什么是復合材料

1、什么是復合材料下一頁12什么是復合材料一.緒言材料是高新技術開展和現(xiàn)代文明的物質(zhì)根底,材料科學一直是活潑的科學前沿.材料是人類文明開展的里程碑：歷史上所謂石器一青銅一鐵器時代,就以材料作為時代標志.材料是技術進步的關鍵.沒有半導體材料,就不會有計算機；沒有耐高溫、高強、低容重的結(jié)構(gòu)材料就沒有宇航事業(yè).美國國家關鍵技術委員會列定了21項關鍵技術中材料占五項：光電子材料、金屬與合金、陶瓷材料、高分子材料、先進復合材料.我國863方案涵括的七大方面：航天、激光、生物工程、新材料、能源、信息、自動化.材料是其中之一.材料的開發(fā)、生產(chǎn)和應用對自然環(huán)境和人類社會的影響是無與倫比的.因此,人們把能源一材料一

2、信息作為現(xiàn)代文明的三大支柱.為什么材料,特別是高性能新材料受到世界各國如此重視,得到迅速開展呢？主要有以下四點原因：1國際軍事工業(yè)劇烈競爭,航空航天技術開展需要.下面舉幾個例子予以佐證.例1,宇宙飛船或衛(wèi)星返回地面假設不限制,外表溫度可達4000c.合金鋼2021c也熔化了.目前沒有任一種單一材料可抵此溫度.飛船宇宙飛行時,外壁溫度為零下110C,返回地面,高溫沖擊時間30min,外壁溫度為1250C.美國航天飛機“哥倫比亞號外表覆蓋了可重復使用的聚合物基復合材料隔熱瓦片30757塊,成功解決了難題.例2,宇宙飛行器上的雷達天線,稱為“飛行器眼睛.為降低信號損失,對其尺寸穩(wěn)定性有嚴格要求：變形

3、小于萬分之一,重量輕強度高.工作環(huán)境卻非常嚴苛：發(fā)射加速度沖擊與振動,-200C70C.高模量碳纖維/環(huán)氧樹脂復合材料幾乎為唯一滿足要求的材料.例3,據(jù)計算,人造衛(wèi)星減重1kg,運載火箭可減輕500kgo美國MX導彈發(fā)動機由碳纖維/環(huán)氧纏繞殼體取代鈦合金,射程由1千公里增至4千公里,CFWRP勺比重僅為合金鋼確實1/5o例4,美國航天飛機采用了各種先進復合材料：發(fā)動機殼體硼纖維/環(huán)氧聚合物基復合材料壓力容器硼纖維/聚酰亞胺后部機體碳纖維/聚酰亞胺機體中央局部硼纖維/鋁金屬基復合材料機頭及主翼前緣碳/碳復合材料哈爾濱飛機公司引進的法國海豚直升機,碳纖維、Kevlar纖維增強環(huán)氧先進復合材料用量占

4、70%±o以上例子說明高性能新材料、聚合物基復合材料迅猛開展的第一個原因.2新技術的需要促進了新材料的開展.3地球上金屬資源與化石能源越用越少,石油天燃氣等本世紀末將用盡,開發(fā)與節(jié)約能源為當務之急.據(jù)報導,全世界汽車每天用油約300萬噸,約占世界產(chǎn)油總量的3040%采用陶瓷基復合材料制造汽車發(fā)動機,熱效率提升50%可減重20%省油30%碳纖維增強塑料汽車可省油20%再如：一個年產(chǎn)4.5萬噸的人工合成橡膠廠就能抵上45萬畝天然橡膠園.4科學技術的進步為新材料的開展提供了條件中國樹脂在線.材料的分類,新材料偏重于應用可分為：信息材料、能源材料、功能高分子材料如高效別離膜、新型金屬材料非晶

