【科普】一分钟读懂复合材料

文章来源:复材人生 点击数:17 发布时间:2017-12-06
人类在远古时代就从实践中认识到,可以根据用途需要,组合两种或多种材料,利用性能优势互补,制成原始的复合材料。所以,复合材料既是一种新型材料,也是一种古老的材料。
【科普】一分钟读懂复合材料

人类在远古时代就从实践中认识到,可以根据用途需要,组合两种或多种材料,利用性能优势互补,制成原始的复合材料。所以,复合材料既是一种新型材料,也是一种古老的材料。

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什么是复合材料

复合材料(Composite materials),是由两种或两种以上不同性质的材料,通过物理或化学的方法,在宏观上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短,产生协同效应,使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。

 

复合材料是一种混合物。在很多领域都发挥了很大的作用,代替了很多传统的材料。(如:混凝土的抗拉强度较低,通常只有抗压强度的十分之一左右,任何显著的拉弯作用都会使其微观晶格结构开裂和分离从而导致结构的破坏。而绝大多数结构构件内部都有受拉应力作用的需求,故未加钢筋的混凝土极少被单独使用于工程。  钢筋砼相较混凝土而言,钢筋抗拉强度非常高,一般在200MPa以上,故通常人们在混凝土中加入钢筋等加劲材料与之共同工作,由钢筋承担其中的拉力,混凝土承担压应力部分。)

 

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复合材料的分类

复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。

①金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。

②非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。

复合材料按其组成分为金属与金属复合材料、非金属与金属复合材料、非金属与非金属复合材料。

复合材料按其结构特点又分为:

①纤维复合材料。将各种纤维增强体置于基体材料内复合而成。如纤维增强塑料、纤维增强金属等。

②夹层复合材料。由性质不同的表面材料和芯材组合而成。通常面材强度高、薄;芯材质轻、强度低,但具有一定刚度和厚度。分为实心夹层和蜂窝夹层两种。

③细粒复合材料。将硬质细粒均匀分布于基体中,如弥散强化合金、金属陶瓷等。

④混杂复合材料。由两种或两种以上增强相材料混杂于一种基体相材料中构成。与普通单增强相复合材料比,其冲击强度、疲劳强度和断裂韧性显着提高,并具有特殊的热膨胀性能。分为层内混杂、层间混杂、夹芯混杂、层内/层间混杂和超混杂复合材料。

复合材料主要可分为结构复合材料和功能复合材料两大类。

结构复合材料是作为承力结构使用的材料,基本上由能承受载荷的增强体组元与能连接增强体成为整体材料同时又起传递力作用的基体组元构成。增强体包括各种玻璃、陶瓷、碳素、高聚物、金属以及天然纤维、织物、晶须、片材和颗粒等,基体则有高聚物(树脂)、金属、陶瓷、玻璃、碳和水泥等。由不同的增强体和不同基体即可组成名目繁多的结构复合材料,并以所用的基体来命名,如高聚物(树脂)基复合材料等。结构复合材料的特点是可根据材料在使用中受力的要求进行组元选材设计,更重要是还可进行复合结构设计,即增强体排布设计,能合理地满足需要并节约用材。

 

功能复合材料一般由功能体组元和基体组元组成,基体不仅起到构成整体的作用,而且能产生协同或加强功能的作用。功能复合材料是指除机械性能以外而提供其他物理性能的复合材料。如:梯度复合材料(材料的化学和结晶学组成、结构、空隙等在空间连续梯变的功能复合材料)、机敏复合材料(具有感觉、处理和执行功能,能适应环境变化的功能复合材料)、仿生复合材料、隐身复合材料等。

 

复合材料也可分为常用和先进两类。

常用复合材料如玻璃钢,便是用玻璃纤维等性能较低的增强体与普通高聚物(树脂)构成。由于它的价格低廉,得以大量发展,已广泛用于船舶、车辆、化工管道和贮罐、建筑结构、体育用品等方面。

 

为满足航空航天等尖端技术所用材料的需要,先后研制和生产了以高性能纤维(如碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维等)为增强材料的复合材料,其比强度大于4×106厘米(cm),比模量大于4×108cm。为了与第一代玻璃纤维增强树脂复合材料相区别,将这种复合材料称为先进复合材料。它们的性能虽然优良,但价格相对较高,主要用于国防工业、航空航天、精密机械、深潜器、机器人结构件和高档体育用品等。

 

按基体材料不同,先进复合材料分为树脂基、金属基和陶瓷基复合材料。其使用温度分别达250~350℃、350~1200℃和1200℃以上。

 

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复合材料的发展历史

复合材料是由不同元素组成的结构,结果是形成了一加一等于三。对于复合材料的理解,貌似昆虫、鸟和蝙蝠等动物比我们要理解的更透彻一些,它们将这个原理应用到筑窝的过程中,以防天敌的攻击。原始人用动物粪便、粘土、稻草和树枝组成复合材料结构,这是人类将复合材料应用到生活中具有历史意义的一步。甚至据人们传说,圣经中的诺亚方舟也是由煤沥青和稻草混合制成的,这也许真的是被报道出的复合材料船舶的鼻祖,当然这也仅是传说。

 

1847年

 

瑞典化学家Berzelius,这位现代化学的奠基人之一,首次在实验室发明了饱和聚酯。

 

1894年

 

