影响弹性体_纤维复合材料各向异性的某些因素
影响复合材质的因素
影响复合材质的因素
影响复合材料的因素包括以下几个方面：
1. 纤维材料的类型和性质：复合材料中的纤维通常采用玻璃纤维、碳纤维、聚酯纤维等材料，不同的纤维材料具有不同的强度、刚度和耐腐蚀性能，会直接影响到复合材料的性能。
2. 纤维含量和纤维分布：纤维含量和纤维分布的不同会影响到复合材料的强度、刚度和断裂韧性等性能。
3. 基体材料的类型和性质：复合材料的基体材料可以是树脂、金属、陶瓷等，不同的基体材料具有不同的耐热性、耐腐蚀性和机械性能，会对复合材料的性能产生影响。
4. 界面结构和粘结性能：界面结构和粘结性能是纤维和基体之间的粘结强度，影响到复合材料的界面剪切强度和界面失效的方式。
5. 制备工艺和工艺参数：制备工艺和工艺参数如纤维层厚度、纤维取向、树脂固化温度等，会影响到复合材料的成型质量和性能。
6. 环境因素：环境因素包括温度、湿度、化学物质等，会对复合材料的性能产生影响，如热膨胀系数、耐腐蚀性等。
7. 使用条件：复合材料的使用条件如受力状态、载荷类型和工作温度等，会对复合材料的性能和寿命产生影响。
复合材料断裂延伸率
复合材料断裂延伸率
复合材料的断裂延伸率是指材料在拉伸过程中能够承受的应变量，即在材料断裂之前能够发生的拉伸变形。
复合材料的断裂延伸率受到多种因素的影响，包括纤维类型、树脂基体性质、层合板结构、纤维取向等。
首先，纤维类型对复合材料的断裂延伸率有显著影响。
通常来说，高强度的碳纤维具有较低的断裂延伸率，而玻璃纤维和芳纶纤维等具有较高的断裂延伸率。
这是因为纤维的类型直接影响了材料的韧性和延展性。
其次，树脂基体的性质也是影响断裂延伸率的重要因素。
树脂基体的韧性和延展性会直接影响复合材料的整体断裂性能。
一般来说，具有较高韧性的树脂基体可以提高复合材料的断裂延伸率。
此外，复合材料的层合板结构也会对断裂延伸率产生影响。
不同的层合板结构会导致材料在拉伸过程中的应变分布不同，从而影响断裂延伸率。
最后，纤维的取向也会对断裂延伸率产生影响。
通常情况下，
纤维的取向会影响复合材料的各向异性，从而影响材料在拉伸过程中的性能表现，包括断裂延伸率。
总的来说，复合材料的断裂延伸率受到多种因素的综合影响，包括纤维类型、树脂基体性质、层合板结构和纤维取向等。
在实际工程中，需要综合考虑这些因素，通过合理的设计和材料选择来实现期望的断裂延伸率。
浅议纤维增强复合材料(FRP)在土木工程中的应用
浅议纤维增强复合材料(FRP)在土木工程中的应用摘要：21世纪以来，FRP结构发展势头迅猛。
无论是单独使用FRP材料作为建筑结构，还是与传统的建筑材料混合使用都取得了良好的成效。
FRP作为一种优质的建筑材料，以其特有的优势，受到越来越多的关注。
通过对FRP材料的特性以及应用进行系统的整理，进一步探讨了FRP发展的趋势。
关键词：FRP-混凝土预制板；FRP材料；GFRP筋；结构加固纤维增强复合材料(FRP)是由基体材料与纤维材料经过混合并加工形成的高性能材料。
这种材料首先在航空、航天领域得到的应用。
其中比较常用的FRP有碳纤维(CFRP)、玻璃纤维(GFRP)和芳纶纤维(AFRP)[1]。
20世纪50-60年代开始应用于土木与建筑工程结构，随后以其轻质高强，耐腐蚀性强，可塑性强等优点，迅速得到了工程师们的青睐。
一、FRP材料及结构的特点（一）FRP的优点1．轻质高强。
这是FRP材料最为突出的特点，钢材的比强度只是FRP的1/20-1/50。
因此，充分利用这一特性，可用于大跨度桥梁桥面板的结构。
2.可塑性高。
