1、 1、 復合資料的構造和性能復合資料的構造和性能 復合資料的構造通常是一個相為延續(xù)相，成為基體；復合資料的構造通常是一個相為延續(xù)相，成為基體；而另外一相是以獨立的形狀分布在整個延續(xù)相中的分散相，而另外一相是以獨立的形狀分布在整個延續(xù)相中的分散相，它顯著加強資料的性能，故常稱為加強體。它顯著加強資料的性能，故常稱為加強體。多數情況下，分散相較基體硬，剛度和強度較基體大。多數情況下，分散相較基體硬，剛度和強度較基體大。分散相可以是纖維及其編織物，也可以是顆粒狀或彌散的分散相可以是纖維及其編織物，也可以是顆粒狀或彌散的填料。填料。在基體和加強體之間存在著界面。在基體和加強體之間存在著界面。因此，復合

2、資料是由兩種以上組分以及它們之間的界面因此，復合資料是由兩種以上組分以及它們之間的界面構成。構成。組分資料主要指加強體和基體，它們也被稱為復合資料組分資料主要指加強體和基體，它們也被稱為復合資料的加強相和基體相。加強相與基體相之間的界面區(qū)域由于其的加強相和基體相。加強相與基體相之間的界面區(qū)域由于其特殊的構造組成也被視作復合資料中的特殊的構造組成也被視作復合資料中的“相，即界面相。相，即界面相。加強相和基體相是根據它們組分的物理和化學性質和在加強相和基體相是根據它們組分的物理和化學性質和在最終復合資料中的形狀來區(qū)分的。最終復合資料中的形狀來區(qū)分的。其中一個組分是細絲延續(xù)的或短切的、薄片或顆粒其中

3、一個組分是細絲延續(xù)的或短切的、薄片或顆粒狀，具有較高的強度、模量、硬度和脆性，在復合資料接受狀，具有較高的強度、模量、硬度和脆性，在復合資料接受外加載荷時是主要承載相，稱為加強相或加強體外加載荷時是主要承載相，稱為加強相或加強體reinforced phase or reinforcement。加強相或加強體在復合資料中呈分散方式，被基體相隔加強相或加強體在復合資料中呈分散方式，被基體相隔離包圍，因此也稱作分散相；離包圍，因此也稱作分散相；復合資料中的另一個組分是包圍加強相并復合資料中的另一個組分是包圍加強相并相對較軟和韌的貫連資料，稱為基體相相對較軟和韌的貫連資料，稱為基體相matrix p

4、hase。復合資料的各種形狀表示于圖中：復合資料的各種形狀表示于圖中：復合資料及其加強相的各種形狀復合資料及其加強相的各種形狀纖維狀纖維狀顆粒狀顆粒狀層狀層狀片狀片狀填充狀填充狀復合資料在制造前，基體資料的外形可以是薄片、粉復合資料在制造前，基體資料的外形可以是薄片、粉末、塊體或無定形的流體，它的形狀可以是固態(tài)、氣態(tài)、末、塊體或無定形的流體，它的形狀可以是固態(tài)、氣態(tài)、熔融態(tài)或半固熔融態(tài)或半固半液態(tài)。半液態(tài)?；w資料在與加強相固結后，基體相在復合資料中就基體資料在與加強相固結后，基體相在復合資料中就成為包裹加強相的延續(xù)體。因此，基體相也叫做延續(xù)相。成為包裹加強相的延續(xù)體。因此，基體相也叫做延續(xù)相

5、?；w相具有支撐和維護加強相的作用，在復合資料接基體相具有支撐和維護加強相的作用，在復合資料接受外加載荷時，基體相主要以剪切變形的方式起向加強相受外加載荷時，基體相主要以剪切變形的方式起向加強相分配和傳送載荷的作用。分配和傳送載荷的作用。在復合資料中，加強相和基體相之間還存在復合資料中，加強相和基體相之間還存在著明顯的結合面。在著明顯的結合面。 位于加強相和基體相之間并使兩相彼此相位于加強相和基體相之間并使兩相彼此相連的、化學成分和力學性質與相鄰兩相有明顯連的、化學成分和力學性質與相鄰兩相有明顯區(qū)別、可以在相鄰兩相間起傳送載荷作用的區(qū)區(qū)別、可以在相鄰兩相間起傳送載荷作用的區(qū)域，稱為復合資料的界

