复合材料可靠性与无损评价课件

复合材料原理主讲人：陈刚江苏大学材料学院1复合材料原理主讲人：陈刚1第九章材料复合新技术9.1原位复合技术9.2自蔓延复合技术9.3梯度复合技术9.4其它复合新技术2第九章材料复合新技术9.1原位复合技术2思考题1、请阐述原位复合技术的优缺点。(增强相热力学稳定，易实现近净成型，界面无污染、结合良好；体系受到限制，反应过程及产物控制待完善)2、结合复合材料的开发，谈谈你认为具有发展前途的新型复合技术。（原材料来源广，工艺简单，复合材料结构、性能可靠）3思考题1、请阐述原位复合技术的优缺点。3第十章复合材料可靠性与无损评价10.1复合材料可靠性问题10.2从组分材料入手提高可靠性10.3从控制工艺质量提高可靠性10.4环境条件下的可靠性评价10.5复合材料的无损检测方法10.6质量评价与监控4第十章复合材料可靠性与无损评价10.1复合材料可靠性10.1复合材料可靠性问题复合材料涉及三个大的方面：合理的结构、优质的原材料和先进的工艺。在生产和使用中，我们关心：复合材料的工艺性能、复合材料的宏观力学性能、复合材料的环境性能。但是，如何对复合材料的性能进行评价？510.1复合材料可靠性问题复合材料涉及三个大的方面：合理结构的可靠度可靠度是指系统或者部件在给定的使用时间内和给定的条件下，能够顺利完成原设计性能的概率或者能够正常工作的能力。复合材料的可靠度可以表示为 R=P（L<S） 式中：R为可靠度，P为概率，L为广义应力，S为广义强度。6结构的可靠度可靠度是指系统或者部件在给定的使用时间内和给定3）材料结构的可设计性。可靠性控制的复杂性2）材料、结构、工艺的同步性。1）组分材料的多重性。73）材料结构的可设计性。可靠性控制的复杂性2）材料、结构、工图1海上风力发电机及其叶片结构8图1海上风力发电机及其叶片结构8图2风力发电机结构示意图9图2风力发电机结构示意图9图3风力发电机10图3风力发电机10复合材料可靠性存在的问题1）材料特性知识的缺乏2）材料性能的分散性3）制备工艺的不稳定性4）试验方法的不完善5）统计数据的不足6）对随时间变化的规律掌握不够7）材料的综合评价等11复合材料可靠性存在的问题11Fig.4SEMmicrographsshowingwell-alignedrod-likemicrostructureoftheNiAl–Moeutecticalloy

directionallysolidifiedat40mm/h12Fig.4SEMmicrographsshowing复合材料的可靠性包括三个方面的内容：1）复合材料的性能稳定性——性能均一性。2）复合材料的耐久性——使用寿命。3）突发条件下的许用值。13复合材料的可靠性包括三个方面的内容：13纤维增强树脂复合材料FRP在航空、航天及船舶等领域有广泛应用，潮湿空气、水介质、海洋气氛、航空燃油等环境对复合材料性能的影响日益受到人们的重视。研究表明，复合材料的性能变化是由基体溶胀塑化、界面脱粘以及基体、界面的形貌变化引起，但没有化学反应。14纤维增强树脂复合材料FRP在航空、航天及船舶等领域有广泛图5A380应用复合材料示意图15图5A380应用复合材料示意图15图6复合材料储罐及气瓶16图6复合材料储罐及气瓶1610.2从组分材料入手提高可靠性基体、增强体、界面是复合材料的三大组成部分，其中增强体包括纤维、晶须和颗粒。组分材料对复合材料的性能稳定性有非常大的影响。从力学性能来看，通常情况下，复合材料性能的分散性远大于单一材料。1710.2从组分材料入手提高可靠性基体、增强体、界面是复合复合材料性能的分散性影响复合材料性能的因素，除了组分材料、复合工艺外，还有试验或使用环境。通常用概率密度函数来表征复合材料性能的分散性。其中，概率密度函数的形状系数α是一个非常重要的参数，反映了数据分布的分散性，α越大，表示分散性越小。18复合材料性能的分散性影响复合材料性能的因素，除了组分材料、复断裂韧性KIC(MPa.m1/2)SiCw含量（vol%）

弯曲强度f(MPa)SiCw含量（vol%）图7SiCw增强ZrO2(Y2O3)复合材料的力学性能19断裂韧性KIC(MPa.m1/2)SiCw含量（vol%）SiCw含量（vol%）

