学文网复合材料论文第1篇
1.1国内外研究现状
国外对碳纤维复合材料的研究起步比较早。结合研究需要成立了相应的碳纤维复合材料研究协会，制订了相应的测量标准、实施规范、检测标准、施工规程等，制订了研究发展方向，加大经碳纤维复合材料再实际中的应用研究，经过多年的研究，目前国外发达国家已经有较为成熟的碳纤维复合材料理论、研究体系和研究成果，并且通过实验性应用获得了第一手资料，通过大量实验已经有了一定的应用实例。目前由于碳纤维复合材料特有的可根据工程需要加工成各种织物材料，满足工程需要，而且织物表现出很高的强度的特点，因此碳纤维复合材料大量应用在房屋建筑工程的加固工程中、桥梁工程等的加固、维修和保养上。从研究现状来看，我国对碳纤维复合材料的研究起步比较晚，缺少系统化、本土化的研究体系，主要理论和研究标准、方法借鉴先进国家的研究成果，缺少实际使用经验的搜集和整理，施工规范上过于依赖国外成熟经验，缺少本土化的实践经验和研究体系，研究方向主要集中碳纤维增强聚合物片材加固和修复钢筋混凝土结构，而且应用也比较成熟。例如采用碳纤维增强聚合物片材对上海财经大学24m跨度的木结构进行加固，采用碳纤维布对天安门城楼上的大型木柱进行加固[1]；等等。单丽萍《碳纤维布在建筑结构加固中的施工措施浅析》（民营科技2012.8）研究指出，碳纤维增强聚合物加固技术是一种新型高效的土木工程加固修复技术，具有质量轻、强度高强、施工简单等优点。并对碳纤维布在加固和维护建筑结构中的施工措施进行分析，之处随着对新材料碳纤维(CFRP)的研究的深入，用CFRP取代钢板作为外贴对建筑物进行加固是一种必然趋势。并现针对碳纤维加固的原理、依据、前提进行了探讨，并对施工工艺进行了简要的论述。张勇《CFRP加固混凝土梁的冻融试验研究》（河北建筑工程学院学报2012.1），碳纤维(CFRP)虽然在加固工程中已得到广泛应用，但其长期的加固性能尚未得到证实。尤其在我国北方较寒冷地区，因此研究冻融循环对碳纤维加固的混凝土构件的影响。试验研究显示碳纤维基本能够满足寒冷地区的加固要求。舒亚《码头改造工程中碳纤维加固技术的运用》（水利建设与管理2014.3）一文中研究指出：伴随着材料研究的深入，混凝土结构的加固技术也日益提高，结合工程实例，阐述在码头改造工程中如何将碳纤维加固技术运用到水工结构物的主要受力构件，为码头水工结构物的加固修复带来新的举措，保障了码头水工建筑物的安全。整体上来说，碳纤维复合材料在土木工程中的使用研究目前基本集中在混凝土结构的修复和加固上，相信随着研究的深入，碳纤维加固技术在土木工程结构的运用日益广泛。
1.2最新研究进展和趋势
日本开发研制成功一种带有铝合金接头碳纤维聚合卷管。研究发现这种聚合卷管具有高效的结构体系，在实际应用中可以获得特殊的建筑效果[1]。也有学者提出利用碳纤维优良的导电性，通过相应手段监测碳纤维复合材料加固部位导电性能的变化情况，实现对对土木建筑物或桥梁等的无创口健康监测和诊断，而目前利用碳纤维优良的导电性，实现对建筑结构的实时监测应用研究不多，郑立霞《局部叠层碳纤维水泥基材料的应变电阻效应研究》（四川大学学报(工程科学版)2011.2）研究指出利用不同将碳纤维所具有的特有的导电特性，将不同碳纤维取代钢筋加入普通混凝土中，普通混凝土便成为具有自诊断功能特性的智能混凝土。利用这些功能特性可望实现土木工程结构和基础设施的健康监测。并通过实验研究局部叠层碳纤维取代钢筋形成的三点弯曲梁在单调和循环拉应力作用下电阻的变化规律，分析了局部叠层碳纤维水泥基材料的应变-电阻效应，在此基础上进行横向对比，实验结果表明，局部叠层碳纤维水泥基材料的应变灵敏系数是连续碳纤维水泥基材料应变灵敏系数的近23倍，但稳定性要差一些；局部叠层碳纤维水泥基材料的电阻和拉伸应变成正比例，因此利用这一特性把可望把局部叠层碳纤维用于土木工程，便于实现在结构和基础设施的健康监测。
2碳纤维复合材料在构件承载力不足的情况下的应用
虽然在土木工程施工过程中在施工阶段，从上到下有严格的施工规范和要求，但是实际过程中却常常存在由于施工管理不严、施工人员能力缺陷、致使施工质量不能达到要求，特别是混凝土构件承载力不足导致在建工程或建成工程使用时在安全隐患，存在一定的潜在质量风险，可能导致伤害事故的发生，在这种情况下，如何在不拆除现有混凝土结构的条件下对混凝土构件进行范围内的加固和修复是要解决的问题，使用碳纤维复合材料为主要原料的纤维增强聚合布进行加固，可以在不毁坏现有结构的基础上，使混凝土结构得到理想的增补效果。加上纤维增强聚合布施工过程中无需任何重型机械，施工空间不受限制的优点，因此在维护和加固现有建筑中得到大量应用。
2.1碳纤维复合材料在民用建筑加固方面的应用
由于碳纤维增强聚合布的材料性能的特点，碳纤维增强聚合布大量应用在民用建筑中，如梁、板、柱、顶、梁腹裂缝发展过大的构件加固中。碳纤维增强聚合布加固可有效控制裂缝的发展。在使用碳纤维复合材料对不同部位进行加固时，操作手段、方法有一定差异。目前通常使用碳纤维布对钢筋混凝土裂缝等进行加固时首先选取合适粘合剂，以免造成粘合不紧密，加固效果差，在此基础上注意粘贴在混凝土裂缝处。在对钢筋混凝土抗弯构件进行加固时，通常采用特殊粘合剂将碳纤维布粘贴于混凝土构件强力受拉区，通过碳纤维布增加受拉区域强度，实现碳纤维布分担工程结构中混凝土钢筋的承受拉力，提高混凝土构件的抗弯承载力和受拉承载力。碳纤维复合材料加固损伤的受弯构件时，结果表明，通过碳纤维布的加固，检验结果显示，加固部位刚度恢复非常显著，加固部位强度和加固量、损伤程度具有一定关系，通过加固，两者都有不同程度的改善提高。在工程中使用碳纤维复合材料进行抗剪力加固时，一般要求将碳纤维复合材料粘贴于加固构件的受剪力区，力求形成整体的拉力，促使碳纤维复合材料的作用类似于箍筋，从而形成一定的加固力量，有效控制混凝土结构裂缝的进一步发展。目前研究结果表明，理论上推算碳纤维复合材料的随着外界条件变化应变发展比较缓慢，在实践中用于加固混凝土构件时，碳纤维复合材料达到的最大应变值比较小。在加固混凝土构件屈服后，碳纤维复合材料逐渐取代混凝土构件箍筋的作用逐，从而有效提高构件抗剪承载力，碳纤维复合材料对工程质量提高程度与加固方式、加固量、带间距及粘贴层数密切相关。因此实践中使用碳纤维复合材料对一定的混凝土结构进行维修和加固时，要区别对待，不同位置、强度的部件进行加强所需粘贴量不同，过多过少都不利于加固效果的最优化，如粘贴过量碳纤维增强聚合布，可能会导致不能充分的发挥碳纤维增强聚合布的优势。由于碳纤维增强聚合布的可设计性的优势它与所加固构建之间粘贴比较紧密，可以在不改变现有建筑外观形状的基础上进行整体加固，因此在一些对整体构件加固质量要求比较高，碳纤维聚合布在得到大量应用，如对历史建筑的抢救、保护和维护和原有建筑，同时构件的整体抗震性能得到提高。
2.2桥梁建设加固方面碳纤维复合材料的应用
由于碳纤维复合材料的使用特点，碳纤维增强聚合布可以应用在桥梁加固方面。如磨损、裂缝、局部塌陷的桥面，可以在保持现有混凝土构件的情况下，通过适当修补后加贴碳纤维增强聚合布，从而提高桥面坚固程度和增加使用寿命，如一般采用将碳纤维增强聚合布粘贴于桥面板下面，在提高桥面整体平整的基础上可以增强桥面板的抗弯及抗剪能力，延长桥梁使用寿命，目前碳纤维复合材料在桥梁建设方面的用途主要有两类，现有桥梁的加固方面和新桥梁的建设使用。在桥梁加固方面碳纤维复合材料主要用于混凝土桥梁的基本构件、节点、裂缝受弯构件、抗弯构件等的加固，加固的目的主要是提高桥梁的面板、构件的抗弯、受弯、抗剪、轴向抗压承载力等，桥梁建设加固方面碳纤维复合材料的应用在国外应用广泛，我国在这方面的工程实践是在引进吸收国外先进经验的基础上，结合我国桥梁工程和新材料发展状况，2003年7月对1971年建成的“宝成桥”进行了加固维修。提高了大桥承载强度，同时对大桥基本构件提供了抗裂防腐的保护作用[2-5]。但是碳纤维增强聚合布加固混凝土桥柱、桥梁时，应注意原有混凝土构件横向膨胀性能促使外包碳纤维增强聚合布的局部环向刚度增大，导致混凝土原有构件的脆性破坏，因此在应用碳纤维增强聚合布维修桥梁加固混凝土柱时要注意完全粘贴整个构件。
