第八章 聚合物基复合材料作业
第八章复合材料结构耐久性损伤容限设计4-1
第⼋章复合材料结构耐久性损伤容限设计4-1课题第⼋章复合材料结构耐久性损伤容限设计（⼀）⽬的与要求复合材料的损伤、断裂、疲劳等缺陷发⽣的原因、对性能的影响程度复合材料耐久性/损伤容限设计特点设计过程中的基本要求缺陷检测⽅法和最低要求重点复合材料的损伤、断裂、疲劳等缺陷发⽣的原因、对性能的影响程度复合材料耐久性/损伤容限设计特点难点缺陷检测⽅法和最低要求教具复习提问复合材料的损伤、断裂、疲劳等缺陷发⽣的原因、对性能的影响程度？复合材料耐久性/损伤容限设计特点？新知识点考查复合材料耐久性/损伤容限设计布置作业课堂布置课后回忆复合材料的损伤、断裂、疲劳等缺陷发⽣的原因、对性能的影响程度？备注教员Boeing787复合材料机⾝段1.复合材料的损伤、断裂、疲劳性能及耐久性/损伤容限设计特点1.1.考虑耐久性/损伤容限设计的必要性1.1.1耐久性/损伤容限设计的⽬的和特殊性●⽬的耐久性与损伤设计以考虑结构（⽆损伤和含损伤结构），在规定寿命期内因受到包括载荷、环境和意外事件的单独或者累计作⽤⽽性能退化的情况下，实现其功能的能⼒；并以满⾜设计准则的要求，达到安全性和经济性。
●特殊性复合材料优异的疲劳性能和损伤/裂纹扩展往往缺乏规律性，以及对冲击损伤的敏感性，使复合材料结构耐久性和损伤容限设计呈现出许多与⾦属材料结构不同的特点，应该予以特别关注。
1.1.2耐久性/损伤容限设计是复合材料部件设计的主要组成部分●确定使⽤寿命设计初期⽤于计算零部件或整体机构、设备或系统的寿命，以确定整体性；●确定适⽤的⼯艺⽅法复合材料零部件的寿命与制造⼯艺之间有着密不可分的关系，所以必须根据寿命选择制造⼯艺⽅法；●确定修理⽅法和⽅案耐久性/损伤容限还可以估计或计算出，修理后的零件的剩余寿命。
1.1.3发展过程●套⽤⾦属件设计理念，复合材料没有独有的设计思路 1975年颁布的美国军⽤标准“飞机机构完整性⼤纲----飞机要求”中尚且没有包含复合材料结构设计的内容，复合材料零部件的设计基本上完全套⽤⾦属件的设计⽅法，落后的⽅法，导致不能发挥发挥材料的特性。
聚合物基复合材料实验指导书
聚合物基复合材料实验聚酯树脂固化性能一、实验目的1.了解聚合物基复合材料中聚酯树脂基体的结构和固化机理及初步掌握基体配方的组成及配胶工艺过程。
2.能够根据不同固化剂的含量，掌握调节树脂适用期的方法。
3.通过实际操作，加深对树脂基体的物理及化学性质的认识，加深理解不饱和聚酯树脂的固化机理二、实验原理概述通过引发剂引发聚酯分子中的双键，与可聚合的乙烯类单体(如苯乙烯)进行游离基共聚反应，使线型的聚酯分子交联成三维网状的体形大分子结构。
不饱和聚酯树脂的固化过程即它与乙烯类单体共聚的过程，共聚反应过程包括三个主要阶段：链引发、链增长、链终止。
2.1链引发本试验是由引发剂和促进剂配合使用(如过氧化环己酮－萘酸钴)引发链引发，M1 、M2——分别代表乙烯类单体、聚酯分子2.2链增长聚酯分子双键及乙烯类单体双键被引发后，就会进行链增长反应。
～M1 •——代表乙烯类单体形成的游离基～M2•——代表不饱和聚酯形成的游离基2.3链终止链终止反应即体系反应的终止过程。
三、实验设备及材料1.设备：天平、10ml量筒、一次性塑料碗。
2.材料：聚酯树脂，固化剂，促进剂。
四、实验过程1．打开聚酯树脂桶，分别用一次性塑料碗倒出50g左右聚酯3份；2．分加入1.5%促进剂；3.将促进剂与聚酯搅拌均匀；4.分别加入1.0%、1.5%、2.0%固化剂；5.分别将固化剂搅拌均匀；6.观察三组试样粘度及放热情况；7.记录试验现象及凝胶时间。
