特殊功能复合材料及其应用

2023-08-11 理论教育版权反馈

【摘要】：（三）聚合物基复合材料、金属基复合材料和陶瓷基复合材料第三代复合材料采用了不同特性的基体材料，以提高其综合性能，常见的有聚合物基复合材料、金属基复合材料和陶瓷基复合材料。聚合物基复合材料，又称分子复合材料，这是一种采用分子排列高度有序的聚合物和无定形团状聚合物结合成的新型复合材料。

复合材料是一种由金属材料、有机高分子材料、无机非金属材料等具有不同结构和功能的材料，通过特殊工艺复合为一体的新型材料。这种复合材料利用优势互补和叠加而制得，既能突出其综合性能，又能克服原有材料的缺陷。20世纪以来，复合材料发展非常迅速，它广泛用于高科技领域，并占有独特的地位。

（一）玻璃钢

玻璃钢是第一代复合材料的代表，它是一种以塑料树脂为基体、玻璃纤维为增强剂的玻璃纤维增强塑料。玻璃钢具有质量轻、强度高、耐腐蚀的性能，并具有良好的隔热、隔音、抗冲击和透波能力。不同的基体材料衍生出不同品种的玻璃钢，目前应用较多的有玻璃纤维增强尼龙、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯、环氧酚醛、有机硅树脂等。玻璃钢最早用于航空和军事工业，后又广泛用于民用产品，现在逐渐为其他复合材料所替代。

（二）碳纤维增强树脂复合材料

20世纪60年代以后，产生了第二代复合材料。碳纤维增强树脂复合材料是其中的代表，它所用的增强剂是经高温分解和碳化后获取的碳纤维，碳纤维增强树脂复合材料的性能优于玻璃钢。碳纤维增强树脂复合材料主要用于航空和航天工业，用它制造火箭和导弹头锥、人造卫星支撑架以及飞机上的机翼等。在民用工业中，较多地用于汽车和运动器具，如小轿车的壳体等。从20世纪70年代起，碳纤维和混纤（硼纤维、芳纶纤维）复合材料，大量用于先进的运动器具，如弓箭、高尔夫球杆、网球拍等，使运动器具面貌一新。20世纪80年代以后，又研制了碳-碳复合材料，它由多孔碳素基体和埋在其中的碳纤维骨架组成。这种碳-碳复合材料的工作温度几乎居于所有复合材料的首位，是一种热防护的理想材料，特别是制造火箭和航天飞机上最高受热部位的理想材料。

（三）聚合物基复合材料、金属基复合材料和陶瓷基复合材料

第三代复合材料采用了不同特性的基体材料，以提高其综合性能，常见的有聚合物基复合材料、金属基复合材料和陶瓷基复合材料。

聚合物基复合材料，又称分子复合材料，这是一种采用分子排列高度有序的聚合物和无定形团状聚合物结合成的新型复合材料。目前，已人工合成三种此类聚合物薄膜：对位-聚苯并噻唑（PBT）、对位-聚苯并咪唑（PBI）和对位-聚苯并噁唑（PBO），这种聚合物基复合材料具有更好的热稳定性、抗湿性、易于加工、无须纤维增强制成薄膜就能达到所要求的特性。不过，这种复合材料只能在350℃以下温度范围内使用。

金属基复合材料所用的基体既有轻金属，如铝、镁，又有钛、铜、铅、铍等有色金属的超合金，金属间化合物及黑色金属。这种复合材料比传统的金属材料具有重量轻、强度和刚度高、耐磨损、耐高温等显著特点。另外，又比聚合物基复合材料在导热性、导电性、抗辐射性、不吸湿、耐老化等性能上更具优越性，同时具有较高的耐高温的性能，可在350～1000℃温度使用。金属基复合材料的增强剂有非金属纤维和非金属颗粒，例如，硼纤维增强铝基复合材料可用于航天飞机的机身构架，能减少飞机自重而节约燃油。通常，飞机结构每减轻1 kg，每年可节约燃油2900 kg。目前，发展最快的是碳化硅颗粒增强铝合金基复合材料，其重量轻，密度仅为钢的1/3，又比铝合金、钛合金耐磨性强。金属基复合材料有着优异的性能，主要用于航空和航天工业，现在随着制造工艺的完善和成本下降，逐渐用于民用工业，并有加速产业化的趋势。

陶瓷基复合材料，也称多相复合陶瓷，包括纤维补强陶瓷材料、颗粒弥散多相复合陶瓷、自补强多相复合陶瓷以及功能梯度复相陶瓷等。例如，我国独特的新型材料碳纤维补强石英复相陶瓷，其强度比纯石英陶瓷高12倍，且具有很好的韧性和抗烧蚀性。特别是20世纪80年代产生的功能梯度复相陶瓷，其功能和性质随空间或时间呈连续变化。这种材料由陶瓷与金属构成，是通过精心设计和特殊工艺在原子级水平上混合起来的，它的组成和结构在整个材料内部都是均匀分布的，其界面层的组分、结构和性能呈连续性变化。这种连续性变化减轻了陶瓷、金属异种材料界面区域的突变，消除了界面的热应力集中而不易引起材料的开裂或剥离。这种材料的高温侧是能耐热和抗氧化的，低温侧是具有高热导率和韧性的，整个材料能有效地缓和热应力。功能梯度材料的开发，可满足航天飞机表面材料的要求，既能经受高达1800℃的高温，又能经受巨大的温度落差，具有广阔的应用前景。

特殊功能复合材料及其应用

相关推荐