弯曲强度f(MPa)SiCw含量（vol%）断裂韧性KIC(MPa.m1/2)图8SiCw增强Al2O3复合材料的力学性能20SiCw含量（vol%）弯曲强度f(MPa)SiCw含量纤维拉伸强度的分散性纤维增强复合材料是一类重要的复合材料，其中纤维是主要承载者，其质量直接影响复合材料性能的稳定性。纤维质量主要指直径的均匀性、缺陷的概率、批次的重复性以及纤维表面状态的同一性。纤维可能存在的质量问题，通常由纤维丝束强度的分散性反映出来。21纤维拉伸强度的分散性纤维增强复合材料是一类重要的复合材料，其表1几种纤维材料和金属材料的强度22表1几种纤维材料和金属材料的强度22表2玻璃纤维拉伸强度与直径的关系23表2玻璃纤维拉伸强度与直径的关系23表3玻璃纤维拉伸强度与纤维长度的关系24表3玻璃纤维拉伸强度与纤维长度的关系24基体对复合材料性能稳定性的影响基体在复合材料中主要起粘结增强体、支撑增强体和传递载荷的作用。复合材料的耐热、耐腐蚀性能以及电性能等主要取决于基体材料。各种各样的基体材料，也存在着质量的稳定性与可重复性等问题。基体材料的配比、生产和处理工艺等都将影响基体材料的性能，从而影响复合材料性能的稳定性。25基体对复合材料性能稳定性的影响基体在复合材料中主要起粘结增强图9喷射成型过程示意图

