三、復(fù)合材料

(一)復(fù)合材料組成、分類和特點(diǎn)

1.復(fù)合材料的組成

復(fù)合材料中至少包括基體相和增強(qiáng)相兩大類?；w相起黏結(jié)、保護(hù)增強(qiáng)相并把外加荷載造成的應(yīng)力傳遞到增強(qiáng)相上去的作用，基體相可以由金屬、樹脂和陶瓷等構(gòu)成，在承載中，基體相承受應(yīng)力作用的比例不大;增強(qiáng)相是主要承載相，并起著提高強(qiáng)度(或韌性)的作用，增強(qiáng)相的形態(tài)各異，有纖維狀、細(xì)粒狀和片狀等。

2.復(fù)合材料的分類

工程上開(kāi)發(fā)應(yīng)用較多的是纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。通常有如下分類方法。

(1)按基體材料類型可分為樹脂基、無(wú)機(jī)非金屬材料基和金屬基復(fù)合材料三大類，如圖1.1.1所示。

(2)按增強(qiáng)體類型可分為顆粒增強(qiáng)型、纖維增強(qiáng)型和板狀增強(qiáng)型復(fù)合材料三大類。

(3)按用途可分為結(jié)構(gòu)復(fù)合材料與功能復(fù)合材料兩大類。結(jié)構(gòu)復(fù)合材料指以承受荷載為主要目的，作為受力結(jié)構(gòu)使用的復(fù)合材料，功能復(fù)合材料指具有除力學(xué)性能以外其他物理性能的復(fù)合材料，即具有各種電學(xué)性能、磁學(xué)性能、光學(xué)性能、熱學(xué)性能、聲學(xué)性能、摩擦性能、阻尼性能以及化學(xué)分離性能等的復(fù)合材料。

(4)按增強(qiáng)纖維類型分為碳纖維復(fù)合材料、玻璃纖維復(fù)合材料、有機(jī)纖維復(fù)合材料、復(fù)合纖維復(fù)合材料和混雜纖維復(fù)合材料等。

3.復(fù)合材料的特點(diǎn)

與普通材料相比，復(fù)合材料具有許多特性，具體表現(xiàn)在：

(1)高比強(qiáng)度和高比模量。復(fù)合材料的突出優(yōu)點(diǎn)是比強(qiáng)度和比模量高。如碳纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料的比模量比鋼和鋁臺(tái)金高五倍，比強(qiáng)度高三倍以上。

(2)耐疲勞性高。纖維復(fù)合材料，特別是樹脂基復(fù)合材料對(duì)缺口、應(yīng)力集中敏感性小，而且纖維和基體的界面可以使擴(kuò)展裂紋尖端變鈍或改變方向，即阻止了裂紋的迅速擴(kuò)展，因而疲勞強(qiáng)度較高，碳纖維不飽和聚酯樹脂復(fù)合材料疲勞極限可達(dá)其拉伸強(qiáng)度的70%～80%，而金屬材料只有40%～50%。

(3)抗斷裂能力強(qiáng)。纖維復(fù)合材料中有大量獨(dú)立存在的纖維，一般每平方厘米上有幾千到幾萬(wàn)根，由具有韌性的基體把它們結(jié)合成整體，當(dāng)纖維復(fù)合材料構(gòu)件由于超載或其他原因使少數(shù)纖維斷裂時(shí)，荷載就會(huì)重新分配到其他未斷裂的纖維上，使構(gòu)件不至于在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生突然破壞。因此復(fù)合材料都具有比較高的抗斷裂韌性。

(4)減振性能好。結(jié)構(gòu)的自振頻率與結(jié)構(gòu)本身的質(zhì)量和形狀有關(guān)，并與材料比模量的平方根成正比。若材料的自振頻率高，就可避免在工作狀態(tài)下產(chǎn)生共振及由此引起的早期破壞。

(5)高溫性能好，抗蠕變能力強(qiáng)。由于纖維材料在高溫下仍能保持較高的強(qiáng)度，所以纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，如碳纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料的耐熱性比樹脂基體有明顯提高。而金屬基復(fù)合材料在耐熱性方面更顯示出其優(yōu)越性，如鋁合金的強(qiáng)度隨溫度的增加下降得很快，而用石英玻璃增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，在500℃下能保持室溫強(qiáng)度的40%。碳化硅纖維、氧化鋁纖維與陶瓷復(fù)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。

(6)耐腐蝕性好。很多種復(fù)合材料都能耐酸堿腐蝕，如玻璃纖維增強(qiáng)酚醛樹脂復(fù)合材料，在含氯離子的酸性介質(zhì)中能長(zhǎng)期使用，可用來(lái)制造耐強(qiáng)酸、鹽、酯和某些溶劑的化工管道、泵、閥、容器和攪拌器等設(shè)備。

