高性能新材料--復(fù)合材料 2020-05-29 16:28?


一、復(fù)合材料的概念

   復(fù)合材料是人們運(yùn)用先進(jìn)的材料制備技術(shù)將不同性質(zhì)的材料組分優(yōu)化組合而成的新材料。一般定義的復(fù)合材料需滿(mǎn)足以下條件:
(i) 復(fù)合材料必須是人造的，是人們根據(jù)需要設(shè)計(jì)制造的材料;
(ii) 復(fù)合材料必須由兩種或兩種以上化學(xué)、物理性質(zhì)不同的材料組分，以所設(shè)計(jì)的形式、比例、分布組合而成，各組分之間有明顯的界面存在;
(iii)它具有結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性，可進(jìn)行復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);
(iv) 復(fù)合材料不僅保持各組分材料性能的優(yōu)點(diǎn)，而且通過(guò)各組分性能的互補(bǔ)和關(guān)聯(lián)可以獲得單一組成材料所不能達(dá)到的綜合性能。 
復(fù)合材料的基體材料分為金屬和非金屬兩大類(lèi)。金屬基體常用的有鋁、鎂、銅、鈦及其合金。非金屬基體主要有合成樹(shù)脂、橡膠、陶瓷、石墨、碳等。增強(qiáng)材料主要有玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維、石棉纖維、晶須、金屬。

二、復(fù)合材料的分類(lèi)

復(fù)合材料 是一種混合物。在很多領(lǐng)域都發(fā)揮了很大的作用，代替了很多傳統(tǒng)的材料。復(fù)合材料按其組成分為金屬與金屬?gòu)?fù)合材料、非金屬與金屬?gòu)?fù)合材料、非金屬與非金屬?gòu)?fù)合材料。按其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)又分為：①纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。將各種纖維增強(qiáng)體置于基體材料內(nèi)復(fù)合而成。如纖維增強(qiáng)塑料、纖維增強(qiáng)金屬等。②夾層復(fù)合材料。由性質(zhì)不同的表面材料和芯材組合而成。通常面材強(qiáng)度高、薄；芯材質(zhì)輕、強(qiáng)度低，但具有一定剛度和厚度。分為實(shí)心夾層和蜂窩夾層兩種。③細(xì)粒復(fù)合材料。將硬質(zhì)細(xì)粒均勻分布于基體中，如彌散強(qiáng)化合金、金屬陶瓷等。④混雜復(fù)合材料。由兩種或兩種以上增強(qiáng)相材料混雜于一種基體相材料中構(gòu)成。與普通單增強(qiáng)相復(fù)合材料比，其沖擊強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度和斷裂韌性顯著提高，并具有特殊的熱膨脹性能。分為層內(nèi)混雜、層間混雜、夾芯混雜、層內(nèi)/層間混雜和超混雜復(fù)合材料。
復(fù)合材料主要可分為結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和功能復(fù)合材料兩大類(lèi)。
結(jié)構(gòu)復(fù)合材料是作為承力結(jié)構(gòu)使用的材料，基本上由能承受載荷的增強(qiáng)體組元與能連接增強(qiáng)體成為整體材料同時(shí)又起傳遞力作用的基體組元構(gòu)成。增強(qiáng)體包括各種玻璃、陶瓷、碳素、高聚物、金屬以及天然纖維、織物、晶須、片材和顆粒等，基體則有高聚物(樹(shù)脂)、金屬、陶瓷、玻璃、碳和水泥等。由不同的增強(qiáng)體和不同基體即可組成名目繁多的結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，并以所用的基體來(lái)命名，如高聚物(樹(shù)脂)基復(fù)合材料等。結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的特點(diǎn)是可根據(jù)材料在使用中受力的要求進(jìn)行組元選材設(shè)計(jì)，更重要是還可進(jìn)行復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即增強(qiáng)體排布設(shè)計(jì)，能合理地滿(mǎn)足需要并節(jié)約用材。
功能復(fù)合材料一般由功能體組元和基體組元組成，基體不僅起到構(gòu)成整體的作用，而且能產(chǎn)生協(xié)同或加強(qiáng)功能的作用。功能復(fù)合材料是指除機(jī)械性能以外而提供其他物理性能的復(fù)合材料。如：導(dǎo)電、超導(dǎo)、半導(dǎo)、磁性、壓電、阻尼、吸波、透波、磨擦、屏蔽、阻燃、防熱、吸聲、隔熱等凸顯某一功能。統(tǒng)稱(chēng)為功能復(fù)合材料。功能復(fù)合材料主要由功能體和增強(qiáng)體及基體組成。功能體可由一種或以上功能材料組成。多元功能體的復(fù)合材料可以具有多種功能。同時(shí)，還有可能由于復(fù)合效應(yīng)而產(chǎn)生新的功能。多功能復(fù)合材料是功能復(fù)合材料的發(fā)展方向。
復(fù)合材料也可分為常用和先進(jìn)兩類(lèi)。
常用復(fù)合材料如玻璃鋼，便是用玻璃纖維等性能較低的增強(qiáng)體與普通高聚物(樹(shù)脂)構(gòu)成。由于它的價(jià)格低廉，得以大量發(fā)展，已廣泛用于船舶、車(chē)輛、化工管道和貯罐、建筑結(jié)構(gòu)、體育用品等方面。
先進(jìn)復(fù)合材料指用高性能增強(qiáng)體如碳纖維、芳綸等于高性能耐熱高聚物構(gòu)成的復(fù)合材料，后來(lái)又把金屬基、陶瓷基和碳(石墨)基以及功能復(fù)合材料包括在內(nèi)。它們的性能雖然優(yōu)良，但價(jià)格相對(duì)較高，主要用于國(guó)防工業(yè)、航空航天、精密機(jī)械、深潛器、機(jī)器人結(jié)構(gòu)件和高檔體育用品等。