5、態(tài)金屬、新合金等、先進復合材料等.從物質(zhì)組成結(jié)構(gòu)上分為四大類：金屬材料、無機非金屬材料陶瓷、玻璃、水泥等、高分子材料包括三大合成材料：樹脂、橡膠、纖維等、復合材料.人們對材料的研究,總體歸結(jié)為兩大方面：一是材料組成、結(jié)構(gòu)與性能關系即微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能的關系.二是設計、制造工藝與產(chǎn)品性能間的關系.代表著結(jié)構(gòu)材料開展趨勢的樹脂基復合材料脫穎而生,日益發(fā)揮重要作用.20世紀以鋼鐵為主的時代經(jīng)過數(shù)十年開展,正逐步演變?yōu)閺秃喜牧蠒r代.在興旺國家鋼鐵需求量逐年下降,而復合材料需求量猛增.目前美國塑料與樹脂基復合材料需求量比鋼鐵多0.8倍體積比.樹脂基復合材料經(jīng)過半個世紀的開展歷程,其理論研究和工業(yè)生產(chǎn)已取

6、得巨大進展,應用范圍已擴展至人類生活各領域.二.復合材料與樹脂基體1.什么是復合材料的定義國內(nèi)外業(yè)界有各種說法.英國人赫爾提由復合材料分三類：天然復合材料,如木材、骨骼、肌肉等；細觀復合材料,如合金、增強塑料等；宏觀復合材料,如鋼筋混凝土等.適合于工程結(jié)構(gòu)的復合材料定義應包含以下三點內(nèi)容：(1)含兩種或兩種以上物理性質(zhì)不同并可用機械方法別離的多相材料(區(qū)別與混合物和合金)；(2)可人為限制將一種材料分布到其它材料中,以達最正確性能；(3)性能優(yōu)于單獨組分材料,并具獨特性能.科學家把復合材料這種揚長避短的作用稱為復合效應.人們利用復合效應可自由選擇復合材料組成物質(zhì),人為設計各種新型復合材料,把材

7、料科學推進到了一個新階段.因此,國外把復合材料稱為第四代材料,又稱“設計材料.2 .復合材料的分類工程上生產(chǎn)與應用的復合材料內(nèi)含兩類材料：增強材料與基體材料.增強材料作用：提供強度與剛度形態(tài)：多為纖維狀材質(zhì)：玻璃纖維、碳纖維、芳倫(Kevlar)纖維、硼纖維、碳化硅纖維等.基體材料作用：將增強材料粘接成固態(tài)整體,保護增強材料,傳遞荷載,阻止裂紋擴展；材質(zhì)：合成樹脂.分為熱固性樹脂與熱塑性樹脂兩大類；金屬；陶瓷；水泥根據(jù)基體的不同復合材料又細分為：聚合物基復合材料,又稱纖維增強塑料.分為纖維增強熱固性塑料FRP與纖維增強熱塑性塑料FRTP應用最廣的為玻璃纖維增強塑料GRP(GlassReforc

8、edPlastics);金屬基復合材料,如連續(xù)或非連續(xù)硼纖維、碳纖維增強鋁鎂、鈦、鎂等金屬基體；陶瓷基復合材料,如碳纖維、碳化硅(SiC)晶須增強陶瓷,極大提升了陶瓷的韌性(提升斷裂韌性最高可達9倍以上)；水泥基復合材料,如碳纖維、玻璃纖維、植物纖維增強水泥等；碳纖維增強碳基體稱為C/C復合材料.上述諸種復合材料,目前全世界產(chǎn)量最大應用最廣(約90%以上)首推聚合物基復合材料.3 .聚合物基復合材料的特性(1)輕質(zhì)高強.以CFRM例：與鋼相比,比重僅為鋼的1/5,比強度為鋼的8倍,比模量為3.6倍,疲勞強度為2.7倍,抗拉強度為1.4倍.(2)耐腐蝕性優(yōu)異.全世界每年腐蝕金屬約1.2億噸,我國金屬腐蝕損失每年約600億以上.FRP因根本不發(fā)生金屬的電化學腐蝕,可取代昂貴的不銹鋼.(3)制造容易,生產(chǎn)率高.美國阿特拉斯導彈,用纖維纏繞聚合物基復合材料殼體取代合金鋼,生產(chǎn)周期縮短為1/3o波音公司莫型飛機由11000個金屬零部件組成,改