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【基础知识】复合材料的分类

   日期:2020-04-20     来源:《复合材料件可制造性技术》    浏览:884    
核心提示:对于复合材料,与其说是材料,倒不如说是结构更为确切。与传统材料相比,复合材料具有下述不同之处。(1)复合材料具有可设计性就一

 

对于复合材料,与其说是材料,倒不如说是结构更为确切。与传统材料相比,复合材料具有下述不同之处。


(1)复合材料具有可设计性

 

就一般的复合材料工程结构而言, 期学性能取决于层合板的力学性能、结构的尺寸和几何形状;层合板的力学性能取决于各单层的力学性能、纤维铺设方向、铺层顺序及各定向单层相对于总层数的百分比;单层的力学性能取决于各组分材料(包括界面)的力学性能、各组分的含量以及各相之间的几何关系。


与上述三个复合材料结构层次相对应,也可将复合材料设计分为结构设计、层合板设计和单层材料设计三个设计层次。结构设计是根据层合板的力学性能来分析工程结构的力学特性,最终确定工程结构的尺寸和几何形状;层合板设计又称为铺层设计,是根据单层的力学性能确定层合板中各单层的铺设方向、铺设顺序和各定向单层的层数;单层材料设计是选择合适的基体和增强材料,并确定它们的体积含量。


复合材料结构的多层次性为复合材料及其结构设计带来了很多的灵活性。复合材料的力学、机械、声、热、光、电、磁、防腐、抗者化等物理、化学性能,都可通过组分材料的选择和匹配、界面控制、铺层设计等设计手段来完成,以达到结构件的设计要求,从而满足工程结构件的使用性能。复合材料给设计人员提供的这种在一定范围内可随意设计的能力,是 传统金属材料无可比拟的。实际上,绝大多数复合材料与其结构件是一次完成的。也就是说,上述三个层次的复合材料结构其实是在同-个工艺流程中同时完成的。因此,上述复合材料的三个设计层次是互为前提、互相影响的,设计人员需要将材料性能和结构件性能一起考虑,材料设计和结构设计词时进行。


(2)复合材料结构设计包括材料设计

 

在传统材料的结构设计中,只需根据设计要求参照标准材料手册选择合理的材料。而在复合材料结构设计中,材料是由结构设计者根据设计要求而设计的,材料也具有可设计性。因此,复合材料结构设计可以从材料和结构两方面考虑,它是包括材料设计在内的一种新的结构设计。


(3)复合材料和复合材料结构具有同一性

 

传统材料的构件成形是经过对材料的再次物理加工完成的。而复合材料的构件成形与材料成形同时完成。组成复合材料的组分材料在复合成材料的同时也就形成了构件, -般不再由”复合材料”加工成复合材料构件复合材料的这一特点使得复合材料结构的完整性更好,可大量减少零部件及连接件的数量,从而降低成本、提高结构的可靠性。

 

(4)成形工艺对材料性能有重要影响

 

复合材料构件在成形过程中有组分材料的物理和化学变化。不同成形工艺所用原材料种类、增强材料种类、纤维体积含量、铺层设计案也不尽相同。原材料种类、增强材料种类、纤维体积含量、铺层设计方案、结构设计方案不同,也可能带来成形工艺的不同。即使相同的原材料种类、增强材料种类、纤维体积含量、铺层设计方案、结构设计方案和工艺方法,工艺参数和工艺过程不同,复合材料结构的性能差距也较大。同时,由于工艺成形过程中很难准确地控制工艺参数,也造成复合材料结构的性能分散性比较大。因此,成形工艺方法、工艺参数和工艺过程对复合材料结构的影响是比较大的。


(5)复合材料具有非均质性和各向异性的力学性能

 

从力学的观点来看,非均质是指物体内某点的性能是该点位置的函数,即物体内各点的性能不同;各向异性是指物体内的某点在某一方向上的性能是该点该方向的函数,即物体内的点在各个方向上具有不同的性能。由于复合材料所具有的非均质性和各向异性力学性能,单层和层合板的强度刚度及其他参数都是位置与方向的函数,使其在外力作用下具有与传统各向同性材料不同的变形特征,常常一个方向受力会引|起其他方向产生变形。这些特性使得复合材料结构力学的精确求解变得复杂和困难。


 

​1.树脂基复合材料的性能特点

树脂基复合材料具有如下优点。

 

(1)比强度高、比模量大


树脂基复合材料的最大优点是比强度高、比模量大。比强度是材料的强度与密度之比,比模量是材料的模量与密度之比。比强度和比模量是衡量结构材料承载能力和刚度特性的重要指标。相同质量的结构材料,比强度越高,承载能力越大,结构能承受的商用载荷越多,结构材料的经济性能越强。表1一1给出常用结构材料的比强度和比模量对比情况。表1一2为国外资料给出的在不同飞行器上节省每千克结构质量的价值含义。


(2)抗疲劳性能好、破损安全性能好

 

疲劳破坏是材料在交变载荷作用下,由于裂纹的形成和扩展而造成的低应力破坏。在纤维复合材料中存在着无数的纤维/树脂界面,这些界面能够阻止裂纹进一步扩 展,从而推迟疲劳破坏的发生。

复合材料在纤维方向受拉时的疲劳特性要比金属好得多。通常金属材料的疲劳强度极限是其拉伸强度的30% ~ 50% ,而碳纤维树脂基复合材料的疲劳强度极限是其拉伸强度的70% ~ 80%。而,在工程中常常用静力覆盖疲劳处理大多数的疲劳问题。

