復合材料原理主講人：陳剛江蘇大學材料學院1復合材料原理主講人：陳剛1第九章材料復合新技術9.1原位復合技術9.2自蔓延復合技術9.3梯度復合技術9.4其它復合新技術2第九章材料復合新技術9.1原位復合技術2思考題1、請闡述原位復合技術的優缺點。(增強相熱力學穩定，易實現近凈成型，界面無污染、結合良好；體系受到限制，反應過程及產物控制待完善)2、結合復合材料的開發，談談你認為具有發展前途的新型復合技術。（原材料來源廣，工藝簡單，復合材料結構、性能可靠）3思考題1、請闡述原位復合技術的優缺點。3第十章復合材料可靠性與無損評價10.1復合材料可靠性問題10.2從組分材料入手提高可靠性10.3從控制工藝質量提高可靠性10.4環境條件下的可靠性評價10.5復合材料的無損檢測方法10.6質量評價與監控4第十章復合材料可靠性與無損評價10.1復合材料可靠性10.1復合材料可靠性問題復合材料涉及三個大的方面：合理的結構、優質的原材料和先進的工藝。在生產和使用中，我們關心：復合材料的工藝性能、復合材料的宏觀力學性能、復合材料的環境性能。但是，如何對復合材料的性能進行評價？510.1復合材料可靠性問題復合材料涉及三個大的方面：合理結構的可靠度可靠度是指系統或者部件在給定的使用時間內和給定的條件下，能夠順利完成原設計性能的概率或者能夠正常工作的能力。復合材料的可靠度可以表示為 R=P（L<S） 式中：R為可靠度，P為概率，L為廣義應力，S為廣義強度。6結構的可靠度可靠度是指系統或者部件在給定的使用時間內和給定3）材料結構的可設計性。可靠性控制的復雜性2）材料、結構、工藝的同步性。1）組分材料的多重性。73）材料結構的可設計性。可靠性控制的復雜性2）材料、結構、工圖1海上風力發電機及其葉片結構8圖1海上風力發電機及其葉片結構8圖2風力發電機結構示意圖9圖2風力發電機結構示意圖9圖3風力發電機10圖3風力發電機10復合材料可靠性存在的問題1）材料特性知識的缺乏2）材料性能的分散性3）制備工藝的不穩定性4）試驗方法的不完善5）統計數據的不足6）對隨時間變化的規律掌握不夠7）材料的綜合評價等11復合材料可靠性存在的問題11Fig.4SEMmicrographsshowingwell-alignedrod-likemicrostructureoftheNiAl–Moeutecticalloy

directionallysolidi?edat40mm/h12Fig.4SEMmicrographsshowing復合材料的可靠性包括三個方面的內容：1）復合材料的性能穩定性——性能均一性。2）復合材料的耐久性——使用壽命。3）突發條件下的許用值。13復合材料的可靠性包括三個方面的內容：13纖維增強樹脂復合材料FRP在航空、航天及船舶等領域有廣泛應用，潮濕空氣、水介質、海洋氣氛、航空燃油等環境對復合材料性能的影響日益受到人們的重視。研究表明，復合材料的性能變化是由基體溶脹塑化、界面脫粘以及基體、界面的形貌變化引起，但沒有化學反應。14纖維增強樹脂復合材料FRP在航空、航天及船舶等領域有廣泛圖5A380應用復合材料示意圖15圖5A380應用復合材料示意圖15圖6復合材料儲罐及氣瓶16圖6復合材料儲罐及氣瓶1610.2從組分材料入手提高可靠性基體、增強體、界面是復合材料的三大組成部分，其中增強體包括纖維、晶須和顆粒。組分材料對復合材料的性能穩定性有非常大的影響。從力學性能來看，通常情況下，復合材料性能的分散性遠大于單一材料。1710.2從組分材料入手提高可靠性基體、增強體、界面是復合復合材料性能的分散性影響復合材料性能的因素，除了組分材料、復合工藝外，還有試驗或使用環境。通常用概率密度函數來表征復合材料性能的分散性。其中，概率密度函數的形狀系數α是一個非常重要的參數，反映了數據分布的分散性，α越大，表示分散性越小。18復合材料性能的分散性影響復合材料性能的因素，除了組分材料、復斷裂韌性KIC(MPa.m1/2)SiCw含量（vol%）

彎曲強度f(MPa)SiCw含量（vol%）圖7SiCw增強ZrO2(Y2O3)復合材料的力學性能19斷裂韌性KIC(MPa.m1/2)SiCw含量（vol%）SiCw含量（vol%）

