复合材料论文范文精选

1研究现状

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

一高职复合材料专业毕业设计存在的问题

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手机号码，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

摘要：高性能复合保温材料在异型屋面工程中的应用

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。

【摘要】锌镀层的使用寿命取决于镀层的耐蚀能力，为达到提高其耐蚀能力目的，文章探讨了纳米CeO2/Zn金属基复合材料在锌镀层中的应用，并从其应用的优越性和可行性方面作了分析。

【关键词】锌镀层；耐蚀；纳米氧化铈；金属基复合材料

锌镀层用于防止钢铁制品的锈蚀，已有200多年的历史，至今，它在钢铁材料防蚀涂层中仍占有重要的地位。锌镀层的使用寿命取决于镀层的耐蚀能力，镀层的耐蚀能力越强，则镀层的使用寿命就越长。随着日益发展的科技与经济的需要，如何更好的改善镀层的耐蚀能力对镀层材料提出了更高的要求。

一、土元素在镀锌防腐蚀应用研究中的进展

随着对稀土材料的开发研究，人们逐渐认识到其优越性，并将其应用在不同领域。20世纪80年代，Hinton和Wilson首次研究了稀土对纯锌的缓蚀作用，发现1.0g/L的CeCL3可使纯锌的腐蚀速率降低到原来的1/10，使电镀锌的腐蚀速率降低到原来的1/2，腐蚀试验完毕后纯锌和电镀锌表面形成了一层黄色的膜。之后，Hinton进一步研究了纯锌和电镀锌表面的稀土转化膜的成分和结构，发现膜中主要组成物质是CeO2和Zn，并且Ce是以四价形式存在于膜中的。昆明理工大学的郭忠诚副教授在1996年第5期的《金属学报》中发表过一篇《稀土对复合镀工艺及镀层性能的影响》，研究了稀土对Ni-SiC复合镀工艺及镀层性能的影响。结果表明，添加适量的稀土能显著地提高复合镀层中微粒的含量、硬度和耐磨性。

已有研究表明，加入稀土氧化物CeO2所产生作用如下：

1．稀土元素细化微观组织结构，减小第二相树状晶体间距和涂层夹杂物含量；

2．稀土元素的加入对减少涂层金属材料在基体上的扩散是很有效的；

1结构形式

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

1毕业设计的重要性

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手机号码，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。

1性能测试

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。从图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。图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；图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；图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

1拉伸

GB/T1447的Ⅱ型试样，在测试σT1、σT2时，试样宽度为25mm，对0°纤维、0°纤维占多的复合材料或碳纤维等高性能纤维复合材料，破坏载荷较大，经常导致加强片脱落致使无法继续加载，增加测试的难度。GB/T3354、ISO527-5和ASTMD3039，试样宽度为15mm，对于一些织物增强复合材料，由于织物的尺寸效应对测试结果有较大影响。上述各试验方法均使用端部加强片，加强片的目的是试图以最小的应力集中将来自夹头的载荷分布到试样上。然而设计不当的加强片界面将使破坏发生在邻近加强片的部位，导致非常低的测试强度值。胶接加强片的胶粘剂对结果的影响远大于加强片的角度。成功的设计是采用足够韧性的胶粘剂而不是加强片的角度［4］。GB/T1458和ASTMD2290无法测得泊松比和σT2，得到的σT1值离散较大。综上，对0°纤维、0°纤维占多的复合材料或碳纤维等高性能纤维复合材料，建议按GB/T3354、ISO527-5和ASTMD3039试验，对性能较低或一些织物增强复合材料，建议采GB/T1447的Ⅱ型试样，按GB/T1447试验。

