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分散相可以是纤维及其编织物,也可以是颗粒状或弥散的填料。
在基体和增强体之间存在着界面。
因此,复合材料是由两种以上组分以及它们之间的界面构成。
组分材料主要指增强体和基体,它们也被称为复合材料的增强相和基体相。
增强相与基体相之间的界面区域因为其特殊的结构组成也被视作复合材料中的“相”,即界面相。
增强相和基体相是根据它们组分的物理和化学性质和在最终复合材料中的形态来区分的。
其中一个组分是细丝(连续的或短切的)、薄片或颗粒状,具有较高的强度、模量、硬度和脆性,在复合材料承受外加载荷时是主要承载相,称为增强相或增强体(reinforcedphaseorreinforcement)。
增强相或增强体在复合材料中呈分散形式,被基体相隔离包围,因此也称作分散相;
复合材料中的另一个组分是包围增强相并相对较软和韧的贯连材料,称为基体相(matrixphase)。
复合材料的各种形态示意于图中:
复合材料及其增强相的各种形态,纤维状,颗粒状,层状,片状,填充状,复合材料在制造前,基体材料的形状可以是薄片、粉末、块体或无定形的流体,它的状态可以是固态、气态、熔融态或半固半液态。
基体材料在与增强相固结后,基体相在复合材料中就成为包裹增强相的连续体。
因此,基体相也叫做连续相。
基体相具有支撑和保护增强相的作用,在复合材料承受外加载荷时,基体相主要以剪切变形的方式起向增强相分配和传递载荷的作用。
在复合材料中,增强相和基体相之间还存在着明显的结合面。
位于增强相和基体相之间并使两相彼此相连的、化学成分和力学性质与相邻两相有明显区别、能够在相邻两相间起传递载荷作用的区域,称为复合材料的界面(interface)。
复合材料中界面层的厚度通常在亚微米以下,但界面层的总面积在复合材料中很大,且复合材料的界面特征对复合材料的性能、破坏行为及应用效能有很大影响。
所以,人们以极大的注意力开展对复合材料界面的研究-表面和界面工程(surfaceandinterfaceengineering)。
复合材料的性能取决于组分材料的种类、性能、含量和分布。
主要包括:
增强体的性能和它的表面物理、化学状态;
基体的结构和性能;
增强体的配置、分布和体积含量。
复合材料的性能还取决于复合材料的制造工艺条件、复合方法、零件几何形状和使用环境条件。
复合材料既能保留原组分材料的主要特色,并通过复合效应获得组分材料所不具备的性能,还可以通过材料设计使各组分的性能相互补充并彼此关联,从而获得新的性能。
复合材料设计:
选择复合材料的组分、增强体分布和复合材料制造工艺、使其具有使用所要求的性能过程。
复合材料设计可分为三个层次:
单层材料设计、铺层设计、结构设计。
单层材料设计包括正确选择增强材料、基体材料及共配比,该层次决定单层板的性能;
铺层设计包括对铺层材料的铺层方案做出合理钱财安的安排,该层次决定层合板的性能;
结构设计则最后确定产品结构的形状和尺寸。
上述三个设计层次互为前提、互相影响、互相依赖。
因此,复合材料及其结构的设计打破了材料研究和结构研究的传统界限。
设计人员必须把材料性能和结构性能统一考虑,换言之,材料设计和结构设计必须同时进行,并将它们统一在同一个设计方案中。
复合材料是由多相材料复合而成,它的共同的特点主要有三个:
()综合发挥各种组成材料的优点,使一种材料具有多种性能,具有天然材料所没有的性能。
例如,玻璃纤维增强环氧基复合材料,既具有类似钢材的强度,又具有塑料的介电性能和耐腐蚀性能。
(2)可按对材料性能的需要进行材料的设计和制造。
如,针对方向性材料强度的设计,针对某种介质耐腐蚀性能的设计等。