彎曲強度f(MPa)SiCw含量（vol%）斷裂韌性KIC(MPa.m1/2)圖8SiCw增強Al2O3復合材料的力學性能20SiCw含量（vol%）彎曲強度f(MPa)SiCw含量纖維拉伸強度的分散性纖維增強復合材料是一類重要的復合材料，其中纖維是主要承載者，其質量直接影響復合材料性能的穩定性。纖維質量主要指直徑的均勻性、缺陷的概率、批次的重復性以及纖維表面狀態的同一性。纖維可能存在的質量問題，通常由纖維絲束強度的分散性反映出來。21纖維拉伸強度的分散性纖維增強復合材料是一類重要的復合材料，其表1幾種纖維材料和金屬材料的強度22表1幾種纖維材料和金屬材料的強度22表2玻璃纖維拉伸強度與直徑的關系23表2玻璃纖維拉伸強度與直徑的關系23表3玻璃纖維拉伸強度與纖維長度的關系24表3玻璃纖維拉伸強度與纖維長度的關系24基體對復合材料性能穩定性的影響基體在復合材料中主要起粘結增強體、支撐增強體和傳遞載荷的作用。復合材料的耐熱、耐腐蝕性能以及電性能等主要取決于基體材料。各種各樣的基體材料，也存在著質量的穩定性與可重復性等問題。基體材料的配比、生產和處理工藝等都將影響基體材料的性能，從而影響復合材料性能的穩定性。25基體對復合材料性能穩定性的影響基體在復合材料中主要起粘結增強圖9噴射成型過程示意圖