Vorlander在实验室着手对乙二醇马来酸的研究工作,成为记录在案最早的一位研究不饱和聚酯树脂的化学家。

 

1920年

 

先锋人物Wallace Carothers开始对乙二醇与不饱和脂肪酸合成的聚酯的研究工作。

 

1922年

 

首个聚酯树脂被研发成功。

 

1930年末

 

研究人员Bradley, Kropa 和Johnson三人共同研究不饱和聚酯的固化情况,在报告中提高,固化后,它们可以分为可熔性和不可溶性(热固性)。

 

1935年

 

欧文斯科宁(Owens Corning)首次引入玻璃纤维。

 

1941年

 

不饱和聚酯首次投入美国的压铸商业市场。

 

1942年

 

美国橡胶公司开发出玻璃纤维增强聚酯树脂作为基体的复合材料。

 

1946年

 

船艇制造商开始意识到纤维增强复合材料为整个工业带来了何种变革,在这年中首个复合材料船身的游艇在美国建成,还首次引入了冷固化系统。

 

1950年

 

早期闭模工艺开发完成。

 

1951年

 

中期不饱和聚酯树脂在欧洲投入商业化生产。

 

1963年

 

碳纤维增强材料引入市场。

 

19世纪

 

随着科学技术在物理化学领域的应用,自然界中的天然聚合物的性能已经不能满足工业发展对材料性能的需要,这使当时的新型材料-早期的复合材料得到飞速的发展。

 

 

回顾

之后经过了几千年,第二次复合材料在工业应用的浪潮在1830年席卷西欧,工业领域中的先锋人物在发现了复合材料这种新兴材料之后,争相投入对它了研发工作,包括:木质层压板、合金和钢筋增强混凝土。在17世纪,英国人John Osborne通过天然聚合物牛羊角制备了模塑制品。到19世纪,模塑牛羊角工业开始繁荣壮大,其大多数制品都卖给了当时的中产阶级。

碳纤维在特斯拉Roadster电动汽车上占有很大比重。

 

随着天然聚合物的不断发展,人们开采了由热带橡树产生的树胶,尤其是在1847年Bewley发明了塑料挤出机,可以用树胶制备橡胶和古塔橡胶,在1850年开始采用这种古塔橡胶来保护隔离水线电报电缆。

 

谈到复合材料,就不能不说起英国。在复合材料工业发展过程当中,很多重要事件都与英国密切相关。

 

汉考克托马斯和他的兄弟查尔斯对橡胶进行广泛的研究,终于在1839年发明了硫化橡胶,他们也因这一发明而闻名于世。同时美国的古德意尔也独立地发明了硫化橡胶。这一发明是第一次成功地对天然聚合物的化学修饰而产生的模塑材料。

空客公司在飞机上大幅使用复合材料

 

在1850s年代,在美国已经开始采用虫胶和木粉混合来展示照片,这就是最早期的照片。直到1940s年代虫胶的合成物才被用来制备唱片。

 

最早的聚合物铸件是由法国Lepage发明。他采用胚乳和木粉生产了装饰用的Bois Durci 饰板, 还可以和木粉一起混合使用的组分包括海草、泥煤、纸和皮革制品。在1855年英国发布的有近似10%的专利为模塑材料,但是在这些专利中最大的突破是采用硝酸处理地纤维素纤维制备的半合成的塑料材料-硝酸纤维素。

 

人类在远古时代就从实践中认识到,可以根据用途需要,组合两种或多种材料,利用性能优势互补,制成原始的复合材料。所以,复合材料既是一种新型材料,也是一种古老的材料。复合材料的发展历史,可以从用途、构成、功能,以及设计思想和发展研究等,大体上分为古代复合材料和现代复合材料两个阶段。古代复合材料在西安东郊半坡村仰韶文化遗址,发现早在公元前2000年以前,古代人已经用草茎增强 土坯作住房墙体材料。

 

在金属基复合材料方面,中国也有高超的技艺。如越王剑,是金属包层复合材料制品,不仅光亮锋利,而且韧性和耐蚀性优异,埋藏在潮湿环境中几千年,出土后依然寒光夺目,锋利无比。

 

5000年以前,中东地区用芦苇增强沥青造船。古埃及墓葬出土,发现有用名贵紫檀木在普通木材上装饰 贴面的棺撑家具。古埃及修建金字塔,用石灰、火山灰 等作粘合剂,混和砂石等作砌料,这是最早最原始的颗粒增强复合材料。但是,上述辉煌的历史遗产,只是人类在与自然界 的斗争实践中不断改进而取得的,同时都是取材于天然材料,对复合材料还是处于不自觉的感性认识阶段。

 

现代复合材料20世纪40年代,玻璃纤维和合成树脂大量商品化生产以后,纤维复合材料发展成为具有工程意义的材料,同时相应地开展了与之有关的研究设计工作。这可以认为是现代复合材料的开始,也是对复合材料进入理性认识阶段。早期发展出的现代复合材料,由于性能相对较低,生产量大,使用面广,被称之为常用复合材料。后来随着高技术发展的需要,在此基 础上又发展出性能高的先进复合材料。

 

常用树脂基复合材料第一次世界大战前,用胶粘剂将云母片热压制成人造云母板。20世纪初市场上有虫胶漆片与纸复合制成的层压板出售。但真正的纤维增强塑料工业,是在用合成树脂代替天然树脂、用人造纤维代替天然纤维以后才发展起来的。