复合材料夹层结构芯材
复合材料夹层结构芯材
夹层结构的最初应用从上世纪初的航空航天业开始，逐步发展到今天的船舶、交通运输、运动器材、风力发电、医疗器材等领域。德固赛（中国）投资有限公司上海分公司的胡培先生全面综述了各种芯材的特性、应用、市场分布及前景。
常用芯材及其应用
玻璃钢/复合材料中常用的芯材有泡沫、巴萨木和蜂窝等多孔固体材料。
巴萨木目前主要的用途集中在风电、船舶、铁路车辆等行业。相对而言，因为其密度选择范围小，面层破坏以后，吸水腐烂的缺点，已经逐步被PVC泡沫取代。但是因为其价格优势，目前还有一定的市场。
蜂窝主要有NOMEX纸蜂窝和铝蜂窝，蜂窝材料具有各向异性的特点。另外，因为蜂窝存在开孔结构，不适用一些湿法工艺或树脂注射工艺，例如船舶和风电等领域。铝蜂窝因为和碳纤维面板之间存在电腐蚀的问题，一般不能和碳纤维一同使用。另外，蜂窝结构在使用过程中，会因为面层破坏，发生渗水问题。
玻璃钢/复合材料中常用的泡沫芯材有聚氯乙烯（PVC）、聚苯乙烯（PS）、聚氨酯（PUR）、丙烯腈-苯乙烯（SAN）、聚醚酰亚胺（PEI）及聚甲基丙烯酰亚
胺（PMI）等。
硬质聚氨酯PUR泡沫与其他泡沫相比，其力学性能一般，树脂/芯材界面易产生老化，从而导致面板剥离。作为结构材料使用时，常用作层合板的纵、横桁条或加强筋之芯材。有时PUR泡沫也能用于受载较小的夹层板中，起到隔热或隔音的作用。该类泡沫的使用温度为150℃左右，吸声性能良好，成型非常简单，但是机械加工过程中易碎或掉渣。PUR泡沫价格相对便宜，发泡工艺也比较简单，采用液体发泡。目前主要在运动器材，例如网球拍、冰球棒中用做工艺芯材，并起到一定的阻尼作用。另外在冲浪板中也普遍使用PUR泡沫或EPS泡沫作为芯材。
PEI泡沫原先由AIREX公司生产，型号为AIREX R82，由聚醚酰亚胺/聚醚砜发泡而成，具有很高的使用温度和良好的防火性能。不过其价位相对较高，但是这种泡沫可以在兼有结构要求和防火要求的部位使用，其使用温度为-194℃ ~ +180℃。由于满足严格的阻燃要求，适合在飞机和列车内使用。但2005年，原材料供应上出现了问题，目前已退出市场，而逐步被PMI S类型泡沫取代。
目前占市场份额最大的是PVC泡沫芯材，又分为线形PVC和交联PVC泡沫两种。交联PVC泡沫是由热塑性的PVC和交联热固性聚氨酯组成，主要产品型号有Divinycell、Klegecell和Herex C。交联PVC的强度和刚度比线性PVC的高，但是韧性较差，其使用温度范围为-240 ~ +80℃，并且能够耐多种化学物质腐蚀。尽管PVC泡沫是可燃材料，但阻燃型的PVC泡沫可用于有严格防火要求的结构中，例如列车车厢等。但是需要注意的是PVC在燃烧以后，会产生氯化氢。选择固化
工艺方法时，应虑及PVC泡沫在温度升高时会释放气体。交联PVC泡沫通常用于船底、舷部、甲板、舱壁及上层建筑中，主要厂商有AIREX和Diab公司。
线形PVC泡沫是一类具有高韧性、良好抗冲击性能、能量吸收性能和耐疲劳性能的泡沫材料。线性PVC泡沫的强度和刚度相对交联PVC来讲要低。在施工过程中需要注意的是，树脂中的苯会渗透到泡沫里面，使树脂固化不完全，同时引起泡沫降解。这种泡沫通常用于船体受冲击荷载比较大的部位，例如船底和舭舷部。目前市场上有AIREX公司的AIREX R 63系列，价格相对交联PVC泡沫要
高。
PS泡沫曾广泛用在船舶、冲浪板制造行业。虽然其具有重量轻（40 kg/m3）、成本低、易于加工等优点，但因力学性能差，很少在高性能结构件中使用。另外，这种泡沫不能和聚酯树脂同时使用，树脂中含有的苯会降解泡沫。目
前，在冲浪板行业内有少量使用。
SAN泡沫属于热塑性材料，由英国SP Systems公司生产，CORECELL?型号的泡沫，主要是针对船舶市场而开发。发泡制作工艺和线性PVC的工艺基本相同，性能也和线性PVC基本相同，热稳定性能比线性PVC好，相当于普通交联PVC。大多数情况下，在船舶结构中可以用SAN泡沫代替线性PVC泡沫。价格略高于PVC
泡沫。
在密度相同的条件下，PMI是强度和刚度最高的泡沫材料。高温耐蠕变性能PMI泡沫经适当的高温处理以后，能满足190℃的固化工艺对泡沫尺寸稳定性的要求，适用与环氧或BMI树脂共固化的夹层结构构件中，例如航天航空结构、医疗床板、天线结构等，作为碳纤维复合材料面板的芯材。PMI泡沫采用固体发泡工艺制作，为孔隙基本一致、均匀的100%闭孔泡沫。德国德固赛（Degussa）公司生产的ROHACELL?领导着市场上的PMI芯材。
芯材的市场分布和前景
目前芯材主要市场分布在航天航空、船舶制造、运动器材、风力发电、交通工具和医疗器材等行业。在航天航空等先进复合材料领域，客户可以选择NOMEX?蜂窝、铝蜂窝和ROHACELL?泡沫芯材。ALCAN、DIAB和SP Systems公司的市场主要集中在船舶制造、运动器材、风力发电等领域。对于交通运输行业，主要根据防火助燃要求，选择相应的夹层结构芯材。
为了应付日益增加的石油危机，每个国家都将推进可再生能源项目，例如风力发电等。我国风能资源丰富，风电是未来最有希望增加我国发电装机容量的可再生能源。目前全国风电装机容量仅78万千瓦。 2004年，包括风能在内的可再生能源总装机容量仅为0.7GW（百万千瓦），到2010年计划升至4GW，到2020年计划升至40GW。这样会大大推进中国的泡沫芯材市场需求。
Enercon公司是一家领先的德国风机生产商，与德国Gaugler & Lutz公司是合作伙伴关系，AlCAN AIREX公司在全世界范围内提供HEREX C70泡沫用作Enercon公司的风机叶片生产，而Gaugler & Lutz公司则提供半成品的预制件用于叶片的组装，需要时及时地提供预制件运输和地区技术服务。
铁路运输也是一个因为应用轻质高强芯材而受益的行业。ROHACELLＳ类型泡沫由于良好的阻燃性、高力学性能、良好的抗疲劳性能和高环保性而广泛应用在车厢地板、顶板、两壁及整个车厢的夹层板材中。
船舶也是夹层结构的一个主要市场。对于受力部件，如船壳、舱壁等，抗波性是最重要的性能之一，而HEREX C70和C71泡沫由于高强度而被赛艇制造商和设计师广泛应用。总部位于Giebelstadt的Bavaria游艇公司，是游艇制造业的领先者，拥有10种不同类型游艇系列（9.2~15.2米），Bavaria游艇公司近年来发展迅猛，最近又开发了8.2~11.6米的摩托艇系列。在该系列船舶的船壳中就选用了HEREX C70芯材，ALCAN AIREX认为这种芯材具有很好的比强度，是市场
上抗破坏性最强的交联聚氯乙烯泡沫。
最新产品
2005年，瑞典DIAB公司在改善原有Divinycell H类型泡沫性能的同时，
推出了Divinycell HP型号PVC泡沫。
新的Divinycell H泡沫，强度性能平均提高了10%，剪应力提高了20%，断裂延伸率提高了50%。同时，新的Divinycell H泡沫的温度和尺寸稳定性也得到了改善。在工艺温度达到90℃和一定压力作用下，不发生大的变形。泡沫的孔隙大小减少了50%，降低了因为泡沫表面开孔导致的树脂吸收率。
Divinycell HP是一种新型PVC泡沫，它的工艺温度可以达到130℃，可以和中低温固化预浸料或树脂注射（RFI）工艺配合使用，具有工艺条件下的耐压缩蠕变性能。Divinycell HP能够满足一些在对使用温度有要求的复合材料制件，例如，在热带条件下航行的船舶，如果表面使用的是黑色胶衣，温度常常超过90℃。Divinycell HP的基本力学性能，例如剪切强度、剪切模量和剪切应变都比其他
PVC泡沫或SAN泡沫高。
2004年，Degussa公司针对树脂注射工艺推出了ROHACELL RIST和RIMA 类型的泡沫。ROHACELL RIST是一种结构用途的泡沫针对树脂注射工艺树脂粘度低
的特点，减少了泡沫孔隙大小，在保证粘接强度的前提下，降低了树脂吸收率，达到了减轻结构重量的目的。ROHACELL RIMA是作为树脂注射工艺的辅助芯材，因为不作为结构材料，通过进一步减少孔隙大小，使得树脂吸收率几乎降低为零。
最新的应用案例
在Alcan Airex公司声明停止生产PEI泡沫以后，德固赛公司提出了用ROHACELL S代替PEI泡沫的建议。虽然和PEI泡沫相比，ROHACELL S的FST（火焰、烟雾和毒性）要差一些，但是ROHACELL S泡沫是目前最能满足燃烧性能要求的泡沫芯材。在中国最新建造的磁悬浮项目中，将原先的PEI泡沫全部换成了ROHACELL S泡沫，目前正在成都飞机制造厂和长春客车厂制造。另外在德国西门子公司生产的巴黎地铁AVANTO车头（图1）项目上，Jupiter Plast公司采用ROHACELL 51 S泡沫作为芯材，满足了不含卤素材料和减轻重量的结构要求。另外因为ROHACELL 51 S具有良好的抗冲击性能，车头通过了30吨载荷条件下的正面冲击实验，冲击块移开以后，不发生变形，这也是目前唯一通过现行冲击实验标准的复合材料车头。该项目也获得了2006年最新公布的JEC复合材料地面交通类
的创新奖。