五、实验注意事项1. 严禁促进剂与固化剂直接混合，会引着着火或爆炸。
2.一定要先加促进剂，充分搅拌后再加入固化剂。
3.促进剂与固化剂要分开存放。
4.注意房间通风。
5. 操作过程中避免皮肤与试剂直接接触。
6.严禁将正在发热的树脂倒入垃圾筒内。
六、实验报告及要求1．观察聚酯树脂固化前后的粘度变化，结合课堂讲授，写出树脂粘度对工艺的影响。
2．根据试验实测记录，列表说明不同树脂配方固化剂含量与凝胶时间的关系。
聚合物基复合材料
聚合物基复合材料
聚合物基复合材料是由聚合物基体和增强物相互作用形成的复合材料，具有优异的力学性能、热稳定性和电绝缘性能，广泛应用于航空航天、汽车、建筑以及电子等领域。
聚合物基复合材料由于具有低密度、高强度、高刚度、耐腐蚀和自润滑等特点，在航空航天领域得到了广泛应用。
例如，碳纤维增强聚合物基复合材料具有高强度、低密度和耐高温性能，被广泛应用于制造飞机机身、翼面和发动机部件，能有效降低飞机的重量，提高燃油效率，提高飞机的载荷能力和飞行速度。
此外，聚合物基复合材料还被广泛应用于汽车制造领域。
相较于传统金属材料，聚合物基复合材料具有低密度、优异的力学性能和杰出的吸能能力，能够降低汽车整车重量，提高汽车燃油经济性和减少尾气排放。
因此，聚合物基复合材料被广泛应用于汽车车身、车顶、车门、引擎罩、底盘和车辆内部部件等。
在建筑领域，聚合物基复合材料也具有广泛的应用前景。
聚合物基复合材料具有轻质、高强度、耐候性和可塑性等特点，能够有效替代传统的建筑材料，例如水泥、钢材等。
聚合物基外墙材料、地板材料、隔热材料等聚合物基复合材料产品在建筑装饰、隔音隔热、防水防潮等方面具有广泛的应用。
此外，聚合物基复合材料还在电子领域得到了广泛应用。
聚合物基复合材料具有优异的电绝缘性能和低介电常数特点，能够有效隔离和保护电子元器件。
聚合物基复合材料在电路板、电子封装材料、电缆套管等领域具有广泛应用。
总之，聚合物基复合材料具有轻质高强、耐高温、抗腐蚀、电绝缘等一系列优异的特性，广泛应用于航空航天、汽车、建筑和电子等领域，为各行业的发展提供了更多的可能性。
聚合物基复合材料
聚合物基复合材料聚合物基复合材料是一种由聚合物基体和强化材料组成的复合材料，具有轻质、高强度、耐腐蚀等优点，被广泛应用于航空航天、汽车制造、建筑材料等领域。
聚合物基复合材料的研究和应用已经成为材料科学领域的热点之一。
首先，聚合物基复合材料的基本组成是聚合物基体和强化材料。
聚合物基体通常采用树脂类材料，如环氧树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺树脂等，而强化材料则可以是玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维等。
这些强化材料可以有效地提高复合材料的强度和刚度，使其具有优异的力学性能。
其次，聚合物基复合材料具有许多优越的性能。
首先是轻质性能，由于聚合物基体的密度较低，加上强化材料的高强度，使得复合材料具有很高的比强度和比刚度。
其次是耐腐蚀性能，聚合物基复合材料在恶劣环境下具有良好的耐腐蚀性能，可以替代传统的金属材料。
此外，聚合物基复合材料还具有良好的设计自由度，可以根据实际需求进行定制加工，满足不同领域的应用需求。
再次，聚合物基复合材料的制备工艺多样。
常见的制备工艺包括手工层叠、注塑成型、压缩成型等，其中注塑成型是目前应用最广泛的工艺之一。
