27.44J、34.3J、41.16J。
2.4复合材料泡沫夹层结构冲击损伤的超声检测
本论文利用CTS-26A超声探伤仪（如图2-3所示）采用液浸法对复合材料试样冲击损伤进行检测，如图2-4所示。
复合材料泡沫夹层结构在汽车外饰中的应用和发展
复合材料泡沫夹层结构在汽车外饰中的应用和发展 作者：赢创德固赛范海涛 汽车外饰目前的材料体系 汽车外饰件，即汽车外部的功能性或装饰性部件，主要包括保险杠、翼子板、车身裙板、外侧围、进气道、车顶盖、车门、散热器格栅、发动机罩、扰流板、防擦条、后门拉手和脚踏板等。由于其所处的位置（外部）和具有的功能（防撞等），这些部件所用材料要求具有较高的强度、韧性、耐环境条件的性能及抗冲击性能。 随着汽车工业和材料工业技术水平的不断提高，汽车外饰材料已逐渐走向多元化。除了普通钢材以外，高强度钢、铝镁合金、工程塑料和各种复合材料也正得到越来越多的应用。 其中，复合材料以其质量轻、可设计性好和抗腐蚀等优点日益得到广泛应用。 图1 夹层结构的概念 一般，选用汽车外饰材料的决定因素包括：材料成本、生产率、加工难度、设计方法的成熟性以及汽车重量等。根据汽车类型的不同，所用复合材料种类也不尽相同。 对于普通轿车而言，成本和生产率是着重考虑的因素。因此，除了金属材料外，目前此类汽车最常用的外饰材料是热塑性塑料（有时加入短玻璃纤维增强）。这类材料可以通过注射模塑工艺实现量产，具有较高的生产率。与热塑性塑料相比，热固性塑料的应用较少。一般，只有两种工艺能够实现热固性复合材料的中高规模的量产：即片状模塑成型（SMC）和树脂转移模塑成型（RTM）。
图2 ROHACELL在雷诺第三代和第四代Espace汽车上的应用 运动型和概念验证型轿车通常对低重量、高强度/刚度的要求较高，一般不需要实现大规模量产（即对生产率要求不高），其面向的市场可承受较高的成本，因此此类汽车的外饰广泛采用了纤维增强复合材料。 而承担运输任务的卡车和拖车，其车体重量对运输成本有较大的影响，因此此类汽车也有采用复合材料（纤维增强复合材料、夹层板等）的实例。 表中列出了复合材料在某些车型外饰上的应用。其中SMC为片状模塑成型，RTM为树脂转移模塑成型，RIM为反应注射成型，VI为真空树脂注入成型。 可以看出，纤维增强复合材料等已随着技术的成熟而得到广泛应用，应用部件包括车门、发动机罩、前格栅、翼子板、保险扛骨架、门柱护板、通风百叶窗和导流罩等近20种外饰件。 多材料混合结构体系 复合材料在汽车外饰上的应用动力来自于汽车的轻量化趋势。
(完整word版)飞机夹层结构复合材料零部件的损伤形式及修理方法
常见飞机蜂窝板损伤形式及修理方法 航空器复合材料中的蜂窝板是由薄而强的两层面板中间胶接蜂窝材料而成的一种新型复合材料，也称蜂窝层合结构(见图1)。其面板选材有金属板、玻璃纤维、石英纤维、碳纤维等；夹心材料主要有芳纶、玻璃纤维、铝合金及发泡型结构。蜂窝可制成不同的形状。飞机上的蜂窝结构是由耐腐蚀夹心、面板、衬垫、隔板（假梁）、边肋等零件胶合而成。面板与夹芯之间用胶膜胶接，蜂窝夹芯用芯子胶和耐腐蚀胶根据实际需要形状施加真空压力后加温胶接成型。 图1 蜂窝夹心板结构 一、航空复合材料蜂窝结构损伤种类 根据航空复合材料蜂窝结构部件在使用过程中可能出现损伤的情况，我们可以大致将胶接蜂窝结构部件的损伤分以下5类： 1、表面损伤 图2 典型表面凹坑 此类损伤一般通过目视检查发现，包括表面擦伤、划伤、局部轻微腐蚀、表面蒙皮裂纹、表面小凹坑和局部轻微压陷等。这类损伤一般对结构强度不产生明显的削弱。 2、脱胶及分层损伤
该损伤是指纤维层与层之间或面板与夹芯之间的树脂失效缺陷，主要通过敲击检查、超声波检测等手段发现。此类损伤一般不引起结构外观变化，大多是在生产过程中造成的初始缺陷，并在反复使用过程中缺陷不断扩展而导致的。脱胶或分层面积过大会引起整体复合材料强度的削弱，应及时予以修补。 3、单侧面板损伤 这类损伤包括单侧面板局部压陷、破裂或穿孔，一般通过目视检查即可发现。该类型损伤能使一侧面板和蜂窝夹芯都受到损伤（表面塌陷），对气动性能和结构强度影响较大。一旦发现该类损伤必须经过修理和检验确认后方能能重新使用。 4、穿透损伤 该类型损伤是指蜂窝部件出现穿透性损伤、严重压陷和较大范围的残缺损伤等。此类损伤对结构性能和强度有严重的影响，根据受损情况立即予以修理或按需更换新件。 5、内部积水 该损伤原因主要由于蜂窝结构边缘或蜂窝材料对接边缘密封不严或密封失效，在长期使用过程中由于雨水渗透、油液浸泡以及水汽冷凝而造成蜂窝夹芯出现积水。虽然一般情况蜂窝内部积水不会造成严重影响；但在冬季日夜气温变化较大的情况下，由于积液结冰膨胀将会会造成复合材料部件内部树脂基体脱胶；同时在积液的长期浸泡下也会使复合材料的树脂基体的胶接强度大幅降低而降低部件的整体性能；特别是各类复合材料制备的舵面、襟翼、翼身整流罩及发动机部件等，均应及时检查其内部蜂窝结构的积水情况并作出相应修理措施。目前该类损伤主要通过红外热成像、X-射线检测仪等手段进行检测。 二、蜂窝结构的检查方式 1、目视检查 目视检查法是使用最广泛、最直接的无损检测方法。主要借助放大镜和内窥镜观测结构表面和内部可达区域的表面，观察明显的结构变形、变色、断裂、螺钉松动等结构异常。它可以检查表面划伤、裂纹、起泡、起皱、凹痕等缺陷；尤其对透光的玻璃钢产品，可用透射光检查出内部的某些缺陷和定位，如夹杂、气泡、搭接的部位和宽度、蜂窝芯的位置和状态、镶嵌件的位置等。 2、手锤敲击法 用于单层蒙皮蜂窝结构。用手锤敲击蜂窝结构的蒙皮，根据不同的声响来判断蜂窝结构是否脱胶。敲击时，注意锤头与蒙皮垂直，力度适当，以能判断故障不损坏蒙皮表面为宜。为使判断准确，可先在试件上试验。敲击回声清脆是良好，沉闷是脱粘。 3、外场在位检测的便携式相控阵超声波C扫描检测系统