2剪切

GB/T3355、ISO14129和ASTMD3518均利用±45°层合板拉伸试验，得到复合材料面内剪切响应，该试验方法具有测试试样简单、不需要夹具以及采用引伸计进行应变测试的特点。并已证明和其他剪切试验方法的模量测试具有良好的一致性。尽管很多人认为试样的应力状态可能不“纯”，但它的响应确实模拟了结构层合板中的实际应力状态和铺层相互的作用，对于设计者来说是比较实用的［4］。GB/T3355、ISO14129和ASTMD3518仅适用±45°均衡对称铺层的层合板试样。在整个工作段存在面内正应力分量，且在自由边界处存在着复杂的应力场，因此所计算的破坏剪应力值并不是材料的剪切强度值。特别是在大变形时，随着应变的增加导致纤维方位逐渐变化，逐渐偏离纤维方位假设。ISO14129和ASTMD3518都规定在5%剪应变时终止试验，以5%剪应变时的剪应力作为极限剪切强度，GB/T3355-2005对此没有规定，在新修订的GB/T3355中已作了相应的修改。ASTMD5379和我国标准《聚合物基复合材料剪切性能V型缺口梁试验方法》(报批稿)，有一比较突出的优点，不仅可测得G12、τ12，通过改变试样的方向，还可测得G21、G13、G23、G31和G32。从图2试样的剪力图和弯矩图可以看出，试样工作区处于恒剪力而弯矩为零的区域，V型缺口影响沿加载方向的剪应变，使剪应力分布更加均匀。剪力分布的均匀度为材料正交各向异性的函数，在［0/90］ns类型层合板上已经获得最佳的所有面内剪切结果［4］。然而试样工作段处于恒剪力而弯矩为零仅是理想状态，实际情况是夹具对试样施加的是分布载荷，它会对剪应变的分布和正应力分量产生影响，该影响对［90］n、含±45°铺层试样特别不利［4］。加载过程中可能发生试样的扭转，扭转影响强度，特别是模量的试验结果。GB/T28889、ASTMD7078与ASTMD5379有很多相似之处。GB/T28889、ASTMD7078大大改善了ASTMD5379对［90］n、含±45°铺层试样特别不利的状况。加载过程中的扭转，特别是试样两边螺栓的扭力不一致时，对试验结果有较大影响。试样缺口处的宽度达31mm，对某些层合板，难以加载至破坏的现象时有发生。ISO15310要求有特殊的试验夹具，加载点定位困难，不适合于获取剪切强度数据。ASTMD4255要求有特殊的试验夹具，结果易受试样加工缺陷影响，所得的数据离散较大。ASTMD5448的试样为纤维缠绕圆管，试样制备的费用高，端部夹持处存在应力集中，容易造成在夹持区内破坏。GB/T1450.1、JC/T773和ISO14130仅能测得层间剪切强度，不能测得剪切响应。GB/T1450.1试样型式存在应力集中，所得的数据离散较大。综上，测G12、τ12时，建议按GB/T3355、ISO14129、ASTMD3518和ASTMD5379试验，并在5%剪应变时终止试验;测［0］ns、［0/90］ns层合板的剪切参数时，按ASTMD5379试验;测［90］ns、含±45°铺层或织物增强层合板剪切参数时，按GB/T28889、ASTMD7078试验。

3压缩

除试样加工影响外，受试样几何尺寸、对中和夹具的影响，采用不同的方法，所测得的压缩强度是不同的。其中夹具设计和加工精度尤为重要，夹具的过度约束可能遏制某些实际的破坏模式，导致测试值偏高;但如没有合适的约束，会发生试样端部开花、屈曲等破坏，导致测试值偏低。所有标准仅给出夹具的型式，没有规定夹具的材质、尺寸、加工精度等细节，因此使用者需根据经验、摸索等设计加工合适的夹具。GB/T3856、GB/T5258、ISO14126和ASTMD3410圆锥形剪切加载夹具存在试样安装和应变测量难度较大的问题。GB/T3856没有规定在测试过程中判别试样是否弯曲或屈曲，且试样宽度仅为6mm，对一些材料存在尺寸效应，影响测试结果。GB/T5258和ISO14126给出了端部加载夹具，该夹具仅适用低性能的材料，如短纤维复合材料、连续纤维复合材料较弱的方向。GB/T3856和GB/T5258没有规定模量的取值范围，期望修订时增加。GB/T5258和ISO14126的联合加载以及ASTMD6641的联合加载，试验方法依赖于试样与夹具间的高摩擦系数。GB/T1448要求试样厚度为4mm以上，更适合面外压缩性能测试。综上，测定面内压缩强度σc1和σc2时，建议采用剪切加载方式，按GB/T5258、ISO14126和ASTMD3410进行试验;测定面外压缩强度σc3时，按GB/T1448进行试验。

