A 复合材料的概念
随着科学技术的发展,对材料提出愈来愈高的要求,单一的金属、非金属或有机高分子材料往往不能满足人们的需要。采用复合技术,把一些不同性能的材料复合在一起,使其互相取长补短,从而获得单一材料不具备的优越的综合性能,于是就产生了复合材料。
复合材料通常由基体材料和增强材料两部分组成。基体一般选用低强度、低模量、韧性大的材料如树脂、橡胶等,而增强材料则选用高强度、高模量的材料如玻璃纤维、碳纤维等。
a 分类
复合材料种类很多,分类不统一,常见的分类有以下几种:
按基体类型分:可分为聚合物基、金属基和无机非金属基复合材料。
按性能分:可分为结构复合材料和功能复合材料。
按增强材料种类和形状分:可分为纤维增强、颗粒增强、层叠增强复合材料。
b 性能特点
复合材料的比强度、比模量、断裂安全性高,耐疲劳性能、减震性能好,减摩性、化学稳定性、加加工性能较好。但纤维增强复合材料还存在一些问题,如抗冲击性能低,各向异性,横向强度和层间剪切强度不高,成本较高,所以目前应用很有限。
B 常用复合材料
a 玻璃钢
玻璃钢是以塑料作为基体材料,以玻璃纤维作为增增强材料的复合材料。这类复合材料是出现最早、应用最广的现代复合材料之一。玻璃钢分为两类,一类是玻璃纤维和热塑性树脂组成的复合材料称为热塑性玻璃钢;另一类是玻璃纤维和热固性树脂组成的复合材料,称为热固性玻璃钢。
玻璃钢的强度可达到某些合金钢的水平,而密度却却只有钢铁的1/5左右,即材料的比强度很高。同时,这样的复合材料仍保持合成高分子化合物所具有的较好的耐化学腐蚀性、电绝缘性和易加工性能。玻璃钢材料除可用作建筑业中的结构材料外,还广泛用于需耐腐蚀的石油化工设备和船舰的制造以及电子工业中印刷电路的制造。
玻璃钢的缺点是它的刚性不如钢铁,即受力后易发生形变。再者,玻璃钢耐高温性能较差,当温度超过40℃时,强度不易保持。
b 碳纤维增强材料
碳纤维树脂复合材料是以树脂为基体、碳纤维为增强材料的一类复合材料,最常用的是碳纤维与环氧树脂、酚醛树脂、聚四氟乙烯树脂组成的复合材料。
碳纤维树脂复合材料的许多性能都超过了玻璃钢。如碳纤维-环氧树脂复合材料的强度和弹性模量都超过了铝合金,甚至接近高强度钢,弥补了玻璃钢弹性模量低的缺点,又兼密度比玻璃钢小的优点,因此成为目前比强度、比模量最高的复合材料之一。此外,碳纤维树脂复合材料还具有优良的抗疲劳性能、耐冲击性能、自润滑性能、减摩耐磨性、耐腐蚀性和耐热性,缺点是纤维与基体结合比较困难,制品存在各向异性,层间剪切强度低。
碳纤维复合材料主要用于航空制造业和宇航技术中,可用于制作宇宙飞行器外表的防热层、卫星壳体、飞机发动机风扇叶片、尾翼、螺旋桨等;在机械工业中可用于制作各类耐磨零件如齿轮、轴承、活塞等;也可用于制作化工管道、容器等。
C 金属基复合材料
金属基复合材料是指增强材料与金属基体组成的复合材料。与树脂基复合材料相比,金属基复合材料具有高强度、高模量、高韧性、横向力学性能好和层间抗切强度高等特点。此外还具有工作温度高、耐磨、导电、导热、不吸湿、尺寸稳定、不老化等优点,因而引起人们的注意,但由于价格较贵,工艺复杂,目前仍处于研制和试用阶段。
金属基复合材料主要有纤维增强和颗粒增强两大类。
纤维增强金属复合材料是由高强度、高模量的脆性纤维和具有较好韧性的低屈服强度的金属组成。常用纤维为硼纤维、碳纤维,常用基体金属为铝合金、钛合金、铜等。量料合这
颗粒增强金属基复合材料是由一种或多种颗粒高度分散在金属基体中所组成的复合材料,粒子直径以0.01~0.1pm增强效果最好。其中陶瓷粒子增强金属基体而成的金属陶瓷复合材料已广泛用于切削刀具材料。