复合材料论文范文
时间：2023-03-27 09:12:42
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篇1
家具设计应在物质技术条件的基础上，与材料、结构、工艺密切结合，尽量做到材料多样化，产品标准化，零部件通用化，使所设计的产品与现有的技术装备及工艺水平相适应，避免设计与生产实际脱节。同时，物质技术条件是实现使用功能要求和造型艺术的重要保证。
2木塑复合材料的设计属性
2.1外观属性
材料的外观属性通常包括形态、色彩、肌理等方面。木塑复合材料大部分是挤出成型的，因此可以制造出凹凸的肌理，使其富有特殊的装饰效果（图4），但大多数情况下只能呈现直线状态[4]。木塑型材的通孔设计（图5）一方面可以丰富木塑复合材料的形态特征，使其呈现多变的断面形态，同时可以减轻重量，从而节约成本。在木塑复合材料中加入着色剂[5]，不仅能使木塑制品显示出各种各样的色彩外观（图6），而且也可以改善其耐候性。随着对木塑复合材料的深入探究以及技术的突破，木塑产品表面还可以制成类似木材的纹理和色泽，营造温暖亲近的感觉。此外，木塑复合材料还可以覆盖塑料表层[6]，增加材料颜色的多样性和耐潮湿性。
2.2加工性能
目前，木塑复合材料的成型工艺主要有三种：挤出、热压和模压。挤出成型凭着工艺简单，而且加工周期短、效率高，与其他加工方法相比，更广泛地应用于工业化生产中。木塑复合材料采用的主要连接方式有以下三种：胶接、焊接和机械连接。机械连接有连接件连接、钢钉连接和复合材料专用螺钉连接，相关实验表明，螺钉连接的木塑构件可以进行多达十次的拆装[7]。
2.3其它性能
木塑复合材料同时具有耐磨、耐腐蚀、防水和尺寸稳定性好等优点。在制造过程中加入阻燃剂，可使木塑复合材料具有一定的阻燃性，因此，可将其应用在具防火要求的公共家具设计中。此外，木塑制品本身同时具有可回收性、良好的经济性和环保性。比如在北京奥运会的工程建设中[8]，就大量利用了这种环保的木塑复合材料（图7）。
3木塑公共家具设计实践
3.1木塑露天桌椅
在加工过程中添加了阻燃剂的木塑复合材料具有优良的阻燃性能，适用于公共场所。这里把木塑复合材料设计成长短不一的条状板，以点、线、面的概念，构成木塑露天桌椅（图8）。整套桌椅统一采用金属作为底架，条状木塑板作为面板材料，营造出空间环境的整体感。在材料上，木塑复合材料的凹凸肌理与金属的精致肌理形成对比，木塑复合材料的温暖感与金属的冷峻感形成视觉感受上的对比。同时，不同色彩的金属与木塑复合材料的组合也可呈现出不同的视觉效果（图9），为人们的公共场所营造出温暖、清新、自然的现代感。在结构上，零件之间采用可拆装的螺钉连接，既方便安装，又可以降低运输成本。另外，玻璃下层可置菜单或广告单（图10），便于现代商业化宣传。
3.2木塑书架
这款供图书馆使用的六层双柱双面木塑书架（图11），在外观造型上，立柱部分处理成深色，旁板和层板处理成浅色，进行深浅色彩搭配，以塑造书架的平衡感。立柱设计成四面均带凹槽的结构，用于旁板的嵌入，既方便使用时的安装，同时使凹凸肌理成为一种装饰。立柱顶部的装饰件采用模压技术制成，可标准化批量生产。在加工工艺上，书架的立柱、旁板和层板均采用挤出成型工艺进行生产，利用木塑复合材料的凹凸肌理完成立柱与旁板、旁板与搁板的搭接（图12），减少了五金连接件的使用。在功能上，结合人体工效学原理，考虑到旁板横向凹凸肌理的需要和挤出成型工艺中幅面的限制，将旁板设计成多段拼搭结构，根据书籍的尺寸大小，其凹凸肌理按照比例进行合理设计，利于层板的高度调节，方便图书馆中不同尺寸大小的图书摆放。此外，旁板的双面凹凸肌理设计，使相邻两书柜柜体共用同一块旁板，一方面可根据室内空间的大小对书架数量进行调整，满足其在功能上的延伸，同时可充分利用空间资源，有效降低生产成本。
3.3等候椅与花坛
据调查，生活中等候场所（如火车站候车厅）的候车椅大部分为金属材质，这种材质虽强度较高，但因候车场所一般人流量比较大，对家具的耐久性自然要求比较高，金属表面掉漆以及生锈等后期维护工作并不易进行。并且金属制等候椅常给人冰冷的视觉感受，其舒适性也有待提高。相比较而言，木塑复合材料继承了木材和塑料的双重性质，具有温和自然的视觉和触觉感受，且它的强度并不逊于金属。因此可将其运用于人流量比较大的公共场所，进行如下设计。这款木塑休息椅（图13）删繁就简，没有多余的装饰，造型简洁。等候椅底部为金属支架，椅面为木塑材料组成的等腰梯形。等腰梯形的座面设计是为了便于使用者根据空间大小来调节休息椅的长度（图14），利用等腰梯形的特性，休息椅的长度延伸可以更显自然。在色彩上，木塑复合材料在生产过程中通过增加着色剂可以造出各种色彩的产品，这款公共场所的休息椅正是运用这一特性，设计出彩虹般色彩的椅子，为等候场所增添几分色彩和乐趣。结构上采用螺钉连接。此外，设计的配套花坛（图15），既可以给等候场所带来几分自然的气息，还保护了座椅的端面。花坛的数量可根据场所需要自由调整（图16）。
4结语
篇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。
篇3
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
篇4
关键词：复合材料，教学改革，选修课
【中图分类号】TB33-4
复合材料是由两种或两种以上的物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料，与传统材料相比，复合材料具有许多优点，比如其成分及性能的可设计性高，由于加入了高性能的增强相，其强度和弹性模量很高，尤其是比强度远高于传统材料，另外还具有抗疲劳、断裂性能好、结构功能一体化等一系列优越性能，是其他材料难以替代的功能材料和结构材料，在国防、机械、化工、医疗等各领域有广泛的应用，是新技术革命赖以发展的重要物质基础。目前，复合材料已成为新材料研究领域的重要方向，对于材料科学的发展意义重大。正因如此，众多高校非常重视复合材料课程的开设，《复合材料》是材料学院材料科学与工程、金属材料、高分子材料等非复合材料专业本科生的专业选修课之一。根据复合材料涉及的分类，这门课程主要讲述复合材料增强体、复合材料的设计原理、聚合物基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料等内容。通过学习，使学生了解复合材料的基本理论知识、分类及其应用前景，掌握材料所具有的使用性能，以及常见复合材料制备方法，以提高对于复合材料的设计、制造、性能及应用能力。但本课程的特点是内容繁杂，涉及了基体、增强体、复合原理、材料设计、成型方法及工艺、生产设备等内容，涵盖化学、物理、计算机、工程学等方面的基础课程。因此，在教学中普遍存在学生对所涉及的概念、理论不甚理解，导致厌学、重视不足现象，同时也存在教师很难将知识点一一阐述透彻，学生难以进行深入的学习等问题。另外，该课程多为陈述性内容，在授课过程中很容易陷入乏味的陈述之中，使得学生对本门课程无法提起兴趣。因此，针对以上题，本课程需要在教学过程中进行了改革，并分析复合材料学课程理论教学改革的方法和意义，以期为高等院校的相关课程和专业建设提供一定的参考。
