三、復合材料

(一)復合材料組成、分類和特點

1.復合材料的組成

復合材料中至少包括基體相和增強相兩大類。基體相起黏結(jié)、保護增強相并把外加荷載造成的應(yīng)力傳遞到增強相上去的作用，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;增強相是主要承載相，并起著提高強度(或韌性)的作用，增強相的形態(tài)各異，有纖維狀、細粒狀和片狀等。

2.復合材料的分類

工程上開發(fā)應(yīng)用較多的是纖維增強復合材料。通常有如下分類方法。

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

(2)按增強體類型可分為顆粒增強型、纖維增強型和板狀增強型復合材料三大類。

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

(4)按增強纖維類型分為碳纖維復合材料、玻璃纖維復合材料、有機纖維復合材料、復合纖維復合材料和混雜纖維復合材料等。

3.復合材料的特點

與普通材料相比，復合材料具有許多特性，具體表現(xiàn)在：

(1)高比強度和高比模量。復合材料的突出優(yōu)點是比強度和比模量高。如碳纖維增強樹脂復合材料的比模量比鋼和鋁臺金高五倍，比強度高三倍以上。

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

(3)抗斷裂能力強。纖維復合材料中有大量獨立存在的纖維，一般每平方厘米上有幾千到幾萬根，由具有韌性的基體把它們結(jié)合成整體，當纖維復合材料構(gòu)件由于超載或其他原因使少數(shù)纖維斷裂時，荷載就會重新分配到其他未斷裂的纖維上，使構(gòu)件不至于在短時間內(nèi)發(fā)生突然破壞。因此復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。由于纖維材料在高溫下仍能保持較高的強度，所以纖維增強復合材料，如碳纖維增強樹脂復合材料的耐熱性比樹脂基體有明顯提高。而金屬基復合材料在耐熱性方面更顯示出其優(yōu)越性，如鋁合金的強度隨溫度的增加下降得很快，而用石英玻璃增強鋁基復合材料，在500℃下能保持室溫強度的40%。碳化硅纖維、氧化鋁纖維與陶瓷復合，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。很多種復合材料都能耐酸堿腐蝕，如玻璃纖維增強酚醛樹脂復合材料，在含氯離子的酸性介質(zhì)中能長期使用，可用來制造耐強酸、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、自潤滑性和耐蝕性。由于復合材料構(gòu)件制造工藝簡單，表現(xiàn)出良好的工藝性能，所以適合整體成型。在制造復合材料的同時，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。

(二)復合材料基體

(1)樹脂基體。樹脂基復合材料是復合材料中最主要的一類，通常稱為增強塑料。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。金屬基復合材料主要有三類：顆粒增強、短纖維或晶須增強、連續(xù)纖維或薄片增強。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)動機(渦輪機和壓氣機葉片)和機身部件等。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)，它普遍用作電導體，它的導熱性能優(yōu)良，容易鑄造和加工，銅在復合材料中的主要用途之一是作為鈮基超導體的基體材料。

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合材料的韌性。

(3)陶瓷基體。制作陶瓷基復合材料的主要目的是增加韌性。適用陶瓷基復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)復合材料增強體

(1)纖維增強體。復合材料中的纖維增強體不僅指纖維束絲，還包括紡織布、帶、氈等纖維制品。纖維增強體按其組成可以分為無機纖維增強體和有機纖維增強體兩大類，無機纖維包括玻璃纖維、碳纖維、硼纖維及碳化硅纖維等;有機纖維包括芳綸、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體和一般纖維增強體兩種，高性能纖維增強體是指具有超高強度和超高模量的各種纖維增強體，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。一般纖維增強體是指強度不高、產(chǎn)量較大，來源較豐富的纖維，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。

在纖維增強體中，玻璃纖維是應(yīng)用最為廣泛的增強體。可作為樹脂基或無機非金屬基復合材料的增強材料，玻璃纖維具有成本低、不燃燒、耐熱、耐化學腐蝕、拉伸強度和沖擊強度高、斷裂延伸率小、絕熱性及絕緣性好等特點。

除上述纖維增強體外，金屬纖維增強體、晶須增強體也被用作增強體。

(2)顆粒增強體。復合材料中的顆粒增強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以上的顆粒增強體，它們與金屬基體或陶瓷基體復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)的微粒增強體，其強化機理與第一類不同，由于微粒對基體位錯運動的阻礙而產(chǎn)生強化，屬于彌散強化。

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

(四)復合材料應(yīng)用

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

(2)碳纖維增強酚醛樹脂一聚四氟乙烯復合材料，常用作各種機器中的齒輪、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)石墨纖維增強鋁基復合材料，可用于結(jié)構(gòu)材料，制作渦輪發(fā)動機的壓氣葉片等。

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

(5)顆粒增強的鋁基復合材料已在民用工業(yè)中得到應(yīng)用。其主要優(yōu)點是生產(chǎn)工藝簡單，可以像生產(chǎn)一般金屬零件那樣進行生產(chǎn)，用該材料制造的發(fā)動機活塞使用壽命大大提高。

(6)塑料一鋼復合材料。主要是由聚氯乙烯塑料膜與低碳鋼板復合而成，有單面塑料復合材料和雙面塑料復合材料兩種。它綜合了低碳鋼的強度和塑料的美觀、防腐和絕緣的特點。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度大于或等于20MPa;

3)深沖加工時不剝離，冷彎120°不分離開裂(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℃之間可長期使用.短時間使用可耐120℃。

(7)塑料-青銅-鋼材三層復合材料。塑料一青銅鋼材三層復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，也不至于嚴重磨損。它們適用于尺寸精度要求高、無油或少油潤滑的軸承、墊片、球座、渦輪葉片軸承、各種機車車輛和礦山機械軸承等。

(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。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、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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（責任編輯：zyc）

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