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。
复合材料泡沫夹层结构冲击损伤的研究
复合材料泡沫夹层结构冲击损伤的研究
毕业设计（论文）题目：复合材料泡沫夹层结构冲击损伤的研究
学士学位论文原创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师的指导下独立完成的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含法律意义上已属于他人的任何形式的研究成果,也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：日期： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌航空大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 作者签名：日期： 导师签名：日期：
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：日期： 指导教师签名：日期： 使用授权说明 本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 作者签名：日期：
ANSYS结构分析指 复合材料
ANSYS结构分析指南第五章复合材料 5.1 复合材料的相关概念 复合材料作为结构应用已有相当长的历史。在现代，复合材料构件已被大量应用于飞行器结构、汽车、体育器材及许多消费产品中。 复合材料由一种以上具有不同结构性质的材料构成，它的主要优点是具有很高的比刚度(刚度与重量之比)。在工程应用中，典型复合材料有纤维和叠层型材料，如玻璃纤维、玻璃环氧树脂、石墨环氧树脂、硼环氧树脂等。 ANSYS程序中提供一种特殊单元--层单元来模拟复合材料。利用这些单元就可以作任意的结构分析了(包括非线性如大挠度和应力刚化等问题)。对于热、磁、电场分析，目前尚未提供层单元。 5.2 建立复合材料模型 与铁或钢等各向同性材料相比，建立复合材料的模型要复杂一些。由于各层材料性能为任意正交各向异性，材料性能与材料主轴取向有关，在定义各层材料的材料性能和方向时要特别注意。本节主要探讨如下问题： 选择合适的单元类型； 定义材料层； 确定失效准则； 应遵循的建模和后处理规则。 5.2.1 选择合适的单元类型 用于建立复合材料模型的单元类型有SHELL99、SHELL91、SHELL181、SOLID46和SOLID191 五种单元。但 ANSYS/Professional 只能使用 SHELL99 和 SHELL46 单元。具体应选择哪一类单元要根据具体应用和所需计算结果类型等来确定。所有的层单元允许失效准则计算。 1、SHELL99--线性层状结构壳单元 SHELL99 是一种八节点三维壳单元，每个节点有六个自由度。该单元主要适用于薄到中等厚度的板和壳结构，一般要求宽厚比应大于10。对于宽厚比小于10的结构，则应考虑选用 SOLID46 来建立模型。SHELL99 允许有多达 250 层的等厚材料层，或者 125 层厚度在单元面内呈现双线性变化的不等材料层。如果材料层大于 250，用户可通过输入自己的材料矩阵形式来建立模型。还可以通过一个选项将单元节点偏置到结构的表层或底层。 2、SHELL91--非线性层状结构壳单元 SHELL91 与 SHELL99 有些类似，只是它允许复合材料最多只有 100 层，而且用户不能输入自己的材料性能矩阵。但是，SHELL91 支持塑性、大应变行为
纤维增强复合材料层合结构冲击损伤
复合材料定义： 复合材料通常由基体材料和增强材料两大组分构成，它不仅保持了组分材料自身的优良性能，而且通过材料互补改善或突出某些特殊性能。改变组分材料品种或比例，可以得到不同品种和性能的复合材料。 复合材料分类： 复合材料可分为金属基复合材料与非金属基复合材料，非金属基复合材料可分为树脂基复合材料与陶瓷基复合材料，树脂基复合材料具有质量轻、易于加工和改型等优点。 复合材料特点： 1.具有较高的比强度和比刚度 2.具有良好的抗疲劳性能 3.具有良好的减振性能 4.具有良好的可设计性 复合材料中的主要缺陷： 先进复合材料中的缺陷类型一般包括: 孔隙、夹杂、裂纹、疏松、纤维分层与断裂、纤维与基体界面开裂、纤维卷曲、富胶或贫胶、纤维体积百分比超差、纤维基体界面结合不好、铺层或纤维方向误差、缺层、铺层搭接过多、厚度偏离、磨损、划伤等。其中孔隙、分层与夹杂是最主要的缺陷。材料中的缺陷可能只是一种类型, 也可能是好几种类型的缺陷同时存在。 缺陷对复合材料性能的影响： 复合材料在成型、固化、使用过程中产生各种缺陷，不同的缺陷对复合材料性能都有着或多或少的影响。孔隙是复合材料中常见的缺陷之一，过多的孔隙可降低复合材料层间剪切强度约30 %。当受冲击及长期疲劳时,富脂及贫脂区首先开裂，这也标志着这些区域的力学性能不同程度降低。纤维束的断裂也可使碳纤维复合材料拉伸强度下降约25 %，压缩强度损失约11 %。加工过程中直径10mm 纸屑的进入零度层(0°/ ±45°)碳纤维蜂窝结构导致压缩强度降低约25 %。热塑性复合材料碳纤维/ PEEK纤维弯曲导致压缩强度降低约20 %。 总之,复合材料中的各种缺陷对性能有着不同的影响,总体而言倾向于性能降低。下面重点介绍孔隙、杂质对性能的影响。 复合材料在冲击载荷下的损伤形式：
冲击损伤下航空复合材料修复技术研究进展
