分类目录归档:材料学

钣金设计-K系数

1  钣金(Sheet Metal)

钣金加工的基本准则包括重要的设计考虑因素,以帮助改善零件的可制造性,改善外观并减少总体生产时间。

2  基本原则

钣金加工几种方式:冲压,切割,折弯。

3D文件将转换为机器代码,从而控制机器将纸张精确切割并形成最终零件。

由于零件由单片金属制成,因此设计必须保持均匀的厚度。

确保遵循设计要求和公差,以确保零件更接近设计意图并切割金属板。

3  折弯

折弯是由折弯机进行的,折弯机可以自动或手动加载。根据工艺要求,可以提供各种尺寸和长度(20-200吨)的折弯机。

折弯机包含一个上模(称为冲头)和下模(称为模具),在其间放置钣金。

钣金件放置在两者之间,并由后挡块固定在适当的位置。弯曲角度取决于冲头将板材压入模具的深度。精确控制该深度以实现所需的弯曲。通常将标准工具用于冲头和模具。

按强度增加的顺序,模具材料包括硬质木材,低碳钢,工具钢和碳化钢。

4  关键参数

工程师在设计弯曲时需要遵守机械准则。可以通过参数来表征弯曲。在CAD软件中设计钣金时,需要考虑的一些关键尺寸是钣金厚度t,k因子和折弯半径r。

K系数–中性面在材料中的位置,以中性轴T的距离与材料厚度t之比计算得出。K系数取决于材料,弯曲角度等,其公式为:K=T/t

K的值可以从弯曲零件的3个样本的平均值中计算出K因子,并将折弯容差,折弯角度,材料厚度和内半径的测量值代入以下公式:

常见的K系数:

复合材料单向带等效模量计算方法

1  复合材料单向带杨氏模量计算方法

以航空上常用的单向带预浸料M21/35%/UD268/T700为例:

材料模量E
(GPa)
体积含量
(%)
密度 ρ
(g/cm3)
碳纤维-carbon fibre23557.2%1.78
基质(树脂)-matrix (resin)3.542.8%(重量比为35%)1.28

1.1  单向带复合材料模量的计算

复合材料本质上是两种(多种)材料的混合,其模量可以通过基本材料的属性计算得来。

单层(例如预浸料)沿纤维方向杨氏模量的计算:

Ec = EfVf + EmVm

= 235×0.572 + 3.5×0.428

= 136 GPa

  • Ec =单层等效模量 (GPa)
  • Ef = 纤维的模量 (GPa)
  • Vf = 纤维的体积含量(%
  • Em = 基质(树脂)的模量 (GPa)
  • Vm = 基质(树脂)的体积含量(%

2  复合材料层合板的单层等效模量计算

2.1  纤维角度的效率因子

效率因子或克伦切尔因子可用于预测纤维取向对模量的影响,该术语用于根据纤维角度将“混合规则”公式分解为因子:

  • an= 纤维百分比
  • ? = 纤维角度
  • ??= 效率因子

典型的效率因子系数值:

因此对于不同于主纤维方向的单向带的模量可以由下式计算:

E? = ??EfVf + EmVm

因此:

E? = (Cos4? × 235×0.572) + (3.5×0.428)

? = Cos4 ?

  • 当纤维时,η = 1
  • 当纤维45°时,η = 0.25
  • 当纤维90°时,η = 0

对于铺层为(0/0/0/+45/-45/0/0/0)的复合材料层合板有:

x方向效率因子:(6/8 × 1) + (2/8 × 0.25) = 0.8125

y方向效率银子:(6/8 × 0) + (2/8 × 0.25) = 0.0625

代入公式:E? = ??EfVf + EmVm

可得:

Ex = (0.8125 × 235×0.572) + (3.5×0.428) = 110.5 GPa

Ey = (0.0625 × 235×0.572) + (3.5×0.428) = 9.9 GPa

2.2  Hart-Smith的百分之十法则

对于常见的仅有四个方向(0、45、90、135或-45)纤维铺层的复合材料,Hart-Smith提出了一个“百分之十法则”,即每45°或90°被认为具有0°方向纤维的十分之一层的刚度和强度。此方法提供了一个简便有效,且足够精确的方法来计算复合材料的刚强度属性。

哈特-史密斯(Hart-Smith)为四轴纤维复合材料结构的初步定型提出了经验性的“百分之十法则”。 在其原始形式下,每层45°或90°的轴向刚度和强度都被认为是参考0°层的十分之一。 认为每个0°或90°层的面内剪切刚度和强度都相当于等效的±45°层的十分之一。

Ex = E11 × (0.1 + 0.9 × % plies at 0°) = 136 × (0.1 + (0.9 × 0.75)) = 136 × (0.775) = 105.4 GPa

Ey = E11 × (0.1 + 0.9 × % plies at 0°) = 136 × (0.1 + (0.9 × 0)) = 136 × (0.1) = 13.6 GPa

2.3  等效模量在效率因子方法和百分之十法则下计算结果的对比

CFRP 薄板失效模式

1  拉伸载荷失效模式

1.1  纵向拉伸

在纵向拉伸载荷下,单向板中最薄弱的横截面内会出现少量纤维断裂。每根纤维断裂后,会通过基体将载荷转移至邻近的纤维。随着载荷的持续增加,越来越多的纤维出现断裂。当某个静截面承载能力减少到低于施加载荷时,发生最终失效。失效模式可以归结为三种模式:

a脆性破坏、b带纤维拔出的脆性破坏和c不规则破坏,如下图:

由纤维断裂引起的裂纹在随后的加载过程中会扩展到基体中去,其路径主要依赖于集体和界面的性能。

  • 如果基体与纤维之间的粘接强度高,那么裂纹沿垂直于载荷的方向在基体中扩展,表现为相当光滑的断面,如上图a。
  • 反之,裂纹则主要沿界面扩展,表现为在一些薄弱界面纤维与基体界面剥离和断裂纤维从基体中拔出,如上图b。
  • 中间状态则为不规则的破坏,如上图c

1.2  横向拉伸

复合材料横向拉伸失效肯定不发生纤维破坏,即“基体模式”失效。当横向拉伸载荷作用于单向板,在集体内和界面上产生高的应力集中。因此,主要失效模式为基体内和/或界面上的拉伸开裂。横向拉伸下的失效模式如下图:

2  压缩载荷失效模式

由于基体和界面与纤维相比相对较弱,因而单向层合板在压缩载荷作用下可沿纤维方向在基体内或界面上产生断裂,如下图。这是因为基体和纤维的泊松比存在差异导致横向拉伸应力的结果。如果纤维产生屈曲,界面可剪切破坏并导致最终失效。但是,如果基体韧性较好且界面强度较高,则纤维可以弯曲而不发生基体破坏,最终失效形式是弯曲。宏观上,纵向压缩载荷下的主要失效模式是剪切屈曲,如下图(b),它就象是面内的与载荷成一定角度的剪切破坏。

横向压缩下,失效可能沿平行于纤维轴的基体界面出现剪切破坏,类似于均质材料的压缩破坏。

3  剪切载荷失效模式

单向板的剪切破坏一般发生在平行于纤维的树脂和纤维/树脂界面,而且界面的完整性对剪切强度时一个重要因素。下图示出了面内剪切失效模式。

参考文献:国检检测

典型纤维的机械和热属性

1  纤维

纤维构成用于制造结构复合材料的增强材料的主体。常见的低密度纤维是由较轻的材料制成的,尤其是那些基于原子序数较低的元素(例如H,Be,B,C,N,O,Al,Si等)的材料。纤维的横截面可以是圆形的,例如在玻璃纤维,硼纤维和凯夫拉尔纤维的情况下,但是某些纤维可以具有规则的棱柱形横截面(例如晶须)或任意横截面(例如PAN,人造丝和特殊沥青基碳纤维)。横截面的不规则性可能会在光纤中引入各向异性。

从微观结构的角度来看,纤维可以是非晶态(玻璃),多晶态(碳,硼,氧化铝等)或单晶(碳化硅,氧化铝,铍和其他晶须)。与形成纤维的散装材料相比,纤维的强度和刚度特性明显更高。大多数普通纤维本质上都是脆性的。块状脆性材料的抗张强度明显低于理论强度,因为它受块状材料可能包含的缺陷的形状和大小控制。由于纤维的直径非常小,因此可能包含的瑕疵必须小于纤维的直径。较小的缺陷尺寸继而降低了缺陷的临界度,从而提高了拉伸强度。例如,普通玻璃(体)的抗张强度可以低至100-200MPa,而S-glass玻璃纤维的抗张强度可以高至5000MPa。但是,基于分子间力,理想的玻璃纤维的拉伸强度为10350 MPa。此外,微晶沿着纤维方向的取向也大大有助于改善强度性能。与多晶纤维不同,晶须是单晶,不易出现晶体缺陷,并具有很高的强度和刚度。石墨晶须的拉伸强度和拉伸模量分别高达25000 MPa和1050 GPa。与商业纤维相比,这些值非常重要。市售的PAN基T300纤维的典型纵向拉伸性能为2415 MPa(强度)和220 GPa(模量)。

