复合材料

HEATS · 发表于 2010-9-12 16:52:07

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　　复合材料是由两种或两种以上的不同材料组合而成的机械工程材料。各种组成材料在性能上能互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料，从而满足各种不同的要求。

　　复合材料的组成包括基体和增强材料两个部分。非金属基体主要有合成树脂、碳、石墨、橡胶、陶瓷；金属基体主要有铝、镁、铜和它们的合金；增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维等有机纤维和碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝及硬质细粒等。

　　复合材料的历史可追溯很远，如从古沿用迄今的稻草增强粘土，和已使用上百年的钢筋混凝土，就是由两种不同材料复合而成。

　　20世纪20年代以后发展起来的铜-钨和银-钨电触头材料，碳化钨-钴基硬质合金，和其他粉末烧结材料，其实质也是复合材料。40年代，因航空工业的需要，发展了玻璃纤维增强塑料(俗称玻璃钢)的雷达罩，从此出现了复合材料这一名称。

　　50年代以后陆续发展了碳纤维、石墨纤维和硼纤维等高强度、高模量纤维；70年代又出现了芳香族聚酰胺纤维(简称芳纶纤维)，如聚对苯甲酰胺纤维和碳化硅纤维。这些高强度、高模量纤维能与合成树脂、碳、石墨、陶瓷、橡胶等非金属基体，或铝、镁、钛等金属基体复合而成各具特点的材料，为了区别于一般玻璃纤维增强材料，这种材料称为高级复合材料。

　　复合材料根据其组成可分为金属与金属复合材料；金属与非金属复合材料；非金属与非金属复合材料三种。根据结构特点又可分为纤维复合材料、层叠复合材料、细粒复合材料和骨架复合材料。

　　纤维复合材料通常是置纤维状材料于基体内组成，如纤维增强塑料、纤维增强金属等；层叠复合材料是由两种或两种以上不同材料叠合而成，如用两种具有不同膨胀系数的金属，复合而成的能指示温度变化的热工仪表材料等；细粒复合材料是将硬质细粒均匀分布于基体中，如弥散强化合金、金属陶瓷；骨架复合材料是在连续多孔的结构材料中填充其他材料，或由面板和芯子组成的夹层结构材料等。其他如定向共晶复合材料，是在特定的熔炼或液体金属凝固条件下，基体内部生成定向的纤维状结构而得，故亦称自增强纤维复合材料。

　　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较高强度钢和铝合金大数倍，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、消音、电绝缘等性能。再如，石墨纤维与树脂复合，可得到膨胀系数几乎等于零的材料。

　　纤维增强复合材料的另一特点是各向异性，因此可按制件不同部位的强度要求设计纤维的排列。如以碳纤维或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，比未增强的铝好得多；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；碳化硅纤维与氮化硅陶瓷复合，使用温度可达15 00℃，比超合金涡轮叶片的使用温度高很多。

　　非金属基复合材料由于密度小，用于汽车可减轻重量、提高车速、节约能源。如用碳纤维增强塑料制成的车身和发动机罩，其重量可比金属制的轻一半以上；用碳纤维与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五倍多的钢片弹簧相等。

　　复合材料中应用最广的是玻璃纤维增强复合材料，其次是碳纤维、石墨纤维、硼纤维、芳纶纤维和碳化硅等增强的复合材料。高级复合材料由于价格昂贵，主要用于军工、航天、原子能等尖端技术，民用方面除高级运动器材和关键性机械零部件外，其他还很少正式采用。

　　复合材料范围广，品种多，性能优异，有很大的发展前途。玻璃纤维增强热固性塑料中的片状模塑料发展很快，已出现了许多分支，其制品已由非受力件扩大到受力件如传动支架等。玻璃纤维增强热塑性塑料的用途越来越广，其发展速度在有的国家已超过热固性的增长率。

　　高级复合材料的发展方向是降低成本，扩大应用范围。用两种或两种以上的不同纤维作为增强材料，不但可降低成本，且其混合效应超过一般的混合规律。航空中的基本结构件、工业用机器人、晦洋开发用的结构材料、汽车片弹簧和驱动轴等，将越来越多地采用混合纤维增强复合材料。

　　定向凝固的铸造复合材料如碳化钽与镍或钴、碳化铌与铌等的共晶复合材料，以及无机纤维增强陶瓷复合材料，使用温度均超过现有的耐热合金，也将得到发展。碳纤维与铜的复合材料可用作低电压、大电流电机和超导等特殊电机的电刷材料，耐磨减摩和电子材料。

　　在成型工艺方面，增强反应注射成型、反应注射成型、弹性贮存成型和真空浸清成型等均已获得发展。功能复合材料将多种功能集于一身，如将光电材料与电磁材料复合成光磁复合材料。这种材料在功能转换器件中很有发展前途。 + y* i4 Q- ~7 f5 x【MechNet】

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