3结论和建议
复合材料论文第2篇
1学校方面
①毕业设计时间短，与就业实习时间有冲突。高职复合材料专业按人才培养方案将毕业设计安排在第五学期，共八周时间。但这段时间也正是毕业生找工作，签订就业协议的时间。很多学生一旦找到了合适的岗位后，便立即与用人单位签订合同，出去顶岗实习，例如12级专业就有20名左右学生与菲舍尔航空部件公司签订就业协议，提前进厂顶岗实习。学生不在学校，这给毕业设计指导带来了很多的阻碍，指导教师只能通过电话、短信、邮件等方式和学生进行联系，无法进行面对面指导与交流，论文指导效果非常不好。有些学生离校后更换***码，不主动和指导教师联系，造成教师根本无法联系上指导学生，更不要谈就论文进行定期指导了。
②开展毕业设计的实践条件不足。毕业设计的选题大致为复合材料成型与胶接两个方向，学校虽然有一定的复合材料的成型和胶接的实验实训条件，但由于场地小，设备缺乏，无法满足专业学生的毕业设计要求，因此学生的毕业设计完成大多是参考相关文献进行工艺设计，只是理论上的分析，不仅学生完成困难，而且没有具体的工艺实训过程操作，内容空洞。
2教师方面
①师资匮乏，教师指导压力大。指导教师相对于学生的数量严重不足，教师指导压力大，无法保证对每位学生毕业设计进行有效的指导。毕业生忙于就业和实习，对于毕业设计不上心，加之高职学生基础薄弱，专业论文撰写的能力不强，所以老师指导起来更是压力倍增。教师在指导毕业设计同时还要完成相对较多的教学任务，往往会精力分散，指导学生又多，导致指导效果不佳。
②选题理论化，部分与生产实践脱节。虽然专业教师均具备硕士学位，专业理论水平高，但多半缺乏企业工作经历，不能及时准确把握企业动态和职业岗位的需求，因此在毕业设计选题上很多老师多半采取由学生自主选择毕业设计课题或让学生参与自己的立项科研课题，而未考虑学生职业岗位的需求。因此选题理论化，与生产实际脱节。
3学生方面
①对于毕业设计积极性不高。在毕业设计期间，很多学生忙于找工作和提前进入企业实习，对于毕业设计积极性不高，得过且过。学生常常不能按时完成老师布置的毕业设计的选题和资料搜集任务，也不能参加老师定期的指导会议。对于后期的论文修改，也不能及时认真修改，很多学生都是随意修改下，就交上来，态度不认真。还有部分同学很难联系上，对于毕业设计任务置之不理。
②搜集、整理资料能力差。撰写毕业设计首先应搜集相关专业资料阅读，并进行分析和整理，随后才能开展毕业论文的撰写。但很多学生搜集网络资料的能力非常差，大多数学生只会使用简单常用的搜索引擎，对于相关论文数据库的使用和信息检索非常陌生。同时，学生资料整理能力也有限，只会将查到的资料东拼西凑、无序堆积，缺乏逻辑性和前后的连贯性。
③毕业设计撰写能力差。毕业设计的撰写指导教师只起引导作用，主要给出资料搜集任务和对论文的修改意见，论文主体是由学生完成。大多数学生撰写毕业设计能力较差，在撰写毕业设计茫然一片，不知道如何编排结构，如何进行分层分析，逻辑推理。只是对搜集到的相关资料进行拼凑，论文内容逻辑混乱，前后层次不明，不连贯，读起来一头雾水。有部分学生内容与题目基本没关系，论文格式更是五花八门，错误百出。
二提高毕业设计质量的途径
1调整毕业设计时间
提前布置毕业设计任务条件允许的情况下，可以把毕业设计任务提前到第四个学期的期末，在学生参加暑期顶岗实习前，进行毕业设计工作动员和任务预分配工作。要求学生在顶岗实习期间，结合自己实习的相关工作拟定毕业设计课题范围，在相关专业岗位认真将其工艺流程、参数等进行详细记录的任务，并要求学生完成实习岗位工艺的相关科技文献查询任务，开学以书面报告形式上交给指导教师。这样为学生后续毕业设计完成积累了素材，完成毕业设计也会顺手很多。
2重视毕业设计选题
注重与生产实践相结合毕业设计的选题应在理论深度上降低要求，注重其技能性和实用性。学生可在顶岗生产实习的过程中自主选择适合工作岗位的课题。由于学生所选课题紧贴工作岗位，有些甚至可能是单位急需解决的问题，学生认真思考和亲手操作过，对于其中的工艺流程和质量管理过程非常熟悉，因此学生的积极性会提高，参与性较强，毕业设计质量会大幅提高。比如2010级部分暑期在西安航天复合材料研究所实习的同学，选择缠绕和模压等与其工作相关的成型工艺作为毕业设计选题，其毕业设计就完成的非常不错。
3专兼职指导教师合作
团队指导毕业设计面对师资力量匮乏，有经验、有资历的指导教师人手不足的情况，我们应充分利用校外实训基地、顶岗实习单位的资源，采取激励制度，扩宽教师聘请的渠道，鼓励和吸引技术专家工程技术人员、技师等具有丰富实践经验的技术骨干到校担任毕业设计指导工作。这些技术人员与我们的专职教师组成团队，共同指导毕业设计工作，这样既缓解了指导教师短缺的矛盾，又弥补了校内指导教师在实践方面的不足。另外，部分提前就业实习的学生可自主选择所在就业实习单位具有高级职称的技术人员作为指导教师，这样在做毕业设计时，指导教师就在身边，可随时指导，提高其解决实际问题的能力，也会避免老师与学生沟通障碍的问题，大大提高毕业设计指导效率和毕业设计质量。
4加强对毕业设计过程的监管
学校和系部对学生的毕业设计环节应加强监督管理，定期抽查，体现对毕业设计环节的重视。教研室定期组织指导教师对学生的毕业设计情况进行检查并将各组检查情况上报教研室。定期召开会议对各组指导情况及检查中存在的问题进行探讨，并给出下一阶段指导工作的任务和具体要求。另外还可开展教师和学生的互评活动，要求教师根据学生的表现给学生打分作为最后毕业设计总评的一部分；学生也可以根据教师的指导情况给教师评分，作为对教师教学效果评价的一部分，这样给学生增加了压力，给教师增强了责任心。与此同时，要严把答辩关，对于审查教师和评阅教师共同认定合格的论文才能进行答辩，并要求每位同学必须现场答辩，答辩过程中，论文的质量和现场表现均要纳入到答辩成绩中。
5毕业设计考核评价过程化
将学生平时参加组内讨论会情况、资料搜集整理工作情况、论文进度汇报工作情况、论文质量、答辩表现情况均纳入毕业设计考核中，并根据相应的项目给出合理的分数。毕业设计的考评最大限度反映学生的专业知识和综合素质水平，也使毕业设计考核工作更加合理和公平化。
三结语
复合材料论文第3篇
关键词：保温材料屋面
上海锦秋加州花园是由香港远东发展有限公司投资兴建的一个大型住宅小区，其最大的建筑特点是引入美国加州小别墅建筑理念，采用外形充满浪漫情调的异形屋面形式(圆拱型屋面)。但这给屋面保温层的施工带来了诸多麻烦，对保温材料的热工性能、耐久性以及经济性提出了更高的要求。
该工程共分4期，一期工程已于1997年底建成并投入使用，其屋面保温采用的方案是：10cm厚普通混凝土+2cm厚砂浆十5cm厚珍珠岩保温板+2．5cm厚砂浆。该方案存在的缺陷是：
(1)保温材料耐久性不好
(2)施工程序复杂，施工速度太慢
(3)保温材料热绝缘系数较小(仅为0.75m2.K／w)，达不到《上海市新型墙体材料试点小区节能住宅建筑热工设计暂行规定》对屋面保温材料热工性能的规定(该规范要求屋面保温材料热绝缘系数不小于0．9lm2，K／W)
(4)珍珠岩板保温工程经济性不良。此外，该工程在保温层上钉2层彩色防水瓦防渗，要求保温层具有良好的可钉性。但该方案中砂浆层性脆，可钉性达不到要求。为此，建设单位迫切要求对这一保温方案进行技术改进，克服上述缺陷。基于目前这一课题的普遍性，我们承担了这一课题的研究攻关任务。
