复合材料论文范文1
面对高技术时代对高性能钛合金材料日益紧迫的要求，非连续增强钛基复合材料因其具有的高比强、高比刚度、耐高温和耐蚀性能已成为研究的热点。人们对其制备工艺、微结构、力学性能等进行了一系列的研究，而这些研究的主要目标为外加法制备的钛基复合材料。而本研究则采用原位合成工艺制备非连续增强的钛基复合材料。与外加法比较，原位合成法因其工艺简单、材料性能优异，在技术和经济上更为可行。增强体的原位合成，避免了增强体的污染问题，也避免了熔铸过程中存在的润湿性问题，有利于制备性能更好的复合材料。然而，为了低成本高效制备高性能的钛基复合材料尚有许多问题需要解决。因此，从理论和实验上研究这些问题，对低成本高效制备高性能的钛基复合材料具有非常重要的理论和实际意义。
针对金属基复合材料发展应用中的关键问题??成本和性能，本文开发设计了新型的钛基复合材料的制备工艺，可以低成本高效制备性能优异的钛基复合材料。即可利用钛与碳化硼、硼及石墨之间的自蔓燃高温合成反应，采用普通的钛合金冶炼工艺制备出单纯TiB晶须、单纯TiC颗粒增强或TiB晶须和TiC粒子混杂增强的钛基复合材料。为了拓展钛基复合材料的应用领域，为制备高性能的钛基复合材料打下坚实的基础，本文的研究主要包括以下几个方面工作：
1、研究了利用钛与石墨、硼及碳化硼之间的反应制备TiB和TiC增强钛基复合材料的原位合成机理。利用热力学理论计算了钛与石墨、硼、碳化硼反应的Gi自由能DG和反应生成焓DH，结果表明：各个反应的Gi自由能DG值都为负值，说明在热力学上上述反应是可行的。虽然在热力学上可以利用钛与碳化硼之间的化学反应合成TiB2和TiC增强体，但从化学平衡考虑，TiB2不能稳定存在于过量钛中，因此能够稳定存在于普通钛合金中的增强体为TiB和TiC。上述反应都为高放热的反应，从理论上讲绝热温度都大于自蔓燃高温合成的判据，表明反应能自发维持。
2、利用非自耗电弧炉和自耗电弧炉经普通的钛合金铸造工艺制备出单纯TiB晶须、单纯TiC颗粒增强或TiB晶须和TiC粒子混杂增强的钛基复合材料。X射线衍射分析结果表明：原位合成的增强体为TiB、TiC。这些增强体分布非常均匀，主要呈现为短纤维状、树枝晶状和等轴或近似等轴状。电子探针和带能谱的扫描电镜分析结果表明：短纤维状增强体为TiB，而树枝晶状和等轴或近似等轴状增强体为TiC。实验结果与理论分析一致，这为原位自生钛基复合材料的工业化生产提供了依据。
3、研究了原位合成钛基复合材料增强体的生长机制，结果表明：增强体的生长机制与凝固过程及增强体的晶体结构密切相关。原位合成的增强体以形核与长大的方式从熔体中析出而长大。对于原位合成TiB和TiC混杂增强的钛基复合材料，经历了析出初晶、二元共晶和三元共晶三个阶段。由于不同的晶体结构，增强体TiB与TiC形成不同的生长形态。TiB具有B27晶体结构，易于沿[010]方向生长长成短纤维状，而且TiB横截面的形状呈多边形，其晶面主要由(100)、(10)和(101)组成。同时，在TiB的(100)面上容易形成层错。而TiC具有NaCl型对称结构，容易长成树枝晶状、等轴状和近似等轴状。发现原位合成的增强体TiB容易在（100）面上形成高密度的层错，层错的形成与增强体的晶体结构、生长机制有关，同时也有利于降低增强体与基体合金界面的晶格畸变。而原位合成增强体TiC的晶格比较完整，偶尔在(111)面上形成孪晶，该孪晶结构在增强体形核与长大的过程中形成。
4、研究了合金元素铝的加入对原位合成钛基复合材料微结构及力学性能的影响。合金元素铝的加入，并不改变复合材料的物相组成，也不改变复合材料的凝固过程，但由于合金元素的存在，阻碍了增强体的形核与长大过程，导致形成的TiB和TiC初晶更为细小，尤其是使TiC增强体易于形成等轴状。合金元素铝不仅固溶强化了基体合金，而且细化增强体也有利于提高复合材料的力学性能。
5、利用透射电镜、高分辨透射电镜对原位合成(TiB TiC)/Ti复合材料界面微结构进行研究和分析，发现两种增强体与基体的界面均为清洁界面，为直接的原子结合、界面结合状况良好。TiC增强体与基体合金没有确定的位相关系，而TiB增强体与基体合金存在以下位相关系：、、(0002)Ti//(001)TiB和以及、(0002)Ti//(200)TiB和。该位相关系在凝固过程中形成，与增强体的晶体结构及基体合金的晶体结构密切相关，形成该位相关系有利于降低增强体与基体合金界面的晶格畸变能。
6、研究了铸态钛基复合材料和热锻后高温钛基复合材料的力学性能。由于原位合成增强体的加入，钛基复合材料的力学性能与相应基体合金比较有了明显的提高，在增强体含量为8％时，其弹性模量E、屈服强度s0.2和抗拉强度分别达到131.2GPa，1243.7MPa和1329.8MPa，与基体合金Ti6242比较分别提高了19.3，47.4和45.5。其强化机理主要来源于增强体承载、晶粒细化及高密度位错的形成。石墨的加入，形成更多等轴状、近似等轴状TiC粒子有利于提高复合材料的室温性能，这与短纤维状TiB的存在导致复合材料低应力断裂有关。
7、研究了原位合成钛基复合材料的高温瞬时拉伸性能。在600oC、650oC和700oC的抗拉强度分别超过800MPa，750MPa和650MPa，与高温性能较好的IMI834合金比较，在600oC的抗拉强度提高幅度超过25。随着温度的提高，其屈服强度、抗拉强度降低，塑性提高，但与基体合金比较高温强度有了明显的提高。断口分析表明：低温时，裂纹由增强体断裂引起，而在高温时裂纹最先在短纤维晶须TiB的端面上形核，然后裂纹扩展到基体合金中，最后导致材料失效。说明低温时，增强体承载对提高复合材料的力学性能非常有利，而在高温时，其强化作用主要由增强体与位错的交互作用引起。位错容易在短纤维状晶须TiB的端面处塞积，形成裂纹源导致材料失效。因此与等轴状及近似等轴状增强体TiC比较，短纤维状增强体TiB对复合材料高温力学性能的强化效果要低一些。这也是石墨的加入形成等摩尔的TiB和TiC增强体有利于提高复合材料高温性能的主要原因。
8、研究了原位合成钛基复合材料的高温蠕变性能和持久断裂性能。原位合成钛基复合材料的高温蠕变经历了典型的蠕变变形的三个阶段。蠕变持久强度与基体合金比较有了明显的提高。持久强度与温度及载荷密切相关，温度和载荷的提高都降低复合材料的高温蠕变和高温持久性能。石墨的加入形成更多的TiC粒子，同样有利于提高钛基材料的持久强度。在高温、持久载荷作用下，材料的失效仍然主要由短纤维端面处形成裂纹而导致材料失效引起。
本研究首先从理论上分析了原位合成TiB、TiC及TiB和TiC混杂增强钛基复合材料的原位合成机制，并以此为基础开发出了一种新型钛基复合材料加工工艺。利用该工艺钛合金生产厂家可以在不改变设备和工艺的条件下，低成本高效制备高性能的钛基复合材料。而采用该原位合成工艺制备复合材料的性能是可设计和可控制的，针对不同的应用条件，可以设计不同成分的基体合金及不同含量、不同配比增强体的复合材料以满足不同的需求。从合金相图、增强体晶体结构及凝固理论相结合分析了原位合成增强体的生长机制、生长形态、分布状态以及界面微区特征。研究了钛基复合材料的微观组织对钛基复合材料力学性能的影响规律。这些研究为以后制备高性能的钛基复合材料和拓展 钛基复合材料的应用领域打下了坚实的理论基础和为批量生成提供了实用途径。近两年来，研究成果引起了国家航空航天部门的关注，国家“十五”军工重点课题和航天支撑基金、航天创新基金课题获得了批准。并将用于我国的先进战略导弹XX－2改，战术导弹XX－19及新一代洲际导弹和潜地导弹的构件。鉴于该技术在国防军工方面具有的战略意义以及在民用领域的潜在应用前景，与国内大型钛合金加工企业—宝钢集团五钢有限公司开展产业化研究，完成了该材料的中试过程，实现了新型钛基复合材料的工业化生产。研制开发的材料近期将在国家战略、战术武器、宇宙飞船等方面得到验证和应用。并将逐渐推广应用于民用领域，为国民经济的发展作出贡献。
