纤维增强型复合材料及其应用实验指导书教案.docx
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纤维增强型复合材料及其应用实验指导书教案
纤维增强型复合材料及其应用
实验指导书
李俊琳编著
金陵科技学院材料工程学院监制
二零一三年9月
前言
1、本课程是与材料科学与工程专业《纤维增强型复合材料及其应用》课相配套的一个重要实践教学环节。
通过本课程的学习，学生可以获得高性能纤维复合材料检测技术和表面处理方面的基础知识，能够运用各种检测手段对高性能纤维复合材料的性能、结构和表面处理进行检测；运用计算机分析软件，分析纤维增强型复合材料的受力情况。
2、为了使学生更好地理解和深刻地把握这些知识，并在此基础上，开设了玻璃纤维丝束的拉伸性能试验、天然棉、木纤维素形态与溶胀、纤维的苯乙烯乳液聚合改性实验和多层碳纤维复合材料板力学性能模拟计算实验。
目录
实验一玻璃纤维丝束的拉伸性能试验………………………………………4
实验二天然棉、木纤维素形态与溶胀………………………………………6
实验三纤维的苯乙烯乳液聚合改性实验……………………………………8
实验四多层碳纤维复合材料板力学性能模拟计算……………………….10
实验一：
玻璃纤维丝束的拉伸性能试验
实验学时：
4
实验类型：
（验证）
实验要求：
（必修）
一、实验目的
通过本实验的学习，使学生了解纤维拉伸断裂强度的概念，掌握拉力试验机的使用方法，检测玻璃纤维的拉伸断裂强度。
二、实验内容
学习拉力试验机的操作方法，检测玻璃纤维的拉伸断裂强度。
三、实验原理、方法和手段
玻璃纤维增强塑料的拉伸性能取决于其组分的性能，其中更大程度上取决于玻璃纤维的性能。
为了便于玻璃纤维增强塑料性能估算的实际应用，在相关国家测试标准的基础上，本实验主要对玻璃纤维丝束的拉伸性能做对比性试验研究。
玻璃纤维丝束的拉伸性能测试有两种方法：
单丝拉伸，丝束拉伸。
前者得到的结果离散性很大。
这与单丝中的缺陷有关：
试样越长、单丝直径越大，则存在缺陷的几率越大，测出的数据越小，已有大量的试验研究表明，玻璃纤维的单丝拉伸强度基本符合正态分布。
玻璃纤维丝束的拉伸测试得到的数据离散性很小，更直观的反应了玻璃纤维作为增强相在FRP材料中所作的贡献，其结果对实际工程更有利用价值。
本实验利用拉力试验机，检测玻璃纤维丝束的拉伸强度，使学生对纤维的拉伸强度有一定的直观了解，同时学会拉力试验机的操作。
实验方法：
本实验选取对象是单丝直径为16μm的玻璃纤维丝束，采用2种实验方法，分别对4种不同粗细的丝束进行拉伸试验。
试样准备过程中要注意：
丝束应平顺整齐，尽量减少弯曲度和捻度。
2中夹持方式如下：
方法1：
平板气动夹具，直接测试丝束，有效长度为300mm；
方法2：
圆弧气动夹具，直接测试丝束，有效长度为300mm。
通过试验，希望可以得到三方面结论：
1、丝束拉伸破坏机理；2、哪种夹持方式测试得到的结果可以应用到相应的复合材料性能估算上去；3、丝束的粗细为多少时试验结果最准确。
四、实验组织运行要求
根据本实验的特点、要求和具体条件，本实验以指导教师操作集中授课形式组织教学，指导教师集中讲授实验原理、进行实验过程操作。
五、实验条件
拉力试验机
六、实验步骤
1.分组拉力试验机的构造及操作方法。
2．检测试样的准备。
3.分组检测玻璃纤维丝束的拉伸强度。
七、实验报告
学生实验报告的内容主要包括实验预习、实验记录和实验报告三部分。
认真填写实验内容、实验目的、实验仪器、设备及材料、测定原理、实验步骤。
实验二：
天然棉、木纤维素形态与溶胀
实验学时：
4
实验类型：
（验证）
实验要求：
（必修）
一、实验目的
1、了解纤维素的形态与结构内在联系与差异。
2、掌握光学显微镜的使用方法。
3、掌握纤维素溶胀率的测定方法。
二、实验内容
掌握显微镜的使用方法和纤维素溶胀率的测定方法。
三、实验原理、方法和手段
