混杂复合材料.ppt

第六节混杂纤维增强的复合材料 一 概述1 混杂纤维增强复合材料的含义与特点理想的结构材料 要求它们受载后开始有较高的模量 随之达到较高的屈服极限 铕在承载能力稍有降低的情况下持续到一定应变量后破坏 这样的结构材料 可以通过不同断裂应变的纤维混杂 制成混杂纤维复合材料实现 混杂纤维复合材料从广义上讲 包括的类型非常广 就基体而言 可以民树脂基体 也可以是各种树脂聚合物混合基体 金属基体以及各种陶瓷 玻璃等非金属基体 而从增强材料来说 可以是两种连续纤维单向增强 也可以是两种纤维混杂编织 两种短纤维混杂增强 两种粒子混杂增强以及纤维与粒子混杂增强 在这一部分 我们介绍的混杂纤维增强复合材料是指两种或两种以上的连续纤维增强同一种树脂基体的复合材料 这种复合材料 除具有一般复合材料特点外 还具有一些新的性能 使用范围更广 混杂纤维复合材料有下列几个特点 1 结构设计与材料设计的统一性 混杂纤维复合材料可以根据结构的使用性能要求 通过不同类型纤维 不同纤维的相对量 不同的混杂方式进行设计 在混杂纤维复合材料设计中 结构设计与材料设计的统一更为突出 结构设计本身包含着材料设计 2 扩大构件设计自由度与工艺实现的可能性 由于混杂复合材料构件工艺实现的可能性超过单一纤维复合材料 相应又扩大了构件的设计自由度 从而使混杂纤维复合材料构件的设计自由度进一步扩大 3 提高与改善复合材料的某些性能 通过两种或多种纤维 两种或多种树脂基体混杂复合 依据组分的不同 含量不同 复合结构类型不同可得到不同的混合复合材料 以提高或改善复合材料的某些性能 如采用玻璃纤维与碳纤维混杂 可改善碳纤维复合材料冲击强度低 易出现脆性破坏的现象 一般而言 加15 的玻璃纤维 冲击强度可提高2 3倍 4 降低制品成本 采用混杂纤维复合材料 由于复合材料的性能得到改善 从而在性能允许的情况下 可用价格低的纤维取代部分高价纤维 从而降低制品成本 2 混杂纤维复合材料组分混杂纤维复合材料的组分和普通复合材料的组分相似 树脂基体一般由合成树脂与各种助剂组成基体体系 常用的树脂有环氧树脂 双马来酰亚胺树脂 热塑性树脂等 复合材料的力学性能主要来自增强纤维 混杂纤维增强复合材料的增强纤维使用最多的是碳纤维 玻璃纤维 凯夫拉纤维等纤维的组合 3 混杂复合材料研究的重要意义其意义在于 1 节约成本 通过采用便宜的玻璃纤维取代昂贵的碳纤维来降低成本 2 通过对所用纤维及其体积含量的优化选择 从而达到较宽范围的物理和机械性能 3 可以得到独特的单项或组合的性质 这是只用单一类型纤维所不易得到的 4 混杂纤维复合材料的应用混杂纤维复合材料是复合材料大家族中的优秀代表 它除了具有一般复合材料的特点外 还有其他复合材料不可与之相比的许多独有的特点 混杂复合材料在70年代初开发以来 一直受到人们的普遍重视 在短短的十多年间 混杂复合材料无论作为结构材料还是作为功能材料 不仅已广泛地应用于航空航天工业 汽车工业 船舶工业等领域 而且还作为优良的建筑材料 体育用品材料 医疗卫生材料等被广泛地采用 大量的事实证明 混杂复合材料在应用中不仅可方便地满足设计性能上的要求 而且还可以降低产品成本 减轻产品质量 延长产品寿命 提高经济效益 1 从降低复合材料的价格来说 将碳纤维复合材料和玻璃纤维复合材料混杂做成混杂复合材料 材料成本较低 可明显提高断裂韧性 也可改善机械加工 如钻孔等 性能 2 从提高玻璃钢的刚度和抗疲劳强度来说 将玻璃纤维复合材料和碳纤维复合材料混杂做成混杂复合材料 效果较好 可以大幅度地提高弯曲强度 把碳纤维铺高在外侧 和明显提高抗疲劳强度 