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复合材料的结构和性能

2017-05-12 09:15:55 浙江佑威新材料股份有限公司 阅读

复合材料的结构通常是一个相为连续相,成为基体;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。

多数情况下,分散相较基体硬,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。

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。

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(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;

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(matrix phase)。

复合材料在制造前,基体材料的形状可以是薄片、粉末、块体或无定形的流体,它的状态可以是固态、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。

基体相具有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起向增强相分配和传递载荷的作用。

在复合材料中,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(interface)。

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的研究--------表面和界面工程(surface and interface engineering)。

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。

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: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。

复合材料设计可分为三个层次:单层材料设计、铺层设计、结构设计。

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。

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能和结构性能统一考虑,换言之,材料设计和结构设计必须同时进行,并将它们统一在同一个设计方案中。

复合材料是由多相材料复合而成,它的共同的特点主要有三个:

(1)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。

(2)可按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。