无机和有机纤维均用于制造结构复合材料。最常用的是玻璃,硼,碳,碳化硅,二氧化硅,氧化铝等无机纤维(包括陶瓷纤维)。结构等级的有机纤维的数量相对很少。芳族聚酰胺纤维是最流行的有机纤维。最近又增加了一种高强度聚乙烯纤维(Spectra 900),它具有非常低的密度和出色的抗冲击性能。碳纤维也可以与有机纤维组合在一起,尽管它们通常被视为陶瓷(无机)纤维。

无机纤维通常坚固,坚硬,热稳定并且对湿气不敏感。它们表现出良好的抗疲劳性能,但能量吸收特性低。

有机纤维通常更便宜,更轻且更有弹性。它们具有高强度和更好的抗冲击性能。

2 典型纤维机械属性

3 典型纤维热属性

纤维增韧复合材料-FRP

纤维复合材料(Fiber Reinforced Polymer-FRP)主要有三种:

  • 碳纤维增强聚合物(Carbon Fiber Reinforced Polymer,简称CFRP)
  • 玻璃纤维增强聚合物(Glass Fiber Reinforced Polymer,简称GFRP)
  • 芳纶纤维增强聚合物(Aramid Fiber Reinforced Polymer,简称AFRP)。

工程中使用的FRP材料中,纤维体积含量一般为60%~65%,剩余的为基质,一般为树脂。

1  碳纤维增强复合材料-CFRP

碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber-Reinforced Plastic-CFRP)是以碳纤维或碳纤维织物为增强体,以树脂、陶瓷、金属、水泥、碳质或橡胶等为基体所形成的复合材料。在众多轻量化材料中具有较高的比强度、比刚性,轻量化效果十分明显,在航空航天、军工产品中得到广泛应用。应用在车身结构件中,减轻质量效果尤为明显,比钢铁材料轻50%,比铝材轻30%,因此得到国内外各大汽车公司的广泛关注。

碳纤维(Carbon Fiber)是纤维状的炭材料,具有高强度和高弹性模量的特点。根据其原料及生产方式不同,主要分为聚丙烯腈基碳纤维及沥青基碳纤维。前者是把聚丙烯腈纤维在惰性气体中高温加热所获得的纤维,是高强度型碳纤维。后者是把煤焦油或石油沥青抽丝后经高温烧结而成的纤维,是一种高弹性模量型的碳纤维。碳纤维聚合物(CFRP)是以碳纤维为组分,以树脂为基体,通过一定的成型方法形成的单向排列的碳纤维的复合片材。它具有高强轻质、抗腐蚀、耐老化、物理性能稳定等极其优越的品质。高强度碳纤维聚合物的抗拉强度可达到3400MPa,比钢材高7~10倍,弹性模量有2.3×105MPa至3.9×105MPa等几种,而常用的碳纤维聚合物片材每平米只有几百克的重量。同时,根据自然和加速暴露试验表明,碳纤维聚合物的抗拉强度以及与混凝土的粘结强度在相当于50年的时间内不发生改变,具有足够的耐候性,而且碳纤维聚合物的疲劳性能优于钢和混凝土材料。

2  玻璃纤维聚合物(GFRP)

VESTAS 风力发电机机舱的GFRP外壳

玻璃纤维聚合物(GFRP),强度为590~1130MPa,密度为1.5~2.0g/cm3,耐腐蚀性好,用它加固补强,可全面提高被加固构件的各项力学性能指标并改善构件的受力性能。同时,玻璃纤维聚合物与混凝土的线膨胀系数接近,与混凝土结构的协同工作性能良好,且施工简便快捷,是一种极具优势的补强加固材料。 玻璃纤维主要有E玻璃纤维(电绝缘性)、C玻璃纤维(耐化学腐蚀性)、S或S玻璃纤维(高强度)、M玻璃纤维(高弹性模量)和AR玻璃纤维(耐碱玻璃)等。其中E玻璃纤维及其制品在混凝土结构补强加固中使用最多。配套树脂主要有不饱和聚酯树脂(UP)、环氧树脂、酚醛树脂、热固性树脂(呋喃类树脂、三聚氰胺甲醛树脂、聚丁二烯树脂、有机硅脂等)、聚氨酯树脂以及其他热塑性树脂(聚乙烯、聚丙烯、苯乙烯、ABS树脂、聚酰胺、聚碳酸酯、聚甲醛、聚酰亚胺、聚砜、聚砜醚、聚芳醚酮、聚苯硫醚等等)。其中,环氧树脂在混凝土结构补强加固中最为常用。

3  芳纶纤维增强聚合物-AFRP

芳纶(Aramid Fiber)是芳香聚酰胺纤维的简称。芳纶纤维增强复合材料(AFRP)是20世纪70年代发展起来的高性能结构材料。芳纶纤维除具有高强度、高弹性模量性能外,还有较高的耐热性能。因为芳纶纤维是刚性大分子链,活动性能较差,即使在高温下也能保持较高的强度。常用的芳纶纤维为芳纶1414,其原丝的抗拉强度为2.67~2.9GPa,弹性模量为38.9~50GPa。如生产高弹性模量的芳纶纤维,必须进行热拉伸,此时纤维的强度会略有下降,但弹性模量可增加到88.9GPa,甚至高达133GPa以上。

碳纤维(Carbon Fibre)国内外主要厂家汇总

1  国外碳纤维主要厂家

1.1  赫氏-Hexcel-美国

Hexcel成立于1948年,在美国和欧洲生产PAN碳纤维,在航空航天市场上非常成功。在许多先进的航空复合材料部件中都可以找到以商标名HexTow出售的Hexcel碳纤维,尽管该公司尚未将其产品扩展到更实用的地面用途。碳纤维由于其强度和对太空中发生的电偶腐蚀的抵抗力,最近已开始在航空航天工程中替代铝。

官网:https://www.hexcel.com/

产品页:https://www.hexcel.com/Products/

1.2  日本三菱丽阳株式会社-Mitsubishi Rayon Co. Ltd.

日本公司,Mitsubishi Chemical Holdings的子公司Mitsubishi Rayon Co.(MRC)生产用于要求轻量化和高强度的复合应用的PAN长丝碳纤维。美国子公司Grafil以Pyrofil的商品名生产碳纤维。尽管MRC的产品可用于航空航天工程,但它更普遍用于商业和休闲设备和装备,例如机车夹克和手套,以及碳基运动装备,例如高尔夫球杆和棒球棒。

官网: https://www.m-chemical.co.jp/en/index.html

产品页:https://www.m-chemical.co.jp/en/products/field/carbon/index.html

1.3  石墨纤维公司-Nippon Graphite Fiber Corp.-日本

Nippon总部位于日本,自1995年以来一直在生产沥青基碳纤维,并且使该市场变得更加便宜。由于复合材料的耐用性提高且产品相对便宜,因此在许多钓鱼竿,曲棍球棒,网球拍,高尔夫球杆和自行车车架中都可以找到日本碳纤维。

官网:http://www.ngfworld.com/en.html

产品页:http://www.ngfworld.com/en/en_product.html

1.4  索尔维(以前是Cytec工程材料)-Solvay-比利时

索尔维于2015年收购了Cytec工程材料(CEM),以Thornel和ThermalGraph的商品名生产纤维。它是由沥青和PAN两种工艺制成的连续和不连续碳纤维的制造商。连续碳纤维具有高导电性,非常适合航空航天应用。不连续碳纤维与热塑性塑料结合使用时,非常适合注塑成型。

官网:https://www.solvay.com/en/

产品页:https://www.solvay.com/en/chemical-categories/our-composite-materials-solutions/carbon-fiber

1.5  东邦特纳克斯-Toho Tenax-日本

Toho Tenax使用PAN前体制造碳纤维。这种碳纤维由于其相对较低的成本,较高的质量和耐用性而通常用于汽车,航空航天,体育用品和其他领域。专业的摩托车赛车手和滑雪者经常戴上Toho Tenax碳纤维制成的手套。该公司还提供了用于建造宇航员太空服的材料。

官网:https://www.teijin.com/

产品页:https://www.teijin.com/products/carbon-fiber/

1.6  东丽-Toray-日本

东丽公司在日本,美国和欧洲生产碳纤维。使用基于PAN的方法,可以将东丽碳纤维制成各种模量类型。较高模量的碳纤维通常更昂贵,但由于物理性能提高而所需的成本更低,尽管成本较高,但使这些产品在所有领域都很流行。

