复合材料在轨道交通结构轻量...

热烈欢迎参加“轨道交通车辆轻量化技术发展论坛”各位领导和专家批评指正！各位领导和专家批评指复合材料在轨道交通结构轻量化中的复合材料在轨道交通结构轻量化中的应用现状与趋势应用现状与趋势肖加余肖加余刘刘钧钧国防科学技术大学国防科学技术大学南车集团株南车集团株洲时代新材料科技股份有限公司洲时代新材料科技股份有限公司株洲电力机车广缘科技有限公司株洲电力机车广缘科技有限公司湖南省复合材料工程技术研究中心湖南省复合材料工程技术研究中心湖南省复合材料程技术究湖南省复合材料程技术究北京，北京，2010.11.192010.11.192010-11-161/822010-11-161/33复合材料在轨道交通结构轻量化中的复合材料在轨道交通结构轻量化中的应用现状与趋势应用现状与趋势演讲人演讲人：：肖加余肖加余国防科技大学航天与材料工程学院国防科技大学航天与材料工程学院教授、博士生导师教授、博士生导师国防科技大学航天与材料工程学院国防科技大学航天与材料工程学院教授、博士生导师教授、博士生导师13607482301;[e-mail]13607482301;[e-mail]法国巴黎国立工艺研究院（法国巴黎国立工艺研究院（CNAMCNAM））材料科学专业材料科学专业博士（博士（1993.101993.10））法国贡比涅科技大学（法国贡比涅科技大学（））法国贡比涅科技大学（法国贡比涅科技大学（UTCUTC））材料工程专业材料工程专业硕士（硕士（1989.121989.12））中国国防科技大学（中国国防科技大学（NUDTNUDT））中国国防科技大学（中国国防科技大学（NUDTNUDT））复合材料专业复合材料专业学士（学士（1981.121981.12））中国复合材料学会中国复合材料学会副秘书长副秘书长常务理事常务理事中国复合材料学会中国复合材料学会副秘书长副秘书长常务理事常务理事《《复合材料学报复合材料学报》》副主编副主编教育部高分子材料与工程教学分指导委员会教育部高分子材料与工程教学分指导委员会委员委员湖南省第四、五届自然科学基金委员会湖南省第四、五届自然科学基金委员会委员委员2010-11-162/82湖南省第四、五届自然科学基金委员会湖南省第四、五届自然科学基金委员会委员委员湖南省复合材料工程技术研究中心湖南省复合材料工程技术研究中心主任主任湖南省新材料产业协会专家委员会湖南省新材料产业协会专家委员会副主任副主任复合材料在轨道交通结构轻量化中的复合材料在轨道交通结构轻量化中的应用现状与趋势应用现状与趋势目录目录11复合材料的特点复合材料的特点目录目录11复合材料的特点复合材料的特点22复合材料在轨道交通结构中的应用复合材料在轨道交通结构中的应用33轨道交通复合材料结构件制备技术轨道交通复合材料结构件制备技术44国内工作基础国内工作基础（（国防科技大学国防科技大学））55小结小结55小结小结2010-11-163/8211复合材料特点复合材料特点1.11.1复合材料定义复合材料定义两种或两种以上的原材料，通过一定的工艺方法制备而成的多相材料体系。2010-11-164/8211复合材料特点复合材料特点1.21.2复合材料性能特点复合材料性能特点„„性能可设计性（性能可设计性（designflexibilitydesignflexibility））材料与构件体性（材料与构件体性（））„„材料与构件一体性（材料与构件一体性（integrityintegrity））„„好的使用性（好的使用性（usabilityusability））‡‡比强度高（比强度高（highspecificstrengthhighspecificstrength））‡‡比模量高（比模量高（highspecificmodulushighspecificmodulus））‡‡疲劳强度和疲劳寿命高（疲劳强度和疲劳寿命高（highfatigueintensityandlifehighfatigueintensityandlife））‡‡阻尼减震（阻尼减震（dampingandshockabsorptiondampingandshockabsorption））性能好性能好pgppgp‡‡具有多功能（两种或两种以上）具有多功能（两种或两种以上）2010-11-165/8211复合材料特点复合材料特点1.31.3复合材料性能特点举例复合材料性能特点举例————性能可设计举例性能可设计举例lllσcσcppσσccttllpp内压内压pσσaaccddpppaa22σσ××tt××ll==pp××dd××ll环向力平衡环向力平衡σa22σσcc××tt××ll==pp××dd××llσσcc==pdpd/(2/(2tt))环向力平衡环向力平衡pp((π×π×dd22/4)=/4)=σσ×π××π×dd××tt轴向力平衡轴向力平衡2010-11-166/82pp((π×π×dd22/4)=/4)=σσaa×π××π×dd××ttσσaa==pdpd/(4/(4tt))轴向力平衡轴向力平衡以薄壁内压容器为例以薄壁内压容器为例11复合材料特点复合材料特点1.31.3复合材料性能特点举例复合材料性能特点举例————性能可设计性举例性能可设计性举例„„采用纤维浸渍树脂缠绕方法加工成型采用纤维浸渍树脂缠绕方法加工成型纤维增强聚合物基复合材料的等强度设计„„采用纤维浸渍树脂缠绕方法加工成型。采用纤维浸渍树脂缠绕方法加工成型。„„设载荷由纤维承担，沿纤维方向的强度为设载荷由纤维承担，沿纤维方向的强度为σσrr，则，则环向和轴向的强度分别为：环向和轴向的强度分别为：环向和轴向的强度分别为：环向和轴向的强度分别为：σσcc==σσrrsinsin22θθ22θθθσrσσaa==σσrrcoscos22θθσσcc//σσaa=tg=tg22θθ=2=2θccaaggθθ==5454°°44′08″44′08″„„以以θθ==5454°°44′08″44′08″纤维纤维螺旋缠绕，可以得到受内压螺旋缠绕，可以得到受内压纤维缠绕角纤维缠绕角θθ=54=54°°4444´´08082010-11-167/82以以纤维纤维螺旋缠绕可以得到受内压螺旋缠绕可以得到受内压时时环环向和轴向向和轴向等强度等强度的圆筒。