一、復合材料的性能特點1.比強度和比模量高復合材料的優點是比強度和比模量(即強度、模量與密度之比)高.比強度和比模量是度量材料承載能力的一個指標,比強度越高,同一零件的自重越小;比模量越高,零件的剛性越大。2.抗疲勞性好復合材料中基體與增強纖維間的界面可有效地阻止疲勞裂紋的擴展,同時基體中密布著大量纖維,疲勞斷裂時,裂紋的擴展要經歷很曲折和復雜的路徑,所以疲勞強度高。金屬材料的疲勞破壞是由里向外突然發展的,事先沒有任何征兆;而纖維復合材料的疲勞破壞總是從纖維的薄弱環節開始,逐漸擴展到結合面上,破壞前有明顯的預兆。3.減振性能強結構的自振頻率除與結構本身形狀、質量有關,還與材料的比模量的平方根成正比。纖維增強復合材料的比模量大,自振頻率高,避免了工作狀態下因共振而引起的早期破壞。同時,復合材料中纖維與基體界面具有吸振能力,因此振動阻尼很高,即使產生了共振也會很快衰減。4.減摩、耐磨、自潤滑性好在熱塑性塑料中摻入少量短切碳纖維可大大提高它的耐磨性,其增加的倍數為聚氯乙烯本身的3.8倍:聚四氟乙烯本身的3倍。碳纖維增強塑料還可以降低塑料的摩擦系數并具有良好的自潤滑性能,因此可以用于制造無油潤滑活塞環、軸承和齒輪。5.耐熱性高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*性,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。用于柴油發動機,可取消原來的散熱器、水泵等冷卻系統,減輕重量約100kgo6.復合材料構件制造工藝簡單,適合整體成型。在制造復合材料的同時,也就獲得了制件,從而減少零部件、緊固件和接頭的數目,并可節省原材料和工時。7.斷裂安全性高纖維增強復合材料中有大量獨立的纖維,過載時會使其部分纖維斷裂,但隨即會迅速進行應力的重新分配,而由未斷纖維承擔全部載荷,不致造成構件在瞬間喪失承載能力而斷裂,所以工作安全性高。
二、復合材料的分類與應用復合材料按結構特點分為以下四類:
1. 纖維增強復合材料由增強纖維材料,如玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維等,與基體材料經過纏繞,模壓或拉擠等成型工藝而形成的復合材料。根據增強材料的不同,常見的纖維增強復合材料分為玻璃纖維增強復合材料(GFRP);碳纖維增強復合材料(CFRP)以及芳綸纖維增強復合材料(AFRP)。復合材料中以纖維增強材料應用zui廣、用量zui大。其特點是比重小、比強度和比模量大。例如碳纖維與環氧樹脂復合的材料,其比強度和比模量均比鋼和鋁合金大數倍,還具有優良的化學穩定性、減摩耐磨、自潤滑、耐熱、耐疲勞、耐蠕變、消聲、電絕緣等性能。石墨纖維與樹脂復合可得到膨脹系數幾乎等于零的材料。纖維增強材料的另一個特點是各向異性,因此可按制件不同部位的強度要求設計纖維的排列。以碳纖維和碳化硅纖維增強的鋁基復合材料,在500℃時仍能保持足夠的強度和模量。碳化硅纖維與鈦復合,不但鈦的耐熱性提高,且耐磨損,可用作發動機風扇葉片。碳化硅纖維與陶瓷復合, 使用溫度可達1500℃,比超合金渦輪葉片的使用溫度(1100℃)高得多。碳纖維增強碳、石墨纖維增強碳或石墨纖維增強石墨,構成耐燒蝕材料,已用于航天器、火箭dao彈和原子能反應堆中。非金屬基復合材料由于密度小,用于汽車和飛機可減輕重量、提高速度、節約能源。用碳纖維和玻璃纖維混合制成的復合材料片彈簧,其剛度和承載能力與重量大5倍多的鋼片彈簧相當。纖維增強復合材料被越來越廣泛地應用于各種民用建筑、橋梁、公路、海洋、水工結構以及地下結構等領域中。
2. 夾層復合材料由性質不同的表面材料和芯材組合而成。通常面材強度高、薄;芯材質輕、強度低,但具有一定剛度和厚度。分為實心夾層和蜂窩夾層兩種。它已用于飛機上的天線罩隔板、機翼以及火車車廂、運輸容器等方面。
3. 細粒復合材料將硬質細粒均勻分布于基體中,如彌散強化合金、金屬陶瓷等。顆粒復合材料可以在汽車上使用,用碳化硅粒子材料做汽車的制動器,減少汽車制動器的逐漸失靈現象。還可用它來做汽車的氣缸套,可改進耐磨性。
4.混雜復合材料由兩種或兩種以上增強相材料混雜于一種基體相材料中構成。與普通單增強相復合材料比,其沖擊強度、疲勞強度和斷裂韌性顯著提高,并具有特殊的熱膨脹性能。分為層內混雜、層間混雜、夾芯混雜、層內/層間混雜和超混雜復合材料。