复合材料性能的经验计算方法Word下载.docx
《复合材料性能的经验计算方法Word下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《复合材料性能的经验计算方法Word下载.docx（18页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
2.2有限元方法在复合材料研究中的应用
2.2.1刚度问题
由于先进的金属基和陶瓷基复合材料的广泛应用和计算机技术的发展，复合材料的细观结构与宏观有效模量之间的定量关系可以通过有限元细观力学计算获得[3]。
例如方岱宁等[4]计算了正交各向异性复合材料的九个柔度常数，分析了长纤维形状、分布对有效剪切模量和杨氏模量的影响，同时还模拟了颗粒形状、取向、分布对性能的影响。
Brown等人分析了纤维截面形状对金属基复合材料有效模量的影响。
图1是用轴对称单胞和三维体单胞模型对含不同分布的玻璃球颗粒增强的高分子基复合材料轴向刚度的计算结果和实验结果的对比[3]。
图1不同模型计算的有效轴向弹性模量结果与所有结果的比较[3]
2.2.2残余应力
复合材料在制备过程中，从熔解温度冷却到室温，由于增强相和基体的热膨胀系数不同，而产生残余应力，造成复合材料基体局部塑性屈服，所产生的残余应力对材料受载时的力学行为将有较大的影响。
有限元计算能够求解和模拟变化的温度场下的残余应力场[3]。
例如davis模拟了复合材料制备冷却过程中压缩残余应力的形成过程，并分析了该压缩残余应力所造成的塑性屈服现象。
weissenbek分析了含不同分布的纤维周期复合材料的拉伸平均应变与温度之间的关系[3]。
2.2.3损伤问题
复合材料在制造、加工过程中，不可避免地会出现一些细观缺陷，例如纤维、颗粒等增强相的断裂、它们与基体的脱粘以及基体中产生微空洞微裂纹等。
缺陷造成的局部应力场的变化一般很复杂，必须应用有限元计算细观力学来对细观损伤进行数值分析，才可以克服求解析解时作出的过多的简化，使结果更加接近实际。
例如陈陆平、潘敬哲和钱令希等人利用参数拟规划化和非连续线弹性本构模型，构造了复合材料纤维/基体界面失效问题的细观力学模型并进行了有限元细观计算分析，得到了与实验相吻合的结果[3]。
3分子动力学
3.1分子动力学原理简介
分子动力学方法早在20世纪50年代末就已提出，但直到80年代恒压分子动力学方法得以成功应用，它才真正成为材料科学领域的一个重要研究方法[5]。
分子动力学是进行材料纳观尺度模拟的一个主要方法，相比于蒙特卡罗方法，该方法更适合于求解与时间相关的问题。
经典分子动力学方法是按该体系内部的内禀动力学规律计算并确定位形的转变。
首先针对微观物理体系，给出体系内粒子间相互作用势，建立一组运动方程，认为每个粒子都服从经典牛顿力学定律，然后通过对方程进行数值求解，得到各个粒子在不同时刻的坐标与动量，即其在相空间的运动轨迹，再利用统计计算方法得到多体系统的静态和动态特性，从而得到系统的宏观性质[6]。
第一性原理是car和Parrinello等人为了求解半导体和金属的势函数而提出的。
这种方法实际上是一种新的求解牛顿方程的方法，既求解波函数的运动方程，又求解针对原子坐标的运动方程，把原子核和核外电子的自由度统一考虑进来，从而把密度泛函理论和分子动力学有机结合起来。
目前，在对于第一性原理分子动力学运动方程的求解中，常引入平面波（planewave）和超软赝势（ultra-soRpseudo-potential）方法[6]。