1 授课内容改革
大学教育是创造性人才培养的摇篮，其专业选修课教学内容旨在开阔学生的视野，提高其创造创新能力，因此在教学中应该剔除陈旧的知识、固定的模式。《复合材料》这门课程的知识信息量比较大、直观性比较强，其内容涉及聚合物基复合材料、功能复合材料、陶瓷基复合材料、无机复合材料、金属基复合材料等诸多方面，但是在本科生培养计划改革中，该课程由原来的32学时压缩为16学时左右，在指定的教学时限内很难完成课程全部内容的教学。因此，需要对课程的内容进行进一步精简、合并，尽可能在体现其完整性的同时突出发展前沿的内容，教材也必须作整合化“手术”，在个性化的教材之中养成学科的风格与特色。例如，在我校材料科学专业主要是以金属材料为主，因此要重点学习金属基复合材料，在充分讲述了金属基复合材料的设计、制造、界面表征及性能分析后，要着重描述金属基复合材料的目前的研究及应用现状、发展方向以及存在的主要问题。而陶瓷基等复合材料则在介绍其总体理论后可以针对于某些发展方向进行延伸讲授，在完成大纲要求内容的同时，要突出重点和难点内容，使学生在明晰总体脉络的情况下，能够抓住主要方向，只有这样才能在较短的时间内达到较好的学习效果。
2 革新教学方法
前已述及，《复合材料》这门课的知识体系非常宽广、内容丰富、实用性较强，其内容归纳起来具有以下特点：一是课程内容包含的专业知识和门类非常多，并应用很多基础学科的知识来分析材料中的具体问题，有的内容非常具体而复杂，如复合材料的界面结合理论，有的内容则比较抽象而难懂，如材料的晶体结构和力学性能的微观机理等；二是同时具有很强的理论性与实践性，一方面有很多的理论分析与公式推导，在分析和推导的过程中要建立具体的物理模型，并结合材料内部的具体结构进行相应的处理；另一方面要应用基本理论和方法来分析、解释和处理材料方面的实际问题；三是该课程内容中包含大量抽象、复杂且不易理解的概念。如果使用传统的黑板加粉笔的教学方式，只能是学生得到一些感知的内容，无法使其得到直接的体验，显得枯燥无味呆板。好在现在各学校基本上都普及了多媒体教学，为了吸引学生在课堂上的注意力，提高学生们的学习兴趣，实现本课程教学的最终目标，需要在多媒体教学的基础上对教学手段进行相应的改革。可以从以下方面入手：
（1）在教学中把多媒体、影像资料、CAI 课件等现代化教学手段应用到在教学中，在课堂上用文字、图片、动画和视频以及声音等资料来进行教学活动，可以在有限的时间内提供给学生最大的知识信息量。
（2）采用授课―交流―讨论的流程，通过向学生讲解与授课内容相关的学术论文，让学生从科研的角度认识复合材料，同时了解复合材料发展的动态，并与其在各领域的应用结合起来。授课的同时积极与学生进行互动交流，共同探究论文中学术论点，必要时可以让学生自己查阅总结科研文献的观点，并进行分析评阅，进而提升自身综合实力。
（3）《复合材料》这门课程陈述性内容较多。如果采用“以教师为主体、以课堂为中心”传统的灌输式教育，会使课堂教学气氛呆板，使得学生的创造性思维受到严重束缚，既降低了学习效果，也忽视学习能力的培养、科研能力的培养。因此在教学过程中，除了对本门课程的难点和重点知识点进行详细讲解外，其他容易理解的内容，可以让学生先在老师的引导下自行阅读并完成读书报告，然后老师对其读书报告进行讲评，这种自学方式有利于培养学生的自学能力。
3 优化考核办法
课程考核是大学教学活动的重要环节，是对教师授课及学生学习效果的检验，对督促学生主动学习，引导和促进学生潜能、个性和创造性等的培养具有重要作用。《复合材料》课程涉及的领域广、范围大、知识点多，如果单纯以闭卷答题的方式进行考核，则会在一定程度上约束学生的思维，不利于考查学生的综合运用知识分析问题和解决问题的能力，无法全面评估学生对这门课程的掌握情况，因此，如何既能充分发挥学生的创造性，又能达到考核的目的，这是亟需解决的问题。《复合材料》是一门专业选修课程，期考核方式可以相对灵活一些，能够采用综合考核、灵活应试的办法，在研习传统考试模式的前提下，提高平时考核成绩的比重，在平时成绩的考核中，可以采用学生在课堂上发言和讨论、撰写读书笔记和科研报告等多种方法对学生进行综合考核，尤其是让学生撰写科研报告，报告中要求学生通过阅读相关专业书籍及国内外期刊，总结出复合材料最新研究进展、应用技术及发展趋势等内容，以此提高学生对所学知识的掌握，并使学生在考核过程中掌握了科研论文的查阅总结能力。将这几种考核方式相结合，可以促进学生在学习过程中积极主动地参与，避免平时不用心学习，考试时突击学习情况的发生。
4 结语
课堂上教师的“讲授”是为学生的“学习”作铺垫和服务的，讲授过程中教师应该是导演，是学生学习的引导者。因此，教师应该积极与学生互动，在此过程中，教师要大胆放手，让学生充分发挥主观能动性和创造性，想方设法激励和引导学生积极主动地去探究、去思考，并乐于实践；只有这样，才能实现“先学”的目标，才能把课堂的主动权真正还给学生，突出学生是课堂教学的主体地位。
总之，《复合材料》作为一门专业选修课程，其教学改革是一项系统的改革，要运用各种有效的教学手段，采取科学合理的综合考核形式，培养学生获取知识的能力、综合能力、创新能力、发现问题和解决问题能力以及养成良好的科学素养。
参考文献
[1] 王献彪.材料学专业本科生课程创新能力的探索[J].文学教育.2010，（7）：69；
[2] 王献彪，徐文总，刘瑾等.《复合材料》课程互动式教学的实践与探索[J].广州化工.2012，40（10）：174-175