通过不同的制备工艺，可以得到不同性能的聚合物基复合材料，满足不同领域的需求。
最后，聚合物基复合材料的应用领域非常广泛。
在航空航天领域，聚合物基复合材料被广泛应用于飞机机身、发动机零部件等；在汽车制造领域，聚合物基复合材料被应用于车身结构、内饰件等；在建筑材料领域，聚合物基复合材料被应用于地板、墙板、梁柱等。
可以说，聚合物基复合材料已经成为现代工程领域不可或缺的材料之一。
综上所述，聚合物基复合材料具有轻质、高强度、耐腐蚀等优点，具有广阔的应用前景。
随着材料科学的不断发展，相信聚合物基复合材料将会在更多领域展现其无穷魅力。
聚合物基复合材料的制备及应用研究
聚合物基复合材料的制备及应用研究随着科技的不断发展，材料科学也在不断地研究新型材料，其中聚合物基复合材料成为了一个备受关注的领域。
聚合物基复合材料可以通过制备不同的组分来提高材料的强度、硬度、承载能力和耐磨损性等多个方面，被广泛应用于航空航天、汽车、电子、医疗等领域。
聚合物基复合材料的制备是一个非常复杂的过程，需要掌握多种技术和知识。
一般来说，制备聚合物基复合材料需要三个主要的步骤：选材、制备和加工。
首先，选材是制备聚合物基复合材料的的一项重要前提。
合适的材料组合能够形成理想的复合材料。
选材的主要考虑因素是塑料基体的物理性质和化学结构，选择适宜的增强材料和填充材料进一步调整材料性能。
同样，填料要求高滑动性能、良好的耐磨性和高强度，同时填料尺寸、分散性及其含量的控制也对其性能产生较大影响。
其次，在制备过程中，需要采用一种高效的方法使复合材料的构成达到最佳效果。
制备工艺大致可以分为三种：预浸、热压和注塑。
其中预浸是指将预制的增强材料浸泡到聚合物基体中再加工，热压是将材料加热成固体后再进行压缩，注塑则是将固态材料加热熔化后注入模具中进行成形。
最后，在加工复合材料的过程中，需要考虑到材料性能的变化，选择合适的加工方法。
一般来说，加工过程中会产生应力和热量，这对于复合材料来说更容易产生一些变形和裂纹等问题。
此时，适当的加工方法和手段可以有效的减小这些问题的产生。
可以看出，聚合物基复合材料的制备流程非常的复杂，制备难度和成本相对较高。
然而，由于其材料性能的综合优势，聚合物基复合材料已经被广泛应用于许多领域，为我们的生活带来了很多便利。
在材料学领域，聚合物基复合材料有着广泛的应用。
具体来说，它被应用于下面几个主要方面：一、航空航天领域聚合物基复合材料是航空航天领域中最常见的材料之一。
其因轻、强、耐腐蚀、高温耐性能、机械性能稳定而成为广泛使用的材料。
比如现代的飞机和宇宙飞船中所采用的大多都是聚合物基复合材料。
二、地下管道和化工设备领域因为聚合物基复合材料具有耐腐蚀的性能，所以在地下管道和其他化工设备中被广泛使用。
聚合物基复合材料
PLS
PLS
插层聚合
缩聚
加聚
聚合物 溶液分散
聚合物 熔融分散
聚合物/层状硅酸盐纳米复合物的结构和分类
从材料微观形态的角度，可以分成三种类型：
材料中粘土片层紧密堆积，分散相为大尺寸的颗粒状，粘土片层之间并无聚合物插入。
聚合物基体的分子链插层进入层状硅酸盐层间，层间距扩大，介于1-4nm，粘土颗粒在聚合物基体中保持“近程有序，远程无序”的层状堆积结构。可作为各向异性的功能材料
对相同尺寸和形状的梁进行振动试验的结果表明,对同一振动,轻合金梁需要9秒钟才能停止,而碳纤维复合材料梁只需2～3秒。
过载安全性
聚合物基复合材料的特性