3.2分子动力学在复合材料研究中的应用
3.2.1界面研究
利用分子动力学模拟可以在原子级别上对晶体表面和界面进行优化驰豫，并分析计算其界面原子构型、电子密度分布、界面能量状态等。
国绍文等人使用分子动力学方法对Sic/al复合材料与其表面ni涂层的相互作用进行了模拟计算，得到了分子动力学优化平衡后的界面原子构型，其相互作用能计算结果为108.4kJ/mol，与实验结果相一致。
Benedek等人使用第一性原理方法，模拟了晶格错配的﹛222﹜mgo/cu界面，由于mgo和cu的晶格常数比约为7/6，界面两侧的原子层均发生翘曲畸变以形成优化键合，此外，计算了界面结合能和界面电子结构。
此外其他研究者还对
Tic/Ti的极性界面结构、co/al界面等等众多复合材料的界面进行了计算，得到了大量计算数据和有价值的结果[5]。
3.2.2力学性能
对于复合材料，界面的力学性能是另一个更为关注的问题，分子动力学在获得界面平衡构型后，可以对其进行加载模拟，以研究界面应力和载荷传递，计算界面力学性能参数，模拟材料变形和失效。
Bachlechner等人对Si（111）/Si3n4（0001）界面进行了分子动力学建模模拟，计算了界面的能量和界面力学参数，并对Si3n4薄膜中的开裂进行了模拟。
在该研究中得到的界面杨氏模量为199.1GPa。
通过模拟界面的连续拉伸变形，得到系统首先在Si3n4薄膜起裂纹并扩展至界面，并且在裂纹下的Si原子面上产生错位原子[6]。
4人工神经网络
4.1人工神经网络介绍
人工神经网络技术由于其建模的高效性、准确性和从已知实验数据中获取知识所具有的优势，引起了材料研究工作者的高度重视[7]。
由于复合材料可设计性的自由度大，影响因素多，利用传统的数学建模方法来研究结构、工艺与性能之间的关系，尚存在许多困难，而简化求解问题的数学和力学模型，使得模型本身存在较大的局限性，难以满足工程技术上的需要。
神经网络擅长处理复杂的多元非线性问题，它不需预先指定函数形式，便能通过学习对强非线性数据进行拟合、建模和预报，是研究复合材料的有力工具[7、8]。
4.2人工神经网络在复合材料研究中的应用
4.2.1材料性能预测
复合材料结构设计的一个重要步骤是在设计阶段运用数值模拟手段对结构进行静动态分析计算，有限元法是解决此问题最有力的数值工具，但有限元计算一般需要材料特性作为输入数据，而这些数据需要实际结构相
篇二：
复合材料考试
1.复合材料的定义和组成
复合材料：
将两种或两种以上的不同材料用适当的方法复合成的一种新材料，其性能比单一材料的性能优越。
复合材料由基体（连续物理相）和增强材料（不连续物理相）组成。
2.举一个复合材料的例子，说明其组成、结构与应用之间的关系。
玻璃纤维增强环氧树脂，承载载荷，传递载荷。
玻璃纤维是增强材料，环氧树脂是基体
玻璃纤维是无机增强材料，是熔融物过冷时因黏度增加而具有固体物理机械性能的无定形物体，是各向同性的均相材料。
其化学组成主要是二氧化硅、三氧化硼。
玻璃纤维的拉伸强度很高，耐热性较高。
环氧树脂是分子中含有两个或两个环氧基基团的有机高分子化合物，其分子结构是以分子链中含有活泼的环氧基团为特征，环氧（:
复合材料性能的经验计算方法）基团可以位于分子链的末端、中间或成环状结构。
环氧树脂粘附力强，优良的力学性能，良好的电性能等。
玻璃纤维增强环氧树脂具有优良的的电绝缘性能，在高频下仍保持良好的介电性能，因此可作为高性能的电机、电器的绝缘材料，具有良好的透波性能，被广泛用于制造机载、地面雷达罩。