泡沫填充加筋条最新应用在空中客车A340和A340-600的后压力框结构中（图2）。到目前为止，已经有近1700个经过CNC加工，热成型的ROHACELL?71 WF-HT运抵临近汉堡的空中客车Stade工厂，供A340使用（图3）。ROHACELL?泡沫具有很好的耐压缩蠕变性能和尺寸稳定性能，可在180℃、0.35Mpa和2小时的固化条件下，采用夹层结构共固化工艺，降低成本。PMI泡沫能够保证加强筋周边的预浸料完全压实，因此可以替代气囊工装，避免了使用气囊需要多次固化等一系列的问题。已经成功的制造了近170多个后压力框，还没有出现一个废品，也证实了ROHACELL?加筋条工艺的可靠性和可行性。
在A340后压力框成功采用ROHACELL泡沫填充筋条结构形式的基础上，A380后压力框也采用了这一技术（图4）。在A380结构中，泡沫筋条长达2.5米，
几何形状相对更加复杂。ROHACELL?泡沫加工和热成型比较容易，这也是泡沫填充筋条结构能够实现的关键。目前，已有200件加工成型完的泡沫筋条运抵空中客车Stade工厂。十多个巨大的后压力框已经成功固化。
类似的结构形式在反射面上也有应用。例如最近由北京天波环宇研究所开发的骗馈天线上，改变了过去采用NOMEX蜂窝夹层结构的传统设计，转而采用ROHACELL 51 IG作为筋条（如图5和图6所示），一次固化成型，大大简化了工
艺过程。
总结：夹层结构的最初应用从上世纪初的航空开始，逐步发展到今天的船舶、交通运输、运动器材、风力发电、医疗器材等领域，针对不同的应用领域和工艺质量需求，芯材也从最初的纸蜂窝发展到现在的NOMEX?蜂窝、各种聚合物泡沫，最近还有公司开发出了纤维增强泡沫芯材。随着需求的多样化，芯材的产
品和应用也将不断发展。
胡培，德固赛（中国）投资有限公司;；
pei.hu@https://www.sodocs.net/doc/9416231751.html,
https://www.sodocs.net/doc/9416231751.html,
DIAB; https://www.sodocs.net/doc/9416231751.html,
Alcan AIREX; https://www.sodocs.net/doc/9416231751.html,
SP Systems; https://www.sodocs.net/doc/9416231751.html,
Enercon; www.enercon.de/en
Gaugler & Lutz; www.gaugler-lutz.de
Bavaria Yachtbau GmbH;
https://www.sodocs.net/doc/9416231751.html,
Jupiter Plast; www.jupiterplast.dk
长春客车厂; https://www.sodocs.net/doc/9416231751.html,
西门子公司; https://www.sodocs.net/doc/9416231751.html,
空中客车; https://www.sodocs.net/doc/9416231751.html,（完）
[本帖最后由 sero1 于 2010-5-1 01:03 编辑]
TOP
按照您
设置的
条件查
找超轻
型飞机！
Member/大雁
帖子
684
From
福建
?个人空
间
?发短消
息
?加为好
友
?当前离
线
2楼大中小发表于 2010-5-1 00:51 只看该作者
这些都很贵，呵呵
TOP
按照您设置的条件查找超轻型飞机！
Member/大雁
帖子
684
From
福建
?个人空
间
?发短消
息
?加为好
友
?当前离
线
3楼大中小发表于 2010-5-1 01:03 只看该作者
作为上述内容补充
结构泡沫芯材的历史回顾
玻璃钢/复合材料（FRP/CM）中常用的泡沫芯材有聚氯乙烯（PVC）、聚苯乙烯（PS）、聚氨酯（PUR）、丙烯腈-苯乙烯（SAN）、聚醚酰亚胺（PEI）及聚甲基丙烯酰亚胺（PMI）等泡沫，其中PS和PUR泡沫通常仅作为浮力材料，而不是结构用途。目前PVC泡沫已几乎完全代替PUR 泡沫而作为结构芯材，只是在一些现场发泡的结构中除外。
严格意义上讲，第一种用在承载构件夹层结构中的结构泡沫芯材是使用异氰酸酯改性的PVC泡沫，或称交联PVC。第一个采用PVC泡沫夹芯的夹层结构是保温隔热车厢。交联PVC的生产工艺是由德国人林德曼在上世纪30年代后期发明的。二次大战以后法国将该工艺列入战争赔偿中，由克勒贝尔蕾洛雷特塑料公司（Kleber Renolit）开始生产Klegecell?交联PVC泡沫，主要是一些用在保温隔热车厢中的低密度产
品。
上世纪50－60年代，克勒贝尔蕾洛雷特塑料公司给几家欧洲公司发放了PVC泡沫的生产许可证。另外两家美国公司，B.F歌德雷奇（B.F Goodrich）和佳士迈威（Johns-Manville）也买到了许可证开始生产，但是几年以后就停产。当所有的生产许可证都过期以后，交联PVC的生产工艺过程转为公开。进入70年代以后，多数原来的欧洲许可生产厂家也已停产。目前两个主要的生产厂家是戴博（Diab）公司的Divinycell?和Klegecell?系列PVC泡沫及爱瑞柯斯（Airex）公司的
Herex?系列PVC泡沫。
20世纪40年代后期，林德曼使用高压气体作为发泡剂，制造出未经过改性的PVC泡沫，也叫线性PVC泡沫。
英国于1943年首先制成聚苯乙烯泡沫塑料，1944年美国道化学有限公司用挤出法大批量的生产聚苯乙烯泡沫塑料。
第二次世界大战期间，德国拜尔的试验人员对二异氰酸酯及羟基化合物的反应进行研究，制得了PUR硬质泡沫塑料、涂料和粘合剂。1952年，拜尔公司报道了软质聚氨酯泡沫塑料的研究成果。
1993年，加拿大的ATC公司开始生产SAN泡沫。其制造工艺和线性
PVC相似。
PMI泡沫是由德国罗姆（Rohm）公司于1966年首先用丙烯腈、甲基丙烯腈、丙烯酰胺和甲基丙烯酸酯热塑性树脂在180oC下发泡并交联制作聚甲基丙烯酰亚胺泡沫的技术，接着日本的积水化学公司于1967年使用辐射交联方法制作聚甲基丙烯酰亚胺泡沫。
夹层结构的工作原理及优点
作为孔隙材料芯材可以起到减轻结构的重量，增加结构的刚度，提高结构的强度等作用。夹层结构一般是由上面板、上面板与芯材的粘结层、芯材、下面板与芯材的粘结层以及下面板所构成，这五个要素组成了一个整体的夹层结构。夹层结构传递荷载的方式类似于工字梁（见图1），上下面板（翼板）主要承受由弯矩引起的面内拉压应力和面内剪应力，而芯材（腹板）主要承受由横向力产生的剪应力（见图2）。
图1工字梁和夹层结构的对比
图2夹层结构对称间支梁的弯曲
为了使夹层结构的各要素能协同承载，面板与芯材之间的粘接层必须能传递荷载，这样至少应具备和芯材一样的强度。通常，如果加载以后，夹层结构的芯材发生破坏，其破坏位置一般位于粘接层下面的芯材部分，因为粘接层芯材表面的孔隙中由于填充了胶粘剂／树脂，提高了粘接层泡沫的强度。选择正确的胶粘剂对夹层结构的强度也有非常重要的意义，通常在选择胶粘剂的时候除了强度以外，还需要考虑使用温度、烟雾条件及其与芯材的面板材料的兼容性。如果选择与面板材料共固化，则胶粘剂或胶膜的固化条件需要与面板的共固化条件相一致。
表1夹层结构和非夹层结构的刚度和重量之对比
表1中的结构构造是常见的FRP船舶中的铺层设计。可以看出，在弯曲刚度相近的情况下，夹层结构的重量比非夹层结构减轻很多。
泡沫夹层结构的优点还有：良好的隔热和隔音性能、抗冲击损伤性能及施工简便性等。在夹层结构中由于芯材是孔隙材料，整个夹层结构的导热系数和R值均比非夹层结构低。由于层合板的层数减少，降低了铺层制作成型的工作量，同时因为夹层结构的刚度较高，减少了加筋的数量，这有利于冲击荷载的扩散。此外，孔隙芯材还能降低船舶航行中
的噪声。
泡沫芯材的性能和应用
对于芯材，除了剪切模量和强度以外，还需考虑材料的其他性能特点。压缩强度与承受局部荷载的性能相关，这种局部荷载包括工具的坠落、拖船调船时由拖柱、带缆桩和吊环等产生的局部荷载。图3和图4表示了不同泡沫芯材的剪切模量和剪切强度，图5为几种常见泡沫芯材
的压缩强度。
由于泡沫材料是孔隙塑料，还需要根据设计夹层构件的温度要求，参考泡沫的热变形温度来选择适当的泡沫芯材。常见泡沫的热变形温度
参见图5。
图3 几种常见泡沫的剪切模量
图4 几种常见泡沫的剪切强度
图5 几种常见泡沫的压缩强度
图6 几种常见泡沫的热变形温度
交联PVC泡沫：这种泡沫是由热塑性的PVC和交联热固性聚氨酯组
成，通常简称交联PVC泡沫，其主要产品型号为 Divinycell、Klegecell 以及Herex C。交联PVC的强度和刚度比线性PVC的高，但是韧性要差。交联PVC泡沫的热稳定温度为120oC。所以在和环氧预浸料共同使用时，需要注意PVC的热蠕变性能。使用温度范围为-240oC－+80oC，并且能够耐多种化学物质腐蚀。尽管PVC泡沫是可燃材料，但阻燃型的PVC泡沫可用于有严格防火要求的结构中，例如列车车厢等。但是需要注意的
是PVC在燃烧以后，会产生HCl。
PVC泡沫耐苯，所以能够和聚酯树脂共同使用。PVC泡沫主要用在一些不需要压力罐的工艺中。选择固化工艺方法时，应虑及PVC泡沫在温度升高时会释放气体，在采用RTM工艺时需要注意。交联PVC泡沫通常用于船底、舷部、甲板、舱壁及上层建筑中。主要厂商有Airex和Diab 公司，有多种不同的型号和密度可供选择。