[3] 赵洪凯，肖力光，刘亚冰等.《复合材料》课程建设与教学研究[J].广州化工.2010，38（10）：229-230
篇5
关键词：复合材料；机械制造；应用；行业
对于复合材料而言，它主要是由两种或者两种以上性质不尽相同的材料经过各种施工工艺组合而成的新型材料，复合材料的每一组成材料在性能方面都发挥了很强的协同作用。复合材料具有强度好、刚度大、质量小等优势，能够根据不用的使用条件进行设计和制造，以满足各种不同的用途，从而大幅度提升工程结构材料及其功能材料的整体性能。通常情况下，复合材料拥有良好的比模量和比强度，并且化学稳定性好，耐磨、减磨、自滑性好，耐热性好，高抗热冲击性和高韧度，导热性和导电性能良好。所以，当前复合材料已经广泛应用于航空航天、机械制造、电子、纺织、医学、汽车工业等诸多领域当中，产业化形势初具形成。笔者通过本文，针对复合材料在机械制造上的应用进行阐述。
1.关于复合材料的基本概述
由于复合材料各组成材料在性能方面实现了协调，能够实现单组材料所不具有的优势，例如，复合材料具有强度高、刚度大、质量小等优点。
可将复合材料分为功能型材料与结构型材料，前者具有良好的耐磨、耐高温性，适用于机械零部件制造，在保证工件质量的同时，也可适当的增加其使用寿命；而后者则可以很好应用于机械设备制造中，它具有质量小、强度大等优势，有效降低了机械设备的重量。
2.在机械制造上应用复合材料
在制造机械的过程中，应该按照零部件工作环境的不同来确定原材料的选择、工作环境、受力分析和一些特殊的条件等等。一方面要保证零部件在工作过程中不能出现失效的情况，另一方面还要尽量的增加其实际使用寿命。下面将对部分复合材料的主要性能、特点及用途进行集中阐述。
2.1不锈钢复合钢板
不锈钢板是由合金元素组成，这些元素也决定了不锈钢板性能的差异；由于这些元素的存在，因此造就了不锈钢板具有极佳的耐化学腐蚀和电化学腐蚀性能，是在钢材里面是最好的。不锈钢复合板采用先进的真空轧制工艺，可以确保让不同材质材料之间形成原子结合，结合率可达100%。不锈钢复合板具有良好的导热能力，又具有防腐蚀功能，可大量用于焦化设备。如使用于蒸氨塔，可以提高蒸氨塔的使用寿命，降低运行成本；另外一方面因其防腐性能，又能应用于蒸氨设备。
2.2玻璃纤维复合材料
这种复合材料是热固性树脂和纤维的复合，其密度小、强度大、抗冲击性强。收缩性小、耐腐蚀。同时。热塑性树脂和纤维的复合，还具有良好的注射成形和低温韧性。
玻璃纤维复合材料通常运用到耐腐蚀、耐磨、绝缘、无磁、减磨和普通机械零部件、泵阀、管道和容器当中。
2.3碳纤维石墨纤维复合材料
这种复合材料主要是由碳-陶瓷复合、碳-树脂复合等，它具有良好的比模量、比强度、比刚度，而且线膨胀系数小、耐摩擦、自性和耐磨损性良好。此外，它还具有很好的耐热性和耐腐蚀性。
碳纤维石墨纤维复合材料在航空、宇航、原子能等工业中主要使用在压气机叶片、发动机壳体、轴瓦、齿轮、机翼上。
2.4硼纤维复合材料
这种复合材料主要是硼和环氧树脂或者铝复合而成，具有良好的比刚度和比强度。
硼纤维复合材料主要应用于火箭、飞机等构件当中，能够有效降低的机械设备的质量。
2.5晶须复合材料
晶须复合材料中的晶须为单晶，没有普通材料的空穴和错位等毛病，而且具有很强的机械强度。
通产情况下，晶须复合材料应用于涡轮叶片当中。
2.6石棉纤维复合材料
石棉纤维复合材料主要是纤维和树脂的复合，具有良好的绝缘性、耐磨性、耐热性和耐酸性。
石棉纤维复合材料主要应用在绝缘材料、制动机械部件和密封件当中。
2.7金属粒塑料复合材料
金属粒塑料复合材料主要是将金属掺入到塑料当中，能够有效改善自身原本具有的导电性和导热性，并降低线膨胀系数。
石棉纤维复合材料主要应用于铅粉加入氟塑料所做的轴承材料当中。
2.8陶瓷粒金属复合材料
陶瓷粒金属复合材料能够有效提升机械设备的高温耐磨性、抗腐蚀性以及等性能。
陶瓷粒金属复合材料中氧化物金属陶瓷主要用于高速切削材料和高温材料当中；而碳化铬则主要应用于耐磨喷、耐腐蚀、高温无、重载轴承的零部件当中。
2.9弥散强化复合材料
弥散强化复合材料主要是将尺寸比较小的硬质粒子均匀的分布于金属基体当中，从而极大地提升了机械设备的耐热性和强度值。
弥散强化复合材料一般应用于比强度较高、耐热性良好的工件当中。
2.10多层复合材料
多层复合材料主要是指钢-多孔性青铜-塑料三层的复合，具有良好的耐磨性和抗冲击性。
多层复合材料通常应用于热片、轴承以及球头座等耐磨件当中。
2.11多孔浸渍复合材料
多孔浸渍复合材料主要是指多孔材料浸渍到低摩擦系数的油脂或者氟塑料当中，能够有效降低摩擦力。
多孔浸渍复合材料一般应用于轴承、油枕当中，而浸树脂石墨则往往用于抗磨材料当中。
3.在冲压模具的制造上应用复合材料
因为各种各样的冲压模具所处的工作环境有所差异，因而，针对模具材料的要求也不尽相同。我们可以将这些模具材料大体上划分成三种：首先是冲裁模材料的要求；其次是拉伸模材料的要求；第三是冷挤压模材料的要求。对于这些模具制造来说，它们要求原材料能够承受振动、冲击、拉伸、高压、摩擦、扭曲等负荷，甚至还要在超高温条件下完成工作。从当前形势来看，制造冲压模具的材料大部分是以钢材为主，由于碳素工具钢在价格方面相对便宜，并且容易加工塑性，因而它被广泛应用于模具制造当中，然而其红硬性和淬透性较差，在进行热处理时将会发生较大的形变，并且承载能力低，不适用于塑性低、硬度大的零部件制造。例如，硬质合金钢的抗弯强度、韧性差，对于一些需要较强硬度和韧性的机械设备制造就无法满足要求，而复合材料在性能方面则具有较强的比强度和比模量，它能够有效抵抗刃口在工作过程中所受到的各种强烈冲击和摩擦。
4.结语
总而言之，复合材料科学是一种包含了诸多行业、领域的新兴学科，由于其具有质量小、强度大、加工便捷、弹性良好、抗化学腐蚀、耐候性好等优势，现已经广泛应用于航空航天、电子、汽车、医学、化工等诸多领域当中。近年来，针对新型复合材料的设计及其性能的研究与评价获得巨大进步，复合材料在材料工业当中所占比例也逐渐增加，因而产业化趋势得到显著加强。伴随科学技术的深入发展，复合材料也势必会在更多的领域和行业中发挥越来越大的作用。
参考文献：
[1]关锦清，文潮，刘晓新，唐仕英，林英睿，李迅，周刚.不锈钢复合板与16MnR钢冲击拉伸力学特性研究[J].兵器材料科学与工程，2010（01）.
