复合材料.doc
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1、复合材料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
2、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、
3、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
4、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1500,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
5、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
6、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
7、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。复合材料是指由两种或两种以上不同物质以不同方式组合而成的材料,它可以发挥各种材料的优点,克服单一材料的缺陷,扩大材料的应用范围。由于复合材料具有重量轻、强度高、加工成型方便、弹性优良、耐化学腐蚀和耐候性好等特点,已逐步取代木材及金属合金,广泛应用于航空航天、汽车、电子电气、建筑、健身器材等领域,在近几年更是得到了飞速发展。随着科技的发展,树脂与玻璃纤维在技术上不断进步,生产厂家的制造能力普遍提高,使得玻纤增强复合材料的价格成本已被许多行业接受,但玻纤增强
8、复合材料的强度尚不足以和金属匹敌。因此,碳纤维、硼纤维等增强复合材料相继问世,使高分子复合材料家族更加完备,已经成为众多产业的必备材料。目前全世界复合材料的年产量已达550多万吨,年产值达1300亿美元以上,若将欧、美的军事航空航天的高价值产品计入,其产值将更为惊人。从全球范围看,世界复合材料的生产主要集中在欧美和东亚地区。近几年欧美复合材料产需均持续增长,而亚洲的日本则因经济不景气,发展较为缓慢,但中国尤其是中国内地的市场发展迅速。据世界主要复合材料生产商PPG公司统计,2000年欧洲的复合材料全球占有率约为32%,年产量约200万吨。与此同时,美国复合材料在20世纪90年代年均增长率约为美
9、国GDP增长率的2倍,达到4%6%。2000年,美国复合材料的年产量达170万吨左右。特别是汽车用复合材料的迅速增加使得美国汽车在全球市场上重新崛起。亚洲近几年复合材料的发展情况与政治经济的整体变化密切相关,各国的占有率变化很大。总体而言,亚洲的复合材料仍将继续增长,2000年的总产量约为145万吨,预计2005年总产量将达180万吨。从应用上看,复合材料在美国和欧洲主要用于航空航天、汽车等行业。2000年美国汽车零件的复合材料用量达14.8万吨,欧洲汽车复合材料用量到2003年估计可达10.5万吨。而在日本,复合材料主要用于住宅建设,如卫浴设备等,此类产品在2000年的用量达7.5万吨,汽车
10、等领域的用量仅为2.4万吨。不过从全球范围看,汽车工业是复合材料最大的用户,今后发展潜力仍十分巨大,目前还有许多新技术正在开发中。例如,为降低发动机噪声,增加轿车的舒适性,正着力开发两层冷轧板间粘附热塑性树脂的减振钢板;为满足发动机向高速、增压、高负荷方向发展的要求,发动机活塞、连杆、轴瓦已开始应用金属基复合材料。为满足汽车轻量化要求,必将会有越来越多的新型复合材料将被应用到汽车制造业中。与此同时,随着近年来人们对环保问题的日益重视,高分子复合材料取代木材方面的应用也得到了进一步推广。例如,用植物纤维与废塑料加工而成的复合材料,在北美已被大量用作托盘和包装箱,用以替代木制产品;而可降解复合材料
11、也成为国内外开发研究的重点。另外,纳米技术逐渐引起人们的关注,纳米复合材料的研究开发也成为新的热点。以纳米改性塑料,可使塑料的聚集态及结晶形态发生改变,从而使之具有新的性能,在克服传统材料刚性与韧性难以相容的矛盾的同时,大大提高了材料的综合性能。树脂基复合材料的增强材料树脂基复合材料采用的增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维等。1、玻璃纤维目前用于高性能复合材料的玻璃纤维主要有高强度玻璃纤维、石英玻璃纤维和高硅氧玻璃纤维等。由于高强度玻璃纤维性价比较高,因此增长率也比较快,年增长率达到10%以上。高强度玻璃纤维复合材料不仅应用在军用方面,近年来民用产品也有广泛应用,如
12、防弹头盔、防弹服、直升飞机机翼、预警机雷达罩、各种高压压力容器、民用飞机直板、体育用品、各类耐高温制品以及近期报道的性能优异的轮胎帘子线等。石英玻璃纤维及高硅氧玻璃纤维属于耐高温的玻璃纤维,是比较理想的耐热防火材料,用其增强酚醛树脂可制成各种结构的耐高温、耐烧蚀的复合材料部件,大量应用于火箭、导弹的防热材料。迄今为止,我国已经实用化的高性能树脂基复合材料用的碳纤维、芳纶纤维、高强度玻璃纤维三大增强纤维中,只有高强度玻璃纤维已达到国际先进水平,且拥有自主知识产权,形成了小规模的产业,现阶段年产可达500吨。2、碳纤维 碳纤维具有强度高、模量高、耐高温、导电等一系列性能,首先在航空航天领域得到广泛
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