线性PVC泡沫：这类泡沫具有高的韧性、良好的抗冲击性能、能量吸收性能和耐疲劳性能。线性PVC泡沫的强度和刚度相对交联PVC来讲要低。在施工过程中需要注意的是，树脂中的笨会渗透到泡沫里面，使树脂固化不完全，同时引起泡沫降解。这种泡沫通常用于船体受冲击荷载比较大的部位，例如船底和舭舷部。目前主要产品是Airex公司的
Airex R 63系列。
PS泡沫：曾广泛用在船舶、冲浪板制造行业。虽然其具有重量轻（40kg/m3），成本低，易于机械加工等主要优点，但因力学性能差，很少在高性能结构构件中使用。另外，这种泡沫不能和聚酯树脂同时使用，因为树脂中含有的苯会降解泡沫。
PUR泡沫：与其他泡沫相比，其力学性能一般，树脂/芯材界面易产生老化，从而导致面板剥离。作为结构材料使用时，常用作层合板的纵、横桁条或加强筋之芯材。有时PUR泡沫也能用于受载较小的夹层板中，起到隔热或隔音的作用。该类泡沫的使用温度是150oC左右，吸声性能良好，其成形非常简单，但是机械加工过程中易碎或掉渣。PUR泡沫价格相对便宜，发泡工艺也比较简单，采用液体发泡。国内国外有众多的
生产厂商。
SAN泡沫：它属于热塑性材料，如加拿大ATC公司生产的Corecell?泡沫，主要是针对船舶市场而开发的。发泡制作工艺和线性PVC的工艺
基本相同。性能也和线性PVC基本相同，热稳定性能比线性PVC好，相当于普通交联PVC。大多数情况下，在船舶结构中可以用SAN泡沫代替
线性PVC泡沫。
PEI泡沫：由聚醚酰亚胺/聚醚砜发泡而成，具有很高的使用温度和良好的防火性能，不过其价位相对较高，但是这种泡沫可以在兼有结构要求和防火要求的部位使用，其使用温度为-194oC－+180oC。由于能满足严格的防火阻燃要求，适合在飞机和列车内使用。目前市场上有Airex
公司的Airex R82 之PEI泡沫。
PMI泡沫：在相同密度的条件下，PMI是强度和刚度最高的泡沫材料。其高温下耐蠕变性能使得该泡沫能够适用高温固化的树脂和预浸料。PMI泡沫经适当的高温处理以后，能满足190oC的固化工艺对泡沫尺寸稳定性的要求，适用与环氧或BMI树脂共固化的夹层结构构件中。PMI泡沫是采用固体发泡工艺制作，其为孔隙基本一致、均匀的100%闭孔泡沫。目前市场上有德国德固赛（Degussa）公司生产的ROHACELL?和日本积水化学公司生产的FORMAC?之PMI泡沫。
泡沫芯材的加工
机械加工泡沫芯材：大多数泡沫芯材可以使用木工工具加工或成形，包括带锯，车削，穿孔，打磨和仿形。在切割过程中，因为材料的导热系数低，高密度泡沫的给进速度应略低一些，否则材料会发热，甚至烧焦。在加工泡沫以前，最好先和制造厂家联络，因为每种泡沫的性能都有不同的特点。加工泡沫材料时，使用的锯条要求相邻的锯齿拌开，这样在锯切过程中，通过锯齿带出切割过程中产生的锯屑，然后用
真空装置吸除。
特殊分格板：对于不同的用途，泡沫芯材的厂家可以提供各种不同的分格板，满足各种夹层结构外形的需要。其一面用玻璃纤维网格粘接，泡沫切成1" x 1" 的正方形小块，这样泡沫板就可以自由变形；另外一种是两面切割，或三个方向切割。泡沫还是切割成1" x 1"的正方形小块，但是切割的深度是整个厚度的2/3。这样泡沫板芯材有了一定的自由变形能力，但是这样切割的主要目的为了使树脂流动，且手糊过程中排出气体，此外一般厂家还可以提供表面有沟槽的泡沫芯材，表面沟槽的深度一般为0.12" ，在面板相对较厚情况下，用作真空注射过程中的
树脂流动通道。
泡沫芯材的使用
材料的准备：泡沫材料必须在干燥的环境下保存，否则会影响其与面板的粘接。同时，对于PMI泡沫应予以特别的注意，因为PMI泡沫在吸水后，热蠕变性能会下降。泡沫上的灰尘应使用真空吸尘器吸除，或用压缩空气吹除，但要记住，千万不能用水或什么其他的液体冲洗。冲洗的结果只能使灰尘进入泡沫表面的开孔中。某些强烈的溶剂（例如丙酮）还有可能降解表面的泡沫材料，降低芯材与面板的粘接强度。清洁干净的泡沫表面与面板粘接后，一般粘接强度不会出什么问题。
FRP泡沫夹层板的制作：泡沫几乎适用于所有的FRP成型制作工艺。复合材料夹层结构的主要成型工艺有：手糊／喷射成型，真空袋／注射
成型及预浸料／热压罐成型等。
在手糊／喷射工艺中，芯材与面板之间的粘接非常重要。一般常见的船舶泡沫夹层板依次由胶衣层，短切毡层，外面板FRP铺层，泡沫芯材和内面板FRP铺层。必须注意的是在内外面板与泡沫之间，需要加上一层特别的粘接基层，将泡沫与面板材料粘接。这层的材料是CBA （Core Bond Adhesive，例如Divilette, Corebond, Baltekbond等）或富树脂的CSM（短切毡）。CSM的最小厚度为225g/m2，树脂与纤维的重量比为3：1左右。CSM浸润树脂以后，在泡沫表面涂覆与层合板相同的树脂，以填充泡沫表面的开孔，然后埋入CSM中。泡沫芯材埋入CSM或CBA的
过程可以使用真空袋辅助均匀加压。
在使用真空袋的工艺中，如果泡沫芯材是有切口的分格板，在加压以后，泡沫均匀地压入粘接基层中，树脂或CBA就填入泡沫切口。大多数的真空袋工艺的过程是：在底部面板铺层的基础上，先加泡沫粘接基层，再铺设泡沫夹层，然后使用真空袋将泡沫压入粘接基层中。当采用真空辅助成型工艺时，则需要在泡沫上面覆盖一层剥离层，剥离层外面是透气毡，透气毡的外面才是真空袋膜。剥离层常常采用一层薄的尼龙膜，而透气毡的作用是使真空压力能均匀施压在泡沫的表面。
另外一种能确保泡沫芯材的切口能被全部填充的方法是使用树脂注射工艺。其工艺过程为：先将未浸胶的玻璃纤维和芯材铺设在模具中，
再使用真空袋密封，待抽真空以后，注入树脂，浸润纤维和芯材。通常将树脂分散传递到构件各个部位的方法是利用泡沫芯材表面的沟槽或切口，来引导树脂的流动。采用这种工艺方法制作的夹层结构具有纤维含量高、铺层时间不受限制、不需要手糊树脂并进行压实等优点。
另外一种高端的工艺过程是预浸料／热压罐或真空袋成型。由于PVC泡沫通常的固化温度不超过80oC，在加温加压以后，泡沫孔隙中的气体会释放出来，从而破坏芯材与面板之间的粘接。但如果PVC泡沫经过特殊的热处理，则可以达到120oC，1Bar以上，例如Divinycell HT, Klegecell TR, 和Airlite/Herex C71，而且热处理还会提高泡沫的热
尺寸稳定性，即泡沫的热蠕变性能。
泡沫、巴萨木和蜂窝之间的对比
多年以来，船舶制造中使用的芯材是巴萨（Balsa）轻木，更多情况下也使用普通的木胶合板。这类材料相对成本较低，具有很高的压缩强度，但是比泡沫要重（一般密度都大于100kg/m3），而且容易吸水，最终腐烂。和Balsa相比，泡沫芯材轻，吸水少，耐腐蚀。泡沫的疲劳性能和耐久性也比Balsa好。但是有些情况下，例如局部荷载很高或交叉接头的位置（例如：引擎安装处或楔子周围），Balsa要优于泡沫材料。如果使用高密度泡沫，价格相对Balsa要高很多。
蜂窝材料例如Nomex（芳纶纸和酚醛树脂）和铝蜂窝常用在航空领域，因为它们具有的高强度、高温稳定性和轻质的特点。但是蜂窝在船舶制造中存在许多的缺点：蜂窝和面板的粘接接触面积相对较小，抗疲劳性能较差；蜂窝的开孔容易渗水导致芯材和面板的粘接破坏等等。
结论
泡沫芯材在造船行业的应用越来越普遍，泡沫芯材有各种各样不同的类型、密度和使用方法。在使用、设计泡沫芯材夹层结构的过程中，芯材的选择非常关键。必须考虑到使用环境、固化方法、荷载要求和综
合成本等诸多因素。
TOP
4楼大中小发表于 2010-5-1 09:13 只看该作者夜深人静的时候楼主还为大家奉献这么好的精神食粮，可敬啊！
Member/海
鸥
帖子
208 From
蜀
? 个人
空间
? 发短
消息
? 加为
好友
? 当前
离线
ps ：光棍吧^_^
TOP
Member/大
雁
帖子
210
From
沈阳
市
? 个人
空间
? 发短
消息
? 加为5楼 大 中 小 发表于 2010-5-1 09:16 只看该作者 总结的太精辟了！可以看出sero1老师下了很大的功夫，我个人表示非常感谢！ 夹芯复合结构不尽在航空领域，在其他方面用途也非常广泛，特别是近些年来在风力发电方面应用非常迅猛。泡沫芯材有很多种类和用途，当然，最高级别是航空方面的，正像sero1老师所说它是经过特殊处理的，但我个人认为在轻航机方面没有必要应用那么好的芯材，一般风力发电用的芯材就可以了，这在我校风能所得到了验证，上海的两坐电动滑翔机也是如此的，螺旋桨可以用级别高的航空泡沫芯材，再有一些非航空级别的泡沫芯材不适用于预侵料，固化温度也不是很高（一般是中温固化），这些都需要注意，这也是螺旋桨为什么选择级别高的芯材的原因。当然选材与复合结构也有关系，中间夹芯两边带面层（纤维织物复合材料 或 薄壁钢板） 和 大块芯材表面铺层，还有一定的区别。密度的选择与上面也有关系。现代的泡沫芯材都是闭孔结构，是不吸水的，但聚氨酯硬泡有一定的吸水量，10%左右。伯特·鲁坦先生很早就提过聚氨酯硬泡不是很耐久的，前面sero1老师也提过“树脂/芯材（PUR ）界面易产生老化，从而导致面板剥离”，但聚氨酯可以现场发
好友
? 当前离线
泡，密度可以控制，在补缝方面还是有一定优势的，一些泡沫芯材板可以现场加热弯曲，这给加工带来很多便利，同时也节省材料，简化了工艺。面层
与芯材之间所使用的胶粘剂，在选择胶粘剂方面也要注意，它对强度是有影响的，最好是选择其专用的结构胶。 TOP
Member/大雁
帖子
684
From
福建
?