关键词非连续增强钛基复合材料，原位合成，生长机制，凝固，晶体结构，微观结构，力学性能，位向关系，界面结构
Fabrication,MicrostructureandMechanicalPropertiesofinsituSynthesizedTitaniumMatrixComposites
ATRACT
Duetoincreasingrequirementfortitaniumalloywithhighpropertiesinhightechnologyera,discontinuouslyreinforcedtitaniummatrixcompositesownthefollowingadvantages:highecificstrength,highecificmodulus,highelevatedtemperatureproperty,wearresistanceandlowfabricatingcost,sotheyhavebecometheresearchhotot.Theproceingtechnique,microstructureandmechanicalpropertieshavebeenexteivelystudied.However,themainaimisdiscontinuouslyreinforcedtitaniummatrixcompositepreparedbytraditionaltechniquesuchaspowdertechnologyandliquidmetallurgy,wheretheceramicparticlesaredirectlyincorporatedintosolidorliquidmatricesreectively.Inthispaper,paredwithtraditionaltechnique,insitutechniqueownthefollowingadvantages:thetechniqueisverysimpleandthepropertiesareexcellent,soitiseasiertofabricatetitaniummatrixcompositesintechnologyandeconomic.Theinsitusynthesisofceramicparticleavoidsthepollutionofreinforcementsandwettabilityexistingincastingtechnique,soitisvaluabletofabricatetitaniummatrixcompositeswithbetterproperties.However,therearestillquitealotofproblemstoberesolvedinordertofabricatetitaniummatrixcompositeswithhighpropertiessimplyandatlowfabricationcost.Therefore,theresearchontheseproblemsintheoryandexperimentisveryimportant.
Itiswellknownthatthekeyproblemindevelopmentandalicationofmetalmatrixcompositesiscostandproperty.Anewtechniquehasbeendesignedtoproducetitaniummatrixcomposites,inwhichitispoibletofabricatetitaniummatrixcompositeswithhighpropertiessimplyandatlowfabricationcost.TitaniummatrixcompositesreinforcedwithTiBwhisker,TiCparticleorTiBwhiskerandTiCparticle,wereproducedbycommontitaniumalloycastingtechniqueutilizingtheself-propagationhigh-temperaturesynthesisreactiobetweentitaniumandboron,graphite,B4C.Inordertodeveloptheutilizationareaoftitaniummatrixcompositesandmakebasisforproducingtitaniummatrixcompositeswithhighproperties,thefollowingworkshavebeendeveloped.
1.InsitusynthesismechanismoftitaniummatrixcompositesreinforcedwithTiB,TiCorTiBandTiCutilizingthereactiobetweentitaniumandboron,graphite,B4Chavebeeninvestigated.GifreeenergyDGandformationenthalpyDHofreactiobetweentitaniumandboron,graphite,B4Cwerecalculatedbythermodynamictheory.TheGifreeenergyDGofabovereactioisnegative,whichindicatesthattheabovereactioallcantakeplace.ItispoibletosynthesizeTiB2andTiCutilizingthereactionbetweentitaniumandB4C.However,coideringfromchemicalbalance,TiB2cannotexistintitaniummatrixalloystably.Theabovereactioreleasequitealotofheat.Moreover,theadiabatictemperatureisgreaterthanthetheoreticalcriterion,whichindicatesthatthereactioncanbesustainedbyitself,namelyself-propagationhigh-temperaturesynthesisreactioncanoccur.