冲击损伤下航空复合材料修复技术研究进展 发表时间：2019-01-02T14:25:47.017Z 来源：《信息技术时代》2018年3期作者：李伟栋董少兵郝伟[导读] 随着科学技术的不断发展，越来越多的新型材料被制造并且应用在各行各业的发展中。尤其是先进复合材料的出现并且在航天领域中的广泛应用，推动了中国航天事业的进一步发展 （河南省新乡市飞机场，河南新乡 453000） 摘要：随着科学技术的不断发展，越来越多的新型材料被制造并且应用在各行各业的发展中。尤其是先进复合材料的出现并且在航天领域中的广泛应用，推动了中国航天事业的进一步发展，同时，航天事业也对复合材料的应用提出了新的要求。在航天器材建造中，所使用的复合材料具有各向异性和非均质性的特点，这种特点使得其对于分层损伤和层间断裂十分敏感，为了减少这种损伤对于航天器材的作用发挥的影响，研究人员开始对于冲击损伤下航空复合材料修复技术进行了研究。 关键词：冲击损伤；航空复合材料；修复技术 一、冲击损伤评估 （一）冲击损伤 航天设备在进行使用的过程中，一般所处的环境都是外太空中，这样的外界环境使得在航天器材发挥作用的过程中，可能会出现众多的不可测因素，这些因素的存在会对航天器作用的正常发挥造成一定的影响，为了减少材料的因素对于航天器材的影响，航天器材制作人员在进行材料选择的过程中，一般都会选择高强度、高刚性的复合材料[1]。但是复合材料在使用的过程中，难免会在制造、服役、维修的过程中不可避免的出现缺陷或者损伤，因此复合材料修理的难题就受到了业界的广泛关注。 航空复合材料结构损伤产生的原因或是由制造缺陷引起或是由机械载荷引起，或是由于外界环境引起，在结构损伤中，冲击损伤是对航天器材造成影响最大的。复合材料在进行作用的发挥过程中，由于其各向异性和非均质性对于冲击及其敏感[2]。并且复合材料冲击损伤的机理较为复杂，因此国内外专家针对复合材料的冲击损伤提出了不同的损伤机理计算模型。这些模型的出现有助于研究人员对于航空复合材料修复的进一步研究，推动航天事业的发展与进步。 （二）损伤评估 在对复合材料进行修复时应当提前进行损伤评估，在对复合材料进行损伤评估的过程中，需要进行多方面内容的评估，但是确定修理容限是损伤评估中最为重要的核心工程。在材料修复行业中，所讲的修理容限是指在材料发生故障时观察材料的整体性能是否发生了变化，判断材料是否还存在修理的价值。世界上的航天部门在对复合材料进行修理的过程中一般都会采用冲击后压缩性能来对复合材料的抗冲击和冲击损伤性能进行表征。并且将这种冲击后压缩性能作为复合材料修理容限的一种测量值，通过这种测量值对于复合材料的修理价值做出具体的评价，但是在这种评估方法的使用过程中，也有研究人员提出不应当将这种方法作为唯一的评价标准，因为损伤阻抗与损伤容限是两个不同的概念，在进行研究的过程中，不应当将这两种概念进行混淆，在这种概念的影响下，作者提出用典型铺层试样在规定的冲击条件下得到的冲击损伤破坏曲线的门槛值作为表征复合材料体系损伤容限的物理量[3]。 二、修复技术 （一）机械连接修理 机械连接修理主要是指在复合材料发生损伤时将补板材料与母体材料利用专用的铆钉或螺栓进行联合，这样的修理方法在复合材料的修理过程中由于成本较低，因此在修理过程中较为常见。但是这种修理技术由于在材料修理过程中所使用的铆钉或螺栓密度较高，在修理处易形成二次损伤，导致材料的整体性能下降。随着中国科技技术的不断发展，在机械连接技术的发展中也在不断融入新型制造技术，使机械连接技术向着高智能化方向进行发展[4]。在进行修理的过程中，为了能够较为清晰的观察到复合材料的修理状况，一般会采用数据模型与实验数据相结合的方式。飞机结构在进行连接的过程中一般都是单搭接，所以在进行修理检测的过程中会采用单相静拉伸的方法。并且在近些年对于修复检测的实验中开始考虑到了螺钉载荷分配问题，因而将智能螺栓测试引用到了机械连接之中。智能螺栓在进行检测的过程中，应用其内变形片的变形量输出所形成的电信号来确定在变形片上所形成的具体载荷。 （二）胶结修复技术 在航天材料的修理过程中，除了机械修理外，胶接修复技术也是较为常见的一种修复技术。这种技术在进行应用的过程中，是通过足量的胶粘剂将复合材料补板与母体进行必要的连接，使复合材料的损伤得到修复。胶接修复技术与机械连接修复技术相比，具有更高的实用价值，胶接技术在使用中所形成的胶接区域受力更加均匀，表面更加光滑，受到二次损伤的可能性较小。在胶接修复技术中较为常见的就是贴补法，贴补法在进行应用的过程中，将补板贴于复合材料的损伤处，通过粘贴剂使得材料之间能够进行充分的联合，使用这种技术进行修复的航天材料，在进行使用的过程中，性能比例能够得到相应提高。但是贴补材料在进行使用的过程中易造成修复表面不平滑现象，因此在进行使用的过程中，一般仅仅是在对气动外形要求不高的结构中进行应用。同时这种贴补技术进行的贴补会因为受到外力的影响，发生贴补脱落的情况，因此在贴补过程中，为了避免这种情况的发生，一般都会采用贴板外张扬的方法。除了贴补法外，挖补法也是一种修复技术，在进行挖补修复的过程中，会将复合材料的损伤处打磨成锥形再将修补材料连接到损伤区域，但是这种修复技术在使用的过程中需要高温作用以满足性能和外部结构的需求[5]。 结语： 冲击损伤下航空复合材料修复技术随着航空事业的发展，被越来越多的国家所重视，在进行修复技术的研究过程中投入了大量的资金和技术资源。我国在航天事业的发展上已经取得了重大的成就，但是对于损伤修复技术额研发中依旧存在众多的不足，因此在航天事业的发展过程中，国家航天部应当加大对修复技术的研究力度。 参考文献 [1]韩志杰,刘振宇.航空复合材料薄壁壳体高速冲击损伤特性仿真研究[J].科技与创新,2018(09):19-21. [2]王长越,邢素丽.冲击损伤下航空复合材料修复技术研究进展[J].玻璃钢/复合材料,2017(12):91-98.