个人空间 ?
发短消息 ?
加为好友 ? 当前离线
6楼 大 中 小 发表于 2010-5-1 12:51 只看该作者
这篇文章发完我就睡着了 呵呵 这个是我请教一位造魁基Q2的老前辈， 想找一下这方面资料，归纳一下，供大家学习 ps ：要和我相亲的很多哦 [ 本帖最后由 sero1 于 2010-5-1 12:56 编辑 ]
TOP
Member/大雁
帖子
684
From
福建
? 个人空间 7楼
大 中 小 发表于 2010-5-1 23:27 只看该作者
https://www.sodocs.net/doc/9416231751.html,/Service.asp?title=23
刚刚在网上看到这家公司，估计造飞机泡沫芯子可以用得上了 下面是泡沫芯子的性能参数 https://www.sodocs.net/doc/9416231751.html,/products.asp?id=6&title=3 这个是PMI 泡沫的性能参数:
?
发短消息 ?
加为好友 ? 当前离线
https://www.sodocs.net/doc/9416231751.html,/sites/dc ... tion%20Proposal.pdf TOP
Membe
r/大
雁
帖子
6
8
4 From
福
建
? 个
人空
间
? 发
短消
息
? 加
为好
友
? 当
前离
8楼 大 中 小
发表于 2010-5-4 10:13 只看该作者 PMI 泡沫芯材性能表
https://www.sodocs.net/doc/9416231751.html,/sites/dc/Downloadcenter/Evonik/Product/ROHACEL L/product-information/ROHACELL%20A%20Product%20Information.pdf rohacell 的PMI 泡沫，算是行业老大了 大家可以参考下
Moder ator/版主
帖子 3233 From
上海 ? 个人空
间
? 发短消息 ? 加
为好
友
? 当
9楼 大 中 小 发表于 2010-5-28 10:45 只看该作者
有些说法是不准确的。。。尤其中间夹杂了很多商业宣传词汇的时候。
比如说PMI ， 你自己有办法成型吗？不能对吧。所以这种材料连想都不用想了。EPS 最容易切割（因为熔点低），而且市场供应非常普及，那自然也是好的材料选择了。
“PUR 泡沫：与其他泡沫相比，其力学性能一般”， 这个和“其他"比较，是和哪个比较呢，是和聚砜比较还是和聚苯乙烯？是和孔隙率多大的时候比较呢？
“树脂/芯材界面易产生老化，从而导致面板剥离” 这至少还是说PUR 和面板是有粘结的。那按我们一般的做法，EPS 和面板根本没粘结，却照样可以用？ 只要不是和面板共成型的所有泡沫都不会和面板有粘结，必须外加粘结剂。只有共成型的时候（现场发泡），才可能产生粘结，这意思是说你的东西有多大，就要弄个更大的共成型装置，如果要加热才能成型，比如那一堆人合影后面的巨大容器，这在我们看来是不可能触及的东西。
有些材料是和航空无关的。比如汽车上和大型船上用的泡沫“结构”， 这些实际不是轻型高强度结构，你可以看做是“减重”型结构。比如汽车的泡沫保险杠，船舶的机器安装用泡沫垫块。冠以“结构”二字并不代表它有什么出色力学性能。
这些材料要求本身——不需要其他辅助构件——就可以承力。 而航空领域的通常是由面板来承力，芯材的主要作用是保持面板所在的正确的空间位置和形状而不是直接去承力。所以看起来力学性能最差的EPS 反而也常用，
因为它足够的轻。
[ 本帖最后由 海上翼 于 2010-5-28 10:52 编辑 ] 飞吧， 你是自由的
线
TOP
笨鳥大飛
(飛行蛙)
Moderator/版主
帖子
1917
From
滿族正黃旗 ? 个人空间 ? 发短消息 ? 加为好友 ? 当前离线
10楼 大 中 小 发表于 2010-6-11 16:48 只看该作者 图3 几种常见泡沫的剪切模量 图4 几种常见泡沫的剪切强度 图5 几种常见泡沫的压缩强度 图6 几种常见泡沫的热变形温度 没有图片，能否贴上来？谢谢Sero1 TOP
(完整word版)飞机夹层结构复合材料零部件的损伤形式及修理方法
常见飞机蜂窝板损伤形式及修理方法 航空器复合材料中的蜂窝板是由薄而强的两层面板中间胶接蜂窝材料而成的一种新型复合材料，也称蜂窝层合结构(见图1)。其面板选材有金属板、玻璃纤维、石英纤维、碳纤维等；夹心材料主要有芳纶、玻璃纤维、铝合金及发泡型结构。蜂窝可制成不同的形状。飞机上的蜂窝结构是由耐腐蚀夹心、面板、衬垫、隔板（假梁）、边肋等零件胶合而成。面板与夹芯之间用胶膜胶接，蜂窝夹芯用芯子胶和耐腐蚀胶根据实际需要形状施加真空压力后加温胶接成型。 图1 蜂窝夹心板结构 一、航空复合材料蜂窝结构损伤种类 根据航空复合材料蜂窝结构部件在使用过程中可能出现损伤的情况，我们可以大致将胶接蜂窝结构部件的损伤分以下5类： 1、表面损伤 图2 典型表面凹坑 此类损伤一般通过目视检查发现，包括表面擦伤、划伤、局部轻微腐蚀、表面蒙皮裂纹、表面小凹坑和局部轻微压陷等。这类损伤一般对结构强度不产生明显的削弱。 2、脱胶及分层损伤
该损伤是指纤维层与层之间或面板与夹芯之间的树脂失效缺陷，主要通过敲击检查、超声波检测等手段发现。此类损伤一般不引起结构外观变化，大多是在生产过程中造成的初始缺陷，并在反复使用过程中缺陷不断扩展而导致的。脱胶或分层面积过大会引起整体复合材料强度的削弱，应及时予以修补。 3、单侧面板损伤 这类损伤包括单侧面板局部压陷、破裂或穿孔，一般通过目视检查即可发现。该类型损伤能使一侧面板和蜂窝夹芯都受到损伤（表面塌陷），对气动性能和结构强度影响较大。一旦发现该类损伤必须经过修理和检验确认后方能能重新使用。 4、穿透损伤 该类型损伤是指蜂窝部件出现穿透性损伤、严重压陷和较大范围的残缺损伤等。此类损伤对结构性能和强度有严重的影响，根据受损情况立即予以修理或按需更换新件。 5、内部积水 该损伤原因主要由于蜂窝结构边缘或蜂窝材料对接边缘密封不严或密封失效，在长期使用过程中由于雨水渗透、油液浸泡以及水汽冷凝而造成蜂窝夹芯出现积水。虽然一般情况蜂窝内部积水不会造成严重影响；但在冬季日夜气温变化较大的情况下，由于积液结冰膨胀将会会造成复合材料部件内部树脂基体脱胶；同时在积液的长期浸泡下也会使复合材料的树脂基体的胶接强度大幅降低而降低部件的整体性能；特别是各类复合材料制备的舵面、襟翼、翼身整流罩及发动机部件等，均应及时检查其内部蜂窝结构的积水情况并作出相应修理措施。目前该类损伤主要通过红外热成像、X-射线检测仪等手段进行检测。 二、蜂窝结构的检查方式 1、目视检查 目视检查法是使用最广泛、最直接的无损检测方法。主要借助放大镜和内窥镜观测结构表面和内部可达区域的表面，观察明显的结构变形、变色、断裂、螺钉松动等结构异常。它可以检查表面划伤、裂纹、起泡、起皱、凹痕等缺陷；尤其对透光的玻璃钢产品，可用透射光检查出内部的某些缺陷和定位，如夹杂、气泡、搭接的部位和宽度、蜂窝芯的位置和状态、镶嵌件的位置等。 2、手锤敲击法 用于单层蒙皮蜂窝结构。用手锤敲击蜂窝结构的蒙皮，根据不同的声响来判断蜂窝结构是否脱胶。敲击时，注意锤头与蒙皮垂直，力度适当，以能判断故障不损坏蒙皮表面为宜。为使判断准确，可先在试件上试验。敲击回声清脆是良好，沉闷是脱粘。 3、外场在位检测的便携式相控阵超声波C扫描检测系统
蜂窝夹层结构复合材料应用研究进展
收稿日期:2013-02-05 基金项目:航空自然科学基金资助(2010ZF56025) 作者简介:刘杰,1985年出生,硕士,助理工程师,主要从事芳纶纸蜂窝的生产与研制,E -mail:dnaliujie@https://www.sodocs.net/doc/9416231751.html, 蜂窝夹层结构复合材料应用研究进展 刘一杰1一一郝一巍1一一孟江燕2 (1一北京航空材料研究院,北京一100095) (2一南昌航空大学材料科学与工程学院,南昌一330063) 文一摘一综述了有关铝蜂窝芯二芳纶纸蜂窝芯及其复合材料在制造工艺上的研究成果;蜂窝夹层结构复合材料在隔音二隔热二耐老化二冲击性能等方面的最新研究进展,并对蜂窝夹层结构复合材料的研究方向提出了几点建议三 关键词一铝蜂窝,芳纶纸蜂窝,复合材料,力学性能 Progress in Applied Research of Honeycomb Sandwich Composites Liu Jie 1一一Hao Wei 1一一Meng Jiangyan 2 (1一Beijing Institute of Aeronautical Materials ,Beijing一100095) (2一School of Material Science and Engineering ,Nanchang Hangkong University ,Nanchang一330063) Abstract 一In this paper ,the manufacturing processof the aluminum honeycomb core ,Nomex honeycomb core and composite materials have been reviewed.Furthermore ,the latest research progress of the honeycomb sandwich composites sound insulation ,heat insulation ,anti-aging ,impact properties and other aspects has been overviewed.And some suggestions of research directions of honeycomb