4层间拉伸

复合材料层间拉伸的国外标准并不多，较为成熟的标准方法有ASTMD7291。我国尚没有制订测定层间拉伸模量E3的标准，GB/T4944仅能测定层间拉伸强度，不能测定E3。因此，期望制定测定E3的国家标准，或在修订GB/T4944时增加测定E3。

作者简介：吕维洁，男，1973年02月出生，1997年04月师从于上海交通大学张荻教授，于20__年11月获博士学位。摘要

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。

全球复合材料发展概况

复合材料是指由两种或两种以上不同物质以不同方式组合而成的材料，它可以发挥各种材料的优点，克服单一材料的缺陷，扩大材料的应用范围。由于复合材料具有重量轻、强度高、加工成型方便、弹性优良、耐化学腐蚀和耐候性好等特点，已逐步取代木材及金属合金，广泛应用于航空航天、汽车、电子电气、建筑、健身器材等领域，在近几年更是得到了飞速发展。

随着科技的发展，树脂与玻璃纤维在技术上不断进步，生产厂家的制造能力普遍提高，使得玻纤增强复合材料的价格成本已被许多行业接受，但玻纤增强复合材料的强度尚不足以和金属匹敌。因此，碳纤维、硼纤维等增强复合材料相继问世，使高分子复合材料家族更加完备，已经成为众多产业的必备材料。目前全世界复合材料的年产量已达550多万吨，年产值达1300亿美元以上，若将欧、美的军事航空航天的高价值产品计入，其产值将更为惊人。从全球范围看，世界复合材料的生产主要集中在欧美和东亚地区。近几年欧美复合材料产需均持续增长，而亚洲的日本则因经济不景气，发展较为缓慢，但中国尤其是中国内地的市场发展迅速。据世界主要复合材料生产商PPG公司统计，2000年欧洲的复合材料全球占有率约为32%，年产量约200万吨。与此同时，美国复合材料在20世纪90年代年均增长率约为美国GDP增长率的2倍，达到4%~6%。2000年，美国复合材料的年产量达170万吨左右。特别是汽车用复合材料的迅速增加使得美国汽车在全球市场上重新崛起。亚洲近几年复合材料的发展情况与政治经济的整体变化密切相关，各国的占有率变化很大。总体而言，亚洲的复合材料仍将继续增长，2000年的总产量约为145万吨，预计2005年总产量将达180万吨。

从应用上看，复合材料在美国和欧洲主要用于航空航天、汽车等行业。2000年美国汽车零件的复合材料用量达14.8万吨，欧洲汽车复合材料用量到2003年估计可达10.5万吨。而在日本，复合材料主要用于住宅建设，如卫浴设备等，此类产品在2000年的用量达7.5万吨，汽车等领域的用量仅为2.4万吨。不过从全球范围看，汽车工业是复合材料最大的用户，今后发展潜力仍十分巨大，目前还有许多新技术正在开发中。例如，为降低发动机噪声，增加轿车的舒适性，正着力开发两层冷轧板间粘附热塑性树脂的减振钢板；为满足发动机向高速、增压、高负荷方向发展的要求，发动机活塞、连杆、轴瓦已开始应用金属基复合材料。为满足汽车轻量化要求，必将会有越来越多的新型复合材料将被应用到汽车制造业中。与此同时，随着近年来人们对环保问题的日益重视，高分子复合材料取代木材方面的应用也得到了进一步推广。例如，用植物纤维与废塑料加工而成的复合材料，在北美已被大量用作托盘和包装箱，用以替代木制产品；而可降解复合材料也成为国内外开发研究的重点。

另外，纳米技术逐渐引起人们的关注，纳米复合材料的研究开发也成为新的热点。以纳米改性塑料，可使塑料的聚集态及结晶形态发生改变，从而使之具有新的性能，在克服传统材料刚性与韧性难以相容的矛盾的同时，大大提高了材料的综合性能。

树脂基复合材料的增强材料

树脂基复合材料采用的增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维等。

1、玻璃纤维