复合材料夹层结构基本原理
复合材料夹层结构基本原理 前言我国复合材料工业的发展起始于20世纪50年代，经过50余年的发展，由于“轻质高强”的优异性能，其应用领域已由最初的航空航天和国防业渗透到了当今国民经济的各个领域，如化工管罐，运动器材，汽车部件，建筑，船艇，轨道交通，风力发电叶片等等。随着复合材料应用领域的扩展，产品的尺寸不断变大，夹层结构的应用也越来越广泛。 1 复合材料夹层结构基本原理 复合材料夹层结构由强度很高的面层和强度较低的轻质夹芯材料组成，在弯曲荷载下，上下面层承担主要的拉应力和压应力，芯材主要承担剪切应力。芯材的力学作用机理是连接面层使之成为整体构件，让薄而强的面层在承担较高拉压应力的同时不发生屈曲，并将剪切力从面层传向内层。以面层厚度相等的单夹层结构在弯曲载荷作用下的响应为例，来说明夹层结构的基本原理。 1.1 面层和芯材的拉、压应力分布 在弯曲载荷作用下，假设面层和芯材的界面没有损坏，即在界面处的变形是连续的，且材料处于线弹性范围内，则夹层结构产生的拉压应变分布如图1所示。 由于面层和芯材的弹性模量不同，所以其应力分布会发生突变，面层的拉、压应力远大于芯材的拉、压应力，如图2所示。 图2 截面拉、压应力分布 根据材料力学梁的弯曲理论，根据夹层结构的几何数据和各部分材料的弹性模量可以算出结构的等效刚度（EI）eq，则面层和芯材部位产生的拉、压应力如下： （1）
（2） 式中，M：夹层结构承受的弯矩 y：离中性轴的距离 Ef：面层的弹性模量 Ec：夹芯材料的弹性模量 1.2 面层和芯材的剪应力分布 根据材料力学梁的弯曲理论，夹层结构中的剪应力分布如图3所示。 图3 剪应力分布图4简化后的剪应力分布 在工程实践中，为便于计算，可以对其进行线性简化，如图4所示。那么剪应力可按下式进行简化计算： （3） （4） 式中，Q：截面承受的剪力 b：夹层结构梁的宽度 c：芯材的高度 1.3 面层和芯材的匹配 从上面的分析可以看到，面层承担了大部分的拉、压力，芯材承担了大部分的剪力。而面层的强度和刚度都远大于夹芯材料，对于夹层结构设计人员来说，如何能够使这两种力学性能大相径庭的材料完美的结合在一起，充分发挥各自的优点，即满足使用要求，又不浪费材料？ 在夹层结构受弯情况下，夹层结构主要是靠芯材的剪切来传递直接施加在面层上的力，在复合材料夹层结构中，FRP面层的模量和强度都很高，只有高剪切强度和大剪切断裂延伸率的芯材才适用，如常用的PVC、PET、SAN、PEI、PMI等泡沫芯材。要根据夹层结构在使用中可能的受力状况，选用适当种类和密度的芯材，合理设计面层和芯材的厚度，按照前面介绍的应力计算方法，或用相关的有限元分析软件，进行反复的计算验证，最终达到较优的设计方案。 若选用剪切强度低，或是剪切断裂延伸率小的芯材，则芯材破坏时，面层可能只发挥了1%不到的强度，则会造成材料的浪费。
夹芯 复合材料夹心材料
【夹芯】夹芯材料简介 一、原理 自二十世纪四十年代低密度的夹芯材料就已用于复合材料，它可提高弯曲强度、降低重量。具有相同负荷能力的夹层结构要比实体层状结构轻好几倍。夹芯材料能够降低单位体积的成本、削弱噪音与震动、增加耐热、抗疲劳和防火性能等。夹芯材料的作用机理是将剪切力从表皮层传向内层，使两个表皮层在静态和动态载荷下都能保持稳定，并且吸收冲击能来提供抗破坏性能。 二、分类 用于复合材料夹层结构的夹芯材料主要有：硬质泡沫、蜂窝和轻木三类。 ①硬质泡沫主要有聚氯乙烯（PVC）、聚氨酯（PU）、聚醚酰亚胺（PEI）和丙烯腈-苯乙烯（SAN或AS）、聚甲基丙烯酰亚胺（PMI）、发泡聚酯（PET）等。 ②蜂窝夹芯材料有玻璃布蜂窝、NOMEX蜂窝、棉布蜂窝、铝蜂窝等。蜂窝夹层结构的强度高，刚性好，但蜂窝为开孔结构，与上下面板的粘接面积小，粘接效果一般没有泡沫好。 ③轻木夹芯材料是一种天然产品，市场常见的轻木夹芯主要产自南美洲的种植园，由于气候原因，轻木在当地生长速度特别快，所以比普通木材轻很多，且其纤维具有良好的强度和韧性，特别适合用于复合材料夹层结构。 三、应用领域 夹芯材料的应用领域广阔，涉及能源、航空航天、船舶、交通运输、建筑等领域。 航空航天 飞机的主要部件，如机身，机翼和尾翼可采用PVC泡沫夹芯材料复合结构，同时使用丁二烯。在生产中不必进行高压高温处理。飞机的重量得以减轻。直升飞机最新一代复合螺旋桨叶采用密度较低、可耐大多数溶剂且可经受高压蒸煮温度和压力的PMI泡沫夹芯材料。它采用传统预浸工艺制造。这种新型复合螺旋桨