由于FRP材料属于纤维和树脂复合的材料，看可以通过改变纤维或者树脂的种类及数量生产出适合于不同环境的FRP产品。
改变生产工艺也是一个较为成熟的方法。
3.耐腐蚀性好。
FRP可以在酸，碱，冻融状态等环境下长期使用。
（二）FRP的特性在工程中的不足1.各向异性。
因为FRP材料是由纤维为主要受力结构，所以与纤维垂直的方向抗拉强度极小，与之相反，沿着纤维方向的抗拉强度极大。
此外，这也带来了与传统的钢筋混凝土材料不同的拉伸翘曲现象。
2.紫外线对CFRP与混凝土的粘结性能的影响。
混凝土结构的加固作用需要有CFRP片材的帮助，那么CFRP与混凝土之间有足够的的粘结性就显得尤为重要。
试验表明紫外线会对粘结性产生影响。
3.FRP结构连接处力学性能不强。
FRP抗拉强度好，抗挤压刚度不足，然而该材料不同于钢材，FRP材料抗剪性能不高，使得高强度FRP复合材料预应力筋或拉索在锚固处需要注意的问题变得特别的多。
复合材料力学-各向异性弹性力学基础
复合材料的弹性模量取决于增强相和基体相的弹性模量以及它们之 间的界面结合强度。
强度和韧性
复合材料的强度和韧性取决于增强相的分布、数量和尺寸，以及它 们与基体相之间的界面结合强度。
04
复合材料的各向异性弹性力学分析
复合材料的弹性常数
弹性常数是复合材料在受到外力作用时表现出的刚 度特性，描述了复合材料的应力与应变之间的关系 。
与单一材料的应力-应变关系不 同，复合材料的应力-应变关系 通常是非线性的，因为它们由 多种材料组成，且各组分材料 的性质和排列方式可能不同。
复合材料的应力-应变关系需要 通过实验测定，因为它们的数 值取决于复合材料的微观结构 和组成。
复合材料的本构方程
本构方程是描述复合材料在受到外力作用时如何响应的数学模型，即描述 了复合材料在不同外力作用下的应力和应变的变化关系。
各向异性材料的分类
按来源分类
天然各向异性材料（如木材、 骨骼等）、人造各向异性材料 （如复合材料、玻璃纤维增强 塑料等）。
按结构分类
晶体各向异性材料、纤维增强 各向异性材料、织物增强各向 异性材料等。
按对称性分类
单轴各向异性材料、正交各向 异性材料、各项同性材料等。
各向异性弹性力学的基本方程
01
汽车零部件
复合材料还用于制造汽车中的各种 零部件，如刹车片、气瓶和油箱等， 以提高其耐久性和安全性。
汽车轻量化
复合材料的轻质特性使其成为汽车 轻量化的理想选择，有助于提高车 辆的燃油效率和动力性能。
建筑领域的应用
建筑结构加固
复合材料可以用于加固建 筑结构，提高其承载能力 和耐久性，如桥梁、大坝 和高层建筑等。
未来研究方向
进一步深入研究复合材料的各向异性性质，探索 其在不同环境和载荷条件下的行为和性能。
复合材料的力学性能影响因素
复合材料的力学性能影响因素复合材料是由两种或两种以上具有不同物理和化学性质的材料组合而成的多相材料。
由于其独特的性能优势，如高强度、高刚度、良好的耐腐蚀性等，在航空航天、汽车、船舶、建筑等众多领域得到了广泛的应用。
然而，复合材料的力学性能并非一成不变，而是受到多种因素的影响。
了解这些影响因素对于优化复合材料的设计和制造，提高其性能和可靠性具有重要意义。
首先，增强材料的类型和性能是影响复合材料力学性能的关键因素之一。
常见的增强材料包括纤维（如碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等）和颗粒（如碳化硅、氧化铝等）。
不同类型的增强材料具有不同的强度、刚度、韧性和热稳定性等性能。
例如，碳纤维具有极高的强度和刚度，但成本较高；玻璃纤维则成本较低，但性能相对较弱。