2．高性能复合屋面保温材料的试验研制
《屋面工程技术规范》(GB50207-94)将目前普遍使用的屋面保温层分为松散材料保温层(主要有膨胀珍珠岩、膨胀蛭石等)、板状材料保温层(主要有高分子材料泡沫板、膨胀珍珠岩板等)和整体保温层(主要有水泥膨胀珍珠岩、沥青膨胀珍珠岩等)。总结上述各种保温材料在上海各类建筑工程中的实际应用效果，我们发现：由于与之相应的施工工艺的局限性以及这些材料固有的缺陷，使上述各种保温材料往往达不到《屋面工程技术规范》提出的技术要求：“屋面保温材料应具有吸水率低、表观密度和导热系数较小，并有一定强度。”综合目前国外屋面保温材料的发展动向以及高分子保温材料和混凝土技术的新成果，尤其是考虑到陶粒混凝土具有质轻、保温、耐久性和可钉性好的优点，我们发现采取“高分子保温材料板十高性能陶粒混凝土”技术路线可实现规范对屋面保温材料的各项技术要求，而且可加快施工进度，并取得良好的经济效益。
2．1试验用原材料及其性能
(1)高分子保温材料板：根据异形屋面特点、尺寸以及屋面工程对保温层热绝缘系数的要求在上海某化工厂定制。这种材料密度为20kg／m3，导热系数0．04lW／(m．K)，其吸水率为3％，耐水性良好，并具有一定的塑性和强度。
(2)陶粒：常州产粘土陶粒。其筒压强度为4．3MPa,堆积密度为525kg／m3，颗粒表观密度为890kg／m3，空隙率为41％，吸水率为8．2％。
(3)细骨料(A料)：为提高经济性，并贯彻执行上海市***府关于综合利用工业废料的有关***策，选用一种工业废渣代替陶砂。这种废渣除颗粒级配不理想外，其它性能均满足《轻集料混凝土技术规程》(JGJ51-90)对轻细集料的要求。
(4)水泥：上海水泥厂产425#矿渣硅酸盐水泥。
(5)掺合料(B料)：一种微细工业废料粉。适量掺入可改善陶粒混凝土施工性能和耐久性，尤其可提高混凝土拌和物的稠度。
(6)冷拔钢丝：直径为4mm的冷拔钢丝。
(7)特种纤维(C料)：适量掺入可显著提高陶粒混凝土的抗拉强度，防止在结构突变部位产生裂缝。
(8)高效减水剂(D料)：一种引气型高效萘系减水剂。
2．2高性能复合保温材料的研制
2．2．1高性能复合保温层的组成方案
参照《上海市新型墙体材料试点小区节能住宅建筑热工设计暂行规定》对屋面保温材料热工性能的规定，再根据建设单位提出的要求以及我们选用的材料的性能，我们提出的高性能复合保温材料组成方案为：5cm厚高分子材料保温板+3．5cm厚高性能陶粒混凝土，其中高性能陶粒混凝土的配制是关键。
2．2．2高性能陶粒混凝土的配制
(1)工程对陶粒混凝土的技术性要求
28d抗压强度达到CLl5等级，干密度不大于1250kg／m3，陶粒混凝土屋面不能开裂，异型屋面陶粒混凝土施工不使用模板。
(2)高性能陶粒混凝上的配制
锦秋加州花园采用“圆拱型”屋面型式，这种屋面型式坡度大，结构上又有突变部位，上浇薄层陶粒混凝土，并使之达到上述技术要求，对配合比设汁提出了新的要求。按照《轻集料混凝土技术规程》(JG51-90)设计的陶粒混凝土(代号为ES-1)无法实现上述目标，为此我们利用现代高性能混凝土和纤维混凝土技术的有关成果进行优化设计和反复试配，配制了2组代号分别为ES-2和ES-3(用于结构突变部位)的高性能陶粒混凝土，满足了工程要求。上述3组陶粒混凝土的配合比及有关性能见表1。
2．3样板工程试验研究
为了对我们设计的施工方案和研制的高性能复合屋面的保温材料进行检验和评估，进行了样板工程的试验研究。样板工程的结构尺寸和形状与实际房型一模一样，浇筑样板工程的屋面结构层并养护至规定龄期后，在结构层上面进行保温层的试验研究。试验研究内容共分3部分：
(1)对施工方案的可操作性、工作效率以及对工程质量的影响等因素进行综合分析，并对其加以改进和完善
(2)按现场施工条件完成屋面保温层的施工，并测定其有关性能
(3)从技术性和经济性两方面对新老屋面的保温方案进行对比研究。
2．3．l施工方案的确定
根据实际施工操作顺序，我们设计了施工方案，通过对现场施工遇到的问题进行研究，并考虑施工工艺对保温材料性能的影响，对方案进行了补充和完善，最终采用方案如下
(1)用特殊材料和特殊工艺高效快速固定保温板，保温板错缝布置，可防裂并加快浇筑陶粒混凝土速度
(2)在保温板上绑扎冷拔钢丝，并使冷拔钢丝从保温板上垫起3cm，固定冷拔钢丝网，使之与保温板形成一个整体，可改善施工质量
(3)严格按规范对陶粒进行预湿处理，严格控制砂率大小及外加剂掺量，按规范和我们研制的配合比浇筑陶粒混凝土
(4)48h后洒水养护14d。
2．3．2新老屋面保温方案对比研究
我们制定的新屋面保温方案为：10cm厚普通混凝土(第1层)+5cm厚高分子材料保温板(第2层)+3．5cm厚高性能陶粒混凝土(第3层)。新老保温方案的耐久性优劣已为实践和研究所证实，因此本文主要对这2个保温方案的热工性能和经济性进行对比研究．
工程应用举例
通过样板工程的试验研究，保温材料的配制得到“了优化，施工工艺得到了改进，香港远东发展有限公司对我们的试验结果非常满意，同意在锦秋加州花园二期屋面工程采用这项科研成果。锦秋加州花园二期屋面工程总建筑面积为29705m2，要求在10~11月完成施工。上海l0~11月份阴雨天气比较多，施工难度较大，但由于我们选用的材料具有很好的耐水性，可以克服阴雨天气给施工带来的不利影响，因此施工单位在45d内就完成了29705m2的屋面保温工程施工任务。而按老方案进行屋面保温工程施工，至少需要75d才能完成施工任务(据一期工程推算)。达到规定龄期后，经质检部门鉴定，该屋面保温工程各项性能指标均达到或超过有关规范规定的数值。
结论
(1)本项目采用新保温方案，使上海锦秋加州花园二期屋面保温工程取得了良好的技术经济效果。
复合材料论文第4篇
某梁采用复合材料制造，约长2m，变截面并带理论外形，零件腹板部分主体为平面，包含有台阶面，侧面与壁板外形相应曲面一致，外形公差为±0.1mm，装配要求高;为“U”形结构，侧面角度闭角结构(＜90°)。该构件在热压罐成型过程中脱模困难，如果强行取出会损坏构件和模具，无法保证型面公差，这对成型模具的结构设计提出了较高的要求。
2模具设计要求
复合材料成型模具直接影响着产品的质量，在设计时应满足:①模具要有足够的刚度、强度，以保证模具型面基准不变;②热容量小，热膨胀小，热稳定性好;③加工精度高，表面光度高，模具自身协调性好;④施工便捷，操作安全可靠;重量轻，运输方便;⑤可维护性好，制造成本低;⑥具有良好气密性。根据复合材料U形梁的结构特点，在设计中需要解决以下技术难点:成型模具的结构形式如何保证构件的型面公差，如何满足脱模要求并解决U形梁的回弹问题。
3模具选材
3.1模具材料
复合材料成型模具用料要求热变形小、热膨胀系数小以及导热系数高，大多采用普通钢、INVAR钢、碳/环氧复合材料和铝合金。普通碳钢适用于型面曲率不大的模具，当产品批量生产、尺寸精度要求较高时，选择钢制模具最为经济、实用;铝合金适用于平板类、尺寸精度要求不高的模具;INVAR钢适用于结构复杂、曲率大、尺寸大的模具。不同模具材料对复合材料构件变形的影响主要体现在两个方面，一方面是不同的材料热导率会影响与其直接接触的复合材料构件固化温度场的分布，从而影响最终构件内残余应力的大小及分布，引起不同的构件变形;另一方面就是不同材料的热膨胀系数不同，模具与构件之间的相互作用程度不一样，因此导致构件的变形不同。在固化过程中，模具与复合材料构件之间的热膨胀系数不匹配会引起模具与构件接触处的层间应力，包括层间剪切应力和沿构件厚度方向的力，这主要是由于模具与构件在固化压力的作用下始终粘贴在一起，随着模具受热膨胀，靠近模具的构件层比远离模具的构件层受到的约束张力要大，因此沿构件厚度方向形成一定的应力梯度，在固化过程中这部分应力被“冻结”在构件中，在脱模以前都没有得到释放，固化完成后冷却至室温脱模，这部分应力将被释放，脱模后的复合材料构件必须通过变形来维持应力的平衡。
