帽形薄壁梁的铺层设计与制造工艺Word下载.docx
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复合材料帽形薄壁梁在复合材料薄壳加梁结构中应用广泛。
这种结构形式的面板主要受面内力作用，面板的铺层情况受内力的情况而定。
它的设计不但要进行结构设计包括刚度、强度的设计，还要考虑工艺设计。
采用经典层合板理论，合理设计单向板的铺层，减少制造过程中残余应力带来的复合材料帽形薄壁梁的翘曲，缩口的变形。
本文进行了复合材料薄壁梁的分析和设计。
零件如图1所示
图1帽型薄壁梁
1.3复合材料定义及分类
1.3.1定义
复合材料（compositematerials）是由两种或两种以上不同的材料，在宏观尺度上复合而成的一种完全不同于其组成材料的新型材料。
复合材料的定义包括以下四个方面：
它包含两种或两种以上物理上不同并可用机械方法分离的材料；
它可以通过将几种分离的材料混合在一起而制成。
混合的方法是，在人为控制下将一种材料分散在其他材料之中，使其达到最佳性能；
复合后的性能优于各单独的组成材料，并在某些方面可能具有组成材料所没有的独特性能；
通过选取不同的组成材料、改变组成材料的含量与分布等微结构参数，可以改变复合材料的性能，即材料性能具有可设计性并拥有最大的设计自由度。
复合材料的组成材料称为组分材料。
组分材料分为两部分：
一部分为连续相即基体（matrix），起到黏结增强体予以赋形并传递应力和增韧作用：
另一部分为分散相即增强体（reinforcedbody），承担结构的各种工作载荷。
增强体分为纤维（fibre）：
连续纤维、短切纤维、晶须；
颗粒：
微米颗粒与纳米颗粒；
片材：
人工晶片与天然片状物。
基体主要分为有机聚合物、金属、陶瓷、水泥和碳（石墨）等。
构造出的复合材料，能改善的性能主要有强度、刚度、疲劳寿命、耐高温性、耐腐蚀性、耐磨性、吸引性、质量、抗振性、导热性、绝热性、隔声性等。
当然，上述各种性能不可能同时都有所改善，工程实际中也不存在这样的要求。
1.3.2分类
1.3.2.1按增强材料形态分为以下三类
①、纤维增强复合材料：
a.连续纤维复合材料：
作为分散相的长纤维的两个端点都位于复合材料的边界处；
b.非连续纤维复合材料：
短纤维、晶须无规则地分散在基体材料中；
②、颗粒增强复合材料：
微小颗粒状增强材料分散在基体中；
③、板状增强体、编织复合材料：
以平面二维或立体三维物为增强材料与基体复合而成。
其他增强体：
层叠、骨架、涂层、片状、天然增强体纤维增强复合材料分为以下五种：
①玻璃纤维复合材料；
②碳纤维复合材料；
③有机纤维（芳香族聚酰胺纤维、芳香族聚酯纤维、聚烯烃纤维等）复合材料；
④金属纤维（如钨丝、不锈钢丝等）复合材料；
⑤陶瓷纤维（如氧化铝纤维、碳化硅纤维、硼纤维等）复合材料。
1.3.2.2按基体材料分类
（1）聚合物基复合材料：
以有机聚合物（主要为热固性树脂、热塑性树脂及橡胶）为基体制成的复合材料；
（2）金属基复合材料：
以金属为基体制成的复合材料，如铝基复合材料、钛基复合材料等；
（3）无机非金属基复合材料：
以陶瓷材料（也包括玻璃和水泥）为基体制成的复合材料。
1.3.2.3按材料作用分类
（1）结构复合材料：
用于制造受力构件的复合材料；
（2）功能复合材料：
具有各种特殊性能（如阻尼、导电、导磁、换能、摩擦、屏蔽等）的复合材料。
此外，还有同志复合材料和异质复合材料。
增强材料和集体材料属于同种物质的复合材料为同质复合材料。
1.3.3复合材料的基本特性
（1）复合材料是由多相材料复合而成，其共同的特点是：
①可综合发挥各种组成材料的优点，使一种材料具有多种性能，具有天然材料所没有的性能。
