复合材料

复合材料

学号：13032120 姓名：陈孝山

随着航空航天科学技术的不断进步，促进了新材料的飞速发展，其中尤以先进复材料的发展最为突出。飞机用复合材料经过近40年的发展，已经从最初的非承力构发展到应用于次承力和主承力构件，可获得减轻质量20%～30%的显效果。目前进入成熟应用期，对提高飞机战术技术水平的贡献、可靠性、耐久性和维护性已无可疑，其设计、制造和使用经验已日趋丰富。迄今为止，战斗机使用的复合材料占所用1 料总量的30%左右，新一代战斗机将达到40%；直升机和小型飞机复合材料用量将到70%～80%左右，至出现全复合材料飞机。

日前，复合材料主要指有较高强度和模量的硼纤维、碳纤维、芳纶等增强的复合材料，耐高温的纤维增强陶瓷基复合材料，隐身复合材料，梯度功能复合材料等。航天航天制造材料要求质量轻、强度高、耐高温、耐腐蚀，这些苛刻的条件，只有借助新材料技术才能解决。复合材料具有质量轻、较高的比强度、比模量、较好的延展性、抗腐蚀性、导热、隔热、隔音、减振、耐高(低)温、独特的耐烧蚀性、透电磁波、吸波隐蔽性、材料性能的可设计性、制备的灵活性和易加工性等特点，是制造飞机、火箭、航天飞行器等军事武器的理想材料。 复合材料的分类

现代复合材料按基体材料类型可分为：有机物分子的聚合物基、金属基和无机非金属基三大类。其中聚合物基又分为树脂基体和橡胶弹性基体；金属基分为铝基、钛基、镁基、镍基、金属间化合物基等；无机非金属基又分为陶瓷基、玻璃基和水泥基等按材料作用分类可分为：结构复合材料和功能复合材料。按增强材料形态分类有纤维增强复合材料、颗粒增强复合材料、晶须增强复合材料、板状增强体复合材料、编织增强体复合材料、涂层等，其中纤维增强又有碳纤维、玻璃纤维、有机纤维、金属纤维、陶瓷纤维等。按基体和增强体是否同质可将复合材料分为同质复合材料和异质复合材料。

综合复合材料的概念和分类，不难发现复合材料有以下特点：

1.复合材料是由两种或两种以上不同性能的材料组元通过宏观或微观复合形成的一种新型材料，组元之间存在着明显的界面。 2.复合材料中各组元既保持各自的固有特性，而且可最大限度发挥各种材料组元 的特性，并赋予单一材料组元所不具备的优良特殊性能，即取长补短、协同作用， 产生原来单一材料本身所没有的新性能。 3.复合材料具有可设计性。可以根据使用条件要求进行设计和制造，以满足各种特殊用途，从而极大地提高工程结构的效能。

复合材料改善或克服了组成材料的弱点，能按零件结构和受力情况最佳设计，从而获得新的优越性能。与一般材料的简单混合有本质区别，其存在一下性能方面的特点：

1.高的比强度和比模量 2.抗疲劳性能好 3.减振性能好 4.高温性能好 5.断裂安全性高

聚合物基复合材料

聚合物基复合材料按基体的性质可分为树脂基体(热塑性、热固性)和橡胶弹性基体。树脂基体处于玻璃态，因此树脂基复合材料具有高的模量、强度和尺寸稳定性，可作为承力结构材料；橡胶弹性体处于高弹性态，可用作阻尼、隔音、含能等功能复合材料的基体。由于复合材料的优势在于用作结构材料，因此树脂基复合材料更为重要，以至可认为它是聚合物基复合材料的代表。热固性聚合物基复合材料一直在连续纤维增强复合材料中占有统治地位，如玻璃纤维增强塑料。热塑性聚合物基复合材料较晚，但是因为其具有一些热固性聚合物不具备的优点，如吸湿性低、断裂韧性好，所以发展很快。

聚合物基复合材料按纤维种类分为玻璃纤维、有机纤维、碳纤维、混杂纤维等复合材料；按增强相的外形分为连续纤维、短棒纤维、纤维织物或片状料、粒状填料复合材料；按使用性能分为结构和功能复合材料。 增强纤维及基体

高性能复合材料的研究和开发的主要方面是高性能纤维和基体材料的研究和开发。高分子基复合材料中常用的纤维主要有玻璃纤维、碳纤维和芳香族聚酰胺合成纤维。硼纤维虽发明和使用较早，但自碳纤维问世以后，硼纤维在高分子基复合材料中的使用减少现多用于金属基复合材料。 1.玻璃纤维

玻璃纤维是最早开发出来的用于高分子基复合材料的纤维。玻璃纤维是由二氧化硅和A1、Ca、B等元素的氧化物以及少量的加工助剂(氧化钠和氧化钾)等原料经熔炼成玻璃球，然后在坩埚内将玻璃球熔融拉丝而成。从坩埚中拉出的每一根线称为单丝，一个坩埚拉出的所有单丝，经浸润槽后，集合成一根原纱(又称为丝束)。原纱是构成商品纤维和织物的最基本单位。 2.碳纤维

碳纤维是一种含碳质量分数在90%以上不完全石墨结晶化的纤维状碳素材料、它既具有一般碳素材料低密度、耐高温、耐腐蚀、导电、导热等特点，又具各向异性、轴向拉伸强度和模量高、成丝状柔软可制造加工的特点。如对碳纤2500℃以上高温处理可得到碳含量99%以上、由乱层结构向三维有序结构转向的更高模量的高性能石墨纤维。 3.硼纤维