(7)較優(yōu)良的減摩性、耐磨性、自潤(rùn)滑性和耐蝕性。由于復(fù)合材料構(gòu)件制造工藝簡(jiǎn)單，表現(xiàn)出良好的工藝性能，所以適合整體成型。在制造復(fù)合材料的同時(shí)，也就獲得了制件，從而減少了零部件、緊固件和接頭的數(shù)目，并可節(jié)省原材料和工時(shí)。

(二)復(fù)合材料基體

(1)樹脂基體。樹脂基復(fù)合材料是復(fù)合材料中最主要的一類，通常稱為增強(qiáng)塑料。常用的熱塑性樹脂主要有通用型和工程型樹脂兩類。前者僅能作為非結(jié)構(gòu)材料使用，產(chǎn)量大、價(jià)格低，但性能一般，主要品種有聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯和聚苯乙烯等。后者則可作為結(jié)構(gòu)材料使用，通常在特殊的環(huán)境中使用。一般具有優(yōu)良的機(jī)械性能、耐磨性能、尺寸穩(wěn)定性、耐熱性能和耐腐蝕性能。主要品種有聚酰胺、聚甲醛和聚苯醚等。

(2)金屬基體。金屬基復(fù)合材料主要有三類：顆粒增強(qiáng)、短纖維或晶須增強(qiáng)、連續(xù)纖維或薄片增強(qiáng)。多種金屬及其合金可用作基體材料，如鋁合金、鈦合金、銅合金。鋁合金由于低的密度和優(yōu)異的強(qiáng)度、韌性和抗腐蝕性能，在許多工業(yè)領(lǐng)域得到了大量的應(yīng)用。鈦合金具有高比強(qiáng)度和高比模量，以及優(yōu)良的抗氧化和抗腐蝕性能，是一種理想的化工材料，如鈦合金可用于化工方面的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)(渦輪機(jī)和壓氣機(jī)葉片)和機(jī)身部件等。鎂和鎂合金是另一類非常輕的材料，鑄造鎂合金用于電子設(shè)備等。銅具有面心立方體結(jié)構(gòu)，它普遍用作電導(dǎo)體，它的導(dǎo)熱性能優(yōu)良，容易鑄造和加工，銅在復(fù)合材料中的主要用途之一是作為鈮基超導(dǎo)體的基體材料。

此外，還有金屬間化合物，如鎳鋁化合物等。用金屬間化合物作為基體材料可提高復(fù)合材料的韌性。

(3)陶瓷基體。制作陶瓷基復(fù)合材料的主要目的是增加韌性。適用陶瓷基復(fù)合材料的基體材料主要有氧化物陶瓷基體(氧化鋁陶瓷基體和氧化鋯陶瓷基體等)和非氧化物陶瓷基體(氮化硅陶瓷基體、氮化鋁陶瓷基體、碳化硅陶瓷基體及石英玻璃)。

(三)復(fù)合材料增強(qiáng)體

(1)纖維增強(qiáng)體。復(fù)合材料中的纖維增強(qiáng)體不僅指纖維束絲，還包括紡織布、帶、氈等纖維制品。纖維增強(qiáng)體按其組成可以分為無(wú)機(jī)纖維增強(qiáng)體和有機(jī)纖維增強(qiáng)體兩大類，無(wú)機(jī)纖維包括玻璃纖維、碳纖維、硼纖維及碳化硅纖維等;有機(jī)纖維包括芳綸、尼龍纖維和聚烯烴纖維等。按其性能可以分為高性能纖維增強(qiáng)體和一般纖維增強(qiáng)體兩種，高性能纖維增強(qiáng)體是指具有超高強(qiáng)度和超高模量的各種纖維增強(qiáng)體，包括碳纖維、芳綸、全芳香族聚酯，以及其他具有伸直鏈結(jié)晶結(jié)構(gòu)的纖維。一般纖維增強(qiáng)體是指強(qiáng)度不高、產(chǎn)量較大，來(lái)源較豐富的纖維，主要有玻璃纖維、石棉纖維、礦物纖維、棉纖維、亞麻纖維和合成纖維等。

在纖維增強(qiáng)體中，玻璃纖維是應(yīng)用最為廣泛的增強(qiáng)體?？勺鳛闃渲驘o(wú)機(jī)非金屬基復(fù)合材料的增強(qiáng)材料，玻璃纖維具有成本低、不燃燒、耐熱、耐化學(xué)腐蝕、拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度高、斷裂延伸率小、絕熱性及絕緣性好等特點(diǎn)。