在纤维复合材料中，由于有大量独立的纤维，在每平方厘米面积上的纤维数少至几千根，多达数万根。当过载时复合材料中即使有少量纤维断裂时，载荷就会迅速重新分配到未被破坏的纤维上，不至于造成构件在瞬间完全丧失承载能力而断裂，仍能安全使用一段时间。
．酚醛玻璃钢 耐热性最好, <350℃长期使用，短期可达1000℃；电学性能好，耐烧蚀材料，耐电弧。性脆，尺寸不稳定，收缩率大，对皮肤有刺激作用。
玻璃钢采光板
玻璃钢汽车保险杠
玻璃钢型材
透光型玻璃钢
体育馆采光
赛艇、帆船壳体
2、GF增强热塑性塑料 (FR-TP) 特点：
车用立体声音响喇叭
纳米材料是指含有纳米结构的材料。尺度为1nm-100nm范围内的物质即为纳米物质。
Why nano? Why nanocomposite?
01
从界面角度:
是两相在纳米尺寸范围内复合而成,界面间具有很强的相互作用，产生理想的粘接性能.
从增强体角度:强度大，模量高
聚合物基复合材料作业
1.试述玻璃纤维的制备过程，玻璃纤维的主要成分及结构，说明特性。
答：玻璃纤维的制备有两种方法：一玻璃球法：生产玻璃纤维的过程将硅砂、石英、硼酸和其他组分（粘土粘氟石等）干混后经高温熔融，融化后的玻璃液直接通过漏板形成了玻璃纤维。
二直接熔融法，将玻璃玻璃配合料投入熔窑熔化后直接制成各种支数的连续玻璃纤维。
主要成分：其主要成分为二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化硼、氧化镁、氧化钠等。
结构：。
特性：拉伸强度高，伸长小(3%)。
弹性系数高，刚性佳。
弹性限度内伸长量大且拉伸强度高，故吸收冲击能量大。
为无机纤维，具不燃性，耐化学性佳。
吸水性小。
尺度安定性，耐热性均佳。
加工性佳，可作成股、束、毡、织布等不同形态之产品。
透明可透过光线。
与树脂接着性良好之表面处理剂之开发完成。
价格便宜。
不易燃烧，高温下可熔成玻璃状小珠。
2.在制备碳纤维的过程中，预氧化，碳化，石墨化过程的作用分别是什么？并分析结构和性能间的关系。
答。
以聚丙烯基（PAN）为原料制备的碳纤维为例。
预氧化：PAN的玻璃化温度低于100度，分解前或软化熔融，不能直接在惰性气体中进行碳化。
先在空气中进行预氧化处理，使PAN的结构转化为稳定的六元环结构，就不易熔融。
另外当加热足够长的时间将产生纤维吸氧作用，形成PAN分子间的化学键合。
碳化：除去大量NHO等非碳元素，改变PAN纤维的结构，形成了碳纤维。
石墨化：使纤维中结晶碳向石墨晶体取向，使之与纤维轴方向的夹角进一步减小以提高纤维的弹性模量。
结构与性能的关系：碳纤维是含碳量高于90%的无机高分子纤维。
其中含碳量高于99%的称石墨纤维。
碳纤维的轴向强度和模量高，无蠕变，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小，耐腐蚀性好，纤维的密度低，X射线透过性好。
但其耐冲击性较差，容易损伤，在强酸作用下发生氧化，与金属复合时会发生金属碳化、渗碳及电化学腐蚀现象。
因此，碳纤维在使用前须进行表面处理。
3.简述芳纶纤维的生产过程答。
郴州市中考满分作文-作业习题
复合材料原理作业习题第一章绪论1 复合材料的定义是什么？2 简述基体与增强体（功能体）的作用。
3 简述聚合物基体性能特点。
第二章复合材料的复合效应1 复合效应分为那几类并对其进行简述。
2 请介绍几种常见的两相复合材料的连通情况。
3 请列举结构效果的几种类型并对其进行简述。
第三章复合材料的界面状态解析1. 复合材料界面效应可以分为哪几类并对其简述。
2. 复合材料界面的研究对象包括哪些方面？3. 物理吸附与化学吸附的定义是什么？简述二者的区别。