6、面域，稱為復合資料的界面interface。復合資料中界面層的厚度通常在亞微米以下，但復合資料中界面層的厚度通常在亞微米以下，但界面層的總面積在復合資料中很大，且復合資料的界界面層的總面積在復合資料中很大，且復合資料的界面特征對復合資料的性能、破壞行為及運用效能有很面特征對復合資料的性能、破壞行為及運用效能有很大影響。大影響。 所以，人們以極大的留意力開展對復合資料界所以，人們以極大的留意力開展對復合資料界面的研討面的研討-外表和界面工程外表和界面工程surface and interface engineering。復合資料的性能取決于組分資料的種類、性能、復合資料的性能取決于組分資料的種類

7、、性能、含量和分布。主要包括：加強體的性能和它的外表含量和分布。主要包括：加強體的性能和它的外表物理、化學形狀；基體的構造和性能；加強體的配物理、化學形狀；基體的構造和性能；加強體的配置、分布和體積含量。置、分布和體積含量。復合資料的性能還取決于復合資料的制造工藝復合資料的性能還取決于復合資料的制造工藝條件、復合方法、零件幾何外形和運用環(huán)境條件。條件、復合方法、零件幾何外形和運用環(huán)境條件。復合資料既能保管原組分資料的主要特征，并復合資料既能保管原組分資料的主要特征，并經過復合效應獲得組分資料所不具備的性能，還可經過復合效應獲得組分資料所不具備的性能，還可以經過資料設計使各組分的性能相互補充并彼

8、此關以經過資料設計使各組分的性能相互補充并彼此關聯，從而獲得新的性能。聯，從而獲得新的性能。復合資料設計：選擇復合資料的組分、加強體復合資料設計：選擇復合資料的組分、加強體分布和復合資料制造工藝、使其具有運用所要求的分布和復合資料制造工藝、使其具有運用所要求的性能過程。性能過程。 復合資料設計可分為三個層次：單層資料設計、鋪復合資料設計可分為三個層次：單層資料設計、鋪層設計、構造設計。層設計、構造設計。單層資料設計包括正確選擇加強資料、基體資料及單層資料設計包括正確選擇加強資料、基體資料及共配比，該層次決議單層板的性能；共配比，該層次決議單層板的性能；鋪層設計包括對鋪層資料的鋪層方案做出合理錢

9、財鋪層設計包括對鋪層資料的鋪層方案做出合理錢財安的安排，該層次決議層合板的性能；安的安排，該層次決議層合板的性能；構造設計那么最后確定產品構造的外形和尺寸。構造設計那么最后確定產品構造的外形和尺寸。上述三個設計層次互為前提、相互影響、相互依賴。上述三個設計層次互為前提、相互影響、相互依賴。因此，復合資料及其構造的設計突破了資料研因此，復合資料及其構造的設計突破了資料研討和構造研討的傳統(tǒng)界限。設計人員必需把資料性討和構造研討的傳統(tǒng)界限。設計人員必需把資料性能和構造性能一致思索，換言之，資料設計和構造能和構造性能一致思索，換言之，資料設計和構造設計必需同時進展，并將它們一致在同一個設計方設計必需同

10、時進展，并將它們一致在同一個設計方案中。案中。 復合資料是由多相資料復合而成，它的共同的復合資料是由多相資料復合而成，它的共同的特點主要有三個：特點主要有三個： ()綜合發(fā)揚各種組成資料的優(yōu)點，使一種資料綜合發(fā)揚各種組成資料的優(yōu)點，使一種資料具有多種性能，具有天然資料所沒有的性能。例如，具有多種性能，具有天然資料所沒有的性能。例如，玻璃纖維加強環(huán)氧基復合資料，既具有類似鋼材的玻璃纖維加強環(huán)氧基復合資料，既具有類似鋼材的強度，又具有塑料的介電性能和耐腐蝕性能。強度，又具有塑料的介電性能和耐腐蝕性能。 (2)可按對資料性能的需求進展資料的設計和可按對資料性能的需求進展資料的設計和制造。如，針對方向

11、性資料強度的設計，針對某制造。如，針對方向性資料強度的設計，針對某種介質耐腐蝕性能的設計等。種介質耐腐蝕性能的設計等。 (3)可制成所需的任不測形的產品，可防止多可制成所需的任不測形的產品，可防止多次加工工序。例如，可防止金屬產品的鑄模、切次加工工序。例如，可防止金屬產品的鑄模、切削、磨光等工序。削、磨光等工序。影響復合資料性能的要素影響復合資料性能的要素主要取決于加強資料的性能、含量及分布情況，基體資主要取決于加強資料的性能、含量及分布情況，基體資料的性能、含量，以及它們之間的界面結合情況，作為產品料的性能、含量，以及它們之間的界面結合情況，作為產品還與成型工藝和構造設計有關。還與成型工藝和