官网:https://www.toray.com/

产品页:https://www.toray.com/products/index.html

1.7  卓尔泰克-Zoltek-美国

由Toray的子公司Zoltek生产的碳纤维可用于许多应用,包括航空航天,体育用品以及工业领域,例如建筑和安全装备。

Zoltek声称将制造市场上成本最低的碳纤维。PANEX和PYRON是Zoltek碳纤维的商品名。

官网:https://zoltek.com/

产品页:https://zoltek.com/products/

2  国内碳纤维主要厂家

国内有些企业官方网站很难搜寻,请恕不在此列出。

2.1  江苏恒神纤维材料有限公司

江苏恒神纤维材料有限公司成立于2007年8月,公司是专业从事碳纤维、增强增韧树脂及其先进复合材料研发、制造、服务的高新技术企业,拥有从碳纤维、织物、树脂、预浸料到复合材料制品的完整产业链。公司建有省级PAN基碳纤维工程技术研究中心、恒神国际技术有限公司等研发平台,产品广泛应用于航空航天、轨道交通、新能源、工程车辆、船舶与海洋工程、建筑补强、体育用品等领域。

官网:https://www.hscarbonfibre.com/cn/

产品页:https://www.hscarbonfibre.com/cn/?page_id=153

2.2  台湾塑料工业股份有限公司

公司成立于1954年,在纤维制品方面,包括亚克力棉、碳素纤维,其中亚克力棉年产能十二万吨,为国内最大之生产厂。碳素纤维年产能二千吨,其生产制程所需原丝系本公司自行开发成功,是国际上少数生产厂之一,对国内高科技工业发展贡献良多。

官网:http://www.fpc.com.tw/fpcw/index.php

产品页:http://www.fpc.com.tw/fpcw/index.php?op=proL&f=1&s=17

2.3  威海光威(拓展)纤维有限公司

威海拓展纤维有限公司成立于2001年,是专门从事高性能碳纤维及制品研发生产的高新技术企业。

2005年建成了国内第一条GQ3522百吨级高性能碳纤维生产线。2008年建成国内第一条GQ3522千吨级产业化生产线并连续稳定运行。2010年突破GQ4522碳纤维核心技术,实现了工业化生产,产能1100吨/年。2013年6月突破QZ5526碳纤维核心技术。

产品现已广泛应用在文体休闲、工业机械、医疗器材、新能源、交通运输、建筑工程等领域。

官网:http://www.gwcfc.com/index_cn.html

产品页:http://www.gwcfc.com/index.php?case=archive&act=list&catid=17

2.4  中复神鹰碳纤维有限责任公司

复神鹰碳纤维有限责任公司隶属于世界500强企业——中国建筑材料集团有限公司旗下的中国复合材料集团有限公司。公

司拥有全套自主研发的国际主流工艺干喷湿纺SYT49的高性能碳纤维原丝生产线和碳化生产线,中复神鹰成为我国唯一,也是世界上第三个攻克干喷湿纺工艺难题的企业。

现有碳纤维原丝生产能力一万吨,碳丝生产能力4000吨;其中SYT49级别的原丝产能5500吨,碳丝产能2200吨。

官网:http://www.zfsycf.com.cn/

产品页:http://www.zfsycf.com.cn/product2.php?classid=14

2.5  吉林市神舟炭纤维有限责任公司

吉林市神舟炭纤维有限责任公司成立于1970年,是吉林炭素有限公司的子公司。

四十多年来一直从事碳纤维及其制品的科研与生产工作,公司主要生产聚丙烯腈基碳纤维、平纹碳布、斜纹碳布、碳粉、短切纤维、碳毡等系列产品。

2.6  江城碳纤维有限责任公司

以碳纤维技术为主的国有控股企业,企业坐落于环境优美的吉林省吉林市,主要产品为1K、3K、12K碳丝及复合材料加工。

2.7  兰州蓝星纤维有限公司

兰州蓝星纤维有限公司隶属于“财富五百强”的中央企业中国化工集团,成立于2008年,目前碳纤维产能3100吨/年。

原丝技术来源于2007年中国蓝星(集团)总公司全资收购的英国老牌碳纤维生产企业,且具有自主知识产权及与世界同步水平的工艺技术,以大丝束低成本碳纤维为特色。产品广泛用于预浸布,塑料改性,缠绕气瓶等行业。该公司碳纤维产品广泛用于预浸布,塑料改性,缠绕气瓶等行业。

2.8  河南永煤碳纤维有限公司

河南永煤碳纤维有限公司是河南煤化集团的全资子公司,成立于2009年12月,是以高性能碳纤维及碳复材料为主的高新材料研发及生产企业。拥有年产500吨T300宇航级高性能碳纤维生产线、年产100吨T700级宇航级高端碳纤维生产线。公司致力于打造国内最大高性能碳纤维研发和生产基地。

2.9  四川省新万兴碳纤维复合材料有限公司

四川省新万兴碳纤维复合材料有限公司是一家专业化生产复合材料的高科技民营企业,公司位于夹江县经济技术开发区。

公司以研究、开发和生产高性能树脂基体、各种预浸料、先进民用复合材料为己任,致力打造西部地区乃至全国规模最大、技术最先进的高科技复合材料企业。

2.10  大连兴科碳纤维有限公司

生产的碳纤维已经通过了SGS环保认证,关键生产设备均为自有专利技术及专利技术成果,主要设备主要靠自己能力设计制造。

企业年设计生产碳纤维360吨,各项技术指标均达到国内外先进水平并已获国家认定,是目前国内唯一实现碳纤维产业化的生产企业。

2.11  吉林碳谷碳纤维有限公司

吉林碳谷碳纤维有限公司成立于2008年12月24日,是吉林奇峰化纤股份有限公司全资子公司。

碳谷公司主要从事1K、3K、6K、12K、24K、48K等聚丙烯基碳纤维原丝及其相关制品的生产。其产品生产工艺属于自主研发技术,采用三元法水相悬浮聚合两步法生产碳纤维聚合物,以二甲基乙酰胺为溶剂湿法生产碳纤维原丝。其特点是工艺流程短、质量稳定、产量高、是国内首家独创。

2.12  沈阳中恒新材料有限公司

公司主要从事碳纤维原丝、碳丝及其制品、特种纤维及相关复合新材料的研究、开发,工程技术开发及新材料产业项目投资业务。

以碳纤维为核心,建立其拥有完整产业链的企业集团,实现向碳纤维下游产业的延伸,致力将公司打造成国内规模最大、产品性能最好、产业链最完整的具有国际竞争能力的碳纤维生产龙头企业。

2.13  德州晶华宝利来碳纤维布制造有限公司

晶华宝利来碳纤维布制造有限公司位于山东省德州市经济开发区蔚为壮观的晶华工业园, 公司生产各种规格的碳纤维布、复合预浸布、单向玻璃纤维布、环氧布及建筑补强加固用碳纤维片材。

碳纤维预浸布(CARBON FIBER PREPREG)是一种现代的、高科技含量的、填补了国内空白的产品,被广泛用于体育器材加工和制造领域,如钓鱼杆、高尔夫。

2.14  吉林奇峰化纤股份有限公司

吉林奇峰化纤股份有限公司是全球知名的聚丙烯腈基纤维生产企业。

采用二甲基乙酰胺湿法二步法纺丝技术,生产及销售聚丙烯腈基腈纶纤维和碳纤维原丝,其中三元法水相悬浮聚合两步法生产碳纤维原丝获国家发明专利。

目前公司主要产品包括腈纶短纤维、腈纶丝束、腈纶毛条、碳纤维原丝四大系列170多个品种,其中40多项新产品添补了国内空白并打入国际市场。

2.15  吉林市吉研高科技纤维有限责任公司

吉林市吉研高科技纤维有限责任公司是中国恒天集团下属子公司,为吉林省高新技术企业和吉林省高科技技术企业。

公司以碳纤维产品的研发和生产为核心业务,拥有全国最大、年产160吨聚丙烯基腈基碳纤维生产线,技术水平和生产能力处于国内领先地位,为我国重要的新型纤维材料开发与生产基地之一。

公司的主导产品为PAN基碳纤维、PAN基碳纤维布、粘胶基碳纤维,并能生产短切碳纤维、碳纤维粉、碳纤维绳等后部制品。

2.16  山东江山纤维科技有限公司

山东江山纤维科技有限公司位于山东平原经济开发区桃园大道, 作为国内高科技碳纤维复合材料及制品的先导企业,江山公司前身是成立于2003年的德州市鑫硕新型建材有限公司和成立于2009年德州方时复合材料有限公司。