例如，玻璃纤维增强环氧基复合材料，既具有类似钢材的强度，又具有塑料的介电性能和耐腐蚀性能。
②可按对材料性能的需要进行材料的设计和制造。
例如，针对方向性材料强度的设计，针对某种介质耐腐蚀性能的设计等。
可制成所需的任意形状的产品，可避免多次加工工序。
例如，可避免金属
产品的铸模、切削、磨光等工序。
（2）复合材料最大的特性是可设计性好：
它可以根据不同的用途要求，灵活地进行产品设计，具有很好的可设计性。
①对于结构件来说，可以根据受力情况合理布置增强材料，达到节约材料、减轻质量的目的。
②对于有耐腐蚀性能要求的产品，设计时可以选用耐腐蚀性能好的基体树脂和增强材料；
③对于其他一些性能要求，如介电性能、耐热性能等，都可以方便地通过选择合适的原材料来满足要求。
复合材料良好的可设计性还可以最大限度地克服其弹性模量、层间剪切强度低等缺点。
1.3.4复合材料的其他性能
①轻质高强，比强度和比刚度高，例如，普通碳钢的密度为7.8g/cm3。
玻璃纤维增强树脂基复合材料的密度为1.5~2.0g/cm3，只有普通碳钢的1/4—1/5，比铝合金还要轻1/３左右，而机械强度却能超过普通碳钢的水平。
②电性能好，例如，玻璃纤维增强的树脂基复合材料具有优良的电绝缘性能，并且在高频下仍能保持良好的介电性能，因此可作为高性能电机、电器的绝缘材料；
③耐腐蚀性能好，聚合物基复合材料具有优异的耐酸性能、耐海水性能、也能耐碱、盐和有机溶剂。
④热性能良好，玻璃纤维增强的聚合物基复合材料具有较低的导热系数，是一种优良的绝热材料；
金属基和陶瓷基复合材料能在较高的温度下长期使用，但是聚合物基复合材料不能在高温下长期使用，即使耐高温的聚酰亚胺基复合材料，其长期工作温度也只能在300℃左右。
⑤工艺性能优良，能满足各种类型制品的制造需要
⑥弹性模量好，碳纤维等高模量纤维作为增强材料可以提高复合材料的弹性模量
⑦防老化现象好，
⑧抗疲劳性能好，
⑨减振能力强，例如：
用同样尺寸和形状的梁体进行试验，金属材料的梁9s才停止振动，而碳纤维复合材料则只要2.5s，可见阻尼之高。
2复合材料帽型薄壁梁材料的选取
2.1帽型梁零件原材料材料选择
复合材料的原材料，包括基体相和增强相的原材及添加剂。
基体相材料指作为基体的各种聚合物，包括环氧树脂、热固性树脂和热塑性树脂，增强相材料则是指各种纤维，如玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、高密度聚乙烯纤维等。
2.1.1基体材料的选择
（1）树脂选择环氧树脂
环氧树脂是泛指分子中含有两个或两个以上环氧基团的有机高分子化合物，除个别外，它们的相对分子质量都不高。
环氧树脂的分子结构是以分子链中含有活泼的环氧基团为其特征，环氧基团可以位于分子链的末端、中间或成环状结构。
由于分子结构中含有活泼的环氧基团，使它们可与多种类型的固化剂发生交联反应而形成不溶、不熔的具有三向网状结构的高聚物。
环氧树脂的性能和特性:
①、形式多样。
各种树脂、固化剂、改性剂体系几乎可以适应各种应用对形式提出的要求，其范围可以从极低的粘度到高熔点固体。
②、固化方便。
选用各种不同的固化剂，环氧树脂体系几乎可以在0～180℃温度范围内固化。
③、粘附力强。
环氧树脂分子链中固有的极性羟基和醚键的存在，使其对各种物质具有很高的粘附力。
环氧树脂固化时的收缩性低，产生的内应力小，这也有助于提高粘附强度。
④、收缩性低。
环氧树脂和所用的固化剂的反应是通过直接加成反应或树脂分子中环氧基的开环聚合反应来进行的，没有水或其它挥发性副产物放出。
它们和不饱和聚酯树脂、酚醛树脂相比，在固化过程中显示出很低的收缩性（小于2%）。
⑤、力学性能。
