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    復合材料

    2016-08-01 13:55:38 點擊數:

        復合材料是由兩種或兩種以上的不同材料組合而成的機械工程材料。各種組成材料在性能上能互相取長補短,產生協同效應,使復合材料的綜合性能優于原組成材料,從而滿足各種不同的要求。

        復合材料的組成包括基體和增強材料兩個部分。非金屬基體主要有合成樹脂、碳、石墨、橡膠、陶瓷;金屬基體主要有鋁、鎂、銅和它們的合金;增強材料主要有玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、芳綸纖維等有機纖維和碳化硅纖維、石棉纖維、晶須、金屬絲及硬質細粒等。

        復合材料的歷史可追溯很遠,如從古沿用迄今的稻草增強粘土,和已使用上百年的鋼筋混凝土,就是由兩種不同材料復合而成。

        20世紀20年代以后發展起來的銅-鎢和銀-鎢電觸頭材料,碳化鎢-鈷基硬質合金,和其他粉末燒結材料,其實質也是復合材料。40年代,因航空工業的需要,發展了玻璃纖維增強塑料(俗稱玻璃鋼)的雷達罩,從此出現了復合材料這一名稱。

        50年代以后陸續發展了碳纖維、石墨纖維和硼纖維等高強度、高模量纖維;70年代又出現了芳香族聚酰胺纖維(簡稱芳綸纖維),如聚對苯甲酰胺纖維和碳化硅纖維。這些高強度、高模量纖維能與合成樹脂、碳、石墨、陶瓷、橡膠等非金屬基體,或鋁、鎂、鈦等金屬基體復合而成各具特點的材料,為了區別于一般玻璃纖維增強材料,這種材料稱為高級復合材料。

        復合材料根據其組成可分為金屬與金屬復合材料;金屬與非金屬復合材料;非金屬與非金屬復合材料三種。根據結構特點又可分為纖維復合材料、層疊復合材料、細粒復合材料和骨架復合材料。

        纖維復合材料通常是置纖維狀材料于基體內組成,如纖維增強塑料、纖維增強金屬等;層疊復合材料是由兩種或兩種以上不同材料疊合而成,如用兩種具有不同膨脹系數的金屬,復合而成的能指示溫度變化的熱工儀表材料等;細粒復合材料是將硬質細粒均勻分布于基體中,如彌散強化合金、金屬陶瓷;骨架復合材料是在連續多孔的結構材料中填充其他材料,或由面板和芯子組成的夾層結構材料等。其他如定向共晶復合材料,是在特定的熔煉或液體金屬凝固條件下,基體內部生成定向的纖維狀結構而得,故亦稱自增強纖維復合材料。

        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較高強度鋼和鋁合金大數倍,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、消音、電絕緣等性能。再如,石墨纖維與樹脂復合,可得到膨脹系數幾乎等于零的材料。

        纖維增強復合材料的另一特點是各向異性,因此可按制件不同部位的強度要求設計纖維的排列。如以碳纖維或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,比未增強的鋁好得多;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;碳化硅纖維與氮化硅陶瓷復合,使用溫度可達1500℃,比超合金渦輪葉片的使用溫度高很多。

        非金屬基復合材料由于密度小,用于汽車可減輕重量、提高車速、節約能源。如用碳纖維增強塑料制成的車身和發動機罩,其重量可比金屬制的輕一半以上;用碳纖維與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五倍多的鋼片彈簧相等。

        復合材料中應用最廣的是玻璃纖維增強復合材料,其次是碳纖維、石墨纖維、硼纖維、芳綸纖維和碳化硅等增強的復合材料。高級復合材料由于價格昂貴,主要用于軍工、航天、原子能等尖端技術,民用方面除高級運動器材和關鍵性機械零部件外,其他還很少正式采用。

        復合材料范圍廣,品種多,性能優異,有很大的發展前途。玻璃纖維增強熱固性塑料中的片狀模塑料發展很快,已出現了許多分支,其制品已由非受力件擴大到受力件如傳動支架等。玻璃纖維增強熱塑性塑料的用途越來越廣,其發展速度在有的國家已超過熱固性的增長率。

        高級復合材料的發展方向是降低成本,擴大應用范圍。用兩種或兩種以上的不同纖維作為增強材料,不但可降低成本,且其混合效應超過一般的混合規律。航空中的基本結構件、工業用機器人、晦洋開發用的結構材料、汽車片彈簧和驅動軸等,將越來越多地采用混合纖維增強復合材料。

        定向凝固的鑄造復合材料如碳化鉭與鎳或鈷、碳化鈮與鈮等的共晶復合材料,以及無機纖維增強陶瓷復合材料,使用溫度均超過現有的耐熱合金,也將得到發展。碳纖維與銅的復合材料可用作低電壓、大電流電機和超導等特殊電機的電刷材料,耐磨減摩和電子材料。

        在成型工藝方面,增強反應注射成型、反應注射成型、彈性貯存成型和真空浸清成型等均已獲得發展。功能復合材料將多種功能集于一身,如將光電材料與電磁材料復合成光磁復合材料。這種材料在功能轉換器件中很有發展前途。

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