2.TitaniummatrixcompositesreinforcedwithTiBwhisker,TiCparticleorTiBwhiskerandTiCpart iclehavebeenproducedbynon-coumablevacuumarcremeltingfurnaceandcoumablevacuumarcremeltingfurnace.TheresultsofX-raydiffractionshowthattheinsitusynthesizedreinforcementsareTiBandTiC.Thereinforcementsweredistributeduniformlyinmatrixalloy.Theshapesofreinforcementsareshort-fibreshape,dendriticshapeandequiaxedshapeornear-equiaxedshape.Thereinforcementwithshort-fibreshapeisTiB,thereinforcementwithdendriticshapeandequiaxedshapeornear-equiaxedshapeisTiC.Theexperimentalresultisingoodagreementwiththeoreticalresult,whichprovidesgistforcommercialproductionofinsitusynthesizedtitaniummatrixcomposites.
3.Thegrowthmechanismsofreinforcementsininsitusynthesizedtitaniummatrixcompositeshavebeeninvestigated.Thegrowthmechanismsarecloselyrelatedtosolidificationpathsandcrystalstructures.Thereinforcementsdiersefrommeltandgrowinthewayofnucleationandgrowth.FortheinsitusynthesizedTiBwhiskerandTiCparticlereinforcedtitaniummatrixcomposites,thereinforcementsundertakethefollowingthreestages:primarycrystal,binaryeutecticandternaryeutectic.Duetothedifferentcrystalstructures,TiBandTiCgrowindifferentshapes.TiBisliabletogrowalong[010]directionandformshort-fibreshapeduetoit’sB27crystalstructure.TheshapeofTiBatcrosectionispolygon,thecrystalfacesarecomposedwith(100),(101)and(10).Moreover,thereisstackingfaultinTiBandthestackingfaultislikelytoformat(100)crystalface.TiCwithNaClcrystalstructuregrowsindendritic,equiaxedornear-equiaxedshape.
4.Theeffectsofaluminumadditiononmicrostructureandmechanicalpropertiesofinsitusynthesizedtitaniummatrixcompositeshavebeeninvestigated.Theadditionofalloyingelementaluminumdoe’tchangephasesandadjustthesolidificationpath.However,thealloyingelementhindersthenucleationandgrowthofreinforcementsthatresultinmorefineTiBandTiCreinforcementsandmakeTiCreinforcementsgrowwithequiaxedparticleseasily.Aluminumnotonlystrengthethematrixalloybysolidsolutionstrengthening,butalsoimprovesthemechanicalpropertiesbyrefiningthereinforcements.
5.TheinterfacialmicrostructuresofinsitusynthesizedTiBwhiskerandTiCparticlesreinforcedtitaniummatrixcompositeshavebeenoervedbymeaoftramiionelectronicmicroscopyandhigh-resolutiontramiionelectronicmicroscopy.Theresultsshowthattheinterfacesareveryclean.Theyarebondedwell.ThereisnocoistentcrystallographicrelatiohipbetweenTiCandtitanium.However,therearefollowingcoistentcrystallographicrelatiohibetweenTiBandtitanium:,,(0002)Ti//(001)TiB,and,,(0002)Ti//(200)TiB.Moreover,itiscloselyrelatedtothecrystalstructuresofreinforcementandmatrixalloy.Theformationofabovecrystallographicrelatiohiisvaluabletodecreasetheenergyoflatticestrainbetweenreinforcementandmatrixalloy.
6.Themechanicalpropertiesofcast-titaniummatrixcompositesandhigh-temperaturetitaniummatrixcompositesafterhot-forginghavebeeninvestigated.Duetotheincorporationofinsitusynthesizedreinforcements,themechanicalpropertiesimproveobviouslycomparedwithmatrixalloy.Whenthevolumeofreinforcementsis8,theYoung’smodulusE,yieldstrengths0.2andteilestrengthare131.2GPa,1243.7MPaand1329.8MPa,reectively.Theyimprove19.3,47.4and45.5,reectively.Thestrengtheningmechanismsincludethefollowingfactors:undertakingloadofreinforcements,refinementofgrainsizeandformationofhigh-deitydislocatio.TheadditionofgraphiteformsmoreTiCparticleswithequiaxedornear-equiaxedshapethatisvaluabletoimprovethemechanicalpropertiesoftitaniummatrixcompositesatroomtemperature.ThisisrelatedtoexistingofTiBthatresultfractureofcompositesatlowlevelofaliedstrain.
7.Theultimateteilemechanicalpropertiesoftitaniummatrixcompositesatelevatedtemperaturehavebeeninvestigated.Theultimateteilestrengthsofinsitusynthesizedtitaniummatrixc ompositesat600oC,650oCand700oCare786.1MPa,657.4MPaand564.3MPa,paredwithIMI834alloy,theultimateteilestrengthat600oCimproves23.8.Astemperatureincreases,theyieldstrengthandultimatestrengthdecrease,paredwithmatrixalloy,themechanicalpropertiesathightemperatureofinsitusynthesizedtitaniummatrixcompositesimproveobviously.Theanalysisoffracturesurfacesshowthatcrackareformedduetothefractureofreinforcementsatlowtemperature,whilethecracksarelikelytonucleateattheendsofshort-fibreTiBandpropagatetomatrixalloyathightemperaturesothatcompositesfailure.Theyindicatethatundertakingloadofreinforcementsisvaluabletoimprovethemechanicalpropertiesatlowtemperature.Athightemperature,thestrengtheningeffectresultsfromtheinteractionbetweenreinforcementsanddislocatio.DislocatioareliabletoaccumulateandentangleattheendsofTiBwhiskers,paredwithequiaxedornear-equiaxedTiCparticle,thestrengtheningeffectofTiBwhiskerontitaniummatrixcompositesislowerthanthatofTiC.ThisisalsothemainreasonthattheadditionofgraphitetoformmoreTiCisvaluabletoimprovethemechanicalpropertiesathightemperature.