sandwich composites are presented.Key words 一Aluminum honeycomb ,Nomex honeycomb ,Composites ,Mechanical property 0一引言 蜂窝夹层结构复合材料因其具有比强度高二抗冲 击性能好二减振二透微波二可设计性强[1-2]等优点,目前已经被广泛应用,特别是航空航天领域,蜂窝夹层结构以其优越的性能成为该领域不可缺少的结构材料之一三早期的蜂窝夹层结构复合材料芯材大多数为金属芯材,随后出现了纸蜂窝夹层结构复合材料以及纤维增强树脂蜂窝等蜂窝芯材三 目前的蜂窝夹层结构复合材料主要分为铝蜂窝夹层结构复合材料二Nomex 纸蜂窝夹层结构复合材料二玻璃钢夹层结构复合材料二棉布蜂窝夹层结构复合材料等[3],其中玻璃钢夹层结构复合材料已得到广泛的研究和应用,研究人员对于玻璃钢夹层结构复合材料的力学二隔音二隔热二抗冲击性能的研究都比较深入[4-6]三蜂窝夹层结构复合材料的性能主要由蒙皮和蜂窝芯材料的性能所决定[7],这些性能主要包括蒙皮的厚度与材质,蜂窝芯材的高度二材质二密度二 孔格大小以及形状等[8]三近些年,研究人员围绕蜂窝夹层结构复合材料做了大量研究并取得了一定成 果,本文对此作以简介三 1一铝蜂窝夹层结构 铝蜂窝芯材主要由铝箔以不同的胶接方式胶接,通过拉伸而制成不同规格的蜂窝,芯材的性能主要通过铝箔的厚度和孔格大小来控制,再将铝蜂窝芯材和不同的蒙皮材料复合,形成铝蜂窝夹层结构复合材料三铝蜂窝夹层结构复合材料具有较高的力学性能,其芯材铝蜂窝的制造成本也相对较低三但铝蜂窝夹层结构复合材料在某些环境中使用时易腐蚀,在受到冲击后,铝蜂窝芯材会发生永久变形,使蜂窝芯材与蒙皮发生分离[9-10],导致材料的性能降低三 部分研究者从胶接工艺对铝蜂窝夹层结构复合 材料进行了研究三张京等[11]从胶黏剂筛选二表面处理方法和固化工艺三个方面对铝蜂窝夹层结构的胶接工艺进行了研究三选择了流动性较好的J -47胶膜;在对表面处理方式的研究中采用磷酸阳极化处理;通过对剪切强度的对比确定了夹层结构的最佳固化工艺三铝蜂窝夹层结构的大面积粘接成型一直是夹层结构批量生产的难题,为此,韦生文[12]对铝蜂窝
ANSYS结构分析指 复合材料
ANSYS结构分析指南第五章复合材料 5.1 复合材料的相关概念 复合材料作为结构应用已有相当长的历史。在现代，复合材料构件已被大量应用于飞行器结构、汽车、体育器材及许多消费产品中。 复合材料由一种以上具有不同结构性质的材料构成，它的主要优点是具有很高的比刚度(刚度与重量之比)。在工程应用中，典型复合材料有纤维和叠层型材料，如玻璃纤维、玻璃环氧树脂、石墨环氧树脂、硼环氧树脂等。 ANSYS程序中提供一种特殊单元--层单元来模拟复合材料。利用这些单元就可以作任意的结构分析了(包括非线性如大挠度和应力刚化等问题)。对于热、磁、电场分析，目前尚未提供层单元。 5.2 建立复合材料模型 与铁或钢等各向同性材料相比，建立复合材料的模型要复杂一些。由于各层材料性能为任意正交各向异性，材料性能与材料主轴取向有关，在定义各层材料的材料性能和方向时要特别注意。本节主要探讨如下问题： 选择合适的单元类型； 定义材料层； 确定失效准则； 应遵循的建模和后处理规则。 5.2.1 选择合适的单元类型 用于建立复合材料模型的单元类型有SHELL99、SHELL91、SHELL181、SOLID46和SOLID191 五种单元。但 ANSYS/Professional 只能使用 SHELL99 和 SHELL46 单元。具体应选择哪一类单元要根据具体应用和所需计算结果类型等来确定。所有的层单元允许失效准则计算。 1、SHELL99--线性层状结构壳单元 SHELL99 是一种八节点三维壳单元，每个节点有六个自由度。该单元主要适用于薄到中等厚度的板和壳结构，一般要求宽厚比应大于10。对于宽厚比小于10的结构，则应考虑选用 SOLID46 来建立模型。SHELL99 允许有多达 250 层的等厚材料层，或者 125 层厚度在单元面内呈现双线性变化的不等材料层。如果材料层大于 250，用户可通过输入自己的材料矩阵形式来建立模型。还可以通过一个选项将单元节点偏置到结构的表层或底层。 2、SHELL91--非线性层状结构壳单元 SHELL91 与 SHELL99 有些类似，只是它允许复合材料最多只有 100 层，而且用户不能输入自己的材料性能矩阵。但是，SHELL91 支持塑性、大应变行为
蜂窝夹层结构复合材料
1.1.夹层结构 一种复合构造的板、壳结构，它的两个表面由很薄的板材做成,中间夹以较轻的夹芯层。前者称为表板,要求强度高；后者称为夹层，要求重量轻。第二次世界大战时,为了充分利用木材资源,英国的“蚊式”轰炸机上就采用了全木质夹层结构。一般夹层结构用于机翼、尾翼、机身、箭体、箭头、减速板、发动机短舱、隔音装置、防火隔板等。与薄壁结构的薄蒙皮相比，夹层板的厚度大得多，抵抗失稳能力强，重量还可减小，而且表面光滑，气动外形良好。但它的制造工艺复杂，工艺质量又不易检验，所以应用受到限制。夹层结构表板的材料有铝合金、不锈钢、钛合金和各种复合材料。夹层材料有轻质木材、泡沫塑料等，也可用金属材料或复合材料制成波纹板夹层或蜂窝型夹层（见蜂窝结构）。夹层与表板一般用胶粘结在一起,也可用熔焊、焊接连接,形成整体。在总体受力分析中，认为上、下两表板只承受表板面内的拉、压力和剪切力,不能承受弯矩和扭矩,而中间夹层只承受垂直于夹层中面的切力。夹层结构与一般板壳结构受力分析的唯一差别在于挠度计算中除了考虑弯曲力矩产生的挠度外，还要考虑剪力的影响。夹层结构的两表板之间距离较大，所以夹层结构的弯曲刚度比一般板壳结构大得多，失稳临界应力显著提高。夹层结构自身不用铆钉,免除了钉孔引起的应力集中,提高了疲劳强度。夹层结构与相邻结构的连接较为复杂，夹层本身的局部接触强度较弱,又需承受连接的集中力,因此必须妥善进行接头设计。 1.1.类型、特点及应用 类型： 按面层分类：玻璃钢、金属、绝缘纸、胶合板、塑料板等 按芯层分类：泡沫夹层结构、波板夹层结构、蜂窝夹层结构等。特点：轻质夹芯 高强度面层
泡沫夹层结构的夹芯材料是泡沫塑料其质量轻、刚度大、保温隔热性能好。但是强度不高 蜂窝夹层结构的夹芯材料是蜂窝材料(玻璃布蜂窝、纸蜂窝、棉布蜂窝等) 特点：质量轻、强度大、刚度大 应用：构件尺寸较大、强度要求较高的部件。如图： 波板夹层结构 波板夹层结构的夹芯材料是波纹板(玻璃钢波纹板、纸基波纹板和棉布波纹板)。 特点：制作简单，节省材料，但不适用于曲面形状的制品，质量轻、刚度大。
复合材料结构
复合材料结构设计的特点 (1) 复合材料既是一种材料又是一种结构 (2) 复合材料具有可设计性 (3) 复合材料结构设计包含材料设计 复合材料区别于传统材料的根本特点之一可设计性好（设计人员可根据所需制品对力学及其它性能的要求，对结构设计的同时对材料本身进行设计） 具体体现在两个方面1力学设计——给制品一定的强度和刚度、2功能设计——给制品除力学性能外的其他性能 复合材料力学性能的特点 (1) 各向异性性能材料弹性主方向：模量较大的一个主方向称为纵向，用字母L表示，与其垂直的另一主方向称为横向，用字母T表示。通常的各向同性材料中，表达材料弹 )和ν(泊松比)或剪切弹性模量G。 对于复合材料中的每个单层，纵向弹性模量E L、横向弹性模量E T、纵向泊松比νL (或横向泊松比νT)、面内剪切弹性模量G LT。 耦合现象：拉剪耦合与剪拉耦合、弯扭耦合与扭弯耦合 (2) 非均质性 耦合变形：层合结构复合材料在一种外力作用下，除了引起本身的基本变形外，还可能引起其他基本变形。 (3)层间强度低 在结构设计时，应尽量减小层间应力，或采取某些构造措施，以避免层间分层破坏。 研究复合材料的刚度和强度时，基本假设： (1) 假设层合板是连续的。由于连续性假设，使数学分析中的一些连续性概念、极限概念以及微积分等数学工具都能应用于力学分析中。 (2）假设单向层合板是均匀的，多向层合板是分段均匀的。 (3) 假设限于单向层合板是正交各向异性的：即认为单向层合板具有两个相互垂直的弹性对称面。 (4) 假设限于层合板是线弹性的：即认为层合板在外力作用下产生的变形与外力成正比关系，且当外力移去后，层合板能够完全恢复其原来形状。 (5) 假设层合板的变形是很小的。 上述五个基本假设，只有多向层合板的分段均匀性假设和单向层合板的正交各向异性假设，与材料力学中的均匀性假设和各向同性假设有区别。 平面应力状态与平面应变状态 平面应力状态：单元体有一对平面上的应力等于0。（σz＝0，τzx＝0，τzy ＝0） 平面应变状态（平面位移）：εz＝0（即ω＝0），τzx＝0(γ31＝0)，τzy ＝0(γ32＝0 )， σz一般不等于0。 复合材料连接方式 复合材料连接方式主要分为两大类：胶接连接与机械连接。胶接连接：受力不大的薄壁结构，尤其是复合材料结构；机械连接：连接构件较厚、受力大的结构。
复合材料夹层结构基本原理
复合材料夹层结构基本原理 前言我国复合材料工业的发展起始于20世纪50年代，经过50余年的发展，由于“轻质高强”的优异性能，其应用领域已由最初的航空航天和国防业渗透到了当今国民经济的各个领域，如化工管罐，运动器材，汽车部件，建筑，船艇，轨道交通，风力发电叶片等等。随着复合材料应用领域的扩展，产品的尺寸不断变大，夹层结构的应用也越来越广泛。 1 复合材料夹层结构基本原理 复合材料夹层结构由强度很高的面层和强度较低的轻质夹芯材料组成，在弯曲荷载下，上下面层承担主要的拉应力和压应力，芯材主要承担剪切应力。芯材的力学作用机理是连接面层使之成为整体构件，让薄而强的面层在承担较高拉压应力的同时不发生屈曲，并将剪切力从面层传向内层。以面层厚度相等的单夹层结构在弯曲载荷作用下的响应为例，来说明夹层结构的基本原理。 1.1 面层和芯材的拉、压应力分布 在弯曲载荷作用下，假设面层和芯材的界面没有损坏，即在界面处的变形是连续的，且材料处于线弹性范围内，则夹层结构产生的拉压应变分布如图1所示。 由于面层和芯材的弹性模量不同，所以其应力分布会发生突变，面层的拉、压应力远大于芯材的拉、压应力，如图2所示。 图2 截面拉、压应力分布 根据材料力学梁的弯曲理论，根据夹层结构的几何数据和各部分材料的弹性模量可以算出结构的等效刚度（EI）eq，则面层和芯材部位产生的拉、压应力如下： （1）
