第二章 复合材料基本特性、应用及其研究现状

第二章第二章 复合材料基本特性、应用及其研究现状11、 复合材料的结构和性能复合材料的结构和性能复合材料的 结构 通常是一个相为连续相，成为 基体基体 ；而另外一相是以独立的形态分布在整个连续相中的分散相，它显著增强材料的性能，故常称为 增强体增强体 。多数情况下， 分散相分散相 较基体 硬硬 ， 刚度和强度刚度和强度 较基体大。分散相可以是 纤维及其编织物 ，也可以是 颗粒状 或弥散的 填料 。在基体和增强体之间存在着 界面界面 。2因此，复合材料是由 两种以上组分 以及它们之间的 界面 构成。组分材料 主要指 增强体 和 基体 ，它们也被称为复合材料的 增强相 和 基体相 。增强相与基体相之间的 界面区域界面区域 因为其特殊的结构组成也被视作复合材料中的 “相 ”，即 界面相 。3增强相和基体相是根据它们 组分的物理和化学性质 和在最终复合材料中的 形态 来区分的。其中一个组分是细丝（连续的或短切的）、薄片或颗粒状，具有较高的强度、模量、硬度和脆性，在复合材料承受外加载荷时是主要承载相，称为 增强相或增强体增强相或增强体 （ reinforced phase or reinforcement）。增强相或增强体在复合材料中呈分散形式，被基体相隔离包围，因此也称作 分散相分散相 ；4复合材料中的另一个组分是包围增强相并相对较软和韧的贯连材料，称为 基体相基体相 （matrix phase）。复合材料的各种形态示意于图中：5复合材料及其增强相的各种形态纤维状 颗粒状 层状片状 填充状6复合材料在制造前， 基体材料的基体材料的 形状形状 可以是薄片、粉末、块体或无定形的流体，它的 状态状态 可以是固态、气态、熔融态或半固 半液态。基体材料在与增强相固结后，基体相在复合材料中就成为包裹增强相的连续体。因此，基体相也叫做 连续相连续相 。基体相具有 支撑和保护支撑和保护 增强相的作用，在复合材料承受外加载荷时，基体相主要以 剪切变形的方式剪切变形的方式 起向增强相分配和传递载荷分配和传递载荷 的作用。7在复合材料中， 增强相和基体相之间增强相和基体相之间 还存在着明显的结合面。位于增强相和基体相之间并使两相彼此相连的、化学成分和力学性质与相邻两相有明显区别、能够在相邻两相间起传递载荷作用的区域，称为 复合材料的界面复合材料的界面 （ interface）。 8复合材料中 界面层的厚度 通常在 亚微米 以下，但界面层的总面积界面层的总面积 在复合材料中很大，且复合材料的界面特征对复合材料的性能、破坏行为及应用效能有很大影响。所以，人们以极大的注意力开展对 复合材料界面复合材料界面的研究的研究 -表面和界面工程表面和界面工程 （ surface and interface engineering）。9复合材料的性能复合材料的性能 取决于 组分材料的 种类 、 性能、 含量 和 分布 。主要包括：增强体的性能和它的表面物理、化学状态；基体的结构和性能；增强体的配置、分布和体积含量。复合材料的性能 还取决于 复合材料的 制造工艺条件 、 复合方法 、 零件几何形状 和 使用环境条件 。10复合材料既能保留原组分材料的主要特色，并通过复合效应获得组分材料所不具备的性能，还可以通过 材料设计材料设计 使各组分的性能相互补充并彼此关联，从而获得新的性能。复合材料设计：复合材料设计： 选择 复合材料的组分 、 增强体分布 和 复合材料制造工艺 、使其具有 使用所要求的性能 过程。11复合材料设计复合材料设计 可分为三个层次： 单层材料单层材料 设计、 铺铺层层 设计、 结构结构 设计。单层材料设计单层材料设计 包括正确选择 增强材料 、 基体材料 及共配比 ，该层次决定单层板的性能；铺层设计铺层设计 包括对铺层材料的 铺层方案 做出合理钱财安的安排 ， 该层次决定层合板的性能；结构设计结构设计 则最后确定 产品结构的形状和尺寸 。上述三个设计层次互为前提、互相影响、互相依赖。 12因此，复合材料及其结构的设计打破了 材料研究 和 结构研究 的传统界限。设计人员必须把 材料性材料性能能 和 结构性能结构性能 统一考虑，换言之， 材料设计材料设计 和 结构结构设计设计 必须同时进行，并将它们统一在同一个设计方案中 。13复合材料是由多相材料复合而成，它的 共同的共同的特点特点 主要有三个：( )综合发挥各种组成材料的优点， 使一种材料具有多种性能，具有天然材料所没有的性能。 例如，玻璃纤维增强环氧基复合材料，既具有类似钢材的强度，又具有塑料的介电性能和耐腐蚀性能。 14(2)可按 对材料性能的需要对材料性能的需要 进行材料的设计和制造 。