A 復(fù)合材料的概念
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,對(duì)材料提出愈來愈高的要求,單一的金屬、非金屬或有機(jī)高分子材料往往不能滿足人們的需要。采用復(fù)合技術(shù),把一些不同性能的材料復(fù)合在一起,使其互相取長補(bǔ)短,從而獲得單一材料不具備的優(yōu)越的綜合性能,于是就產(chǎn)生了復(fù)合材料。
復(fù)合材料通常由基體材料和增強(qiáng)材料兩部分組成?;w一般選用低強(qiáng)度、低模量、韌性大的材料如樹脂、橡膠等,而增強(qiáng)材料則選用高強(qiáng)度、高模量的材料如玻璃纖維、碳纖維等。
a 分類
復(fù)合材料種類很多,分類不統(tǒng)一,常見的分類有以下幾種:
按基體類型分:可分為聚合物基、金屬基和無機(jī)非金屬基復(fù)合材料。
按性能分:可分為結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和功能復(fù)合材料。
按增強(qiáng)材料種類和形狀分:可分為纖維增強(qiáng)、顆粒增強(qiáng)、層疊增強(qiáng)復(fù)合材料。
b 性能特點(diǎn)
復(fù)合材料的比強(qiáng)度、比模量、斷裂安全性高,耐疲勞性能、減震性能好,減摩性、化學(xué)穩(wěn)定性、加加工性能較好。但纖維增強(qiáng)復(fù)合材料還存在一些問題,如抗沖擊性能低,各向異性,橫向強(qiáng)度和層間剪切強(qiáng)度不高,成本較高,所以目前應(yīng)用很有限。
B 常用復(fù)合材料
a 玻璃鋼
玻璃鋼是以塑料作為基體材料,以玻璃纖維作為增增強(qiáng)材料的復(fù)合材料。這類復(fù)合材料是出現(xiàn)最早、應(yīng)用最廣的現(xiàn)代復(fù)合材料之一。玻璃鋼分為兩類,一類是玻璃纖維和熱塑性樹脂組成的復(fù)合材料稱為熱塑性玻璃鋼;另一類是玻璃纖維和熱固性樹脂組成的復(fù)合材料,稱為熱固性玻璃鋼。
玻璃鋼的強(qiáng)度可達(dá)到某些合金鋼的水平,而密度卻卻只有鋼鐵的1/5左右,即材料的比強(qiáng)度很高。同時(shí),這樣的復(fù)合材料仍保持合成高分子化合物所具有的較好的耐化學(xué)腐蝕性、電絕緣性和易加工性能。玻璃鋼材料除可用作建筑業(yè)中的結(jié)構(gòu)材料外,還廣泛用于需耐腐蝕的石油化工設(shè)備和船艦的制造以及電子工業(yè)中印刷電路的制造。
玻璃鋼的缺點(diǎn)是它的剛性不如鋼鐵,即受力后易發(fā)生形變。再者,玻璃鋼耐高溫性能較差,當(dāng)溫度超過40℃時(shí),強(qiáng)度不易保持。
b 碳纖維增強(qiáng)材料
碳纖維樹脂復(fù)合材料是以樹脂為基體、碳纖維為增強(qiáng)材料的一類復(fù)合材料,最常用的是碳纖維與環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、聚四氟乙烯樹脂組成的復(fù)合材料。
碳纖維樹脂復(fù)合材料的許多性能都超過了玻璃鋼。如碳纖維-環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的強(qiáng)度和彈性模量都超過了鋁合金,甚至接近高強(qiáng)度鋼,彌補(bǔ)了玻璃鋼彈性模量低的缺點(diǎn),又兼密度比玻璃鋼小的優(yōu)點(diǎn),因此成為目前比強(qiáng)度、比模量最高的復(fù)合材料之一。此外,碳纖維樹脂復(fù)合材料還具有優(yōu)良的抗疲勞性能、耐沖擊性能、自潤滑性能、減摩耐磨性、耐腐蝕性和耐熱性,缺點(diǎn)是纖維與基體結(jié)合比較困難,制品存在各向異性,層間剪切強(qiáng)度低。
碳纖維復(fù)合材料主要用于航空制造業(yè)和宇航技術(shù)中,可用于制作宇宙飛行器外表的防熱層、衛(wèi)星殼體、飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片、尾翼、螺旋槳等;在機(jī)械工業(yè)中可用于制作各類耐磨零件如齒輪、軸承、活塞等;也可用于制作化工管道、容器等。
C 金屬基復(fù)合材料
金屬基復(fù)合材料是指增強(qiáng)材料與金屬基體組成的復(fù)合材料。與樹脂基復(fù)合材料相比,金屬基復(fù)合材料具有高強(qiáng)度、高模量、高韌性、橫向力學(xué)性能好和層間抗切強(qiáng)度高等特點(diǎn)。此外還具有工作溫度高、耐磨、導(dǎo)電、導(dǎo)熱、不吸濕、尺寸穩(wěn)定、不老化等優(yōu)點(diǎn),因而引起人們的注意,但由于價(jià)格較貴,工藝復(fù)雜,目前仍處于研制和試用階段。
金屬基復(fù)合材料主要有纖維增強(qiáng)和顆粒增強(qiáng)兩大類。
纖維增強(qiáng)金屬復(fù)合材料是由高強(qiáng)度、高模量的脆性纖維和具有較好韌性的低屈服強(qiáng)度的金屬組成。常用纖維為硼纖維、碳纖維,常用基體金屬為鋁合金、鈦合金、銅等。量料合這
顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料是由一種或多種顆粒高度分散在金屬基體中所組成的復(fù)合材料,粒子直徑以0.01~0.1pm增強(qiáng)效果最好。其中陶瓷粒子增強(qiáng)金屬基體而成的金屬陶瓷復(fù)合材料已廣泛用于切削刀具材料。