复合材料论文范文2
土木工程学科的发展，在很大程度上依赖于性能优异的新材料新技术的应用和发展。在已有结构的加固改造领域，不仅要求材料经济美观、便于施工，且要求施工后的结构承载力能够明显提高。而FPR复合材料以其优异的力学性能和广泛的适用性发挥着越来越重要的作用。
FRP（fiberreinforcedplastics）复合材料主要有碳纤维（CFRP）、芳纶纤维（AFRP）及玻璃纤维（GFRP）等，其材料形式主要有片材、棒材和型材。FRP的共同优点是：轻质高强、高弹模、抗疲劳、耐腐蚀耐久性能好、热膨胀系数低等。另外，FRP复合材料可以节省材料、自由裁剪、施工方便且速度快，虽然其前期投资较大，但维护成本低，经济效益明显。因此，FRP（片材）复合材料在土木结构加固工程中应用潜力巨大。
1、FRP复合材料的基本特性
随着增强纤维材料的发展，碳纤维、芳纶纤维及玻璃纤维已经成为当前结构工程中加固补强的重要材料。一些典型的FRP（片材）复合材料的基本力学性能见下表。
FRP复合材料的性能各异，在拉伸强度及拉伸模量方面，玻璃纤维和芳纶纤维一般比碳纤维低1/3左右；在断裂延伸率方面，芳纶纤维一般是碳纤维的2倍左右，玻璃纤维一般比碳纤维高70%左右；在韧性、抗冲击性能方面，芳纶纤维和玻璃纤维要比碳纤维好得多；在抗碱腐蚀方面，芳纶纤维和玻璃纤维则不如碳纤维好。关于其它方面的性能差异，这里不再赘述。
2、FRP复合材料在结构加固工程中应用领域
2.1民用建筑、桥梁及工业厂房
FRP复合材料因其优异的力学性能，在民用建筑及工业厂房的加固中应用很多，主要有：①梁加固。加固的作用包括抗弯和抗剪。在进行抗弯加固时，FRP复合材料的纤维方向与梁的轴向一致，一般贴在梁的受拉侧，已提高梁的承载能力。据有关试验得出，只要该梁不是超筋梁，贴一层AK-60可以提高承载力30%左右，贴两层可以提高40%左右；在进行抗剪加固时，FRP复合材料的纤维方向与梁的轴向垂直；②板加固。一般对于板的加固净空要求比较高，而且加固后不影响其外观，所以用厚度很薄且柔软的FRP复合材料进行加固是一种理想的选择；③柱加固。芳纶纤维布、玻璃纤维布是比较理想的柱加固材料。因为它们的弹模小，相对于碳纤维（弹模235Gpa），其延性较好；并且，在进行棱角打磨时一般只需要10mm左右，一般不需打磨，而碳纤维则需要30mm左右，若采用芳纶纤维就可以节约很多工时。
2.2地铁、隧道
因地铁和隧道是一种在地下工作的结构，所以它的受力与地面结构是不一样的。在洞顶和洞侧，它都有土压力的作用，而且也有净空的要求，所以进行裂缝修补时，传统的加固方法不可行，而用芳纶纤维布（不导电）进行加固维修就可以满足它的各方面要求，因为在地铁或隧道的拱顶或侧壁的裂缝一般是多向且不规则的，这就要求修复材料必须具有良好的抗剪性能，而且还是一种不导电的材料，所以芳纶布在隧道地铁工程中是一种最佳的选择。
2.3烟囱、水塔
由于烟囱水塔这样向高空发展的结构，加固维修特别困难，传统加固方法（如扩大截面法、粘钢法）基本上很难解决这样的问题，而采用轻质高强、耐腐蚀、耐久性能都很好的复合材料（尤其是芳纶纤维）进行加固，就是一种很好的方法。
3、几种加固方法的比较
3.1扩大截面法
这种加固方法是通过增大受力面积来提高结构的承载力，一般用在一些较小且对净空没要求不高的结构中。这种方法虽然具有成本较低的优点，但是增加了原结构的自重，同时减小了净空，工期长，有很大的局限性。目前，在较大的工程中很少用。
3.2粘钢法
在用钢板加固时，一般将钢板贴在被加固的结构受力部位的外边缘，同时封闭粘贴部位的裂缝和缺陷，约束混凝土的变形。粘钢法加固的特点：①既可提高结构强度，又可提高刚度；②适应结构（钢结构）又粘又铆，适应节点加固；③延伸率大，适应冲击、振动结构加固；④钢板表面处理要求严格，粘结面易生锈；⑤厚钢板端点处应力集中，混凝土易剥离。
由上述可知，采用这种方法加固必须注意几点：①对钢板的尺寸要求很严格。抗弯时宜薄点，以保证它和原结构的变形协调；抗剪时不仅宜厚点，而且在锚固时应使端部钢板延伸到应力较小区，防止应力集中造成对结构承载力的损害；②贴完后，必须对钢板边缘裂缝进行处理；③还要对钢板进行防腐处理，这也是一项长期的任务。所以其造价很高，而且它的使用范围还有一定的局限性，一般只用在刚度要求很严格的地方。
3.3FRP复合材料法
FRP复合材料法加固的特点：①高强度、高弹模，厚度薄、重量轻；②材料可任意长度，任意交叉，适应任意曲面和任意形状结构；③耐腐蚀，抗疲劳性能好；④施工简便，与混凝土结合密实；⑤材料防潮要求严格，且不宜加固节点区域。
在目前的FRP材料加固市场中，碳纤维占的比例最多。碳纤维是一种导电、易发生脆性破坏的材料，可以承受很大的静载，但在绝缘性要求很高的电气化铁路、地铁及隧道工程中，不宜采用；同为高强高弹模的芳纶纤维不存在这样的局限，能经常承受冲击载荷，芳纶纤维的极限破坏形式为塑性破坏，而且还是它的优势所在，其在抗剪方面也有很大的优势，在加固墩子时一般也是利用它优异的抗剪性能，但芳纶纤维在裁剪时须用专门的陶瓷剪刀。
4、FRP复合材料的选择
4.1环境影响
在高碱度和高潮湿度的地区，宜选择碳纤维复合材料，不宜选择玻璃纤维复合材料；在温度变化较大的地区，玻璃纤维的热膨胀系数与混凝土相似，宜选择玻璃纤维；玻璃纤维和芳纶纤维是良好的绝缘体，而碳纤维是可导电体，为避免钢筋的潜在电流腐蚀，碳纤维材料不应与钢筋直接接触。
4.2荷载影响
对于经常承受冲击或振动荷载的结构，应优先选择芳纶纤维和玻璃纤维复合材料，它们的韧性、抗冲击性能都比碳纤维复合材料好；对于要求耐蠕变和疲劳的结构，应优先选择碳纤维复合材料，碳纤维材料耐蠕变和疲劳的能力比芳纶纤维和玻璃纤维材料好得多。
4.3保护层影响
保护层的厚度和类型应根据FRP复合材料的要求选择。对环境的抗力（如潮湿、温度、冲击、曝晒等）、施工现场抗力、人为破坏的抗力等，应采取有效的保护措施，以免使FRP复合材料的力学性能减退。保护层通常采用两种方法：①在FRP复合材料外加厚树脂胶层，提供有弹性的保护层；②在FRP复合材料外粉抹一层高强水泥砂浆，保护FRP复合材料不受损害。
复合材料论文范文3
要