3.2模具型面补偿修正
模具设计时要考虑复合材料与模具热膨胀系数的差异，INVAR钢和复合材料模具受热膨胀的影响很小，可忽略不计;但对于普通碳钢和铝合金模具影响比较大，对于大尺寸的复合材料构件需要采取补偿措施，根据计算公式和生产经验。考虑到制造成本和构件精度要求，本文设计的模具选用Q235钢制造，根据上述公式计算缩尺KS为－0.65‰，结合生产经验和复合材料梁的结构形式，提取整个构件的理论型面并按适当缩尺进行缩小，模具设计时按照缩小后构件提取的型面作为模具的设计型面，以减小构件的变形或抵消变形的影响作用。
4模具结构设计
4.1模具回弹角的补偿
复合材料在热固化成型过程中由于材料本身的各向异性、铺层方向引起的力学性能差异、结构的不对称性和基体的固化收缩效应等因素，在构件内经应力梯度和温度梯度耦合作用导致固化时的内应力积聚，一部分应力在构件中以残余应力的形式长久存在，另一部分应力在构件脱模后释放，这两部分应力存在的形式共同导致回弹变形。对于梁、长桁类有大夹角的构件，固化成型过程中在拐角处的回弹变形会导致夹角变化，即构件在固化脱模后，夹角因收缩而小于模具角度，此差值为回弹角。这将给制件间的装配带来容差、超差等问题，翼梁缘条回弹使其外形偏离了设计要求而导致蒙皮与翼梁间螺栓连接装配孔错位，若对装配件进行强制装配将会引起残余应力、密封不好等问题，这样会降低结构的强度和疲劳寿命，甚至造成制件报废。在模具设计时，通过调整模具型面来补偿构件回弹，即构件夹角加上回弹角等于模具夹角，使构件在脱模回弹后符合工程数模要求。国内外专家学者都在积极研究复合材料结构固化变形的预测及控制方法。GFG公司在复合材料工形梁的成型模具设计时，考虑工形梁缘条的回弹，采用经验的方法在模具的缘条型面上加入修正值(约1°)以抵消构件回弹。国内贾丽杰等人针对复合材料典型C形结构的回弹变形进行研究，通过对回弹角的预测结果进行修正，确定C形梁回弹角度在1°左右。本文涉及的复合材料U形梁为闭角结构，成型模具设计时需要进行回弹补偿，结合以往生产经验和国内外学者的研究结果，在两侧缘条各设置1°回弹补偿角，提取补偿后的两侧缘条型面为模具的型面。
4.2模具结构形式
复合材料梁一般为细长结构，常用模具结构形式为阴模、阳模和阴阳模组合，分析构件是否有气动面、装配面、胶接面等，一般情况下可确定这些面为贴膜面。根据U形梁的结构特点，采用CATIAV5R18建模，模具为框架式阳模结构，采用Q235钢焊接制造，模具包括模胎、支撑框架(支板组件和框架)、盖板、工具球套。根据产品设计部门所提供的产品零件数模提取成型曲面作为模胎的理论型面，将该曲面偏移10mm切割实体，获得“Ω”型模胎;创建支板组件，输入单个支板尺寸创建实体并设计散热孔，通过阵列命令创建其他支板;框架为长方体结构，采用的方钢管为标准型材，根据彼此之间的位置约束关系通过阵列偏移命令进行设置。这种框架式模具结构厚度均匀，通风好，升温快，有利于模具各点温度均匀，可以减少模具在升温和降温过程中因各部位温度不一样而引起的模具变形。(1)模胎模胎是“Ω”型一体式结构，采用10mm等厚的钢板，在保证气密性前提下允许拼接焊接。在模胎上需要留有一定距离用于打真空袋，通常手工铺贴模具的余量区在100～200mm。模胎的型面轮廓度公差小于0.2mm，数控加工后按数模中模胎线数据集划线，深0.5mm、宽0.3mm，并在余量线外打出标记，所有划线位置的偏差不大于0.2mm。构件轮廓线用于非数控切边时使用，决定构件外形尺寸的精度，设计时应考虑模具材料的膨胀因素作适当缩放处理。铺贴线用于无激光投影时手工铺贴定位，以控制铺贴余量，防止由于铺贴不完全齐整、流胶、挡胶条等因素导致固化后产品边缘质量不高，通常铺贴线到产品轮廓线可留20mm余量。(2)支撑框架框架与支板组件主要起支撑作用，保证整个模具的强度和刚度。框架取消了传统的薄板格栅结构，采用方钢管焊接，具有成本低、加工周期短的优点，有效实现模具减重，又使得空气流在模具体上下表面任意流动，加热更均匀。在支板组件上设计散热孔，尽量在同一直线上保证成型过程中空气的流通性，有利于整个成型的复合材料构件温度均匀，保证成型产品的质量。同时在支板两端设计80×50×10mm的加强块，防止模具在吊装时沿长度方向产生变形。(3)盖板和工具球梁腹板平面处采用2mm铝盖板与阳模配套使用，使构件表面加热均匀，同时在抽真空的过程中传力均匀，保证构件外表面的平面度。工具球用于定位找正，在设计时要覆盖构件的最高点和最低点，长度方向间隔不超过1m。各工具球孔按数模制造，并在模胎上打出所有工具球实际坐标值及孔位序号，用于手动铺贴时放置激光投影的靶标，以定位铺层区域。(4)后续处理模具焊接完成后进行2～3次退火，消除焊接和机加应力，减少模具的变形;对模具型面进行激光测量，型面精度符合***纸要求;加工完毕做气密试验，保证模具气密性。
4.3工艺验证
在复合材料U形梁的热压罐成型工艺中，采用本文设计的成型模具进行铺叠成型，生产的复合材料构件易于脱模，表面光滑平整，型面公差符合要求，U形梁两侧缘条的角度变形控制在技术要求范围以内，满足了后续与壁板及其他组件的装配要求。
5结论
复合材料论文第5篇
毕业设计是高职复合材料专业教学计划的组成部分，是实践教学的重要环节之一，是学生在校期间对所学复合材料专业知识的综合应用，是提升学生专业技能、分析解决问题以及对科技论文撰写能力的一次有效锻炼，同时其也是毕业生们从学校走向社会，对所学基础课程知识、专业课程知识和各种综合能力接受全面检验的一个重要阶段。毕业设计的质量是衡量高职院校人才培养质量以及教育教学水平的一个重要指标，特别是在目前高职院校教学评估和巡视诊断工作中，毕业设计更是检查评估的重点。
2高职复合材料专业毕业设计存在的问题
2.1学校方面
①毕业设计时间短，与就业实习时间有冲突。高职复合材料专业按人才培养方案将毕业设计安排在第五学期，共八周时间。但这段时间也正是毕业生找工作，签订就业协议的时间。很多学生一旦找到了合适的岗位后，便立即与用人单位签订合同，出去顶岗实习，例如12级专业就有20名左右学生与菲舍尔航空部件公司签订就业协议，提前进厂顶岗实习。学生不在学校，这给毕业设计指导带来了很多的阻碍，指导教师只能通过电话、短信、邮件等方式和学生进行联系，无法进行面对面指导与交流，论文指导效果非常不好。有些学生离校后更换***码，不主动和指导教师联系，造成教师根本无法联系上指导学生，更不要谈就论文进行定期指导了。
②开展毕业设计的实践条件不足。毕业设计的选题大致为复合材料成型与胶接两个方向，学校虽然有一定的复合材料的成型和胶接的实验实训条件，但由于场地小，设备缺乏，无法满足专业学生的毕业设计要求，因此学生的毕业设计完成大多是参考相关文献进行工艺设计，只是理论上的分析，不仅学生完成困难，而且没有具体的工艺实训过程操作，内容空洞。
2.2教师方面
①师资匮乏，教师指导压力大。指导教师相对于学生的数量严重不足，教师指导压力大，无法保证对每位学生毕业设计进行有效的指导。毕业生忙于就业和实习，对于毕业设计不上心，加之高职学生基础薄弱，专业论文撰写的能力不强，所以老师指导起来更是压力倍增。教师在指导毕业设计同时还要完成相对较多的教学任务，往往会精力分散，指导学生又多，导致指导效果不佳。
②选题理论化，部分与生产实践脱节。虽然专业教师均具备硕士学位，专业理论水平高，但多半缺乏企业工作经历，不能及时准确把握企业动态和职业岗位的需求，因此在毕业设计选题上很多老师多半采取由学生自主选择毕业设计课题或让学生参与自己的立项科研课题，而未考虑学生职业岗位的需求。因此选题理论化，与生产实际脱节。