26图9喷射成型过程示意图26从组分入手，应从以下几方面进行控制：1）增强体的均匀性，如纤维直径以及内部结构的均匀性。2）增强体的缺陷，包括表面和内部缺陷。3）增强体的表面状态，表面处理或受污染情况。4）基体组分质量的稳定性与可重复性。5）基体材料的配比、生产与处理工艺等。6）基体材料及其组分，如树脂的有效期。27从组分入手，应从以下几方面进行控制：2710.3从控制工艺质量提高可靠性复合材料成型工艺直接影响复合材料构件的性能，很多复合材料的成型过程也是构件的成型过程。复合材料的种类千差万别，制备工艺也不尽相同。以树脂基复合材料为例，从缺陷控制和工艺改进等方面进行简要的分析。2810.3从控制工艺质量提高可靠性复合材料成型工艺直接影响影响复合材料性能的工艺因素胶液配制问题：配比、次序、混合等。预浸料制备过程中纤维张力、胶液浓度和浸胶速度等问题。铺层问题：角度、层数、次序以及场所等。温度因素：固化温度、温度分布、升温速率。压力影响：压力大小和加压时间。时间影响：固化时间等。29影响复合材料性能的工艺因素胶液配制问题：配比、次序、混合等。复合材料中的缺陷气泡脱粘分层杂质树脂偏差纤维偏差疏松针孔等30复合材料中的缺陷气泡30图10复合材料的界面脱粘SEM照片31图10复合材料的界面脱粘SEM照片31固化工艺的实时监控固化工艺的实时监控，是对复合材料固化过程中树脂体系的固化反应过程的现场跟踪，并由此获得最佳加压条件和固化温度的一种技术方法。利用传感器测出温度、黏度、模量、官能团等的变化情况，并将其转换成电信号传输给计算机，与固化模型不断进行比较，以不断调整固化温度和压力等工艺参数。32固化工艺的实时监控固化工艺的实时监控，是对复合材料固化过程中图11热电偶及位移传感器33图11热电偶及位移传感器33传感技术与计算机技术相结合，可以实现计算机辅助设计及制造（CAD/CAM）。温度数据可以为充模时间等提供依据，达到调节和控制成型过程的目的。压力数据将为模具的合模力、材料的选择等提供依据。34传感技术与计算机技术相结合，可以实现计算机辅助设计及制造（CRTM工艺对复合材料可靠性的影响RTM（Resintransfermolding)工艺是一种具有很好应用前景的复合材料成型工艺。其基本过程是：预成型体（模具）——闭合模具——注射树脂——浸润与渗透——固化成型——开模取件。织物预成型体、树脂基体的特性、注射压力、模具结构等均可能对复合材料的可靠性产生影响。35RTM工艺对复合材料可靠性的影响RTM（Resintran计算机模拟仿真在可靠性控制中的应用一个优化问题由三方面组成：1)目标函数，2)约束条件，3)优化算法。如层合板结构的可靠性优化研究，以纤维方向角和层合板厚度为设计变量，系统可靠性指标最大为目标函数，结构的总厚度一定为约束条件。遗传算法在寻优的过程中，不需要计算目标函数对各设计变量的导数，这使得基于最终层失效的结构可靠性优化成为可能。36计算机模拟仿真在可靠性控制中的应用一个优化问题由三方面组成：图最优解βs与载荷比k的关系37图最优解βs与载荷比k的关系37采用遗传算法分析复合材料层合板结构基于最终层失效理论的可靠性优化问题，系统可靠性的计算分别基于首层失效理论和最终层失效理论。在结构总厚度一定的条件下，优化纤维方向角和每个单层板的厚度，使系统可靠度达到最大。最终层失效时系统可靠度较首层失效时有较大提高，为结构设计时充分利用材料性能提供了理论依据。38采用遗传算法分析复合材料层合板结构基于最终层失效理论的可靠性第十章复合材料可靠性与无损评价10.1复合材料可靠性问题10.2从组分材料入手提高可靠性10.3从控制工艺质量提高可靠性10.4环境条件下的可靠性评价10.5复合材料的无损检测方法10.6质量评价与监控39第十章复合材料可靠性与无损评价10.1复合材料可靠性思考题1、复合材料可靠性的主要问题有哪些，请举例对其中一个问题进行说明。2、试阐述从控制工艺质量提高复合材料可靠性有哪些具体的措施。40思考题1、复合材料可靠性的主要问题有哪些，请举例对其中一个问4141复合材料原理主讲人：陈刚江苏大学材料学院42复合材料原理主讲人：陈刚1第九章材料复合新技术9.1原位复合技术9.2自蔓延复合技术9.3梯度复合技术9.4其它复合新技术43第九章材料复合新技术9.1原位复合技术2思考题1、请阐述原位复合技术的优缺点。(增强相热力学稳定，易实现近净成型，界面无污染、结合良好；体系受到限制，反应过程及产物控制待完善)2、结合复合材料的开发，谈谈你认为具有发展前途的新型复合技术。（原材料来源广，工艺简单，复合材料结构、性能可靠）44思考题1、请阐述原位复合技术的优缺点。3第十章复合材料可靠性与无损评价10.1复合材料可靠性问题10.2从组分材料入手提高可靠性10.3从控制工艺质量提高可靠性10.4环境条件下的可靠性评价10.5复合材料的无损检测方法10.6质量评价与监控45第十章复合材料可靠性与无损评价10.1复合材料可靠性10.1复合材料可靠性问题复合材料涉及三个大的方面：合理的结构、优质的原材料和先进的工艺。在生产和使用中，我们关心：复合材料的工艺性能、复合材料的宏观力学性能、复合材料的环境性能。但是，如何对复合材料的性能进行评价？4610.1复合材料可靠性问题复合材料涉及三个大的方面：合理结构的可靠度可靠度是指系统或者部件在给定的使用时间内和给定的条件下，能够顺利完成原设计性能的概率或者能够正常工作的能力。复合材料的可靠度可以表示为 R=P（L<S） 式中：R为可靠度，P为概率，L为广义应力，S为广义强度。47结构的可靠度可靠度是指系统或者部件在给定的使用时间内和给定3）材料结构的可设计性。可靠性控制的复杂性2）材料、结构、工艺的同步性。1）组分材料的多重性。483）材料结构的可设计性。可靠性控制的复杂性2）材料、结构、工图1海上风力发电机及其叶片结构49图1海上风力发电机及其叶片结构8图2风力发电机结构示意图50图2风力发电机结构示意图9图3风力发电机51图3风力发电机10复合材料可靠性存在的问题1）材料特性知识的缺乏2）材料性能的分散性3）制备工艺的不稳定性4）试验方法的不完善5）统计数据的不足6）对随时间变化的规律掌握不够7）材料的综合评价等52复合材料可靠性存在的问题11Fig.4SEMmicrographsshowingwell-alignedrod-likemicrostructureoftheNiAl–Moeutecticalloy

directionallysolidifiedat40mm/h53Fig.4SEMmicrographsshowing复合材料的可靠性包括三个方面的内容：1）复合材料的性能稳定性——性能均一性。2）复合材料的耐久性——使用寿命。3）突发条件下的许用值。54复合材料的可靠性包括三个方面的内容：13纤维增强树脂复合材料FRP在航空、航天及船舶等领域有广泛应用，潮湿空气、水介质、海洋气氛、航空燃油等环境对复合材料性能的影响日益受到人们的重视。研究表明，复合材料的性能变化是由基体溶胀塑化、界面脱粘以及基体、界面的形貌变化引起，但没有化学反应。55纤维增强树脂复合材料FRP在航空、航天及船舶等领域有广泛图5A380应用复合材料示意图56图5A380应用复合材料示意图15图6复合材料储罐及气瓶57图6复合材料储罐及气瓶1610.2从组分材料入手提高可靠性基体、增强体、界面是复合材料的三大组成部分，其中增强体包括纤维、晶须和颗粒。组分材料对复合材料的性能稳定性有非常大的影响。从力学性能来看，通常情况下，复合材料性能的分散性远大于单一材料。5810.2从组分材料入手提高可靠性基体、增强体、界面是复合复合材料性能的分散性影响复合材料性能的因素，除了组分材料、复合工艺外，还有试验或使用环境。通常用概率密度函数来表征复合材料性能的分散性。其中，概率密度函数的形状系数α是一个非常重要的参数，反映了数据分布的分散性，α越大，表示分散性越小。59复合材料性能的分散性影响复合材料性能的因素，除了组分材料、复断裂韧性KIC(MPa.m1/2)SiCw含量（vol%）