相对于玻璃钢而言 3 从减轻结构质量 提高断裂韧性来说 将碳纤维复合材料和Kevlar49增强复合材料混杂 效果较好 因为Kevlar纤维的密度较小 其弹性模量比玻璃纤维约大一倍 因此可提高结构的效能 也可提高断裂韧性和材料的阻尼 所以 在航空上常用中强度碳纤维和Kevlar49纤维混杂的复合材料 4 从提高Kevlar纤维复合材料的压缩强度来说 应和碳纤维复合材料或轻金属 例如铝合金和钛合金 混杂铺层做成混杂复合材料 还可以提高刚度 相对于Kevlar纤维复合材料而言 5 按照纤维发展的趋势 拉伸强度可得到很大的提高 由于纤维在基体中的局部屈曲与弯折 压缩强度不可能得到明显的提高 因此与抗压缩性能很好的硼纤维及其他纤维复合做成混杂复合材料 是一种比较有效的方法 硼纤维很贵 所以一般很少用于混杂复合材料 但在上述情况下使用硼纤维 可能是合适的而且是有效的 对于硼纤维和其他抗压强度高的纤维的生产 应给予适当的重视 6 在给定比例比较合理的低延伸率纤维 例如碳纤维和硼纤维 和高延伸率纤维 例如玻璃纤维和Kevlar纤维 的情况下 若主要关心的是提高混杂复合材料的弯曲刚度 则应该把低延伸率的纤维铺设在外边 采用夹层混杂的形式 如果主要关心的是提高低延伸率纤维的平均断裂应变 则以层内混杂和按层混杂为好 低延伸率纤维在高延伸率纤维中的分散度越大越好 7 玻璃纤维和Kevlar纤维都具有很高的强度和相当大的延伸率 但Kevlar纤维的模量要高一倍左右 抗疲劳性能也比玻璃纤维复合材料要好得多 在作内压容器时 往往有铝材做降低局部应力 明显提高疲劳寿命 8 采用织物复合材料和单向复合材料混杂 在制造有曲率的部件时工艺性能较好 9 在打孔和有缺口的部分 若采用一部分高延伸率的纤维以取代低延伸率的纤维 则可以减小应力集中系数 并提高结构部件的抗疲劳强度和承载能力 10 短纤维复合材料的性能总是比同类长纤维复合材料在纤维方向的性能差 在制造短纤维片状模塑料的过程中 在两表面贴上很薄的单向复合材料层片或双向复合材料织布 则有利于提高强度和刚度 11 为了特殊的要求 可采用特殊的混杂复合材料 使纤维增强复合材料 例如Kevlar0复合材料预浸片 和金属材料 例如铝合金和钛合金 复合成混杂复合材料 就可以具备金属复合材料的某些特性 但使用温度较低 如果采用高温的树脂以取代环氧树脂 则这种混杂复合材料的高温性能就比纤维增强树脂基复合材料要高些 吸湿问题也将大为减轻 导电和导热性能则大大改善 抗压强度也能有所提高 在高温条件下 采用金属基复合材料 陶瓷基复合材料和耐高温的树脂基体复合材料做成超混杂的层状复合材料 也是很有发展前途的 12 在使用复合材料时 在绝大多数情况下 特别是正常使用的情况下 对于许用应变都有一定的限制 比如说受拉时不得超过0 035 0 040 受压时不得超过0 0030 0 0035 这些数值已比波音公司规定的许用应变要高些 所以高延伸率复合材料 例如玻璃钢和Kevlar纤维复合材料在单一使用时 由于其模量较低 相对于碳纤维复合材料而言 只能用到拉伸强度的一小部分 10 25 虽然安全可可靠 但大部分强度潜力得不到充分的发挥 碳张弹性模量较高 但是延伸率较低 抗冲击性能和断裂韧性较差是其主要缺点 单独使用时 其可靠性较差 且价格较贵 所以 混杂使用 取高 低延伸率纤维之所长以弥补其所短是取合适的 即使在混杂复合材料中的低延伸率纤维发生少量断裂成为短纤维 基本上仍能发挥作用 况且 断裂应变很小的高模量碳纤维 其极限拉伸应变也可以达到和超过上面提到的许用应变值 对于混杂复合材料 在作分析比较沓 