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[4]王宏雁，陈君毅.汽车车身轻量化结构与轻质材料[M].北京：北京大学出版社，2009：50-153.
篇6
关键词：复合材料箱梁；连续梁；剪力滞效应；挠度；ANSYS
中图分类号： TB332文献标识码： A
Deflection analysis of composite thin-walled box continuous beam considering vertical shear deformation and shear lag effect
Han Bo Qi Tie
（China Railway Engineering Consultants Group. Taiyuan Branch, TaiYuan 030000,China）
Abstract: In this paper, considering vertical shear deformation and shear lag effect, differential equations of composite symmetrically laminated box beam under symmetrical bending are described firstly, and deflection functions in two-equal-span continuous beam under concentrated load P applied at mid-span respectively have been deduced. Finally, connecting with the concrete example of box beam, careful finite element analysis by using finite element software ANSYS is done for it, and comparing the result of the ANSYS finite element simulation with the theoretical results of this paper, the result demonstrates clearly that this method agrees well with the ANSYS finite element method, so the results are coordinate and accurate.
Key words：composite box; continuous beam; shear lag effect ; deflection; ANSYS
引言
复合材料层合薄壁连续箱梁具有优越的力学性能、良好的空间整体受力性能，节省材料等优点，在土木工程、航空航天工程等结构方面有非常好的应用前景[1]。在目前的复合材料层合薄壁箱梁研究中，研究多见于对简支梁的挠度函数和有限元的分析[2]，而对复合材料层合薄壁连续箱梁的研究却比较少，因此，复合材料层合薄壁连续箱梁的理论研究具有非常重要的意义。
基本假定及其控制方程
对于如图1所示的双轴对称铺设[3]，薄壁箱梁的翼板比较薄，于是竖向剪力Q由于主要由腹板承担，满足，以及，这样一来翼板处于一种平面应力状态，在对称弯曲条件下设其中面（y轴）的轴向位移，竖向位移，转角分别为，，，翼板上由剪力滞后效应所引起的纵向位移差函数为：。本文假设截面上任一点的轴向位移为：
（1）
对于图(1)所示的双轴对称铺设的复合材料层合薄壁箱梁的控制方程如下[4]：
（2）
图1层合箱梁示意图
上式中；分别为全截面的弯曲刚度及拉压刚度；均为上下翼板的弯曲刚度；均为左右腹板的面内剪切刚度，其中：、、为复合材料层合板的偏轴刚度；，，及，，分别为翼板第铺层及腹板第铺层的对轴惯性矩，截面面积，铺层厚度；，分别为弯矩和剪力，，，分别为考虑剪滞效应对总挠度的贡献、考虑剪切变形对总挠度的贡献和总挠度，其中，由的边界条件定出；m，n分别为翼板和腹板的铺层层数，为左右腹板的竖向剪切系数，考虑到剪应变在腹板上近似均匀分布，一般可近似取，也可采取[4]：
（3）
于是由上式构成了的定解问题，上述微分方程解的一般形式可写为：
（4）
式中为及有关的特解，积分常数，由边界条件定出。
两等跨连续梁分别在跨中受一集中力作用下的挠度函数推导
图2等跨连续梁示意图
由于对称布置，故只选择A-B段分析：
由结构力学解图2的超静定问题可得其的弯矩与剪力方程为分段函数：
（5）
（6）
剪力滞差值函数为[5]：
（7）
（8）
其中： ， ，
，
由式（2）可得：
将式（5）和（7）代入上式两次积分可得：
（9）
其中：， ，
将式（9）代入边界条件可得：
（10）
由式（2）可得：
将式（6）和（8）代入上式两次积分可得：
（11）
将式（11）代入边界条件可得：
（12）
将式（9）、（11）代入连续性边界条件:；可得：
（13）
（14）
由四个边界条件：（10）、（12）、（13）、（14）联立可解得：
（15）
（16）
（17）
（18）
其中： ， ， ，
,
当时，根据式（2）、（5）、（9）可得：
（19）
当时，根据式（2）、（6）、（11）可得：
（20）
于是，由式（15）~（20）构成了两等跨复合材料薄壁箱型连续梁分别在跨中受一集中力P作用下挠度函数的解。对于均匀材料梁有，，，（，分别为全截面及上下翼板对y轴的惯性矩，故可知对于均匀材料梁，，，，上述公式可直接退化成均匀材料连续梁的相应结果。
算例分析
已知长为的碳纤维两等跨箱型连续梁分别在跨中作用力P，其截面几何尺寸如图（1）所示，其中，，，。双轴对称铺设，各壁板均铺设六层，其结构为，单向碳纤维复合材料的偏轴刚度为[6]：
：；；
：；；
对于此例显然有，表1给出了其截面参数[7]。
表1截面参数
参数
302.0427 264.1728 88.5757 2.0760 0.6853 1.063
选择shell99单元，建立碳纤维层合箱梁模型，选择solid45单元来模拟钢垫块，其有限元模型如图3所示：
图 3 有限元模型
6.1.2计算结果及结束语
ANSYS的计算结果和本文理论计算结果如下：
图4跨中挠度的数值结果比较
图5跨中作用力P=196N的沿梁长方向挠度
