朱孟修焦點新聞熱搜

對于復合材料,與其說是材料，倒不如說是結構更為確切。與傳統材料相比,復合材料具有下述不同之處。

(1)復合材料具有可設計性

就一般的復合材料工程結構而言, 期學性能取決于層合板的力學性能、結構的尺寸和幾何形狀;層合板的力學性能取決于各單層的力學性能、纖維鋪設方向、鋪層順序及各定向單層相對于總層數的百分比;單層的力學性能取決于各組分材料(包括界面)的力學性能、各組分的含量以及各相之間的幾何關系。

與上述三個復合材料結構層次相對應,也可將復合材料設計分為結構設計、層合板設計和單層材料設計三個設計層次。結構設計是根據層合板的力學性能來分析工程結構的力學特性,終確定工程結構的尺寸和幾何形狀;層合板設計又稱為鋪層設計,是根據單層的力學性能確定層合板中各單層的鋪設方向、鋪設順序和各定向單層的層數;單層材料設計是選擇合適的基體和增強材料,并確定它們的體積含量。

復合材料結構的多層次性為復合材料及其結構設計帶來了很多的靈活性。復合材料的力學、機械、聲、熱、光、電、磁、防腐、抗者化等物理、化學性能，都可通過組分材料的選擇和匹配、界面控制、鋪層設計等設計手段來完成,以達到結構件的設計要求,從而滿足工程結構件的使用性能。復合材料給設計人員提供的這種在一定范圍內可隨意設計的能力，是 傳統金屬材料無可比擬的。實際上，絕大多數復合材料與其結構件是一次完成的。也就是說，上述三個層次的復合材料結構其實是在同-個工藝流程中同時完成的。因此，上述復合材料的三個設計層次是互為前提、互相影響的,設計人員需要將材料性能和結構件性能一起考慮,材料設計和結構設計詞時進行。

(2)復合材料結構設計包括材料設計

在傳統材料的結構設計中，只需根據設計要求參照標準材料手冊選擇合理的材料。而在復合材料結構設計中,材料是由結構設計者根據設計要求而設計的,材料也具有可設計性。因此，復合材料結構設計可以從材料和結構兩方面考慮,它是包括材料設計在內的一種新的結構設計。

(3)復合材料和復合材料結構具有同一性

傳統材料的構件成形是經過對材料的再次物理加工完成的。而復合材料的構件成形與材料成形同時完成。組成復合材料的組分材料在復合成材料的同時也就形成了構件, -般不再由”復合材料”加工成復合材料構件復合材料的這一特點使得復合材料結構的完整性更好，可大量減少零部件及連接件的數量,從而降低成本、提高結構的可靠性。

(4)成形工藝對材料性能有重要影響

復合材料構件在成形過程中有組分材料的物理和化學變化。不同成形工藝所用原材料種類、增強材料種類、纖維體積含量、鋪層設計案也不盡相同。原材料種類、增強材料種類、纖維體積含量、鋪層設計方案、結構設計方案不同,也可能帶來成形工藝的不同。即使相同的原材料種類、增強材料種類、纖維體積含量、鋪層設計方案、結構設計方案和工藝方法，工藝參數和工藝過程不同,復合材料結構的性能差距也較大。同時,由于工藝成形過程中很難準確地控制工藝參數,也造成復合材料結構的性能分散性比較大。因此,成形工藝方法、工藝參數和工藝過程對復合材料結構的影響是比較大的。

(5)復合材料具有非均質性和各向異性的力學性能

從力學的觀點來看，非均質是指物體內某點的性能是該點位置的函數,即物體內各點的性能不同;各向異性是指物體內的某點在某一方向上的性能是該點該方向的函數,即物體內的點在各個方向上具有不同的性能。由于復合材料所具有的非均質性和各向異性力學性能，單層和層合板的強度剛度及其他參數都是位置與方向的函數,使其在外力作用下具有與傳統各向同性材料不同的變形特征，常常一個方向受力會引|起其他方向產生變形。這些特性使得復合材料結構力學的精確求解變得復雜和困難。

樹脂基復合材料具有如下優點。

(1)比強度高、比模量大

樹脂基復合材料的大優點是比強度高、比模量大。比強度是材料的強度與密度之比,比模量是材料的模量與密度之比。比強度和比模量是衡量結構材料承載能力和剛度特性的重要指標。相同質量的結構材料,比強度越高,承載能力越大,結構能承受的商用載荷越多，結構材料的經濟性能越強。表1一1給出常用結構材料的比強度和比模量對比情況。表1一2為國外資料給出的在不同飛行器上節省每千克結構質量的價值含義。

(2)抗疲勞性能好、破損安全性能好

疲勞破壞是材料在交變載荷作用下,由于裂紋的形成和擴展而造成的低應力破壞。在纖維復合材料中存在著無數的纖維/樹脂界面，這些界面能夠阻止裂紋進一步擴 展,從而推遲疲勞破壞的發生。

復合材料在纖維方向受拉時的疲勞特性要比金屬好得多。通常金屬材料的疲勞強度極限是其拉伸強度的30% ~ 50% ,而碳纖維樹脂基復合材料的疲勞強度極限是其拉伸強度的70% ~ 80%。而,在工程中常常用靜力覆蓋疲勞處理大多數的疲勞問題。

