金属复合材料有哪些 非金属复合材料

金属复合材料有哪些 非金属复合材料 王斌斌 非金属复合材料 非金属材料包括除金属材料以外几乎所有的材料，主要有各类高分子材料(塑料、橡胶、合成纤维、部分胶粘剂等)、陶瓷材料(各种陶器、瓷器、耐火材料、玻璃、水泥等)和各种复合材料等。本文主要介绍复合材料。 复合材料是两种或两种以上化学本质不同的组成人工合成的材料。其结构为多相，一类组成(或相)为基体，起粘结作用，另一类为增强相。所以复合材料可以认为是一种多相材料，它的某些性能比各组成相的性能都好。 一、复合材料的基本类型 复合材料按基体类型可分为金属基复合材料、高分子基复合材料和陶瓷基复合材料等三类。目前应用最多的是高分子基复合材料和金属基复合材料。 复合材料按性能可分为功能复合材料和结构复合材料。前 1 者还处于研制阶段，已经大量研究和应用的主要是结构复合材料。 复合材料按增强相的种类和形状可分为颗粒增强复合材料、纤维增强复合材料和层状增强复合材料。其中，发展最快，应用最广的是各种纤维增强的复合材料。 二、复合材料的特点 1、比强度和比模量 许多近代动力设备和结构，不但要求强度高，而且要求重量轻。设计这些结构时遇到的关键问题是所谓平方,立方关系，即结构强度和刚度随线尺寸的平方(横截面积)而增加，而重量随线尺寸的立方而增加。这就要求使用比强度(强度/比重)和比模量(弹性模量/比重)高的材料。复合材料的比强度和比模量都比较大，例如碳纤维和环氧树脂组成的复合材料，其比强度是钢的七倍，比模量比钢大三倍。 2、耐疲劳性能 复合材料中基体和增强纤维间的界面能够有效地阻止疲劳裂纹的扩展。疲劳破坏在复合材料中总是从承载能力比较薄弱的纤维处开始的，然后逐渐扩展到结合面上，所以复合材料的疲劳极限比较高。例如碳纤维,聚酯树脂复合材料的疲劳极限是拉伸强度的70%,80%。 3、减震性能 许多机器、设备的振动问题十分突出。结构的自振频率除 2 与结构本身的质量、形状 有关外，还与材料的比模量的平方根成正比。材料的比模量越大，则其自振频率越高，可避免在工作状态下产生共振及由此引起的早期破坏。此外，即使结构已产生振动，由于复合材料的阻尼特性好，振动也会很快衰减。 4、耐高温性能 由于各种增强纤维一般在高温下仍可保持高的强度，所以用它们增强的复合材料的高温强度和弹性模量均较高，特别是金属基复合材料。例如7075-76铝合金，在400?时，弹性模量接近于零，强度值也从室温时的500MPa降至30MPa,50MPa。而碳纤维或硼纤维增强组成的复合材料，在400?时，强度和弹性模量可保持接近室温下的水平。 5、断裂安全性 纤维增强复合材料是力学上典型的静不定体系，在每平方厘米截面上，有几千至几万根增强纤维(直径一般为10μ,100μ)，当其中一部分受载荷作用断裂后，应力迅速重新分布，载荷由未断裂的纤维承担起来，所以断裂安全性好。 6、其它性能特点 许多复合材料都有良好的化学稳定性、隔热性、烧蚀性以及特殊的电、光、磁等性能。 增强纤维的价格很高，使复合材料的成本比其它工程材料高得多。虽然复合材料利用率比金属高(约80%)，但在一 3 般机器和设备上使用仍然是不够经济的。 三、复合理论简介 复合材料的复合机理的研究目前尚不成熟，所以只介绍提高机械性能的复合理论。 1、影响强化的因素 (1)粒子增强复合材料 粒子增强复合材料承受载荷的主要是基体材料，在粒子增强复合材料中的粒子高度弥散地分布在基体中，使其阻碍导致塑性变形的位错运动或分子链运动。粒子直径一般在0.01μ,0.1μ范围内时增强效果最好，直径过大时，引起应力集中，直径小于0.01μ时，则近于固溶体结构，作用不大。增强粒子的数量大于20%时，称为粒子增强性复合材料，含量较少时称为弥散强化复合材料。 (2)纤维增强复合材料 纤维增强复合材料复合的效果取决于纤维和基体本身的性质、两者界面间物理、化学作用的特点以及纤维的含量、长度、排列方式等因素。 2、复合材料的界面 土木工程师知道，在钢筋与混凝土之间的界面上会产生剪应力。为此，一般在预应力钢筋的面带有螺纹状突起。在增强纤维与其周围基体之间，也存在着类似的剪应力。但是，这里的剪应力是由化学结合而不是由机械结合来承担的。所 4 以，复合材料界面结合情况是决定复合材料性能的重要因素。 增强纤维与基体之间的结合强度对复合材料的性能影响很大。如果界面结合强度低，则增强纤维与基体很容易分离， 起不到增强作用，但如果界面结合强度太高，则增强纤维与基体之间应力无法松弛，形成脆性断裂。 四、纤维增强材料 1、玻璃纤维 玻璃纤维有较高的强度，相对密度小，化学稳定性高，耐热性好，价格低。缺点是脆性较大，耐磨性差，纤维表面光滑而不易与其它物质结合。玻璃纤维可制成长纤维和短纤维，也可以织成布，制成毡。 2、碳纤维与石墨纤维 有机纤维在惰性气体中，经高温碳化可以制成碳纤维和石墨纤维。在2000?以下制得碳纤维，再经2500?以上处理得石墨纤维。碳纤维的相对密度小，弹性模量高，而且在2500?无氧气氛中也不降低。石墨纤维的耐热性和导电性比碳纤维高，并具有自润滑性。 3、硼纤维 硼纤维是用化学沉积的方法将非晶态硼涂覆到钨和碳丝上面制得的。硼纤维强度高，弹性模量大，耐高温性能好。在现代航空结构材料中，硼纤维的弹性模量绝对值最高，但硼 5 纤维的相对密度大，延伸率差，价格昂贵。 4、SiC纤维 SiC纤维是一种高熔点、高强度、高弹性模量的陶瓷纤维。它可以用化学沉积法及有机硅聚合物纺丝烧结法制造SiC连续纤维。SiC纤维的突出优点是具有优良的高温强度。 5、晶须 晶须是直径只有几微米的针状单晶体，是一种新型的高强度材料。 晶须包括金属晶须和陶瓷晶须。金属晶须中可批量生产的是铁晶须，其最大特点是可在磁场中取向，可以很容易地制取定向纤维增强复合材料。陶瓷晶须比金属晶须强度高，相对密度低，弹性模量高，耐热性好。 百度搜索“就爱阅读”,专业资料,生活学习,尽在就爱阅读网92to.com,您的在线图书馆 6