不饱和聚酯(UP)复合材料是一种热固性材料，是增强材料领域中使用最为普遍的热固性树脂，该树脂加入引发剂发生自由基聚合反应，固化后成为不溶不熔的热固性材料。与一般微观复合材料相比，含有少量蒙脱土的纳米塑料表现出优异的综合性能，因此它们比常规填充复合材料要轻。良好的性能组合、简单的加工工艺和低廉的价格使得纳米塑料在各种高性能管材、汽车及机械零部件、电子和电气部件等领域中有广泛的应用前景。
用插层复合的方法制备有机-无机纳米复合材料是近年来材料科学领域发展的热点，具有理论意义及应用前景.熔体插层是插层复合的一种重要复合方式，它可用传统的熔体共混技术制备纳米复合材料，方法简单，不需溶剂，易于工业化生产。
本文简述了不饱和聚酯/蒙脱土纳米复合材料的特点，介绍了插层法制备不饱和聚酯/蒙脱土纳米复合材料的方法，展望了应用前景。
关键词：蒙脱土， 插层，纳米复合材料，不饱和聚酯
UP/MONTMORILLONITE NANOCOMPOSITES
Abstract The kinetics of isothermal crystallization of UP/montmorillonite nanocomposites with different content of montmorillonite prepared by melt intercalation process has been investigated by intercalation.It is shown that the presence of nanometer montmorillonite particles displays a high propensity to nucleate UP crystallization，enhance the crystallization rate of UP，reduce the surface free energies of the developing crystals and improve the behavior of isothermal crystallization of UP dealt with the Avrami and Hoffman theories.The crystallization process of UP is composed of two stages:the spherulite growth stage and the spherulite nucleation stage.With the increment of the clay content in the UP/montmorillonite nanoconposites，the crystallization rate parameter k decreases and the surface free energy of theUP crystals increases;the spherulite growth stage would become the main stage of the crystallization process in place of the spherulite nucleation stage.Key words UP， Montmorillonite， intercalation， Nanocomposites
目
录
摘 要
第一章
绪
论
第二章 纳 米 材 料
2.1 纳米材料的基本概念和性
2.1.1 纳米材料的主要研究内容
2.1.2 纳米材料的主要性质
2.2 纳米复合材料
2.2.1 纳米复合材料分类
2.2.2 纳米复合材料性能
2.2.3 纳米技术的突破点
2.2.4 高分子基纳米复合材料
第三章 不 饱 和 聚 酯
3.1 饱和聚酯复合物
3.2 不饱和聚酯的性能和应用
3.2.1 层压塑料与模压塑料
3.2.2 云母带黏合剂
3.2.3 油改性不饱和聚酯漆
3.2.4 无溶剂漆
第四章 蒙 脱 土
4.1 蒙脱土的结构及特性
4.2 插层法复合技术
4.3 插层法的优点
第五章 复 合 材 料 的 制 备
5.1 不饱和聚酯/蒙脱土纳米复合材料分析
5.2 部分实验
5.2.1 实验原料
5.2.2 实验步骤
5.2.3 复合机理
第六章 性 能 讨 论
6.1 插层法制复合材料优点
6.2 实验分析
6.3 数据及结果
结 论
参 考 文 献
致 谢
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复合材料论文范文4
关键词：复合材料，细观结构，有效属性，均质化
0引言
复合材料是由两种或两种以上组分材料组成的新材料, 根据不同的需要，可以选取不同的组分材料和细观结构来优化材料的性能，在航空航天、建筑、交通等领域得到越来越广的应用。为了预测复合材料的宏观力学属性，人们提出了许多的方法。早期主要以解析模型为主，如Eshelby等效夹杂法[1]、微分法[2]、Mori-Tanaka法[3]等，这些方法只考虑了复合材料结构的一些基本信息，而忽略了复合材料内部的结构特征，计算精度和适用范围有限。随着计算机技术的发展，数值法得到了广泛的应用，如通用元胞法[4-5]和有限元方法[6-8]，其方法通常是对复合材料细观结构的“代表性体积元”（RVE）进行力学分析，进而获得其宏、细观力学性能。数值法很好地考虑了复合材料细观结构特征，预测精度较高。
对于高填充比和填充颗粒尺寸跨度大的复合材料，如固体推进剂[9]，建模时为了使RVE具有代表性，模型中通常包含数百个颗粒，数值法预测这类材料的有效属性时前处理变得异常困难。毕业论文，有效属性。为了解决这一问题，B. Banerjee[10]利用一种递归算法预测了复合材料PBX9501的有效弹性属性，但是该算法所采用的正交化网格并不能很好的反映颗粒的边界。毕业论文，有效属性。K. Matous[11]在进行固体推进剂损伤分析时，通过Mori-Tanaka方法将基体与小尺寸颗粒均质化为一种混合物。毕业论文，有效属性。
本文将不同尺寸类型的颗粒分别与基体进行均质化，提出一种预测复合材料有效弹性模量的多步骤方法。利用多步法计算了不同填充分数和组分模量比复合材料的有效弹性属性，并与全尺寸有限元计算结果进行了对比。
1多步骤法