如，针对方向性材料强度的设计，针对某种介质耐腐蚀性能的设计等。(3)可制成所需的任意形状的产品，可避免多次加工工序。例如，可避免金属产品的铸模、切削、磨光等工序。15影响复合材料性能的因素影响复合材料性能的因素主要取决于 增强材料增强材料 的 性能 、 含量 及 分布状况， 基体材料基体材料 的 性能 、 含量 ，以及它们之间的 界面结合 情况，作为产品还与 成型工艺 和 结构设计 有关 。因此，不论对哪一类复合材料，就是同一类复合材料的性能也不是一个定值，而只能给出其主要性能。16一般材料的简单混合与复合材料的 两点本质区别两点本质区别：（）复合材料不仅保留了原组成材料的特点，而且通过各组分的 相互补充和关联相互补充和关联 可以获得原组分所没有的新的优越性能；17（）复合材料的可设计性（）复合材料的可设计性如结构复合材料不仅可根据材料在使用中 受力的要求 进行 组元选材设计组元选材设计 ，更重要的是还可进行 复合结构设计复合结构设计 ，即 增强体的比例、分布、排列和取向等的设计 。对于结构复合材料来说，是由能承受载荷的 增强体组元增强体组元 与能连接增强体又起传递力作用的 基体组元基体组元 构成。由不同的增强体和不同的基体即可组成名目繁多的结构复合材料。182、复合材料的特性、复合材料的特性复合材料是由 多种组分 的材料组成，许多性能优于单一组分的材料。例如，纤维增强的树脂基复合材料，具有 质量轻质量轻、 强度高强度高 、 可设计性好可设计性好 、 耐化学腐蚀耐化学腐蚀 、 介电性能好介电性能好 、耐烧蚀 及 容易成型加工容易成型加工 等优点。19（）轻质高强，比强度和比刚度高（）轻质高强，比强度和比刚度高、 增强剂 或者 基体 是比重小的物质，或两者的比重都不高，且都不是完全致密的；、增强剂多是强度很高的纤维。比强度比强度 （指 强度 与 密度 的比值）和 比弹性模比弹性模量量 是各类材料中最高的。 20例如， 普通碳钢普通碳钢 的密度为 7.8 g/cm3。 玻璃纤维玻璃纤维增强树脂基增强树脂基 复合材料的密度为 1.52.0 g/cm3， 只有普通碳钢的 1/41/5 ，比铝合金还要轻 1/左右，而 机械强度机械强度 却能超过普通碳钢的水平。21若按 比强度比强度 计算， 玻璃纤维增强的树脂玻璃纤维增强的树脂 基复合材料不仅超过 碳钢碳钢 ，而且可超过某些特殊 合金纲合金纲 。碳纤维碳纤维 复合材料、 有机纤维有机纤维 复合材料具有比 玻璃玻璃纤维纤维 复合材料更低的密度和更高的强度，因此具有更高的比强度。22(2)可设计性好可设计性好复合材料可以 根据不同的用途要求根据不同的用途要求 ，灵活地进行产品设计，具有很好的可设计性。对于 结构件结构件 来说，可以根据 受力情况受力情况 合理布置增强材料，达到 节约材料 、 减轻质量 的目的。23对于有 耐腐蚀性能耐腐蚀性能 要求的产品，设计时可以选用耐腐蚀性能好的 基体树脂基体树脂 和 增强材料增强材料 ；对于其他一些性能要求，如介电性能、耐热性能等，都可以方便地通过 选择合适的原材料选择合适的原材料 来满足要求。复合材料良好的可设计性还可以最大限度地克服其 弹性模量弹性模量 、 层间剪切强度层间剪切强度 低等缺点。 24(3)电性能好电性能好复合材料具有优良的电性能，通过 选择不同的树脂选择不同的树脂基体基体 、 增强材料增强材料 和 辅助材料辅助材料 ，可以将其制成 绝缘材料 或导电材料 。例如，玻璃纤维增强的树脂基复合材料具有优良的 电绝缘性能电绝缘性能 ，并且在高频下仍能保持良好的 介电介电性能性能 ，因此可作为高性能电机、电器的绝缘材料；25玻璃纤维增强的树脂基复合材料还具有 良好的良好的透波性能透波性能 ，被广泛地用于制造机载、舰载和地面雷达罩。复合材料通过 原材料的选择原材料的选择 和 适当的成型工艺适当的成型工艺可以制得 导电复合材料导电复合材料 。这是一种功能复合材料，在冶金、化工和电池制造等工业领域具有广泛的应用前景。26(4)耐腐蚀性能好耐腐蚀性能好聚合物基复合材料具有优异的 耐酸性能耐酸性能 、 耐海水性能 、也能 耐碱耐碱 、 盐盐 和 有机溶剂有机溶剂 。因此它是一种优良的耐腐蚀材料，用其制造的 化工管道 、 贮罐 、 塔器 等具有较长的使用寿命、极低的维修费用。27(5)热性能良好热性能良好玻璃纤维增强的聚合物基复合材料具有 较低的较低的导热系数导热系数 ，是一种优良的绝热材料。选择适当的基体材料和增强材料可以制成 耐烧耐烧蚀材料蚀材料 和 热防护材料热防护材料 ，能有效地保护火箭、导弹和宇宙飞行器在 2000 以上承受用温、高速气流的冲刷作用。28(6)工艺性能优良工艺性能优良纤维增强的聚合物基复合材料具有 优良优良的工艺