（2） 式中，M：夹层结构承受的弯矩 y：离中性轴的距离 Ef：面层的弹性模量 Ec：夹芯材料的弹性模量 1.2 面层和芯材的剪应力分布 根据材料力学梁的弯曲理论，夹层结构中的剪应力分布如图3所示。 图3 剪应力分布图4简化后的剪应力分布 在工程实践中，为便于计算，可以对其进行线性简化，如图4所示。那么剪应力可按下式进行简化计算： （3） （4） 式中，Q：截面承受的剪力 b：夹层结构梁的宽度 c：芯材的高度 1.3 面层和芯材的匹配 从上面的分析可以看到，面层承担了大部分的拉、压力，芯材承担了大部分的剪力。而面层的强度和刚度都远大于夹芯材料，对于夹层结构设计人员来说，如何能够使这两种力学性能大相径庭的材料完美的结合在一起，充分发挥各自的优点，即满足使用要求，又不浪费材料？ 在夹层结构受弯情况下，夹层结构主要是靠芯材的剪切来传递直接施加在面层上的力，在复合材料夹层结构中，FRP面层的模量和强度都很高，只有高剪切强度和大剪切断裂延伸率的芯材才适用，如常用的PVC、PET、SAN、PEI、PMI等泡沫芯材。要根据夹层结构在使用中可能的受力状况，选用适当种类和密度的芯材，合理设计面层和芯材的厚度，按照前面介绍的应力计算方法，或用相关的有限元分析软件，进行反复的计算验证，最终达到较优的设计方案。 若选用剪切强度低，或是剪切断裂延伸率小的芯材，则芯材破坏时，面层可能只发挥了1%不到的强度，则会造成材料的浪费。
夹芯 复合材料夹心材料
【夹芯】夹芯材料简介 一、原理 自二十世纪四十年代低密度的夹芯材料就已用于复合材料，它可提高弯曲强度、降低重量。具有相同负荷能力的夹层结构要比实体层状结构轻好几倍。夹芯材料能够降低单位体积的成本、削弱噪音与震动、增加耐热、抗疲劳和防火性能等。夹芯材料的作用机理是将剪切力从表皮层传向内层，使两个表皮层在静态和动态载荷下都能保持稳定，并且吸收冲击能来提供抗破坏性能。 二、分类 用于复合材料夹层结构的夹芯材料主要有：硬质泡沫、蜂窝和轻木三类。 ①硬质泡沫主要有聚氯乙烯（PVC）、聚氨酯（PU）、聚醚酰亚胺（PEI）和丙烯腈-苯乙烯（SAN或AS）、聚甲基丙烯酰亚胺（PMI）、发泡聚酯（PET）等。 ②蜂窝夹芯材料有玻璃布蜂窝、NOMEX蜂窝、棉布蜂窝、铝蜂窝等。蜂窝夹层结构的强度高，刚性好，但蜂窝为开孔结构，与上下面板的粘接面积小，粘接效果一般没有泡沫好。 ③轻木夹芯材料是一种天然产品，市场常见的轻木夹芯主要产自南美洲的种植园，由于气候原因，轻木在当地生长速度特别快，所以比普通木材轻很多，且其纤维具有良好的强度和韧性，特别适合用于复合材料夹层结构。 三、应用领域 夹芯材料的应用领域广阔，涉及能源、航空航天、船舶、交通运输、建筑等领域。 航空航天 飞机的主要部件，如机身，机翼和尾翼可采用PVC泡沫夹芯材料复合结构，同时使用丁二烯。在生产中不必进行高压高温处理。飞机的重量得以减轻。直升飞机最新一代复合螺旋桨叶采用密度较低、可耐大多数溶剂且可经受高压蒸煮温度和压力的PMI泡沫夹芯材料。它采用传统预浸工艺制造。这种新型复合螺旋桨
叶的寿命可达10000h/L，是先前金属桨叶寿命的十倍。今天超轻型竞赛飞机、飞机模型和现代"超级风车"的桨叶都使用了轻质木质夹芯材料。 船舶 常规的交联PVC泡沫己在船舶中广泛应用。瑞士海军的护卫舰使用了28、13.5、0.09m片状构造的丁二烯蜂窝夹芯材料。聚氨酯（PU）发泡夹芯材料也常用于船舶的建造。80kg/m3高密度泡沫可应用于承载部件如船舷等；80～120kg/m3的泡沫专门用作甲板和上部构造的芯材。硬质PU泡沫广泛用于水槽、绝缘板、结构性填料和充空填料。大型冷藏拖网鱼船很多是整体成型的夹芯构，用玻璃布制作内外蒙皮，夹芯材料的厚度为100mm。该类船具有轻质、高强、耐海水腐蚀、抗微生物附着以及吸收撞击能。很多游艇的船底、表面使用了标准的轻质木，以保证最大的剪切和挤压强度；船前部和甲板使用了密度较低的轻质木；隔壁面板室内地板和家具也使用了轻质木夹芯材料。 在多杂物（浮木等）漂浮的巴拿马运河中营运的快速渡轮，其抗破坏能力应是首先考虑的，其次是总重量轻以保证渡轮的速度。由于这些原因，一种线型PVC 泡沫芯材被选作船壳底材，另一类型的PVC泡沫芯材作船壳侧面材料和舷侧突出部。部件使用玻纤增强表皮层和真空袋膜工艺；甲板和船舱侧面使用横纹轻质木夹芯材料，其表面用交联环氧树脂/玻纤板材做舱房表皮层，以保证渡轮达到ABS标准。 交通运输 交联的PVC夹芯材料在铁路运输中得到广泛应用，并用于公共汽车和有轨电车及摩托车等。一级方程式赛车模仿自然蜂窝结构，使用空心六边形管相互作用增强原理制作芯材。赛车具有高的抗冲击强度和能量吸收能力。比赛用自行车也采用这种蜂窝结构芯材。法国制造的铁路冷藏车采用PVC泡沫夹芯材料提高隔热效果。其它夹芯材料用于运输车辆主要是利用它们的绝缘性，如聚异氰酸酯绝缘泡沫塑料等。 建筑 夹芯材料在建筑上的应用十分广泛。在内外墙上使用纤维板、胶合板等各种夹芯材料，使墙壁具有隔音、隔热、轻质、高强等优点。由于顶棚强度要求不太高，只要求重量轻、刚性好，有一定防火、保温性能，其次是美观和价格便宜，安装方便，因此通常采用各种纤维芯材和PE钙塑泡沫芯材等。其它夹芯材料用在建筑上主要是利用它们的绝缘性。
复合材料泡沫夹层结构的材料和应用
复合材料夹层结构芯材 夹层结构的最初应用从上世纪初的航空航天业开始，逐步发展到今天的船舶、交通运输、运动器材、风力发电、医疗器材等领域。德固赛（中国）投资有限公司上海分公司的胡培先生全面综述了各种芯材的特性、应用、市场分布及前景。
常用芯材及其应用 玻璃钢/复合材料中常用的芯材有泡沫、巴萨木和蜂窝等多孔固体材料。 巴萨木目前主要的用途集中在风电、船舶、铁路车辆等行业。相对而言，因为其密度选择范围小，面层破坏以后，吸水腐烂的缺点，已经逐步被PVC泡沫取代。但是因为其价格优势，目前还有一定的市场。 蜂窝主要有NOMEX纸蜂窝和铝蜂窝，蜂窝材料具有各向异性的特点。另外，因为蜂窝存在开孔结构，不适用一些湿法工艺或树脂注射工艺，例如船舶和风电等领域。铝蜂窝因为和碳纤维面板之间存在电腐蚀的问题，一般不能和碳纤维一同使用。另外，蜂窝结构在使用过程中，会因为面层破坏，发生渗水问题。 玻璃钢/复合材料中常用的泡沫芯材有聚氯乙烯（PVC）、聚苯乙烯（PS）、聚氨酯（PUR）、丙烯腈-苯乙烯（SAN）、聚醚酰亚胺（PEI）及聚甲基丙烯酰亚胺（PMI）等。 硬质聚氨酯PUR泡沫与其他泡沫相比，其力学性能一般，树脂/芯材界面易产生老化，从而导致面板剥离。作为结构材料使用时，常用作层合板的纵、横桁条或加强筋之芯材。有时PUR泡沫也能用于受载较小的夹层板中，起到隔热或隔音的作用。该类泡沫的使用温度为150℃左右，吸声性能良好，成型非常简单，但是机械加工过程中易碎或掉渣。PUR泡沫价格相对便宜，发泡工艺也比较简单，采用液体发泡。目前主要在运动器材，例如网球拍、冰球棒中用做工艺芯材，并起到一定的阻尼作用。另外在冲浪板中也普遍使用PUR泡沫或EPS泡沫作为芯材。
复合材料蜂窝夹层结构在飞机中的应用
复合材料蜂窝夹层结构在飞机中的应用 摘要：蜂窝夹层结构复合材料的应用越来越广泛，特别是在一些特殊领域，尤 其是在飞机制造中，蜂窝夹层结构复合材料已逐渐覆盖了飞机的整个机身结构， 事实证明，蜂窝夹层结构对飞机的使用有着非常明显的帮助。本文介绍了蜂窝夹 层结构的典型蜂窝几何结构、面板、蜂窝芯材类型和性能，阐述了蜂窝夹层结构 在国外、国内飞机上的应用，并结合蜂窝夹层结构应用的一些细节论述了相应的 设计方法。 关键词：复合材料；蜂窝夹层结构；飞机 飞机结构设计的基本原则是在满足强度要求的前提下，使结构尽可能轻，这 一要求将不可避免地导致需使用稳定的薄蒙皮来承受拉伸、压缩载荷，以及剪切、扭转、弯曲载荷的耦合作用。在传统的飞机结构设计中，采用纵向加强件、增稳 桁条、翼肋、隔框等结构对蒙皮进行加固，不可避免地导致结构增重问题。夹层 结构是提高结构比刚度的有效结构形式之一，复合材料夹层结构具有重量轻、强 度刚度好、耐热、吸声隔音、抗冲击、抗疲劳等特点，广泛应用于航空航天、汽车、通信、轨道车辆、造船、医疗器械、体育器材、土木工程等领域。 一、复合材料蜂窝夹层结构 复合材料夹层结构由两个薄面板和中间夹芯层组成，芯层和面板一般用胶粘 接在一起，或用熔焊或焊接成一个整体。 夹层结构的荷载传递方式与工字梁相似，上下面板主要承受由弯矩引起的面 内拉压应力及面内剪应力，而芯材主要承受横向力产生的剪应力，上下面板间的 距离增加了截面的惯性矩，提高了结构的抗弯刚度和材料的有效利用率与结构效率。 复合材料蜂窝夹层结构的强度与蜂窝几何形状及蜂窝芯材有关。根据蜂窝的 几何形状，蜂窝芯层分为标准六角形芯、矩形过膨胀芯、强化波纹芯、方格芯、 特殊夹芯等。其中增强正六边形的强度最高，其次是正六边形蜂窝，因其制作简单，材料消耗低，强度高，因而应用最广。 复合夹层结构的面板材料包括铝合金、钛合金、不锈钢、玻璃钢等复合材料，目前在航空结构中应用较多的是碳纤维单向带或织物增强复合材料。芯材有金属 或非金属蜂窝、泡沫塑料等。金属蜂窝芯层主要为铝蜂窝，非金属蜂窝芯层主要 有诺梅克斯纸蜂窝、玻璃布蜂窝、碳纤维蜂窝等，其中，铝蜂窝或诺梅克斯纸蜂 窝具有压缩模量高、质量轻的优点，成为飞机结构中广泛应用的夹芯材料。 铝蜂窝夹芯结构一般在大剪切载荷下使用，面板通常由金属板材制成。由于 铝蜂窝与碳纤维面板一起使用，铝蜂窝与复合材料面板胶接时难以配合，此外， 由于两种材料的热膨胀系数相差较大而引起的固化变形也很明显，若对两种材料 间的电绝缘处理不当，易发生电化学腐蚀。 诺梅克斯纸蜂窝强度略低于铝蜂窝，但其具有良好的韧性及抗损伤性，质量轻、抗压强度高、抗剪强度和疲劳强度好，具有各向异性特点，抗弯刚度/质量比及抗弯强度/质量比大；吸声、隔声、隔热性能好，易于协调复合材料黏接及组装，无腐蚀问题，还能满足FST(烟雾毒性)等要求，具有比铝蜂窝更少的局部不稳定问题。诺梅克斯纸蜂窝夹芯通常与碳/玻璃纤维预浸料一起使用，由于其丰富的应用经验和适中的成本，在航空领域得到了广泛的应用。 二、蜂窝夹层结构复合材料的基本特性 1、质量轻，比强度高，尤其是抗弯刚度高，同等质量的蜂窝夹层结构复合材