生产的“鑫硕”牌碳纤维补强布、补强板享誉国内外,成为国内最大的生产商之一。

2.17  江苏天鸟高新技术股份有限公司

江苏天鸟高新技术股份有限公司成立于1997年, 是江苏省民营高科技企业,国内惟一产业化生产飞机碳刹车预制件的企业,国内最大的碳/碳复合材料预制体生产企业。

主要从事碳纤维、芳纶纤维、石英纤维等特种高科技纤维的应用研究及开发,是专业生产高性能碳纤维织物、芳纶纤维织物、飞机碳刹车预制件、高性能碳/碳复合材料新型预制件的高新技术企业。

2.18  嘉兴中宝碳纤维有限责任公司

公司主要从事研究开发生产各种规格预浸料,各种树脂以及工业、民用复合材料制品等工作。

2002 年公司引进欧洲最先进预浸料生产线,具有年生产碳纤维、芳纶、玻璃纤维及其织物预浸料300万平方米的能力。

公司生产的复合材料制品出口全世界,并广泛应用于纺织、汽车和医疗器械等行业。

2.19  威海光威复合材料有限公司

威海光威复合材料股份有限公司是专业从事碳纤维、碳纤维机织物、碳纤维预浸料、碳纤维复合材料制品及碳纤维核心生产设备的研发、生产与销售的高新技术企业。

公司拥有碳纤维全产业链,主要产品包括各型碳纤维、碳纤维机织物、碳纤维预浸料、玻璃纤维预浸料、碳纤维复合材料制品及碳纤维核心生产设备(具备碳纤维、碳纤维复合材料生产设备设计制造及生产线建设能力)等。

注:部分内容选自高分子网

碳纤维简介和其优缺点

1  碳纤维

碳纤维(英语:Carbon fiber),是一种高强度和模量的耐高温纤维,为化纤的高端品种。碳纤维是以经过特殊处理的高质量聚丙烯腈(PAN)为原料。PAN基碳纤维拥有1000至48000条碳丝,每条碳丝直径为5-10μm,都是微晶石墨结构。为了产生碳纤维,碳原子在晶体中被键合在一起,平行排列的纤维长轴给予碳纤维相当高的强度-体积比。几千条碳纤维集束在一起形成一个纤维束,其可以单独使用或被编织成织物。

碳纤维通常与树脂(Resin)一起固化成复合材料。同金属(例如铝)或其他纤维增强复合材料制造的零部件相比,这些碳纤维部件质量轻、强度大。

独特的性能可设计性,令碳纤维成为各种工艺和应用的理想选择。

1.1  碳纤维机械数据与动力性能特点

  • 高强度
  • 高模量
  • 低密度
  • 低蠕变率
  • 吸振性良好
  • 耐疲劳

1.2  碳纤维化学性能特点

  • 化学惰性
  • 无腐蚀性
  • 强耐酸、耐碱以及耐有机溶剂性

1.3  碳纤维热学性能特点

  • 低热膨胀
  • 低导热率

1.4  碳纤维电磁性能特点

  • 低X光吸收率
  • 无磁性

1.5  碳纤维电气性能特点

  • 高导电率

2  碳纤维加工

碳纤维既可以干法加工,又可以湿法加工/配合树脂加工。

2.1  干法加工

  • 预成型体
  • 织物
  • 炭绳
  • 多轴向织物/无屈曲织物(NCF)
  • 单向织物/经编织物
  • 特种纸

2.2  湿法加工/配合树脂加工:

  • 热固性预浸料
  • 热塑带
  • 缠绕
  • RTM、VARTM以及SCRIMP
  • 其它树脂注入工艺,譬如RIM与SRIM
  • 拉挤

3  碳纤维缺点

  • 碳纤维制品难以自然分解,大量弃置会造成环境问题。
  • 碳纤维制造需要模具,投入较大且复杂。
  • 价格昂贵,工艺复杂(相对传统金属而言)。
  • 维护成本高,一旦碳结构变脏或破裂,无法像金属一样维修。纤维就会断裂,结构可能强度不足。在多数情况下,只能拆除并丢弃该零部件,更换新零部件。
  • 不易回收,碳纤维无法像回收钢和其他材料一样。尽管目前世界上已经对如何回收碳纤维进行了大量研究,但是到目前为止,还没有行之有效且低成本的方法来回收碳纤维。

4  碳纤维用途

碳纤维是航空航天、汽车、娱乐以及医疗应用中大荷载结构件的理想选择。此外,碳纤维还广泛应用于风力发电、能源以及化工行业。

空中客车的A350与A380,波音787均利用碳纤维复合材料来减轻耗油量。大型风力发电机的叶片,赛车、汽机车的车身均为碳纤维复合材料需求量增加的重要因素。

常见材料热膨胀系数

1  常见材料热膨胀系数

工科生小书架为大家总结了20°C条件下常见材料热膨胀系数:

材料10-6/K
23.2
纯铝23
10.5
芳纶-4.1
12.3
水泥6-14
29.3
41
6.2
钻石1.3
冰, 0 °C51
12.2
6
玻璃(窗玻璃)7.6
玻璃(工业玻璃)4.5
玻璃(普通)7.1
石英0.5
14.2
花岗岩3
石墨2
灰铸铁9
木头,8
镍钢合金1.7-2.0
6.5
食盐40
碳纤维~-0.5
康铜15.2
铁镍钴合金~ 5
16.5
26
23
5
黄铜18.4
5.2
新银18
13
9
尼龙120
聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)85
聚氯乙烯(PVC)80
瓷器3
19.5
22
13
不锈钢14.4-16.0
10.8
14
4.5
36
2.5

2  常见管材材料热膨胀系数

3  液体和气体热膨胀系数

注意:液体和气体的热膨胀系数为体积膨胀

常见复合材料纤维的机械性能

1  常见复合材料纤维机械性能

纤维增强聚合物复合材料,用于增强聚合物复合材料的纤维的机械性能

工科生小书架总结了一些常见用于增强聚合物复合材料纤维的机械性能:

  • (E-glass):E代表Electrical,意为电绝缘玻璃,是一种钙铝硅酸盐玻璃,其碱金属氧化物含量很少(一般小于1%),故又称无碱玻璃,具有高电阻率。E玻璃现已成为玻璃纤维的最常用成分,为一般复合材料和大多数电气用途所采用。
  • S玻璃(S-glass):S代表strength(强度),亦有代表structural(结构的)之说,是美国欧文斯科宁公司研发的高强度纤维玻璃。S玻璃是一种镁铝硅酸盐玻璃,其新生态纤维强度一般比E玻璃纤维高25%以上,同时具有高模量、抗冲击、耐高温、耐疲劳和透雷达波性能。
  • PAN基碳纤维由聚丙烯腈(PAN)制成。碳纤维是用于军事飞机等先进结构的高强度和高刚度材料。
  • 氧化铝/二氧化硅或Saffil商标为纤维,是为高温下的隔热而开发的。
  • 凯夫拉29(Kevlar-29)用于工业应用,例如电缆,石棉替代品,制动衬片和防弹衣。
  • 凯夫拉49(Kevlar 49)被认为是所有芳族聚酰胺中最大的拉伸强度,并用于诸如船体,飞机和自行车的塑料增强等应用中。

PC,PP,PVC,PE和PET应用概论

1  生活用品常用的五种塑料:

PC-聚碳酸酯

PC具有良好的透明度和热稳定性。缺点是手感不好。特别是在使用一段时间后,外观看起来“脏”,属于工程塑料。其用于制造手机壳,笔记本电脑,奶瓶,太空杯等。近年来,奶瓶因含有双酚A而引起争议。PC中残留的双酚A的温度越高,释放量越大,速度越快。因此,请勿使用PC水瓶盛热水。

PP-聚丙烯

PP是等规结晶的,热稳定性好,但该材料易碎。 微波炉饭盒是用这种材料制成的,具有130°C的耐高温性,但是透明度较差。 这是唯一可以放入微波炉的塑料盒,并且经过仔细清洁后可以重复使用。需要特别注意一些由05号PP制成的微波炉便当盒,但是盖子是由PS(聚苯乙烯)制成的。 PS的透明度一般,但不耐高温,因此不能与盒子一起放入微波炉。 为了安全起见,在将容器放入微波炉之前,请先取下盖子。

PVC-聚氯乙烯

PVC通常用于制造工程型材和日常生活用塑料制品,普通雨衣,建筑材料,塑料薄膜,塑料盒等。可塑性极佳且价格低廉。 但是只能承受81℃的高温。这种塑料材料容易产生有毒有害物质:一方面是单分子氯乙烯在生产过程中没有完全聚合,另一方面是增塑剂中的有害物质。 当暴露于高温和油脂中时,这两种物质易于沉淀,而有毒物质随食物进入人体时则容易致癌。 目前,这种材料的容器已很少用于包装食品。 注意不要让它受热。

PE-聚乙烯

PE大量用于防腐膜,塑料膜等。 其耐热性不强,当温度超过110°C时,通常PE保鲜膜会出现热熔现象,留下一些人体无法分解的塑料制品。而且,用保鲜膜包裹的食物被加热,食物中的脂肪很容易溶解包裹膜中的有害物质。 因此,当将食物放入微波炉时,首先要除去包裹好的保鲜膜。

PET-聚对苯二甲酸乙二醇酯

矿泉水瓶和碳酸饮料瓶都由PET制成。 饮料瓶不能用热水回收。 该材料耐热70°C。仅适用于温的或冷的饮品。 充满高温液体或加热时,很容易变形,并且易溶出对人体有害的物质。

PC-聚碳酸酯

1        PC(聚碳酸酯)

图 1

1.1        什么是PC?