高填充分数和颗粒尺寸跨度大的复合材料细观结构RVE通常很大，如图1所示。多步法将预测有效弹性属性的过程分为几个步骤，首先将小颗粒与基体视为一种混合物，利用有限元或细观力学等均质化方法计算出其有效属性后，再把它当成一种新的基体，如此反复，直至计算出整个代表性体积元的有效属性，过程如图2所示。在每一步计算过程中，与基体相混合的颗粒种类越多，计算精度也越高，同时计算模型也越大。多步法计算过程中，参与混合的颗粒体积分数通过下式计算得到：
（1）
其中，为颗粒在“混合物”中的体积分数，，为参与均质化的颗粒和基体体积分数。
图1 复合材料“代表性体积元”
Fig .1 RVE of composite
图2 多步法预测复合材料宏观有效属性过程
Fig.2 Progression of propertyprediction of multi-step method for composite
2均质化方法
2.1有限元法
利用有限元方法预测复合材料有效属性时，首先在将“代表性体积单元”进行网格剖分，再施加周期性边界条件模拟均匀介质的力学行为。周期边界条件表示为
(2)
其中，为RVE的边长，，为施加于边界上的位移载荷。假定平面应变情况下，通过有限元方法计算得到的细观应力、应变场为和，对其进行体积平均得到平均应力（有效应力）和平均应变（有效应变）
（3）
（4）
其中，，为平均应力和平均应变，，为单元平均应力和单元平均应变，为单元数，为单元体积。则二维杨式模量和泊松比计算如下
（5）
（6）
三维杨式模量和泊松比可通过上式转化得到[12]
（7）
（8）
2.2 Mori-Tanaka方法
解析法中，由于Mori-Tanaka方法计算简单，同时在一定程度上考虑了复合材料中夹杂之间的相互作用，成为预测复合材料有效属性的有效工具，对于多相复合材料，其体积和剪切模量可表示为[13]
（9）
（10）
式中，，，，，,分别为体积模量和剪切模量，为体积分数，下标和0分别代表第相颗粒与基体, 为相的数目。杨式模量和泊松比为
（11）
（12）
由(9)-(10)可知，Mori-Tanaka法只考虑了颗粒体积分数，而忽视了复合材料中颗粒的形状、大小及分布等结构特征。
3计算结果
考虑三相颗粒增强复合材料，各组分为各向同性弹性材料，具体组成及力学参数如表1所示。计算中，颗粒体积分数为40％～70％, 颗粒1与颗粒2之间的体积比为1:1.8。迭代法预测该复合材料的有效弹性模量分两个步骤，每一步分别用有元法（FEM）或Mori-Tanaka（MT）方法计算，计算结果与全尺寸RVE的有限元和Mori-Tanaka计算结果进行对比，全尺寸模型颗粒总数为90，每个单步中颗粒数为50。毕业论文，有效属性。四种多
步法与全尺寸有限元计算结果如图3所示
表1 复合材料组分参数
Tab.1 Parameters of composite constituents
复合材料论文范文5
关键词：超薄；金属内衬；轻量化；复合材料；压力容器；设计制备；研究
近年来，随着新技术以及新设备的不断发展与应用，工业生产与加工制造中对于携带液体燃料以及高压气体的压力容器提出了高气密、轻质量以及长寿命等更高的设计与制造要求，使得高结构效率的轻量化复合材料压力容器成为一个热点问题。下文将结合这一背景条件，根据带金属内衬复合材料压力容器中内衬的作用以及复合材料结构层进行承担荷载的特征，提出一种含超薄金属内衬轻量化复合材料压力容器的设计与制备技术，具体报道如下。
1.复合材料结构层的刚度优化设计方法分析
进行含超薄金属内衬轻量化复合材料压力容器的设计与制备实现，主要就是以减薄金属内衬的厚度和实现复合材料结构层的刚度优化为主，以实现超薄、轻量化、高强复合材料结构层刚度的设计与制备目的。首先，在进行复合材料结构层的刚度优化设计中，本文主要采用一种基于稳定缠绕理论的结构刚度优化设计方法，对于复合材料结构层的刚度实现优化设计。工业生产与加工制造中，对于复合材料压力容器的结构层刚度优化设计，多是使用网格理论进行复合材料压力容器强度设计实现的，它主要应用经验进行滑线系数取值确定后，通常对于一般湿法缠绕取值多为0.15到0.2之间，而干法缠绕取值多为0.39，然后应用公式对于可缠绕范围进行求解，并给定初始缠绕角，通过在缠绕机上进行大量的工艺试验后，对于初始缠绕角进行排线修改，以找出能够满足缠绕工艺稳定性要求的线型和缠绕角，最终根据这个缠绕角进行设计制备压力容器的刚度校核，以完成对于复合材料压力容器的结构刚度优化设计。
（1）
上述公式（1）中，a表示的是缠绕角，λ表示的是滑线系数，r表示的是芯模母线方程， 、 表示的是芯模母线方程的一阶和二阶导数，其中 。
上文所述的这种基于试错试验的复合材料结构层刚度优化设计方式，在优化设计过程中，难以对实际的稳定缠绕范围进行获取，因此也就无法进行复合材料压力容器结构的刚度优化实现，在实际设计制造中就不能够最大化的实现纤维强度发挥，难以实现复合材料压力容器减重与轻量化的目的。
根据这种设计方法的缺陷与局限性，本文通过进行一种基于稳定缠绕理论的结构刚度优化设计方法的设计构建，来实现对于复合材料压力容器的结构刚度优化设计。基于稳定缠绕理论的结构刚度优化设计，主要通过对缠绕纤维和芯模表面间滑线系数的精确表征，对于真实可靠的滑线系数进行测量求得，同时在获取滑线系数和缠绕角的连续对应关系后，通过上述公式（1）对于可稳定缠绕范围进行准确求得，同时通过对于可稳定缠绕范围内每一缠绕角对应的纤维轨迹厚度、刚度等进行预测计算，以实现在稳定缠绕范围内，对于复合材料压力容器结构刚度的优化设计，使得复合材料结构能够最大效率的发挥纤维强度，提高结构效率，实现复合材料压力容器设计制备中减重与轻量化的目的。
在基于稳定缠绕理论的结构刚度优化设计方法中，对于缠绕纤维以及芯模表面间滑线系数的精确表征以及可稳定缠绕范围的求解实现，主要是根据一般曲面稳定缠绕原理，通过对芯模表面上落纱点的力学分析，在进行一种具有自主知识产权标定模型设计基础上，实现对于缠绕纤维以及芯模表面间滑线系数的精确表征和可稳定缠绕范围求解。值得注意的是，设计建立的具有自主知识产权的标定模型，在固定缠绕角情况下，沿其母线方向任意点的纬度圆半径和该点的滑线系数之间满足线性关系。其中，该模型的母线方程为下式（2）所示。
（2）
在上示公式中，R表示芯模直线段处的半径，C是一个常数。通过该标定模型能够精确对于缠绕纤维和芯模表面间滑线系数值进行表征，能够为稳定缠绕范围以及复合材料压力容器结构刚度优化进行参数提供。
2.大尺寸超薄金属内衬的成型设计方法分析