如果只考虑两种单一材料的拉伸强度 而不考虑弹性模量的差别和许用应变应该基本相同等方面 只知其有利方面而不知其不利方面 也是不够全面的 但基体对于混杂复合材料也是十分重要的 复合材料的许用应变是由基体的延伸决定的 改进基体的断裂应变和断裂韧性 有利于提高混杂复合材料的性能 从混杂的意义上说 可以采用两种树脂基体 但某层采用某种树脂基体视需要而定 如果采用混杂树脂作为基体材料 属改良树脂 二 混杂纤维增强复合材料的混杂方式能够广泛工满足设计与结构形式的需要 是混杂纤维复合材料的一个优异特性 它不仅来源于参与混杂的纤维种类 性能和基体 而且更多的是采用不同的混杂方式 根据制作结构的需要进行铺层来实现 混杂复合材料的混杂方式大体可分为6种类型 1 单向混杂纤维复合材料的混杂类型单向混杂纤维复合材料是通过预浸料沿一个方向的铺层来实现的 但是其铺层方式 纤维分散情况 可以是不同的 因而又可分为层内混杂 层间混杂和夹芯混杂 通常又分别称之为A型 B型和C型混杂 如图4 23所示 1 层内混杂复合材料 A型 由两种纤维按一定的混杂比均匀地分散在同一基体中而构成的复合材料 2 层间混杂复合材料 B型 由两种不同的单纤维复合材料层以不同的比例及方式交替地铺迭在一起所构成的复合材料 3 夹芯结构 C型 通常是由一种普通纤维增强复合材料作为芯层 core 另一种高性能纤维增强复合材料作为表层 shell 所构成的复合材料 在力学分析中可以看成是一种结构 4 层内 层间混杂复合材料 AB型 由A型和B型两种结构形式迭加而成 如图AB型所示 除上述几种典型的混杂类型外 还有随机分布的短纤维混杂方式 图中D型为短纤维混杂复合材料示意图 2 单向预浸料角铺层混杂类型角铺层混杂是根据设计要求 将不同类型纤维的预浸料按一定角度铺层的混杂形式 如图6所示 3 不同种类纤维混杂织物的混杂类型这种类型的混杂除为满足某些力学性能要求外 有时也有工艺上的需要 其主要是通过经纬向不同类型纤维的交织或编织物进行的混杂 近几年来 又由于混杂纤维复合材料的发展 大大地推动了混杂织物的研究 如图7所示为一层中有两种纤维的混杂织物 4 超级混杂复合材料类型超级混杂复合材料根据制件实际使用受力要求 可以是纤维复合材料 片状材料 金属或非金属材料等 进行混杂复合的材料 另外还包括种种夹层结构材料 超级混杂可以根据制件受力的情况 利用各种纤维复合材料 弹性材料 金属或非金属材料等进行各种形式的混杂 如使用在飞机 战车等的防弹材料 就是由纤维复合材料 橡胶板材 合金钢板等混杂复合的材料 如图8所示为超级混杂复合材料 5 三向编织混杂类型编织缝合混杂纤维复合材料制件 主要是根据使用上的要求和工艺上的可实现性来决定的 也是最充分发挥混杂纤维复合材料设计怀应用特点的实例 如航空 宇航或各种交通工具等 常常需要各种复杂的结构件 它不仅要求性能可靠 而且形状也十分复杂 使用一般的材料是不能实现的 甚至单一纤维复合材料也不能满足要求 可见混杂纤维复合材料可以通过设计人员与工艺人员的精心配合 生产出像工艺品一样的制件来满足一些特殊的要求 对于工字梁形的复合材料构件 不仅应具有一般工字梁的特点 而且还要求上下两个面板有不同的性能 并有较好的层间剪切强度 这样的制件用一般的设计和工艺将难以实现 但是通过混杂化加上缝合工艺 可使层间剪切性能大大提高 图9为缝合的织物混杂预浸料坯 6 混杂复合夹层结构类型在混杂复合材料类型中 前面已提出超级混杂复合材料概念 这种超级混杂复合材料所包括的内容是广泛的 混杂复合夹层结构材料也算是其中内容之一 混杂复合夹层结构材料可以包括以下几个方面 