3.玻璃纤维的力学性能和和影响化学稳定性的因素有哪些？
影响玻璃纤维力学性能的因素：
①纤维的直径和长度②化学组成③存放时间④负荷时间影响玻璃纤维化学稳定性的因素：
①玻璃纤维直径②化学组成
4.玻璃纤维的生产方法有哪几种？
主要区别是什么？
玻璃纤维的生产方法有坩埚法和窑池法两种
区别：
坩埚法生产玻璃纤维主要由制球和拉丝两部分组成。
而池窑法省掉了制球工艺，且拉丝操作有稳定性好，断头飞丝少，单位能耗低等特点。
5.浸润剂作用是什么？
使纤维粘合集束，润滑耐磨，清除静电等，保证拉丝和纺丝的顺利进行。
6.制造碳纤维基本步骤
①纤维化聚合物熔化或溶解后制成纤维
②稳定（氧化或热固化）通常在相对低的温度（200～450℃）和空气中进行这个过程使这些聚合物纤维在以后高温中不被熔化。
③碳化碳化一般在1000～2000℃的惰性气体保护下（n2）进行，纤维经过碳化后，其含碳量一般达到85%～99%
④石墨化石墨化是在2500℃以上的氩气保护下进行的，纤维在石墨化后，碳含量达到了99%以上，同样纤维内分子排列具有很高的定向程度。
7.论述丙烯腈基碳纤维生产过程中碳纤维质量的主要影响因素
①杂质和灰尘对原丝质量的影响：
造成原丝质量强度降低，而这些缺陷会保留在碳纤维中造成碳纤维产品强度下降
②聚合物相对分子量的影响：
分子量增大，黏度加大，分子间作用力增大，分子间不易滑移，力学性能增强。
但分子量也不应过高，控制在80000左右，否则粘度太大纺丝困难
③聚合物结晶度、分子取向度的影响：
结晶度高，分子间相互作用增强，提高了聚合物的强度，分子取向度的提高也可使碳纤维的强度得以提高
8．UHmw-PE的生产方法和工艺流程
生产方法：
凝胶纺丝法——超倍拉伸技术
工艺流程：
UHmw-PE，溶剂，抗氧剂等→溶解脱泡→UHmw-PE溶液→挤出纺丝→初生态，凝胶纤维→脱溶剂→干凝胶纤维→加热，超倍拉伸定型→UHmw-PE纤维
9.是比较玻璃纤维，碳纤维，芳纶纤维，PBo纤维，UHmw-PE纤维和陶瓷纤维的力学性能，耐热性并指出每种材料最独特的性能特点。
答：
1.玻璃纤维：
拉伸强度很高，扭转强度和剪切强度较低，耐热性高。
2.碳纤维：
高强度，高模量，低密度，耐化学腐蚀性，低电阻，低热膨胀系数。
3.芳纶纤维：
优异的拉伸强度，拉伸模量，优良的耐热性，低密度。
4.BPo纤维：
高强度，高模量，耐高温，高温下不熔融，高热稳定性，吸湿性低，耐有机溶剂，耐碱性能好，柔软性能好，不耐酸，不耐光。
5.UHmw-PE纤维：
高强度，耐热性能低，耐磨性高。
6.陶瓷纤维：
抗拉伸强度大，抗机械振动好，弹性好，耐热性好，热导率低，热稳定性好。
最独特的性能：
拉伸强度很高。
优异耐化学腐蚀性，低电阻，耐辐射性能。
低密度，优良减震性能，耐磨性，抗疲劳性，尺寸稳定性，优良介质性能。
吸湿性低，阻燃性能好。
耐腐蚀，耐海水，耐磨，耐紫外线辐射，耐冲击。
很低的介电损耗和介电常数。
10.试总结得到高性能纤维的方法，并举例。
所谓高性能纤维指在外部作用下不易发生反应，或具备高弹性系数，高强度，高模量，或有良好耐热性，耐气候性，耐摩擦性，耐化学性及高绝缘性的纤维材料。
方法：
1.坩埚法和池窑法，制造玻璃纤维
2.热解有机纤维，制造碳纤维
3.凝胶纺丝法，制造高性能UHmw-PE纤维
4.熔融纺丝法及淤浆纺丝法，制造高性能al2o3纤维
