复合材料介绍

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1、复合材料引言复合材料是由两种或多种性质不同的材料通过物理和化学复合，组成具有两个或两个以上相态结构的材料。构成复合材料的相，-•般分力粘结材料（基体）与增强材料（颗粒、纤维和八状材料等）。通过选择不同的增强材料和基体材料进行合理的性能设计，再采用多种特殊的工艺使其复合或交叉结合，可使得到的新材料具有高于原先单一材料的性能，或单一材料不具备的性质和性能，如优异的力学性能、物理-化学多功能或生物效应等。复合材料己经成为现代航空航天不可缺少的结构材料和功能材料。现代复合材料具有高的比刚度和比强度，成为现代飞行器首选的结构材料之一。现代复合材料具有可设计性，可以实现结构承载与功能一体化的优

2、点，出现了很多功能•结构复合材料，如飞机隐身材料、导弹多功能防热材料和全S合材料固体火箭发动机结构等。现代复合材料有不同的分类方式，详见下表：表6.1聚合物基复合材料的分类分名称按纤维种类分碳纤维复合材料有机纤维夏合材料玻璃纤维复合材料混杂纤维复合材料按增强物的外形分连续纤维夏合材料短纤维复合材料纤维织物或片状料复合材料粒状璃料复合材料按使用性能分结构复合材料功能复合材料其中聚合物基复合材料的基体又有树脂基体和橡胶弹性基体两种。树脂基体处于玻璃态，具有高的模量、强度和尺寸稳定性，可作为承力结构材料。由于目前复合材料的优势在于用作结构材料，因此树脂基复合材料更为重要。树脂基复合材料巾

3、树脂基体和增强纤维构成。其屮纤维是主要的承载体，是决定复合材料力学性能（如模量和强度）的主要因素。树脂基体起形成复合材料形状、支撑和保护纤维、传递载荷的作用。当复合材料受力时，树脂基体所受的应力通过界而传递给纤维。需要纤维和树脂形成足够强的界曲*粘结。如果界面粘结较弱，界妞将在低应力下断裂，无法有效传递应力，不能充分发挥纤维的增强作川。因此，选择高性能的增强纤维和与之匹配的高性能树脂基体，形成好的界面结构与性能，才能获得最佳的复合效应。先进聚合物基复合材料的特点一、比强度髙、比模量髙纤维/聚合物复合材料最突出的优点是比强度和比模量岛于其他结构材料。高模量碳纤维复合材料的密度约1.6

4、g/cm3,只有钢的1/5、铝的％。其比强度为钢的5倍、铝合金的4倍、钛合金的3.5倍以上。其比模:蹑•是钢、铝、钛的4倍甚至更高。二、耐疲劳性能好大多数金属材料的疲劳极限强度是其拉伸强度的30%~50%，而碳纤维/树脂基复合材料的疲劳极限强度可达到其拉伸强度的70%〜80%。金属材料的疲劳破坏常常是没有明显预兆性的破坏。而复合材料中纤维与基体界面可以阻止裂纹的扩展，其疲劳破坏总是从纤维的薄弱环节开始，逐渐扩展到界面上，破坏前有明显的预兆。三、减震性能好受力结构的自振频率除与结构形状有关外，还与结构材料比模S的平方根成正比。由于复合材料的比模量高，因此，其结构件具有商的自振频率。同

5、时，复合材料中的聚合物基体和界面，尤其是高韧性的树脂和橡胶基体，具有显著的震动阻尼特性。高的自振频率和阻尼决定了复合材料有很强的吸振能力。对相同形状和尺寸的梁进行振动试验表明，轻合金梁需9s冰能停止振动，而碳纤维复合材料梁只需2.5s就停止了同样大小的震动。四、具有多种功能性选择适当的基体和纤维，可使复合材料具有某种或多种功能性。例如选择具有高比热、熔融热和汽化热的聚合物基体（如酚醛树脂）制成的复合材料，在很高的温度下可以吸收大量的热能。这种具有防热功能的复合材料可作为航天飞行器的烧烛防热材料。五、各向异性及性能可设计性纤维复合材料的性能除了与纤维、树脂的种类及体积含量有关之外，还

6、与纤维的排列方向、铺层次序和层数密度以及编织、针织方式等有关。因此可根据结构件的载荷分布及使用条件的不同，选取相应的材料铺层设计和各种编织方式来满足预定的要求，实现构件的优化设计。六、材料与结构的同一性与一般工程材料不同，复合材料制造与制品成形是同时进行的。可实现复合材料制品的一次成形，适合于大面积、结构形状复杂的构件的精确整体成形，有利于提高生产效率和制品的质量。七、热膨胀系数小在冷热交变吋，复合材料结构尺寸稳定性好。聚合物基复合材料的缺点和问题一、耐湿热性较差大多数聚合物基复合材料最高工作温度为230°C以下。例如广泛使川的环氧树脂基复合材料，在干态的工作温度约为180°C，但

7、在湿态，工作温度降至120°C。二、材料性能的分散性较大s合材料的性能与原材料的选择，制造过程屮所发生的一系列a杂的化学反应和物理变化以及生产条件、厂房环境等有关。复合材料制造的全过程都必须严格控制和检验，以保证制品质量的稳定性。三、价格过髙与其他工程材料相比，复合材料过高的价格阻碍了它的应用，尤其是在民品中大量应用。先进聚合物基复合材料在航空工业的应用先进聚合物基S合材料从50年代末即用于航空航天部门，并在70年代后期迅速发展成为继铝、钢和钛之后的又一类结构材料。f