的圆筒。11复合材料特点复合材料特点1.31.3复合材料性能特点举例复合材料性能特点举例————材料与构件一体性举例材料与构件一体性举例2010-11-168/8211复合材料特点复合材料特点1.31.3复合材料性能特点举例复合材料性能特点举例————好的使用性举例好的使用性举例芳纶芳纶2929芳纶芳纶4949比比强度比强度高强碳纤高强碳纤玻纤玻纤比强度比强度密度强度比强度=高强碳纤高强碳纤硼纤硼纤SS玻纤玻纤度度in)in)0066cmcm模量比模量=高模碳纤高模碳纤硼纤硼纤EE玻纤玻纤其他有机材料其他有机材料(10(106611密度比模量=铝铝钢钢2010-11-169/82铝铝比模量比模量(10(1066in)in)11复合材料特点复合材料特点复合材料与传统金属材料性能比较复合材料与传统金属材料性能比较1.31.3复合材料性能特点举例复合材料性能特点举例————好的使用性举例好的使用性举例材料密度抗拉强度比强度(GPa/弹性模量比模量(GPa/复合材料与传统金属材料性能比较复合材料与传统金属材料性能比较材料(g.cm-3)(GPa)(GPa/g.cm-3)(GPa)(GPa/g.cm-3)碳纤维/环氧1.61.81.12512880.0纺纶/环氧1.41.51.0718057.1硼纤维/环氧211607622201048复合硼纤维/环氧2.11.60.762220104.8碳化硅纤维/环氧2.01.50.750130.665.3材料石墨纤维铝石墨纤维/铝2.20.80.364231105.0钢7.81.40.17921026.9金属2010-11-1610/82属铝合金2.80.50.1797727.511复合材料特点复合材料特点1.31.3复合材料性能特点举例复合材料性能特点举例————好的使用性举例好的使用性举例ˆδδˆllˆMinimizeMinimizeww(weight)(weight)ithith,δδ=,pp=ll=ˆwithwithδδˆˆˆElpAEApl=⇒=sincesinceρδδρρElplElpAlw1ˆˆˆˆˆˆˆ2⋅⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛=⋅⋅==ρδδEE⎠⎝minas⎟⎠⎞⎜⎝⎛==ρρEEwwThusThus2010-11-1611/82maxmin⎟⎠⎜⎝ρρ11复合材料特点复合材料特点1.31.3复合材料性能特点举例复合材料性能特点举例————好的使用性举例好的使用性举例100%疲劳强度强度百分100%60%复合材料度占静态分比（%30%传统金属材料态%）1060.5X106传统金属材料疲劳周次良好的耐疲劳性能良好的耐疲劳性能良好的减震抗撞击性能良好的减震抗撞击性能良好的耐腐蚀性能良好的耐腐蚀性能2010-11-1612/82良好的耐腐蚀性能良好的耐腐蚀性能复合材料在轨道交通结构轻量化中的复合材料在轨道交通结构轻量化中的应用现状与趋势应用现状与趋势目录目录11复合材料的特点复合材料的特点目录目录11复合材料的特点复合材料的特点22复合材料在轨道交通结构中的应用复合材料在轨道交通结构中的应用33轨道交通复合材料结构件制备技术轨道交通复合材料结构件制备技术44国内工作基础国内工作基础（（国防科技大学国防科技大学））55小结小结55小结小结2010-11-1613/8222复合材料在轨道交通结构中的应用复合材料在轨道交通结构中的应用2.12.1天然纤维复合材料天然纤维复合材料————人体亲和性部件人体亲和性部件Jute-CoirComposites-AnAlternativetoWoodProducts黄麻-椰壳复合材料——木制品的替代物TheprojectwaslaunchedincollaborationwithM/sDuroflexLimited,Bangalore（班加罗尔）,aleadingmanufacturingindustryinrubberizedcoirmaterials.Theprojectaimsatdevelopmentofjute-coircompositeboardswithidfj&i/bbdiidCidjorientedfacejuteveener&coir/rubberwoodinside.Coirandjuteimpregnatedwithphenolicresinsareusedforitsmanufacture.Thesecompositeboardshavevariousapplicationssuchaspartitioning（隔Thesecompositeboardshavevariousapplicationssuchaspartitioning（隔板）,falseceiling（吊顶）,surfacepaneling（面板）,roofing（屋顶）,furniture（家具）,cupboards（食橱）,wardrobes（衣柜）etc.Thithihddfjtiitbd（黄麻椰壳复合材料Thereexistshighdemandofjute-coircompositeboards（黄麻椰壳复合材料板）inrailwayinteriorsforsleeperberthbacking（卧铺衬背）,forbuildinginteriors,doors&windows（门和窗）andasabackingmaterial（衬背材料）forseat&backrest（靠背）inbusesinthetransportationsector2010-11-1614/82forseat&backrest（靠背）inbusesinthetransportationsector.22复合材料在轨道交通结构