(3)可制成所需的任意形状的产品,可避免多次加工工序。
例如,可避免金属产品的铸模、切削、磨光等工序。
影响复合材料性能的因素主要取决于增强材料的性能、含量及分布状况,基体材料的性能、含量,以及它们之间的界面结合情况,作为产品还与成型工艺和结构设计有关。
因此,不论对哪一类复合材料,就是同一类复合材料的性能也不是一个定值,而只能给出其主要性能。
一般材料的简单混合与复合材料的两点本质区别:
()复合材料不仅保留了原组成材料的特点,而且通过各组分的相互补充和关联可以获得原组分所没有的新的优越性能;
()复合材料的可设计性如结构复合材料不仅可根据材料在使用中受力的要求进行组元选材设计,更重要的是还可进行复合结构设计,即增强体的比例、分布、排列和取向等的设计。
对于结构复合材料来说,是由能承受载荷的增强体组元与能连接增强体又起传递力作用的基体组元构成。
由不同的增强体和不同的基体即可组成名目繁多的结构复合材料。
2、复合材料的特性复合材料是由多种组分的材料组成,许多性能优于单一组分的材料。
例如,纤维增强的树脂基复合材料,具有质量轻、强度高、可设计性好、耐化学腐蚀、介电性能好、耐烧蚀及容易成型加工等优点。
()轻质高强,比强度和比刚度高、增强剂或者基体是比重小的物质,或两者的比重都不高,且都不是完全致密的;
、增强剂多是强度很高的纤维。
比强度(指强度与密度的比值)和比弹性模量是各类材料中最高的。
例如,普通碳钢的密度为7.8g/cm3。
玻璃纤维增强树脂基复合材料的密度为1.52.0g/cm3,只有普通碳钢的1/41/5,比铝合金还要轻1/左右,而机械强度却能超过普通碳钢的水平。
若按比强度计算,玻璃纤维增强的树脂基复合材料不仅超过碳钢,而且可超过某些特殊合金纲。
碳纤维复合材料、有机纤维复合材料具有比玻璃纤维复合材料更低的密度和更高的强度,因此具有更高的比强度。
(2)可设计性好复合材料可以根据不同的用途要求,灵活地进行产品设计,具有很好的可设计性。
对于结构件来说,可以根据受力情况合理布置增强材料,达到节约材料、减轻质量的目的。
对于有耐腐蚀性能要求的产品,设计时可以选用耐腐蚀性能好的基体树脂和增强材料;
对于其他一些性能要求,如介电性能、耐热性能等,都可以方便地通过选择合适的原材料来满足要求。
复合材料良好的可设计性还可以最大限度地克服其弹性模量、层间剪切强度低等缺点。
(3)电性能好复合材料具有优良的电性能,通过选择不同的树脂基体、增强材料和辅助材料,可以将其制成绝缘材料或导电材料。
例如,玻璃纤维增强的树脂基复合材料具有优良的电绝缘性能,并且在高频下仍能保持良好的介电性能,因此可作为高性能电机、电器的绝缘材料;
玻璃纤维增强的树脂基复合材料还具有良好的透波性能,被广泛地用于制造机载、舰载和地面雷达罩。
复合材料通过原材料的选择和适当的成型工艺可以制得导电复合材料。
这是一种功能复合材料,在冶金、化工和电池制造等工业领域具有广泛的应用前景。
(4)耐腐蚀性能好聚合物基复合材料具有优异的耐酸性能、耐海水性能、也能耐碱、盐和有机溶剂。
因此它是一种优良的耐腐蚀材料,用其制造的化工管道、贮罐、塔器等具有较长的使用寿命、极低的维修费用。
(5)热性能良好玻璃纤维增强的聚合物基复合材料具有较低的导热系数,是一种优良的绝热材料。
选择适当的基体材料和增强材料可以制成耐烧蚀材料和热防护材料,能有效地保护火箭、导弹和宇宙飞行器在2000以上承受用温、高速气流的冲刷作用。
(6)工艺性能优良纤维增强的聚合物基复合材料具有优良的工艺性能,能满足各种类型制品的制造需要,特别适合于大型制品、形状复杂、数量少制品的制造,,(7)弹性模量金属基和陶瓷基复合材料能够在较高的温度下长期使用,但是聚合物基复合材料的弹性模量很低。