5.化学气相沉积法及先驱体法，制造高性能Sie纤维
6.无机或有机先驱转化法，制造高性能氧化硼纤维。
1.复合材料界面有哪些机能？
1.传递效应：
将外力传递给增强物，起桥梁作用。
2.阻断效应：
阻止裂纹扩展，中断材料破环，减缓应力集中。
3．不连续效应：
在界面上产生物理性能不连续现象
4．散射和吸收效应：
光波和声波等在界面上产生散射和吸收。
5.诱导效应：
增强的表面结构使聚合物基本与之接触的物质的结构由于诱导作用而发生改变，由产生一些现象，如高弹性，低膨胀性，耐冲击性等。
2.复合材料界面形成分为哪两个阶段？
1.基体与增强材料的接触和浸润过程
2．基体与增强材料通过相互作用使界面固定阶段。
3.如何判断材料表面被浸润情况？
通过接触角来判断材料表面被侵润情况。
0到90度：
润湿
90到180度：
不润湿
0度：
完全润湿，粘附力最大
4.玻璃纤维表面处理方法有哪些？
简要说明硅烷偶联剂的作用？
1.处理方法：
1.有机络合物类表面处理剂。
2．有机硅烷类表面处理剂。
2.作用：
硅烷偶联剂具有两种性质不同的官能团，一端为亲玻璃纤维的官能团，一端为亲树脂官能团，将玻璃纤维和树脂粘结在一起，在界面上形成共价键。
5.为什么要对碳纤维表面处理，方法有哪些？
处理目的和意义：
碳纤维表面处理就是为了改善其表面结构和性能，采取针对性措施，使获得与基体材料很好的粘结，从而达到提高其复合材料层间剪切强度，断裂韧性，尺寸稳定性及界面抗湿性。
1.表面浸涂有机化合物
2．表面涂覆有机化合物
3.表面化学处理
4.电解氧化处理
5.等离子体处理
1.说明影响不饱和聚酯固化树脂性能的因素
a不饱和聚酯的相对分子质量。
树脂的力学强度、耐热性、介电性能随相对分子质量增加而提高。
B聚酯化过程中顺式双键的异构化。
随转化程度的提高，树脂固化时间与凝胶化时间缩短，力学性能耐热性能耐腐蚀性提高。
2．不饱和聚酯树脂固化分为哪几个阶段？
3个阶段：
凝胶、定型、熟化
3不饱和聚酯固化树脂结构与哪些因素有关？
a线型不饱和聚酯分子交联点间苯乙烯的重复单元数。
B线型不饱和聚酯分子中双键的反应的分数。
4．乙烯基酯树脂和烯丙基酯树脂和不饱和聚酯树脂在结构和合成方法上有什么不同？
a乙烯基酯树脂：
以不饱和酸和带活性点低相对分子质量聚合物为原料反应得到，分子端基或侧基含有不饱和双键的树脂。
B烯丙基酯树脂：
由多烯丙基酯化合物经自由基聚合反应得到。
分子中含有不饱和双键和酯键，且酯键在聚合物的侧链上一般要在较高温度下才能固化。
c不饱和聚酯树脂：
以二元酸和二元醇为原料经缩聚反应得到，酯键在聚合物主链结构中，既可以常温固化也可以加热固化。
5有哪些方法可以制备阻燃树脂？
a添加型阻燃树脂：
a添加无机填料，如水和氧化铝、磷酸盐、三氧化二锑、硼砂b添加邮寄阻燃剂，如有机氯化石蜡、十溴二苯醚等
c含磷化合物，如磷酸三乙酯等
B反应型阻燃树脂：
分子结构中含有阻燃元素，如四溴苯酐、四氟苯酐等
6．环氧树脂性能特点有哪些？
形式多样，固化方便，黏附力强，收缩率低，力学性能好，电性能好，有耐化学性，尺寸稳定，耐霉菌。
7.二酚基丙烷型环氧树脂合成的影响因素？
答:
a二酚基丙烷与环氧氨丙烷的物质的量之比
b．naoH用量、浓度、投料方式、配成10%——30%水溶液
c反应温度60——90
d加料顺序：
低分子量时，碱后加；
高分子量时，环氧氨丙烷后加
e体系中含水量：
0.3%——2%
8.计算E-51树脂平均相对分子量
100/（0.51/2）=392.16