叶的寿命可达10000h/L，是先前金属桨叶寿命的十倍。今天超轻型竞赛飞机、飞机模型和现代"超级风车"的桨叶都使用了轻质木质夹芯材料。 船舶 常规的交联PVC泡沫己在船舶中广泛应用。瑞士海军的护卫舰使用了28、13.5、0.09m片状构造的丁二烯蜂窝夹芯材料。聚氨酯（PU）发泡夹芯材料也常用于船舶的建造。80kg/m3高密度泡沫可应用于承载部件如船舷等；80～120kg/m3的泡沫专门用作甲板和上部构造的芯材。硬质PU泡沫广泛用于水槽、绝缘板、结构性填料和充空填料。大型冷藏拖网鱼船很多是整体成型的夹芯构，用玻璃布制作内外蒙皮，夹芯材料的厚度为100mm。该类船具有轻质、高强、耐海水腐蚀、抗微生物附着以及吸收撞击能。很多游艇的船底、表面使用了标准的轻质木，以保证最大的剪切和挤压强度；船前部和甲板使用了密度较低的轻质木；隔壁面板室内地板和家具也使用了轻质木夹芯材料。 在多杂物（浮木等）漂浮的巴拿马运河中营运的快速渡轮，其抗破坏能力应是首先考虑的，其次是总重量轻以保证渡轮的速度。由于这些原因，一种线型PVC 泡沫芯材被选作船壳底材，另一类型的PVC泡沫芯材作船壳侧面材料和舷侧突出部。部件使用玻纤增强表皮层和真空袋膜工艺；甲板和船舱侧面使用横纹轻质木夹芯材料，其表面用交联环氧树脂/玻纤板材做舱房表皮层，以保证渡轮达到ABS标准。 交通运输 交联的PVC夹芯材料在铁路运输中得到广泛应用，并用于公共汽车和有轨电车及摩托车等。一级方程式赛车模仿自然蜂窝结构，使用空心六边形管相互作用增强原理制作芯材。赛车具有高的抗冲击强度和能量吸收能力。比赛用自行车也采用这种蜂窝结构芯材。法国制造的铁路冷藏车采用PVC泡沫夹芯材料提高隔热效果。其它夹芯材料用于运输车辆主要是利用它们的绝缘性，如聚异氰酸酯绝缘泡沫塑料等。 建筑 夹芯材料在建筑上的应用十分广泛。在内外墙上使用纤维板、胶合板等各种夹芯材料，使墙壁具有隔音、隔热、轻质、高强等优点。由于顶棚强度要求不太高，只要求重量轻、刚性好，有一定防火、保温性能，其次是美观和价格便宜，安装方便，因此通常采用各种纤维芯材和PE钙塑泡沫芯材等。其它夹芯材料用在建筑上主要是利用它们的绝缘性。
复合材料泡沫夹层结构的材料和应用
复合材料夹层结构芯材 夹层结构的最初应用从上世纪初的航空航天业开始，逐步发展到今天的船舶、交通运输、运动器材、风力发电、医疗器材等领域。德固赛（中国）投资有限公司上海分公司的胡培先生全面综述了各种芯材的特性、应用、市场分布及前景。
常用芯材及其应用 玻璃钢/复合材料中常用的芯材有泡沫、巴萨木和蜂窝等多孔固体材料。 巴萨木目前主要的用途集中在风电、船舶、铁路车辆等行业。相对而言，因为其密度选择范围小，面层破坏以后，吸水腐烂的缺点，已经逐步被PVC泡沫取代。但是因为其价格优势，目前还有一定的市场。 蜂窝主要有NOMEX纸蜂窝和铝蜂窝，蜂窝材料具有各向异性的特点。另外，因为蜂窝存在开孔结构，不适用一些湿法工艺或树脂注射工艺，例如船舶和风电等领域。铝蜂窝因为和碳纤维面板之间存在电腐蚀的问题，一般不能和碳纤维一同使用。另外，蜂窝结构在使用过程中，会因为面层破坏，发生渗水问题。 玻璃钢/复合材料中常用的泡沫芯材有聚氯乙烯（PVC）、聚苯乙烯（PS）、聚氨酯（PUR）、丙烯腈-苯乙烯（SAN）、聚醚酰亚胺（PEI）及聚甲基丙烯酰亚胺（PMI）等。 硬质聚氨酯PUR泡沫与其他泡沫相比，其力学性能一般，树脂/芯材界面易产生老化，从而导致面板剥离。作为结构材料使用时，常用作层合板的纵、横桁条或加强筋之芯材。有时PUR泡沫也能用于受载较小的夹层板中，起到隔热或隔音的作用。该类泡沫的使用温度为150℃左右，吸声性能良好，成型非常简单，但是机械加工过程中易碎或掉渣。PUR泡沫价格相对便宜，发泡工艺也比较简单，采用液体发泡。目前主要在运动器材，例如网球拍、冰球棒中用做工艺芯材，并起到一定的阻尼作用。另外在冲浪板中也普遍使用PUR泡沫或EPS泡沫作为芯材。
复合材料损伤机理整理_final
一、立项依据与研究内容： 1.立项依据： 1.1 研究意义与目的 近几十年以来，随着科学技术的迅速发展，对材料的性能提出了更高的要求。当前高技术材料一般分为:高技术陶瓷、高技术聚合物和复合材料三种类型。由于复合材料可以根据工程结构对性能的要求来进行设计，其发展速度和规模在近几年尤为迅猛。一些先进的复合材料己经在航空、航天、机电、化工、能源、交通运输以及生物、医疗器械等领域中得到了广泛的应用。可以说复合材料已经深入到了我们生活的方方面面。 在航空领域，由于飞机结构设计和材料性能要求的不断提高，复合材料在飞机上的比例不断增加。目前，波音B 787代表了当前飞机技术发展的最高水平，其基本特点之一为采用复合材料主结构，其中复合材料的用量为50%（如图1所示）。[陈绍杰, 复合材料技术与大型飞机. 航空学报, 2008. 29(3): p. 605-610]先进战斗机上复合材料用量基本上在飞机机体结构重量的30%左右，图2为国外新一代军用飞机上复合材料的用量。在航天方面，复合材料也被广泛用于火箭发动机壳体、航天飞机的构件、卫星构件等。固体火箭发动机喷管的工作温度高达3000~3500℃，为了提高效率还要在推进剂中掺入固体粒子，发动机喷管的工作环境是高温、复合材料能承受这种工作环境:化学腐蚀、固体粒子高速冲刷，因此固体火箭目前只要碳/碳人造卫星每减轻Ikg，运载火箭可以减轻1000kg，因此用复合材料制造的卫星有很大的优势。此外，复合材料还被广泛用于化学工业、电气工业、建筑工业、机械工业、体育用品等多个方面。我国从上世纪七十年代就开始了先进复合材料方面的研究工作，到八十年代时，我国已将复合材料应用技术列入重点发展领域，通过三十多年的发展，我国航空复合材料技术应用水平己有了大幅度的提高。目前我国军用飞机上复合材料用量已达到6%以上，已基本实现从次承力构件(如垂直安定面、水平尾翼、方向舵、前机身等)到主承力构件(如机翼、直升机旋翼等)的转变[王慧杰等.我国航空复合材料技术发展展望.第九界全国复合材料学术会议论文集，1996:l-6]。