单一纤维复合材料的面板与不同形式的夹芯复合 混杂复合材料的面板与不同形式的夹芯复合 根据需要采用不同的内部混杂面板与不同的芯子复合 图4 24是混杂复合夹层结构示意图 夹层结构的制造分3部分 面板的制造 芯子的制造及面板与芯子的胶接工艺 面板的制造已有论述 胶接工艺主要是胶粘剂的选用与固化工艺 可以选用共固化成型工艺以减少胶接工序 夹芯材料主要有蜂窝芯子 泡沫芯子与波纹板芯子 1 蜂窝芯子 蜂窝芯子的格子形状一般有5种 正六边形 菱形 矩形 正弦曲线形和有加强带六边形 如图4 25所示 蜂窝芯子所用的材料有金属箔 如铝箔 玻璃布 纸 劳纶纸 国外称Nomex纸 等 蜂窝的制造有两种方法 模压法和胶接拉伸法 虽然模压法蜂格尺寸精确 但生产效率低 目前很少用 主要采用胶接拉伸法 2 泡沫塑料夹芯 泡沫塑料夹芯结构是以复合材料为蒙皮 芯腔填充泡沫塑料的混杂复合结构 蒙皮材料可以用单一纤维复合材料 也可用混杂纤维复合材料或金属板 芯子所用的泡沫塑料有硬质泡沫塑料 软质泡沫塑料 由于泡沫夹芯结构质量轻 适用性广 工艺简单 已被广泛用于飞机和各种运输工具的结构制作 其中国内外研制与产生的小型飞机已采用全复合材料夹芯结构 泡沫夹芯结构的制造有3种方法 是将预制的蒙皮 预制的泡沫芯粘接在一起 这种方法工艺简单 投资少 但效率低 是将泡沫剂灌铸到预制的型腔中进行发泡 是连续成型法 四 混杂效应混杂纤维复合材料由于采用两种纤维混杂 复合材料的性能出现综合效果 某些性能 在一定条件下符合混合律关系 而另一些性能则与混合律关系出现正的 偏高 或负的 偏低 偏差 人们普遍地将此偏离混合律关系的现象称为 混杂效应 混杂效应是混杂纤维复合材料所特有的一种现象 不仅与材料的组分结构 性能有关 而且还与混杂的结构类型 受力形式 界面状况 以及对能量的不同响应等有关 正确理解与应用混杂效应是发挥混杂纤维复合材料等特性的重要工作 一 引起混杂效应的因素混杂纤维复合材料承受各种形式载荷会引起各种破坏过程 破坏的形式多种多样 如基体开裂 界面脱胶 纤维断裂 拔出 分层损伤 扩展及整体断裂等 这些形态可能分别发生 也可能几个同时发生 由于混杂纤维复合材料存在两种以上纤维 增加了界面类型 界面数 各种纤维的力学性能差异以及相互协调制约等 使由此而引起的 混杂效应 十分复杂 1 制造工艺的热收缩一般而言 混杂纤维复合材料体系中两咱纤维的热膨胀系数存在差异 这两种纤维在复合材料固化后 由于不同的热收缩造成零载时两种纤维所处的受力状态不同 如碳纤维 CF 玻璃纤维 GF 混杂复合后 由于热收缩造成零载时 CF受压 GF受拉 当复合材料受力时 就会出现混杂效应 如CF GF混杂复合材料 达到CF断裂应力时 其断裂应变提高 而使GF的破坏应变降低 因此 制造工艺的热收缩对混杂效应有明显的影响 2 基体的影响基体的混杂效应的关系尚没有定量的认识 一般考虑为协调两种纤维的力学行为而选用中等模量的树脂基体 其实 复合材料很多性能与树脂基体的性能有关 而有些性能又是由基体的性能怕决定的 由于树脂的结构不同 必然引起不同的界面效应及裂纹在树脂基体中的行为 树脂基体固化形成的不同残余应力 基体的韧性会明显影响混杂复合材料中裂纹的传播方式 因而混杂复合材料的破坏模式也将不同 这些必然对混杂效应产生不同的影响 3 混杂结构因素的影响混杂复合材料的断裂应变并不恒定 它和峡谷种纤维的位置分布有关 一般可用混杂比和分散度这两个结构参数表示两种纤维的位置分布 混杂比是指两种纤维相对体积分数之比 分散度是指混杂复合材料最小复合单元厚度的倒数 在许多场合 断裂应变值随混杂体系的分散度增加而增加 