2.3学生方面
①对于毕业设计积极性不高。在毕业设计期间，很多学生忙于找工作和提前进入企业实习，对于毕业设计积极性不高，得过且过。学生常常不能按时完成老师布置的毕业设计的选题和资料搜集任务，也不能参加老师定期的指导会议。对于后期的论文修改，也不能及时认真修改，很多学生都是随意修改下，就交上来，态度不认真。还有部分同学很难联系上，对于毕业设计任务置之不理。
②搜集、整理资料能力差。撰写毕业设计首先应搜集相关专业资料阅读，并进行分析和整理，随后才能开展毕业论文的撰写。但很多学生搜集网络资料的能力非常差，大多数学生只会使用简单常用的搜索引擎，对于相关论文数据库的使用和信息检索非常陌生。同时，学生资料整理能力也有限，只会将查到的资料东拼西凑、无序堆积，缺乏逻辑性和前后的连贯性。
③毕业设计撰写能力差。毕业设计的撰写指导教师只起引导作用，主要给出资料搜集任务和对论文的修改意见，论文主体是由学生完成。大多数学生撰写毕业设计能力较差，在撰写毕业设计茫然一片，不知道如何编排结构，如何进行分层分析，逻辑推理。只是对搜集到的相关资料进行拼凑，论文内容逻辑混乱，前后层次不明，不连贯，读起来一头雾水。有部分学生内容与题目基本没关系，论文格式更是五花八门，错误百出。
3提高毕业设计质量的途径
3.1调整毕业设计时间，提前布置毕业设计任务
条件允许的情况下，可以把毕业设计任务提前到第四个学期的期末，在学生参加暑期顶岗实习前，进行毕业设计工作动员和任务预分配工作。要求学生在顶岗实习期间，结合自己实习的相关工作拟定毕业设计课题范围，在相关专业岗位认真将其工艺流程、参数等进行详细记录的任务，并要求学生完成实习岗位工艺的相关科技文献查询任务，开学以书面报告形式上交给指导教师。这样为学生后续毕业设计完成积累了素材，完成毕业设计也会顺手很多。
3.2重视毕业设计选题，注重与生产实践相结合
毕业设计的选题应在理论深度上降低要求，注重其技能性和实用性。学生可在顶岗生产实习的过程中自主选择适合工作岗位的课题。由于学生所选课题紧贴工作岗位，有些甚至可能是单位急需解决的问题
，学生认真思考和亲手操作过，对于其中的工艺流程和质量管理过程非常熟悉，因此学生的积极性会提高，参与性较强，毕业设计质量会大幅提高。比如2010级部分暑期在西安航天复合材料研究所实习的同学，选择缠绕和模压等与其工作相关的成型工艺作为毕业设计选题，其毕业设计就完成的非常不错。
3.3专兼职指导教师合作，团队指导毕业设计
面对师资力量匮乏，有经验、有资历的指导教师人手不足的情况，我们应充分利用校外实训基地、顶岗实习单位的资源，采取激励制度，扩宽教师聘请的渠道，鼓励和吸引技术专家工程技术人员、技师等具有丰富实践经验的技术骨干到校担任毕业设计指导工作。这些技术人员与我们的专职教师组成团队，共同指导毕业设计工作，这样既缓解了指导教师短缺的矛盾，又弥补了校内指导教师在实践方面的不足。另外，部分提前就业实习的学生可自主选择所在就业实习单位具有高级职称的技术人员作为指导教师，这样在做毕业设计时，指导教师就在身边，可随时指导，提高其解决实际问题的能力，也会避免老师与学生沟通障碍的问题，大大提高毕业设计指导效率和毕业设计质量。
3.4加强对毕业设计过程的监管
学校和系部对学生的毕业设计环节应加强监督管理，定期抽查，体现对毕业设计环节的重视。教研室定期组织指导教师对学生的毕业设计情况进行检查并将各组检查情况上报教研室。定期召开会议对各组指导情况及检查中存在的问题进行探讨，并给出下一阶段指导工作的任务和具体要求。另外还可开展教师和学生的互评活动，要求教师根据学生的表现给学生打分作为最后毕业设计总评的一部分；学生也可以根据教师的指导情况给教师评分，作为对教师教学效果评价的一部分，这样给学生增加了压力，给教师增强了责任心。与此同时，要严把答辩关，对于审查教师和评阅教师共同认定合格的论文才能进行答辩，并要求每位同学必须现场答辩，答辩过程中，论文的质量和现场表现均要纳入到答辩成绩中。
3.5毕业设计考核评价过程化
将学生平时参加组内讨论会情况、资料搜集整理工作情况、论文进度汇报工作情况、论文质量、答辩表现情况均纳入毕业设计考核中，并根据相应的项目给出合理的分数。毕业设计的考评最大限度反映学生的专业知识和综合素质水平，也使毕业设计考核工作更加合理和公平化。
4结语
复合材料论文第6篇
面对高技术时代对高性能钛合金材料日益紧迫的要求，非连续增强钛基复合材料因其具有的高比强、高比刚度、耐高温和耐蚀性能已成为研究的热点。人们对其制备工艺、微结构、力学性能等进行了一系列的研究，而这些研究的主要目标为外加法制备的钛基复合材料。而本研究则采用原位合成工艺制备非连续增强的钛基复合材料。与外加法比较，原位合成法因其工艺简单、材料性能优异，在技术和经济上更为可行。增强体的原位合成，避免了增强体的污染问题，也避免了熔铸过程中存在的润湿性问题，有利于制备性能更好的复合材料。然而，为了低成本高效制备高性能的钛基复合材料尚有许多问题需要解决。因此，从理论和实验上研究这些问题，对低成本高效制备高性能的钛基复合材料具有非常重要的理论和实际意义。
针对金属基复合材料发展应用中的关键问题??成本和性能，本文开发设计了新型的钛基复合材料的制备工艺，可以低成本高效制备性能优异的钛基复合材料。即可利用钛与碳化硼、硼及石墨之间的自蔓燃高温合成反应，采用普通的钛合金冶炼工艺制备出单纯TiB晶须、单纯TiC颗粒增强或TiB晶须和TiC粒子混杂增强的钛基复合材料。为了拓展钛基复合材料的应用领域，为制备高性能的钛基复合材料打下坚实的基础，本文的研究主要包括以下几个方面工作：
1、研究了利用钛与石墨、硼及碳化硼之间的反应制备TiB和TiC增强钛基复合材料的原位合成机理。利用热力学理论计算了钛与石墨、硼、碳化硼反应的Gi自由能DG和反应生成焓DH，结果表明：各个反应的Gi自由能DG值都为负值，说明在热力学上上述反应是可行的。虽然在热力学上可以利用钛与碳化硼之间的化学反应合成TiB2和TiC增强体，但从化学平衡考虑，TiB2不能稳定存在于过量钛中，因此能够稳定存在于普通钛合金中的增强体为TiB和TiC。上述反应都为高放热的反应，从理论上讲绝热温度都大于自蔓燃高温合成的判据，表明反应能自发维持。
2、利用非自耗电弧炉和自耗电弧炉经普通的钛合金铸造工艺制备出单纯TiB晶须、单纯TiC颗粒增强或TiB晶须和TiC粒子混杂增强的钛基复合材料。X射线衍射分析结果表明：原位合成的增强体为TiB、TiC。这些增强体分布非常均匀，主要呈现为短纤维状、树枝晶状和等轴或近似等轴状。电子探针和带能谱的扫描电镜分析结果表明：短纤维状增强体为TiB，而树枝晶状和等轴或近似等轴状增强体为TiC。实验结果与理论分析一致，这为原位自生钛基复合材料的工业化生产提供了依据。
3、研究了原位合成钛基复合材料增强体的生长机制，结果表明：增强体的生长机制与凝固过程及增强体的晶体结构密切相关。原位合成的增强体以形核与长大的方式从熔体中析出而长大。对于原位合成TiB和TiC混杂增强的钛基复合材料，经历了析出初晶、二元共晶和三元共晶三个阶段。由于不同的晶体结构，增强体TiB与TiC形成不同的生长形态。TiB具有B27晶体结构，易于沿[010]方向生长长成短纤维状，而且TiB横截面的形状呈多边形，其晶面主要由(100)、(10)和(101)组成。同时，在TiB的(100)面上容易形成层错。而TiC具有NaCl型对称结构，容易长成树枝晶状、等轴状和近似等轴状。发现原位合成的增强体TiB容易在（100）面上形成高密度的层错，层错的形成与增强体的晶体结构、生长机制有关，同时也有利于降低增强体与基体合金界面的晶格畸变。而原位合成增强体TiC的晶格比较完整，偶尔在(111)面上形成孪晶，该孪晶结构在增强体形核与长大的过程中形成。
