复合材料

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所属分类:科学故事
摘要

金属材料,无机非金属材料,有机高分子材料,是人类大量使用的三大类基本材料,它们各以自身的特点,满足人类多方面的需要。随着现代科学技术的发展,人们对材料性能的要求越来越高。例如,空间技术需要耐高温、防辐射、重量轻、强度大的材料,电子技术需要电磁性能好、易加工、寿命长的材料。三大基本材料都有各自的缺点:金属材料大多不耐腐蚀,无机非金属材料较脆,有机高分子材料不耐高温。它们单独使用时难以满足现代技术的综合需要。一个行之有效的办法是把两种或多种材料复合起来,互相取长补短,以获得工程技术所需要的综合性能,

  金属材料,无机非金属材料,有机高分子材料,是人类大量使用的三大类基本材料,它们各以自身的特点,满足人类多方面的需要。随着现代科学技术的发展,人们对材料性能的要求越来越高。例如,空间技术需要耐高温、防辐射、重量轻、强度大的材料,电子技术需要电磁性能好、易加工、寿命长的材料。三大基本材料都有各自的缺点:金属材料大多不耐腐蚀,无机非金属材料较脆,有机高分子材料不耐高温。它们单独使用时难以满足现代技术的综合需要。一个行之有效的办法是把两种或多种材料复合起来,互相取长补短,以获得工程技术所需要的综合性能,这就是复合材料

  现代复合材料,本质上是基体和增强剂的复合。基体的角色通常由合成树脂、塑料、橡胶、金属、陶瓷来担当,玻璃纤维、硼纤维、碳纤维起着增强剂的作用。复合材料按其结构特点可分为纤维复合材料、细粒复合材料、层叠复合材料及骨架复合材料。目前发展最快的是纤维复合材料。

  纤维复合材料

  玻璃钢是人们所熟悉的一种复合材料,它是本世纪40年代研制出来的。以玻璃纤维为骨料,以合成树脂作基本和粘结剂,加热压制成型就得到玻璃钢,其成品强度可与钢材媲美,比重仅为钢的1/5~1/4,耐高温、抗腐蚀、电绝缘、抗震抗裂、隔音隔热、加工方便。在航空、机械、汽车、舰船、建筑、化工等部门得到广泛的应用。

  1960年,美国人研制出了硼纤维,这是一种强度和弹性都比玻璃纤维更好的纤维材料。其制作过程是:把直径13微米的钨丝放入高温沉积钨内,在三氯化硼和氢气的混合气体里加热到1000℃以上,炉丝上连续沉积金属硼,就形成了钨丝外面包着硼的纤维,其强度是玻璃纤维的5倍。它既可与树脂复合又可与金属复合。用硼一环氧系复合材料作宇宙飞行器的结构材料比用铝和铝合金重量轻、强度高。用金属铝作基体的硼铝复合材料耐1200℃高温,用来制造飞机机体可使飞机重量减轻23%。用硼纤维补强的钛镍复合材料在军事和空间技术上起重要作用。

  碳纤维是最近十几年才发展起来的一种新材料。它可用聚合物纤维通过一定的工艺制得。把聚丙烯腈丝在200~300℃的空气或氧气中进行热分解,然后在1000℃的氢气中碳化,最后在2500℃的惰性气体中迅速加热,就可得到石墨化的纤维。这种碳纤维直径只有5~10微米,十分脆。人们用溴或一氯化碘来塑化纤维,经塑化的纤维可纺成纱、织成布,最后除去塑化剂,碳纤维仍保持原来形状。

  碳纤维的特点是高强度、高弹性模量、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、导电传热、密度小、热膨胀系数小。但它难与其他材料复合,所以复合前要首先作表面处理。

  用碳纤维增强的尼龙66有很好的韧性和良好的导电性,可作电荷分散体和导电体。其耐磨强度比用玻璃纤维增强的尼龙66高4倍。碳纤维增强的聚苯硫醚具有优异的抗拉强度,导电性提高,表面电阻降低,有优异的耐腐蚀和耐水解性能。

  用碳纤维增强陶瓷或玻璃,不仅能提高陶瓷或玻璃的强度,更主要的是大大提高了其韧性。这种增强复合材料在燃气涡轮机、火箭发动机上用于制作关键设备。用碳纤维增强金属能有效地提高材料的综合性能,是一项很有发展前途的技术。用碳纤维增强铝的复合材料的技术已经发展成熟,它生产成本低,材料的比强度、比刚度高,能耐高温,抗拉强度、耐磨性好,是电和热的良导体。因此在飞机、坦克、导弹、卫星等方面得到广泛利用。

  目前发展较快的还有金属纤维增强金属的复合材料。例如,用钨纤维增强铬铝钇铁合金而制得的复合材料,具有高温强度高,延展性好,抗氧化,耐腐蚀等最佳综合性能,是生产燃气涡轮机叶片、火箭发动机喷嘴、航天飞机鼻锥等的优质材料。

  混杂复合材料是把玻璃、碳等纤维按各自的特点组合起来,编制成粗纱、毡、布等,再与塑料、陶瓷等复合而成。这种办法的优点是成本低,能使各种材料的特性互补以获得较高的综合性能,并且还会获得意想不到的混杂效果,因而发展迅速。

  其他类型复合材料

  细粒复合材料的一个代表是金属陶瓷。它是由陶瓷相和粘结金属相所组成的非均匀复合材料。陶瓷相主要是高熔点的氧化物、硼化物、碳化物等,金属相是某些过渡族金属及其合金,金属相和陶瓷相之间并不发生化学反应,而是靠分子间的相互扩散和渗透而形成复合材料。它的特点是既具有金属的韧性、高导热性、良好的抗热冲击性能,又具有陶瓷的耐高温性能。因此它在宇航、化工、机械、冶金、国防等行业都大显身手。

  最早出现的层叠复合材料是夹层玻璃。它是在两层玻璃中间加入塑料等填充料粘结而成。在钢化玻璃产生前,这种夹层玻璃常用作汽车等的窗玻璃,在防止玻璃伤人方面起过积极作用。现在有的飞机也采用多层的有机玻璃作窗门,人们常用金属板夹高性能高分子材料作减振材料,以减轻振动和降低噪音。

  复合材料是材料领域的奇葩。它充分利用现有材料各自的优点,按科学的方法加以复合,使它具有各种材料的优点而克服其缺点,从而获得优异的综合性能。经过几十年的发展,复合材料已有三代:

  40年代研制的玻璃钢,是用玻璃纤维增强塑料,这是第一代。

  60年代后研制出的用碳纤维、芳纶、碳化硅纤维等增强树脂,属第二代。

  目前正在发展的纤维增强金属、陶瓷纤维增强陶瓷等,属第三代。

  在利用复合材料获得优异的结构性能的同时,人们也在努力开发具有各种功能的复合材料。这些材料具有奇妙的声、光、电、磁、热性能,在日常生活中、工业生产、航空航天、国防等领域都发挥着巨大作用。

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