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      細說復合材料
      時間:2021年12月27日 來源:武際可科學網博客  作者:佚名 瀏覽次數:

      近年來,復合材料 (composite material) 這個詞用得多了起來。那么什么是復合材料呢?簡單說,復合材料是由兩種或多種不同的的材料組合而成的材料。其中的一種材料作為基體,其它的材料作為增強相,基體通常是連續的,增強相可以是顆粒、纖維、層板?梢哉J為增強相是鑲嵌在基體里的。這種組合成的材料的性質與它的任何一種成分的材料都顯著不同。

      復合材料中各種材料在性能上互相取長補短,產生協同效應,使復合材料的綜合性能優于原組成材料而滿足各種不同的要求。復合材料較以往的材料能夠具有許多優點:高的強度重量比、高抗疲勞性和耐腐蝕性、增強的耐摩擦和耐磨損性、低導熱系數和低熱膨脹系數、材料屬性具有可調整性以滿足設計要求。例如陶瓷材料有耐高溫的優點,但是它比較脆,為了增強它的韌性,采用高強度、高彈性的纖維與陶瓷基復合后,這種復合材料就可以用作液體火箭發動機噴管、導彈天線罩、航天飛機鼻錐、飛機剎車盤和高檔汽車剎車盤等,成為高技術新材料的一個重要分支。

      復合材料使用的歷史可以追溯到古代。從古至今沿用的稻草增強粘土,用石灰沫墻其中摻入麻刀和頭發以防開裂,已使用了上百年的鋼筋混凝土,制造家具的層合板,加有高強度纖維線的橡膠輪胎。它們都是由兩種或兩種以上的材料復合而成。我們現在所說的復合材料當然不是指這些,而是指二十世紀40年代以后發展起來的新的復合材料,有時稱為先進復合材料。

      20世紀40年代,因航空工業的需要,發展了玻璃纖維增強塑料(俗稱玻璃鋼),從此出現了復合材料這一名稱。50年代以后,陸續發展了碳纖維、石墨纖維和硼纖維等高強度和高模量纖維。70年代出現了芳綸纖維和碳化硅纖維。這些高強度、高模量纖維,能與合成樹脂、碳、石墨、陶瓷、橡膠等非金屬基體或鋁、鎂、鈦等金屬基體復合,構成各具特色的復合材料。

      在這種新的復合材料出現以前。人類所用的結構材料,有如下三類:

      金屬材料:鋼鐵、鋁與鋁合金、銅、鎂、鈦等;

      無機非金屬材料:磚、瓦、玻璃、陶瓷、水泥、石墨、碳等;

      高分子材料:橡膠、樹脂、塑料、纖維 、粘合劑、涂料等。

      現在出現的第四類材料——復合材料,就是以上三類材料復合而成的材料。以上三類材料都可以作為復合材料的基體,也都可以作為增強相加入基體中。

      關于復合材料,最重要的,有以下三方面的問題需要研究。

      首先,是復合材料的組成、構造與加工問題。選取的基體是什么,增強相是以什么方式加入基體的以及增強相自身的分布和編織方式,如何加工和實現這種復合材料。

      復合材料的構成結構是多種多樣的,如下面圖示。有增強體無規則分散的,有纖維單向增強的,有以層合板的形式疊加的,有夾層結構的,有三維編織的等等,不一而足,而且還會研究發展新的構造形式。

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      圖1 增強體的各種分布方式


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      圖2 增強體的各種三維編織形式

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      圖3 各種夾層與鋪層結構

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      圖4 混合形式結構

      在復合材料加工中需要特別說明的是,復合材料加工經常是一次性的制成結構成品。以往的材料生產和結構建造是分開進行的,而復合材料工程多是將兩個步驟合成一步。圖5所示汽車外殼是由復合材料制成的,兩個人就能夠抬起來,可見它是很輕的,它是一次性由制作復合材料制成。下邊的飛機機身也是一次性制成的。

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      圖5 復合材料制成的汽車外殼和機身

      其次,是復合材料的設計問題。由復合材料組分的力學性質和復合材料的構造形式,如何計算出復合材料的整體力學性質和承載能力,這是復合材料力學的關鍵問題。換句話說,只有這件事情能夠自由了,設計優秀的復合材料才能夠達到自由的程度。

      由于復合材料的多樣性和復雜性,所以很難有一種方法對所有符合材料都有效,經常是針對不同的復合材料構造研究和發展必要的設計和計算方法。例如層合板的復合材料計算方法,纖維增強復合材料的計算方法等等。這方面的文獻和書籍已經非常多,在遇到這類問題時需要查閱有關的文獻。

      在具體計算復合材料結構時,可以首先選擇有代表性的微小單元,通過計算取得這個單元平均化后的應力應變關系的各種參數,然后在得到的微元平均化后的應力應變關系下,計算復合材料結構的整體響應。最后,再根據得到的平均化的應力與應變,在每個微元上計算復合材料各個組分的應力應變和界面上的應力分布。最后,做出結構強度的判斷。

      由于復合材料的復雜性,所有關于復合材料的計算與設計,需要借助于計算機進行。好在現有不少固體力學,包括針對復合材料的計算力學商用軟件可以使用。盡管如此,對復合材料力學的研究仍然需要投入巨大的人力物力。

      最后,是復合材料中各組分之間的界面問題。

      復合材料既然是由兩種或兩種以上的材料復合而成的,所以組分直接的界面就顯得特別重要。如果界面之間粘合不緊,那么組分之間沒有合作,各是各,就會看不到多種材料合起來的優點反而性能會降低。但是界面的結合并不是簡單的問題,研究復合材料界面行為,可以說是研究復合材料機理的關鍵問題。

      一般說來,兩種材料之間的界面并不是一張理想的曲面,而是有一定厚度的兩種材料交互存在的立體。在其間會產生各種變化。主要的是引起各組分之間相互浸潤、擴散、界面相容、界面自由能互相穿透的物理變化;導致界面上化學反應,產生新的物質形成新的界面層的化學變化;界面上的應力分布。由于界面上有這許多復雜的事情,所以有時在進行復合材料加工之前先要對界面進行處理。

      從力學的角度很關心界面的粘接牢度,以及界面在什么條件下開裂的問題,界面開裂問題已經成為計算力學和復合材料力學一類十分受關注的課題。

      復合材料興起雖然只有半個多世紀,但是已經取得令人矚目的成就,他在改變著許多高技術結構的面貌。因此,它是國際上激烈競爭的高技術領域之一。誰在這種高技術領域占上風,就可能在航空、航天、國防上領先。有能力的力學家們,到復合材料中顯一下身手吧!
      來源:武際可科學網博客

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