也随着混杂比变化而明显变化 研究表明 层间混杂结构的一层断裂后裂纹并不趋势传入另一层 而是转化为分层裂纹 并且由于裂纹长度有限 经过一段距离后载荷又重新由界面传递到原层中继续承载 这种现象只在混杂结构中低伸长 LE 纤维的体积分数低于某一临界值时才有 也就是说 在脆性纤维断裂后 基体可承受全部载荷而不发生破坏 其次 低伸长 高伸长 LE HE 纤维间界面具有良好的粘结性 才能有效地传递应力 再者就是混杂纤维的分散度应高于某一临界值 如在层间混杂中的CF的绝对厚度必须小到一定的程度才能得到多重断裂模式 而夹芯混杂如夹芯厚度超过三层则几乎看不到混杂效应 当然对导观众混杂是很容易观察到的 混杂比对热效应是明显的 在GF CF比值较大的混杂复合材料中 热收缩造成的内应力较大 因此热效应也较大 当然对混杂效应也不 如层内混杂和夹芯混杂时 在GF CF比值相等的条件下 是热效应引起的残余应力 在层内混杂中它均匀地分布在整个体系内 而夹层混杂则主要集中在芯层与表层的界面 因此产生的各种效应也各不相同 4 界面状态的影响混杂纤维复合材料的界面 从概念上说与复合材料的界面含义是一样的 但它又有特殊的地方 由于混杂纤维复合材料由多于一种的纤维以不同的混杂形态进行复合 因此在复合材料中所造成的界面将有几种不同的类型 且有不同的界面数 界面数的多少是混杂纤维复合材料的特征参数 而界面的状态 纤维和基体间粘合效应等将在混杂复合材料的热性能 物理性能等方面引起不同效果 如果界面粘合情况好 可以提高纤维粘合性能的界面值并降低分散度的临界值 这必然反映到混杂结构因素与混杂效应的关系上 一般认为CF GF的界面的脱胶范围随着分散度的增加和CF体积分数降低而减少 另外 有人认为 混杂复合材料中的低伸长纤维断裂时会产生强烈的声发射 而不同的纤维具有不同的弹性模量和密度 因此将会对低伸长纤维断裂产生的应力波表现出不同的动态响应 即出现应力幅值差和相位差 从而在邻近纤维中所引起的动应力集中系数也不同 根据所提出的模型进行数学推导 找出纯低伸长复合材料和混杂复合材料的动应力集中系数 并用它们的比值表示混杂效应 五 混杂纤维复合材料的特性混杂纤维复合材料最大的特点是多种材料性能的兼容性 可以最大限度地针对不同的应用条件和要求 进行复合材料结构设计 充分发挥混杂纤维和基体的性能 获得具有更好的综合性能及更高性能价格比的复合材料 甚至包括同时兼有相反性能的复合材料 如导电而绝热 强度优于钢而弹性优于橡胶等性能的材料 另外 选定最佳的纤维混杂比及混杂方式 可以使材料的某单项性能指数达到最大值 来满足工程上的特殊要求 混杂纤维增强复合材料的特性具体表现为以下几个方面 a 冲击强度和断裂韧性显着提高普通碳纤维 环氧复合材料的冲击强度很低 该材料在冲击载荷下呈明显的脆性破坏 在复合材料中属脆性材料 若将试材料中15 的碳纤维用玻璃纤维代替 构成 碳 玻 环氧 混杂复合材料 其冲击强度可以增加2 3倍 而且加人玻璃纤维后 由于混杂效果 混杂复合材料的破坏应变可提高40 b 相对于高级单纤维复合材料混杂纤维增强复合材料的成本明显降低 高性能增强材料 如碳纤维 硼纤维 碳化硅纤维等 它们的模量比普通玻璃纤维约高出一个数量级 但价格却比玻璃纤维高出数十倍到数百倍 故用这些纤维制作的复合材料价格十分高昂 且其综合性能并不理想 而将少量的高级增强纤维以合理的方式加入到一般纤维复合材料中 则可能得到综合性能好的混杂纤维增强复合材料 而成本却大大降低 c 提高疲劳强度相对于普通纤维复合材料 混杂纤维复合材料的疲劳强度大为提高 在某些特定纤维含量及铺迭形式下 