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复合材料的特性

2017-05-12 09:21:48 浙江佑威新材料股份有限公司 阅读

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、强度高、可设计性好、耐化学腐蚀、介电性能好、耐烧蚀及容易成型加工等优点。
  
(1)轻质高强,比强度和比刚度高

A、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;

B、增强剂多是强度很高的纤维。

比强度(指强度与密度的比值)和比弹性模量是各类材料中最高的。

例如,普通碳钢的密度为7.8 g/cm3。玻璃纤维增强树脂基复合材料的密度为1.5~2.0 g/cm3,只有普通碳钢的1/4—1/5,比铝合金还要轻1/3左右,而机械强度却能超过普通碳钢的水平。

若按比强度计算,玻璃纤维增强的树脂基复合材料不仅超过碳钢,而且可超过某些特殊合金纲。

碳纤维复合材料、有机纤维复合材料具有比玻璃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。

(2)可设计性好

复合材料可以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。

对于结构件来说,可以根据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。

对于有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和增强材料;

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、层间剪切强度低等缺点。

(3)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基体、增强材料和辅助材料,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,并且在高频下仍能保持良好的介电性能,因此可作为高性能电机、电器的绝缘材料;

玻璃纤维增强的树脂基复合材料还具有良好的透波性能,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和适当的成型工艺可以制得导电复合材料。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。

(4)耐腐蚀性能好

聚合物基复合材料具有优异的耐酸性能、耐海水性能、也能耐碱、盐和有机溶剂。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。

(5)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蚀材料和热防护材料,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。

(6)工艺性能优良

纤维增强的聚合物基复合材料具有优良的工艺性能,能满足各种类型制品的制造需要,特别适合于大型制品、形状复杂、数量少制品的制造,

(7)弹性模量

金属基和陶瓷基复合材料能够在较高的温度下长期使用,但是聚合物基复合材料的弹性模量很低。因此,制成的制品容易变形 。 

用碳纤维等高模量纤维作为增强材料可以提高复合材料的弹性模量,另外,通过结构设计也可以克服其弹性模量差的缺点。

比模量系指在温度为23±2℃和相对湿度为50±5%的条件下测量的杨氏模量(单位:N.m-2)除以比重(单位:N.m-3)。

杨氏模量就是指表达物体在变形时所受的应力与应变关系的比例常数。

在弹性范围内大多数材料服从虎克定律,即变形与受力成正比。

纵向应力与纵向应变的比例常数就是材料的弹性模量E,也叫杨氏模量。

横向应变与纵向应变之比值称为泊松比µ,也叫横向变性系数,它是反映材料横向变形的弹性常数。 

复合材料的突出优点是比强度和比模量(即强度、模量与密度之比)高。

比强度和比模量是度量材料承载能力的一个指标,比强度愈高,同一零件的比重愈小;比模量愈高,零件的刚性愈大。

(8)长期耐热性

金属基和陶瓷基复合材料能在较高的温度下长期使用,但是聚合物基复合材料不能在高温下长期使用,即使耐高温的聚酰亚胺基复合材料,其长期工作温度也只能在300 ℃左右。

(9)老化现象

在白然条件下,由于紫外光、湿热、机械应力、化学侵蚀的作用,会导致复合材料的性能变差,即发生所谓的老化现象。

复合材料在使用过程中发牛老化现象的程度与其组成、结构和所处的环境有关。

(10)  抗疲劳性能好

首先,缺陷少的纤维的疲劳抗力很高;其次,基体的塑性好,能消除或减小应力集中区的大小和数量。

(11)  减振能力强

复合材料的比模量高,所以它的自振频率很高,不容易发生共振而快速脆断;另外,复合材料是一种非均质多相体系,在复合材料中振动衰减都很快。