复合材料有哪些特性?

复合材料有哪些特性?复合材料的性能特点又有哪些?

(1)优异的力学性能

对于航空应用的高端结构材料,轻质、高强是不断追求的目标,而碳纤维复合材料正是在这一点上体现出了独特的优势,具体表现在超高的比强度和比模量上,比强度和化模量是真实反映材科力学性能的两个参数,也即是单位质量所能提供的强度的模量,显然比强度和比模量高的材料,相对予其他材料,质量粮但承载能力高,这对减轻结构质量,发挥材料效率是非常有利的。

碳纤维复合材料的比强度可达钢的14倍,是铝的10倍,而比模量则超过钢和铝的3倍。碳纤维复合材料这一特性使得材料的利用效率大为提高,实践证明,用碳纤维复合材料代替铝制造飞机结构,减重效率可达20%~40% ;由此可以看出复合材料在航空航天领域内的重要地位。不仅如此,其他如汽车、海运、交通,风电等与运行速度有关的部门都会因采用复合材料而大为受益。

(2)各向异性和性能可设计性

如前所述,目前用得最多的是层压复合材料,由单向预浸带逐层叠合并固化而成,宏观上表现出非均匀和各向异性。单向带沿纤维方向的性能与垂直纤维方向的性能差别很大,因此按不同的方向,铺设不同比例的单向带,可以设计出不同性能的层压板来满足不同的结构要求,这种性能可设计性也叫性能“剪裁”通过这种“剪裁可以使复合材料的效率充分发挥,真正做到“物尽其用”,例如在主承力方向,可以适当增加纤维含量比例而达到提高承载能力的效果,而不需要额外增加结构的重量。

层压复合材料各向异性的另一表现为层间性能低,在外力作用下,层与层的结合界面可能首先破坏;另外, 层压复合材料对外来冲击敏感,冲击会引起局部分层,成为断裂源,因此在复合材料结构设计和使用中,分层和冲击损伤必须有所考虑。

(3)制造成型的多选择

复合材料的材料成型和结构成型是同时完成的,这使得大型的和复杂的部件整体化成型成为可能,经过数干年的发展,到现在有数十种不同的成型工艺供选择,如热压罐、模压、纤维缠绕、树脂传递模塑(RTM)、拉挤、注射、喷塑,以及高度自动化的预浸带自动铺叠和纤维丝束的自动铺放等,实际应用时可根据构件的性能、材料的种类、产量的规模和成本的考虑等选择最适合的成型方案。

(4)良好的耐疲劳性能

层压的复合材料对疲劳裂纹扩张有“止扩”作用,这是因为当裂纹由表面向内层扩展时,到达某一纤维取向不同的层面时,会使得裂纹扩展的断裂能在该层面内发散,这种特性使得FRP的疲劳强度大为提高。研究表明,钢和铝的疲劳强度是静力强度的50%,而复合材料可达90%。

(5)良好的抗腐蚀性

由于复合材料的表面是一层高住能的环氧树脂或其他树脂塑料,因而具有良好的耐酸、耐碱及耐其他化学腐蚀性介质的性能。这种优点使复合材料在未来的电动汽车或其他有抗腐蚀要求的应用领域具有强大的竟争力。

(6)环境影响

除了极高的温度,一般不考虑湿热对金属强度的影响。 但复合材料结构则必须考虑湿热环境的联合作用。这是因为复合材料的树脂基体是一种高分子材料,会吸进水分,高温可加速水分吸收,湿热的联合作用会降低其玻璃化转变温度,对结合界面形成影响,从而引起由基体控制的力学牲能(如压缩、剪切等)的明显下降。

综上所述,优异的比强度和比刚度以及性能可设计性是复合材料两个最突出的优点,它们为复合材料的应用提供了极为产阔的空间,也使得各种新型材料,如结构-功能一体化、多功能化、高功能化、智能化材料的开发成为可能。

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