因此,制成的制品容易变形。
用碳纤维等高模量纤维作为增强材料可以提高复合材料的弹性模量,另外,通过结构设计也可以克服其弹性模量差的缺点。
比模量系指在温度为232和相对湿度为505的条件下测量的杨氏模量(单位:
N.m-2)除以比重(单位:
N.m-3)。
杨氏模量就是指表达物体在变形时所受的应力与应变关系的比例常数。
在弹性范围内大多数材料服从虎克定律,即变形与受力成正比。
纵向应力与纵向应变的比例常数就是材料的弹性模量E,也叫杨氏模量。
横向应变与纵向应变之比值称为泊松比,也叫横向变性系数,它是反映材料横向变形的弹性常数。
复合材料的突出优点是比强度和比模量(即强度、模量与密度之比)高。
比强度和比模量是度量材料承载能力的一个指标,比强度愈高,同一零件的比重愈小;
比模量愈高,零件的刚性愈大。
(8)长期耐热性金属基和陶瓷基复合材料能在较高的温度下长期使用,但是聚合物基复合材料不能在高温下长期使用,即使耐高温的聚酰亚胺基复合材料,其长期工作温度也只能在300左右。
(9)老化现象在白然条件下,由于紫外光、湿热、机械应力、化学侵蚀的作用,会导致复合材料的性能变差,即发生所谓的老化现象。
复合材料在使用过程中发牛老化现象的程度与其组成、结构和所处的环境有关。
(10)抗疲劳性能好首先,缺陷少的纤维的疲劳抗力很高;
其次,基体的塑性好,能消除或减小应力集中区的大小和数量。
(11)减振能力强复合材料的比模量高,所以它的自振频率很高,不容易发生共振而快速脆断;
另外,复合材料是一种非均质多相体系,在复合材料中振动衰减都很快。
与传统材料(如金属、木材、水泥等)相比,复合材料是一种新型材料。
它具有许多优良的性能,并且其成本在逐渐地下降,成型工艺的机械化、白动化程度也在不断地提高。
团此,复合材料的应用领域日益广泛。
3、复合材料的应用,氮化硅结构陶瓷被用作航天飞机的防热瓦,硼纤维金属基复合材料制成的火箭履轴的管道输送部件,美国B-2隐形轰炸机表面为具有良好吸波性能的碳纤维复合材料,由光导纤维构成的光缆,先进橡胶轮胎使汽车成为交通主宰,赛车上使用的特殊轮胎,人工合成的金刚石,高分子分离膜已被用来制造高效家庭净水器,人工肾脏,生物陶瓷人造关节,可调节的太阳镜,耐高温纤维制成的消防人员的服装,在航空、航天方面的应用由于复合材料的轻质高强持性,使其在航空航天领域得到广泛的应用。
在航空方面,主要用作战斗机的机冀蒙皮、机身、垂尾、副翼、水平尾冀、雷达罩、侧壁板、隔框、翼肋和加强筋等主承力构件。
在交通运输方面的应用由复合材料制成的汽车质量减轻,在相同条件下的耗油量只有钢制汽车的14,而且在受到撞击时复合材料能大幅度吸收冲击能量,保护人员的安全。
用复合材料制造的汽车部件较多,如车体、驾驶室、挡泥板、保险杠、引擎罩、仪表盘、驱动轴、板黄等。
随着列车速度的不断提高,火车部件用复合材料来制造是最好的选择。
复合材料常被用于制造高速列车的车箱外壳、内装饰材料、整体卫生间、车门窗、水箱等。
在化学工业方面的应用在化学工业方面,复合材料主要被用于制造防腐蚀制品。
聚合物基复合材料具有优异的耐腐蚀性能。
例如,在酸性介质中,聚合物基复合材料的耐腐蚀性能比不锈钢优异得多。
(4)在电气工业方面的应用聚合物基复合材料是一种优异的电绝缘材料,被广泛地用于电机、电工器材的制造,如绝缘板、绝缘管、印刷线路板、电机护环、槽楔、高压绝缘子、带电操作工具等。
在建筑工业方面的应用玻璃纤维增强的聚合物基复合材料(玻璃钢)具有力学性能优异,隔热、隔声性能良好,吸水率低,耐腐蚀性能好和装饰性能好的特点,因此,它是一种理想的建筑材料。
在建筑上,玻璃钢被用作承力结构、围护结构、冷却塔、水箱、卫生洁具、门窗等。