4. 界面特性对复合材料性能的影响主要体现在哪些方面？第四章复合体系的界面结合特性1. 目前树脂基复合材料的界面结合理论主要有哪几种？并对其概念与缺点进行简述。
2. 树脂基复合材料界面破坏机理主要分为哪几种？并对水介质引起界面破坏的机理进行简述。
3. 复合材料的界面分析技术主要有哪几种？这些方法分别适合分析界面的什么特点？第五章复合体系的典型界面反应1. 以硅烷偶联剂为例，说明玻璃纤维-聚合物复合体系的界面反应过程。
2. 简述碳纤维的氧化过程，并举例说明碳纤维-环氧树脂复合体系的界面反应过程。
第六章复合材料的界面处理技术1. 简述偶联剂的定义、分类与应用范围。
2. 硅烷偶联剂的一般结构通式是什么？硅烷偶联剂处理玻璃纤维时，经历哪几个阶段，以化学反应简式说明。
3. 玻璃纤维表面处理方法有几种？简述其处理过程及处理效果的影响因素。
4. 简述钛酸酯偶联剂的结构、类型及其偶联机理。
第七章复合材料力学性能的复合规律1. 复合材料的力学复合从不同的研究角度可以分为微观力学和宏观力学，二者的定义与区别是什么？2. 衡量材料断裂韧性的参数及其定义是什么？3. 粒子的表面活性对粒子-聚合物复合材料的界面及力学强度有什么影响？第八章复合材料物理和化学性能的复合规律1. 表征聚合物基体的物理量是什么？热变形温度的定义是什么？2. 判定聚合物阻燃性的物理量及其定义是什么？常用的阻燃剂主要有哪几种？简述其各自的阻燃机理。
聚合物基复合材料
4、3 纤维增强聚合物复合材料
玻璃纤维增强聚苯乙烯类塑料(FR-ABS)
基体树脂:丁二烯-苯乙烯共聚物(BS) 丙烯腈-苯乙烯共聚物(AS) 丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)
性能改进:强度、弹性模量有成倍提高 耐高温、耐低温、尺寸稳定性等都有所改善
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4、3 纤维增强聚合物复合材料
玻璃纤维增强聚碳酸酯(FR-PC)
Kevlar纤维增强树脂:良好压延性、耐冲击、 良好振动衰减性、优异得耐疲劳性
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4、3 纤维增强聚合物复合材料
常见高性能纤维增强环氧树脂性能对比
增强纤维 相对密度 拉伸强度,MPa 弹性模量,GPa
碳纤维 1、6 1500 12
Kevl 2、0 1750 120
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4、4 聚合物基复合材料得制备和加工
轮鼓缠绕法预浸料制备示意图
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4、4 聚合物基复合材料得制备和加工
(2)预混料:
工艺对象:不连续纤维浸渍或混合树脂 制品特征:片状模塑料(Sheet molding pound,SMC)
块状模塑料( Bulk Molding pound,BMC) 注射模塑料(Injection molding pound,IMC)
高强度、高模量纤维增强塑料
基体树脂:环氧树脂 增强材料:碳、硼、芳香族纤维、晶须等高强、高模纤维
性能特点:密度小、强度模量高、热膨胀系数小; 制备工艺简单、成型方法多; 纤维价格昂贵,使用范围到限