固化后的环氧树脂体系具有优良的力学性能。
⑥、电性能。
固化后的环氧树脂体系是一种具有高介电性能、耐表面漏电、耐电弧的优良绝缘材料。
⑦、化学稳定性。
通常，固化后的环氧树脂体系具有优良的耐碱性、耐酸性和耐溶剂性。
像固化环氧体系的其它性能一样，化学稳定性也取决于所选用的树脂和固化剂。
适当地选用环氧树脂和固化剂，可以使其具有特殊的化学稳定性能。
⑧、尺寸稳定性。
上述的许多性能的综合，使环氧树脂体系具有突出的尺寸稳定性和耐久性。
⑨、耐霉菌。
固化的环氧树脂体系耐大多数霉菌，可以在苛刻的热带条件下使用。
（2）环氧树脂的分类
根据分子结构，环氧树脂大体上可分为五大类：
①、缩水甘油醚类环氧树脂
②、缩水甘油酯类环氧树脂
③、缩水甘油胺类环氧树脂
④、线型脂肪族类环氧树脂
⑤、脂环族类环氧树脂
复合材料工业上使用量最大的环氧树脂品种是上述第一类缩水甘油醚类环氧树脂，而其中又以二酚基丙烷型环氧树脂（简称双酚A型环氧树脂）为主。
其次是缩水甘油胺类环氧树脂。
缩水甘油醚类环氧树脂是由含活泼氢的酚类或醇类与环氧氯丙烷缩聚而成的。
②、二酚基丙烷型环氧树脂二酚基丙烷型环氧树脂是由二酚基丙烷与环氧氯丙烷缩聚而成。
工业二酚基丙烷型环氧树脂实际上是含不同聚合度的分子的混合物。
其中大多数的分子是含有两个环氧基端的线型结构。
少数分子可能支化，极少数分子终止的基团是氯醇基团而不是环氧基。
因此环氧树脂的环氧基含量、氯含量等对树脂的固化及固化物的性能有很大的影响。
工业上作为树脂的控制指标如下：
a环氧值。
环氧值是鉴别环氧树脂性质的最主要的指标，工业环氧树脂型号就是按环氧值不同来区分的。
环氧值是指每100g树脂中所含环氧基的物质的量数。
环氧值的倒数乘以100就称之为环氧当量。
环氧当量的含义是：
含有1mol环氧基的环氧树脂的克数。
b无机氯含量。
树脂中的氯离子能与胺类固化剂起络合作用而影响树脂的固化，同时也影响固化树脂的电性能，因此氯含量也环氧树脂的一项重要指标。
c有机氯含量。
树脂中的有机氯含量标志着分子中未起闭环反应的那部分氯醇基团的含量，它含量应尽可能地降低，否则也要影响树脂的固化及固化物的性能。
d挥发分。
e粘度或软化点。
③、酚醛多环氧树脂酚醛多环氧树脂包括有苯酚甲醛型、邻甲酚甲醛型多环氧树脂，它与二酚基丙烷型环氧树脂相比，在线型分子中含有两个以上的环氧基，因此固化后产物的交联密度大，具有优良的热稳定性、力学性能、电绝缘性、耐水性和耐腐蚀性。
它们是由线型酚醛树脂与环氧氯丙烷缩聚而成的。
④、其它多羟基酚类缩水甘油醚型环氧树脂这类树脂中具有实用性的代表有：
间苯二酚型环氧树脂、间苯二酚-甲醛型环氧树脂、四酚基乙烷型环氧树脂和三羟苯基甲烷型环氧树脂，这些多官能缩水甘油醚树脂固化后具有高的热变形温度和刚性，可单独或者与通用E型树脂共混，供作高性能复合材料（ACM）、印刷线路板等基体材料。
⑤、脂族多元醇缩水甘油醚型环氧树脂脂族多元醇缩水甘油醚分子中含有两个或两个以上的环氧基，这类树脂绝大多数粘度很低；
大多数是长链线型分子，因此富有柔韧性。
⑥、其它类型环氧树脂
a缩水甘油酯类环氧树脂缩水甘油酯类环氧树脂和二酚基丙烷环氧化树脂比较，它具有粘度低，使用工艺性好；
反应活性高；
粘合力比通用环氧树脂高，固化物力学性能好；
电绝缘性好；
耐气候性好，并且具有良好的耐超低温性，在超低温条件下，仍具有比其它类型环氧树脂高的粘结强度。
有较好的表面光泽度，透光性、耐气候性好。
b缩水甘油胺类环氧树脂这类树脂的优点是多官能度、环氧当量高，交联密度大，耐热性显著提高。
上前国内外已利用缩水甘油胺环氧树脂优越的粘接性和耐热性，来制造碳纤维增强的复合材料（CFRP）用于飞机二次结构材料。