聚碳酸酯(Polycarbonate)是一种高性能的坚韧,无定形和透明的热塑性聚合物,其有机官能团通过碳酸酯基团(-O-(C=O)-O-) 连接在一起,并具有独特的性能组合。

  • 无定形材料, 意味着它不表现出结晶固体的有序特征。通常,无定形塑料表现出逐渐软化的趋势(即,它们在其玻璃化转变温度和熔点之间具有较宽的范围),而不是表现出从固态到液态的急剧转变,就像在结晶聚合物中那样。

聚碳酸酯最早由德国拜耳公司的H.Schnell博士和美国通用电气公司的D.W福克斯,于1953年制备。PC有片料和圆料两种,因此非常适合在铣床或车床上进行减法加工。颜色通常限于透明,白色和黑色。用透明原料加工的零件通常需要进行一些后期处理,以去除工具痕迹并恢复材料的透明性。

1.2        PC的特点

  • 韧性和高冲击强度——聚碳酸酯具有很高的强度,使其能够抗冲击和断裂,并在要求高可靠性和高性能的应用中进一步提供安全性和舒适性。聚合物的密度为1.2–1.22 g / cm3),在140°C和-20°C的温度下均保持韧性。
  • 透射率——PC是一种非常透明的塑料,可以透射超过玻璃的90%的光。聚碳酸酯薄板有多种色调可供选择,可以根据最终用户的应用进行定制。
  • 轻便性(与玻璃相比)——此功能几乎为OEM提供了无限的设计可能性。该属性还可以提高效率,简化安装过程并降低总体运输成本。
  • 防紫外线辐射——聚碳酸酯可以设计为阻止紫外线辐射,并提供100%的防护以防止有害的紫外线。
  • 光学性质——PC具有非晶态结构,具有出色的光学性质。透明聚碳酸酯的折射率为1.584。
  • 耐化学性——聚碳酸酯对稀酸,脂族烃和醇具有良好的耐化学性;对油脂有中等的耐化学性。 PC容易受到稀碱,芳族和卤代烃的攻击。制造商建议使用某些不影响其化学性质的清洁剂清洁PC板。它对研磨性碱性清洁剂敏感。
  • 耐热性——提供良好的耐热性,聚碳酸酯在高达135°C的温度下具有热稳定性。通过添加阻燃剂而不影响材料性能,可以进一步提高耐热性。

1.3        PC 的优点

  • 高度透明。提供与玻璃一样的透光性
  • 即使在低至-20°C的条件下仍具有很高的韧性
  • 高达140°C的高机械保持力
  • 固有阻燃性
  • 提供良好的电绝缘性能,不受水或温度的影响
  • 具有良好的耐磨性
  • 可以承受反复的蒸汽灭菌

1.4        PC 的缺点

  • 容易受到碳氢化合物和碱的攻击
  • 在60°C以上的水中长时间暴露后,其机械性能开始下降
  • 处理前需要适当干燥
  • 低疲劳强度
  • 暴露于紫外线后发黄趋势
  • 尽管聚碳酸酯以其高抗冲击性而闻名,但它很容易被刮擦。由于这个原因,一副眼镜中的透明表面(例如聚碳酸酯镜片)通常会涂上一层耐刮擦的保护层。

1.5        优化性能

由于PC与某些聚合物显示出优异的相容性,因此被广泛用于共混物中,通过添加剂或热塑性共混物来优化性能。例如PC / ABS,PC / PET,PC / PMMA。

  • 添加玻璃纤维或碳纤维增强材料可以改善聚碳酸酯的抗蠕变性。 5-40%的GF增强材料可以在高达98.9°C (210°F)的温度下将抗蠕变性提高到28 MPa。与标准PC等级相比,增强等级的拉伸模量,弯曲强度和拉伸强度更好。
  • 添加添加剂可以改善阻燃性,热稳定性,紫外线和颜色稳定性以及其他一些性能。涂覆的聚碳酸酯板还显示出更好的耐候性,耐擦伤性和耐化学性。
  • 基于苯并三唑的稳定剂可用于稳定PC抵御紫外线并防止紫外线降解。
  • 已知基于亚磷酸酯的稳定剂可有效地改善聚碳酸酯的热稳定性。
  • 多种阻燃剂(例如卤化,磷基和硅基)被广泛用于实现所需的UL性能,提高LOI并降低PC产品的燃烧热。
  • 聚碳酸酯共混物在商业上成功地提供了性能和生产率之间的适当平衡。
  • PC /聚酯共混物:这些合金适用于需要高耐化学性的应用。由于PBT具有较高的结晶性能,因此PC / PBT共混物比PC / PET共混物具有更高的耐化学性,而PET共混物则具有更高的耐热性。
  • PC / ABS混合物:PC的韧性和高耐热性与ABS的延展性和可加工性相结合,提供了优异的性能组合。

1.6        如何生产PC?

1.6.1   聚碳酸酯是通过双酚A(BPA; C15H16O2)和光气(COCl2)的缩聚反应制得的。

图 2

1.6.2   生产聚碳酸酯零件的常用方法:

  • 挤压成型
  • 注塑成型
  • 吹塑成型
  • 热成型

将PC熔化并用高压压入模具中,以得到所需的形状。强烈建议在加工前干燥:在120°C下2-4小时。目标含水量最大不得超过0.02%。

为了避免材料降解,取决于所选的熔融温度,理想的最大停留时间在6至12分钟之间。聚碳酸酯加工中涉及的两种主要技术是注塑和挤压。

1.6.3   注塑成型是生产聚碳酸酯及其混合物制成的零件的最常用方法。

由于聚碳酸酯是高粘性的,因此通常在高温下加工以降低其粘度。在此过程中,热的聚合物熔体被高压压入模具中。当模具冷却时,赋予熔融聚合物所需的形状和特性。此过程通常用于制造聚碳酸酯瓶,盘子等。由于聚碳酸酯是流动性较差的塑料,因此壁厚不应太薄。

图 3

  • 注塑成型加工聚碳酸酯时需要遵循的准则:

表 1

  • 挤压成型,聚合物熔体穿过型腔最终成型。冷却时的熔体达到并保持所获得的形状。该工艺用于制造聚碳酸酯板,型材和长管。建议挤压成型参数:
    • 挤出温度:230-260°C
    • 推荐的L / D比为20-25

图 4

1.7        应用举例

家电类: 例如冰箱,空调,咖啡机,食品搅拌机,洗衣机,吹风机蒸汽熨斗水箱等

汽车/运输业: PC轻巧透明,可用于创造醒目的设计并通过减轻重量而不影响耐用性和改善车辆的空气动力学性能来提高车辆效率。 其高耐热性使其可用于灯罩,前照灯挡板和透镜。 PC混合物具有坚固性和出色的抗蠕变性,因此最适合用于汽车的内部和外部车身部件。

建筑业;医疗器械;消费产品等行业。

1.8        材料属性参数

表 2

剪切模量和常见材料剪切模量

1 剪切模量

剪力模数(shear modulus)定义为剪应力与剪应变的比值

2 常用材料的剪切模量

材料剪切模量
– G -(GPa
铝合金27
铝,6061-T624
铝,2024-T428
铍铜48
黄铜40
青铜44.8
19
碳素钢77
铸铁41
115
具体21
45
玻璃26.2
玻璃,96%二氧化硅19
镍铬铁合金79
铁,球墨铸铁63-66
铁,可锻64
凯夫拉19
13.1
16.5
118
蒙乃尔合金66
镍银48
镍钢76
尼龙4.1
磷青铜41
胶合板0.62
聚碳酸酯纤维2.3
聚乙烯0.12
橡胶0.0003
结构钢79.3
不锈钢77.2
铸钢78
钢,冷轧75
18
钛2级41
5级钛41
钛,10%钒42
钨丝161
木材,道格拉斯杉木13
锌锌43
锌镍76