在机械工业方面的应用复合材料在机械制造工业中,用于制造各种叶片、风机、各种机械部件如齿轮、皮带轮和防护罩等。
用复合材料制造叫片具力制造容易、质量轻、耐腐蚀等优点,各种风力发电机叶片都是由复合材料制造的。
在体育用品方面的应用在体育用品方面,复合材料被用于制造赛车、赛艇、皮艇、划桨、撑杆、球拍、弓箭、雪橇等。
我国是制造和使用复合材料最早的国家,远在400余年前就发明了以麻丝增强大漆,构成典型的复合材料器皿,并一直沿用至今。
现代复合材料是1958年才开始发展的,是以玻璃纤维增强热固性聚合物为主要品种。
我国复合材料科学的研究现状,除聚合物基复合材料以外,目前已展开金属基、陶瓷基、碳基、水泥基,以及功能复合材料的制备科学和其结构与性能的研究,有些研究处于国际复合材料前沿,如纳米复合材料,智能复合材料等。
原材料的研究结构型复合材料中关键的原材料是增强体。
我国于20世纪50年代末,开始研制玻璃纤维增强体,研究了各种玻璃纤维的配方,包括中碱的玻璃,无碱的玻璃以及高强度的玻璃等。
工艺方法是以传统的坩埚法为主,近来正发展到先进的池窑法(直接熔融法)。
高性能增强体如碳纤维、芳酰胺纤维(芳纶)、超高分子量聚已乙烯纤维,以及一些陶瓷纤维等我国均有研究。
特别是碳纤维在20世纪60年代即从聚丙烯腈原丝开始研究,一直到烧成碳纤维。
随后又解决了连续化的问题,并且开展有关机理性的研究。
各种基体复合材料的研究聚合物基复合材料热固性聚合物基体主要为不饱和聚酯、环氧树脂、酚醛树脂、双马树脂,以及少量的耐高温聚酰亚胺树脂,其中的研究工作集中在合成新型树脂,同时也对其结构表征和固化过程进行了研究。
热塑性聚合物基体除聚丙烯外,还有常用的工程塑料,如聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚醚砜和热塑性聚酰亚胺等的合成,改性和表征等。
聚合物基复合材料加工成型方面,除手糊、喷射、模压、缠绕、拉挤、热压罐成型等常规方法的研究外,也研究一些新型的加工方法,如树脂传递法(RTM)的充模过程,包括其模拟计算等。
金属基复合材料目前主要集中在以轻金属(如铝、镁、钛)等为基体的复合材料研究,少量研究致力于铜、铁、铅基体的复合材料。
增强的形式包括连续纤维、短纤维、晶须和颗粒。
其他基体复合材料陶瓷基复合材料方面的研究工作,如热压烧结的碳化硅晶须增强氧化硅,或碳化硅基体的复合材料;
氧化锆颗粒增强碳化物陶瓷复合材料等的制备科学和结构性能研究。
降低成本由于复合材料的性能优于传统材料,如能降低复合材料的成本,其应用前景将是非常广阔的。
复合材料今后的发展方向,高性能复合材料的研制高性能复合材料是指具有高强度、高模量、耐高温等特性的复合材料。
随着人类向太空发展,航空航天工业对高性能复合材料的需求量越来越大,而且也会提出更高的性能要求,如更高的强度要求、更高的耐温要求等。
功能性复合材料功能复合材料是指具有导电、超导、微波、摩擦、吸声、阻尼、烧蚀等功能的复合材料。
智能复合材料智能复合材料是指具有感知、识别及处理能力的复合材料。
在技术上是通过传感器、驱动器、控制器来实现复合材料的上述能力。
例如,当用智能复合材料制造的飞机部件发生损伤时,可由埋入的传感器在线检测到该损伤,通过控制器决策后,控制埋入的形状记忆合金动作,在损伤周围产生压应力,从而防止损伤的继续发展,大大提高了飞机的安全性能。
仿生复合材料复合材料的设计从常规设计向仿生设计发展。
仿照竹子从表皮到内层纤维由密排到疏松的特点,成功地制备出具有明显组织梯度与性能梯度的新型梯度复合材料。
仿照鲍鱼壳的结构,由碳、铝和硼混合成陶瓷细带制成了10微米厚的薄层,由此得到的层状复合材料比其原材料坚固40。