復(fù)合材料中以纖維增強(qiáng)材料應(yīng)用最廣、用量最大。其特點(diǎn)是比重小、比強(qiáng)度和比模量大。例如碳纖維與環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合的材料，其比強(qiáng)度和比模量均比鋼和鋁合金大數(shù)倍，還具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、減摩耐磨、自潤(rùn)滑、耐熱、耐疲勞、耐蠕變、消聲、電絕緣等性能。石墨纖維與樹(shù)脂復(fù)合可得到熱膨脹系數(shù)幾乎等于零的材料。纖維增強(qiáng)材料的另一個(gè)特點(diǎn)是各向異性，因此可按制件不同部位的強(qiáng)度要求設(shè)計(jì)纖維的排列。以碳纖維和碳化硅纖維增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料，在500℃時(shí)仍能保持足夠的強(qiáng)度和模量。碳化硅纖維與鈦復(fù)合，不但鈦的耐熱性提高，且耐磨損，可用作發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片。碳化硅纖維與陶瓷復(fù)合， 使用溫度可達(dá)1500℃，比超合金渦輪葉片的使用溫度（1100℃）高得多。碳纖維增強(qiáng)碳、石墨纖維增強(qiáng)碳或石墨纖維增強(qiáng)石墨，構(gòu)成耐燒蝕材料，已用于航天器、火箭導(dǎo)彈和原子能反應(yīng)堆中。非金屬基復(fù)合材料由于密度小，用于汽車(chē)和飛機(jī)可減輕重量、提高速度、節(jié)約能源。用碳纖維和玻璃纖維混合制成的復(fù)合材料片彈簧，其剛度和承載能力與重量大5倍多的鋼片彈簧相當(dāng)。

三、復(fù)合材料的應(yīng)用

       復(fù)合材料的主要應(yīng)用領(lǐng)域有：①航空航天領(lǐng)域。由于復(fù)合材料熱穩(wěn)定性好，比強(qiáng)度、比剛度高，可用于制造飛機(jī)機(jī)翼和前機(jī)身、衛(wèi)星天線(xiàn)及其支撐結(jié)構(gòu)、太陽(yáng)能電池翼和外殼、大型運(yùn)載火箭的 殼體、發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、航天飛機(jī)結(jié)構(gòu)件等。②汽車(chē)工業(yè)。由于復(fù)合材料具有特殊的振動(dòng)阻尼特性，可減振和降低噪聲、抗疲勞性能好，損傷后易修理，便于整體成形，故可用于制造汽車(chē)車(chē)身、受力構(gòu)件、傳動(dòng)軸、發(fā)動(dòng)機(jī)架及其內(nèi)部構(gòu)件。③化工、紡織和機(jī)械制造領(lǐng)域。有良好耐蝕性的碳纖維與樹(shù)脂基體復(fù)合而成的材料，可用于制造化工設(shè)備、紡織機(jī)、造紙機(jī)、復(fù)印機(jī)、高速機(jī)床、精密儀器等。④醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。碳纖維復(fù)合材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能和不吸收X射線(xiàn)特性，可用于制造醫(yī)用X光機(jī)和矯形支架等。碳纖維復(fù)合材料還具有生物組織相容性和血液相容性，生物環(huán)境下穩(wěn)定性好，也用作生物醫(yī)學(xué)材料。此外，復(fù)合材料還用于制造體育運(yùn)動(dòng)器件和用作建筑材料等。