复合材料

复合材料【摘要】复合材料一词出现在20世纪50年代。复合材料是由两种或两种以上不同性质或不同形态的原材料，通过复合工艺组合而成的材料，它既保持了原组分材料的主要特点，又具备了原组分材料所没有的新性能的一种多相材料。复合材料是多相结构，可分为两类，一类相为基体，起连接作用；另一类为增强相，起提高强度（或韧性）作用。本文介绍了纤维增强复合材料的增强机制与复合原则、粒子增强型复合材料的增强机制与复合原则、复合材料的性能特点、和一些常用的复合材料。【关键词】复合材料；常用；特点；性能；前景引言：自20世纪80年代以来，随着纳米复合材料的出现和纳米技术的形成，环氧树脂纳米复合材料以其卓越的性能引起了人们的广泛关注。在高聚物的基体材料中，环氧树脂以其优异的粘接性、耐磨性、机械强度、电绝缘性能、化学稳定性、耐高低温性、收缩率低、易加工成型和成本低廉等特性，广泛用于电子电器、工程建设等方面。但由于纯环氧树脂固化后呈三维交联网络结构、交联密度高、内应力大、质脆、抗冲击韧性差等缺点。难以满足日益发展的工程技术的要求，使其应用受到一定的限制。因此，近几十年来逐步发展了应用橡胶类弹性体、热塑性树脂、液晶聚合物(TLCP)、纳米材料等对环氧树脂的多种改性方法。然而，前三种方法在改善韧性的同时，材料的耐热性和其它力学性能(如拉伸强度、弹性模量等)，则有所下降；TLCP改性法因成本昂贵难以实现工业化。纳米改性环氧树脂复合材料具有卓越的综合性能，并且成本适中，成为目前研究的一大热点。材料的发展与人类社会的进步：材料是人类社会进步的物质基础和先导，是人类进步的里程碑。综观人类发展和材料发展的历史，可以清楚地看到，每一种重要材料的发现和利用都会把人类支配和改造自然的能力提高到一个新的水平，给社会生产力和人类生活带来巨大的变化。材料的发展与人类进步和发展息息相关。一万年前，人类使用石头作为日常生活工具，人类进入了旧石器时代，人类战争也进入了冷兵器时代。7000年前人类在烧制陶器的同时创造了炼铜技术，青铜制品广泛地得到应用，同时又促进了人类社会发展，人类进入了青铜器时代。同时火药的发明又使人类战争进入了杀伤力更强的热兵器时代。5000年前人类开始使用铁，随着炼铁技术的发展，人类又发明了炼钢技术。十九世纪中期转炉、平炉炼钢的发展使得世界钢产量迅猛增加，大大促进了机械、铁路交通的发展。随着二十世纪中期合金钢的大量使用，人类又进入钢铁时代，钢铁在人类活动中起着举足轻重的作用。核材料的发现，又将人类引入了可以毁灭自己的核军备竞赛，同时核材料的和平利用，又给人类带来了光明。二十世纪中后期以来，高分子、陶瓷材料崛起以及复合材料的发展，又给人类带来了新的材料和技术革命，楼房可以越盖越高、飞机越飞越快，同时人类进入太空的梦想成为了现实。当前材料、能源、信息是现代科技的三大支柱，它会将人类物质文明推向新的阶段。未来将是一个新材料的时代。复合材料的发展概况：1第一代：1940年到1960年，玻璃纤维增强塑料；第二代：1960年到1980年，先进复合材料的发展时期；第三代：1980年到1990年，纤维增强金属基复合材料；第四代：1990年以后，多功能复合材料。纵观复合材料的发展过程，可以看到：早期发展出现的复合材料，由于性能相对比较低，生产量大，使用面广，可称之为常用复合材料。后来随着高技术发展的需要，在此基础上又发展出性能高的先进复合材料。复合材料的定义：师昌绪院士主编的《材料大辞典》对复合材料给出了较全面完整的定义：“复合材料是由有机高分子、无机非金属和金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料，它既能保留原组分材料的主要特色，又通过复合效应获得原组分所不具备的性能。可以通过材料设计使各组分的性能互相补充并彼此关联，从而获得新的优越性能，与一般材料的混合有本质的区别”。也就是，由两种或两种以上物理、化学性质不同的物质，经人工组合而得到的多项固体材料。