復(fù)合材料是由基體材料和增強(qiáng)材料復(fù)合而成的多相體系固體材料。它充分發(fā)揮了各組分材料的特點(diǎn)和潛在能力，通過各組分的合理匹配和協(xié)同作用，呈現(xiàn)出原來單一材料(均質(zhì)材料、單相材料)所不具有的優(yōu)異的新性能，從而達(dá)到對(duì)材料某些性能的綜合要求。復(fù)合材料的出現(xiàn)在材料發(fā)展史上具有劃時(shí)代的意義。受到國內(nèi)外的極大重視。其發(fā)展之迅猛在歷史上是空前的。已在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通、軍事、科學(xué)技術(shù)和人民生活等各個(gè)領(lǐng)域廣為應(yīng)用。尤其是在航空、航天等尖端技領(lǐng)域中已成為不可缺少的重要的結(jié)構(gòu)材料。無怪乎有人認(rèn)為21世紀(jì)將進(jìn)入“復(fù)合材料時(shí)代”。
熱固性樹脂基復(fù)合材料是目前研究得最多、應(yīng)用得最廣的一種復(fù)合材料。它具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、模量大、耐腐蝕性好、電性能優(yōu)異、原料來源廣泛，加工成型簡(jiǎn)便、生產(chǎn)效率高等特點(diǎn)，并具有材料可設(shè)計(jì)性以及其他一些特殊性能，如減振、消音、透電磁波、隱身、耐燒蝕等特性，已成為國民經(jīng)濟(jì)、國防建設(shè)和科技發(fā)展中無法取代的重要材料。在熱固性樹脂基復(fù)合材料中使用最多的樹脂仍然是酚醛樹脂、不飽和聚酪樹脂和環(huán)氧樹脂這三大熱固性樹脂。這三種樹脂階性能各有特點(diǎn)：酚醛樹脂的耐熱性較高、耐酸性好、固化速度快，但較脆、需高壓成型；不飽和聚酪樹脂的工藝性好、價(jià)格最低，但性能較差；環(huán)氧樹脂的粘結(jié)強(qiáng)度和內(nèi)聚強(qiáng)度高，耐腐蝕性及介電性能優(yōu)異，綜合性能最好，但價(jià)格較貴。因此，在實(shí)際工程中環(huán)氧樹脂復(fù)合材料多用于對(duì)使用性能要求高的場(chǎng)合，如用作結(jié)構(gòu)材料、耐腐蝕材料、電絕緣材料及透波材料等。
1、環(huán)氯樹脂復(fù)合材料的分類
環(huán)氧樹脂復(fù)合材料(簡(jiǎn)稱環(huán)氧復(fù)合材料，也有人稱為環(huán)氧增強(qiáng)塑料)的品種很多，其名稱、含義和分類方法也沒有完全統(tǒng)一，但大體上講可按以下方法分類。
(1)按用途可分為環(huán)氧結(jié)構(gòu)復(fù)合材料、環(huán)氧功能復(fù)合材料和環(huán)氧功能型結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。結(jié)構(gòu)復(fù)合材料是通過組成材料力學(xué)性能的復(fù)合，使之能用作受力結(jié)構(gòu)材料，并能按受力情況設(shè)計(jì)和制造材料，以達(dá)到材料性能冊(cè)格比的最佳狀態(tài)。功能復(fù)合材料是通過組成材料其他性能(如光、電、熱、耐腐蝕等)的復(fù)合，以得到具有某種理想功能的材料。例如環(huán)氧樹脂覆銅板、環(huán)氧樹脂電子塑封料、雷達(dá)罩等。需要指出的是，無論使用的是材料的哪一種功能性，都必須具有必要的力學(xué)性能，否則再好的功能材料也沒有實(shí)用性。已有些功能材料同時(shí)還要有很高的強(qiáng)度，如高壓絕緣子芯棒，要求絕緣性和強(qiáng)度都很高，是一種絕緣性結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。
(2)按成型壓力可分為高壓成型材料(成型壓力5—30MPa)，如環(huán)氧工程塑料及環(huán)氧層壓塑料；低壓成型材料(成型壓力＜2．5MPa)，如環(huán)氧玻璃鋼和高性能環(huán)氧復(fù)合材料。玻璃鋼和高性能復(fù)合材料由于制件尺寸較大(可達(dá)幾個(gè)㎡)、型面通常不是平面，所以不宜用高壓成型。否則模具造價(jià)太高，壓機(jī)噸位太大，因而成本太貴。
(3)按環(huán)氧復(fù)合材料階性能、成型方法、產(chǎn)品及應(yīng)用領(lǐng)域的特點(diǎn)，并照顧到習(xí)慣上的名稱綜合考慮可分為：環(huán)氧樹脂工程塑料、環(huán)氧樹脂層壓塑料、環(huán)氧樹脂玻璃鋼(通用型環(huán)氧樹脂復(fù)合材料)及環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。
2、環(huán)氧樹脂復(fù)臺(tái)材料的組成
環(huán)氧樹脂復(fù)合材料是由環(huán)氧樹脂基體、增強(qiáng)材料及二者的界面層所組成。
(1)環(huán)氧樹脂基體
它是環(huán)氧樹脂膠液的固化物。環(huán)氧樹脂膠液是由環(huán)氧樹脂、固化劑以及促進(jìn)劑、改性劑、稀釋劑、偶聯(lián)劑和其他助劑組成。根據(jù)不同的使用及工藝要求進(jìn)行選配。
(2)增強(qiáng)材料