4、研究了合金元素铝的加入对原位合成钛基复合材料微结构及力学性能的影响。合金元素铝的加入，并不改变复合材料的物相组成，也不改变复合材料的凝固过程，但由于合金元素的存在，阻碍了增强体的形核与长大过程，导致形成的TiB和TiC初晶更为细小，尤其是使TiC增强体易于形成等轴状。合金元素铝不仅固溶强化了基体合金，而且细化增强体也有利于提高复合材料的力学性能。
5、利用透射电镜、高分辨透射电镜对原位合成(TiB TiC)/Ti复合材料界面微结构进行研究和分析，发现两种增强体与基体的界面均为清洁界面，为直接的原子结合、界面结合状况良好。TiC增强体与基体合金没有确定的位相关系，而TiB增强体与基体合金存在以下位相关系：、、(0002)Ti//(001)TiB和以及、(0002)Ti//(200)TiB和。该位相关系在凝固过程中形成，与增强体的晶体结构及基体合金的晶体结构密切相关，形成该位相关系有利于降低增强体与基体合金界面的晶格畸变能。
6、研究了铸态钛基复合材料和热锻后高温钛基复合材料的力学性能。由于原位合成增强体的加入，钛基复合材料的力学性能与相应基体合金比较有了明显的提高，在增强体含量为8％时，其弹性模量E、屈服强度s0.2和抗拉强度分别达到131.2GPa，1243.7MPa和1329.8MPa，与基体合金Ti6242比较分别提高了19.3，47.4和45.5。其强化机理主要来源于增强体承载、晶粒细化及高密度位错的形成。石墨的加入，形成更多等轴状、近似等轴状TiC粒子有利于提高复合材料的室温性能，这与短纤维状TiB的存在导致复合材料低应力断裂有关。
7、研究了原位合成钛基复合材料的高温瞬时拉伸性能。在600oC、650oC和700oC的抗拉强度分别超过800MPa，750MPa和650MPa，与高温性能较好的IMI834合金比较，在600oC的抗拉强度提高幅度超过25。随着温度的提高，其屈服强度、抗拉强度降低，塑性提高，但与基体合金比较高温强度有了明显的提高。断口分析表明：低温时，裂纹由增强体断裂引起，而在高温时裂纹最先在短纤维晶须TiB的端面上形核，然后裂纹扩展到基体合金中，最后导致材料失效。说明低温时，增强体承载对提高复合材料的力学性能非常有利，而在高温时，其强化作用主要由增强体与位错的交互作用引起。位错容易在短纤维状晶须TiB的端面处塞积，形成裂纹源导致材料失效。因此与等轴状及近似等轴状增强体TiC比较，短纤维状增强体TiB对复合材料高温力学性能的强化效果要低一些。这也是石墨的加入形成等摩尔的TiB和TiC增强体有利于提高复合材料高温性能的主要原因。
8、研究了原位合成钛基复合材料的高温蠕变性能和持久断裂性能。原位合成钛基复合材料的高温蠕变经历了典型的蠕变变形的三个阶段。蠕变持久强度与基体合金比较有了明显的提高。持久强度与温度及载荷密切相关，温度和载荷的提高都降低复合材料的高温蠕变和高温持久性能。石墨的加入形成更多的TiC粒子，同样有利于提高钛基材料的持久强度。在高温、持久载荷作用下，材料的失效仍然主要由短纤维端面处形成裂纹而导致材料失效引起。
本研究首先从理论上分析了原位合成TiB、TiC及TiB和TiC混杂增强钛基复合材料的原位合成机制，并以此为基础开发出了一种新型钛基复合材料加工工艺。利用该工艺钛合金生产厂家可以在不改变设备和工艺的条件下，低成本高效制备高性能的钛基复合材料。而采用该原位合成工艺制备复合材料的性能是可设计和可控制的，针对不同的应用条件，可以设计不同成分的基体合金及不同含量、不同配比增强体的复合材料以满足不同的需求。从合金相***、增强体晶体结构及凝固理论相结合分析了原位合成增强体的生长机制、生长形态、分布状态以及界面微区特征。研究了钛基复合材料的微观组织对钛基复合材料力学性能的影响规律。这些研究为以后制备高性能的钛基复合材料和拓展 钛基复合材料的应用领域打下了坚实的理论基础和为批量生成提供了实用途径。近两年来，研究成果引起了国家航空航天部门的关注，国家“十五”***工重点课题和航天支撑基金、航天创新基金课题获得了批准。并将用于我国的先进战略导弹XX－2改，战术导弹XX－19及新一代洲际导弹和潜地导弹的构件。鉴于该技术在国防***工方面具有的战略意义以及在民用领域的潜在应用前景，与国内大型钛合金加工企业—宝钢集团五钢有限公司开展产业化研究，完成了该材料的中试过程，实现了新型钛基复合材料的工业化生产。研制开发的材料近期将在国家战略、战术武器、宇宙飞船等方面得到验证和应用。并将逐渐推广应用于民用领域，为国民经济的发展作出贡献。
关键词非连续增强钛基复合材料，原位合成，生长机制，凝固，晶体结构，微观结构，力学性能，位向关系，界面结构
Fabrication,MicrostructureandMechanicalPropertiesofinsituSynthesizedTitaniumMatrixComposites
ATRACT
Duetoincreasingrequirementfortitaniumalloywithhighpropertiesinhightechnologyera,discontinuouslyreinforcedtitaniummatrixcompositesownthefollowingadvantages:highecificstrength,highecificmodulus,highelevatedtemperatureproperty,wearresistanceandlowfabricatingcost,sotheyhavebecometheresearchhotot.Theproceingtechnique,microstructureandmechanicalpropertieshavebeenexteivelystudied.However,themainaimisdiscontinuouslyreinforcedtitaniummatrixcompositepreparedbytraditionaltechniquesuchaspowdertechnologyandliquidmetallurgy,wheretheceramicparticlesaredirectlyincorporatedintosolidorliquidmatricesreectively.Inthispaper,paredwithtraditionaltechnique,insitutechniqueownthefollowingadvantages:thetechniqueisverysimpleandthepropertiesareexcellent,soitiseasiertofabricatetitaniummatrixcompositesintechnologyandeconomic.Theinsitusynthesisofceramicparticleavoidsthepollutionofreinforcementsandwettabilityexistingincastingtechnique,soitisvaluabletofabricatetitaniummatrixcompositeswithbetterproperties.However,therearestillquitealotofproblemstoberesolvedinordertofabricatetitaniummatrixcompositeswithhighpropertiessimplyandatlowfabricationcost.Therefore,theresearchontheseproblemsintheoryandexperimentisveryimportant.