混杂纤维复合材料的疲劳强度可高于构成它的普通纤维复合材料中的最高者 如玻璃纤维复合材料的疲劳强度随应力循环次数呈非线性递减 由于碳纤维具有较高的模量和损伤容限 所以引入碳纤维后 混杂复合材料的疲劳性能有所改善 当加入50 的碳纤维时 混杂复合材料的疲劳强度转变为线性递减 而加入65 的碳纤维时 混杂复合材料的疲劳寿命可接近于单一碳纤维增强复合材料的水平 d 改善刚度性能一般而言 高级增强纤维均具高模量 它的加入可使普通纤维复合材料的刚度大大提高 尤其夹芯结构的混杂复合材料更是如此 如玻璃纤维复合材料由于模量较低 在一些主承力构件上的应用受到限制 如加入50 的碳纤维复合材料作为表层的夹层结构 其模量可达碳纤维增强复合材料的90 故可采用这种夹层结构制得不易失稳破坏的大面积无支撑的薄板和薄壳 e 特殊的热膨胀性能诸如石墨 芳纶等高级增强纤维 沿纤维轴向具有负的热膨胀系数 用这些纤维和具有正的热膨胀系数的纤维混杂 可以获得预定的热膨胀系数 甚至零膨胀系数的复合材料 这在实际应用中具有特殊的意义 如前者和热膨胀系数相同的材料构成结构件时 可以避免热应力的不利影响 后者可在计量仪器及通讯卫星等领域发挥重要作用 由于混杂复合材料具有多种材料性能的兼容性 而且可具有上述一种或数种优异特性 因此 必将不断扩大和完善复合材料的应用领域 六 混杂纤维复合材料的应用混杂纤维增强复合材料作为复合材料家族中的代表 除了具有普通复合材料的特点外 还具有一般复合材料不可比拟的许多优点 因此在短短的20多年间 混杂复合材料无论是作为结构材料还是作为功能材料 不仅广泛地应用于航空 航天工业 汽车工业 造船工业等领域 而且还作为优良的建筑材料 体育用品材料 生物工程材料等被广泛地采用 1 在航空 航天工业中的应用航空 航天领域与其它领域不同 其技术要求相当高 就所用材料而言 其选择准则如下 a 质量问题航空 航天产品的结构设计首先要考虑的就是质量问题 即材料在满足高性能要求的前提下 其质量越轻越好 减轻结构质量意味着提高飞行性能 减少能耗 如人造卫星的自身结构质量每减轻1kg 相当于节省270kg的推进剂 如果飞机上减轻质量 即可提高飞行速度 加大航程 增加运载能力 提高安全性 混杂复合材料由于具有更高的比强度 比模量 所以是航空 航天工业的理想材料 b 温度要求飞行器对材料的温度要求 一是耐高温 二是热稳定性 因为飞行器在飞行过程中 由于气动加热导致温度上升 并且飞行速度越大 温度上升越快 如飞机在超音速下飞行 温度通常为150 200 导弹在高马赫数下飞行几分钟后 温度上升到300 以上 而航天飞行器头锥在返回地球进入大气层的几秒钟内 温度甚至高达1000 以上 同时 在较高的温度变化速率条件下 要求在工作温度范围内 材料具有良好的热稳定性 因此 需要选择热膨胀系数近似为零的复合材料 采用不同角度铺层的碳纤维复合材料及其混杂复合材料能够满足上述要求而成为候选材料之一 c 强度和模量航空 航天产品在力学性能方面的要求也是非常严格的 除了要求较高的抗拉强度和模量外 同时还应具备较高的压缩强度 弯曲强度 剪切强度以及良好的冲击特性 显然一般单纤维复合材料难以全面满足所有性能要求 必须考虑混杂复合材料 一般复合材料在航空 航天技术中的应用已有相对长的历史 但仅限于非受力构件及一般的承力结构 如GFRP制造的雷达天线罩 CFRP制造的人造卫星的Helios光学管道等 混杂复合材料的开发 使人们认识到它在航空 航天技术上的巨大潜力 并获得了一般复合材料无法比拟的结果 a 火箭发动机壳体 CF KF混杂纤维复合材料用于固体火箭发动机壳体 