c脂环族环氧树脂这类环氧树脂是由脂环族烯烃的双键经环氧化而制得的，它们的分子结构和二酚基丙烷型环氧树脂及其它环氧树脂有很大差异，前者环氧基都直接连接在脂环上，而后者的环氧基都是以环氧丙基醚连接在苯核或脂肪烃上。
脂环族环氧树脂的固化物具有以下特点：
①较高的压缩与拉伸强度；
②长期暴置在高温条件下仍能保持良好的力学性能；
③耐电弧性、耐紫外光老化性能及耐气候性较好。
d脂肪族环氧树脂这类环氧树脂分子结构里不仅无苯核，也无脂环结构。
仅有脂肪链，环氧基与脂肪链相连。
环氧化聚丁二烯树脂固化后的强度、韧性、粘接性、耐正负温度性能都良好。
2.1.2增强材料的选择
碳纤维（carbonfiber,简称CF）,是一种由有机纤维或低分子烃气体原料加热至1500℃所形成的纤维状，含碳量在95%以上的新型纤维材料。
它不仅具有碳材料的固有本征特性,又兼备纺织纤维的柔软可加工性,是新一代增强纤维。
他的比重不到钢的1/4，比铝还要轻，比强度是铁的20倍。
同钛、钢、铝等金属材料相比，碳（石墨）纤维在物理性能上具有低密度、强度大、模量高、密度低、耐高温、抗化学腐蚀、低电阻、高热导、低热膨胀、耐化学辐射等优良特性，线膨胀系数小等特点，可以称为新材料之王。
此外，还具有纤维的柔曲性和可编性，比强度和比模量优于其它纤维增强体。
碳纤维除了具有一般碳素材料的特性：
耐高温、耐磨擦、导电、导热及耐腐蚀等，其外形有显著的各向异性柔软，可加工成各种织物，又由于比重小沿纤维轴方向表现出很高的强度，碳纤维增强环氧树脂复合材料，其比强度、比模量综合指标，在现有结构材料中是最高的。
碳纤维还具有极好的纤度〔纤度的表示法之一是9000米长纤维的克数〕，一般仅约为19克，拉力高达300kg/mm2。
目前几乎没有其他材料像碳纤维那样具有那么多一系列的优异性能，因此在旨度、刚度、重度、疲劳特性等有严格要求的领域，在要求高温，化学稳定性高的场合，碳纤维复合材料具备不可替代的仇势。
（1）碳纤维的物理性质如下：
碳纤维的密度在1.5—2.0g/cm3之间，这除与原丝结构有关外，主要决定于炭化处理的温度。
一般经过高温（3000℃）石墨化处理，密度可达2.0g/cm3；
碳纤维的热膨胀系数与其它纤维不同，它有各向异性的特点。
平行于纤维方向是负值（-0.72×
10-6～-0.90×
10-6K-1），而垂直于纤维方向是正值（32×
10-6～22×
10-6K-1）；
碳纤维的比热容一般为7.12×
10-1KJ/（kg·
K）。
热导率随温度升高而下降；
碳纤维的比电阻与纤维的类型有关，在25℃时，高模量为775ì
Ù
/cm，高强度碳纤维为1500ì
/cm。
碳纤维的电动势为正值，而铝合金的电动势为负值。
因此当碳纤维复合材料与铝合金组合应用时会发生化学腐蚀。
（2）碳纤维的化学性质如下：
碳纤维的化学性质与碳相识，它除能被强氧化剂氧化外，对一般碱性是惰性的。
在空气中，温度高于400℃时则出现明显的氧化，生成CO与CO2。
在不接触空气和氧化剂时，碳纤维具有突出的耐热性能，与其他材料相比，碳纤维要温度高于1500℃时强度才开始下降，而其他材料的晶须性能也早已大大的下降。
另外碳纤维还具有良好的耐低温性能，如在液氮温度下也不脆化，它还有耐油、抗辐射、抗放射、吸收有毒气体和减速中子等特性。
表3-1不同种类碳纤维的力学性能
分类
拉伸强度/GPa
弹性模量/GPa
高强度碳纤维
2.94
196
高模量碳纤维
2.74
225
中模量碳纤维
1.96
372
耐火材料
0.26
392
碳质纤维
1.18
470
石墨纤维
0.98
98
（3）碳（石墨）纤维的主要用途
①宇航工业用作导弹防热及结构材料如火箭喷管、鼻锥、大面积防热层；
卫星构架、天线、太阳能翼片底板、卫星-火箭结合部件；