结束语
从上述的理论分析结果分析可知由剪力滞产生的附加挠度占总挠度的26.92%，由剪切变形产生的附加挠度占总挠度的11.25%。从图4和图5可以看出，本文理论分析结果与利用ANSYS有限元分析软件计算所得的结果吻合较好，可见本文理论是正确可靠的。
综上所述，本文所得到的复合材料薄壁箱型连续梁挠度分布规律是正确可靠的，且当材料为匀质材料时均能退化为各向同性材料连续梁的计算公式，能够为实际工程设计提供理论参考，为进一步促进复合材料在土木工程领域的运用提供了理论依据。
[参考文献] (References)
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[7] 杨乃宾．复合材料飞机结构设计[M]．北京：航空工业出版社，2002
篇7
本书内容包含如下章节：1.简介；2.离子聚合物-金属复合材料的物理原理；3.新型离子聚合物―金属复合材料和机制；4.离子聚合物-金属复合材料建模的系统观点；5.共轭聚合物制动器：建模与控制；6.合成介电弹性体材料；7.介电弹性体制动器；8.电活性聚合物制动器的集成传感反馈；9.电活性聚合物设备和机器人的应用。本书从系统的角度向读者介绍了最新的发展，包含材料处理，传动装置设计，控制建模，以及设备和机器人应用，重点介绍这些方向的新发展，致力于为读者提供通用的、基本的基于仿生机器人人工肌肉的材料相关知识，为下一阶段更深入的了解做准备。
本书作者Kwang Jin Kim是位于拉斯维加斯的内华达大学的机械工程系教授，系主任（2007-2012）。他于1987年毕业于韩国延世大学，1989年和1992年在亚利桑那州立大学分别获得硕士和博士学位（ASU），并在马里兰大学完成了博士后研究。他具有丰富的行业经验，是热电气设备公司的高级研究工程师（1995-1997）和环境机器人公司的首席科学家（1997-2001）。他的研究方向是能源系统和活性材料/传感器。他撰写了超过320篇的技术出版物，包括143篇期刊论文和3部著作，并荣获2项美国专利。他目前是智能材料与结构杂志（SMS，Smart Materials and Structurd）、智能纳米材料国际期刊（TSNM，Smart Nano Material）、先进的机器人系统国际期刊（ARS，Advanced Robotic System）和制动器（Brake）杂志的编委。
本书适合于研究生，学者和材料工程和机器人学领域的专业人士阅读，也适合于没有电活性聚合物相关知识背景的读者进行入门阅读。
篇8
论文关键词：野战工事；符合材料
野战工事是战役、战斗的准备和实施过程中，利用、改造地形，使用就便器材或预制构件，快速构筑的临时工事。对常规武器和核武器、生物武器和化学武器的杀伤破坏作用具有较高的抵抗能力和较好的防护效果。50年代以前，我军的野战工事主要是以木材、钢材和钢筋混凝土就便材料工事，作战时临时构筑。60年代以后，先后研制了装配式混凝土预制构件工事、型钢工事、波纹钢工事、钢丝网水泥工事、骨架柔性被覆工事等制式器材。这一时期的工事，重量大、构件体积大、构筑速度慢、土建作业量大、撤收难，阵地转移慢，机动性能不高，难以适应机动作战的需要。从80年代开始，随着复合材料的发展，制作野战工事的材料由传统的钢材、木材和钢筋混凝土材料转向新型复合材料，我军先后研制了玻璃钢工事、玻璃纤维增强水泥工事、玻璃钢或铝合金作面板和泡沫作芯材的复合材料工事。这一时期的工事，虽然重量较轻，构件体积较小，但是工事的跨度较小、抗力低，难以满足部队平战结合的需要。直到90年代,采用“新材料、新工艺、新思想”设计的玻璃钢夹层野战工事系列，才第一次使野战工事轻型化、机动化、标准化,形成单一材料、多种结构型式、多种抗力和多种使用性能的系列化。
国外是从60年代初期开始使用复合材料野战工事的。美国、法国、意大利、日本、德国、瑞典等国都有用玻璃钢制成的掩蔽部、防弹板、弹药库等,对于玻璃钢工事的试验研究,外军早在二次世界大战时就开始了相关研究,并已有各种玻璃钢工事装备部队,如美军的轻型玻璃钢装配式掩盖工事(长6-18米,宽3米,高约3米);英国研制的玻璃钢掩蔽部可容纳6人,复土±115米,抗冲击波超压0186kg/cm2。此外还有日本研制的薄壳形玻璃钢工事顶盖、瑞典的玻璃钢夹层球形掩蔽部等等,均起到了较好的防护效果。
一、玻璃钢复合材料用于野战工事的优点
玻璃钢（frp）亦称作grp，即纤维强化塑料，是一种树脂基复合材料。一般指用玻璃纤维增强不饱和聚脂、环氧树脂与酚醛树脂基体。
玻璃钢是目前世界上产量最大、用途最广的复合材料，玻璃钢工业是如今最热门的工业之一，它以其优良的性能在各个领域得到广泛的应用，如:储罐、管道、建筑、交通运输、运动与游乐器材、船艇等方面都得到广泛应用。在野战筑城中，用玻璃钢做的各种工事在战争中起到了重要作用，在未来高技术战争中将发挥越来越大的作用。
frp(玻璃纤维增强塑料,简称玻璃钢)是以合成树脂为基体、玻璃纤维(织物)为增强材料的复合材料。具有许多优良的特性:
（一）轻质高强，比重114-2.0,约为钢的1/5,铝的1/2,其比强度和比模量超过钢和铝合金；（二）冲击韧性好，适宜于承受动荷载及爆炸冲击荷载；（三）抗老化及阻燃性好(玻璃钢中加入阻燃剂或采用阻燃树脂再加入阻燃剂，可满足防火要求)；（四）其夹层结构隔热保温性能好，导热系数和热应力小(分别为钢管的0.14%和1/11)；（五）电绝缘性能好，可安全地应用于输电、电信密集区；（六）设计和可施工性好，安装快捷方便、安全，几乎不动火。
因此，frp极适宜于制作野战工程中的快速装配式预制构件，在防护工程野战工事的应用上越来越受到重视。
目前所用的玻璃纤维，其应力应变曲线如图所示，从图中可以看出，单纤维受力不一致，股纱破坏呈现一个逐步断裂的过程。最常用的玻璃纤维布有平纹、斜纹和缎纹等，其中斜纹中的2/2斜纹布铺覆性较好，较适用于制作玻璃钢工事构件。合成树脂在玻璃钢中的作用，是将分散的玻璃纤维或其织物粘结成一个整体，同时已固化的树脂又是玻璃钢的一组分，其性能将直接影响玻璃钢的力学、耐温、耐腐蚀和介电等性能，此树脂的选择也非常重要。用于玻璃钢的常用树脂大部分为热固性树脂，主要有不饱和聚酯、环氧、酚醛以及改性的聚酯和环氧。玻璃钢工事结构设计时，既要满足构件标准化的要求，又要满足荷载要求，同时尽量使生存空间有舒适感。其结构形式基本上有两类：筒壳和球壳。对于单一玻璃钢材料，壁厚度通常取6-10mm，对于夹层材料，一般取蒙皮厚2-4mm，夹芯厚40-60mm。