环保型复合材料从环境保护的角度看,目前的复合材料大多注重材料性能和加工工艺性能,而在回收利用上存在与环境不相协调的问题。
因此,开发、使用与环境相协调的复合材料,是复合材料今后的发展方向之。
复合材料发展史,天然复合材料竹、木、茅草、贝壳、骨骼传统复合材料麻刀(纸筋)石灰;
土坯(草秆、粘土);
钢筋混凝土;
通用复合材料1940年玻璃纤维增强塑料(GFRP)先进复合材料1960年,复合材料从结构复合材料单功能复合材料多功能复合材料机敏材料和智能材料。
智能材料具有接受、传递、处理和发射信息的功能,是信息科学溶入材料科学的产物。
一种天然生物复合材料竹子,先进复合材料,先进复合材料是比原有的通用复合材料有更高性能的复合材料。
包括用各种高性能增强剂(纤维等)与耐温性好的热固性和热塑性树脂基体所构成的高性能树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料、玻璃基复合材料、碳基复合材料。
包括使用其力学性能的结构复合材料和使用热、电、磁、光、核、生物及其他性能的功能复合材料。
先进复合材料,功能材料是指除力学性能以外还提供其它物理、化学、生物等性能的复合材料。
包括压电、导电、雷达隐身、永磁、光致变色、吸声、阻燃、生物自吸收等种类繁多的复合材料,具有广阔的发展前途。
未来的功能复合材料比重将超过结构复合材料,成为复合材料发展的主流。
未来复合材料的研究方向主要集中在纳米复合材料、仿生复合材料、和发展多功能、机敏、智能复合材料等领域。
飞机上用的复合材料,碳纤维/环氧树脂,碳纤维/芳纶/环氧树脂,玻璃纤维增强塑料,芳纶/杜邦聚酰胺,芳纶/泡沫芯板,碳纤维/杜邦聚酰胺,飞机上用的复合材料,增韧石墨,石墨,混杂复合材料,玻璃纤维,车身:
开创性的大量应用源自F1赛车的碳纤维复合材料,GLARE蒙皮用于A380飞机的上机身蒙皮,中国自研大飞机面临发动机与复合材料两大难题,大推力、高涵道比涡扇发动机大量运用了复合材料或钛合金空心宽弦叶片、整体叶盘。
B-2隐形轰炸机除主体结构是钛复合材料外,其它部分均由碳纤维和石墨等复合材料构成,不易反射。
轻巧的碳/碳复合材料,全复合材料机身:
轻型机的价格,中型机的宽敞客舱,客舱内站立高度为1.65米。
目前商用飞机上复合材料仅占全机重量的50%,而某些直升机早已达到90%,荷兰计划研发新型绿色环保飞机外形将酷似飞碟,另一个设想就是使用复合材料,如纤维增强塑料。
这种复合材料强度可与金属媲美,而重量却比金属轻得多,因此可以节省燃油。
复合材料军用吉普车,玻璃纤维/碳纤维/增强树脂美洲轻木泡沫,超级跑车车身大量应用碳纤维复合材料,生产充气船及其胶布制品,采用国际上先进的A级RTP复合材料,新型日光温室复合材料温室骨架和纵拉杆全部采用复合材料制成,绿可木,生态木塑复合材料,木塑复合材料吸音板,复合材料(玻璃钢)制品,采用高分子复合材料制作浮雕和雕塑,碳纤维/树脂复合材料,碳/碳复合材料,生物医学制品和体育运动,复合材料被用来预防受伤,矫正生理机能,和帮助病人复原。
生物医学制品和以体育运动器材为主的碳纤维复合材料制品,热塑性复合材料再近20年中,增长速率持续较快,是热固性的3倍。
JS系列自润滑复合材料与部件,三维纺织预成型技术和RTM技术是研制和开发高性能复合材料结构件的关键技术。
RTM成型的复合材料头盔。
锂/复合材料聚合物电解质-热电池,聚合物纳米复合材料,聚合物,层状粘土,传统的复合材料,插入的纳米复合材料,片状剥离的纳米复合材料,新型的纳米黏土,片层越小,分散得越好,则复合材料的性能越好,复合材料的铺层优化设计,模压成型工艺:
当前常用的模压料品种有热固性复合材料,包括SMC(片状模塑料)、BMC(团状模塑料)、和TMC(散状模塑料)、等;
热塑性复合材料,国际上的材料专家普遍认为当前人类已经从合成材料的时代进入复合材料时代。
因为想要合成一种新的单一材料使之满足各种高要求的综合指标是非常困难的。
即使能研制出某种满意的单一材料,则从实验室到生产的周期也很长。
如果把现有的有机高分子、无机非金属和金属材料通过复合工艺组成复合材料则可以利用它们所特有的复合效应使之产生原组成材料不具备的性能而且还可以通过材料设计以达到预期的性能指标,并起到节约材料和费用的作用。
复合材料概念的提出只有50年左右。
上世纪60年代的中后期由于出现了碳纤维和芳酰胺纤维等高性能增强剂和一些耐高温树脂基体,从而构成性能更高的复合材料。
虽然由于技术难度大,造价高因而产量小,但是它们能满足当时高技术进展的需要,所以仍能迅速发展起来。
为了与一般通用复合材料(指玻璃纤维增强塑料)有所区别,而获得了“先进复合材料”的名称。
随后又把金属基复合材料、陶瓷基复合材料、碳基复合材料以及功能复合材料等充实到先进复合材料的范畴里来,充分体现出先进复合材料量小但性能特殊而优异的特点。
虽然它所包括的各种基体的复合材料和功能复合材料各有特点和缺陷,但综合起来看,先进复合材料可以通过选择,使之具备密度小、强度和刚度高、耐温、耐磨、导热、导电、膨胀系数小、抗疲劳性好、阻尼性能好、耐烧蚀、耐冲刷、抗辐射、吸波、换能以及其他物理功能等特点。
这些正是推动高技术的发展中迫切需要解决的问题,因此,可以说先进复合材料的发展有力地促进了高技术的进步。
同时高技术的进展也带动和加速了先进复合材料的不断更新,到上世纪90年代初,复合材料的世界总产量约为三百万吨,已在建筑、交通运输、化工、船舶、航空航天和通用机械等领域广泛应用。
先进复合材料在高技术中的作用,高技术对材料的选用是非常严格和苛刻的,先进复合材料的优越性能比一般材料更能适合各种高技术发展的需要。
几种典型先进复合材料和常用材料性能对比,复合材料的比强度和比模量,玻璃纤维/环氧树脂,芳纶纤维/环氧树脂,石墨纤维/环氧树脂,硼纤维/环氧树脂,石墨纤维/环氧树脂,铍,石墨纤维/环氧树脂,比拉伸模量=弹性模量/密度(任意单位),比拉伸强度=拉伸强度/密度(任意单位),开发空间是人类进步的重要标志,巳所需要的各种结构材料如运载火箭的壳体,航天飞机的支架、桁条、蒙皮,卫星的支架、蒙皮、天线,空间站的各种结构件,都要求用轻质高强和高刚度材料以节约推动所需的燃料,先进复合材料能满足这些要求。
特别是像导弹的头部防热材料、航天飞机的防热前缘和火箭发动机的喷管等需要耐高温、抗烧蚀材树,更是非先进复合材料莫属。
其他如抗粒子流、隐身功能等方而,先进复合材料也是候选的优先对象。
先进复合材料在航天技术的建立方面已经作出了不可磨灭的贡献,而且在未来的发展中还将继续起关键作用。
开发新能源、节能和储能等能源新技术是高技术的另一重要组成部分。
能源技术同样也需要轻质高强、耐温耐腐蚀的材料,先进复合材料也是理想的选用对象(见下表)。
在能源技术中先进复合材料的应用范例,信息技术是现代发展最迅速的高技术。
在信息技术中包括信息的检测、传输、贮存、处理运算和执行等方面,先进复合材料也能起到重要的作用(见下表)。
先进复合材料在信息技术中的应用,在高技术的生物工程方面,先进复合材料不仅在力学性能上能满足各种生物工程用容器的要求,同时还能满足耐腐蚀、抗生物破坏以及生物相容性的要求。
此外,功能复合材料还可以制造用于生物工程的物质分离的各种膜材料。
上世纪70年代以来。
先进复合材料的发展非
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