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复合材料的应用及发展前景

复合材料的应用及发展前景

 

复合材料具有承载能力好、优良的力学性能、减振性强、耐磨、耐热及材料的可设计性等一系列优良特性,在理论研究和实际应用上引起了人们极大的关注。本文介绍了复合材料的性能特点和种类,以及近几年复合材料在工业的应用和前景。 
材料是科学技术发展的基础,复合材料作为最新发展起来的一大类新型材料,对科学技术的发展产生了极大的推动作用。对航空航天事业的影响尤为显著。复合材料(Composite materials),是由两种或两种以上不同性质的材料,通过物理或化学的方法,在宏观上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短,产生协同效应,使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。 
一、复合材料的性能特点 
1.比强度和比模量高 
复合材料的优点是比强度和比模量(即强度、模量与密度之比)高.比强度和比模量是度量材料承载能力的一个指标,比强度越高,同一零件的自重越小;比模量越高,零件的刚性越大。 
2.抗疲劳性好 
复合材料中基体与增强纤维间的界面可有效地阻止疲劳裂纹的扩展,同时基体中密布着大量纤维,疲劳断裂时,裂纹的扩展要经历很曲折和复杂的路径,所以疲劳强度高。金属材料的疲劳破坏是由里向外突然发展的,事先没有任何征兆;而纤维复合材料的疲劳破坏总是从纤维的薄弱环节开始,逐渐扩展到结合面上,破坏前有明显的预兆。 
3.减振性能强 
结构的自振频率除与结构本身形状、质量有关,还与材料的比模量的平方根成正比。纤维增强复合材料的比模量大,自振频率高,避免了工作状态下因共振而引起的早期破坏。同时,复合材料中纤维与基体界面具有吸振能力,因此振动阻尼很高,即使产生了共振也会很快衰减。 
4.减摩、耐磨、自润滑性好 
在热塑性塑料中掺入少量短切碳纤维可大大提高它的耐磨性,其增加的倍数为聚氯乙烯本身的3.8倍:聚四氟乙烯本身的3倍。碳纤维增强塑料还可以降低塑料的摩擦系数并具有良好的自润滑性能,因此可以用于制造无油润滑活塞环、轴承和齿轮。 
5.耐热性高 
碳纤维增强树脂复合材料的耐热性比树脂基体有明显提高,而金属基复合材料在耐热性方面更显示出其优越性,碳化硅纤维、氧化铝纤维与陶瓷复合,在空气中能耐1200-1400℃高温,要比所有超高温合金的耐热性高出100℃以上。用于柴油发动机,可取消原来的散热器、水泵等冷却系统,减轻重量约100kgo 
6.复合材料构件制造工艺简单,适合整体成型。在制造复合材料的同时,也就获得了制件,从而减少零部件、紧固件和接头的数目,并可节省原材料和工时。 
7.断裂安全性高 
纤维增强复合材料中有大量独立的纤维,过载时会使其部分纤维断裂,但随即会迅速进行应力的重新分配,而由未断纤维承担全部载荷,不致造成构件在瞬间丧失承载能力而断裂,所以工作安全性高。 
二、复合材料的分类与应用 
复合材料按结构特点分为以下四类: 
1.纤维增强复合材料 
由增强纤维材料,如玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维等,与基体材料经过缠绕,模压或拉挤等成型工艺而形成的复合材料。根据增强材料的不同,常见的纤维增强复合材料分为玻璃纤维增强复合材料(GFRP);碳纤维增强复合材料(CFRP)以及芳纶纤维增强复合材料(AFRP)。复合材料中以纤维增强材料应用最广、用量最大。其特点是比重小、比强度和比模量大。例如碳纤维与环氧树脂复合的材料,其比强度和比模量均比钢和铝合金大数倍,还具有优良的化学稳定性、减摩耐磨、自润滑、耐热、耐疲劳、耐蠕变、消声、电绝缘等性能。石墨纤维与树脂复合可得到膨胀系数几乎等于零的材料。纤维增强材料的另一个特点是各向异性,因此可按制件不同部位的强度要求设计纤维的排列。以碳纤维和碳化硅纤维增强的铝基复合材料,在500℃时仍能保持足够的强度和模量。碳化硅纤维与钛复合,不但钛的耐热性提高,且耐磨损,可用作发动机风扇叶片。碳化硅纤维与陶瓷复合, 使用温度可达1500℃,比超合金涡轮叶片的使用温度(1100℃)高得多。碳纤维增强碳、石墨纤维增强碳或石墨纤维增强石墨,构成耐烧蚀材料,已用于航天器、火箭导弹和原子能反应堆中。非金属基复合材料由于密度小,用于汽车和飞机可减轻重量、提高速度、节约能源。用碳纤维和玻璃纤维混合制成的复合材料片弹簧,其刚度和承载能力与重量大5倍多的钢片弹簧相当。 
纤维增强复合材料被越来越广泛地应用于各种民用建筑、桥梁、公路、海洋、水工结构以及地下结构等领域中。 
2.夹层复合材料 
由性质不同的表面材料和芯材组合而成。通常面材强度高、薄;芯材质轻、强度低,但具有一定刚度和厚度。分为实心夹层和蜂窝夹层两种。它已用于飞机上的天线罩隔板、机翼以及火车车厢、运输容器等方面。 
3.细粒复合材料 
将硬质细粒均匀分布于基体中,如弥散强化合金、金属陶瓷等。颗粒复合材料可以在汽车上使用,用碳化硅粒子材料做汽车的制动器,减少汽车制动器的逐渐失灵现象。还可用它来做汽车的气缸套,可改进耐磨性。 
4.混杂复合材料 
由两种或两种以上增强相材料混杂于一种基体相材料中构成。与普通单增强相复合材料比,其冲击强度、疲劳强度和断裂韧性显著提高,并具有特殊的热膨胀性能。分为层内混杂、层间混杂、夹芯混杂、层内/层间混杂和超混杂复合材料。 
三、发展前景 
现代高科技的发展离不开复合材料,复合材料对现代科学技术的发展,有着十分重要的作用。复合材料有复合材料的研究深度和应用广度及其生产发展的速度和规模,已成为衡量一个国家科学技术先进水平的重要标志之一。现阶段,我国玻璃钢、复合材料行业面临一个新的大发展时期,如城市化进程中大规模的市政建设、新能源的利用和大规模开发、环境保护政策的出台、汽车工业的发展、大规模的铁路建设、大飞机项目等。在巨大的市场需求牵引下,复合材料产业的发展将有很广阔的发展空间。复合材料也正向智能化方向发展,材料、结构和电子互相融合而构成的智能材料与结构, 是当今材料与结构高新技术发展的方向。随着智能材料与结构的发展还将出现一批新的学科与技术。包括:综合材料学、精细工艺学、材料仿生学、生物工艺学、分子电子学、自适应力学以及神经元网络和人工智能学等。智能材料与结构已被许多国家确认为必须重点发展的一门新技术,成为21世纪复合材料一个重要发展方向。 

 

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