使其性能得到明显提高 衡量火箭性能的主要依据是它的理想速度 理想速度是忽略了空气阻力及重力产生的速度损失后 推进剂燃烧终了时 火箭的最高速度 它随 值 Wp WT 而增加 其中Wp为消耗推进剂的质量 WT为发射时火箭的全部质量 由此看出 减轻WT或火箭的结构质量的主要部分 即发动机的质量 对提高火箭速度及性能有着突出的意义 b 人造卫星 混杂复合材料作为人造卫星构件材料得到了比较多的应用 包括卫星天线 摄像机支架 卫星蒙皮及遥控协调电机的壳体等 选择热膨胀性能截然相反的纤维进行组合 得到零膨胀系数的混杂复合材料 可以保证在较大温差范围内天线反射器的高描准性和卫星的摄像精度 c 战略战术导弹 20多年来 复合材料从只制作战术导弹的雷达天线罩开始 到今天已能制造战术导弹的弹体和弹翼 近年来 混杂复合材料也开始用于战略导弹 典型的例子是用CF GF混杂增强酚醛树脂制成的导弹头锥 这就有效地解决了重返大气时结构材料与烧蚀材料统一的问题 d 飞机构件 复合材料包括混杂复合材料在飞机结构中的应用 不论是所应用的飞机种类 还是构件的类型以及复合材料的用量都在日益扩大 实践证明 混杂复合材料用于飞机结构 具有如下特点 疲劳性能好 混杂复合材料构件 如旋翼 的疲劳寿命大大高于金属材料 且不会出现突然性的脆断事故 抗腐蚀 耐冲击 并且能够减少飞机飞行时的振动 大幅度减少维修的工作量 降低质量与成本 采用复合材料制造飞机构件的实例很多 首先是在军用飞机上的开发利用 经过非受力构件和次受力构件的应用之后 目前混杂复合材料已经开始用于战斗机及其它军用飞机的机翼 机身 头罩等主受力结构部件 军用直升机中 混杂复合材料的应用更为突出 从头罩 阻带板 方向舵 稳定箱等到机身 旋翼等 如美国的YOH 60A 德国的BO 117及我国的延安 2号等直升机的旋翼 桨叶 现已全部采用混杂复合材料代替金属制造 从而使结构质量大幅度下降 对于民用客机 由于其可靠性和安全性的要求 复合材料目前主要在受力不大的构件上使用 但其范围却相当广泛 例如波音公司最新的B767上的前后翼身整流罩 发动机整流罩 机翼固定内外侧后缘板 重尾固定后浮板 主起落架舱门等都采用了CF KF混杂增强复合材料 另外该机上的前起落架舱门 发动机舱皮 货舱衬里等采用了CF GF混杂复合材料 据统计 B767客机上共用了246kg的混杂复合材料 波音公司打算在20世纪90年代 除发动机和起落架外 飞机的大部分结构材料均采用碳纤维 Kevlar纤维 玻璃纤维及其混杂复合材料 可以预见 21世纪的航空材料将是复合材料及混杂复合材料的时代 2 在船舶工业中的应用船舶工业一直是复合材料应用最多的领域之一 早在20世纪40年代 国外就开始用聚酯玻璃钢造船 目前在小型 低速船艇 包括渔船 游艇 内河气垫船 救生艇等 中 玻璃钢的使用十分普遍 但现代船舶朝大型化 高速化方向发展 除了要求结构材料具有一定的强度 刚度外 还应该同时具备优良的抗冲击韧性 减振性 抗压能力以及质量轻以节省能耗等特点 混杂复合材料优良的综合性能和设计自由度 被认为是现代船艇最有希望的材料 其中尤以CF GF混杂 CF KF混杂复合材料在高速船艇 包括赛艇 和大型豪华游艇等方面取得较快的进展 20世纪80年代初 日本首先开始了混杂复合材料在船体结构中的应用研究 开展了8m长摩托赛艇的研制 由于采用CF GF交替铺层的混杂复合材料制作赛艇的外板 通过船体纵向弯曲试验结果与原来的GFRP外板结构相比 刚度明显提高 截面变形非常小 减重35 试制艇时速超过50nmile 1983年8月 日本又建造了全长48m 