复合材料＝基体(连续相)＋增强材料(分散相)复合材料的优点：第一：复合材料能改善或克服组成材料的弱点，充分发挥其优点；第二：复合材料可创造单一材料不易具备的性能或功能，或在同一时间里发挥不同功能的作用；第三：复合材料可按照构件的结构和受力要求，给出约定的、分配合理的配套性能，进行材料的最佳设计。综合以上的优点我们可以看出复合材料具有良好的功能，有着非常好的发展前景。纤维增强复合材料的增强机制与复合原则：1、纤维增强复合材料是由高强度、高弹性模量的连续（长）纤维或不连续（短）纤维与基体(树脂或金属、陶瓷等)复合而成。纤维增强体可使材料获得最大的强化效果，在结构材料中应用广泛。根据复合材料增强的机理，为获得最佳的强度、刚度和韧性，纤维增强复合材料的生产应遵循下述原则：（1）增强纤维的强度、弹性模量应远远高于基体，以保证复合材料受力时主要由纤维承受外加载荷。（2）纤维和基体之间应有一定结合强度，这样才能保证基体所承受的载荷能通过界面传递给纤维，并防止脆性断裂。（3）纤维的排列方向要和构件的受力方向一致，才能发挥增强作用。（4）纤维和基体之间不能发生使结合强度降低的化学反应。（5）纤维和基体的热膨胀系数应匹配，不能相差过大，否则在热胀冷缩过程中会引起纤维和基体结合强度降低。（6）纤维所占的体积分数、纤维长度L和直径d及长径比L/d等必须满足一定要求。2、纤维增强原理：在纤维增强复合材料中，承受主要载荷的是纤维增强体；相对于纤维而言，基体强度和模量低很多，基体的作用是把纤维粘接为整体，使之能协同起作用，并保护纤维不受腐蚀和机械损伤，传递和承受切应力。在合理的期纤维体积百分比条件下，纤维增强的复合原则如下：2Ec=EfVf+EmVm=EfVf+Em(1-Vf)Rc=RfVf+RmVm=fVf+Em(1-Vf)式中：EC——复合材料的纵向弹性模量；Ef——增强纤维的纵向弹性模量；Em——集体材料的纵向弹性模量；Rc——复合材料的抗拉强度；Rf——增强材料的抗拉强度；Rm——基体材料的抗拉强度；Vf——增强纤维的体积百分含量；Vm——基体材料的体积百分含量。由于影响复合材料性能的因素很多，故不同的复合材料复合的原则略有差异。纤维增强复合材料和颗粒增强复合材料具有不同的复合原则。3、颗粒增强复合材料的原则增强原理：在外力的作用下，复合材料的基体将主要承受载荷，而弥散均匀分布的增强粒子将阻碍导致基体塑性变形的位错运动，使变形抗力增加，强度提高。原则：1）粒子与基体应有一定的结合强度。2）粒子增强的效果与粒子相的体积含量、分布和粒子直径有关。3)颗粒应高度弥欺均匀地分散在基体中，使其阻碍导致塑性变形的位错运动(金属、陶瓷基体)或分子链的运动(高聚物基体)。4)颗粒直径的大小要合适，因为颗粒直径过大会引起应力集中或本身破碎导致材料强度降低；颗粒直径太小，则起不到大的强化作用。因此，一般粒径为几微米到几十微米。5)颗粒的数量一般大于20％，数量太少，达不到最佳的强化效果。6)颗粒与基体之间应有一定的粘结作用。复合材料的类型：1、按基体类型可以分为树脂类、金属类、聚合物类和陶瓷类；2、按性能可分为结构复合材料和功能复合材料；3、按增强相的性质和形态可分为纤维增强复合材料、颗粒增强复合材料和层叠增强复合材料；4、按基体材料的不同，复合材料可分为树脂基复合材料、金属基复合材料、碳基复合材料、陶恣基复合材料；5、按增强剂不同，可分为纤维增强复合材料、晶须增强复合材料等；6、按功能又可分为导电复合材料、导磁复合材料、阻尼复合材料、屏蔽复合材料等。复合材料的性能和特点：1、复合材料的比强度和比刚度较高。材料的强度除以密度称为比强度；材料的刚度除以密度称为比刚度。这两个参量是衡量材料承载能力的重要指标。比强度和比刚度较高说明材料重量轻，而强度和刚度大。这是结构设计，特别是航空、航天结构设计对材料的重要要求。现代飞机、导弹和卫星等机体结构正逐渐扩大使用纤维增强复合材料的比例。2、复合材料的抗疲劳性能良好。一般金属的疲劳强度为抗拉强度的40～50%，而某些复合材料可高达70～80%。