机械制造工程_4.3复合材料(图文教程)

第三节 复合材料

复合材料是用两种或两种以上不同性能、不同形态的组分材料通过复合手段组合而成的一种多相材料，与传统材料相比，复合材料具有性能可设计性、材料与结构同一性、复合效应、材料性能对复合工艺的依赖性等特点，由此可具有高硬度、高比强度、高比刚性、阻尼减震性好、破损安

一、复合材料的组成

复合材料一般是以强度较低、韧性较好的材料为基体，以高强度、高弹性模量的材料为增强体，两者掺匀后，经适当加热与加压结合而成。

1.基体

复合材料基体主要有树脂基体、金属基体、陶瓷基体、水泥基体等，并有相应基体的复合材料。

⑴ 树脂基复合材料 由于树脂具有质轻、易于成型、与增强体相容性好等特点，树脂基复合材料发展迅速并得到广泛应用。目前，以高性能环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、聚酰亚胺树脂、芳基乙炔树脂、酚醛树脂、乙烯基树脂、热塑性树脂、BT树脂、聚氨酯树脂、热固性树脂为基体的复合材料的加工工艺已趋于成熟，进入工业化、商品化阶段。树脂基复合材料具有质轻、易于成型、比强度和比刚性高、耐疲劳性能好等突出优点，得到广泛应用。F-111、F-16、F22等先进飞机上广泛应用树脂基复合材料，如飞机蒙皮、机翼、整流罩等，复合材料应用比例已经成为衡量飞机性能的一项重要指标。但树脂基复合材料也同时具有耐热性差（主要应用于工作温度低于425℃的环境下）、易吸湿、易老化、易分层等缺点，限制了其应用范围。

⑵ 金属基复合材料 金属基复合材料具有强度大、刚性高、耐热性好、抗蠕变能力强、高耐磨性、导电导热性能优良、不吸湿、不老化、气密性好、易于加工成各向同性材料或构件等优点，受到研究人员的重视，铝基、钛基、镍基、金属间化合物基等金属基复合材料得到应用和发展，如制造柴油机活塞、汽车驱动轴、自行车等。但是，金属基复合材料存在密度较大、润湿性、相容性、界面反应难以控制等缺点，限制了其发展和应用。

⑶ 陶瓷基复合材料 陶瓷基复合材料具有高模量、高硬度、耐高温、耐腐蚀等优点，适于制造火箭发动机、喷气发动机等高温部件以及陶瓷基复合装甲等。尽管采用加入纤维等手段对陶瓷基复合材料进行增韧处理后，韧性有较大的改善，但仍有待于进一步提高。

⑷ 水泥基复合材料 水泥基复合材料是陶瓷基复合材料的一个重要分支，复合材料的加工技术广泛应用于建筑材料领域，通过加入钢纤维、聚丙烯纤维、碳纤维、植物纤维等增加其抗拉强度和韧性，提高建筑物的质量。现已经研制出碳纤维增强水泥、钢纤维混凝土等水泥基复合材料，并得到广泛应用[3～8]。

2.增强体

经过多年的发展，已研制出种类繁多的增强体，主要有以下几类：

⑴纤维。玻璃纤维是开发、应用较早的纤维增强体，具有不燃、耐腐蚀、耐高温、吸湿小、伸长小等优良特性。在电气、力学、化学以及光学等方面也有很优良的特性，与树脂复合相容性好，成形工艺简单，性能价格比高，因此是理想的增强体材料，并获得广泛的应用。其弹性模量高于有机纤维，低于金属合金；只存在弹性变形，是完全弹性体，不存在屈服点，软化温度高达550～750℃；密度大致与铝相近，高于有机纤维。现又研制出电绝缘性能和介电性能优良的无碱(E)玻璃纤维、耐高温玻璃纤维（能耐1000℃以上高温，制造火箭喷火口、航天热防护装置）。玻璃纤维难以分解，对环境具有一定的污染性。

碳纤维的主要性能特点是：质轻、强度高、比强度大、模量高、比模量大、疲劳强度大、耐疲劳、自润滑、耐磨损、吸能减震、耐腐蚀、生物相亲性好、导电性能好、柔软、后加工及复合性好。因此，碳纤维具有优异的综合性能，是新一代军民两用的增强纤维，成为先进复合材料的主要增强纤维之一。其缺点是在非惰性气氛中耐热性较差。

硼纤维具有比强度高、比模量大、耐热性好、质轻等优点，尤其是与金属易于复合，使之不仅能够用于树脂基复合材料，而且可用于金属基复合材料，研制出硼纤维增强铝等质轻、比强度高、比模量大的金属基复合材料，克服树脂基复合材料易老

目前还研制出高强高模聚乙烯纤维、芳纶纤维等，已经形成一个增强纤维大家族。

⑵晶须。晶须是指以单晶形式生长的形状类似短纤维，而尺寸远小于短纤维的针状单晶体。目前已经开发出一百多种不同的晶须，主要包括Sn、Fe、Cu、Cd、Ni等金属晶须和Si3N4、SiC、Al2O3、TiN、ZrO2、AlN、TiO2、TiC等非金属晶须两大类。现已实现工业化生产的晶须主要有SiC、Si3N4、TiN、Al2O3、莫来石等。晶须作为一种增强体复合进基体后，可以提高复合材料的强度、硬度、耐热性、耐磨性、耐腐蚀性、触变性等，还可具有导电、绝缘、抗静电、减震、阻尼、吸波、阻燃等多种特殊功能。

SiC晶须的工业化产品出现于1962年，主要应用于陶瓷基、金属基复合材料，现已研制出SiC晶须增韧陶瓷刀具、砂轮。但是，SiC晶须生产工艺复杂、成本很高、产量低等原因限制了其推广应用。

在20世纪80年代研制出较低廉钛酸钾晶须、硫酸钙晶须、碳酸钙晶须等，使晶须的扩大应用成为可能，相继推出钛酸钾晶须/Ａ-90橡胶复合材料、钛酸钾晶须增强铝基复合材料等。进入21世纪，随着加工技术的发展，晶须的制造成本降低，开始得到广泛应用。

⑶其它增强体。当今已经研制出微纤、析出晶等细观增强体以及纳米、刚性棒状分子等微观增强体，并应用于复合材料加工，使宏观复合材料一直难以解决的增强体与基体之间的结合界面问题得到解决，表现出较好的发展前景。

3.复合材料的发展方向

⑴复合材料的设计由常规设计向仿生设计和计算机辅助设计方向发展；

⑵复合材料的应用由航空、航天领域向民用领域扩展；

⑶复合材料向绿色化方向发展。