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1、第六节 混杂纤维增强的复合材料,一、概述 1混杂纤维增强复合材料的含义与特点 理想的结构材料，要求它们受载后开始有较高的模量，随之达到较高的屈服极限，铕在承载能力稍有降低的情况下持续到一定应变量后破坏，这样的结构材料，可以通过不同断裂应变的纤维混杂，制成混杂纤维复合材料实现。,混杂纤维复合材料从广义上讲，包括的类型非常广。就基体而言，可以民树脂基体，也可以是各种树脂聚合物混合基体、金属基体以及各种陶瓷、玻璃等非金属基体。而从增强材料来说，可以是两种连续纤维单向增强，也可以是两种纤维混杂编织、两种短纤维混杂增强、两种粒子混杂增强以及纤维与粒子混杂增强。,在这一部分，我们介绍的混杂纤维增强复合材料
2、是指两种或两种以上的连续纤维增强同一种树脂基体的复合材料。这种复合材料，除具有一般复合材料特点外，还具有一些新的性能，使用范围更广。混杂纤维复合材料有下列几个特点：,（1）结构设计与材料设计的统一性。混杂纤维复合材料可以根据结构的使用性能要求，通过不同类型纤维、不同纤维的相对量、不同的混杂方式进行设计。在混杂纤维复合材料设计中，结构设计与材料设计的统一更为突出，结构设计本身包含着材料设计。,(2) 扩大构件设计自由度与工艺实现的可能 性。由于混杂复合材料构件工艺实现的可能性超过单一纤维复合材料，相应又扩大了构件的设计自由度，从而使 混杂纤维复合材料构件的设计自由度进一步扩大。,(3) 提高与改
3、善复合材料的某些性能。通过两种或多种纤维，两种或多种树脂基体混杂复合，依据组分的不同、含量不同、复合结构类型不同可得到不同的混合复合材料，以提高或改善复合材料的某些性能。如采用玻璃纤维与碳纤维混杂，可改善碳纤维复合材料冲击强度低，易出现脆性破坏的现象。一般而言，加15的玻璃纤维，冲击强度可提高23倍。,(4)降低制品成本。采用混杂纤维复合材料，由于复合材料的性能得到改善，从而在性能允许的情况下，可用价格低的纤维取代部分 高价纤维，从而降低制品成本。,2混杂纤维复合材料组分 混杂纤维复合材料的组分和普通复合材料的组分相似，树脂基体一般由合成树脂与各种助剂组成基体体系。常用的树脂有环氧树脂、双马来
4、酰亚胺树脂、热塑性树脂等。,复合材料的力学性能主要来自增强纤维。混杂纤维增强复合材料的增强纤维使用最多的是碳纤维、玻璃纤维、凯夫拉纤维等纤维的组合。,3混杂复合材料研究的重要意义 其意义在于： （1）节约成本，通过采用便宜的玻璃纤维取代昂贵的碳纤维来降低成本； （2）通过对所用纤维及其体积含量的优化选择，从而达到较宽范围的物理和机械性能； ( 3 )可以得到独特的单项或组合的性质，这是只用单一类型纤维所不易得到的。,4混杂纤维复合材料的应用 混杂纤维复合材料是复合材料大家族中的优秀代表。它除了具有一般复合材料的特点外，还有其他复合材料不可与之相比的许多独有的特点。,混杂复合材料在70年代初开发
5、以来，一直受到人们的普遍重视。在短短的十多年间，混杂复合材料无论作为结构材料还是作为功能材料，不仅已广泛地应用于航空航天工业、汽车工业、船舶工业等领域，而且还作为优良的建筑材料、体育用品材料、医疗卫生材料等被广泛地采用。,大量的事实证明，混杂复合材料在应用中不仅可方便地满足设计性能上的要求，而且还可以降低产品成本，减轻产品质量，延长产品寿命，提高经济效益。,（1）从降低复合材料的价格来说，将碳纤维复合材料和玻璃纤维复合材料混杂做成混杂复合材料，材料成本较低，可明显提高断裂韧性，也可改善机械加工（如钻孔等）性能。 （2）从提高玻璃钢的刚度和抗疲劳强度来说，将玻璃纤维复合材料和碳纤维复合材料混杂做