纤维素分子链上大量羟基的存在，十分有利于形成分子内和分子间的氢键，使得纤维素分子链易于集聚在一起，趋于平行排列而形成晶性的原纤结构。
纤维素分子内氢键和分子间氢键对纤维素链形态和反应性有着深远的影响，不仅增强了纤维素分子链的线性完整性和刚性，而且使其分子链紧密排列而成高测序的结晶区，其中也存在着分子链疏松堆砌的无定形区。
这便是纤维素织态结构研究中最流行的两相共存学说。
两相结构的存在严重影响着纤维素的物理化学性质和反应性能，纤维素因此很难溶于普通溶剂，决定了多数的化学反应都是在多相介质中进行。
大多数反应试剂只能穿透到纤维素的无定形区，而不能进入紧密的结晶区，对同一化学试剂表现出不同的可及度。
只有当纤维素粒子表面部分充分取代，其次外层才为反应介质所及。
因此，纤维素的多相反应必须经历由表及里的逐层反应过程。
很明显，纤维素这种局部区域的不可及性，妨碍了多相反应的均匀进行。
为了克服内部反应的非均匀倾向和提高纤维素的反应能力，在进行多相反应之前，纤维素材料通常都经历溶胀处理。
纤维素的预处理方法以碱金属氢氧化物处理法最为常用。
碱金属氢氧化物与纤维素相互作用时，主要表现在纤维素纤维溶胀，纤维素的结晶度降低。
有机介质虽然不与纤维素和碱金属氢氧化物发生反应，但却对纤维素的碱化有着重要影响。
依照下式计算纤维润胀率：
SR=（d1-d2）/d0×100%
式中SR是纤维润胀率；d1是碱处理后纤维素纤维的直径，mm；d0是原纤维素纤维的直径，mm。
实验方法：
先配置一定浓度的碱金属应氧化物溶液，用显微镜分别检测原纤维素纤维直径和碱处理处理后的纤维素纤维直径，通过公式计算出纤维润胀率。
四、实验组织运行要求
根据本实验的特点、要求和具体条件，本实验以指导教师操作集中授课形式组织教学，指导教师集中讲授实验原理、进行实验过程操作。
五、实验条件
1、光学显微镜、带刻度的目镜、载玻片、盖玻片
2、磁力搅拌器
3、电子天平
4、尖嘴镊子
5、粉状纤维素、NaOH（AR）
六、实验步骤
1.称取1gNaOH置于50ml烧杯中，迅速加入19ml水，搅拌至完全溶解。
2.取少量纤维素粉放在载玻片上，用尖嘴镊子使纤维尽量分开，盖上盖玻片，在显微镜下观察。
任取相邻的5跟纤维测量直径，取平均值，记为d0。
3.取已配好的NaOH溶液1滴，滴于纤维素上，盖上盖玻片，在显微镜下观察。
任取相邻的5跟纤维测量直径，取平均值，记为d1。
4.依照公式计算纤维素纤维的溶胀率。
七、实验报告
学生实验报告的内容主要包括实验预习、实验记录和实验报告三部分。
认真填写实验内容、实验目的、实验仪器、设备及材料、测定原理、实验步骤。
实验三：
纤维的聚苯乙烯乳液聚合改性实验
实验学时：
4
实验类型：
（验证）
实验要求：
（必修）
一、实验目的
1、掌握合成聚苯乙烯的乳液聚合的实验原理与操作步骤；
2、了解聚合方法的配方及各组分的作用，并了解表面处理机理；
3、掌握聚苯乙烯作为处理剂的功能及其对材料性能的影响。
二、实验内容
掌握乳液聚合改性方法，了解聚苯乙烯的制备工艺，掌握纤维表面处理技术的应用。
三、实验原理、方法和手段
乳液聚合是指单体在乳化剂的作用下，分散在介质中加入水溶性引发剂，在机械搅拌或振荡情况下进行非均相聚合的反应过程。
它不同于溶液聚合，又不同于悬浮聚合，它是在乳液的胶束中进行的聚合反应，产品为具有胶体溶液特征的聚合物胶乳。
乳液聚合体系主要包括:
单体、分散介质（水）、乳化剂、引发剂，还有调节剂、pH缓冲剂及电解质等其他辅助试剂，它们的比例大致如下:
水（分散介质）：
60%~80% （占乳液总质量） ，单体：
20%~40% （占乳液总质量），乳化剂：
0.1%~5%\ （占单体质量），引发剂：
0.1%~0.5%（占单体质量） ，调节剂：
0.1%~1% （占单体质），乳化剂是乳液聚合中的主要组分，当乳化剂水溶液超过临界胶束浓度时，开始形成胶束。