9.环氧树脂有哪些类型，各有何特性
a缩水甘油醚类：
含活泼氨的酚类和醇类与环氧氨丙烷缩聚，有优良热稳定性，力学性能，电绝缘性，耐水性
b缩水甘油脂类：
黏度低，使用工艺低，反应活性高，粘合力高，；
力学性能好，表面光滑度好，表面光泽度好，耐超低温，透光好
c缩水甘油胺类：
多官能度，环氧当量高，脆性大
d酯环族类：
抗压，抗拉强度好，力学性能好，电性能好，耐电弧，耐紫外老化e脂肪族类：
良好的力学性能，韧性好，耐高低温
10.举例说明环氧树脂有哪些固化类型
逐步聚合反应：
a反应性固化剂：
多元伯醇、多元羧酸
b催化性固化剂：
叔胺，三氧化硼酸合物
离子型聚合反应：
a阴离子型固化剂：
叔胺类、dmP-10
b阳离子型固化剂：
三氟化硼、胺类
11.计算用二乙烯三胺固化E—44树脂用量
胺当量三胺相对分子量/胺中活泼氢个数=103÷
5=20.6
二乙烯三按用量=按当量·
环氧值=20.6·
0.44=9.064
12.环氧树脂有哪些类型稀释剂和增韧剂
稀释剂：
a非活性稀释剂：
苯二甲酸酯类
b活性稀释剂：
V-丁内醇、亚磷酸二本酯
增韧剂：
a非活性增韧剂：
苯二甲酸二甲酯
b活性增韧剂：
低相对分子量聚酰胺、聚硫橡胶
13.酚醛树脂合成有哪些影响因素
a单体官能度，酚的邻对位取代基
b酚苯上取代基：
间为取代基酚类增加邻对位取代活性；
邻对位取代基则降低邻对位基取代活性
c催化剂：
naoHmyoHcL
d单体物质的量之比：
n甲醛/n苯酚>
1.1
e反应介质，PH，中性点3.0—3,1
f其他
14酚醛树脂固化分哪些阶段
a液态树脂b凝胶c不溶不熔坚硬固体
15酚醛树脂固化方法及影响因素
1）可在加热酸性条件下固化，热固化，常温固化
2）热固化影响速率：
a合成时甲醛和苯酚物质量之比大，凝胶时间短
b固化体系PH=4时，反应慢
c固化温度：
温度升高，凝胶时间下降
3）固化速率影响因素
a六次甲基四安：
用量少，凝胶时间下降
b树脂中游离酚、含水量：
含水量高，凝胶时间短
c温度：
温度高，凝胶时间短
16，酚醛树脂有哪些，有什么区别？
热固性，热塑性两类
热塑性：
缩聚反应在强酸条件下，PH热固性：
缩聚反应一般是在碱性条件下进行，常用催化剂为氢氧化钠，氢氧化钡等。
甲醛和苯酚的物质的量之比控制在1.1~1.5.它是含有可进一步反应的羟甲基活性基团的树脂，合成反应不加以控制。
则提醒缩聚反应会一直进行至形成不溶不熔的具有三维网状结构的固化树脂这类树脂称一阶树脂。
1,各种成型工艺（手糊，喷射，袋压，模压）的定义和优缺点
手糊：
指用手工或在机械辅助下将增强材料和热固性树脂铺覆在模具上，树脂固化形成复合材料的一种成型方法
优点：
操作简单，操作者容易培训，设备投资少，生产费用低，能生存大型和复杂结构的制品，制品可设计性好，且容易改变设计。
模具材料来源广，可制成夹层结构。
缺点：
是劳动密集型成型方法，生产率低。
制品质量与操作者技术水平有关，生产周期长制品力学性能较其他方法低。
篇三：
复合材料层合板强度计算现状
1．简介
复合材料是指由两种或者两种以上不同性能的材料在宏观尺度上组成的多相材料。
一般复合材料的性能优于其组分材料的性能，它改善了组分材料的刚度、强度、热学等性能。
复合材料从应用的性质可分为功能复合材料和结构复合材料两大类。
功能复合材料主要具有特殊的功能，例如:
导电复合材料，它是用聚合物与各种导电物质通过分散、层压或通过表面导电膜等方法构成的复合材料；