本文主要以铝合金材料为主，对于大尺寸超薄铝合金内衬的设计成型方法进行分析。在压力容器设计制造中，由于铝合金材料本身具有气密性高以及密度小、介质相容性突出等特征优势，是轻量化复合材料压力容器设计制备中金属内衬的首先材料，并且该材料在压力容器的整个设计制备中占有比例达到1/3以上。此外，应用铝合金作为金属内衬材料进行轻量化复合材料压力容器设计制备中，如果铝合金的内衬厚度每减薄0.1毫米，复合材料压力容器的重量将减轻3%到6%，能够满足材料压力容器设计制备中实现减重的目的。
由于轻量化复合材料压力容器直径的越来越大，实现大尺寸超薄铝合金内衬的成型设计具有较为突出的难度。针对这一情况，通过在封头部分使用旋压工艺，然后与筒身进行焊接成型的设计制备方法，实现大尺寸超薄铝合金内衬的成型设计，制备出了封头和筒身厚度在0.8毫米以下，直径在745毫米以上的系列超薄铝合金内衬，很好的满足和实现了轻量化复合材料压力容器设计与制备。
在进行含超薄金属内衬轻量化复合材料压力容器设计制备中，完成减薄金属内衬厚度与复合材料结构层的刚度优化设计后，要想完整的实现对于含超薄金属内衬轻量化复合材料压力容器的设计制备，还需要进行超波金属内衬和复合材料变形的协调控制，同时对于轻量化复合材料压力容器的设计制备进行自动修复，以保证设计制备质量和效果。
3.结束语
总之，含超薄金属内衬轻量化复合材料压力容器的设计制备实现，能够满足压力容器设计制备的高气密以及轻质量、长寿命的要求，对于推动压力容器设计制备技术水平的发展提升有着积极作用和意义。
参考文献：
[1]王霞，宋文轩.大型煤制甲醇装置压力容器的设计与制造研究[J].化学工业.2010（9）.
复合材料论文范文6
关键词:大展弦比机翼; 复合材料; 盒型梁; 有限元; MSC Patran; MSC Nastran
中图分类号:V211.47; O241.82
文献标志码: A
Dynamic analysis on high aspect ratio composite wing
WANG Hongwei,YANG Mao
(School of Astronautics,Northwestern Polytechnical Univ.,Xi’an 710072,China)
Abstract:With the issue that structural nonlinearity has great effect on dynamic characteristics of high aspect ratio wing,the finite element modeling is built for high aspect ratio composite wing by using MSC Patran and Nastran,which is modeled as a thin-walled box beam. The effects of large deflections on dynamic characteristics of wing are studied. The computation results of composite box beam model are compared with metal box beam model. The effects of ply sequence of composite on dynamic characteristics are also discussed. The results indicate that the natural frequency of composite wing are higher than that of aluminum alloy wing,and ply sequence can influence the natural frequency of composite wing.
Key words:high aspect ratio wing; composite; box beam; finite element;MSC Patran; MSC Nastran
0 引 言
高空长航时飞行器在长期侦察监控､环境监测和通信中继等军民两用方面具有非常广阔的发展前景,因此受到世界各国越来越多的重视,现已成为各国重点发展的武器装备之一.采用大展弦比机翼布局形式的飞行器因具有高升阻比特性,所以留空时间长､航程远.因此,高空长航时飞行器大多数采用大展弦比机翼布局形式,并普遍使用轻质､高比强度和高比刚度的复合材料结构.大展弦比和柔软的机翼导致飞机在正常飞行条件下机翼产生相当大的变形(翼尖位移可达半展长的25%).在气动载荷作用下,大展弦比机翼会产生较大变形;而大变形又对气动载荷重新分布和全机性能影响很大.这种气动/结构耦合的特点使飞行器飞行速度受到限制,飞行品质受到影响,机翼的自然频率和机翼的气动弹性特性产生明显变化.大展弦比机翼显著的几何非线性特征和复合材料的各向异性特性,使一般的线性气动弹性分析不能得到比较精确的结果.[1,2]
0.1 国内研究现状
由于缺乏型号支持,国内对大展弦比机翼气动弹性研究起步较晚,在理论研究和实际工程应用上与国外先进技术有一定差距.国内在大展弦比机翼动力学和气动弹性分析方面的理论研究主要集中在结构设计､结构几何非线性的影响､气动弹性分析与优化以及气动弹性剪裁上.对于大展弦比复合材料机翼的气动弹性分析主要集中在静气动弹性分析和颤振分析[3-7]上,很少进行动态响应分析.并且,国内多数研究[4]或使用线性结构模型及气动模型,或没有考虑复合材料机翼的刚度耦合问题.建立结构模型时多使用MSC Nastran软件[3-6];建立气动模型时多采用二维Theodorsen非定常理论结合气动片条理论[3-5],虽然THEODORSEN在20世纪早期就提出该理论,但目前国内外很多分析仍在使用该理论进行气动建模;在计算非定常气动力时多采用亚音速偶极子格网法[3-5],有的还采用CFD/CSD方法[7];在颤振分析时多使用V-g法和p-k法,而p-k法更适合在颤振速度优化时使用[5].另外,国内研究[3-7]主要针对详细设计的校验以及识别主要参数的影响,采用试验模型修正,对大展弦比复合材料机翼颤振物理特性研究还不够,不能更好地指导初步设计.
