高性能新材料--復合材料 2020-05-29 16:28?
一、復合材料的概念
復合材料是人們運用先進的材料制備技術將不同性質的材料組分優化組合而成的新材料。一般定義的復合材料需滿足以下條件:
(i) 復合材料必須是人造的，是人們根據需要設計制造的材料;
(ii) 復合材料必須由兩種或兩種以上化學、物理性質不同的材料組分，以所設計的形式、比例、分布組合而成，各組分之間有明顯的界面存在;
(iii)它具有結構可設計性，可進行復合結構設計;
(iv) 復合材料不僅保持各組分材料性能的優點，而且通過各組分性能的互補和關聯可以獲得單一組成材料所不能達到的綜合性能。
復合材料的基體材料分為金屬和非金屬兩大類。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脂、橡膠、陶瓷、石墨、碳等。增強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、復合材料的分類
二、復合材料的分類
復合材料 是一種混合物。在很多領域都發揮了很大的作用，代替了很多傳統的材料。復合材料按其組成分為金屬與金屬復合材料、非金屬與金屬復合材料、非金屬與非金屬復合材料。按其結構特點又分為：①纖維增強復合材料。將各種纖維增強體置于基體材料內復合而成。如纖維增強塑料、纖維增強金屬等。②夾層復合材料。由性質不同的表面材料和芯材組合而成。通常面材強度高、薄；芯材質輕、強度低，但具有一定剛度和厚度。分為實心夾層和蜂窩夾層兩種。③細粒復合材料。將硬質細粒均勻分布于基體中，如彌散強化合金、金屬陶瓷等。④混雜復合材料。由兩種或兩種以上增強相材料混雜于一種基體相材料中構成。與普通單增強相復合材料比，其沖擊強度、疲勞強度和斷裂韌性顯著提高，并具有特殊的熱膨脹性能。分為層內混雜、層間混雜、夾芯混雜、層內/層間混雜和超混雜復合材料。
復合材料主要可分為結構復合材料和功能復合材料兩大類。
結構復合材料是作為承力結構使用的材料，基本上由能承受載荷的增強體組元與能連接增強體成為整體材料同時又起傳遞力作用的基體組元構成。增強體包括各種玻璃、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(樹脂)、金屬、陶瓷、玻璃、碳和水泥等。由不同的增強體和不同基體即可組成名目繁多的結構復合材料，并以所用的基體來命名，如高聚物(樹脂)基復合材料等。結構復合材料的特點是可根據材料在使用中受力的要求進行組元選材設計，更重要是還可進行復合結構設計，即增強體排布設計，能合理地滿足需要并節約用材。
功能復合材料一般由功能體組元和基體組元組成，基體不僅起到構成整體的作用，而且能產生協同或加強功能的作用。功能復合材料是指除機械性能以外而提供其他物理性能的復合材料。如：導電、超導、半導、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。統稱為功能復合材料。功能復合材料主要由功能體和增強體及基體組成。功能體可由一種或以上功能材料組成。多元功能體的復合材料可以具有多種功能。同時，還有可能由于復合效應而產生新的功能。多功能復合材料是功能復合材料的發展方向。
復合材料也可分為常用和先進兩類。
常用復合材料如玻璃鋼，便是用玻璃纖維等性能較低的增強體與普通高聚物(樹脂)構成。由于它的價格低廉，得以大量發展，已廣泛用于船舶、車輛、化工管道和貯罐、建筑結構、體育用品等方面。
先進復合材料指用高性能增強體如碳纖維、芳綸等于高性能耐熱高聚物構成的復合材料，后來又把金屬基、陶瓷基和碳(石墨)基以及功能復合材料包括在內。它們的性能雖然優良，但價格相對較高，主要用于國防工業、航空航天、精密機械、深潛器、機器人結構件和高檔體育用品等。
復合材料中以纖維增強材料應用最廣、用量最大。其特點是比重小、比強度和比模量大。例如碳纖維與環氧樹脂復合的材料，其比強度和比模量均比鋼和鋁合金大數倍，還具有優良的化學穩定性、減摩耐磨、自潤滑、耐熱、耐疲勞、耐蠕變、消聲、電絕緣等性能。石墨纖維與樹脂復合可得到熱膨脹系數幾乎等于零的材料。纖維增強材料的另一個特點是各向異性，因此可按制件不同部位的強度要求設計纖維的排列。以碳纖維和碳化硅纖維增強的鋁基復合材料，在500℃時仍能保持足夠的強度和模量。碳化硅纖維與鈦復合，不但鈦的耐熱性提高，且耐磨損，可用作發動機風扇葉片。碳化硅纖維與陶瓷復合， 使用溫度可達1500℃，比超合金渦輪葉片的使用溫度（1100℃）高得多。碳纖維增強碳、石墨纖維增強碳或石墨纖維增強石墨，構成耐燒蝕材料，已用于航天器、火箭導彈和原子能反應堆中。非金屬基復合材料由于密度小，用于汽車和飛機可減輕重量、提高速度、節約能源。用碳纖維和玻璃纖維混合制成的復合材料片彈簧，其剛度和承載能力與重量大5倍多的鋼片彈簧相當。
三、復合材料的應用
復合材料的主要應用領域有：①航空航天領域。由于復合材料熱穩定性好，比強度、比剛度高，可用于制造飛機機翼和前機身、衛星天線及其支撐結構、太陽能電池翼和外殼、大型運載火箭的 殼體、發動機殼體、航天飛機結構件等。②汽車工業。由于復合材料具有特殊的振動阻尼特性，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，故可用于制造汽車車身、受力構件、傳動軸、發動機架及其內部構件。③化工、紡織和機械制造領域。有良好耐蝕性的碳纖維與樹脂基體復合而成的材料，可用于制造化工設備、紡織機、造紙機、復印機、高速機床、精密儀器等。④醫學領域。碳纖維復合材料具有優異的力學性能和不吸收X射線特性，可用于制造醫用X光機和矯形支架等。碳纖維復合材料還具有生物組織相容性和血液相容性，生物環境下穩定性好，也用作生物醫學材料。此外，復合材料還用于制造體育運動器件和用作建筑材料等。
三、復合材料的應用
復合材料的主要應用領域有：①航空航天領域。由于復合材料熱穩定性好，比強度、比剛度高，可用于制造飛機機翼和前機身、衛星天線及其支撐結構、太陽能電池翼和外殼、大型運載火箭的 殼體、發動機殼體、航天飛機結構件等。②汽車工業。由于復合材料具有特殊的振動阻尼特性，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，故可用于制造汽車車身、受力構件、傳動軸、發動機架及其內部構件。③化工、紡織和機械制造領域。有良好耐蝕性的碳纖維與樹脂基體復合而成的材料，可用于制造化工設備、紡織機、造紙機、復印機、高速機床、精密儀器等。④醫學領域。碳纖維復合材料具有優異的力學性能和不吸收X射線特性，可用于制造醫用X光機和矯形支架等。碳纖維復合材料還具有生物組織相容性和血液相容性，生物環境下穩定性好，也用作生物醫學材料。此外，復合材料還用于制造體育運動器件和用作建筑材料等。