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01

指南介绍

要充分了解复合材料在结构中的作用和应用，就需要了解组成材料本身及其加工方式。本指南着眼于基本的复合材料理论，所使用的材料的性质，然后是各种加工技术，通常用于将材料转化为成品结构。

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复合理论

复合材料最基本的形式是由至少两种元素共同作用而产生的材料性质不同于这些元素本身的性质。在实践中，大多数复合材料由块状材料(“基体”)和某种增强材料组成，这种增强材料的添加主要是为了增加基体的强度和刚度。这种强化物通常以纤维形式存在。今天，最常见的人造复合材料可以分为三大类:

聚合物基复合材料(PMC’s)—这些是最常见的，将在这里讨论。也被称为FRP -纤维增强聚合物(或塑料)-这些材料使用聚合物基树脂作为基体，以及各种纤维，如玻璃纤维，碳纤维和芳纶作为增强。

金属基复合材料(MMC’s)—在汽车工业中越来越多地发现，这些材料使用铝等金属作为基体，并用碳化硅等纤维进行加固。

陶瓷基复合材料(CMC’s)—用于非常高温的环境，这些材料使用陶瓷作为基体，并用短纤维或搅拌器(如由碳化硅和氮化硼制成的搅拌器)加强它。

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聚合物基复合材料

树脂体系，如环氧树脂和聚酯，其本身用于结构制造的用途有限，因为与大多数金属相比，它们的机械性能不是很高。然而，他们有理想的性质，最显著的是他们的能力，很容易形成复杂的形状。

玻璃、芳纶和硼等材料具有极高的抗拉和抗压强度，但在“固体形态”时，这些性能并不明显。这是因为，当受到压力时，随机的表面缺陷会导致每种材料开裂并在其理论“断点”以下失效。为了克服这个问题，材料以纤维的形式生产，因此，尽管会出现相同数量的随机缺陷，但它们将被限制在少数纤维中，其余的都表现出材料的理论强度。因此，一束纤维将更准确地反映该材料的最佳性能。然而，单独的纤维只能在纤维的长度上表现出拉伸性能，就像绳子中的纤维一样。

当树脂系统与增强纤维(如玻璃、碳素和芳纶)结合在一起时，才能获得优异的性能。树脂基体将施加在复合材料上的载荷分散到每个单独的纤维之间，还可以保护纤维免受磨损和冲击造成的损坏。高强度和刚度，易于塑造复杂形状，高耐环境性，所有这些都与低密度相结合，使合成的复合材料在许多应用中优于金属。

由于PMC结合了树脂体系和增强纤维，所得到的复合材料的性能将结合树脂自身的某些性能和纤维自身的某些性能。

总的来说，复合材料的性能由以下因素决定:

  • 纤维的性质
  • 树脂的性能
  • 复合材料中纤维与树脂的比例
  • 复合材料中纤维的几何形状和取向

后面将更详细地讨论前两个问题。纤维与树脂的比例主要来自于将树脂与纤维结合的制造工艺，这将在制造工艺一节中描述。然而，它也受到所使用的树脂系统的类型和纤维被合并的形式的影响。一般来说，由于纤维的机械性能比树脂高得多，纤维体积分数越高，合成复合材料的机械性能就越高。在实践中，这是有限制的，因为纤维需要完全涂上树脂才能有效，而且一般圆形截面的纤维将有一个最佳的包装。此外，用于将纤维与树脂结合的制造过程会导致不同数量的缺陷和空气夹杂物。

通常情况下，与普通手糊工艺一样广泛应用于造船行业中，纤维体积分数的限制约为30-40%。随着航空航天工业中应用的高质量、高精密工艺，纤维体积分数可达到70%左右。

复合材料中纤维的几何形状也很重要，因为纤维在其长度上具有最高的机械性能，而不是在其宽度上。这导致了复合材料的高度各向异性特性，与金属不同，当在不同方向测试时，复合材料的力学性能可能会有很大的不同。这意味着在考虑使用复合材料时，在设计阶段了解应用载荷的大小和方向是非常重要的。当正确解释时，这些各向异性特性是非常有利的，因为只需要将材料放在将施加载荷的地方，从而避免了冗余材料。

同样重要的是要注意，金属材料的性能在很大程度上是由材料供应商决定的，而将材料制造成成品结构的人几乎无法改变这些“内置”性能。然而，复合材料是在结构本身被制造的同时形成的。这意味着制造结构的人正在创造合成复合材料的性能，因此他们使用的制造工艺在决定合成结构的性能方面起着异常关键的作用。

01

加载

结构中的任何材料都必须承受四种主要的直接载荷:拉伸、压缩、剪切和弯曲。

拉伸

图2显示了施加到复合材料上的拉伸载荷。复合材料对拉伸载荷的响应非常依赖于增强纤维的拉伸刚度和强度性能，因为这些远高于树脂体系本身。

压缩

图3显示了压缩载荷下的复合材料。在这里，树脂系统的粘合剂和刚度特性是至关重要的，因为树脂的作用是保持纤维为直柱并防止它们屈曲。

剪切

图4显示了经历剪切载荷的复合材料。这种负荷试图使相邻的纤维层相互滑动。在剪切载荷下，树脂起主要作用，将应力传递到整个复合材料。为了使复合材料在剪切载荷下表现良好，树脂元件不仅必须表现出良好的机械性能，而且必须与增强纤维具有高附着力。复合材料的层间剪切强度(ILSS)通常用于表示多层复合材料(“层状材料”)的这一特性。

弯曲

弯曲荷载实际上是拉伸、压缩和剪切荷载的组合。如图所示加载时，上面受压，下面受拉，层合板中部受剪切。

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与其他结构材料的比较

由于上述因素，复合材料的机械性能有非常大的波动范围。即使单独考虑一种纤维类型，复合材料的性能也会随着纤维含量和取向而变化10倍。因此，下面的比较显示了复合材料的一系列力学性能。每种材料的最低性能都与简单的制造工艺和材料形式有关(例如喷涂玻璃纤维)，而较高的性能则与更高技术制造有关(例如单向玻璃纤维预浸料的蒸压成型)，例如在航空航天工业中。

对于所示的其他材料，还给出了强度和刚度(模量)的范围，以表明与不同合金相关的性能的扩展，例如。

图6 普通结构材料的抗拉强度

图7 常用结构材料的拉伸模量

图8 常用结构材料的密度

上图清楚地显示了不同复合材料所能显示的性能范围。这些特性可以最好地概括为高强度和高刚度与低密度相结合。正是这些特性产生了高强度和刚度重量比的特性，使复合材料结构成为许多应用的理想材料。这尤其适用于涉及运动的应用，如汽车、火车和飞机，因为这些应用中较轻的结构在提高这些应用的效率方面发挥着重要作用。

复合材料的强度和刚度与重量的比值可以用下面的图表来说明。这些仅仅是用材料的力学性能除以密度的结果。一般来说，在前面图表中所示的范围的较高端的特性是由材料的最高密度变体产生的。下面的图中所示的特定恰当度的分布考虑到了这一点。

图9 常用结构材料的比抗拉强度

图10 常用结构材料的比拉伸模量

由不同纤维类型制成的层压板之间的进一步比较将在本指南后面的“增强材料”一节中给出。

Panny 译本

未完待续