Itiswellknownthatthekeyproblemindevelopmentandalicationofmetalmatrixcompositesiscostandproperty.Anewtechniquehasbeendesignedtoproducetitaniummatrixcomposites,inwhichitispoibletofabricatetitaniummatrixcompositeswithhighpropertiessimplyandatlowfabricationcost.TitaniummatrixcompositesreinforcedwithTiBwhisker,TiCparticleorTiBwhiskerandTiCparticle,wereproducedbycommontitaniumalloycastingtechniqueutilizingtheself-propagationhigh-temperaturesynthesisreactiobetweentitaniumandboron,graphite,B4C.Inordertodeveloptheutilizationareaoftitaniummatrixcompositesandmakebasisforproducingtitaniummatrixcompositeswithhighproperties,thefollowingworkshavebeendeveloped.
1.InsitusynthesismechanismoftitaniummatrixcompositesreinforcedwithTiB,TiCorTiBandTiCutilizingthereactiobetweentitaniumandboron,graphite,B4Chavebeeninvestigated.GifreeenergyDGandformationenthalpyDHofreactiobetweentitaniumandboron,graphite,B4Cwerecalculatedbythermodynamictheory.TheGifreeenergyDGofabovereactioisnegative,whichindicatesthattheabovereactioallcantakeplace.ItispoibletosynthesizeTiB2andTiCutilizingthereactionbetweentitaniumandB4C.However,coideringfromchemicalbalance,TiB2cannotexistintitaniummatrixalloystably.Theabovereactioreleasequitealotofheat.Moreover,theadiabatictemperatureisgreaterthanthetheoreticalcriterion,whichindicatesthatthereactioncanbesustainedbyitself,namelyself-propagationhigh-temperaturesynthesisreactioncanoccur.
2.TitaniummatrixcompositesreinforcedwithTiBwhisker,TiCparticleorTiBwhiskerandTiCpart iclehavebeenproducedbynon-coumablevacuumarcremeltingfurnaceandcoumablevacuumarcremeltingfurnace.TheresultsofX-raydiffractionshowthattheinsitusynthesizedreinforcementsareTiBandTiC.Thereinforcementsweredistributeduniformlyinmatrixalloy.Theshapesofreinforcementsareshort-fibreshape,dendriticshapeandequiaxedshapeornear-equiaxedshape.Thereinforcementwithshort-fibreshapeisTiB,thereinforcementwithdendriticshapeandequiaxedshapeornear-equiaxedshapeisTiC.Theexperimentalresultisingoodagreementwiththeoreticalresult,whichprovidesgistforcommercialproductionofinsitusynthesizedtitaniummatrixcomposites.
3.Thegrowthmechanismsofreinforcementsininsitusynthesizedtitaniummatrixcompositeshavebeeninvestigated.Thegrowthmechanismsarecloselyrelatedtosolidificationpathsandcrystalstructures.Thereinforcementsdiersefrommeltandgrowinthewayofnucleationandgrowth.FortheinsitusynthesizedTiBwhiskerandTiCparticlereinforcedtitaniummatrixcomposites,thereinforcementsundertakethefollowingthreestages:primarycrystal,binaryeutecticandternaryeutectic.Duetothedifferentcrystalstructures,TiBandTiCgrowindifferentshapes.TiBisliabletogrowalong[010]directionandformshort-fibreshapeduetoit’sB27crystalstructure.TheshapeofTiBatcrosectionispolygon,thecrystalfacesarecomposedwith(100),(101)and(10).Moreover,thereisstackingfaultinTiBandthestackingfaultislikelytoformat(100)crystalface.TiCwithNaClcrystalstructuregrowsindendritic,equiaxedornear-equiaxedshape.
4.Theeffectsofaluminumadditiononmicrostructureandmechanicalpropertiesofinsitusynthesizedtitaniummatrixcompositeshavebeeninvestigated.Theadditionofalloyingelementaluminumdoe’tchangephasesandadjustthesolidificationpath.However,thealloyingelementhindersthenucleationandgrowthofreinforcementsthatresultinmorefineTiBandTiCreinforcementsandmakeTiCreinforcementsgrowwithequiaxedparticleseasily.Aluminumnotonlystrengthethematrixalloybysolidsolutionstrengthening,butalsoimprovesthemechanicalpropertiesbyrefiningthereinforcements.
5.TheinterfacialmicrostructuresofinsitusynthesizedTiBwhiskerandTiCparticlesreinforcedtitaniummatrixcompositeshavebeenoervedbymeaoftramiionelectronicmicroscopyandhigh-resolutiontramiionelectronicmicroscopy.Theresultsshowthattheinterfacesareveryclean.Theyarebondedwell.ThereisnocoistentcrystallographicrelatiohipbetweenTiCandtitanium.However,therearefollowingcoistentcrystallographicrelatiohibetweenTiBandtitanium:,,(0002)Ti//(001)TiB,and,,(0002)Ti//(200)TiB.Moreover,itiscloselyrelatedtothecrystalstructuresofreinforcementandmatrixalloy.Theformationofabovecrystallographicrelatiohiisvaluabletodecreasetheenergyoflatticestrainbetweenreinforcementandmatrixalloy.
6.Themechanicalpropertiesofcast-titaniummatrixcompositesandhigh-temperaturetitaniummatrixcompositesafterhot-forginghavebeeninvestigated.Duetotheincorporationofinsitusynthesizedreinforcements,themechanicalpropertiesimproveobviouslycomparedwithmatrixalloy.Whenthevolumeofreinforcementsis8,theYoung’smodulusE,yieldstrengths0.2andteilestrengthare131.2GPa,1243.7MPaand1329.8MPa,reectively.Theyimprove19.3,47.4and45.5,reectively.Thestrengtheningmechanismsincludethefollowingfactors:undertakingloadofreinforcements,refinementofgrainsizeandformationofhigh-deitydislocatio.TheadditionofgraphiteformsmoreTiCparticleswithequiaxedornear-equiaxedshapethatisvaluabletoimprovethemechanicalpropertiesoftitaniummatrixcompositesatroomtemperature.ThisisrelatedtoexistingofTiBthatresultfractureofcompositesatlowlevelofaliedstrain.