0.2 国外研究现状
美国从发展“U―2”有人侦察机到目前正在服役的“全球鹰”无人侦察机,再到采用大展弦比复合材料WBT(Wing-Body-Tail)､飞翼和连翼布局的更为先进的传感器飞行器(SensorCraft)[8],在高空长航时无人机的工程应用上一直处于领先地位,在大展弦比机翼气动弹性领域的研究也达到相当高的水平.目前,其关于气动弹性的主要研究仍然是机翼的颤振分析与优化以及气动弹性剪裁问题.
直升机旋翼所处的气动环境和工作环境都比固定翼要复杂很多,气动弹性问题是旋翼动力学研究的中心问题之一.PATIL等[9-12]把对直升机旋翼的研究理论应用在大展弦比机翼上,把机翼简化成矩形薄壁复合材料盒型梁,使用Theodorsen非定常理论计算非定常气动力,使用V-g法进行颤振分析;他还把整机简化成1组悬臂梁进行气动弹性分析,把用于结构动力学分析的几何精确､混合变分方程和ONERA动力学失速模型耦合在一起;其研究结果表明,颤振速度的降低由机翼的弯曲与扭转之间的非线性耦合引起,使用复合材料剪裁可以有效消除弯扭耦合.SMITH等[13]把非线性结构梁理论和Euler方程耦合在一起,研究大展弦比机翼的气动弹性,研究结果表明线性结构下估计的翼尖弯曲和扭转变形只占非线性下的3%~5%.
1 运动方程
由文献[14]知,如果不存在外激励,则梁的无阻尼自由振动方程为分别代表材料的弹性模量､转动惯量､密度､截面积和悬臂梁的长度,即可得到悬臂梁固有频率的理论解,并将此理论解与MSC Nastran求得频率进行比较.
2 算例及结果分析
因为模态和固有频率是进行大展弦比复合材料机翼气动弹性分析与优化的基础,所以建立基于几何非线性的大展弦比复合材料机翼的结构有限元模型,分析机翼结构动力学特性,求解机翼在大变形状态下的振动模态与固有频率.研究对象是典型的全复合材料大展弦比机翼,将该大展弦比机翼简化成矩形薄壁复合材料悬臂盒型梁,算例研究一展弦比为30的长直机翼,重心位于50%弦长处.有限元建模工具为MSC Patran,由MSC Nastran进行机翼的结构模态分析和固有频率计算.
2.1 有限元建模
真实机翼结构具有无限自由度,且由各种不同力学特性的构件组成,要对结构进行分析计算必须将真实结构简化为有限自由度计算模型.分析中将大展弦比机翼简化成悬臂梁,分别建立展弦比为30的铝合金盒型梁和复合材料盒型梁模型,长为 15 m,截面尺寸见图1.选用的复合材料为T 300/5208碳/环氧(具体参数见表1),单层厚度0.25 mm,共8层,以对称形式铺层.复合材料机翼模型除了采用复合材料元素以外,其他都与金属材料一样.
2.2 固有频率计算
依据机翼与机身的连接方式,将大展弦比机翼简化成悬臂盒型梁,进而进行固有模态分析.计算出前几阶固有频率,见表2.表中同时列出铝合金机翼固有频率的理论结果.可以看出,计算结果与理论结果基本一致,说明有限元建模比较准确.
从表2可知,铝合金材料的大展弦比机翼的低阶频率较低.金属材料难以满足大展弦比机翼对于弯曲刚度和扭转刚度的要求,并且机翼结构重量很重.为了提高大展弦比机翼的各阶频率,采用T 300/5208碳/环氧复合材料进行机翼的固有特性分析,结果见表3.
由表3可知,铺层顺序为[90/45/-45/0]s的复合材料盒型梁的弯曲频率最高,所以弯曲刚度最大,进而承受弯曲能力最强;铺层顺序为[0/45/- 45/90]s 的复合材料盒型梁的弯曲频率最低,故承受弯曲能力最弱;铺层顺序为[90/45/-45/0]s的复合材料盒型梁的扭转频率最高,所以具有最大扭转刚度和最强承扭能力.显而易见,与金属材料相比较,复合材料机翼结构能够明显提高机翼低阶的固有频率,大幅度提高机翼承受弯曲和扭转的能力;同时还能减轻结构重量.复合材料不仅可以大幅度提高飞机结构效率,而且使飞机隐身/气动弹性､综合性能得到改善和提高.
3 结论与展望
以全复合材料大展弦比机翼为研究对象,以机翼为算例进行固有振动计算,将大展弦比机翼简化成悬臂盒形梁进行固有振动分析,并将复合材料机翼与金属材料机翼的各阶固有频率进行比较,同时还研究复合材料铺层顺序对机翼固有频率的影响,得到如下结论:
(1)在展弦比相同的条件下,复合材料机翼结构的各阶固有频率明显高于金属机翼结构;
(2)在展弦比不变的条件下,复合材料铺层顺序的改变可以影响机翼的固有频率,而机翼的1阶摆振频率根本没有变化.
在进一步的研究中,应建立大展弦比复合材料机翼的气动弹性模型,利用复合材料的方向可设计性,进行气动弹性剪裁,实现静､动气动弹性的优化设计.
参考文献:
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