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復合材料的應用及發展前景

復合材料的應用及發展前景

 

復合材料具有承載能力好、優良的力學性能、減振性強、耐磨、耐熱及材料的可設計性等一系列優良特性,在理論研究和實際應用上引起了人們極大的關注。本文介紹了復合材料的性能特點和種類,以及近幾年復合材料在工業的應用和前景。 
材料是科學技術發展的基礎,復合材料作為最新發展起來的一大類新型材料,對科學技術的發展產生了極大的推動作用。對航空航天事業的影響尤為顯著。復合材料(Composite materials),是由兩種或兩種以上不同性質的材料,通過物理或化學的方法,在宏觀上組成具有新性能的材料。各種材料在性能上互相取長補短,產生協同效應,使復合材料的綜合性能優于原組成材料而滿足各種不同的要求。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、金屬絲和硬質細粒等。 
一、復合材料的性能特點 
1.比強度和比模量高 
復合材料的優點是比強度和比模量(即強度、模量與密度之比)高.比強度和比模量是度量材料承載能力的一個指標,比強度越高,同一零件的自重越;比模量越高,零件的剛性越大。 
2.抗疲勞性好 
復合材料中基體與增強纖維間的界面可有效地阻止疲勞裂紋的擴展,同時基體中密布著大量纖維,疲勞斷裂時,裂紋的擴展要經歷很曲折和復雜的路徑,所以疲勞強度高。金屬材料的疲勞破壞是由里向外突然發展的,事先沒有任何征兆;而纖維復合材料的疲勞破壞總是從纖維的薄弱環節開始,逐漸擴展到結合面上,破壞前有明顯的預兆。 
3.減振性能強 
結構的自振頻率除與結構本身形狀、質量有關,還與材料的比模量的平方根成正比。纖維增強復合材料的比模量大,自振頻率高,避免了工作狀態下因共振而引起的早期破壞。同時,復合材料中纖維與基體界面具有吸振能力,因此振動阻尼很高,即使產生了共振也會很快衰減。 
4.減摩、耐磨、自潤滑性好 
在熱塑性塑料中摻入少量短切碳纖維可大大提高它的耐磨性,其增加的倍數為聚氯乙烯本身的3.8倍:聚四氟乙烯本身的3倍。碳纖維增強塑料還可以降低塑料的摩擦系數并具有良好的自潤滑性能,因此可以用于制造無油潤滑活塞環、軸承和齒輪。 
5.耐熱性高 
碳纖維增強樹脂復合材料的耐熱性比樹脂基體有明顯提高,而金屬基復合材料在耐熱性方面更顯示出其優越性,碳化硅纖維、氧化鋁纖維與陶瓷復合,在空氣中能耐1200-1400℃高溫,要比所有超高溫合金的耐熱性高出100℃以上。用于柴油發動機,可取消原來的散熱器、水泵等冷卻系統,減輕重量約100kgo 
6.復合材料構件制造工藝簡單,適合整體成型。在制造復合材料的同時,也就獲得了制件,從而減少零部件、緊固件和接頭的數目,并可節省原材料和工時。 
7.斷裂安全性高 
纖維增強復合材料中有大量獨立的纖維,過載時會使其部分纖維斷裂,但隨即會迅速進行應力的重新分配,而由未斷纖維承擔全部載荷,不致造成構件在瞬間喪失承載能力而斷裂,所以工作安全性高。 
二、復合材料的分類與應用 
復合材料按結構特點分為以下四類: 
1.纖維增強復合材料 
由增強纖維材料,如玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維等,與基體材料經過纏繞,模壓或拉擠等成型工藝而形成的復合材料。根據增強材料的不同,常見的纖維增強復合材料分為玻璃纖維增強復合材料(GFRP);碳纖維增強復合材料(CFRP)以及芳綸纖維增強復合材料(AFRP)。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。 
纖維增強復合材料被越來越廣泛地應用于各種民用建筑、橋梁、公路、海洋、水工結構以及地下結構等領域中。 
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、;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。它已用于飛機上的天線罩隔板、機翼以及火車車廂、運輸容器等方面。 
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。顆粒復合材料可以在汽車上使用,用碳化硅粒子材料做汽車的制動器,減少汽車制動器的逐漸失靈現象。還可用它來做汽車的氣缸套,可改進耐磨性。 
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。 
三、發展前景 
現代高科技的發展離不開復合材料,復合材料對現代科學技術的發展,有著十分重要的作用。復合材料有復合材料的研究深度和應用廣度及其生產發展的速度和規模,已成為衡量一個國家科學技術先進水平的重要標志之一,F階段,我國玻璃鋼、復合材料行業面臨一個新的大發展時期,如城市化進程中大規模的市政建設、新能源的利用和大規模開發、環境保護政策的出臺、汽車工業的發展、大規模的鐵路建設、大飛機項目等。在巨大的市場需求牽引下,復合材料產業的發展將有很廣闊的發展空間。復合材料也正向智能化方向發展,材料、結構和電子互相融合而構成的智能材料與結構, 是當今材料與結構高新技術發展的方向。隨著智能材料與結構的發展還將出現一批新的學科與技術。包括:綜合材料學、精細工藝學、材料仿生學、生物工藝學、分子電子學、自適應力學以及神經元網絡和人工智能學等。智能材料與結構已被許多國家確認為必須重點發展的一門新技術,成為21世紀復合材料一個重要發展方向。 

 

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