烧灼复合材料，它由各种无机纤维增强树脂或非金属基体构成，可用于高速飞行器头部热防护；
摩阻复合材料，它是用石棉等纤维和树脂制成的有较高摩擦系数的复合材料，应用于航空器、汽车等运转部件的制动。
功能复合材料由于其涉及的学科比较广泛，已不是单纯的力学问题，需要借助电磁学，化学工艺、功能学等众多学科的研究方法来研究。
结构复合材料一般由基体料和增强材料复合而成。
基体材料主要是各种树脂或金属材料；
增强材料一般采用各种纤维和颗粒等材料。
其中增强材料在复合材料中起主要作用，用来提供刚度和强度，而基体材料用来支持和固定纤维材料，传递纤维间的载荷。
结构复合材料在工农业及人们的日常生活中得到广泛的应用，也是复合材料力学研究的主要对象，是固体力学学科中一个新的分支。
在结构复合材料中按增强材料的几何形状及结构形式又可划分为以下三类：
1．颗粒增强复合材料，它由基体材料和悬浮在基体材料中的一种或多种金属或非金属颗粒材料组合而成。
2．纤维增强复合材料，它由纤维和基体两种组分材料组成。
按照纤维的不同种类和形状又可划分定义多种复合材料。
图1.1为长纤维复合材料的主要形式。
图1.1
3．复合材料层合板，它由以上两种复合材料的形式组成的单层板，以不同的方式叠合在一起形成层合板。
层合板是目前复合材料实际应用的主要形式。
本论文的主要研究对象就是长纤维增强复合材料层合板的强度问题。
长纤维复合材料层合板主要形式如图1.2所示。
图1.2
一般来说，强度是指材料在承载时抵抗破坏的能力。
对于各向同性材料，在各个方向上强度均相等，即强度没有方向性，常用极限应力来表示材料的强度。
对于复合材料，其强度的显著的特点是具有方向性。
因此复合材料单层板的基本强度指标主要有沿铺层主方向（即纤维方向）的拉伸强度Xt和压缩强度Xc；
垂直于铺层主方向的拉伸强度Yt和压缩强度Yc以及平面内剪切强度S等5个强度指标。
对于复合材料层合板而言，由于它是由若干个单层板粘合在一起而形成的，而单向复合材料又是正交各向异性材料，层合板的各个铺层的纤维排列方式不相同，可能导致因为受力作用所产生各铺层的变形不一致，因此，其如何决定其最终强度就是一个非常复杂的问题。
复合材料层合板的强度是应用复合材料时所必须研究的关键性问题之一，如何确定其强度是进行复合材料结构设计所必需解决的一个基本问题，是安全可靠合理经济地使用复合材料的基础之一，因此对于复合材料强度的研究是复合材料领域内最早受到重视并开展研究较为广泛的一个基础性工作。
但是相对于各向同性材料来说，复合材料，特别是层合板的复合材料的强度研究要困难的多。
原因在于影响其强度的因素很多，而其破坏形式又很复杂，实验数据较为分散。
同传统的单相材料相比，复合材料强度问题的复杂性在于：
（1）细观结构受力的复杂性。
从承受和传递应力系统的角度来看，复合材料可以视为一个“结构”，即由两类“元件”纤维与基体所构成的结构。
因此，复合材料的破坏与组分材料的破坏特性有关。
一般地说，纤维是刚硬的、弹性和脆
性的；
聚合物基体则是柔软的、塑性的或者粘弹性的。
复合材料就是由这两种性质差异甚大，但是具有互补性质的组分材料所构成的在细观上很不均匀的“结构”。
应该指出，极其复杂多样的界面情况，对复合材料的强度也起着重要的影响。
所以，复合材料的强度将取决于：
组分材料的性态、纤维的体积率与方向、纤维的表面处理、耦连剂和界面情况、基体的延伸率和韧性、工艺过程与质量、固化的温度、工作环境的温度与湿度、受力情况、加载的时
升级会员 