本書簡要介紹復合材料定義、分類、特性和應(yīng)用領(lǐng)域,闡述幾種常用高性能纖維如玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維等的物理、化學和力學性能及其主要應(yīng)用領(lǐng)域。以紡織結(jié)構(gòu)復合材料為研究對象,系統(tǒng)闡述增強體特別是三維結(jié)構(gòu)增強體的制備技術(shù)、樹脂基復合材料成型工藝及其對力學性能的影響、復合材料界面改性技術(shù)。研究紡織復合材料的強度特性及紡織結(jié)構(gòu)和增強體纖維束取向排列對復合材料力學性能的影響機理,分析復合材料力學性能的溫度效應(yīng)。同時,基于有限元數(shù)值模擬,研究紡織復合材料細觀尺度拉伸性能。 本書對讀者深入了解復合材料發(fā)展概況,熟練掌握樹脂基復合材料成型及固化工藝,熟悉復合材料試樣制備及測試、分析,特別是不同增強體結(jié)構(gòu)強度特性的比較,掌握紡織復合材料力學性能有限元建模及分析等方面有著重要的意義。 本書旨在為復合材料的研究及應(yīng)用提供理論指導和技術(shù)支持。可供從事復合材料研究的科研人員和企業(yè)工程技術(shù)人員、相關(guān)專業(yè)的師生參考。
復合材料的歷史可以追溯到古代,最早的漢長城就是利用稻草或麥秸增強黏土復合而成,隨著人類科技發(fā)展,復合材料的種類與功能也日益繁多。復合材料被認為是除金屬材料、無機非金屬材料和高分子材料之外的第四大類材料,它是金屬材料、無機非金屬材料和高分子材料等單一材料發(fā)展和應(yīng)用的必然結(jié)果。20世紀40年代,航空工藝的蓬勃發(fā)展,催生出了玻璃纖維增強復合材料,其后以碳纖維、石墨纖維和硼纖維等高模量纖維為增強體的復合材料登上舞臺,紡織復合材料的發(fā)展迎來新的篇章。
紡織復合材料是通過紡織的方法,將纖維束按照一定的交織規(guī)律,如機織、針織、編織和縫編等方法加工成二維或三維形式的紡織結(jié)構(gòu),使之成為柔性的、具有一定外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的纖維集合體,也稱為紡織預成形件,再與基體結(jié)合形成的復合材料,是現(xiàn)代紡織材料技術(shù)和復合材料技術(shù)的集成與創(chuàng)新,也稱做先進或高級復合材料。根據(jù)不同的紡織加工方法,紡織預成形件中的纖維取向和交織方式具有完全不同的特征,導致其所體現(xiàn)出的性能存在明顯的差異。紡織復合材料具有顯著的抵抗應(yīng)力集中、沖擊損傷和裂紋擴展的能力,而且還能實現(xiàn)復合材料結(jié)構(gòu)件的近凈體加工。近年來受到航空、航天、國防等領(lǐng)域的重視,成為國家防御、航空航天、能源環(huán)境、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域的重要基礎(chǔ)材料。
本專著研究內(nèi)容得到了國家自然科學基金(11462016,51765051)資助!本書共分為7個章節(jié):第1章系統(tǒng)概述了復合材料定義,特性及分類、幾種高性能纖維、環(huán)氧樹脂。第2章主要介紹了二維、三維紡織復合材料預制件織造技術(shù)。第三章主要闡述了幾種樹脂基復合材料成型工藝。第4章主要介紹了幾種復合材料界面改性機理。第5章詳細闡述了多軸向經(jīng)編和三維機織兩種立體織物制備的復合材料的準靜態(tài)力學性能、疲勞特性。第6章分析了溫度對復合材料力學性能的影響規(guī)律。最后的第7章是基于細觀尺度建立雙軸向經(jīng)編和三維機織復合材料有限元模型,數(shù)值模擬了其拉伸特性。本書旨在為復合材料的研究及應(yīng)用提供理論指導和技術(shù)支持,促進復合材料的廣泛應(yīng)用。本書可為從事復合材料技術(shù)研究的科研人員和企業(yè)工程技術(shù)人員提供參考。
本專著內(nèi)容是作者基于近年來所指導研究生李丹曦,王欣欣,馬亞運,陶楠楠,楊曉日,王聰?shù)葘W生所取得的理論及實驗成果所撰寫的。在著作的撰寫、編輯中,得到了陶楠楠,楊曉日,王聰及劉策等學生的協(xié)助,一并致以謝意!