复合材料泡沫夹层结构力学性能与试验方法
FRP /C M 2005.N o .2 收稿日期: 2004 07 23 作者简介:孙春方(1963 ),男,副研究员,博士研究生。 复合材料泡沫夹层结构力学性能与试验方法 孙春方,薛元德,胡 培 (同济大学航空航天与力学学院,上海 200092) 摘要:本文讨论纤维增强复合材料与聚合物泡沫组成的夹层结构的刚度、强度及弯曲性能试验方法;分析了复合材料面层的弹性常数、泡沫芯层的模量和夹层结构的刚度;阐述了夹层结构的应力分布和常见的5种破坏模式;对夹层结构的疲劳强度和冲击时的力学行为进行了探讨。 关键词:复合材料;泡沫;夹层结构;力学性能 中图分类号:T B332 文献标识码:A 文章编号:1003-0999(2005)02-0003-04 1 引 言 由轻质芯体与两层刚硬坚固的外壳制成的结构件称为夹层结构。芯体对外壳的分隔增大了结构的惯性矩,而质量几乎没增加,得到一个抗弯曲和屈曲载荷的有效结构。它常用于为减小重量的场合。外壳或面材一般是金属(如铝)或纤维增强复合材料,芯体是蜂窝、聚合物泡沫、木材等。本文讨论纤维增强复合材料与聚合物泡沫组成的夹层结构。探讨轨道车辆用复合材料泡沫夹层结构中的一些力学性能及相应的试验方法。复合材料是由两种或两种以上不同化学性质或物理性质的组分复合而成的材料。复合材料具有质量轻、比强高,易于加工和改型、耐腐蚀、可设计性强等优点。涉及到的材料包括碳纤维、玻璃纤维、环氧树脂和酚醛树脂等。聚合物泡沫是一种最常见的芯材,主要有聚氯乙烯(PVC )、聚苯乙烯(PS)、聚氨酯(PU )、聚甲基丙烯酰亚胺(P M I)、聚醚酰亚胺(PE I)和丙烯腈 苯乙烯(SAN 或AS)。 密度从30kg /m 3到300kg /m 3 不等。通常在复合材料中使用的泡沫密度在40~200kg /m 3 之间。夹层结构的力学性能取决于表层和芯部材料的力学性能及几何尺寸。主要涉及夹层结构的强度和刚度。强度主要指复合材料的拉、压性能,泡沫的剪切强度,夹层结构的疲劳强度和冲击时的力学行为。刚度是指复合材料、泡沫和夹层结构的拉、压、剪切模量。当车辆设计采用夹层结构时,夹层结构的强度和刚度是十分重要的。 2 夹层结构的刚度 (1)泡沫的模量 E c =C 1E s ( c / s ) 2 (1)E c 为泡沫的杨氏模量; c 为泡沫的密度;C 1 1 为开口泡沫。 G c =C 2E s ( c / s ) 2 (2) G c 为泡沫的剪切模量; s ,E s 表示泡沫固体的密度和模量;C 2 0 4为开口泡沫。 对闭口泡沫,其表达式还将包含膜应力和气体压力的修正项 [1] 。即泡沫的杨氏模量与剪切模量, 主要由泡沫的相对密度 c / s 所决定,与相对密度的平方成正比。 (2)面层的模量E 1=E f V f +E m V m (3)E 2=E f E m V m E f +V f E m (4)G 12= G m G f V f G m +V m G f (5) E 1为纤维方向的弹性模量;E 2为垂直于纤维方向的弹性模量;E f 为纤维的弹性模量;E m 为基体的弹性模量;V f 、V m 为纤维、基体的体积含量;G 12为剪切弹性模量;G f 、G m 为纤维、基体的剪切弹性模量。 (3)夹层结构的刚度 夹层结构的刚度主要由抗弯刚度和剪切刚度来描述。对矩形截面梁其等效抗弯刚度 (E I)eq =E f bt 2 /6+E c bc 3 /12+E f bt d 2 /2(6)忽略第1,2项,取d c(d =c +t),(E I)eq =E f btc 2/2 (7)等效剪切刚度 (AG )eq =bd 2 G c /c (8)取d c ,(AG )eq =bc G c (9) 梁的挠度 = b + s = P l 3 B 1(EI )eq +P l B 2(AG )eq (10) (1为梁跨度)
金属基复合材料的研究进展及发展趋势