二、树脂基复合材料成型方法
（一）手糊成型技术
手糊成型又称手工裱糊成型或接触成型，是热固性树脂基复合材料制品成型较早的方法之一。所谓手糊工艺，是指用树脂将增强材料粘结在一起的一种成型方法，约有50％的玻璃钢复合材料制品是用这种方法成型的，特别是对于用量少、品种多及大型制品，更宜采用此法。但这种方法操作人员多，操作者的技术水平对制品的质量影响大，虽有“一见就会”的说法，但要制得优良得制品也是相当困难得。手糊成型工艺制造制品一般需要经过如下工序：手糊成型工艺可分为接触成型和低压成型两大类：属于前者得有简单手糊法及喷射成型法；属于后者的有压力袋法、真空袋法等。手糊复合材料制品的厚度一般在2-10mm，但对于有些制品，其厚度可以大于10mm，也可小于2mm。典型的手糊制品结构如图。
1、面层；2、短切毡；3、短切毡或粗纱布；4、短切毡；5、表面毡；6、胶衣层；7、脱模剂；8、模具。
因其很少受到制品形状及大小的制约，模具费用较低。因此对于品种多、生产量小的大型制品，手糊成型技术是最合适的。用手糊成型可生产波形瓦、活动房、浴盆、冷却塔、卫生间、贮槽、贮罐、风机叶片、各类渔船和游艇、微型汽车和客车壳体、大型雷达天线罩及天文台屋顶罩、设备防护罩、雕像、舞台道具和飞机蒙布、机翼、火箭外壳、防热底板等大中型零件。总之，由于手糊工艺设计自由，可根据产品的技术要求设计出理想的外观、造型及多种多样、品种繁多的frp制品。目前，产品达上万种，被广泛应用到各个领域，前景看好。
（二）模压成型技术
适合于生产量大，尺寸要求精确的制品。模压成型的模具由阴、阳两部分组成。增强材料一般为短切纤维毡、连续纤维毡和织物。
（三）rtm成型技术
rtm（树脂传递模塑）成型技术是一种适宜多品种、中批量、高质量复合材料制品生产的成型技术，rtm成型技术有许多优点：能够制造高质量、高精度、低孔隙率高纤维含量的复杂复合材料构件，无须胶衣树脂也可获得光滑的双表面，产品从设计到投产时间短，生产效率高；rtm模具和产品设计可采用cad进行设计，模具制造容易，材料选择面广；rtm成型的构件与管件易于实现局部增强以及制造局部加厚的构件，带芯材的复合材料能一次成型；rtm成型过程中挥发水分少，有利于劳动保护和环境保护。
（四）纤维缠绕成型技术
纤维缠绕成型是在专门的缠绕机上，将浸润树脂的纤维均匀地、有规律地缠绕在一个转动的芯模上，最后固化、除去芯模获得制品。纤维缠绕成型方法既用于制造简单曲旋转体：如筒、罐、管、球、锥等。也可以用来制备飞机机身、机翼及汽车车身等非旋转体部件：在纤维缠绕成型中常使用的增强材料包括玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维；缠绕用树脂基体有聚酯、乙烯基、环氧和bmi树脂等。纤维缠绕的主要优点是节省原材料、低的制造成本以及制件的高度重复性，最大的缺点是制件固化后需除芯模以及不适宜于带凹曲表面制件的制造。
（五）拉挤成型技术
用于连续生产纤维复合材料型材。主要过程是依靠牵引将原材料通过一定型面的加热模，完成复合、成型和固化。拉挤成型工艺筒单；效率高；拉挤法制备制件时，增强纤维沿轴向平行排列，能有效地利用其强度。采用纤维毡增强材料可制备各向同性制件，采用编织带可提高制件的横向强度。拉挤成型的关键是固化的控制。固化反应放热峰出现太早制件易开裂、翘曲；出现太迟；制件固化不完全，易分层。取决于型材形状和加热方式，拉挤速度在1.5-60m／h之间。
（六）热压罐成型技术
热压罐成型技术是生产高质量复合材料制件的主要方法。其基本过程是先将预浸料按尺寸裁剪、铺贴，然后将预浸料量叠层和其他工艺辅助材料组合在一起；置于热压罐中在一定压力和温度下固化形成制件。热压罐成型技术的最大优点是仅用一个模具就得到形状复杂、尺寸较大、质量较好的制件。
三、手糊成型工艺在野战工事中的应用
篇9
关键词：碳纤维；复合材料；力学性能
本文以碳纤维增强热塑性树脂基复合材料为研究对象，对相关的概念和内容进行了梳理和总结。其中概括了碳纤维的性质性能，对复合材料的概念进行了阐述，最后对碳纤维增强热塑性树脂基复合材料的力学性能作了详尽的分析说明。
1.关于碳纤维增强热塑性树脂基复合材料的概述
⑴复合材料的概念：面对传统、单一组分的材料已经难以满足现在应用需要的现实状况，开发研制新材料，是解决这个问题的根本途径。运用对材料改性的方法，来改善材料的性能是可取的。而材料改性的方法中，复合是最为常见的一种。国际标准化组织对于复合材料的概念有明确的界定：复合材料是指由两种或两种以上不同化学性质和物理性质的物质组成的混合固体材料。它的突出之处在于此复合材料的特定性能优于任一单独组分的性能。⑵复合材料的分类简介：复合材料的有几种分类，这里不作一一介绍。只介绍两种与本论文相关的类别划分。如果以基体材料分类，复合材料有金属基复合材料；陶瓷基复合材料；碳基复合材料；高分子基复合材料。本文讨论的是最后一种高分子基复合材料，它是以有机化合物包括热塑性树脂、热固性树脂、橡胶为基体制备的复合材料。第二，如果按增强纤维的类别划分，就存在有机纤维复合材料、无机纤维复合材料、其他纤维复合材料。其中本文讨论的对象属于无机纤维复合材料这一类别，因为碳纤维就是无机纤维复合材料的其中一种。特别值得注意的是，当两种或两种以上的纤维同时增强一个基体，制备成的复合材料叫做混杂纤维复合材料。实质上是两种或两种以上的单一纤维材料的互相复合，就成了复合材料的“复合材料”。
2.纤维增强树脂基复合材料的性能特点