复合材料结构及其成型原理
碳纤维复合材料 (西北工业大学机电学院, 陕西西安710072) 摘要：碳纤维复合材料与金属材料相比，其密度小、比强度、比模量高，具有优越的成型性和其他特性，具有极大的发展潜力。本文介绍了碳纤维复合材料的特点及其应用，总结了碳纤维复合材料的成型工艺及每种成型工艺的特点，并从材料和成型两个方面指出了它的发展方向。 关键词：复合材料；碳纤维；成型工艺；工艺流程 Carbon Fiber Reinforce Plastic (School of Mechatronics, Northwes tern Polytechnical University, Xi’an 710072, China) Abstract: Compared to metals, carbon fiber reinforce plastic has great potential for development with lower density, higher specific strength and modulus, and excellent moldability and other characteristics. This article describes the characteristics and applications of carbon fiber reinforce plastic and sum up the manufacturing process of carbon fiber reinforce plastic and their characteristics. Finally, this article points out the development of carbon fiber reinforce plastic from two aspects: material and manufacturing process. Key words: composites; carbon fiber; manufacturing process; process
复合材料的结构及作用
复合材料的结构及作用 一、复合材料的结构及作用 是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。 复合包装材料一般由基层、功能层和热封层组成。 a.基层也是材料的外层，从商品对包装性能的要求出发，外层应具有良好的光学性能、良好的印刷适性、耐磨、耐热、一定的强度和刚度，这样使包装外观具有极佳的表现力，增加了对消费者的吸引力； b.功能层也是材料的中间层，从商品对包装性能的要求出发，应具有很高的阻隔性以及特殊性能，如防潮性、阻气性、阻氧性、保香性、耐化学性、防紫外线、防静电、防锈等，使内装物得到保护，延长其货架寿命，这是包装功能性的体现； c.热封层也是材料的内层，从商品对包装性能的要求出发，内层与内装物直接接触，起适应性、耐渗透性要好，特别的包装食品的复合材料，内层还应符合食品安全的要求，卫生、无毒、无味，要对其进行封合，因此还要有良好的热封性和粘合性。 复合包装一般要满足以下性能： a.强度性能，包括抗张(拉伸)强度，范围一般在40-100MPa，撕裂强度，范围一般在 0.3-3N，破裂强度范围一般在30-50MPa，热封强度范围一般在20-80N/20mm，另外根据不同使用场合，还要求刚性、耐磨性、断裂伸长率； b.阻隔性能，包括透气性能（透空气、O2、CO2、N2）、防潮性能、透湿性能、透光性能(尤其对特定波长的光线)、保香性能； c.耐候与稳定性能，包括抗油性能、抗化学介质、耐温性能、耐候性能、抗降解性能； d.加工性能，包括自动化包装适性、印刷适性、防静电性能、热收缩与尺寸稳定性； e.安全卫生性能，包括材料成分是否安全，细菌微生物的种类和含量多少，其它一些影响安全卫生的成分； f.其它性能，包括光学性能、透明度、白度、光泽度、废弃物处理的难易、展示性等。 被包物不同，对复合包装材料性能的要求也不同，应从被包物对包装功能的要求出发，选择和设计复合包装材料，使用最少的材料，达到保护内装物的目的，节约成本和资源。二、举例说明 聚乳酸/纳米碳管防静电复合材料。此材料是以纳米碳管为导电料通过球磨和密炼2种方法添加到聚乳酸基体中制备的防静电复合材料。具体工艺流程如下：纳米碳管的纯化处理(p-CNT)——纳米碳管功能化(f-CNT)——球磨法或密炼法混合——热压——成型。 聚乳酸可以看做复合材料的基层，是复合材料的基材框架。PLA是一种新型的生物可降解材料，有较好的生物相容性，属于环境友好型材料，符合绿色环保的要求，并且具有良好的透气性及拉伸强度，但抗冲击性能差，对热不稳定。
复合材料铺层设计说明书
复合材料铺层设计 复合材料制件最基本的单元是铺层。铺层是复合材料制件中的一层单向带或织物形成的复合材料单向层。由两层或多层同种或不同种材料铺层层合压制而成的复合材料板材称为层合板。复合材料层压结构件的基本单元正是这种按各种不同铺层设计要素组成的层合板。 本章主要介绍由高性能连续纤维与树脂基体材料构成的层合结构和夹层结构设计的基本原理和方法，也介绍复合材料结构在导弹结构中的应用。 一、层合板及其表示方法 (1) 铺层及其方向的表示 铺层是层合板的基本结构单元，其厚度很薄，通常约为～。铺层中增强纤维的方向或织物径向纤维方向为材料的主方向（1向：即纵向）；垂直于增强纤维方向或织物的纬向纤维方向为材料的另一个主方向（2向：即横向）。1—2坐标系为材料的主坐标系，又称正轴坐标系， x-y坐标系为设计参考坐标系，如图所示。 铺层是有方向性的。铺层的方向用纤维的铺向角（铺层角）θ表示。所谓铺向角（铺层角）就是铺层的纵向与层合板参考坐标X轴之间的夹角，由X轴到纤维纵向逆时针旋转为正。参考坐标系X-Y与材料主方向重合则为正轴坐标系。X-Y 方向与材料主方向不重合则称偏轴坐标系，如图（b）所示。铺层的正轴应力与偏轴应力也在图中标明。 （2）层合板的表示方法 为了满足设计、制造和力学性能分析的需要，必须简明地表示出层合板中各铺层的方向和层合顺序，故对层合板规定了明确的表示方法，如表所示。
二、单层复合材料的力学性能 单层的力学性能是复合材料的基本力学性能，即材料工程常数。由于单层很薄，一般仅考虑单层的面内力学性能，故假设为平面应力状态。单层在材料主轴坐标系中通常是正交各向异性材料，在其主方向上某一点处的正应变ε1、ε2只与该、σ2有关，而与剪应力τ12无关；同时，该点处剪应变γ12也仅点处的正应力σ 1 与剪应力τ12有关，而与正应力无关。 材料工程常数共9个：纵向和横向弹性模量Ε1和Ε2、主泊松比ν 、纵横剪切 12 弹性模量 G12，共四个弹性常数；还有纵向拉伸和压缩强度X1、X2，横向拉伸与压缩强度Y1、Y2，纵横剪切强度S共五个强度参数。这9个工程常数是通过单向层合板的单轴试验确定的。通常情况下，单层力学性能有明显的方向性，与增强纤维的方向密切相关，即Ε1>>Ε2，X>>Y；而且拉伸与压缩强度不相等，即X1≠X2，Y1≠Y2；纵横剪切性能与拉伸、压缩性能无关，即 S 与 X 、Y 无关。 由于单层复合材料是复合材料的基础，故往往用它的性能来说明复合材料的性能。但应当指出：单层的性能不能替代实际使用的层合复合材料的性能。一般说，实际使用的层合复合材料性能要低于单向复合材料的纵向性能。复合材料的性能与材料中含有的纤维数量有很大的关系，所以在规定性能数据时，一般还应给定材料所含的纤维量，通常用纤维所占的体积百分比V来表示。V称为纤维体积分数或纤维体积含量，其值通常控制在60%左右。 三、复合材料结构的制造与成形工艺 （1）制造与成形工艺的分类、特点与适用范围 树脂基复合材料结构成形工艺方法多种多样，各有所长。工艺方法的分类见图各种工艺方法的特点与适用范围见表。
压电结构纤维及复合材料要点
[1]Brei D, Cannon B J. Piezoceramic hollow fiber active composites[J]. Composites Science and Technology, 2004, 64(2):245-261. 图1 中空压电纤维 一、背景介绍 一般压电纤维复合材料中的压电纤维为实心截面，当驱动该类压电复合材料时，电极放在基体表面，电场因需要穿透非导电基体因而其达到压电纤维时产生大的损耗，因而需要高的驱动电压。另外，该类复合材料的基体必须用不导电材料，这限制了其的应用范围。中空压电纤维复合材料可以降低驱动电压，并且基体材料选择广泛，可以涵盖不导电的环氧树脂和各类导电的金属材料。本文讨论了中空圆环形截面压电纤维的制造和应用，以及纤维和基体模量比、中空纤维壁厚与半径比及纤维体积分数对此类复合材料性能、制造及可靠性问题。 Thin-wall纤维最理想，但存在严重的可靠性问题。总之，对中空压电纤维复合材料，要同时考虑压电纤维品质、制造及可靠性问题。 空心压电纤维复合材料驱动用31模式，实心压电纤维复合材料用33模式。尽管31模式纵向应变比33模式小一半，但所需驱动电压仅需33模式的1/10或更少。 传统的制备技术可以制备出壁厚在压电材料晶粒尺寸量级的中空纤维，但是长度仅有10mm或更短。混合共挤技术可以制备100mm以上的空心纤维。