增强材料的性能直接决定了复合材料能够承受的载荷和变形能力。
增强材料的几何形状和尺寸也会对复合材料的力学性能产生显著影响。
纤维增强复合材料中，纤维的长度、直径、长径比以及纤维的排列方式等都会影响其力学性能。
较长的纤维能够提供更好的载荷传递和增强效果，但在加工过程中可能会出现纤维断裂和分布不均匀的问题。
纤维的排列方式可以是单向、双向或多向编织，不同的排列方式会导致复合材料在不同方向上的力学性能差异。
例如，单向纤维增强复合材料在纤维方向上具有很高的强度和刚度，而在垂直于纤维方向上的性能则相对较弱。
基体材料的性能同样不容忽视。
基体材料的作用是将增强材料粘结在一起，并传递载荷。
常见的基体材料包括聚合物（如环氧树脂、聚酯树脂等）、金属（如铝、钛等）和陶瓷（如氧化铝、碳化硅等）。
基体材料的强度、韧性、耐热性和化学稳定性等性能会影响复合材料的整体性能。
例如，聚合物基体通常具有较好的韧性和耐腐蚀性，但耐热性相对较差；金属基体则具有较高的强度和导热性，但密度较大。
复合材料中增强材料与基体材料之间的界面结合强度也是影响力学性能的重要因素。
良好的界面结合能够有效地传递载荷，提高复合材料的强度和韧性。
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。
改变碳纤维复合材料手工钻孔缺陷
摘要：针对手工钻孔加工碳纤维复合材料在接近钻出时进给量不易控制的问题，使孔出口撕裂缺陷更严重，对手工钻孔加工进行工艺方法改进，通过采用在钻头上固定定位套和硅橡胶垫相结合的方法，利用弹性材料的弹性反力来减少钻出时的进给力，控制手动加工时钻头伸出长度和接近钻通时减少进给量，可改善碳纤维复合材料手工钻孔加工质量。
1. 问题提出碳纤维复合材料是以碳纤维为增强材料、以树脂为基体在一定条件下固化成的一种复合材料，具有比强度、比刚度高，质量轻、耐高温等特点，广泛应用于航空、航天业及其他行业。
形状复杂的碳纤维复合材料制件成型后，需要进行大量的机械加工，特别是需要钻孔加工后满足与其他结构的联接。
由于碳纤维复合材料具有硬度高、强度大、导热性差、各向异性及层间强度低等特性，属于难加工材料，在碳纤维复合材料上进行孔加工时，极易出现孔表面质量差、分层及撕裂等缺陷，现在对在碳纤维复合材料上的钻孔技术已经有一些有益的经验和结论，但大多都适用于使用机械设备进行钻孔的工艺方法，由于制件的外形结构特征等，使得很多孔无法使用数控设备或钻床加工，如大型碳纤维复合材料壳体和需要协调结构特征确定孔位的零件，必须由钳工手工钻孔加工，但是在手工钻孔时，加工状态非常不稳定，存在许多的不确定因素和人为影响，造成手工钻孔质量不稳定，制件的孔壁周围材料缺陷比设备加工时严重，特别是孔出口撕裂更严重。
大型碳纤维复合材料零件制造成本极高，通常孔的加工数量又较多，钻孔时的任何质量问题都会形成产品的缺陷，直接影响到零件的装配质量，严重时导致零件报废，造成巨大损失。
2. 碳纤维复合材料手工钻孔技术难点分析由于碳纤维铺层各角度产生各向异性，层间强度低，同时碳纤维复合材料硬度高、性能脆、强度高及导热能力差，导致钻孔时钻头磨损严重，产生的切削转矩和切削热大，零件材料在切削力的作用下易发生孔壁周围材料分层、孔出口撕裂等现象。
分析碳纤维复合材料的特性，孔壁周围材料分层主要是钻孔过程轴向力作用引起的，轴向力越大，缺陷越严重，而轴向力的大小又受钻孔过程中的进给量、钻削速度、钻头直径及切削刃几何参数等因素相关。
弹性力学中的基本假定
均匀性假定在弹性力学中的意义
01
均匀性假定使得弹性力学问题简 化，可以通过建立统一的数学模 型来描述整个物体的行为。
02