在一般乳液配方条件下，由于胶束数量极大，胶束内有增溶的单体，所以在聚合早期链引发与链增长绝大部分在胶束中发生，以胶束转变为单体聚合物颗粒乳液聚合的反应速度和产物相对分子质量与反应温度、反应地点、单体浓度、引发剂浓度和单位体积内单体聚合物颗粒数目等有关。
而体系中最终有多少单体-聚合物颗粒主要取决于乳化剂和引发剂的种类和用量。
当温度、单体浓度、引发剂浓度、乳化剂种类一定时，在一定范围内，乳化剂用量越多、反应速度越快，产物相对分子质量越大。
乳化剂的另一作用是减少分散与分散介质间的界面张力，使单体与单体聚合物颗粒分散在介质中形成稳定的乳浊液乳液聚合的优点是：
①聚合速度快、产物相对分子质量高。
②由于使用水作介质，易于散热、温度容易控制、费用也低。
③由于聚合形成稳定的乳液体系粘度不大，故可直接用于涂料、粘合剂、织物浸渍等。
本实验中采用苯乙烯作为处理剂，采用无皂乳液聚合法，在玻璃纤维表面包裹一层厚度可控制的聚苯乙烯薄膜，无皂乳液聚合即不采用乳化剂，依然实现了聚苯乙烯的各项参数可控。
玻璃纤维在水体系中，表面富含大量的羟基，采用偶氮二异丁脒盐酸盐（AIBA）作为引发剂（阳离子引发剂），聚乙烯吡咯烷酮（PVP）作为稳定剂，实现聚苯乙烯在比例纤维表面的包覆。
四、实验组织运行要求
根据本实验的特点、要求和具体条件，本实验以指导教师操作集中授课形式组织教学，指导教师集中讲授实验原理、进行实验过程操作。
五、实验条件
四颈烧瓶（配套氮气包、温度计、机械搅拌、冷凝管），玻璃纤维，机械搅拌器，苯乙烯，偶氮二异丁脒盐酸盐（AIBA），聚乙烯吡咯烷酮（PVP）。
六、实验步骤
1、在250mL四颈烧瓶中加入90g蒸馏水，加入5g玻璃纤维，0.1gPVP，机械搅拌并升温至70℃，四颈烧瓶配套氮气包、温度计、机械搅拌、冷凝管。
2、加入0.1gAIBA/10g水，10min后，加入3g苯乙烯
3、反应1.5h后，停止反应，抽滤，并用酒精洗涤，抽滤，90℃烘干即可。
七、实验报告
学生实验报告的内容主要包括实验预习、实验记录和实验报告三部分。
认真填写实验内容、实验目的、实验仪器、设备及材料、实验原理、实验步骤。
实验四：
多层碳纤维复合材料板力学性能模拟计算
实验学时：
4
实验类型：
操作
实验要求：
必修
一、实验目的
a）熟悉ANSYS软件的主要组件及各组件的主要功能。
b）熟练ANSYS软件的基本操作
c）加深对多层碳纤维复合材料板结构分析的理解
二、实验内容
建立了多层碳纤维复合材料层合板的有限元模型。
计算在外力作用下复合材料层合板的应力分布，观察应力分布、位移变化。
三、实验组织运行要求
实验室开放，以学生自主训练为主,指导教师在场答疑。
四、实验步骤
1几何模型
板材有4层，厚度为0.025m，铺层方向为0°、90°、90°、0°，几何属性如图4.3，材料属性见表4.2。
图4.3复合材料板
表4.2单元板材料属性
EX/MP
EY/MP
EZ/MP
GXY/MP
GYZ/MP
GXZ/MP
PRXY
PRYZ
PRXZ
12.5
300
300
50
20
50
0.25
0.25
0.01
2有限元模型
在生成层合板的几何模型后，建立了如图所示的层板板有限元模型并进行网格划分。
所建有限元模型共有6400个单元。
图4.5层合板有限元模型（上）和网格划分（下）
3.边界条件
由于边界条件和载荷需要加载到单元节点上，因而需要先选择边界，然后施加边界约束和表面压力的方法。
首先对有限元模型的四个角点施加约束，约束效果如图所示。
图4.6角点四条边线的约束
4.在表面施加压力载荷
下面对表面施加压力荷载，需要先选择节点，然后再施加载荷，为了考察在不同的荷载条件下，施加的表面载荷分别是6000Pa和8000Pa，施加压力后的效果如图所示，红色的方格线表示施加的是表面载荷。
五、实验报告
给出有限元模型，给出层合板表面分别施加6000Pa和8000Pa后的位移等值线云图和等效应力等值线云图。
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