纤维增强树脂基复合材料是指以高分子聚合物为基体材料，用纤维作增强材料复合制备而成的。基体材料和增强材料必然各自发挥自己的优势作用。之所以用纤维作增强材料是因为纤维具有高强度和高模量的优点，所以是承载体的“不二人选”。而采用高分子聚合物作基体材料，是考虑其良好的粘接性能，可以将纤维和基体牢固的粘连起来。不仅仅如此，基体还需发挥均匀分散载荷的作用，通过界面层，将载荷传递到纤维，从而使纤维承受剪切和压缩的载荷。当两者存在良好的复合状态，并且使结构设计趋于最佳化，就能最大程度上发挥复合材料的综合性能。⑴抗疲劳性能好：所谓疲劳破坏指的是材料在承受交变负荷时，形成裂缝继续扩大而引起的低应力破坏。纤维增强树脂基复合材料的疲劳破坏的发生过程是，首先出现裂缝，继而裂纹向进一步扩大的趋势发展，直到被基体和纤维的界面拦阻。在此过程中，纤维的薄弱部位最先被破坏，随之逐渐扩延到结合面。因此，纤维增强树脂基复合材料在疲劳破坏前存在明显的征兆，这与金属材料的疲劳发生截然不同。这也是它的抗疲劳性能好的具体表现。⑵高温性能好：纤维增强树脂基复合材料具有很好的耐热性能。将材料置于高温中，表面分解、气化，在吸热的同时又冷却下来。材料在高温下逐渐消失的同时，表面又有很高的吸热效率。这些都是材料高温性能卓越的物理特征。⑶高比强度和比模量：纤维增强树脂基复合材料具有高比强度和高比模量的特征。甚至在和钢、铝、钛等金属材料相比，它的力学性能也十分出色。这种材料在宇航工业中，受到极大的应用。⑷安全性能好：纤维增强树脂基复合材料中分布的纤维数量巨大，并且密度强，用数据来说明的话，每平方厘米的复合材料上的纤维数量少则几千根，多则达到上万根。即便材料超负荷，发生少量纤维的断裂情况，载荷也会进行重新分配，着力在尚未断裂的纤维部分。因此，短时间内，不会影响到整个构件的承载能力。⑸设计的可操作性强：当复合材料需要符合性能和结构的设计需求时，可以通过很多方法来实现。包括改变基体和纤维的品种，调整它们的含量比例，也可以通过调整纤维的层铺结构和排列方式来实现。因此，可以说，纤维增强树脂基复合材料有很强的设计可操作性。⑹成型工艺简单易成：成型工艺过程十分简单易成，因其制品大多都是整体成型，无需使用到焊接、切割等二次加工，工艺流程简单好操作。一次性成型不仅可以减少加工的时间，同时减少了零部件、紧固件、接头的损耗，使结构更趋于轻量化。⑺减震性能好：高的自振频率可以对工作状态下的早期破坏起到规避和防范的作用。自振频率和材料比模量的平方根成正比，和材料结构也息息相关。纤维增强树脂基复合材料的基体界面和纤维因为具有吸振能力，所以能够起到很好的减震效果。
3.碳纤维增强热塑料树脂基复合材料中碳纤维的性质
⑴对纤维的分类：纤维存在有机纤维和无机纤维之分。增强纤维共有五大类别，分别是：硼纤维、碳纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维以及芳纶纤维。除最后一种芳纶纤维以外，其他四种都属于无机纤维。碳纤维是五大纤维之冠，是增强纤维中最有活力的一种。碳纤维复合材料种类很多，但是应用最广泛的还要属碳纤维增强树脂基复合材料。⑵碳纤维的性质和性能：碳纤维是纤维状的碳素材料，它的性质包括导热、导电、耐温、耐磨、比重小且耐腐蚀性等。除此之外，它的性能也相当突出，具有热膨胀系数小、抗震动衰减、自性以及防原子辐射等。因为碳纤维的纤维属性，因此可以对其编制加工，缠绕成型。利用纤维状直径细的特点，是制成复合材料杂曲面构件部件的绝佳材料。碳纤维能够成为最有活力的增强纤维，它密度低，抗拉伸强度可以和玻璃纤维比肩，而碳纤维的弹性模量却是后者的4到5倍。在惰性气氛中，碳纤维的抗拉强度随温度的升高而攀升，表现出极佳的性能。因此，不得不说碳纤维是复合材料增强纤维的首选。⑶碳纤维的力学性质：碳纤维的力学性质主要通过轴向抗拉模量来体现。当热处理温度上升，碳纤维的模量随之攀升。细直径纤维在预氧化过程中，发生碳化，产生很多排列整齐的饿表皮结构。这些结构对碳纤维模量的增加又起到推波助澜的作用，促使它的模量进一步提高。碳纤维模量的变化趋势以施加负荷的方式作为判别标准，不是随应变的增加而增加，就是随应变的增加而下降，无非是这两种情况。
4.纤维增强热塑性树脂基复合材料的力学性能研究
篇10
【关键词】不锈钢/碳钢复合板；爆炸复合；热轧复合；冷轧复合；粘接复合；扩散退火
MANUFACTURING TECHNIQUE OF STAINLESS
STEEL/CARBON STEEL LAMINATED COMPOSITE PLATES
HUANG WEI
（Beijing Metallurgical Equipment Research & Design Institute Beijing 100711）
ABSTRACT： The four main types manufacturing technique are Introduced of stainlesssteel/carbon steel laminated composite plates： explosive composite， compound hot rolling， cold rolling composite， adhesive composite. Their respective characteristics are analysed， as well as their market adaptability. Which is helpful for engineering and technical personnel to choose different kinds of stainless steel /carbon steel composite material to achieve project aims.
1、基本概念
复合材料是一个极其庞大的产品“家族”体系，本文讨论的仅为其中一个小小的分支。为了便于理解，将本分支有关的“家谱”作一简单介绍。
1.1复合材料[1]
复合材料（Composite materials），是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。
复合材料按其组成分为金属与金属复合材料、非金属与金属复合材料、非金属与非金属复合材料。按其结构特点又分为：（1）纤维增强复合材料。将各种纤维增强体置于基体材料内复合而成。如纤维增强塑料、纤维增强金属等。（2）夹层复合材料。由性质不同的表面材料和芯材（基材）组合而成。通常面材强度高、薄，且价格高；芯材质轻、强度低，但具有一定刚度和厚度，成本相对低。分为实心夹层和蜂窝夹层两种。（3）细粒复合材料。将硬质细粒均匀分布于基体中，如弥散强化合金、金属陶瓷等。（4）混杂复合材料。由两种或两种以上增强相材料混杂于一种基体相材料中构成。与普通单增强相复合材料比，其冲击强度、疲劳强度和断裂韧性显著提高，并具有特殊的热膨胀性能。分为层内混杂、层间混杂、夹芯混杂、层内/层间混杂和超混杂复合材料。
1.2复合板
复合板是夹层复合材料的俗称。除了上面讲到的分为实心夹层和蜂窝夹层两种以外，按复合面的形状，还可以分为层状结构复合板和镶嵌结构复合板。前者，两种材料的结合面呈平面状态，后者两种材料的结合面从横断面看呈各种折线形状（参见图1，图2，图3）。