在实际问题中，许多材料都可以 被视为均匀的，例如常见的金属 、塑料等，因此均匀性假定具有 广泛的应用价值。
均匀性假定在实际问题中的应用
在工程设计中，许多结构部件都是由 均匀材料制成的，如桥梁、建筑物的 梁和柱等。Leabharlann 各向异性假定在弹性力学中的作用
描述材料在不同方向上的弹性行为
各向异性假定使得弹性力学能够更准确地描述材料在不同方向上的弹性行为，从而更准确 地预测结构的应力、应变等响应。
考虑材料内部微观结构的影响
各向异性假定将材料的弹性性质与其内部微观结构相联系，使得弹性力学能够考虑材料内 部微观结构对宏观弹性行为的影响。
理论发展
连续性假定推动了弹性力学理 论的发展，为进一步研究材料 的力学行为提供了基础。
03
均匀性假定
均匀性的定义
均匀性假定是指在弹性力学中，假设 材料在整个区域内具有相同的性质， 即材料在各个方向上的物理性质（如 弹性模量、泊松比等）都是一致的。
这一假定基于材料在宏观尺度上表现 出的一致性，忽略了微观结构或局部 变化对材料性质的影响。
小变形假定在弹性力学中的作用
提供数学模型简化
小变形假定使得弹性力学中的数学模型得以简化，因为物体变形 后仍可视为连续介质，无需考虑离散化问题。
导出应变和应力关系
在小变形假定下，可以推导出应变和应力之间的关系，即本构方 程，从而描述物体的弹塑性行为。
小变形假定在实际问题中的应用
01
02
03
薄壳结构分析
弹性力学中的基本假定
目
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各向异 性系数
6. 7 7. 5 5. 2 5. 3 4. 8 5. 1 5. 7 4. 0 3. 2 5. 3 6. 2 3. 3 3. 4 3. 6 4. 6 5. 9 6. 9 4. 2 3. 9
由实验可知, 以 -30及 -3 并 用胶为基材的弹性体-纤维复合材料的压延温 度和压延速率与各向异性系数的相应关系有明 显的极值性( 见表 1 及图 1) 。以氯丁橡胶为基 材的胶料在压延温度为 20℃和 60℃时的各向 异性系数也有极值性( 见表 2) 。 用不含炭黑的氯丁橡胶胶料为模型胶料研 究了在开炼机上的加工工艺对弹性体-纤维复
10% 伸长时的应力 ( 沿取向方向) , M Pa
各向异性 系数
2
68. 0
6. 7
20
6
74. 0
7. 5
10
73. 0
5. 2
2
55. 5
3. 2
6
61. 2
5. 3
60
10
59. 2
6. 2
16
56. 0
5. 5
合材料各向异性的影响, 使用的纤维为聚酰胺 纤维。它能向复合材料提供较高的各向异性。由 图 2 可知, 当弹性体-纤维材料在开炼机上加工 的时间增加时, 各向异性系数按极值曲线变化。 同时表明, 硫化胶和未硫化试样在各向异性指 标上有巨大的差异。
用短纤维增强的聚合物材料由于具有优异 的综合力学性能而得到了广泛的应用。例如, 弹 性体高柔顺性与线性取向的纤维的高刚度相结 合使此种复合材料具有宝贵的综合性能, 包括 高度 的各 向 异性。研 究橡 胶-纤维 复 合材 料 ( ) 的性能与短纤维的类型、几何尺寸以及 含量的关系和应用这些复合材料的工艺方面的 著作极多, 但有关弹性体-纤维复合材料制备前 期对其各向异性的影响则研究得不多。
·52·世 ຫໍສະໝຸດ 橡 胶 工 业2 000
影响弹性体-纤维复合材料各向异性的某些因素
江畹兰 编译
开炼机的加工规程、压延温度及压延速率和硫化 时间对弹性体-纤维复合材料的各 向异性有很大影 响。根据实验结果可以制定控制弹性体-纤维材料性能的方法。