复合材料的破坏不像传统材料那样由于主裂纹的失稳扩展而突然发生,而是经历基体开裂、界面脱粘、纤维拔出、断裂等-系列损伤的发展过程。基体中存在着大量的界面、纤维以及由纤维承载的特点使材料成为典型的超静定体系。当少数纤维发生断裂时,期的部分载荷又会通过基体的传递而迅速分布到其他完好的纤维上去,从而在短期内不会使结构丧失承载能力,显示出良好的破损安全性。


(3)阻尼减振性能好

 

受力结构的自振频率除与结构自身形状有关以外,还与结构材料的比模量平方根成正比。所以,复合材料结构有较高的自振频率,其结构-般不易产生共振。 同时,复合材料基体与纤维的界面有较大吸收共振能量的能力,致使材料的振动阻尼很高,即使振动起来,也可在较短的时间内停下来。对相同尺寸的梁进行振动研究表明,铝合金梁需要9s才能停止下来,而碳纤维环氧复合材料的梁只需要2.5s就可停止下来。


(4)良好的加工工艺性

 

可以根据复合材料结构件的形状、大小、设计要求、生产批量以及组分材料类型选择成形工艺。特别适合于大面积整体成形,减少零部件和连接件的数量,省时、省料、减重和降低成本。


(5)物理性能的多样性

 

复合材料除了具有优良的力学性能以外,- 般还具有某些优良的物理性能,如电绝缘性能、高频介电性能、绝热性能、摩擦性能等。另外,选择不同物理性能的组分材料(-般应用一种或多种填料,见表1-3),可以复合成不同物理性能的复合材料。复合材料的物理性能见表1- 4。这种复合材料物理性能的多样性引导了多功能复合材料的蓬勃发展。


但是,树脂基复合材料也有如下缺点。

 

(1)层间强度较低

 

一般情况下,复合材料的层间剪切强度和层间拉伸强度分别低于基体的剪切强度和拉伸强度,在层间应力作用下很容易引起分层破坏。在结构设计时,应采取措施减小层间应力。


(2)材料韧性较低

 

大多数增强纤维(芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维等除外)属脆性材料,拉伸时断裂应变很小。复合材料也是脆性材料,无论是沿纤维方向还是垂直于纤维方向,其断裂应 变都要比金属材料小得多。可通过改善纤维的断裂应变、界面状况和基体的韧性(采取整体增韧、离位增韧等措施)来提高复合材料的抗冲击、抗断裂等性能。


(3)材料性能的工艺分散性较大

 

复合材料成形的工艺方法、工艺参数、工艺过程对性能影响较大。

 

(4)材料性能受湿热环境因素影响较大

 

不同温度、湿度条件下,复合材料的强度、刚度性能均不相同。

 

(5)破坏模式较多

 

复合材料从微观纤维断裂、基体开裂到宏观的强度破坏、失稳破坏,破坏模式多种多样。


 

​2.金属基复合材料的性能特点

 

金属基复合材料的性能取决于所选的金属或合金基体和增强体的特性、含量、分布等。通过优化组合可以获得既具有金属特性,又具有高比强度、高比模等综合性能。


(1)高比强度、比模量

 

在金属基体中加入低密度、高强度、高模量的增强体,与金属基体性能相比,可成倍地提高复合材料的比强度、比模量。


(2)良好的导热、导电性能

 

金属基复合材料中金属基体所占体积百分比,一般在60%以上,因此,仍能保持金属所具有的良好导热、导电性。


(3)优良的高温性能

 

由于金属基体的高温性能比树脂基高很多,增强材料在高温下又具有很高的强度和刚度,因此,金属基复合材料既具有比树脂基复合材料高得多的高温性能,也具有比金属基体更高的高温性能。特别是连续纤维增强金属基复合材料,在高温下纤维强度基本不下降,其复合材料的高温性能可以保持到接近金属熔点。


(4)热膨胀系数小、尺寸稳定性好

 

金属基复合材料中所用的碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维、晶须、颗粒等增强体均具有很小的热膨胀系数,特别是石墨纤维,还具有负的热膨胀系数。


选择不同的金属基体和增强体,按定比例复合在一起,就可得到热膨胀系数小、尺寸稳定性好的金属基复合材料。


(5)良好的疲劳性能和断裂韧性

 

金属基复合材料的疲劳性能和断裂韧性取决于金属基体与增强体的界面结合状态,好的界面结合状态既可有效传递载荷,又可阻止裂纹扩展,提高材料断裂韧性。金属基复合材料具有良好的疲劳性能和断裂韧性。CIAI复合材料的疲劳强度极限是其拉伸强度的70%左右。


(6)耐磨性好

 

金属基复合材料,尤其是陶瓷纤维、晶须、颗粒增强金属基复合材料均具很好的耐磨性。


(7)不吸潮、不老化、气密性好

 

与树脂基相比,金属基体组织致密、性质稳定,不存在吸潮、老化、分解等问题,也不会发生性能的自然退化。


 

​3. 陶瓷基和碳基复合材料的性能特点

陶瓷基复合材料的优点是既具有陶瓷材料的优点,同时又克服了陶瓷脆性的弱点。即它具有熔点高、耐高温、抗氧化、耐腐蚀、高硬度、耐磨损性能的同时还具有低密度、高强度、高模量、高韧性、高冲击阻力的优点,从而与陶瓷相比,具有很高的比强度、比模量。

 

 

 
 
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