復合材料的破壞不像傳統材料那樣由于主裂紋的失穩擴展而突然發生，而是經歷基體開裂、界面脫粘、纖維拔出、斷裂等-系列損傷的發展過程。基體中存在著大量的界面、纖維以及由纖維承載的特點使材料成為典型的超靜定體系。當少數纖維發生斷裂時,期的部分載荷又會通過基體的傳遞而迅速分布到其他完好的纖維上去，從而在短期內不會使結構喪失承載能力,顯示出良好的破損安全性。

(3)阻尼減振性能好

受力結構的自振頻率除與結構自身形狀有關以外，還與結構材料的比模量平方根成正比。所以,復合材料結構有較高的自振頻率,其結構-般不易產生共振。 同時,復合材料基體與纖維的界面有較大吸收共振能量的能力,致使材料的振動阻尼很高,即使振動起來，也可在較短的時間內停下來。對相同尺寸的梁進行振動研究表明,鋁合金梁需要9s才能停止下來,而碳纖維環氧復合材料的梁只需要2.5s就可停止下來。

(4)良好的加工工藝性

可以根據復合材料結構件的形狀、大小、設計要求、生產批量以及組分材料類型選擇成形工藝。特別適合于大面積整體成形,減少零部件和連接件的數量,省時、省料、減重和降低成本。

(5)物理性能的多樣性

復合材料除了具有優良的力學性能以外，- 般還具有某些優良的物理性能，如電絕緣性能、高頻介電性能、絕熱性能、摩擦性能等。另外,選擇不同物理性能的組分材料(-般應用一種或多種填料,見表1-3)，可以復合成不同物理性能的復合材料。復合材料的物理性能見表1- 4。這種復合材料物理性能的多樣性引導了多功能復合材料的蓬勃發展。

但是,樹脂基復合材料也有如下缺點。

(1)層間強度較低

一般情況下,復合材料的層間剪切強度和層間拉伸強度分別低于基體的剪切強度和拉伸強度，在層間應力作用下很容易引起分層破壞。在結構設計時,應采取措施減小層間應力。

(2)材料韌性較低

大多數增強纖維(芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維等除外)屬脆性材料,拉伸時斷裂應變很小。復合材料也是脆性材料,無論是沿纖維方向還是垂直于纖維方向，其斷裂應 變都要比金屬材料小得多。可通過改善纖維的斷裂應變、界面狀況和基體的韌性(采取整體增韌、離位增韌等措施)來提高復合材料的抗沖擊、抗斷裂等性能。

(3)材料性能的工藝分散性較大

復合材料成形的工藝方法、工藝參數、工藝過程對性能影響較大。

(4)材料性能受濕熱環境因素影響較大

不同溫度、濕度條件下,復合材料的強度、剛度性能均不相同。

(5)破壞模式較多

復合材料從微觀纖維斷裂、基體開裂到宏觀的強度破壞、失穩破壞，破壞模式多種多樣。

金屬基復合材料的性能取決于所選的金屬或合金基體和增強體的特性、含量、分布等。通過優化組合可以獲得既具有金屬特性,又具有高比強度、高比模等綜合性能。

(1)高比強度、比模量

在金屬基體中加入低密度、高強度、高模量的增強體，與金屬基體性能相比,可成倍地提高復合材料的比強度、比模量。

(2)良好的導熱、導電性能

金屬基復合材料中金屬基體所占體積百分比,一般在60%以上，因此,仍能保持金屬所具有的良好導熱、導電性。

(3)優良的高溫性能

由于金屬基體的高溫性能比樹脂基高很多,增強材料在高溫下又具有很高的強度和剛度，因此,金屬基復合材料既具有比樹脂基復合材料高得多的高溫性能,也具有比金屬基體更高的高溫性能。特別是連續纖維增強金屬基復合材料，在高溫下纖維強度基本不下降，其復合材料的高溫性能可以保持到接近金屬熔點。

(4)熱膨脹系數小、尺寸穩定性好

金屬基復合材料中所用的碳纖維、硼纖維、碳化硅纖維、晶須、顆粒等增強體均具有很小的熱膨脹系數，特別是石墨纖維,還具有負的熱膨脹系數。

選擇不同的金屬基體和增強體，按定比例復合在一起,就可得到熱膨脹系數小、尺寸穩定性好的金屬基復合材料。

(5)良好的疲勞性能和斷裂韌性

金屬基復合材料的疲勞性能和斷裂韌性取決于金屬基體與增強體的界面結合狀態,好的界面結合狀態既可有效傳遞載荷，又可阻止裂紋擴展，提高材料斷裂韌性。金屬基復合材料具有良好的疲勞性能和斷裂韌性。CIAI復合材料的疲勞強度極限是其拉伸強度的70%左右。

(6)耐磨性好

金屬基復合材料,尤其是陶瓷纖維、晶須、顆粒增強金屬基復合材料均具很好的耐磨性。

(7)不吸潮、不老化、氣密性好

與樹脂基相比,金屬基體組織致密、性質穩定,不存在吸潮、老化、分解等問題,也不會發生性能的自然退化。

陶瓷基復合材料的優點是既具有陶瓷材料的優點,同時又克服了陶瓷脆性的弱點。即它具有熔點高、耐高溫、抗氧化、耐腐蝕、高硬度、耐磨損性能的同時還具有低密度、高強度、高模量、高韌性、高沖擊阻力的優點,從而與陶瓷相比，具有很高的比強度、比模量。