目前对中空压电纤维复合材料的研究大多限于利用短纤维的径向应变（水声听音设备），本文则研究利用纵向应变。目前对中空纤维的研究主要内容如下：(1)纤维壁内的电场分布(2)电场和应变之间的关系。本文主要研究(3)纤维和基体模量比、中空纤维壁厚与半径比及纤维体积分数对此类复合材料性能、制造及可靠性影响(4)中空纤维质量对复合材料制备和性能的影响。 二、单个纤维及层板的有效性质 中空纤维中的电场： tw E V /t = thin-wall approximation V E(r)r ln(1) -=--α 在这篇文献里没有提到这个公式是近似的，还用这个公式计算了各种厚度的中空纤维的电场，但在后面Lin 和Sodano 的文献中，似乎说为近似的。在一般情况，由该表达式电场内表面大外表面小，最大与最小差值随α增加而增大，这样在外表面达到极化时，内表面处材料有可能由于大的电场产生的应力而损坏。同样在驱动中空纤维时，在外表面难以达到最大工作电压。因此，α小的中空纤维是一个好的选择。 纤维有效31d ： F 31tw 31,eff tw d E d E ln(1)(1/0.5)-??ε== ?-αα-??，F 31,eff d 随着α的增加而降低，即薄壁中空纤维可以产生 高的应变。 单层有效31d ： F 31,eff f f L la min a tw 31,eff tw lam f f m f lam d Y E d E ,Y Y Y (1)Y ??νε===ν+-ν ? ??? 讨论：(1)纤维密度(纤维数/能放入的最大纤维数) 代替纤维体积分数，f f (2)?ν=-αα??，通 过计算发现，thin-wall 纤维虽然d31最高，但由于体积分数的限制，不能使单层达到最高的d31；thick-wall 纤维虽d31不及thin-wall ，但由于可以达到高的体积分数，因而层板的d31较大。(2)层板d31随基体模量增加而降低。最大基体模量由单个纤维能承受的嵌入应力决定，嵌入应力由制备过层中基体与纤维的热应变差别引起（两种材料热膨胀系数不匹配）。纤维的环向、轴向和V on Mises 应力由作者另一篇研究工作给出。研究表明：硬的基体容易导致纤维发生强度破坏，而软的环氧树脂基体容许各种α和f ν而不发生强度破坏。 三、中空纤维制备与评估：
ansys_复合材料分析
第五章复合材料 5.1 复合材料的相关概念 复合材料作为结构应用已有相当长的历史。在现代，复合材料构件已被大量应用于飞行器结构、汽车、体育器材及许多消费产品中。 复合材料由一种以上具有不同结构性质的材料构成，它的主要优点是具有很高的比刚度(刚度与重量之比)。在工程应用中，典型复合材料有纤维和叠层型材料，如玻璃纤维、玻璃环氧树脂、石墨环氧树脂、硼环氧树脂等。 ANSYS程序中提供一种特殊单元--层单元来模拟复合材料。利用这些单元就可以作任意的结构分析了(包括非线性如大挠度和应力刚化等问题)。对于热、磁、电场分析，目前尚未提供层单元。 5.2 建立复合材料模型 与铁或钢等各向同性材料相比，建立复合材料的模型要复杂一些。由于各层材料性能为任意正交各向异性，材料性能与材料主轴取向有关，在定义各层材料的材料性能和方向时要特别注意。本节主要探讨如下问题： 选择合适的单元类型； 定义材料层； 确定失效准则； 应遵循的建模和后处理规则。 5.2.1 选择合适的单元类型 用于建立复合材料模型的单元类型有SHELL99、SHELL91、SHELL181、SOLID46和SOLID191 五种单元。但 ANSYS/Professional 只能使用 SHELL99 和 SHELL46 单元。具体应选择哪一类单元要根据具体应用和所需计算结果类型等来确定。所有的层单元允许失效准则计算。 1、SHELL99--线性层状结构壳单元 SHELL99 是一种八节点三维壳单元，每个节点有六个自由度。该单元主要适用于薄到中等厚度的板和壳结构，一般要求宽厚比应大于10。对于宽厚比小于10的结构，则应考虑选用 SOLID46 来建立模型。SHELL99 允许有多达 250 层的等厚材料层，或者 125 层厚度在单元面内呈现双线性变化的不等材料层。如果材料层大于 250，用户可通过输入自己的材料矩阵形式来建立模型。还可以通过一个选项将单元节点偏置到结构的表层或底层。 2、SHELL91--非线性层状结构壳单元 SHELL91 与 SHELL99 有些类似，只是它允许复合材料最多只有 100 层，而且用户不能输入自己的材料性能矩阵。但是，SHELL91 支持塑性、大应变行为以
压电结构纤维及复合材料
压电结构纤维及复合材 料 Company Document number：WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998
[1]Brei D, Cannon B J. [J]. Composites Science and Technology, 2004, 64(2):245-261. 图1 中空压电纤维 一、背景介绍 一般压电纤维复合材料中的压电纤维为实心截面，当驱动该类压电复合材料时，电极放在基体表面，电场因需要穿透非导电基体因而其达到压电纤维时产生大的损耗，因而需要高的驱动电压。另外，该类复合材料的基体必须用不导电材料，这限制了其的应用范围。中空压电纤维复合材料可以降低驱动电压，并且基体材料选择广泛，可以涵盖不导电的环氧树脂和各类导电的金属材料。本文讨论了中空圆环形截面压电纤维的制造和应用，以及纤维和基体模量比、中空纤维壁厚与半径比及纤维体积分数对此类复合材料性能、制造及可靠性问题。 Thin-wall纤维最理想，但存在严重的可靠性问题。总之，对中空压电纤维复合材料，要同时考虑压电纤维品质、制造及可靠性问题。 空心压电纤维复合材料驱动用31模式，实心压电纤维复合材料用33模式。尽管31模式纵向应变比33模式小一半，但所需驱动电压仅需33模式的1/10或更少。 传统的制备技术可以制备出壁厚在压电材料晶粒尺寸量级的中空纤维，但是长度仅有10mm或更短。混合共挤技术可以制备100mm以上的空心纤维。 目前对中空压电纤维复合材料的研究大多限于利用短纤维的径向应变（水声听音设备），本文则研究利用纵向应变。目前对中空纤维的研究主要内容如下：(1)纤维壁内的电场分布(2)电场和应变之间的关系。本文主要研究(3)纤维和基体模量比、中空纤维壁厚与半径比及纤维体积分数对此类复合材料性能、制造及可靠性影响(4)中空纤维质量对复合材料制备和性能的影响。 二、单个纤维及层板的有效性质
-复合材料结构分析与成形原理
树脂基复合材料缠绕成型工艺的研究与应用 姓名：刘伟萍 (西北工业大学机电学院, 陕西西安710072) 摘要：随着我国航空事业的发展，先进材料方面的需求越来越急迫，复合材料各方面的 优秀性能使得它在飞机上的应用越来越广泛。现阶段我国在复合材料方面虽然取得了一 定进展，但在成型工艺方面与欧美等国家还存在一定差距。复合材料的成型工艺方法很 多，本文主要介绍了树脂复合材料缠绕成型工艺的特点、工艺流程、及现阶段还存在的 一些问题和相应的解决办法。 关键字：树脂基复合材料缠绕成型工艺流程 The Research and Application of Winding And Forming Process of Polymer Composites Abstract:With the development of Chinese aviation industry,the demand in the spects of advanced materials become more urgent.Because of the excellent properties of composites,it is applied more and more widely in the aircraft.Nowadays,China has made some progress in terms of composite materials ,But in terms of composites forming process,there is still a gap between China and westen developed countries like America and UN.There is A lot of methods in c omposites and winding forming process,this paper describes the characteristics、forming process of polimer composites,it also introduces some problems and corresponding solutions. Keyword:Polymer Composites Winding And Forming Process technological process 1 绪论 1.1复合材料的应用与研究 复合材料，是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。复合材料具有质量轻、比强度、比模量高，较好的延展性、抗腐蚀、隔热、隔音、耐高温、性能可设计性等特点，因此被大量用于航空航天等军事领域和民用领域，是制造飞机、火箭、航天飞行器等的理想材料。 在航空工业中，复合材料的应用越来越广泛，而且成为衡量飞机性能的重要参数。复合材料成型技术在应用过程中不断积累应用经验,提高技术水平, 完善