12、構造設計有關。因此，不論對哪一類復合資料，就是同一類復合資料的因此，不論對哪一類復合資料，就是同一類復合資料的性能也不是一個定值，而只能給出其主要性能。性能也不是一個定值，而只能給出其主要性能。 普通資料的簡單混合與復合資料的兩點本質區(qū)別：普通資料的簡單混合與復合資料的兩點本質區(qū)別： 復合資料不僅保管了原組成資料的特點，復合資料不僅保管了原組成資料的特點，而且經過各組分的相互補充和關聯可以獲得原組分所而且經過各組分的相互補充和關聯可以獲得原組分所沒有的新的優(yōu)越性能；沒有的新的優(yōu)越性能；名目繁多的構造復合資料。名目繁多的構造復合資料。2、復合資料的特性、復合資料的特性復合資料是由多種組分的資料組

13、成，許多性能優(yōu)于單一復合資料是由多種組分的資料組成，許多性能優(yōu)于單一組分的資料。組分的資料。例如，纖維加強的樹脂基復合資料，具有質量輕、強度高、例如，纖維加強的樹脂基復合資料，具有質量輕、強度高、可設計性好、耐化學腐蝕、介電性能好、耐燒蝕及容易成型加可設計性好、耐化學腐蝕、介電性能好、耐燒蝕及容易成型加工等優(yōu)點。工等優(yōu)點。例如，普通碳鋼的密度為例如，普通碳鋼的密度為7.8 g/cm3。玻璃纖維。玻璃纖維加強樹脂基復合資料的密度為加強樹脂基復合資料的密度為1.52.0 g/cm3，只需，只需普通碳鋼的普通碳鋼的1/41/5，比鋁合金還要輕，比鋁合金還要輕1/左右，左右，而機械強度卻能超越普通碳鋼

14、的程度。而機械強度卻能超越普通碳鋼的程度。假設按比強度計算，玻璃纖維加強的樹脂基復合假設按比強度計算，玻璃纖維加強的樹脂基復合資料不僅超越碳鋼，而且可超越某些特殊合金綱。資料不僅超越碳鋼，而且可超越某些特殊合金綱。碳纖維復合資料、有機纖維復合資料具有比玻璃碳纖維復合資料、有機纖維復合資料具有比玻璃纖維復合資料更低的密度和更高的強度，因此具有更纖維復合資料更低的密度和更高的強度，因此具有更高的比強度。高的比強度。 對于有耐腐蝕性能要求的產品，設計時可以對于有耐腐蝕性能要求的產品，設計時可以選用耐腐蝕性能好的基體樹脂和加強資料；選用耐腐蝕性能好的基體樹脂和加強資料；對于其他一些性能要求，如介電性能

15、、耐熱性對于其他一些性能要求，如介電性能、耐熱性能等，都可以方便地經過選擇適宜的原資料來滿足能等，都可以方便地經過選擇適宜的原資料來滿足要求。要求。復合資料良好的可設計性還可以最大限制地抑復合資料良好的可設計性還可以最大限制地抑制其彈性模量、層間剪切強度低等缺陷。制其彈性模量、層間剪切強度低等缺陷。玻璃纖維加強的樹脂基復合資料還具有良好的玻璃纖維加強的樹脂基復合資料還具有良好的透波性能，被廣泛地用于制造機載、艦載和地面雷透波性能，被廣泛地用于制造機載、艦載和地面雷達罩。達罩。復合資料經過原資料的選擇和適當的成型工藝復合資料經過原資料的選擇和適當的成型工藝可以制得導電復合資料。這是一種功能復合資

16、料，可以制得導電復合資料。這是一種功能復合資料，在冶金、化工和電池制造等工業(yè)領域具有廣泛的運在冶金、化工和電池制造等工業(yè)領域具有廣泛的運用前景。用前景。在彈性范圍內大多數資料服從虎克定律，即在彈性范圍內大多數資料服從虎克定律，即變形與受力成正比。變形與受力成正比?？v向應力與縱向應變的比例常數就是資料的縱向應力與縱向應變的比例常數就是資料的彈性模量彈性模量E，也叫楊氏模量。，也叫楊氏模量。橫向應變與縱向應變之比值稱為泊松比橫向應變與縱向應變之比值稱為泊松比，也，也叫橫向變性系數，它是反映資料橫向變形的彈性叫橫向變性系數，它是反映資料橫向變形的彈性常數。常數。 復合資料的突出優(yōu)點是比強度和比模量即