6、成混杂复合材料，效果较好，可以大幅度地提高弯曲强度（把碳纤维铺高在外侧）和明显提高抗疲劳强度（相对于玻璃钢而言）.,（3）从减轻结构质量、提高断裂韧性来说，将碳纤维复合材料和Kevlar49增强复合材料混杂，效果较好。因为Kevlar纤维的密度较小，其弹性模量比玻璃纤维约大一倍，因此可提高结构的效能，也可提高断裂韧性和材料的阻尼。所以，在航空上常用中强度碳纤维和Kevlar49纤维混杂的复合材料。,（4）从提高Kevlar纤维复合材料的压缩强度来说，应和碳纤维复合材料或轻金属（例如铝合金和钛合金）混杂铺层做成混杂复合材料，还可以提高刚度（相对于Kevlar纤维复合材料而言）。,（5）按照纤维发
7、展的趋势，拉伸强度可得到很大的提高。由于纤维在基体中的局部屈曲与弯折，压缩强度不可能得到明显的提高，因此与抗压缩性能很好的硼纤维及其他纤维复合做成混杂复合材料，是一种比较有效的方法。硼纤维很贵，所以一般很少用于混杂复合材料，但在上述情况下使用硼纤维，可能是合适的而且是有效的。对于硼纤维和其他抗压强度高的纤维的生产，应给予适当的重视。,（6）在给定比例比较合理的低延伸率纤维（例如碳纤维和硼纤维）和高延伸率纤维（例如玻璃纤维和Kevlar纤维）的情况下，若主要关心的是提高混杂复合材料的弯曲刚度，则应该把低延伸率的纤维铺设在外边，采用夹层混杂的形式。如果主要关心的是提高低延伸率纤维的平均断裂应变，则
8、以层内混杂和按层混杂为好，低延伸率纤维在高延伸率纤维中的分散度越大越好。,（7）玻璃纤维和Kevlar纤维都具有很高的强度和相当大的延伸率，但Kevlar纤维的模量要高一倍左右，抗疲劳性能也比玻璃纤维复合材料要好得多，在作内压容器时，往往有铝材做降低局部应力，明显提高疲劳寿命。 （8）采用织物复合材料和单向复合材料混杂，在制造有曲率的部件时工艺性能较好。,（9）在打孔和有缺口的部分，若采用一部分高延伸率的纤维以取代低延伸率的纤维，则可以减小应力集中系数，并提高结构部件的抗疲劳强度和承载能力。 （10）短纤维复合材料的性能总是比同类长纤维复合材料在纤维方向的性能差，在制造短纤维片状模塑料的过程中
9、，在两表面贴上很薄的单向复合材料层片或双向复合材料织布，则有利于提高强度和刚度。,（11）为了特殊的要求，可采用特殊的混杂复合材料，使纤维增强复合材料（例如Kevlar0复合材料预浸片）和金属材料（例如铝合金和钛合金）复合成混杂复合材料，就可以具备金属复合材料的某些特性，,但使用温度较低，如果采用高温的树脂以取代环氧树脂，则这种混杂复合材料的高温性能就比纤维增强树脂基复合材料要高些，吸湿问题也将大为减轻，导电和导热性能则大大改善，抗压强度也能有所提高。在高温条件下，采用金属基复合材料、陶瓷基复合材料和耐高温的树脂基体复合材料做成超混杂的层状复合材料，也是很有发展前途的。,(12)在使用复合材料
10、时，在绝大多数情况下，特别是正常使用的情况下，对于许用应变都有一定的限制，比如说受拉时不得超过0.0350.040，受压时不得超过0.00300.0035（这些数值已比波音公司规定的许用应变要高些）。,所以高延伸率复合材料，例如玻璃钢和Kevlar纤维复合材料在单一使用时，由于其模量较低（相对于碳纤维复合材料而言），只能用到拉伸强度的一小部分（1025），虽然安全可可靠，但大部分强度潜力得不到充分的发挥。碳张弹性模量较高，但是延伸率较低，抗冲击性能和断裂韧性较差是其主要缺点，单独使用时，其可靠性较差，且价格较贵。,所以，混杂使用，取高、低延伸率纤维之所长以弥补其所短是取合适的。即使在混杂复合材
11、料中的低延伸率纤维发生少量断裂成为短纤维，基本上仍能发挥作用，况且，断裂应变很小的高模量碳纤维，其极限拉伸应变也可以达到和超过上面提到的许用应变值，对于混杂复合材料，在作分析比较沓，如果只考虑两种单一材料的拉伸强度，而不考虑弹性模量的差别和许用应变应该基本相同等方面；只知其有利方面而不知其不利方面，也是不够全面的。,但基体对于混杂复合材料也是十分重要的。复合材料的许用应变是由基体的延伸决定的，改进基体的断裂应变和断裂韧性，有利于提高混杂复合材料的性能。从混杂的意义上说，可以采用两种树脂基体，但某层采用某种树脂基体视需要而定。如果采用混杂树脂作为基体材料，属改良树脂。,二、混杂纤维增强复合材料的