注:

1 GPa = 109 Pa = 0.145 x 106 psi (lbf/in2)

1 x 106 psi = 6.9 GPa

摩擦和常见材料间的摩擦系数

1  摩擦(Friction)

两个相互接触并挤压的物体,当它们发生相对运动或具有相对运动趋势时,就会在接触面上产生阻碍相对运动或相对运动趋势的力,这种力叫做摩擦力。

摩擦力的计算式为:

静摩擦:静摩擦是一个物体在另一个物体表面上具有相对运动趋势时,但并没有发生相对运动时,所受到的阻碍物体相对运动趋势的力。

滑动摩擦:一物体沿着另一物体的表面运动时,在其接触面所产生的阻力。

2   某些常见材料和材料组合的摩擦系数

材料1材料2表面条件– μ 静 –– μ 滑动 –
清洁干燥1.05-1.351.4
润滑和油腻0.3 
铝青铜清洁干燥0.45 
软钢清洁干燥0.610.47
湿0.4 
干燥0.35 
刹车片铸铁清洁干燥0.4 
刹车片铸铁(湿式)清洁干燥0.2 
黄铜清洁干燥0.510.44
黄铜润滑和油腻0.19 
黄铜蓖麻油0.11 
黄铜铸铁清洁干燥 0.3
黄铜清洁 0.02
黄铜清洁 0.15
清洁干燥0.6 
青铜润滑和油腻0.16 
青铜铸铁清洁干燥 0.22
青铜-烧结润滑和油腻0.13 
清洁干燥0.5 
润滑和油腻0.05 
清洁干燥0.41 
润滑和油腻0.34 
软钢清洁干燥 0.46
铸铁铸铁清洁干燥1.10.15
铸铁铸铁清洁干燥 0.15
铸铁铸铁润滑和油腻 0.07
铸铁橡木清洁干燥 0.49
铸铁橡木润滑和油腻 0.075
铸铁软钢清洁干燥0.4 
铸铁软钢清洁干燥 0.23
铸铁软钢润滑和油腻0.210.133
汽车轮胎沥青清洁干燥0.72 
汽车轮胎清洁干燥0.35 
碳(硬)清洁干燥0.16 
碳(硬)润滑和油腻0.12-0.14 
清洁干燥0.14 
润滑和油腻0.11-0.14 
清洁干燥0.41 
润滑和油腻0.34 
铜铅合金清洁干燥0.22 
清洁干燥1.6 
润滑和油腻0.08 
铸铁清洁干燥1.050.29
软钢清洁干燥0.530.36
软钢润滑和油腻 0.18
软钢油酸 0.18
玻璃清洁干燥0.680.53
线程数0.3 
钻石钻石清洁干燥0.1 
钻石钻石润滑和油腻0.05-0.1 
钻石金属制品清洁干燥0.1-0.15 
钻石金属润滑和油腻0.1 
石榴石清洁干燥 0.39
玻璃玻璃清洁干燥0.9-1.00.4
玻璃玻璃润滑和油腻0.1-0.60.09-0.12
玻璃金属清洁干燥0.5-0.7 
玻璃金属润滑和油腻0.2-0.3 
玻璃清洁干燥0.78 
玻璃润滑和油腻0.56 
石墨清洁干燥0.1 
石墨润滑和油腻0.1 
石墨石墨(真空中)清洁干燥0.5-0.8 
石墨石墨清洁干燥0.1 
石墨石墨润滑和油腻0.1 
麻绳木材清洁干燥0.5 
马蹄铁橡胶清洁干燥0.68 
马蹄铁具体清洁干燥0.58 
清洁0.10.02
清洁(-12°C)0.30.035
清洁(-80 °C)0.50.09
清洁干燥0.05 
清洁干燥0.03 
清洁干燥1 
润滑和油腻0.15-0.20 
铸铁清洁干燥 0.43
皮革橡木与谷物平行0.610.52
皮革金属清洁干燥0.4 
皮革金属润滑和油腻0.2 
皮革清洁干燥0.3-0.4 
皮革清洁金属清洁干燥0.6 
皮革铸铁清洁干燥0.60.56
皮革纤维 铸铁清洁干燥0.31 
皮革纤维清洁干燥0.3 
清洁干燥0.6 
润滑和油腻0.08 
清洁干燥 0.42
铸铁清洁干燥 0.25
石工清洁干燥0.6-0.7 
云母云母刚劈开1 
清洁干燥0.7-1.10.53
润滑和油腻0.280.12
软钢清洁干燥 0.64
软钢润滑和油腻 0.178
尼龙尼龙清洁干燥0.15-0.25 
尼龙清洁干燥0.4 
尼龙湿0 °C0.4 
尼龙干燥-10 ° C0.3 
橡木橡木(平行纹理)清洁干燥0.620.48
橡木橡木(杂粮)清洁干燥0.540.32
橡木橡木(杂粮)润滑和油腻 0.072
铸铁清洁干燥0.2 
磷青铜清洁干燥0.35 
清洁干燥1.2 
润滑和油腻0.25 
PlexiglasPlexiglas清洁干燥0.8 
PlexiglasPlexiglas润滑和油腻0.8 
Plexiglas清洁干燥0.4-0.5 
Plexiglas润滑和油腻0.4-0.5 
聚苯乙烯聚苯乙烯清洁干燥0.5 
聚苯乙烯聚苯乙烯润滑和油腻0.5 
聚苯乙烯清洁干燥0.3-0.35 
聚苯乙烯润滑和油腻0.3-0.35 
聚乙烯聚乙烯清洁干燥0.2 
聚乙烯清洁干燥0.2 
聚乙烯润滑和油腻0.2 
橡胶橡胶清洁干燥1.16 
橡胶纸板清洁干燥0.5-0.8 
橡胶干沥青清洁干燥0.90.5-0.8
橡胶湿沥青清洁干燥 0.25-0.75
橡胶干混凝土清洁干燥 0.6-0.85
橡胶湿混凝土清洁干燥 0.45-0.75
清洁0.25 
清洁干燥1.4 
润滑和油腻0.55 
蓝宝石蓝宝石清洁干燥0.2 
蓝宝石蓝宝石润滑和油腻0.2 
清洁干燥1.4 
润滑和油腻0.55 
皮肤金属制品清洁干燥0.8-1.0 
清洁干燥0.5-0.80.42
润滑和油腻0.16 
蓖麻油0.150.081
硬脂酸 0.15
轻质矿物油0.23 
猪油0.110.084
石墨 0.058
石墨清洁干燥0.21 
秸秆纤维铸铁清洁干燥0.26 
秸秆纤维 清洁干燥0.27 
焦油纤维铸铁清洁干燥0.15 
焦油纤维清洁干燥0.18 
聚四氟乙烯(PTFE)(铁氟龙)聚四氟乙烯(PTFE)清洁干燥0.040.04
聚四氟乙烯(PTFE)聚四氟乙烯(PTFE)润滑和油腻0.04 
聚四氟乙烯(PTFE)清洁干燥0.05-0.2 
聚四氟乙烯(PTFE)湿 0 °C0.05 
聚四氟乙烯(PTFE)干燥0 °Ç0.02 
碳化钨清洁干燥0.4-0.6 
碳化钨润滑和油腻0.1-0.2 
碳化钨碳化钨清洁干燥0.2-0.25 
碳化钨碳化钨润滑和油腻0.12 
碳化钨清洁干燥0.35 
碳化钨清洁干燥0.8 
铸铁清洁干燥 0.32
轮胎干干路清洁干燥1个 
湿轮胎湿路清洁干燥0.2 
蜡,滑雪湿0 °C0.1 
蜡,滑雪干燥0 °Ç0.04 
蜡,滑雪干燥-10 °C0.2 
清洁木材清洁干燥0.25-0.5 
湿木清洁干燥0.2 
清洁金属清洁干燥0.2-0.6 
湿金属清洁干燥0.2 
结石清洁干燥0.2-0.4 
具体清洁干燥0.62 
清洁干燥0.6 
木材打蜡湿雪清洁干燥0.140.1
木材打蜡干燥的雪清洁干燥 0.04
锌锌铸铁清洁干燥0.850.21
锌锌锌锌清洁干燥0.6 
锌锌锌锌润滑和油腻0.04 

刚度及计算公式

1  刚度 (Stiffness)

刚度是指零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。

定义为施力与所产生变形量的比值,表示材料或结构抵抗变形的能力。

计算公式为:

K=P/?