复合板一般分为金属复合板，金属与非金属复合板，非金属复合板。
1.3金属层状结构复合板
金属层状结构复合板是指在一层金属板上覆以另外一种金属板，以达到在不降低使用效果（防腐性能、机械强度等）的前提下节约资源、降低成本的效果。
根据基材和面材的品种不同，常见的金属层状结构复合板有铜/钢复合，铝/钢复合，钢/钢复合（不同材质的钢材），铜/铝复合等。还有钼/钛、纯银/银合金等贵金属复合板。
1.4不锈钢/碳钢层状结构复合板
不锈钢/碳钢层状结构复合板（以下简称“不锈钢复合板”）是一种以碳钢为基材，不锈钢为敷面的复合板材。常用的基材有08AL，Q315，Q345，45#，锅炉板等，面板有SS304，SS316，00Cr22Ni5Mo3N，1Cr13等。面板厚度占总厚度的比例为10～30%。
不锈钢复合板工业化生产工艺有4种：（1）爆炸复合，（2）热轧复合，（3）冷轧复合，（4）粘接复合。
2、爆炸复合
爆炸复合是爆炸焊接技术在复合板生产中的应用。爆炸焊接是指利用炸药爆炸的能量驱动，把不同金属部件焊接起来的技术。
爆炸复合的基本原理，是利用炸药爆炸产生的超强瞬时力使金属之间发生倾斜碰撞，在碰撞面附近形成几十万个大气压和有效用的热效应，接触面被产生的射流自动清洗的同时，表面质点间有效作用，接触面的温升不超过熔点，形成以波状界面为特征的冶金结合。而且，复合后的板材其各层的化学成分、力学性能、防腐耐蚀性、可焊性能和可加工性能均未改变。
爆炸复合的主要工艺过程：
（1）材料准备。基材需要打磨表面，除去氧化皮和污垢；面板需要矫平和清洁表面。
（2）爆炸作业。分为3个主要步骤：铺板、布炸药、引爆。铺板根据面积大小，可以直接叠放或两板内表面呈一夹角放置。
（3）复合后整理。复合后首先退火，然后对复合板进行矫平，最后超声波检测结合层质量，对产品定级。
图4给出了爆炸复合的工艺流程框图
爆炸复合的特点：爆炸所产生的高温，使接触表面的金属融化，并互相扩散使难复合金属能够结合到一起；易于实现多层复合，复合界面呈波纹状，结合强度高；适合于小批量多品种生产，不适于大批量生产。不锈钢复合层厚度不均，产品精度差；受组配设备和加工设备的限制，其产品尺寸范围小；爆炸烟尘和响声使周围环境恶化。
3、热轧复合
热轧复合是将基材与面材叠在一起，经高温高压轧制，实现两种材料接触面的冶金结合。
热轧复合的基本原理：金属塑性成形时在变形性质上十分类似于粘滞流体，两种金属间接触表面在剪切变形力的作用下趋向于流体特性。一旦有新生金属表面出现，它们便产生粘着摩擦行为，利用接触表面间金属的固着，以固着点为基础（或核心），在高温激活条件下形成较为稳定的热扩散，从而形成良好的复合[2]。
热轧复合的典型工艺过程：
（1）组坯。将表面洁净的两块不锈钢板（面材）叠放在表面经打磨的两块碳钢钢坯中间，两块不锈钢板之间涂有防粘结的材料（隔离剂）。将钢坯四周用钢带密封焊接，抽真空，形成两组复合板坯（参见图5）
（2）复合轧制。按碳钢热轧工艺对复合板组坯进行轧制，达到所需厚度。
（3）分卷（或分板）。将两组复合板分离。
（4）精整。经过退火、矫直、切边等精整工序，使复合板满货条件。
图6给出了热轧复合的工艺流程框图
热轧复合的特点：利用现有热轧设备，实现大规模工业化生产；相比冷轧复合，结合强度高；相比爆炸复合，产品尺寸精度高。组坯时实现表面洁净度要求难度大，真空度要求高，有可能出现单个不结合区超标的现象。
4、冷轧复合
冷轧复合又称为固相复合（Solid Phase Bonding），俗称“冷焊”，是利用较大的轧制压力。使两种以上的不同成分的材料的结合面接近到原子间的距离，形成大量的结合点，经扩散热处理（烧结）形成整个接触面的金属键结合。这是一种在结合面上下不出现液相的结合方法。
冷轧复合工艺过程：
（1）材料准备。不锈钢冷轧复合的材料一般是成卷状态的基板和面板。材料准备分为开卷、表面清洁、合带3个连贯的步骤。
（2）复合轧制。采用一次性60%以上的压下量对合带进行超强度、大压下量轧制。
（3）扩散退火。对复合板进行连续退火。
（4）精整。通过平整或拉矫改善板形、通过裁剪满足供货需要。
图7给出了冷轧复合的工艺流程框图
冷轧复合的主要优点是：在结合面上几乎没有中间合金化层；总厚度和厚度比均匀，尺寸精度高，性能稳定；对熔点或屈服极限相差很大的不同材料也可以实现固相结合；结合可以连续进行，大大地提高生产效率，降低成本。
5、粘接复合和其他复合工艺
粘接复合是将基板和面板用粘接剂结合起来。其工艺过程是：（1）板面清洁，（2）结合面刷涂粘结剂，（3）加温压实。
粘接复合的特点是：工艺简单，材料表面保持原有光亮度，产品平整度好。但不能实施大角度折弯、不能焊接；不能用于高温或温差大的场合。
其他不锈钢/碳钢复合工艺还有铸造轧制法[3]，逆向凝固法[4～7]等。目前尚在实验室研究阶段，无工业化生产产品上市。
6、不同工艺过程形成的不锈钢/碳钢复合板的工程应用
粘接复合板只能用于室内装饰。
爆炸、热轧、冷轧三种复合板具有良好的折弯、焊接性能，可以运用于绝大多数纯不锈钢板工程运用的场合。由于三种工艺复合的机理有差异，一般而言，爆炸复合适合于生产厚板，产品用于高压高温容器，如核反应堆的壳体、化工行业的反应釜等。热轧复合适合于生产中板，产品适应中低压容器和壁厚较大的常压设备，如烟气脱硫装置、中低压反应釜、工业罐槽等；冷轧复合板适合于生产高精度的薄板，用于常压容器和装饰面板，如电梯轿厢、机场行李输送带、食品机械、医药机械、日用橱柜等。冷轧复合板还具有良好的深冲性能，可以用来生产日用器皿，如水壶、炒锅等。这类器皿可以在电磁炉上使用（纯不锈钢制品没有这个功能）。
不锈钢/碳钢复合板目前在建筑领域的应用主要是门窗。随着不锈钢/碳钢复合板的生产能力的提高，成本会进一步下降，其在建筑主结构用钢上的应用也是指日可待。
参考文献
[1]依据百度百科《复合材料》词条摘编.
[2]吴成.《Q235/304不锈钢复合热轧板有限元模拟研究》
[3]刘耀辉，刘海峰，于思荣.液固结合双金属复合材料界面研究[J].机械工程学报 2000（7）
[4]张健，张立君，王万君.反向凝固钢法生产复合奥氏体不锈钢薄带的研究，2000（05）
[5]赵红亮，齐克敏，高德福，温景林，张健，许中波，王新华.反向凝固复合不锈钢带的轧制工艺及界面结合[期刊论文]-钢铁研究学报 2000（1）
