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复合材料的应用局限与改进方向

   日期:2020-06-15     来源:《纤维复合材料》    浏览:402    
核心提示:复合材料的应用局限与改进方向毋庸置疑,与典型金属材料相比,先进复合材料也有其不足之处。首先是其厚度方向( z方向)强度不足,虽
 复合材料的应用局限与改进方向
毋庸置疑,与典型金属材料相比,先进复合材料也有其不足之处。首先是其厚度方向( z方向)强度不足,虽然这个缺点可以有限地通过使用二点五维或三维增强体改善,但是由于这种方法不能完全避免纤维的弯折,无法达到XY方向可能达到的强度。尽管如此,这仍是目前最有效的方法,即使用三维编织的纤维预成型体通过液体树脂或树脂膜成型。

但是,三维编织纤维预成型体价格昂贵,而且难以编织大型零部件,应用的广泛程度受到很大限制。复合材料另一个比较明显的缺陷是它们比金属材料低的损伤容限以及对内部损伤探测困难。低损伤容限的弱点对热固性聚合物基复合材料尤为明显,好在通过各种增韧手段以及对增强体及其表面的改性,或者使用二到三维的纤维预成型体,都能大大改善材料的损伤容限。

另一方面,复合材料的损伤(不是破坏)常常表现在层间分离,这种损伤在材料受到低速冲击时,如掉落的工具或冰雹等,尤为典型。在这种情况下,尽管材料的表面往往没有任何凹陷或破坏,但内部可能已经产生分离或分层,造成事故隐患。虽然无损检测( non-destructive inspection , NDI )方法如超声波C扫描等日益先进和普及,但毕竟价格不菲,操作也颇为复杂,因此复合材料,尤其是热固性复合材料的增韧一直是领域内一个非常重要的研究方向。热塑性复合材料损伤容限高,而且可以像金属那样进行焊接,因此在这方面有特别的功用,不过它们的加工难度和其他不足使得它们无法完全取代热固性复合材料。

此外,含有碳纤维的复合材料与金属接触情况下的电化学腐蚀也是需要注意的。其他方面如复合材料的高成本和回收重复利用难度等,此处不一一讨论。需要说明的是,有些复合材料的性能是逐步得到认识和认可的,例如在波音787的研制过程中,曾有相当多的批评声音和质疑,认为如果飞机紧急迫降或摔机着陆时,复合材料机身会破裂、燃烧并释放出有毒气体,后来波音公司在FAA (美国联邦航空管理局)的监督下做了实地测试,大量的数据表明复合材料机身在这些情况下,并不比金属机身会更加危险或释放出更多的有毒气体。总之,复合材料各向异性的特质使得它们在设计上和使用上都需要进行与各向同性的金属材料完全不同的考量,必须对它们物理和力学性能的方向性有充分的认识,才能达到对复合材料的最佳设计和利用。
 
 
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