多采用纖維及其織物，以及微粒狀(粉狀)材料。增強(qiáng)效果一般隨增強(qiáng)材料長(zhǎng)徑比的增大而增大。微粒材料的增強(qiáng)效果較低，多用于功能性的復(fù)合，如Si02粉用于絕緣料，膠體石墨用于塑料軸承等。但是，隨著當(dāng)前納米級(jí)材料的迅速開發(fā)與應(yīng)用，預(yù)計(jì)其增強(qiáng)效果和功能性復(fù)合效果將會(huì)有大幅度提高。大量采用的纖維材料是玻璃纖維及其織物。早期曾用過棉織物，因來源的限制，現(xiàn)在除特殊需要外已很少應(yīng)用。也可采用化學(xué)纖維如聚酯纖維等。在環(huán)氧工程塑料中多采用短玻璃纖維，也可使用石棉纖維、棉纖維等。在高性能環(huán)氧復(fù)合材料中主要采用碳纖維，以及它與芳綸纖維、高強(qiáng)玻璃纖維的混雜纖維。在雷達(dá)罩中除了采用E一玻璃纖維和D—玻璃纖維外，還可采用介電性能更好的石英纖維。
(3)環(huán)氧樹脂基體與增強(qiáng)材料的界面層
在環(huán)氧樹脂與增強(qiáng)材料復(fù)合的過程中，在它們之間形成了界面層。界面層的結(jié)構(gòu)及性能與環(huán)氧樹脂基體及增強(qiáng)材料都不相同。高質(zhì)量的界面層性能保證了基體和纖維潛在能力的高度發(fā)揮和復(fù)合效應(yīng)的充分實(shí)現(xiàn)。
3、環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的特性
(1)密度小，比強(qiáng)度和比模量高。高模量碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料的比強(qiáng)度為鋼的5倍、鋁合金的4倍，鉆合金的3．2倍。其比模量是鋼、鋁合金、欽合金的5．5—6倍。因此，在強(qiáng)度和剛度相同的情況下碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料構(gòu)件的重量可以大大減輕。這在節(jié)省能源、提高構(gòu)件的使用性能方面，是現(xiàn)有任何金屬材料所不能相比的。
(2)疲勞強(qiáng)度高，破損安全特性好。環(huán)氧復(fù)合材料在靜載荷或疲勞載荷作用下，首先在最薄弱處出現(xiàn)損傷，如橫向裂紋、界面脫膠、分層、纖維斷裂等。然而眾多的纖維和界面會(huì)阻止或延緩裂紋的擴(kuò)展，基體會(huì)迅速把載荷重新分配并通過界面?zhèn)鬟f到末斷纖維上，使整個(gè)構(gòu)件能繼續(xù)承載，不會(huì)立即整體斷裂。在疲勞過程中裂紋擴(kuò)展很慢，直到疲勞壽命的90％左右才迅速斷裂。整體斷裂前有明顯預(yù)兆，所以破損安全特性好。而金屬材料在疲勞載荷下常常是沒有明顯預(yù)兆的突發(fā)性破壞。
(3)減振性能好。結(jié)構(gòu)的白振頻率除了與結(jié)構(gòu)本身形狀有關(guān)外，還與材料的比模量的平方根成正比。環(huán)氧復(fù)合材料具有高的比模量，因此也具有高的自振頻率。高的自振頻率不易引起工作時(shí)的共振，這就可以避免因共振而產(chǎn)生的早期破損。同時(shí)，復(fù)合材料中纖維與基體間的界面具有吸振能力，因此它的振動(dòng)阻尼很高。對(duì)形狀和尺寸相同的輕金屬合金梁及碳纖維復(fù)合材料梁進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)表況輕合金梁需9s才能停止振動(dòng)，而復(fù)合材料梁只需2．5s就靜止了。
(4)耐腐蝕性能、介電性能、透電磁波性能及綜合性能好。耐熱性亦較好。
(5)可用模具一次成型整體構(gòu)件，從而減少了零部件、緊固件和接頭數(shù)目，改善了受力狀態(tài)，節(jié)省了原材料，減輕了構(gòu)件的重量。所用工裝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)周期短，成本可大大降低。
(6)各向異性及材料性能的可設(shè)計(jì)性。這是復(fù)合材料，尤其是高性能復(fù)合材料的突出特點(diǎn)。可根據(jù)工程結(jié)構(gòu)的載荷分布及使用條件進(jìn)行復(fù)合材料的配方設(shè)計(jì)和鋪層設(shè)計(jì)。合理地、有效地發(fā)揮各組成材料的作用和潛在性能，滿足材料性能的預(yù)定要求，實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計(jì)，做到安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理。
(7)環(huán)氧復(fù)合材料的主要缺點(diǎn)是：材料性能的分散性較大，耐老化性較差，耐濕熱性不很高，橫向性能和層間剪切強(qiáng)度不夠好。
4、環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的應(yīng)用
環(huán)氧樹脂工程塑料主要用于要求強(qiáng)度高、沖擊韌性好、具有一定耐熱性等綜合性能的工程塑料零部件。如火箭尾翼片、穿甲彈彈托、聲納鰭板等。還用作功能性塑料，如電子元件的塑封材料、水潤(rùn)滑塑料軸承等。
環(huán)氧樹脂層壓塑料主要用作電機(jī)、電器的絕緣結(jié)構(gòu)件。其中環(huán)氧覆銅板的用量極大。
環(huán)氧樹脂玻璃鋼主要用作耐腐蝕容器，如貯罐、槽車、電解槽、酸洗塔等，也用作雷達(dá)罩。
高性能環(huán)氧復(fù)合材料主要用作飛機(jī)、衛(wèi)星、航天器等的結(jié)構(gòu)件，固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體，以及高級(jí)體育用品如球拍、球捧、釣魚桿、賽艇等。
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