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1、什么是復(fù)合材料下一頁12什么是復(fù)合材料一.緒言材料是高新技術(shù)開展和現(xiàn)代文明的物質(zhì)根底,材料科學(xué)一直是活潑的科學(xué)前沿.材料是人類文明開展的里程碑:歷史上所謂石器一青銅一鐵器時(shí)代,就以材料作為時(shí)代標(biāo)志.材料是技術(shù)進(jìn)步的關(guān)鍵.沒有半導(dǎo)體材料,就不會(huì)有計(jì)算機(jī);沒有耐高溫、高強(qiáng)、低容重的結(jié)構(gòu)材料就沒有宇航事業(yè).美國國家關(guān)鍵技術(shù)委員會(huì)列定了21項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)中材料占五項(xiàng):光電子材料、金屬與合金、陶瓷材料、高分子材料、先進(jìn)復(fù)合材料.我國863方案涵括的七大方面:航天、激光、生物工程、新材料、能源、信息、自動(dòng)化.材料是其中之一.材料的開發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用對自然環(huán)境和人類社會(huì)的影響是無與倫比的.因此,人們把能源一材料一

2、信息作為現(xiàn)代文明的三大支柱.為什么材料,特別是高性能新材料受到世界各國如此重視,得到迅速開展呢?主要有以下四點(diǎn)原因:1國際軍事工業(yè)劇烈競爭,航空航天技術(shù)開展需要.下面舉幾個(gè)例子予以佐證.例1,宇宙飛船或衛(wèi)星返回地面假設(shè)不限制,外表溫度可達(dá)4000c.合金鋼2021c也熔化了.目前沒有任一種單一材料可抵此溫度.飛船宇宙飛行時(shí),外壁溫度為零下110C,返回地面,高溫沖擊時(shí)間30min,外壁溫度為1250C.美國航天飛機(jī)“哥倫比亞號外表覆蓋了可重復(fù)使用的聚合物基復(fù)合材料隔熱瓦片30757塊,成功解決了難題.例2,宇宙飛行器上的雷達(dá)天線,稱為“飛行器眼睛.為降低信號損失,對其尺寸穩(wěn)定性有嚴(yán)格要求:變形

3、小于萬分之一,重量輕強(qiáng)度高.工作環(huán)境卻非常嚴(yán)苛:發(fā)射加速度沖擊與振動(dòng),-200C70C.高模量碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料幾乎為唯一滿足要求的材料.例3,據(jù)計(jì)算,人造衛(wèi)星減重1kg,運(yùn)載火箭可減輕500kgo美國MX導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)由碳纖維/環(huán)氧纏繞殼體取代鈦合金,射程由1千公里增至4千公里,CFWRP勺比重僅為合金鋼確實(shí)1/5o例4,美國航天飛機(jī)采用了各種先進(jìn)復(fù)合材料:發(fā)動(dòng)機(jī)殼體硼纖維/環(huán)氧聚合物基復(fù)合材料壓力容器硼纖維/聚酰亞胺后部機(jī)體碳纖維/聚酰亞胺機(jī)體中央局部硼纖維/鋁金屬基復(fù)合材料機(jī)頭及主翼前緣碳/碳復(fù)合材料哈爾濱飛機(jī)公司引進(jìn)的法國海豚直升機(jī),碳纖維、Kevlar纖維增強(qiáng)環(huán)氧先進(jìn)復(fù)合材料用量占

4、70%±o以上例子說明高性能新材料、聚合物基復(fù)合材料迅猛開展的第一個(gè)原因.2新技術(shù)的需要促進(jìn)了新材料的開展.3地球上金屬資源與化石能源越用越少,石油天燃?xì)獾缺臼兰o(jì)末將用盡,開發(fā)與節(jié)約能源為當(dāng)務(wù)之急.據(jù)報(bào)導(dǎo),全世界汽車每天用油約300萬噸,約占世界產(chǎn)油總量的3040%采用陶瓷基復(fù)合材料制造汽車發(fā)動(dòng)機(jī),熱效率提升50%可減重20%省油30%碳纖維增強(qiáng)塑料汽車可省油20%再如:一個(gè)年產(chǎn)4.5萬噸的人工合成橡膠廠就能抵上45萬畝天然橡膠園.4科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步為新材料的開展提供了條件中國樹脂在線.材料的分類,新材料偏重于應(yīng)用可分為:信息材料、能源材料、功能高分子材料如高效別離膜、新型金屬材料非晶