关键词: 弹性体-纤维, 各向异性, 压延, 硫化
温度, ℃ 20
40
60 80 100
速率, m/ min
2 5 10 16 2 5 10 16 2 5 10 16 2 5 16 2 5 10 16
伸长 10% 时的应力 ( 沿取向方向) , MPa
68. 0 74. 4 73. 0 67. 3 64. 2 61. 5 60. 8 48. 5 55. 7 61. 3 59. 3 47. 7 58. 3 56. 8 58. 9 58. 7 61. 3 58. 8 47. 7
本文分析了压延速率和压延温度、炼胶机 加工时间以及硫化条件, 取向的弹性体-纤维复 合材料对其各向异性程度的影响。
在 研究中 使 用的 合成 橡胶 有: 氯丁 橡胶 WRT 、丁 二烯 甲基 苯 乙烯 橡胶 -30 和 聚 异 戊 二 烯 橡 胶 -3。以 粘 胶 纤 维 《²±¿±³ºÃ》作填充剂, 它是由 184 特多 股线结 构组成的。此外, 还应用了以间苯二酚甲醛氯丁 胶乳浸渍的尼龙线绳。纤维长度为 4～6mm 。
硫化时间对弹性体-纤维复合材料的取向 试样的各向异性系数的影响列于下表:
显而易见, 随弹性体-纤维复合材料硫化时 间的增加, 各向异性系数大大减小。
图 2 以氯 丁橡胶 WRT 和尼龙纤维为 基材的弹 性 体-纤维复 合材料 的各向 异性系 数与 在开 炼 机 上 加 工时 间 的关 系: ( 1) 未硫 化 的试 样; ( 2) 硫化胶
1. À¿À³ . . 等. º, 1998, №1, C. 2-4 2. ¡´¿Ñ¾º¿Ã¼±Ñ . . 等. ¶¾. À²¹ÀÂ. . :
¿¶ÆĶǺ¾, 1979, - 54c. ( ¶Â. 《ÂÀº¹³ÀµÃijÀ º》) . 3. Go ettler L . A . , Shen K. S. , Rubb. Chem. T echnol. 1983. V . 56. N 3. P . 616-638. 4. ¶ÃºÀ½À³Ã¼±Ñ . . 等. ¶¾. À²¹ÀÂ. . : ¿¶ÆĶǺ¾, 1992. 70c. ( ¶Â. 《ÂÀº¹³ÀµÃijÀ º》) .
第 27 卷第 2 期
影 响弹性 体-纤 维复 合材 料各 向异 性的 某些 因素 ·5 3·
表 2 氯丁 橡胶 胶料 ( 填料-炭 黑 和粘 胶纤 维《²±¿±³ºÃ》) 弹 性体-纤维 复 合 材料 的 各 向异 性 系 数 与 20℃及 60℃下压延速率的关系
温度, ℃
速率, m / m in
硫化时 间, min
各向异性系数
0
8. 70
15
7. 15
25
5. 93
35
5. 68
综上所述, 开炼机上的加工工艺、压延温度 及压延速率及硫化时间都对弹性体-纤维复合 材料的各向异性有很大影响。在研究结果的基 础上可制定出控制橡胶纤维材料性能的方法。
参考文献
图 1 以甲基丁苯橡胶-30 及异戊橡 胶-3 并用 胶 为基 材 的弹 性 体-纤 维 复合材料的 各向异性 系数与 压延速 率的 关系: ( 1) 2 m/ min; ( 2) 5 m/ min
在变形不大条件下测定模量用的试样形状 应类似于字母 H, 在夹持处有一小节。准备好的 试样在 Inst ron-1122 仪器上测试。各向异性系 数用纵向和横向切得的试样各伸长 10% 时的 应力比较而得。
压延温度及压延速率对弹性体-纤维复合 材料的材料各向异性系数的影响列于表 1。
表 1 甲基丁 苯橡胶 -30和异 戊橡胶 -3 并用胶( 填料—炭黑、纤维—《²±¿±³ºÃ》) 弹性体纤维复 合材料的 各向异性系 数与压延温 度及压 延速率的关系