7.Theultimateteilemechanicalpropertiesoftitaniummatrixcompositesatelevatedtemperaturehavebeeninvestigated.Theultimateteilestrengthsofinsitusynthesizedtitaniummatrixc ompositesat600oC,650oCand700oCare786.1MPa,657.4MPaand564.3MPa,paredwithIMI834alloy,theultimateteilestrengthat600oCimproves23.8.Astemperatureincreases,theyieldstrengthandultimatestrengthdecrease,paredwithmatrixalloy,themechanicalpropertiesathightemperatureofinsitusynthesizedtitaniummatrixcompositesimproveobviously.Theanalysisoffracturesurfacesshowthatcrackareformedduetothefractureofreinforcementsatlowtemperature,whilethecracksarelikelytonucleateattheendsofshort-fibreTiBandpropagatetomatrixalloyathightemperaturesothatcompositesfailure.Theyindicatethatundertakingloadofreinforcementsisvaluabletoimprovethemechanicalpropertiesatlowtemperature.Athightemperature,thestrengtheningeffectresultsfromtheinteractionbetweenreinforcementsanddislocatio.DislocatioareliabletoaccumulateandentangleattheendsofTiBwhiskers,paredwithequiaxedornear-equiaxedTiCparticle,thestrengtheningeffectofTiBwhiskerontitaniummatrixcompositesislowerthanthatofTiC.ThisisalsothemainreasonthattheadditionofgraphitetoformmoreTiCisvaluabletoimprovethemechanicalpropertiesathightemperature.
复合材料论文第7篇
四点弯曲性能测试：按照标准ASTMD6109-2005进行测试；吸水率测试：按标准GB/T17657-1999中4.6进行测试；落锤冲击性能测试：按标准ASTMD4495-00进行测试，落球重量4.5kg；加工流变性能：在HAAKE转矩流变仪上进行测试，温度170℃，转子转速30r/min，加料量40g；SEM分析测试：制小样条，液氮冷冻萃断，对样条断面进行喷金处理。
2结果与讨论
试验配方中，添加一定比例的木粉、塑料和相容剂，其中剂总添加比例为2.7%。分别采用一步法、两步法、三步法工艺进行试验，其中三步法工艺造粒前剂添加比例为1.35%，造粒后再添加1.35%，按照工业化的生产流程，挤出15×50mm(厚度×宽度)实心型材。
2.1不同生产工艺对加工性能的影响从表1可以看出，在相同的温度参数、主机转速条件下，一步法工艺主机转矩和熔体压力最大，两步法工艺最小，三步法工艺次之；从型材外观上看，两步法工艺和三步法工艺生产出的型材表面光滑，一步法工艺型材表面有细小的横线裂纹；从挤出线速比较，三步法工艺是一步法工艺的1.84倍，是两步法工艺的1.31倍。在相同的主机转速下，主机转矩、熔体压力和挤出线速主要体现物料的流变性能，将一步法工艺的高混料和两步法、三步法工艺的造粒料通过扭矩流变仪进行流变性能的测试，从表2的流变特征参数可以看出，一步法工艺由于混合后的物料没有经过造粒塑化的过程，在型材挤出过程中，需要较长的时间才能将物料塑化熔融，一步法工艺的平衡时间最长，需要3.28min，同时一步法工艺的平衡扭矩也为最大，说明熔融物料的表观粘度很大，流动性差，型材挤出速度慢；两步法工艺，平衡时间适中、平衡扭矩低，说明生产时经过造粒的过程后，物料较易塑化，物料流动性好[3]；三步法平衡时间最短，平衡扭矩适中，这说明了剂分两步添加，造粒后添加的剂损失少，缩短了塑化的时间，起到真正的作用，成型时挤出速度快，而平衡扭矩比两步法工艺略大，可能是因为造粒过程，剂对相容剂的副反应小，使得木粉和塑料基体的结合力增强，熔体压力增加，这是加快挤出线速的同时提高型材物理机械性能的基础。
2.2不同生产工艺对材料性能的影响从表3可以看出，弯曲性能上比较，弯曲强度两步法比一步法高18.4%，三步法比两步法高19.2%，刚性(弯曲模量)也有同样变化趋势。落锤冲击高度方面，两步法比一步法高100mm，三步法比两步法高150mm。从以上数据比较可以看出，三步法性能最好，一步法性能最差，这是因为一步法工艺物料通过高速混合机搅拌后，物料中木粉间的结合水还没能完全排出，物料水份较多，一般在2%以上，木粉和塑料的界面结合力差，高混后物料直接通过锥形挤出机挤出型材，物料与螺杆、机筒的剪切力较小，木粉没能均匀分散在塑料基体中，再加上锥形挤出机低速转动，容易出现木粉聚集成团的质量问题，这也是型材表面出现裂纹的原因，同时型材的物理机械性能差。相比两步法工艺，物料混合后再通过平行双螺杆挤出机造粒，在强的剪切力作用下，将木粉间的结合水大部分排出，破坏木质纤维间的分子间作用力，使木粉均匀分散于塑料中，同时木粉表面羟基(-OH)与MAPE的酯基(-COO-)发生反应，改善了木粉和塑料的界面结合力[4]。所以，当型材受到外力作用下，塑料基体能有效地、均匀地通过两者界面把应力传递给木粉，界面结合力的提高，型材的弯曲强度和韧性也随之提高。三步法工艺将复合剂分两部分添加，混料时添加一定比例剂，造粒后再添加一定比例剂，复合剂中含有一定比例的硬脂酸类外剂，例如硬脂酸锌，在混合过程中水分的存在使MAPE产生MAH，可与硬脂酸锌发生反应，这种反应在热力学上比MAPE与木质纤维的偶合更容易发生，也就使得木粉和塑料的界面结合力变差[5]。在混料时添加一部分剂以满足造粒过程中剪切和分散的需要，防止塑料的降解和木粉的碳化，相比两步法工艺，造粒时剂量少，剪切力也大，水分容易排除，也降低硬脂酸类外剂对MAPE的影响，这样相对两步法提高木粉和塑料的界面结合力，型材的性能明显提高。造粒后再添加剂进行混合以保证型材挤出表面光滑度，提高挤出线速和型材性能稳定性。从***2不同生产工艺的30天吸水率比较可以看出，随着浸泡时间的增加，吸水率都逐渐增加，其中采用三步法工艺生产的型材吸水率最小，30天浸泡的吸水率为1.75%，采用一步法工艺生产的型材吸水率最大，30天浸泡的吸水率为3.60%，是三步法工艺型材吸水率的2.05倍。这是因为木塑复合材料的吸水性主要是由木粉引起的，通常界面结合力差、分散越不均匀的木塑复合材料吸水率越大[4]。木粉有较强的吸水性，易吸水后与水分子之间形成氢键，木粉和塑料是典型的海岛结构，一步法工艺木粉的分散性和界面结合力差，木粉还没被塑料完全包裹，水分子进入两者的间隙易与木粉形成氢键，吸水率增加。三步法工艺提高了木粉的分散性和界面结合力，吸水率较小。
2.3不同工艺生产的木塑复合材料SEM分析通过SEM观察型材断面形貌，可以客观反映木粉和塑料的界面结合。***3是一步法工艺生产的型材断面形貌，可以明显看出，断面分布很不均匀，说明木粉并没能在塑料中很好的分散，且出现一些小空洞，可能是由于木粉没被塑料很好包裹造成，说明木粉和塑料界面结合较差，受到应力作用时，从界面结合处开始发生断裂；***4是两步法工艺生产的型材断面形貌，可以看出两相分布的均匀性有较大改善，出现较多的纤维拉丝现象和小孔洞，说明两步法工艺能使木粉在塑料中分散均匀；***5是三步法工艺的型材断面形貌，可以明显看出断面很粗糙，且出现纤维拉丝现象和深孔洞，说明三步法工艺生产的型材，不仅两相分散均匀，而且能提高两相的界面结合力，受到应力作用发生断裂时，木粉被抽出形成深的孔洞。
3结论