26圖9噴射成型過程示意圖26從組分入手，應從以下幾方面進行控制：1）增強體的均勻性，如纖維直徑以及內部結構的均勻性。2）增強體的缺陷，包括表面和內部缺陷。3）增強體的表面狀態，表面處理或受污染情況。4）基體組分質量的穩定性與可重復性。5）基體材料的配比、生產與處理工藝等。6）基體材料及其組分，如樹脂的有效期。27從組分入手，應從以下幾方面進行控制：2710.3從控制工藝質量提高可靠性復合材料成型工藝直接影響復合材料構件的性能，很多復合材料的成型過程也是構件的成型過程。復合材料的種類千差萬別，制備工藝也不盡相同。以樹脂基復合材料為例，從缺陷控制和工藝改進等方面進行簡要的分析。2810.3從控制工藝質量提高可靠性復合材料成型工藝直接影響影響復合材料性能的工藝因素膠液配制問題：配比、次序、混合等。預浸料制備過程中纖維張力、膠液濃度和浸膠速度等問題。鋪層問題：角度、層數、次序以及場所等。溫度因素：固化溫度、溫度分布、升溫速率。壓力影響：壓力大小和加壓時間。時間影響：固化時間等。29影響復合材料性能的工藝因素膠液配制問題：配比、次序、混合等。復合材料中的缺陷氣泡脫粘分層雜質樹脂偏差纖維偏差疏松針孔等30復合材料中的缺陷氣泡30圖10復合材料的界面脫粘SEM照片31圖10復合材料的界面脫粘SEM照片31固化工藝的實時監控固化工藝的實時監控，是對復合材料固化過程中樹脂體系的固化反應過程的現場跟蹤，并由此獲得最佳加壓條件和固化溫度的一種技術方法。利用傳感器測出溫度、黏度、模量、官能團等的變化情況，并將其轉換成電信號傳輸給計算機，與固化模型不斷進行比較，以不斷調整固化溫度和壓力等工藝參數。32固化工藝的實時監控固化工藝的實時監控，是對復合材料固化過程中圖11熱電偶及位移傳感器33圖11熱電偶及位移傳感器33傳感技術與計算機技術相結合，可以實現計算機輔助設計及制造（CAD/CAM）。溫度數據可以為充模時間等提供依據，達到調節和控制成型過程的目的。壓力數據將為模具的合模力、材料的選擇等提供依據。34傳感技術與計算機技術相結合，可以實現計算機輔助設計及制造（CRTM工藝對復合材料可靠性的影響RTM（Resintransfermolding)工藝是一種具有很好應用前景的復合材料成型工藝。其基本過程是：預成型體（模具）——閉合模具——注射樹脂——浸潤與滲透——固化成型——開模取件。織物預成型體、樹脂基體的特性、注射壓力、模具結構等均可能對復合材料的可靠性產生影響。35RTM工藝對復合材料可靠性的影響RTM（Resintran計算機模擬仿真在可靠性控制中的應用一個優化問題由三方面組成：1)目標函數，2)約束條件，3)優化算法。如層合板結構的可靠性優化研究，以纖維方向角和層合板厚度為設計變量，系統可靠性指標最大為目標函數，結構的總厚度一定為約束條件。遺傳算法在尋優的過程中，不需要計算目標函數對各設計變量的導數，這使得基于最終層失效的結構可靠性優化成為可能。36計算機模擬仿真在可靠性控制中的應用一個優化問題由三方面組成：圖最優解βs與載荷比k的關系37圖最優解βs與載荷比k的關系37采用遺傳算法分析復合材料層合板結構基于最終層失效理論的可靠性優化問題，系統可靠性的計算分別基于首層失效理論和最終層失效理論。在結構總厚度一定的條件下，優化纖維方向角和每個單層板的厚度，使系統可靠度達到最大。最終層失效時系統可靠度較首層失效時有較大提高，為結構設計時充分利用材料性能提供了理論依據。38采用遺傳算法分析復合材料層合板結構基于最終層失效理論的可靠性第十章復合材料可靠性與無損評價10.1復合材料可靠性問題10.2從組分材料入手提高可靠性10.3從控制工藝質量提高可靠性10.4環境條件下的可靠性評價10.5復合材料的無損檢測方法10.6質量評價與監控39第十章復合材料可靠性與無損評價10.1復合材料可靠性思考題1、復合材料可靠性的主要問題有哪些，請舉例對其中一個問題進行說明。2、試闡述從控制工藝質量提高復合材料可靠性有哪些具體的措施。40思考題1、復合材料可靠性的主要問題有哪些，請舉例對其中一個問4141復合材料原理主講人：陳剛江蘇大學材料學院42復合材料原理主講人：陳剛1第九章材料復合新技術9.1原位復合技術9.2自蔓延復合技術9.3梯度復合技術9.4其它復合新技術43第九章材料復合新技術9.1原位復合技術2思考題1、請闡述原位復合技術的優缺點。(增強相熱力學穩定，易實現近凈成型，界面無污染、結合良好；體系受到限制，反應過程及產物控制待完善)2、結合復合材料的開發，談談你認為具有發展前途的新型復合技術。（原材料來源廣，工藝簡單，復合材料結構、性能可靠）44思考題1、請闡述原位復合技術的優缺點。3第十章復合材料可靠性與無損評價10.1復合材料可靠性問題10.2從組分材料入手提高可靠性10.3從控制工藝質量提高可靠性10.4環境條件下的可靠性評價10.5復合材料的無損檢測方法10.6質量評價與監控45第十章復合材料可靠性與無損評價10.1復合材料可靠性10.1復合材料可靠性問題復合材料涉及三個大的方面：合理的結構、優質的原材料和先進的工藝。在生產和使用中，我們關心：復合材料的工藝性能、復合材料的宏觀力學性能、復合材料的環境性能。但是，如何對復合材料的性能進行評價？4610.1復合材料可靠性問題復合材料涉及三個大的方面：合理結構的可靠度可靠度是指系統或者部件在給定的使用時間內和給定的條件下，能夠順利完成原設計性能的概率或者能夠正常工作的能力。復合材料的可靠度可以表示為 R=P（L<S） 式中：R為可靠度，P為概率，L為廣義應力，S為廣義強度。47結構的可靠度可靠度是指系統或者部件在給定的使用時間內和給定3）材料結構的可設計性。可靠性控制的復雜性2）材料、結構、工藝的同步性。1）組分材料的多重性。483）材料結構的可設計性。可靠性控制的復雜性2）材料、結構、工圖1海上風力發電機及其葉片結構49圖1海上風力發電機及其葉片結構8圖2風力發電機結構示意圖50圖2風力發電機結構示意圖9圖3風力發電機51圖3風力發電機10復合材料可靠性存在的問題1）材料特性知識的缺乏2）材料性能的分散性3）制備工藝的不穩定性4）試驗方法的不完善5）統計數據的不足6）對隨時間變化的規律掌握不夠7）材料的綜合評價等52復合材料可靠性存在的問題11Fig.4SEMmicrographsshowingwell-alignedrod-likemicrostructureoftheNiAl–Moeutecticalloy

directionallysolidi?edat40mm/h53Fig.4SEMmicrographsshowing復合材料的可靠性包括三個方面的內容：1）復合材料的性能穩定性——性能均一性。2）復合材料的耐久性——使用壽命。3）突發條件下的許用值。54復合材料的可靠性包括三個方面的內容：13纖維增強樹脂復合材料FRP在航空、航天及船舶等領域有廣泛應用，潮濕空氣、水介質、海洋氣氛、航空燃油等環境對復合材料性能的影響日益受到人們的重視。研究表明，復合材料的性能變化是由基體溶脹塑化、界面脫粘以及基體、界面的形貌變化引起，但沒有化學反應。55纖維增強樹脂復合材料FRP在航空、航天及船舶等領域有廣泛圖5A380應用復合材料示意圖56圖5A380應用復合材料示意圖15圖6復合材料儲罐及氣瓶57圖6復合材料儲罐及氣瓶1610.2從組分材料入手提高可靠性基體、增強體、界面是復合材料的三大組成部分，其中增強體包括纖維、晶須和顆粒。組分材料對復合材料的性能穩定性有非常大的影響。從力學性能來看，通常情況下，復合材料性能的分散性遠大于單一材料。5810.2從組分材料入手提高可靠性基體、增強體、界面是復合復合材料性能的分散性影響復合材料性能的因素，除了組分材料、復合工藝外，還有試驗或使用環境。通常用概率密度函數來表征復合材料性能的分散性。其中，概率密度函數的形狀系數α是一個非常重要的參數，反映了數據分布的分散性，α越大，表示分散性越小。59復合材料性能的分散性影響復合材料性能的因素，除了組分材料、復斷裂韌性KIC(MPa.m1/2)SiCw含量（vol%）