航天飞机机头，机翼前缘和舱门等制件；
哈勃太空望远镜的测量构架，太阳能电池板和无线电天线。
②航空工业用作主承力结构材料，如主翼、尾翼和机体；
次承力构件，如方向舵、起落架、副翼、扰流板、发动机舱、整流罩及座板等，此外还有C/C刹车片。
③交通运输用作汽车传动轴、板簧、构架和刹车片等制件；
船舶和海洋工程用作制造渔船、鱼雷快艇、快艇和巡逻艇，以及赛艇的桅杆、航杆、壳体及划水浆；
海底电缆、潜水艇、雷达罩、深海油田的升降器和管道。
④运动器材用作网球、羽毛球、和壁球拍及杆、棒球、曲棍球和高尔夫球杆、自行车、赛艇、钓杆、滑雪板、雪车等。
⑤土木建筑幕墙、嵌板、间隔壁板、桥梁、架设跨度大的管线、海水和水轮结构的增强筋、地板、窗框、管道、海洋浮杆、面状发热嵌板、抗震救灾用补强材料。
⑥其它工业化工用的防腐泵、阀、槽、罐；
催化剂，吸附剂和密封制品等。
生体和医疗器材如人造骨骼、牙齿、韧带、X光机的床板和胶卷盒。
编织机用的剑竿头和剑竿防静电刷。
其它还有电磁屏蔽、电极度、音响、减磨、储能及防静电等材料也已获得广泛应用。
2.1.3辅助材料的选择
①稀释剂为调节树脂粘度，使用时需加入一定量的稀释剂，同时也可增加填料用量。
稀释剂分活性稀释剂和非活性稀释剂两类。
非活性稀释剂不参与固化反应，尽起降低粘度作用，一般加入量为环氧树脂质量的5%~15%，在树脂固化时大部分逸出，从而增大了树脂固化收缩率，降低力学性能和热变形温度。
活性稀释剂则参与树脂固化反应，对树脂固化后性能影响较小。
但活性稀释剂一般有毒性，使用时必须谨慎。
②填料为了降低成本，改善树脂基体性能（如收缩性，自熄性，耐磨性等），在树脂中加入一些填料，主要有粘土，碳酸钙，石墨，聚氯乙烯粉等各种性能填料。
在糊制垂直或倾斜面层时，为避免“流胶”，可在树脂中加入少量活性SiO2（称触变剂），由于其比表面积大，树脂受到外力触动时才流动，这样在施工实际避免树脂流失，又能保证制品质量。
③固化剂又名硬化剂、熟化剂或变定剂，是一类增进或控制固化反应的物质或混合物。
树脂固化是经过缩合、闭环、加成或催化等化学反应，使热固性树脂发生不可逆的变化过程，固化是通过添加固化（交联）剂来完成的。
环氧树脂固化剂分类
a、碱性和酸性类固化剂：
①碱性类固化剂包括脂肪族二胺和多胺、芳香族多胺、其它含氮化合物及改性脂肪胺。
②酸性类固化剂包括有机酸、酸酐、和三氟化硼及其络合物。
b、加成型和催化型固化剂：
①加成型固化剂这类固化剂与环氧基发生加成反应构成固化产物一部分链段，并通过逐步聚合反应使线型分子交联成体型结构分子，这类固化剂又称瓜型固化剂。
如一级胺、多元硫醇、多元酚、低分子聚酰胺、有机酸及酸酐和低缩合物固化剂等。
②催化型固化剂这类固化剂仅对环氧树脂发生引发作用，打开环氧基后，催化环氧树脂本身聚合成网状结构，生成以醚键为主要结构的均聚物，而固化剂本身不产生交联反应。
如叔胺、咪唑、双氰双胺、三氟化硼络合物、氯化亚锡、异辛酸亚锡及辛酸亚锡等。
④脱模剂是一种用在两个彼此易于粘着的物体表面的一个界面涂层，它可使物体表面易于脱离、光滑及洁净。
脱模剂用于玻璃纤维增强塑料、金属压铸、聚氨酯泡沫和弹性体、注塑热塑性塑料、真空发泡片材和挤压型材等各种模压操作中。
在模压中，有时其他塑料填加剂如增塑剂等会渗出到界面上，这时就需要一个表面脱除剂来除掉它。
理论上，脱模剂应当具有较大的抗拉强度，以使它在与模压树脂经常接触时不容易磨光。
特别是在树脂中有磨砂矿物填料或玻璃纤维增强料时尤其如此。
脱
模剂应有耐化学性，以便在与不同树脂的化学成份（特别是苯乙烯和胺
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