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4、3 纤维增强聚合物复合材料
碳纤维增强树脂: 强度、刚度、耐热性均好
硼纤维增强树脂: 刚性好(模量高于碳纤维增强)
聚合物基复合材料
4、1 概述
4、1 概述
4、1 概述
聚合物基复合材料
聚合物基复合材料班级：11050301学号；1105030111姓名：王雪一．聚合物基复合材料的基体聚合物基复合材料的基体是有机聚合物.二．聚合物基复合材料的增强材料（1）玻璃纤维增强树脂基复合材料；(2）天然纤维增强树脂基复合材料；（3）碳纤维增强树脂基复合材料；（4）芳纶纤维增强树脂基复合材料；(5）金属纤维增强树脂基复合材料；(6）特种纤维增强聚合物基复合材料；（7）陶瓷颗粒树脂基复合材料;（8)热塑性树脂基复合材料；（聚乙烯，聚丙烯，尼龙,聚苯硫醚（PPS）,聚醚醚酮（PEEK)，聚醚酮酮（PEKK）)（9)热固性树脂基复合材料；（环氧树脂，聚酰亚胺，聚双马来酰亚胺（PBMI），不饱和聚酯等）(10）聚合物基纳米复合材料三．聚合物基复合材料的制备方法1、溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法是最早用来制备纳米复合材料的方法之一。
所谓的溶胶—凝胶工艺过程是将前驱物在一定的有机溶剂中形成均质溶液,均质溶液中的溶质水解形成纳米级粒子并成为溶胶，然后经溶剂挥发或加热等处理使溶胶转化为凝胶.溶胶—凝胶中通常用酸、碱和中性盐来催化前驱物水解和缩合,因其水解和缩合条件温和,因此在制备上显得特别方便。
根据聚合物与无机组分的相互作用情况，可将其分为以下几类：（1)直接将可溶性聚合物嵌入到无机网络中把前驱物溶解在形行成的聚合物溶液中，在酸、碱或中性盐的催化作用下，让前驱化合物水解，形成半互穿网络。
(2)嵌入的聚合物与无机网络有共价键作用(3）有机—无机互穿网络2、层间插入法层间插入法是利用层状无机物（如粘土、云母等层状金属盐类)的膨胀性、吸附性和离子交换功能，使之作为无机主体,将聚合物(或单体)作为客体插入于无机相的层间，制得聚合物基有机—无机纳米复合材料。
层状无机物是一维方向上的纳米材料，其粒子不易团聚且易分散，其层间距离及每层厚度都在纳米尺度范围1～100 nm内。
层状矿物原料来源极其丰富，而且价廉。
插入法大致可分为以下几种： (1）熔融插层聚合（2）溶液插层聚合（3)聚合物熔融插层 (4）聚合物溶液插层3、共混法共混法类似于聚合物的共混改性，是聚合物与无机纳米粒子的共混，该法是制备纳米复合材料最简单的方法,适合于各种形态的纳米粒子。
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第八章聚合物基复合材料作业
1．说明聚合物基复合材料的多功能性。
2.为什么聚合物基复合材料具有良好耐疲劳性和破损安全性？
3.玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂是玻璃钢中应用最广的一种，请说明其与玻璃纤维增强环氧树脂和玻璃纤维增强酚醛树脂相比有哪些优势。
4. 说明玻璃纤维增强环氧树脂的优缺点和应用。
5. 提高原材料的使用效率和性能最大化是节能社会对材料制造的要求，请根据下表并结合原材料市场价格因素说明纤维增强是达到这一要求的有效方式。
价格：
PE:10300，PP:10750，ABS:15600，PA66:25300，PC:25000，PET:29000,GF:7000 6.说明碳纤维增强环氧树脂复合材料的特点和应用。