彎曲強度f(MPa)SiCw含量（vol%）圖7SiCw增強ZrO2(Y2O3)復合材料的力學性能60斷裂韌性KIC(MPa.m1/2)SiCw含量（vol%）SiCw含量（vol%）

彎曲強度f(MPa)SiCw含量（vol%）斷裂韌性KIC(MPa.m1/2)圖8SiCw增強Al2O3復合材料的力學性能61SiCw含量（vol%）彎曲強度f(MPa)SiCw含量纖維拉伸強度的分散性纖維增強復合材料是一類重要的復合材料，其中纖維是主要承載者，其質量直接影響復合材料性能的穩定性。纖維質量主要指直徑的均勻性、缺陷的概率、批次的重復性以及纖維表面狀態的同一性。纖維可能存在的質量問題，通常由纖維絲束強度的分散性反映出來。62纖維拉伸強度的分散性纖維增強復合材料是一類重要的復合材料，其表1幾種纖維材料和金屬材料的強度63表1幾種纖維材料和金屬材料的強度22表2玻璃纖維拉伸強度與直徑的關系64表2玻璃纖維拉伸強度與直徑的關系23表3玻璃纖維拉伸強度與纖維長度的關系65表3玻璃纖維拉伸強度與纖維長度的關系24基體對復合材料性能穩定性的影響基體在復合材料中主要起粘結增強體、支撐增強體和傳遞載荷的作用。復合材料的耐熱、耐腐蝕性能以及電性能等主要取決于基體材料。各種各樣的基體材料，也存在著質量的穩定性與可重復性等問題。基體材料的配比、生產和處理工藝等都將影響基體材料的性能，從而影響復合材料性能的穩定性。66基體對復合材料性能穩定性的影響基體在復合材料中主要起粘結增強圖9噴射成型過程示意圖

67圖9噴射成型過程示意圖26從組分入手，應從以下幾方面進行控制：1）增強體的均勻性，如纖維直徑以及內部結構的均勻性。2）增強體的缺陷，包括表面和內部缺陷。3）增強體的表面狀態，表面處理或受污染情況。4）基體組分質量的穩定性與可重復性。5）基體材料的配比、生產與處理工藝等。6）基體材料及其組分，如樹脂的有效期。68從組分入手，應從以下幾方面進行控制：2710.3從控制工藝質量提高可靠性復合材料成型工藝直接影響復合材料構件的性能，很多復合材料的成型過程也是構件的成型過程。復合材料的種類千差萬別，制備工藝也不盡相同。以樹脂基復合材料為例，從缺陷控制和工藝改進等方面進行簡要的分析。6910.3從控制工藝質量提高可靠性復合材料成型工藝直接影響影響復合材料性能的工藝因素膠液配制問題：配比、次序、混合等。預浸料制備過程中纖維張力、膠液濃度和浸膠速度等問題。鋪層問題：角度、層數、次序以及場所等。溫度因素：固化溫度、溫度分布、升溫速率。壓力影響：壓力大小和加壓時間。時間影響：固化時間等。70影響復合材料性能的工藝因素膠液配制問題：配比、次序、混合等。復合材料中的缺陷氣泡脫粘分層雜質樹脂偏差纖維偏差疏松針孔等71復合材料中的缺陷氣泡30圖10復合材料的界面脫粘SEM照片72圖10復合材料的界面脫粘SEM照片31固化工藝的實時監控固化工藝的實時監控，是對復合材料固化過程中樹脂體系的固化反應過程的現場跟蹤，并由此獲得最佳加壓條件和固化溫度的一種技術方法。利用傳感器測出溫度、黏度、模量、官能團等的變化情況，并將其轉換成電信號傳輸給計算機，與固化模型不斷進行比較，以不斷調整固化溫度和壓力等工藝參數。73固化工藝的實時監控固化工藝的實時監控，是對復合材料固化過程中圖11熱電偶及位移傳感器74圖11熱電偶及位移傳感器33傳感技術與計算機技術相結合，可以實現計算機輔助設計及制造（CAD/CAM）。溫度數據可以為充模時間等提供依據，達到調節和控制成型過程的目的。壓力數據將為模具的合模力、材料的選擇等提供依據。75傳感技術與計算機技術相結合，可以實現計算機輔助設計及制造（C