弯曲强度f(MPa)SiCw含量（vol%）图7SiCw增强ZrO2(Y2O3)复合材料的力学性能60断裂韧性KIC(MPa.m1/2)SiCw含量（vol%）SiCw含量（vol%）

弯曲强度f(MPa)SiCw含量（vol%）断裂韧性KIC(MPa.m1/2)图8SiCw增强Al2O3复合材料的力学性能61SiCw含量（vol%）弯曲强度f(MPa)SiCw含量纤维拉伸强度的分散性纤维增强复合材料是一类重要的复合材料，其中纤维是主要承载者，其质量直接影响复合材料性能的稳定性。纤维质量主要指直径的均匀性、缺陷的概率、批次的重复性以及纤维表面状态的同一性。纤维可能存在的质量问题，通常由纤维丝束强度的分散性反映出来。62纤维拉伸强度的分散性纤维增强复合材料是一类重要的复合材料，其表1几种纤维材料和金属材料的强度63表1几种纤维材料和金属材料的强度22表2玻璃纤维拉伸强度与直径的关系64表2玻璃纤维拉伸强度与直径的关系23表3玻璃纤维拉伸强度与纤维长度的关系65表3玻璃纤维拉伸强度与纤维长度的关系24基体对复合材料性能稳定性的影响基体在复合材料中主要起粘结增强体、支撑增强体和传递载荷的作用。复合材料的耐热、耐腐蚀性能以及电性能等主要取决于基体材料。各种各样的基体材料，也存在着质量的稳定性与可重复性等问题。基体材料的配比、生产和处理工艺等都将影响基体材料的性能，从而影响复合材料性能的稳定性。66基体对复合材料性能稳定性的影响基体在复合材料中主要起粘结增强图9喷射成型过程示意图

67图9喷射成型过程示意图26从组分入手，应从以下几方面进行控制：1）增强体的均匀性，如纤维直径以及内部结构的均匀性。2）增强体的缺陷，包括表面和内部缺陷。3）增强体的表面状态，表面处理或受污染情况。4）基体组分质量的稳定性与可重复性。5）基体材料的配比、生产与处理工艺等。6）基体材料及其组分，如树脂的有效期。68从组分入手，应从以下几方面进行控制：2710.3从控制工艺质量提高可靠性复合材料成型工艺直接影响复合材料构件的性能，很多复合材料的成型过程也是构件的成型过程。复合材料的种类千差万别，制备工艺也不尽相同。以树脂基复合材料为例，从缺陷控制和工艺改进等方面进行简要的分析。6910.3从控制工艺质量提高可靠性复合材料成型工艺直接影响影响复合材料性能的工艺因素胶液配制问题：配比、次序、混合等。预浸料制备过程中纤维张力、胶液浓度和浸胶速度等问题。铺层问题：角度、层数、次序以及场所等。温度因素：固化温度、温度分布、升温速率。压力影响：压力大小和加压时间。时间影响：固化时间等。70影响复合材料性能的工艺因素胶液配制问题：配比、次序、混合等。复合材料中的缺陷气泡脱粘分层杂质树脂偏差纤维偏差疏松针孔等71复合材料中的缺陷气泡30图10复合材料的界面脱粘SEM照片72图10复合材料的界面脱粘SEM照片31固化工艺的实时监控固化工艺的实时监控，是对复合材料固化过程中树脂体系的固化反应过程的现场跟踪，并由此获得最佳加压条件和固化温度的一种技术方法。利用传感器测出温度、黏度、模量、官能团等的变化情况，并将其转换成电信号传输给计算机，与固化模型不断进行比较，以不断调整固化温度和压力等工艺参数。73固化工艺的实时监控固化工艺的实时监控，是对复合材料固化过程中图11热电偶及位移传感器74图11热电偶及位移传感器33传感技术与计算机技术相结合，可以实现计算机辅助设计及制造（CAD/CAM）。温度数据可以为充模时间等提供依据，达到调节和控制成型过程的目的。压力数据将为模具的合模力、材料的选择等提供依据。75传感技术与计算机技术相结合，可以实现计算机辅助设计及制造（C