式 1

其中:

  • K = 刚度 (N/m)
  • P = 载荷 (N)
  • ? = 变形量 (m)

2  弹性模量与刚度的区别

弹性模量(Modulus)是材料组成的性质;刚度(Stiffness)是结构的性质。即模量是材料的本身的性质;刚度是固体的外延性质,它取决于材料,形状及边界条件。结构刚度在许多工程应用当中非常重要。

对于一个受压或受拉的物体,其轴向刚度为:

K=AE/L

式 2

其中:

  • A= 横截面面积 (m2);
  • E= 为拉伸弹性模量-杨氏模量 (MPa);
  • L= 为物体的长度 (m)

对于一个受扭的物体,其扭转刚度为:

K=ML/θ

式 3

其中:

  • M= 作用的扭矩(N·m);
  • L= 扭矩作用处到固定端的距离(m);
  • θ= 扭转角(°)

回弹硬度

1  回弹硬度(Rebound Hardness)

回弹硬度也称里氏回弹硬度测试(LRHT)是测试金属硬度的四种最常用方法之一。这种便携式方法主要用于测试足够大的工件(主要是1 kg以上)。主要用于金属材料。回弹硬度又称为冲撞硬度和马尔特氏硬度,它测量的是一个带金刚石触头的重锤从一定高度落向被测物质以后弹回的高度。

 

方法是用特制的小锤从一定高度自由下落冲击被测材料的试样,并以试样在冲击过程中储存(继而释放)应变能的多少(通过小锤的回跳高度测定)确定材料的硬度。

 

里氏硬度优点是对产品表面损伤很轻,有时可作为无损检测;对各个方向,窄小空间及特殊部位硬度测试具有独特性。

 

详细测试方法,请参阅标准DIN 50156ASTM A956ISO/DIS 16859

 

2  回弹硬度计

压入硬度——布氏硬度、维氏硬度、洛氏硬度

1 压入硬度

压入硬度(Indentation hardness)用来反映一种物质抵抗形变的能力。在压入硬度测试里,被测物质经过数次检测直到表面产生压痕。而压入硬度测试可以在宏观或者微观的条件下进行。

压入硬度主要应用于工程学和冶金术,它从多方面描述物质的抗形变性质,如抗永久形变和特别的抗弹性形变。通常测量压入硬度是通过在被测物质上加载一个特定形状的压头然后测量其产生的形变量。

有很多其他压入硬度的定义,其中常见的几种有:

  • 布氏硬度 (HB)
  • 杨卡木材硬度等级
  • 努氏硬度 (HK) 或称微硬度测试,用来测试小面积物质
  • 迈氏硬度
  • 洛氏硬度测试 (HR),主要用于美国
  • 肖氏硬度 用于聚合体强度
  • 维氏硬度 (HV),有最大的定义范围
  • 巴氏硬度,用于合成材料,范围从0到100

三种最常用压入硬度介绍:

1.1 布氏硬度

布氏硬度试验是压入硬度试验之一种,其测量值用HB或BHN表示。布氏硬度试验一般采用直径10毫米的球形钢压头,用一定的负荷(试验力)压入被测材料表面。常见的试验力可高达3,000 Kg(29 KN);对于软的材料则可用较小的负荷。如果试验材料很硬,则以碳化钨球压头代替钢压头。保持负荷一定时间后,卸除试验力,测量材料表面留下的压痕之直径。具体实验请参考国家标准GB/T231或国际标准ISO 6506。

布氏硬度值的计算公式为:

其中:

  • P = 载荷(N)
  • D = 压头直径(mm)
  • d = 压痕直径(mm)

常见材料布氏硬度:

1.2 洛氏硬度

洛氏硬度(英语:Rockwell hardness test),压入硬度的一种。洛氏硬度是以压痕塑性变形深度来确定硬度值的指标,以0.002毫米作为一个硬度单位。在洛氏硬度试验中采用不同的压头和不同的试验力,会产生不同的组合,对应于洛氏硬度不同的标尺。常用的有3个标尺(HRA、HRB、HRC),其应用涵盖了几乎所有常用的金属材料。洛氏硬度试验方法广泛应用于生产制造、科学研究的各个领域。

1.2.1   硬度标尺

三种压头

  • 金刚石锥压入器
  • 钢球压头,直径1.588毫米(1/16″)或3.175毫米
  • 硬质合金球压头

三种试验载荷

  • 60 Kg
  • 100 Kg
  • 150 Kg
  • 洛氏硬度试验采用三种试验力,三种压头,它们共有9种组合,对应于洛氏硬度的9个标尺:HRA、HRB、HRC、HRD、HRE、HRF、HRG、HRH和HRK。

HRA 60kg载荷金刚石锥压入器;

HRB 100kg载荷1/16″直径钢球压头;

HRC 150kg载荷金刚石锥压入器;

最常用标尺是HRC、HRB和HRF,其中HRC标尺用于测试淬火钢、回火钢、调质钢和部分不锈钢。这是金属加工行业应用最多的硬度试验方法。

HRB标尺用于测试各种退火钢、正火钢、软钢、部分不锈钢及较硬的铜合金。

HRF标尺用于测试纯铜、较软的铜合金和硬铝合金。

HRA标尺尽管也可用于大多数黑色金属,但是实际应用上一般只限于测试硬质合金和薄硬钢带材料。

  • 表面洛氏硬度试验采用三种试验力,两种压头,它们有6种组合,对应于表面洛氏硬度的6个标尺。表面洛氏硬度试验是对洛氏硬度试验的一种补充,在采用洛氏硬度试验时,当遇到材料较薄,试样较小,表面硬化层较浅或测试表面镀覆层时,就应改用表面洛氏硬度试验。这时采用与洛氏硬度试验相同的压头,采用只有洛氏硬度试验几分之一大小的试验力,就可以在上述试样上得到有效的硬度试验结果。表面洛氏硬度的N标尺适用于类似洛氏硬度的HRC、HRA和HRD测试的材料;T标尺适用于类似洛氏硬度的HRB、HRF和HRG测试的材料。


标尺列表

详细测试方法,请查阅国家标准GB/T230或国际标准ISO 6508,或美标ASTM E18。

1.3 维氏硬度

维氏硬度(英语:Vickers hardness test),压入硬度试验的一种,其测量值用HV表示。维氏硬度试验最初于20世纪20年代初被提出,比起其他硬度试验其优点有:硬度值与压头大小、负荷值无关;无需根据材料软硬变换压头;正方形的压痕轮廓边缘清晰,便于测量。维氏硬度被应用于所有金属,并是应用最广泛的硬度标准之一。只要被测材料质地均匀,维氏硬度试验可以用低负荷和小压痕得到可靠的硬度值,这样能减少材料破坏,或用于薄小的试验材料。这一点上维氏硬度要优于布氏硬度。在硬度不高(硬度值400HV以下)的同一均匀材料上,维氏和布氏硬度试验得出的数值近似。

  • 测试方法:维氏硬度试验使用正四棱锥形的金刚石压头,其相对面夹角为136°。由于其硬度极高,金刚石压头可以用于压入几乎所有材料,而且棱锥的形状使得压痕和压头本身的大小无关。将压头用一定的负荷(试验力)压入被测材料表面。保持负荷一定时间后,卸除负荷,测量材料表面的方形压痕之对角线长度。对相互垂直的二对角线长度(l1和l2)取其平均值。

图 1

上图左为压痕在材料表面的投影,l1l2为压痕对角线长;右为金刚石压头的侧面观,其相对面夹角为136°

其量纲为N/mm2,计算公式为:

式 1

其中:

  • F = 负荷(N)
  • S = 压痕表面积(mm2
  • α = 压头相对面夹角=136°
  • d = 平均压痕对角线长度(m)
  • g = 标准重力加速度(9.80665 m/s2

例如440HV30中,440是维氏硬度值,30指的是测量所用的负荷值(单位:kg)

详细测试方法,请查阅国家标准GB/T4340或国际标准ISO 6507。

划痕硬度

1  划痕硬度

刻划硬度在矿物学里一般指物质刺入另外一种较软物质的能力。一个由硬物质构成的物体能在另一个由较软物质构成的物体上形成划痕。刻划硬度常以莫氏矿物硬度单位计算。

一种最常见的测量工具叫做莫氏硬度计。

莫氏硬度,是一种利用矿物的相对刻划硬度划分矿物硬度的标准,该标准是德国矿物学家腓特烈·摩斯(德语:Friedrich Mohs)于1812年提出的。

用测得的划痕的深度分十级来表示硬度:

滑石(talc)—— 1(硬度最小)

