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一分钟读懂复合材料
发布时间:2018-04-10 丨 阅读次数:632

人类在远古时代就从实践中认识到,可以根据用途需要,组合两种或多种材料,利用性能优势互补,制成原始的复合材料。所以,复合材料既是一种新型材料,也是一种古老的材料。

1.什么是复合材料


复合材料(Composite materials),是由两种或两种以上不同性质的材料,通过物理或化学的方法,在宏观上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短,产生协同效应,使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。


复合材料是一种混合物。在很多领域都发挥了很大的作用,代替了很多传统的材料。(如:混凝土的抗拉强度较低,通常只有抗压强度的十分之一左右,任何显著的拉弯作用都会使其微观晶格结构开裂和分离从而导致结构的破坏。而绝大多数结构构件内部都有受拉应力作用的需求,故未加钢筋的混凝土极少被单独使用于工程。  钢筋砼相较混凝土而言,钢筋抗拉强度非常高,一般在200MPa以上,故通常人们在混凝土中加入钢筋等加劲材料与之共同工作,由钢筋承担其中的拉力,混凝土承担压应力部分。)


2.复合材料的分类


复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。

①金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。

②非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。


复合材料按其组成分为金属与金属复合材料、非金属与金属复合材料、非金属与非金属复合材料。


复合材料按其结构特点又分为:

①纤维复合材料。将各种纤维增强体置于基体材料内复合而成。如纤维增强塑料、纤维增强金属等。

②夹层复合材料。由性质不同的表面材料和芯材组合而成。通常面材强度高、薄;芯材质轻、强度低,但具有一定刚度和厚度。分为实心夹层和蜂窝夹层两种。

③细粒复合材料。将硬质细粒均匀分布于基体中,如弥散强化合金、金属陶瓷等。

④混杂复合材料。由两种或两种以上增强相材料混杂于一种基体相材料中构成。与普通单增强相复合材料比,其冲击强度、疲劳强度和断裂韧性显着提高,并具有特殊的热膨胀性能。分为层内混杂、层间混杂、夹芯混杂、层内/层间混杂和超混杂复合材料。


复合材料主要可分为结构复合材料和功能复合材料两大类。

结构复合材料是作为承力结构使用的材料,基本上由能承受载荷的增强体组元与能连接增强体成为整体材料同时又起传递力作用的基体组元构成。增强体包括各种玻璃、陶瓷、碳素、高聚物、金属以及天然纤维、织物、晶须、片材和颗粒等,基体则有高聚物(树脂)、金属、陶瓷、玻璃、碳和水泥等。由不同的增强体和不同基体即可组成名目繁多的结构复合材料,并以所用的基体来命名,如高聚物(树脂)基复合材料等。结构复合材料的特点是可根据材料在使用中受力的要求进行组元选材设计,更重要是还可进行复合结构设计,即增强体排布设计,能合理地满足需要并节约用材。


功能复合材料一般由功能体组元和基体组元组成,基体不仅起到构成整体的作用,而且能产生协同或加强功能的作用。功能复合材料是指除机械性能以外而提供其他物理性能的复合材料。如:梯度复合材料(材料的化学和结晶学组成、结构、空隙等在空间连续梯变的功能复合材料)、机敏复合材料(具有感觉、处理和执行功能,能适应环境变化的功能复合材料)、仿生复合材料、隐身复合材料等。


复合材料也可分为常用和先进两类。

常用复合材料如玻璃钢,便是用玻璃纤维等性能较低的增强体与普通高聚物(树脂)构成。由于它的价格低廉,得以大量发展,已广泛用于船舶、车辆、化工管道和贮罐、建筑结构、体育用品等方面。


为满足航空航天等尖端技术所用材料的需要,先后研制和生产了以高性能纤维(如碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维等)为增强材料的复合材料,其比强度大于4×106厘米(cm),比模量大于4×108cm。为了与第一代玻璃纤维增强树脂复合材料相区别,将这种复合材料称为先进复合材料。它们的性能虽然优良,但价格相对较高,主要用于国防工业、航空航天、精密机械、深潜器、机器人结构件和高档体育用品等。


按基体材料不同,先进复合材料分为树脂基、金属基和陶瓷基复合材料。其使用温度分别达250~350℃、350~1200℃和1200℃以上。


3.复合材料的发展历史


复合材料是由不同元素组成的结构,结果是形成了一加一等于三。对于复合材料的理解,貌似昆虫、鸟和蝙蝠等动物比我们要理解的更透彻一些,它们将这个原理应用到筑窝的过程中,以防天敌的攻击。原始人用动物粪便、粘土、稻草和树枝组成复合材料结构,这是人类将复合材料应用到生活中具有历史意义的一步。甚至据人们传说,圣经中的诺亚方舟也是由煤沥青和稻草混合制成的,这也许真的是被报道出的复合材料船舶的鼻祖,当然这也仅是传说。


1847年


瑞典化学家Berzelius,这位现代化学的奠基人之一,首次在实验室发明了饱和聚酯。


1894年


Vorlander在实验室着手对乙二醇马来酸的研究工作,成为记录在案最早的一位研究不饱和聚酯树脂的化学家。


1920年


先锋人物Wallace Carothers开始对乙二醇与不饱和脂肪酸合成的聚酯的研究工作。


1922年


首个聚酯树脂被研发成功。


1930年末


研究人员Bradley, Kropa 和Johnson三人共同研究不饱和聚酯的固化情况,在报告中提高,固化后,它们可以分为可熔性和不可溶性(热固性)。

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