总吨位493t 时速14nmile 1nmile 海里 1852m 的复合材料超豪华机动游艇 该艇是目前世界上最大级别的民用FRP船 共使用了150t复合材料 其中包括相当数量的混杂复合材料 碳纤维的用量达1t 英国在研制CF KF混杂复合材料快艇方面很有优势 他们认为在CF中混杂KF 可以提高航速20 节约燃料费用33 因此 早在20世纪70年代末 RAE公司就设计制造了15 8m长 以混杂复合材料为面板的夹层结构作为主受力构件的赛艇 这种赛艇轻便灵活 刚度大 能保证高速度下船体的流线外形 并有良好的减振性能 因此 在比赛中具有相当的竞争能力 3 在汽车工业中的应用复合材料 包括混杂复合材料 在汽车工业中的应用非常广泛 包括汽车的车身 驱动轴 弹簧 引擎 保险杠 操纵杆 方向盘 客舱隔板 底盘 结构粱 发动机罩 散热器罩 车门等上百个部件 其用量也在迅速增长 以美国为例 用在汽车上的复合材料1983年为6万t 1984年为7 9万t 1989年增至29 2万t 其主要原因有两个方面 一是材料的综合性能好 尤其是混杂复合材料 具有较高的比强度和比刚度 良好的耐腐蚀性与耐候性 尺寸稳定性与整体结构化 以及耐磨 减振 隔音等多项特点 非常适合在汽车上使用 二是应用效果良好 大大地减轻了整车质量 从而使汽车在节约能源 提高速度 降降低成本等方面取得了显著的经济效益 下面是混杂复合材料作为汽车构件的应用实例 1 驱动轴采用CF GF混杂增强复合材料制造的驱动轴 是混杂复合材料用于汽车工业中的一个突出例子 这种驱动轴可以通过缠绕或挤拉成型工艺生产 并且可将由传统金属材料制造的双件型轴改成单件型轴 从而增强了构件的刚度 提高了自振频率 适合高速行驶 由于轴的质量减轻了 可以加快轴的转速以节约燃料 同时 还改善了轴的动态性能和衰震特性 提高了驾驶操作的可靠性 2 弹簧目前采用混杂复合材料制造的汽车用弹簧有两种 一种是板式弹簧 另一种是圈式弹簧 作为弹性构件 首先要考虑的是弹性率 它与材料的刚性有关 单纯采用CFRP 虽然可以达到钢材的水平 且减重70 但由于CF价格昂贵 其性能价格比并不高 若采用CF GF叠层混杂 或者夹芯结构 CFRP作面层 GFRP作芯子 则可满足性能及使用要求 而且还可以改善冲击韧性 提高性能价格比 有利于产品的商品化 3 车身壳体以碳纤维增强复合材料为骨架 用混杂复合材料制作壳体 可以使车体质量减轻的同时 增加刚度 减少震动 并能保持高速所需的气动外形 提高车速 增加运载能力 例如 冷藏车车壳 用CF GF混杂复合材料做表皮 泡沫芯做绝热层 可以大大减轻质量 增大载重量 4 引擎引擎采用混杂复合材料可使惯性载荷减少50 振动大大降低 噪音下降30 寿命提高2倍 且轻引擎传递功大 增加了时速 另外 由于混杂复合材料热传导率低 可以保持更多的余热 在低速时就能产生更大的功率 从而节省了燃料 4 在建筑设施中的应用混杂复合材料在建筑工业中的应用 已不再满足用于各种内装饰 门窗 卫生设备 各种管道等 而主要用作建筑结构材料 国外已有报道 建筑工业所需的各种型材 管材等均可使用混杂复合材料来制造 混杂复合材料作为建筑结构材料的典型实例是混杂复合材料工字粱 这种工字粱可以用碳纤维复合材料作为粱翼表面 而以一般无规短切玻璃纤维增强复合材料作为梁腰 这两部分可以依据不同的准则进行优化设计 这种工字梁的刚度比单纯的GFRP的情况有了明显的提高 因为当沿冀缘方向加入单向CFRP时 梁的刚度随CF含量而增加 另一个实例是混杂复合材料的建筑结构板 通常是以CF GF或CF KF混杂复合材料作为面板 以SM