學無止境,書中有不妥之處懇請讀者和專家批評指正。
高曉平 博士,教授,博士研究生導師。入選內(nèi)蒙古“草原英才”青年創(chuàng)新人才, 內(nèi)蒙古新世紀“321”人才,內(nèi)蒙古工業(yè)大學中青年骨干計劃。擔任中國紡織工業(yè)聯(lián)合會“風電葉片用紡織復合材料”重點實驗室主任,內(nèi)蒙古工業(yè)大學“先進紡織復合材料”重點學科團隊負責人。指導研究生分獲中國紡織工程學會優(yōu)秀碩士學位論文和內(nèi)蒙古自治區(qū)優(yōu)秀碩士學位論文。主要研究方向為風電葉片用紡織結(jié)構(gòu)復合材料制備及性能研究,紡織結(jié)構(gòu)復合材料界面改性技術(shù)研究。近5年來,主持國家自然科學基金2項,。▍^(qū))部級項目3項。發(fā)表學術(shù)論文50余篇,其中SCI收錄18篇,EI收錄4篇。申請發(fā)明專利3件,授權(quán)實用新型專利4件。
第一章 復合材料概述
第一節(jié) 復合材料定義、分類及特性
1.1 復合材料定義
1.2 復合材料分類
1.3 復合材料的特性
第二節(jié) 增強材料
2.1 增強材料分類
2.2 增強材料的性能
2.3 玻璃纖維
2.4 碳纖維
2.5 高強高模聚乙烯纖維
2.6 芳綸纖維
第三節(jié) 樹脂基體
3.1 基體概述
3.2 基體的種類
3.3 基體的作用
第二章 紡織復合材料預制件成型
第一節(jié) 紡織復合材料
1.1 概述
1.2 復合材料結(jié)構(gòu)
1.3 復合材料性能
1.4 紡織結(jié)構(gòu)預成型件
第二節(jié) 二維紡織預成型件制備技術(shù)
2.1 機織技術(shù)
二維織物制作層壓復合材料,可用于賽車、賽艇上。在汽車以中、高速行駛時,這種壓力不會使汽車殼體產(chǎn)生變形或變形極小,而賽車在超高速行駛時,殼體的變形則不容忽視,它會改變車體的流線型外形,增加空氣阻力。2.2 編織技術(shù)
2.3 針織技術(shù)
第三節(jié) 三維紡織預成型件制備技術(shù)
3.1 機織技術(shù)
3.2 編織技術(shù)
3.3 針織技術(shù)
3.4 縫編技術(shù)
第三章 樹脂基復合材料成型工藝
第一節(jié) 手糊成型工藝
1.1 概述
1.2 特點
1.3 原材料的選擇
1.4 手糊成型工藝過程
第二節(jié) 噴射成型工藝
2.1 概述
2.2 噴射成型工藝控制
2.3 噴射成型設(shè)備
第三節(jié) 模壓成型工藝
3.1 概述
3.2 特點
3.3 模壓成型工藝分類
3.4 模壓料
3.5 層壓成型工藝
3.6 SMC成型工藝
第四節(jié) 纏繞成型工藝
4.1 概述
4.2 分類
4.3 特點
4.4 原材料
4.5 應(yīng)用范圍及發(fā)展
第五節(jié) 拉擠成型工藝
5.1 概述
5.2 特點
5.3 原材料
5.4 主要應(yīng)用領(lǐng)域
第六節(jié) 液體模塑成型工藝
6.1 樹脂傳遞模塑
6.2 真空輔助樹脂傳遞模塑
6.3 樹脂膜滲透工藝
6.4 西曼樹脂浸漬模塑
第四章 復合材料界面改性
第一節(jié) 改性前處理
1.1 熱處理
1.2 溶劑浸泡處理
1.3 酸堿刻蝕處理
第二節(jié) 等離子體改性織物
2.1 等離子體處理
2.2 改性效果分析
第三節(jié) 硅烷偶聯(lián)劑改性對復合材料力學性能的影響
3.1 硅烷偶聯(lián)劑水溶液處理
3.2 最優(yōu)化硅烷偶聯(lián)劑質(zhì)量分數(shù)確定
3.3 彎曲性能分析
3.4 改性效果分析
第四節(jié) 納米粒子改性對復合材料力學性能的影響
4.1 納米粘土改性環(huán)氧樹脂
4.2 改性效果分析
4.3 拉伸性能測試
4.4 彎曲性能測試
4.5 壓縮性能測試
第五章 紡織復合材料動態(tài)力學性能
第一節(jié) 多軸向經(jīng)編復合材料拉-拉疲勞性能
1.1 試樣制備及實驗測試
1.2 拉-拉疲勞性能分析
1.3 拉-拉疲勞剩余強度測試
第二節(jié) 三維正交機織物彎曲疲勞性能
2.1 試樣制備及實驗測試
2.2 彎曲疲勞性能分析
2.3 彎曲疲勞剩余強度測試
第六章 復合材料力學性能的溫度效應(yīng)
第一節(jié) 材料準備及試樣制備
1.1 材料準備
1.2 試樣制備
第二節(jié) 拉伸性能
2.1 實驗方法
2.2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線
2.3 拉伸性能對比
2.4 非線性擬合曲線
2.5 失效形態(tài)分析
第三節(jié) 彎曲性能
3.1 實驗方法
3.2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線
3.3 彎曲性能對比
3.4 非線性擬合曲線
3.5 失效形態(tài)分析
第四節(jié) 壓縮性能
4.1 實驗方法
4.2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線
4.3 壓縮性能對比
4.4 非線性擬合曲線
4.5 失效形態(tài)分析
第七章 紡織復合復合材料有限元模擬
第一節(jié) 雙軸向經(jīng)編復合材料拉伸性能有限元模擬
1.1 雙軸向經(jīng)編復合材料細觀模型簡化
1.2 FE模型建立
1.3 單向復合材料彈性參數(shù)的確定
1.4 材料參數(shù)
1.5 有限元模擬過程
1.6 求解及數(shù)據(jù)后處理
第二節(jié) 四軸向經(jīng)編復合材料拉伸性能溫度效應(yīng)有限元模擬
2.1 建立幾何模型
2.2 拉伸性能模擬
2.3 拉伸模擬分析
2.4 四軸向經(jīng)編復合材料宏觀拉伸試樣模擬
2.5 結(jié)果分析
第三節(jié) 三維正交機織復合材料拉伸性能有限元模擬
3.1 軟件分析平臺
3.2 構(gòu)建幾何模型
3.3 材料屬性模型
3.4 材料損傷準則
3.5 拉伸性能模擬
3.6 拉伸模擬分析
參考文獻