12、混杂方式 能够广泛工满足设计与结构形式的需要，是混杂纤维复合材料的一个优异特性。它不仅来源于参与混杂的纤维种类、性能和基体，而且更多的是采用不同的混杂方式，根据制作结构的需要进行铺层来实现。 混杂复合材料的混杂方式大体可分为6种类型。,1单向混杂纤维复合材料的混杂类型 单向混杂纤维复合材料是通过预浸料沿一个方向的铺层来实现的。但是其铺层方式（纤维分散情况）可以是不同的，因而又可分为层内混杂、层间混杂和夹芯混杂，通常又分别称之为A型、B型和C型混杂，如图4-23所示。 （1）层内混杂复合材料A型，由两种纤维按一定的混杂比均匀地分散在同一基体中而构成的复合材料。 （2）层间混杂复合材料B型，由两种
13、不同的单纤维复合材料层以不同的比例及方式交替地铺迭在一起所构成的复合材料。,（3）夹芯结构C型，通常是由一种普通纤维增强复合材料作为芯层（core），另一种高性能纤维增强复合材料作为表层（shell）所构成的复合材料。在力学分析中可以看成是一种结构。 （4）层内/层间混杂复合材料AB型，由A型和B型两种结构形式迭加而成。如图AB型所示。,除上述几种典型的混杂类型外，还有随机分布的短纤维混杂方式。图中D型为短纤维混杂复合材料示意图。 2单向预浸料角铺层混杂类型 角铺层混杂是根据设计要求，将不同类型纤维的预浸料按一定角度铺层的混杂形式，如图6所示。 3不同种类纤维混杂织物的混杂类型 这种类型的混杂
14、除为满足某些力学性能要求外，有时也有工艺上的需要。其主要是通过经纬向不同类型纤维的交织或编织物进行的混杂。近几年来，又由于混杂纤维复合材料的发展，大大地推动了混杂织物的研究。如图7所示为一层中有两种纤维的混杂织物。,4超级混杂复合材料类型 超级混杂复合材料根据制件实际使用受力要求，可以是纤维复合材料、片状材料（金属或非金属材料等）进行混杂复合的材料，另外还包括种种夹层结构材料。 超级混杂可以根据制件受力的情况，利用各种纤维复合材料、弹性材料、金属或非金属材料等进行各种形式的混杂。如使用在飞机、战车等的防弹材料，就是由纤维复合材料、橡胶板材、合金钢板等混杂复合的材料。如图8所示为超级混杂复合材料
15、。,5三向编织混杂类型 编织缝合混杂纤维复合材料制件，主要是根据使用上的要求和工艺上的可实现性来决定的，也是最充分发挥混杂纤维复合材料设计怀应用特点的实例。如航空、宇航或各种交通工具等，常常需要各种复杂的结构件。它不仅要求性能可靠，而且形状也十分复杂，使用一般的材料是不能实现的，甚至单一纤维复合材料也不能满足要求。可见混杂纤维复合材料可以通过设计人员与工艺人员的精心配合，生产出像工艺品一样的制件来满足一些特殊的要求。对于工字梁形的复合材料构件，不仅应具有一般工字梁的特点，而且还要求上下两个面板有不同的性能，并有较好的层间剪切强度。这样的制件用一般的设计和工艺将难以实现，但是通过混杂化加上缝合工
16、艺，可使层间剪切性能大大提高。图9为缝合的织物混杂预浸料坯。,6混杂复合夹层结构类型 在混杂复合材料类型中，前面已提出超级混杂复合材料概念。这种超级混杂复合材料所包括的内容是广泛的，混杂复合夹层结构材料也算是其中内容之一。混杂复合夹层结构材料可以包括以下几个方面：单一纤维复合材料的面板与不同形式的夹芯复合；混杂复合材料的面板与不同形式的夹芯复合；根据需要采用不同的内部混杂面板与不同的芯子复合。图4-24是混杂复合夹层结构示意图。 夹层结构的制造分3部分：面板的制造、芯子的制造及面板与芯子的胶接工艺。面板的制造已有论述。胶接工艺主要是胶粘剂的选用与固化工艺，可以选用共固化成型工艺以减少胶接工序。夹芯材料主要有蜂窝芯子、泡沫芯子与波纹板芯子。,（1）蜂窝芯子：蜂窝芯子的格子形状一般有5种：正六边形、菱形、矩形、正弦曲线形和有加强带六边形。如图4-25所示。 蜂窝芯子所用的材料有金属箔（如铝箔）、玻璃布、纸、劳纶纸（国外称Nomex纸）等。蜂窝的制造有两种方法：模压法和胶接拉伸法。虽然模压法蜂格尺寸精确，但生产效率低，目前很少用；主要采用胶接拉伸法。