5、態(tài)金屬、新合金等、先進(jìn)復(fù)合材料等.從物質(zhì)組成結(jié)構(gòu)上分為四大類:金屬材料、無機(jī)非金屬材料陶瓷、玻璃、水泥等、高分子材料包括三大合成材料:樹脂、橡膠、纖維等、復(fù)合材料.人們對材料的研究,總體歸結(jié)為兩大方面:一是材料組成、結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系即微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能的關(guān)系.二是設(shè)計(jì)、制造工藝與產(chǎn)品性能間的關(guān)系.代表著結(jié)構(gòu)材料開展趨勢的樹脂基復(fù)合材料脫穎而生,日益發(fā)揮重要作用.20世紀(jì)以鋼鐵為主的時(shí)代經(jīng)過數(shù)十年開展,正逐步演變?yōu)閺?fù)合材料時(shí)代.在興旺國家鋼鐵需求量逐年下降,而復(fù)合材料需求量猛增.目前美國塑料與樹脂基復(fù)合材料需求量比鋼鐵多0.8倍體積比.樹脂基復(fù)合材料經(jīng)過半個(gè)世紀(jì)的開展歷程,其理論研究和工業(yè)生產(chǎn)已取

6、得巨大進(jìn)展,應(yīng)用范圍已擴(kuò)展至人類生活各領(lǐng)域.二.復(fù)合材料與樹脂基體1.什么是復(fù)合材料的定義國內(nèi)外業(yè)界有各種說法.英國人赫爾提由復(fù)合材料分三類:天然復(fù)合材料,如木材、骨骼、肌肉等;細(xì)觀復(fù)合材料,如合金、增強(qiáng)塑料等;宏觀復(fù)合材料,如鋼筋混凝土等.適合于工程結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料定義應(yīng)包含以下三點(diǎn)內(nèi)容:(1)含兩種或兩種以上物理性質(zhì)不同并可用機(jī)械方法別離的多相材料(區(qū)別與混合物和合金);(2)可人為限制將一種材料分布到其它材料中,以達(dá)最正確性能;(3)性能優(yōu)于單獨(dú)組分材料,并具獨(dú)特性能.科學(xué)家把復(fù)合材料這種揚(yáng)長避短的作用稱為復(fù)合效應(yīng).人們利用復(fù)合效應(yīng)可自由選擇復(fù)合材料組成物質(zhì),人為設(shè)計(jì)各種新型復(fù)合材料,把材

7、料科學(xué)推進(jìn)到了一個(gè)新階段.因此,國外把復(fù)合材料稱為第四代材料,又稱“設(shè)計(jì)材料.2 .復(fù)合材料的分類工程上生產(chǎn)與應(yīng)用的復(fù)合材料內(nèi)含兩類材料:增強(qiáng)材料與基體材料.增強(qiáng)材料作用:提供強(qiáng)度與剛度形態(tài):多為纖維狀材質(zhì):玻璃纖維、碳纖維、芳倫(Kevlar)纖維、硼纖維、碳化硅纖維等.基體材料作用:將增強(qiáng)材料粘接成固態(tài)整體,保護(hù)增強(qiáng)材料,傳遞荷載,阻止裂紋擴(kuò)展;材質(zhì):合成樹脂.分為熱固性樹脂與熱塑性樹脂兩大類;金屬;陶瓷;水泥根據(jù)基體的不同復(fù)合材料又細(xì)分為:聚合物基復(fù)合材料,又稱纖維增強(qiáng)塑料.分為纖維增強(qiáng)熱固性塑料FRP與纖維增強(qiáng)熱塑性塑料FRTP應(yīng)用最廣的為玻璃纖維增強(qiáng)塑料GRP(GlassReforc

8、edPlastics);金屬基復(fù)合材料,如連續(xù)或非連續(xù)硼纖維、碳纖維增強(qiáng)鋁鎂、鈦、鎂等金屬基體;陶瓷基復(fù)合材料,如碳纖維、碳化硅(SiC)晶須增強(qiáng)陶瓷,極大提升了陶瓷的韌性(提升斷裂韌性最高可達(dá)9倍以上);水泥基復(fù)合材料,如碳纖維、玻璃纖維、植物纖維增強(qiáng)水泥等;碳纖維增強(qiáng)碳基體稱為C/C復(fù)合材料.上述諸種復(fù)合材料,目前全世界產(chǎn)量最大應(yīng)用最廣(約90%以上)首推聚合物基復(fù)合材料.3 .聚合物基復(fù)合材料的特性(1)輕質(zhì)高強(qiáng).以CFRM例:與鋼相比,比重僅為鋼的1/5,比強(qiáng)度為鋼的8倍,比模量為3.6倍,疲勞強(qiáng)度為2.7倍,抗拉強(qiáng)度為1.4倍.(2)耐腐蝕性優(yōu)異.全世界每年腐蝕金屬約1.2億噸,我國金屬腐蝕損失每年約600億以上.FRP因根本不發(fā)生金屬的電化學(xué)腐蝕,可取代昂貴的不銹鋼.(3)制造容易,生產(chǎn)率高.美國阿特拉斯導(dǎo)彈,用纖維纏繞聚合物基復(fù)合材料殼體取代合金鋼,生產(chǎn)周期縮短為1/3o波音公司莫型飛機(jī)由11000個(gè)金屬零部件組成,改

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