金属基复合材料界面的研究进展及发展趋 势 周奎 （佳木斯大学材料科学与工程学院佳木斯 154007）摘要本文介绍了目前金属基复合材料界面的研究现状，存在的问题及优化的有效途径。重点阐述了金属基复合材料在各个领域的应用情况。最后在综述金属基复合材料界面的研究进展与应用现状的基础上,对学者未来研究呈现的趋势进行了简述并对其发展趋势进行了展望。 关键词金属基复合材料界面特性应用发展趋势 The research progress of metal matrix composites interface and development trend ZHOU Kui (jiamusi university school of materials science and engineering jiamusi 154007) Abstract：Interface of metal matrix composites are introduced in this paper the current research status, existing problems and the effective ways to optimize. Expounds the metal matrix composites and its application in various fields. Finally in this paper the research progress and application of metal matrix composites interface status quo, on the basis of research for scholars in the future the trend of the present carried on the description and its development trend is prospected. Keywords: metal matrix composites application Interface features the development trend 1前言 金属基复合材料(MMCS)是以金属、合金或金属间化合物为基体,含有增强成分的复合材料。 研究金属基复合新材料是当代新材料技术领域中的重要内容之一。金属基复合材料的品种繁多,有碳(石墨)、硼、碳化硅、氧化铝等高性能连续纤维增强铝基、镁基、钦基等复合材料,碳化硅晶须、碳化硅、氧化铝颗粒、氧化铝短纤维增强铝基、镁基复合材料,以及牡钨丝增强超合金等高温金属基复合材料等.但它们的发展和应用并不迅速。主要原因是存在界面问题,制备方法较复杂,成本高。学者们在金属基复合材料的有效制备方法、金属基体与增强体之间的界面反应规律、控制界面反应的途径、界面结构、性能对材料性能的影响、界面结构与制备工艺过程的关系等进行了大量的研究工作,取得了许多重要成果,推动了金属基复合材料的发展和应用。但随着金属基复合材料要求的使用性能和制备技术的发展,界面问题仍然是金属基复合材料研究发展中的重要研究方向。特别是界面精细结构及性质、界面优化设计、界面反应的控制以及界面对性能的影响规律等。尚需结合材料类型、使用性能要求深入研究。
复合材料损伤及其修复技术研究
复合材料损伤及其修复技术研究 【摘要】：复合材料是一种新材料，因为其许多特有的优点已经在航空航天、建筑桥梁等领域得到广泛应用，复合材料的损伤修复也逐渐成为研究项目中的热点。其中光修复技术是用得较多的一种，本研究以较常用的复合材料为试件，在简要介绍复合材料的基础上对光修复技术做了详细介绍，期望能为进一步研究复合材料的光修复技术奠定基础。 【关键词】：复合材料；损伤；光修复 引言 复合材料无论是力学性能、损伤情况、失效方面都要比单一材料复杂很多。由于其基体的强度要比增强纤维的强度低很多，导致它抗冲击的性能较差，横向强度以及层间的剪切强度也比较低，当受到局部的冲击时，复合材料普遍会出现纤维断裂、凹痕、剥层、基体破裂等一些损伤现象。而且一旦发生损伤，损伤的区域会在周期性的应力作用下逐渐扩大，进一步影响到复合材料的继续使用。从上个世纪的80年代初，国外已经着手研究和解决复合材料的修复问题，先后投入了大量的人力、物力和资金。到目前为止，美国和欧洲的一些大公司对关于飞机复合材料损伤修理问题开展了较为广泛的研究，并且己经取得一定的成果，但仍然在不断的发展中。早在上个世纪80年代中期，欧美的许多大公司就在飞机的设计文件以及使用手册里面详细规定了复合材料的修复方法，比如美国波音公司的A320维护手册和F-16修理手册。近年来，国内航空航天系统的相关部门对这个问题的紧迫性和重要性已经有所认识，在复合材料的修复问题上也作了许多工作并取得了一些进展，相继成立了空中客车亚洲复合材料结构维修和中国东方航空公司空中客车复合材料结构修理专家系统等致力于研究复合材料修复的机构。但从总体上来看，重视程度依然不够、投资也不足，所以基本上没解决什么问题。对许多缺陷和损伤没有制定明确的修理方法，修理材料、工艺设备等也不够完善。因此，我们通过研究制定关于复合材料的修复手册，更加高效地解决有关复合材料修复的问题，使复合材料能够得到更加广泛的应用。 1.复合材料的性能与特点 复合材料具有很多良好的性能，复合材料代替铝合金结构，可大大降低飞行
复合材料夹层结构泡沫芯材的性能特点和应用