复合材料的疲劳断裂是从基体开始，逐渐扩展到纤维和基体的界面上，没有突发性的变化。因此，复合材料在破坏前有预兆，可以检查和补救。纤维复合材料还具有较好的抗声振疲劳性能。用复合材料制成的直升飞机旋翼，其疲劳寿命比用金属的长数倍。3、复合材料的减振性能良好。纤维复合材料的纤维和基体界面的阻尼较大，因此具有较好的减振性能。用同形状和同大小的两种粱分别作振动试验，碳纤维复合材料粱的振动衰减时间比轻金属粱要短得多。34、复合材料通常都能耐高温。在高温下，用碳或硼纤维增强的金属其强度和刚度都比原金属的强度和刚度高很多。普通铝合金在400℃时，弹性模量大幅度下降，强度也下降；而在同一温度下，用碳纤维或硼纤维增强的铝合金的强度和弹性模量基本不变。复合材料的热导率一般都小，因而它的瞬时耐超高温性能比较好。5、复合材料的力学性能可以设计，即可以通过选择合适的原材料和合理的铺层形式，使复合材料构件或复合材料结构满足使用要求。例如，在某种铺层形式下，材料在一方向受拉而伸长时，在垂直于受拉的方向上材料也伸长，这与常用材料的性能完全不同。又如利用复合材料的耦合效应，在平板模上铺层制作层板，加温固化后，板就自动成为所需要的曲板或壳体。6、复合材料的安全性好。在纤维增强复合材料的基体中有成千上万根独立的纤维。当用这种材料制成的构件超载，并有少量纤维断裂时，载荷会迅速重新分配并传递到未破坏的纤维上，因此整个构件不至于在短时间内丧失承载能力。复合材料的成型工艺简单。纤维增强复合材料一般适合于整体成型，因而减少了零部件的数目，从而可减少设计计算工作量并有利于提高计算的准确性。另外，制作纤维增强复合材料部件的步骤是把纤维和基体粘结在一起，先用模具成型，而后加温固化，在制作过程中基体由流体变为固体，不易在材料中造成微小裂纹，而且固化后残余应力很小。复合材料的制备方法：复合材料有很多种制备方法，下面我们来了解一下其中的几种方法。（1）叠层复合法叠层复合法是先将不同金属板用扩散结合方法复合，然后采用离子溅射或分子束外延方法交替地将不同金属或金属与陶瓷薄层叠合在一起构成金属基复合材料。这种复合材料性能很好，但工艺复杂难以实用化。目前这种材料的应用尚不广泛，过去主要少量应用或试用于航空、航天及其它军用设备上，现在正努力向民用方向转移，特别是在汽车工业上有很好的发展前景。（2）热浸镀与反向凝固法热浸镀与反向凝固法都是用来制备连续长尺寸包覆材料的方法。热浸镀主要用于线材的连续镀层，主要控制通过镀层区的长度和芯线通过该区的速度等。反向凝固法是利用薄带作为母带，以一定的拉速穿过反向凝固器，由于母带的速度远远低于熔融金属的速度，在母带的表面附近形成足够大的过冷度，熔融金属以母带表面开始凝固生长，配置在反向凝固器上方的一对轧辊，同时起到拉坯平整和焊合的作用。（3）粉末冶金复合法粉末冶金复合法基本原理与常规的粉末冶金法相同，包括烧结成形法、烧结制坯加塑法加工成形法等适合于分散强化型复合材料（颗粒强化或纤维强化型复合材料）的制备与成型。粉末冶金复合法的工艺主要优点是：基体金属或合金的成分可自由选择，基体金属与强化颗粒之间不易发生反应；可自由选择强化颗粒的种类、尺寸，还可多种颗粒强化；强化颗粒添加量的范围大；较容易实现颗粒均匀化。缺点是：工艺复杂，成本高；制品形状、尺寸受限制；微细强化颗粒的均匀分散困难；颗粒与基体的界面不如铸造复合材料等。（5）真空铸造法真空铸造法是先将连续纤维缠绕在绕线机上，用聚甲丙烯酸等能分解的有机高分子化合物方法制成半固化带，把预成型体放入铸型中，加热到500℃使有机高分子分解。铸型的一端浸入基体金属液，另一端抽真空，将金属液吸入型腔浸透纤维。常见的复合材料举例及其特点：4常用的复合材料有纤维增强复合材料、叠层复合材料和粒子增强型复合材料，常用的复合材料有纤维增强复合材料又包含以下几种。1、热固性玻璃钢它是由60%～70%玻璃纤维（或玻璃布）和30%～40%热固性树脂（环氧、聚酯树脂等）组成。主要优点：密度小、强度高，耐蚀性