石膏(gypsum)—— 2

方解石(calcite)—— 3

萤石(fluorite)—— 4

磷灰石(apatite)—— 5

正长石(feldspar; orthoclase; periclase )—— 6

石英(quartz)—— 7

黄玉(topaz)—— 8

刚玉(corundum)——9

金刚石(diamond)—— 10。

图 1

具体鉴定方法是,在未知硬度的矿物上选定一个平滑面,用上述已知矿物的一种加以刻划,如果未知矿物表面出现划痕,则说明未知矿物的硬度小于已知矿物;若已知矿物表面出现划痕,则说明未知矿物的硬度大于已知矿物。如此依次试验,即可得出未知矿物的相对硬度。若某种矿物的硬度在两种标准矿物之间,则会用.5表示,例如黄铁矿的莫氏硬度为6.5。

 

注:莫氏硬度仅为相对硬度,比较粗略。但莫氏硬度应用方便,可以随身携带,野外作业时常采用。

 

 

硬度及硬度换算表

1 硬度 (Hardness)

硬度指固体材料抗拒永久形变的特性。材料局部抵抗硬物压入其表面的能力称为硬度。固体对外界物体入侵的局部抵抗能力,是比较各种材料软硬的指标。一般硬度越高,耐磨性越好。由于规定了不同的测试方法,所以有不同的硬度标准。

三种主要的硬度定义方式包括:

  • 刻划硬度(Scratch hardness)
  • 压入硬度(Indentation hardness)
  • 回弹硬度(Rebound hardness,动态硬度dynamic hardness,或绝对硬度)

注意:各种硬度标准的力学含义不同,相互不能直接换算,但可通过试验加以对比。

2 硬度换算表

抗拉强度
N/mm2
维氏硬度
HV
布氏硬度
HB
洛氏硬度
HRC
2558076
2708580.7
2859085.2
3059590.2
32010095
33510599.8
350110105
370115109
380120114
400125119
415130124
430135128
450140133
465145138
480150143
490155147
510160152
530165156
545170162
560175166
575180171
595185176
610190181
625195185
640200190
660205195
675210199
690215204
705220209
720225214
740230219
755235223
77024022820.3
78524523321.3
80025023822.2
82025524223.1
83526024724
85026525224.8
86527025725.6
88027526126.4
90028026627.1
91528527127.8
93029027628.5
95029528029.2
96530028529.8
99531029531
103032030432.2
106033031433.3
109534032334.4
112535033335.5
111536034236.6
119037035237.7
122038036138.8
125539037139.8
129040038040.8
132041039041.8
135042039942.7
138543040943.6
142044041844.5
145545042845.3
148546043746.1
152047044746.9
1555480(456)47.7
1595490(466)48.4
1630500(475)49.1
1665510(485)49.8
1700520(494)50.5
1740530(504)51.1
1775540(513)51.7
1810550(523)52.3
1845560(532)53
1880570(542)53.6
1920580(551)54.1
1955590(561)54.7
1995600(570)55.2
2030610(580)55.7
2070620(589)56.3
2105630(599)56.8
2145640(608)57.3
2180650(618)57.8
66058.3
67058.8
68059.2
69059.7
70060.1
72061
74061.8
76062.5
78063.3
80064
82064.7
84065.3
86065.9
88066.4
90067
92067.5
94068

表 1

强度及测试方法

1 强度 (Strength)

按外力作用的性质不同,强度主要有屈服强度、抗拉强度、抗压强度、抗弯强度等,工程常用的是屈服强度和抗拉强度,这两个强度指标可通过拉伸试验测出,其单位为Pa

常用的强度性能指标有拉伸强度和屈服强度(或屈服点)。铸铁、无机材料没有屈服现象,故只用拉伸强度来衡量其强度性能。高分子材料也采用拉伸强度。

承受弯曲载荷、压缩载荷或扭转载荷时则应分别以材料的弯曲强度、压缩强度及剪切强度来表示材料的强度性能。

实验方法:

  • 拉伸实验——拉伸强度、屈服强度、抗拉强度
  • 三点弯曲实验——抗弯强度
  • 压缩实验——抗压强度

1.1 抗拉、抗压和抗剪强度

抗压强度-tensile strength、抗压强度-compression strength、抗剪强度- Shear strength。

抗压、抗拉、抗剪强度的计算式为:

σ=F/A

式 1

其中:

  • σ = 材料强度,Pa或者N/m2
  • F = 材料破坏时的最大荷载,N;
  • A = 试件的受力面积,m2

1.1.1   实验方法

金属抗拉强度实验,请参考国标GB/T228或EN ISO6892-1。

注意:测试方法和适用范围按材料、温度等有多个国家标准的规定,须详细查阅相关文献。

图 1

金属抗压强度实验:请参考国标GB/T7314或 ISO 13314

注意:测试方法和适用范围按材料、温度,压力范围等有多个国家标准的规定,须详细查阅相关文献。

胶粘金属抗剪强度实验:请参考国标G B/T 7 124或ISO 4587

注意:测试方法和适用范围按材料、温度,压力范围等有多个国家标准的规定,须详细查阅相关文献。

1.2 抗弯强度

材料的抗弯强度,英文:Flexural StrengthBend Strength,与试件受力情况、截面形状及支撑条件有关。

抗弯强度的计算式为:

  • 三点弯曲:

σ = (3FL) / (2wd2)

式 2

  • 四点弯曲:

σ = (FL) / (wd2)

式 3

其中:

  • σ =材料强度,Pa或者N/m2
  • F =表示施加的最大力
  • L =样品的长度,
  • w =样品的宽度
  • d =样品的深度。

1.2.1   实验方法

一般试验方法是将矩形截面的条形试件放在两支点上,中间加载一个或两个集中荷载:

图 2

注:请根据国标- GB/T 6569-86 或ISO 14704-2000查阅具体标准的测试方法及样品要求。测试方法和适用范围按材料、温度、试样类型等有多个国家标准的规定,须详细查阅相关文献。

泊松比定义和常见金属泊松比

1 泊松比

泊松比是指材料在单向受拉或受压时,横向正应变与轴向正应变的绝对值的比值,也叫横向变形系数,它是反映材料横向变形的弹性常数。

图 1

在材料的弹性范围内加载,泊松比计算为:

µ= |-∆W/W| / |∆L/L|

2 常见金属的泊松比:

金属名称– μ –
0.33
铝青铜0.3
0.024 – 0.03
铸铁0.26
青铜0.34
0.36
0.42
0.40 – 0.45
0.35
软钢0.3
0.32
黄铜0.34
0.31
磷青铜0.33
0.39
0.15 – 0.21
0.37
不锈钢0.3
0.35
0.27
0.33
0.3
钨丝0.28
0.21
0.3
0.25

常见工程用材料强度和模量以及使用温度

常见工程材料如钢,塑料,陶瓷和复合材料的典型属性

1 复合材料

材料密度- ρ –
(10
3 kg/m3)
拉伸模量- E –
(GPa)
抗拉强度- σ –
(MPa)
比模量- E / ρ –比强度- σ / ρ –最高使用温度(oC)
玻璃-环氧树脂(35%)1.92530013.20.1680 – 200
玻璃纤维-聚酯(35%)215.71307.850.06580 – 125
玻璃纤维尼龙(35%)1.614.52008.950.1275 – 110
高强度玻璃纤维-环氧树脂(45%)1.839.587021.80.4880 – 215
环氧碳(61%)1.6142173089.31.0880 – 215
芳纶环氧(53%)1.3563.6110047.10.8180 – 215

表 1

2        金属

材料密度- ρ –
(10
3 kg/m3)
拉伸模量- E –
(GPa)
抗拉强度- σ –
(MPa)
比模量- E / ρ –比强度- σ / ρ –最高使用温度(oC)
铸铁7.1510014014.30.02230 – 300
钢,AISI 10457.7 – 8.0320558526.30.073500 – 650
铝-2045-T42.773450270.17150 – 250
铝-6061-T62.76927025.50.1150 – 250

表 2

3        陶瓷

材料密度- ρ –
(10
3 kg/m3)
拉伸模量- E –
(GPa)
抗拉强度- σ –
(MPa)
比模量- E / ρ –比强度- σ / ρ –最高使用温度(oC)
氧化铝3.835017092.10.0451425-1540
氧化镁3.62056056.90.017900-1000

表 3

4        塑料

材料密度- ρ –
(10
3 kg/m3)
拉伸模量- E –
(GPa)
抗拉强度- σ –
(MPa)
比模量- E / ρ –比强度- σ / ρ –最高使用温度(oC)
尼龙1.152-3.6822.520.07175-100
聚乙烯(HDPE)0.9-1.40.18-1.615   
聚丙烯0.9-1.241.4331.550.03750-80
环氧树脂1.253.5692.80.05580-215
酚醛1.35362.220.00470-120

注:

1 GPa = 1x109 Pa = 1.45x105psi

1 MPa = 106 Pa

1 kg/m3 = 0.0624 lb/ft3