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复合资料基体和加强资料的类别及选择

复合材料是由两种或两种以上具有不同物理化学性质的物质,组合在一起而形成的多相固体材料,从而在功能上实现改进。在复合材料中,通常有一种占主体的材料称为基体,其他材料称为增强材料。复合材料按照基体材料可分为金属基复合材料、无机非金属基复合材料和聚合物基复合材料这几大类,选择不同的基体和增强材料的时候,应该遵循哪些规律,本文中我们将简要加以阐述。 金属基复合材料在使用金属基复合材料时,不同领域要求迥异。举例来说,航天、航空领域对比强度、比模量、尺寸稳定性有严格的要求,因此会选择密度小的轻金属合金作为基体。而高性能发动机使用的复合材料不仅需要具备高比强度、比模量,还对其耐高温、耐氧化性能提出了要求,一般使用钛基、镍基合金以及金属间化合物做基体材料。普通汽车发动机对材料的耐热、耐磨、导热性能、高温强度有一定的考量,同时又要求成本低,适合批量生产,通常用铝合金材料做基体。而工业集成电路基板和散热元件,必须具有高导热、低膨胀特性,一般使用铜、铝等仅是作为基体。如果想要增强金属基复合材料的强度,添加连续纤维增强材料可以有效达到这个目的。因为纤维作为增强材料,它的强度和模量都要高于金属基体。而在以颗粒、晶须、短纤维为增强材料的非连续增强金属基复合材料中,增强材料的强度和模量均要低于金属基体。选择增强材料时,还必须充分考虑其与金属基体的相容性,尤其是化学相容性。保证在金属基复合材料高温成型过程中,增强材料不会与基体发生化学反应,而影响复合材料的物理化学功能。当复合材料中含多种物质的时候,这一点就显得更加重要。无机非金属基复合材料无机非金属基复合材料的基体材料主要包括水泥、石膏和水玻璃等。我们以应用最广泛的水泥材料为例,水泥材料是多孔体系,这一特征不仅会影响基体本身的性能,也会影响纤维与基体的界面粘接。纤维与水泥的弹性模量比不大,应力的传递效应远不如纤维增强树脂。水泥基材的断裂延伸率较低,在受到强力拉伸时,水泥基体会先于纤维发生开裂。水泥基材中含有粉末或颗粒状的物料,与纤维成点接触,因此纤维的掺量受到很大的限制。水泥基材呈碱性,对金属纤维可起到一定的保护作用,但对大多数矿物纤维不利。聚合物基复合材料作为基体材料的复合物包括不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂及各种热塑性聚合物,这也是一种非常重要的复合材料。在聚合物基复合材料中添加纤维增强材料,可以起到增加强度的作用,所用的纤维种类有玻璃纤维、碳纤维、有机纤维和其他纤维等。玻璃纤维具有很高的拉伸强度,而且防火、防霉、防蛀、耐高温,电绝缘性能也非常出色。其化学稳定性良好,除了HF、浓碱、浓磷酸外,与其他所有化学药品和有机溶剂都不会发生化学反应。但玻璃纤维也有缺点,那就是具有脆性、不耐磨、对人的皮肤有刺激性等。碳纤维具有良好的耐高低温性能,其比重在1.5到2之间,热膨胀系数有各向异性的特点,导热有方向性,比电阻与纤维类型有关。化学性质较为稳定,除了能被强氧化剂氧化以外,与一般酸碱均不会发生反应,还具有耐油、抗辐射、吸收有毒气体和减速中子等性能。有机纤维具有很高的拉伸强度以及弹性模量,它的密度小,热稳定性高,热膨胀系数各向异性,有良好的耐介质性能,但容易被各种酸碱腐蚀,耐水性不好。其他纤维包括由碳化硅纤维、硼纤维、晶须、氧化铝纤维等。各种基体和增强材料结合运用,能够形成性质各不相同的特种复合材料,最大程度上满足人们的需要。

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