工程材料网络课程 6 复合材料 6.1 复合材料概论

发布日期:[13-02-13 19:21:48] 浏览人次:[]

1、复合材料的定义

复合材料(Composite mateial),是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质经一定的复合工艺制造出来的一种新型的多相固体材料。

“由两种以上不同的原材料组成,并使原材料的性能得到充分发挥,通过复合化而得到单一材料所不具备的性能。 ”( 岛村昭治 . 未来を拓く先端材料,工业调查会,1982 )

“把一些个体典型或基本的特性组合,而得到的物质。”(余永宁 等 译. 金属基复合材料导论,北京,冶金工业出版社,1996 )

“由两种以上异质、异形、异性的材料复合而成的新型材料。”(吴人洁,复合材料,天津大学出版社,2000)

“经过一定的操作,将复数个原材料合体,或者是由复数个相生成,且具有比原材料优异的性能。”(香川 丰,八田博志. セラミックス基复合材料,アグネ承风社,1990 )

2、复合材料的发展

第一代复合材料:从1940年到1960年这20年间,是玻璃纤维增强塑料时代。

第二代复合材料:从1960~1980年这20年间是先进复合构料的发展时期。1960~1965年英国研制出碳纤维,1971年美国村邦公司开发出Kcvlcr—49,1975年先进复合材料“碳纤维增强环氧树脂复合材料及Kevler(凯芙拉)纤维增强环氧树脂复合材料”已用于飞机、火箭的主承力件上。

第三代复合材料:1980~1990年,是纤维增强金属基复合材料的时代,其中以铝基复合材料的应用最为广泛。 

第四代复合材料:1990年以后,主要发展多功能复合材料,如机敏(智能)复合材料和梯度功能材料等。

随着新型复合材料的不断涌现,复合材料不仅应用在导弹、火箭、人造卫星等尖端工业小,在航空、汽车、造船、建筑、电子、桥梁、机械、医疗和体育等各个部门部得到应用。

3、复合材料的基本结构模式 

复合材料由基体和增强体两个组分构成:

复合材料结构通常一个相为连续相,称为基体;而另一相是一以独立的形态分布在整个基体中的分散相,这种分散相的性能优越,会使材料的性能显著改善和和增强,称为增强体(增强相、增强剂)。

增强体(相)一般较基体硬,强度、模量较基体大,或具有其它特性。增强体(相)可以是纤维状、颗粒状或弥散状。增强体(相)与基体之间存在着明显界面。

4、复合材料的分类

此外还有按增强纤维种类进行分类!

5、复合材料的基本性能(优点)

(1)高比强度、高比模量(刚度)

(2)良好的高温性能:

复合材料可以在广泛的温度范围内使用,同时其使用温度均高于复合材料基体。目前聚合物基复合材料的最高耐温上限为350°C;金属基复合材料按不同的基体性能,其使用温度在350-1100°C范围内变动;陶瓷基复合材料的使用温度可达1400°C;而碳碳复合材料的使用温度最高,可高达2800°C。

(3)良好的尺寸稳定性:

加入增强体到基体材料中不仅可以提高材料的强度和刚度,而且可以使其热膨胀系数明显下降。通过改变复合材料中增强体的含量,可以调整复合材料的热膨胀系数。例如在石墨纤维增强镁基复合材料中,当石墨纤维的含量达到48%时,复合材料的热膨胀系数为零,即在温度变化时其制品不发生热变形。这对人造卫星构件非常重要。

(4)良好的化学稳定性:

聚合物基复合材料和陶瓷基复合材料具有良好的抗腐蚀性。

(5)良好的抗疲劳、蠕变、 冲击和断裂韧性:

由于增强体的加入,复合材料的抗疲劳、蠕变、 冲击和断裂韧性等性能得到提高,特别是陶瓷基复合材料的脆性得到明显改善

(6)良好的功能性能:包括 光、电、磁、热、烧蚀、摩擦及润滑等性能。

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