硼纤维是由硼气相沉积在W丝上来制取。由于高温下B和W的相互扩散，所以硼纤维外层是金属B，心部为变成分的硼化钨晶体。 4.芳纶纤维

芳纶为芳香族聚酰胺纤维的商品总称，国外名Keclar(凯夫拉)，最初由美国杜邦公司于1965年研制成功。芳纶的优点：强度高(约2800～3700MPa，为一般钢的5倍)，密度小，为1.45g/cm3 ，只有钢的1/5：弹性模量也很高；耐热、耐寒(在-196～182℃范围内的性能及尺寸变化不大)；受热时不燃烧不熔化，温度再高则直接碳化；耐辐射、耐疲劳和耐腐蚀。芳纶纤维的主要缺点是易吸湿，在阳光下受紫外线的辐射其强度会衰减。

5.环氧树脂

环氧树脂是开发最早、应用最广泛的高性能树脂基体。它具有优良的工艺性和增强纤维的黏结性，固化树脂具有高的强度和模量。具有品种多、适用面广和价格低的特点，在航空航天和其他部门均获得广泛应用。

6.聚甲基丙烯酸甲酯

金属基复合材料

金属基复合材料(MMC)是以金属或合金为基体，以纤维、晶须、颗粒等为增强体，采用多种工艺方法制成的复合材料。金属基复合材料可以按照基体分为铝基、镁基、镍基、钛基和金属间化合物基的复合材料。按增强体分类，可分为纤维增强型、颗粒增强型等。纤维增强金属基复合材料是利用纤维或金属细丝的极高强度来增强金属的强度，根据增强相纤维长度不同有长纤维、短纤维和晶须，纤维 直径为3～150um(晶须直径小于1um)，长度与直径比在100以上。有纤维增强金属基复合材料均表现出明显的各向异性特征。基体的性能对复合材料横向性能和剪切性能的影响比对纵向性能更大。当韧性金属基体用高强度脆性纤维増强时，基体的屈服和塑性流动是复合材料性能的主要特征，但是，纤维对复合材料弹性模量的增强具有相当大的作用。 金属基复合材料的研究重点主要有：

1.不同基体和不同增强相复合效果、复合材料的设计和性能 2.增强相/基体的界面优化、界面设计

3.制备工艺的研究，以提高复合材料的性能和降低成本 4.新型增强剂的研究开发 5.复合材料的扩大应用

陶瓷基复合材料

陶瓷是用无机非金属天然矿物或人工合成的粒状化合物(网如碳化硅、氮化硅，氧化铝等)为原料，经过原材料处理、成形、干燥和高温烧结而成的，同金属材料相比，陶瓷材料在耐热性、耐磨性、抗氧化、抗腐蚀以及高温力学性能等方面都具有不可替代的优点。但是，它具有脆性大的缺点，在工业上的应用受到很大限制。因此，提高韧性是陶瓷材料领域的重要研究课题。陶瓷基复合材料是在陶瓷基体中引人第一相材料，使之增强、增韧的多相材料，又称为“多相复合陶瓷”或“复相陶瓷”。

陶瓷基复合材料根据增强体分成两大类：连续增强的复合材料和不连续增强的复合材料，其中连续增强的复合材料包括一方向、一方向和三方向纤维增强的陶瓷基复合材料，也包括多层陶瓷基复合材料；不连续增强复合材料包括晶须、晶片

和颗粒状的第二相元增强和自身增强(如Si3N4中等轴晶的基体中分布一些晶须状β-Si3N4、晶粒起到增韧效果)。另外，纳米陶瓷可能是添加纳米尺寸的增强体复合材料，也可能是自身晶粒尺寸纳米化，即自增强(韧)。

陶瓷基复合材料也可根据基体分为氧化物和非氧化物基复合材料。氧化物基复合材料包括玻璃、玻璃陶瓷、氧化物、复合氧化物等，若增强纤维也是氧化物，常称为全氧化物复合材料。非氧化物基复合材料以SiC、Si3N4、++MoSi2基为主。

碳/碳复合材料

碳/碳复合材料(C/C)是碳纤维增强的碳基体。碳明显不属于树脂和金属，如果把它列入陶瓷，则人们在传统观念上也难以接受。因此，在许多参考书中它都被列于金属基、树脂基和陶瓷基复合材料之后作为第四类复合材料来介绍。在航空航天技术中，渗碳复合材料以它优异的性能后来居上，独树一帜，成为21世纪前途无限的材料。

碳/碳复合材料的研究开始于1958年，到20世纪60年代后期碳/碳产品开始问世。到了20世纪70年代，美国和欧洲的试验室里进行了广泛研究，推出了碳纤维多向编织技术、高压浸渍碳化技术，使碳/碳复合材料的工艺走向成熟。C/C首先作为抗烧蚀材料用于航天领域，如导弹鼻锥，火箭、导弹发动机的喷管的喉衬、扩展段、延伸出口和导弹空气舵，继而在高超音速飞机的刹车装置中取代金属陶瓷和高强度钢而崭露头角。 碳/碳复合材料的制造工艺 1.CVI致密化工艺 2.液相浸渍工艺

参考文献

【1】李成功，傅恒志等。航空航天材料【M】.北京：国防工业出版社 【2】徐吉林，罗军明等。航空材料概论【M】.哈尔滨工业大学出版社

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