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    复合材料

    2016-08-01 13:55:38 点击数:

        复合材料是由两种或两种以上的不同材料组合而成的机械工程材料。各种组成材料在性能上能互相取长补短,产生协同效应,使复合材料的综合性能优于原组成材料,从而满足各种不同的要求。

        复合材料的组成包括基体和增强材料两个部分。非金属基体主要有合成树脂、碳、石墨、橡胶、陶瓷;金属基体主要?#26032;痢?#38209;、铜和它们的合金;增强材料主要有玻璃?#23435;?#30899;?#23435;?#30844;?#23435;?#33459;纶?#23435;?#31561;有机?#23435;?#21644;碳化硅?#23435;?#30707;棉?#23435;?#26230;须、金属丝及硬质细粒?#21462;?/p>

        复合材料的历史可追溯很远,如从古沿用迄今的稻草增?#31354;懲粒?#21644;已使用上百年的钢筋混凝?#31890;?#23601;是由两种不同材料复合而成。

        20世纪20年代以后发展起来的铜-钨和银-钨电触头材料,碳化钨-钴基硬质合金,和其他粉末烧结材料,其实质也是复合材料。40年代,因航空工业的需要,发展了玻璃?#23435;?#22686;强塑料(俗称玻璃钢)的雷达罩,从此出现了复合材料这?#24187;?#31216;。

        50年代以后陆续发展了碳?#23435;?#30707;墨?#23435;?#21644;硼?#23435;?#31561;高强?#21462;?#39640;模量?#23435;?0年代又出现了芳香族聚酰胺?#23435;?简?#21697;?#32438;?#23435;?,如聚?#21592;?#30002;酰胺?#23435;?#21644;碳化硅?#23435;?#36825;些高强?#21462;?#39640;模量?#23435;?#33021;与合成树脂、碳、石墨、陶瓷、橡胶等非金属基体,或铝、镁、钛等金属基体复合而成各具特点的材料,为了区别于一般玻璃?#23435;?#22686;强材料,这种材料称为高级复合材料。

        复合材料根据其组成可分为金属与金属复合材料;金属与非金属复合材料;非金属与非金属复合材料三种。根据结构特点又可分为?#23435;?#22797;合材料、层叠复合材料、细粒复合材料和骨架复合材料。

        ?#23435;?#22797;合材料通常是置?#23435;?#29366;材料于基体内组成,如?#23435;?#22686;强塑料、?#23435;?#22686;强金属等;层叠复合材料是由两种或两种以上不同材料叠合而成,如用两种具有不同膨胀系数的金属,复合而成的能指示温度变化的热工仪表材料等;细粒复合材料是将硬质细粒均匀分布于基体中,如弥散强化合金、金属陶瓷;骨架复合材料是在连续多孔的结构材料中填充其他材料,或由面板和芯子组成的夹层结构材料?#21462;?#20854;他如定向共晶复合材料,是在特定的熔炼或液体金属凝固条件下,基体内部生成定向的?#23435;?#29366;结构而得,故亦称自增强?#23435;?#22797;合材料。

        复合材料中以?#23435;?#22686;强材料应用最广、用量最大。其特点是比重小、比强度和比模量大。例如碳?#23435;?#19982;环氧树脂复合的材料,其比强度和比模量均较高强度钢和铝合金大数倍,还具有优良的化学稳定性、减摩耐磨、?#21248;?#28369;、耐热、耐疲劳、耐蠕变、消音、电绝缘等性能。再如,石墨?#23435;?#19982;树脂复合,可得到膨胀系数几乎等于零的材料。

        ?#23435;?#22686;强复合材料的另一特点是各向异性,因?#19997;?#25353;制件不同部位的强度要求设计?#23435;?#30340;排列。如以碳?#23435;?#25110;碳化硅?#23435;?#22686;强的铝基复合材料,在500℃?#27604;?#33021;保持足够的强度和模量,比未增强的铝好得多;碳化硅?#23435;?#19982;钛复合,不但钛的耐热性提高,且耐磨损,可用作发动机风扇?#38208;?#30899;化硅?#23435;?#19982;氮化硅陶瓷复合,使用温度可达1500℃,比超合金?#26032;忠镀?#30340;使用温度高很多。

        非金属基复合材料由于密度小,用于汽车可减轻重量、提高车速、节约能源。如用碳?#23435;?#22686;强塑料制成的车身和发动机罩,其重量可比金属?#39057;?#36731;一半以上;用碳?#23435;?#19982;玻璃?#23435;?#28151;合制成的复合材料片弹簧,其刚度和?#24615;?#33021;力与重量大五倍多的钢片弹?#19978;嗟取?/p>

        复合材料中应用最广的是玻璃?#23435;?#22686;强复合材料,其次是碳?#23435;?#30707;墨?#23435;?#30844;?#23435;?#33459;纶?#23435;?#21644;碳化硅等增强的复合材料。高级复合材料由于价格昂贵,主要用于军工、航天、原子能等尖端技?#37232;?#27665;用方面除高?#23545;?#21160;器材和关键性机械零部件外,其他还很少正式采用。

        复合材料范围广,品种多,性能优异,有很大的发展前途。玻璃?#23435;?#22686;强热固性塑料中的片状模塑料发展很快,已出现了许多?#31181;В?#20854;制品已由非受力件扩大到受力件如传动支架?#21462;?#29627;璃?#23435;?#22686;强热塑性塑料的用途越来越广,其发展速度在有的国家已超过热固性的增长率。

        高级复合材料的发展方向是降低成本,扩大应用范围。用两种或两种以上的不同?#23435;?#20316;为增强材料,不但可降低成本,且其混合效应超过一般的混合规律。航空中的基本结构件、工业用机器人、晦洋开发用的结构材料、汽?#28783;?#24377;簧和驱动轴等,将越来越多地采用混合?#23435;?#22686;强复合材料。

        定向凝固的铸造复合材料如碳化钽与镍或钴、碳化铌与铌等的共晶复合材料,以及无机?#23435;?#22686;强陶瓷复合材料,使用温度均超过现有的耐热合金,也将得到发展。碳?#23435;?#19982;铜的复合材料可用作低电压、大电流电机和超导等特殊电机的电刷材料,耐磨减摩和电子材料。

        在成型工艺方面,增强反应注射成型、反应注射成型、弹性贮存成型和真空浸清成型等均已获得发展。功能复合材料将多种功能集于一身,如将光电材料与电磁材料复合成光磁复合材料。这种材料在功能转换器件中很有发展前途。

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