除上述纖維增強(qiáng)體外，金屬纖維增強(qiáng)體、晶須增強(qiáng)體也被用作增強(qiáng)體。

(2)顆粒增強(qiáng)體。復(fù)合材料中的顆粒增強(qiáng)體按顆粒尺寸的大小可以分為兩類，一類是顆粒尺寸在0.1～1.0μm以上的顆粒增強(qiáng)體，它們與金屬基體或陶瓷基體復(fù)合的材料在耐磨性能、耐熱性能及超硬性能方面都有很好的應(yīng)用前景，另一類是顆粒尺寸在0.01～0.10μm范圍內(nèi)的微粒增強(qiáng)體，其強(qiáng)化機(jī)理與第一類不同，由于微粒對(duì)基體位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙而產(chǎn)生強(qiáng)化，屬于彌散強(qiáng)化。

(3)片狀增強(qiáng)體。片狀增強(qiáng)體通常為長(zhǎng)與寬尺度相近的薄片。片狀增強(qiáng)體有天然、人造和在復(fù)合工藝過(guò)程中自身生長(zhǎng)出來(lái)的三種類型。天然片狀增強(qiáng)體的典型代表是云母，人造的片狀增強(qiáng)體有玻璃、鋁和銀等。

(四)復(fù)合材料應(yīng)用

(1)玻璃纖維增強(qiáng)聚酰胺復(fù)合材料的剛度、強(qiáng)度和減摩性好，可制造軸承、軸承架和齒輪等精密機(jī)械零件，還可以制造電工部件等。玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料的強(qiáng)度、耐熱性和抗蠕變性能好.耐水性優(yōu)良，可用來(lái)制造干燥器殼體等。

(2)碳纖維增強(qiáng)酚醛樹脂一聚四氟乙烯復(fù)合材料，常用作各種機(jī)器中的齒輪、軸承等受載磨損零件，活塞、密封圈等受摩擦件，也用作化工零件和容器等。碳纖維復(fù)合材料還可用于高溫技術(shù)領(lǐng)域、化工和熱核反應(yīng)裝置中。

(3)石墨纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，可用于結(jié)構(gòu)材料，制作渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣葉片等。

(4)合金纖維增強(qiáng)的鎳基合金，用于制造渦輪葉片，在可承受較高工作溫度的同時(shí)，還可大大提高承載能力。

(5)顆粒增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料已在民用工業(yè)中得到應(yīng)用。其主要優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，可以像生產(chǎn)一般金屬零件那樣進(jìn)行生產(chǎn)，用該材料制造的發(fā)動(dòng)機(jī)活塞使用壽命大大提高。

(6)塑料一鋼復(fù)合材料。主要是由聚氯乙烯塑料膜與低碳鋼板復(fù)合而成，有單面塑料復(fù)合材料和雙面塑料復(fù)合材料兩種。它綜合了低碳鋼的強(qiáng)度和塑料的美觀、防腐和絕緣的特點(diǎn)。在一定范圍內(nèi)可以代替不銹鋼和木材，其性能如下：

1)化學(xué)穩(wěn)定性好，耐酸、堿、油及醇類的侵蝕，耐水性也好;

2)塑料與鋼材間的剝離強(qiáng)度大于或等于20MPa;

3)深沖加工時(shí)不剝離，冷彎120°不分離開(kāi)裂(d=0);

4)絕緣性能和耐磨性能良好;

5)具有低碳鋼的冷加工性能;

6)在10～60℃之間可長(zhǎng)期使用.短時(shí)間使用可耐120℃。

(7)塑料-青銅-鋼材三層復(fù)合材料。塑料一青銅鋼材三層復(fù)合材料以低碳鋼為基體，以多孔性青銅為中間層，以塑料為表兩層的復(fù)合材料，具有較高的結(jié)合力，優(yōu)于一般噴涂層和粘貼層。一旦塑料磨損并露出青銅層，也不至于嚴(yán)重磨損。它們適用于尺寸精度要求高、無(wú)油或少油潤(rùn)滑的軸承、墊片、球座、渦輪葉片軸承、各種機(jī)車車輛和礦山機(jī)械軸承等。

(8)塑料鋁合金。塑料一鋁合金的中間骨架層為薄壁鋁管(板)，內(nèi)外層為PE或PEX塑料層，鋁管(板)與塑料層之間采用與聚乙烯(交聯(lián)聚乙烯)及鋁合金均能親和的熱熔膠黏結(jié)。塑料一鋁合金集中了鋁合金和聚乙烯(交聯(lián)聚乙烯)的優(yōu)點(diǎn)。它耐壓、抗破裂性能好、質(zhì)量輕，具有一定的彈性、耐溫性能好、防紫外線、抗熱老化能力強(qiáng)、耐腐蝕性優(yōu)異，常溫下不溶于任何溶劑，且隔氧、隔磁、抗靜電、抗音頻干擾。

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（責(zé)任編輯：zyc）

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