复合材料夹层结构泡沫芯材的性能特点和应用 作者：胡培的博客发表于：2010-01-06 09:06:16 点击：1817 复材在线原创文章，转载请注明出处 胡培赢创德固赛（中国）投资有限公司上海分公司 陈志东博士赢创德固赛（中国）投资有限公司上海分公司 摘要： 上世纪80年代末，航空公司首先提出飞机结构中应当避免使用蜂窝夹层结构，因为在使用过程中，其表面容易发生损伤，产生显微裂纹并浸入水分。另外，蜂窝也不适用于液体树脂注射工艺。文章对复合材料夹层结构中常用的芯材做了简单对比，列出了泡沫夹层结构在结构方面、工艺方面和长期使用过程中的优势，介绍了目前航天航空结构，特别是无人机结构中应用最广泛的PMI泡沫的特点和应用实例。结合多孔固体的结构特点和国内外最新研究和实践，简单的论述了泡沫芯材的发展趋势。 关键词：泡沫，蜂窝，夹层结构 一、前言 在航天航空、交通运输结构的设计中，要求构件尽可能轻而不损失强度是对设计人员的最大挑战。在保证强度、刚度的同时，还要求所设计的薄壁结构在承受拉、压及剪切载荷的综合作用下不失稳。过去传统的飞机结构设计方法仍在一些范围内使用，通过用长桁和肋/框组成纵、横向加强件来提高板的稳定性。实际上，某些次结构也可以使用夹层结构设计来满足强度、刚度要求，例如蒙皮、舱门、口盖和翼身整流罩等。夹层结构的夹芯通常采用蜂窝或泡沫芯材。 二、复合材料夹层结构芯材介绍 在设计时，对于面板考虑的主要因素是材料的强度和刚度，而对于芯材，考虑的主要因素是最大幅度的减轻重量。在飞机结构中芯材通常使用铝蜂窝、泡沫或NOMEX?蜂窝，如图1所示。铝蜂窝或NOMEX?蜂窝具有压缩模量高和重量轻的优点，它们是飞机结构广泛使用夹芯材料，通常与碳/玻璃纤维预浸料一起使用。常见的结构有机翼前缘、方向舵、起落架舱门、翼身和翼尖整流罩等。尽管蜂窝夹层结构在性能上比金属板金结构有突出的优点，但是航空公司还是在积极寻找其替代材料，因为蜂窝夹芯材料在使用过程中需要高昂的维护修理费用。在某些情况下如果面板出现裂纹和孔隙时，水和水汽就很容易地进入蜂窝。在低温情况下，进入蜂窝孔中的水被冰冻以后会发生膨胀，将破坏邻近的蜂窝孔格的粘结，这就降低了夹层结构的性能而必须进行修理。
复合材料铺层设计说明书
复合材料铺层设计 复合材料制件最基本的单元是铺层。铺层是复合材料制件中的一层单向带或织物形成的复合材料单向层。由两层或多层同种或不同种材料铺层层合压制而成的复合材料板材称为层合板。复合材料层压结构件的基本单元正是这种按各种不同铺层设计要素组成的层合板。 本章主要介绍由高性能连续纤维与树脂基体材料构成的层合结构和夹层结构设计的基本原理和方法，也介绍复合材料结构在导弹结构中的应用。 一、层合板及其表示方法 (1) 铺层及其方向的表示 铺层是层合板的基本结构单元，其厚度很薄，通常约为～。铺层中增强纤维的方向或织物径向纤维方向为材料的主方向（1向：即纵向）；垂直于增强纤维方向或织物的纬向纤维方向为材料的另一个主方向（2向：即横向）。1—2坐标系为材料的主坐标系，又称正轴坐标系， x-y坐标系为设计参考坐标系，如图所示。 铺层是有方向性的。铺层的方向用纤维的铺向角（铺层角）θ表示。所谓铺向角（铺层角）就是铺层的纵向与层合板参考坐标X轴之间的夹角，由X轴到纤维纵向逆时针旋转为正。参考坐标系X-Y与材料主方向重合则为正轴坐标系。X-Y 方向与材料主方向不重合则称偏轴坐标系，如图（b）所示。铺层的正轴应力与偏轴应力也在图中标明。 （2）层合板的表示方法 为了满足设计、制造和力学性能分析的需要，必须简明地表示出层合板中各铺层的方向和层合顺序，故对层合板规定了明确的表示方法，如表所示。
二、单层复合材料的力学性能 单层的力学性能是复合材料的基本力学性能，即材料工程常数。由于单层很薄，一般仅考虑单层的面内力学性能，故假设为平面应力状态。单层在材料主轴坐标系中通常是正交各向异性材料，在其主方向上某一点处的正应变ε1、ε2只与该、σ2有关，而与剪应力τ12无关；同时，该点处剪应变γ12也仅点处的正应力σ 1 与剪应力τ12有关，而与正应力无关。 材料工程常数共9个：纵向和横向弹性模量Ε1和Ε2、主泊松比ν 、纵横剪切 12 弹性模量 G12，共四个弹性常数；还有纵向拉伸和压缩强度X1、X2，横向拉伸与压缩强度Y1、Y2，纵横剪切强度S共五个强度参数。这9个工程常数是通过单向层合板的单轴试验确定的。通常情况下，单层力学性能有明显的方向性，与增强纤维的方向密切相关，即Ε1>>Ε2，X>>Y；而且拉伸与压缩强度不相等，即X1≠X2，Y1≠Y2；纵横剪切性能与拉伸、压缩性能无关，即 S 与 X 、Y 无关。 由于单层复合材料是复合材料的基础，故往往用它的性能来说明复合材料的性能。但应当指出：单层的性能不能替代实际使用的层合复合材料的性能。一般说，实际使用的层合复合材料性能要低于单向复合材料的纵向性能。复合材料的性能与材料中含有的纤维数量有很大的关系，所以在规定性能数据时，一般还应给定材料所含的纤维量，通常用纤维所占的体积百分比V来表示。V称为纤维体积分数或纤维体积含量，其值通常控制在60%左右。 三、复合材料结构的制造与成形工艺 （1）制造与成形工艺的分类、特点与适用范围 树脂基复合材料结构成形工艺方法多种多样，各有所长。工艺方法的分类见图各种工艺方法的特点与适用范围见表。