17、復合資料的突出優(yōu)點是比強度和比模量即強度、模量與密度之比高。強度、模量與密度之比高。比強度和比模量是度量資料承載才干的一個比強度和比模量是度量資料承載才干的一個目的，比強度愈高，同一零件的比重愈??；比模目的，比強度愈高，同一零件的比重愈?。槐饶Ａ坑?，零件的剛性愈大。量愈高，零件的剛性愈大。 與傳統(tǒng)資料與傳統(tǒng)資料(如金屬、木材、水泥等如金屬、木材、水泥等)相比，復合相比，復合資料是一種新型資料。它具有許多優(yōu)良的性能，并資料是一種新型資料。它具有許多優(yōu)良的性能，并且其本錢在逐漸地下降，成型工藝的機械化、白動且其本錢在逐漸地下降，成型工藝的機械化、白動化程度也在不斷地提高。團此，復合資料的運用領化

18、程度也在不斷地提高。團此，復合資料的運用領域日益廣泛。域日益廣泛。氮化硅構造陶瓷被用作航天飛機的防熱瓦氮化硅構造陶瓷被用作航天飛機的防熱瓦硼纖維金屬基復合資料制成的火箭履軸的管道保送部件硼纖維金屬基復合資料制成的火箭履軸的管道保送部件美國美國B-2B-2隱形轟炸機外表為具有良好吸波性能的碳纖維復合資料隱形轟炸機外表為具有良好吸波性能的碳纖維復合資料由光導纖維構成的光纜由光導纖維構成的光纜先進橡膠輪胎使汽車成為交通主宰先進橡膠輪胎使汽車成為交通主宰賽車上運用的特殊輪胎賽車上運用的特殊輪胎人工合成的金剛石人工合成的金剛石高分子分別膜已被用來制造高效家庭凈水器高分子分別膜已被用來制造高效家庭凈水器人

19、工腎臟人工腎臟生物陶瓷人造關節(jié)生物陶瓷人造關節(jié)可調理的太陽鏡可調理的太陽鏡耐高溫纖維制成的消防人員的服裝耐高溫纖維制成的消防人員的服裝用復合資料制造的汽車部件較多，如車體、用復合資料制造的汽車部件較多，如車體、駕駛室、擋泥板、保險杠、引擎罩、儀表盤、驅駕駛室、擋泥板、保險杠、引擎罩、儀表盤、驅動軸、板黃等。動軸、板黃等。 隨著列車速度的不斷提高，火車部件用復合隨著列車速度的不斷提高，火車部件用復合資料來制造是最好的選擇。復合資料常被用于制資料來制造是最好的選擇。復合資料常被用于制造高速列車的車箱外殼、內裝飾資料、整體衛(wèi)生造高速列車的車箱外殼、內裝飾資料、整體衛(wèi)生間、車門窗、水箱等。間、車門窗、

20、水箱等。我國是制造和運用復合資料最早的國家，遠在我國是制造和運用復合資料最早的國家，遠在400余年前就發(fā)明了以麻絲加強大漆，構成典型的復余年前就發(fā)明了以麻絲加強大漆，構成典型的復合資料器皿，并不斷沿用至今。合資料器皿，并不斷沿用至今?，F代復合資料是現代復合資料是1958年才開場開展的，是以玻年才開場開展的，是以玻璃纖維加強熱固性聚合物為主要種類。璃纖維加強熱固性聚合物為主要種類。除聚合物基復合資料以外，目前已展開金屬除聚合物基復合資料以外，目前已展開金屬基、陶瓷基、碳基、水泥基，以及功能復合資料基、陶瓷基、碳基、水泥基，以及功能復合資料的制備科學和其構造與性能的研討，有些研討處的制備科學和其構

21、造與性能的研討，有些研討處于國際復合資料前沿，如納米復合資料，智能復于國際復合資料前沿，如納米復合資料，智能復合資料等。合資料等。高性能加強體如碳纖維、芳酰胺纖維芳高性能加強體如碳纖維、芳酰胺纖維芳綸、超高分子量聚已乙烯纖維，以及一些陶瓷綸、超高分子量聚已乙烯纖維，以及一些陶瓷纖維等我國均有研討。纖維等我國均有研討。特別是碳纖維在特別是碳纖維在20世紀世紀60年代即從聚丙烯腈年代即從聚丙烯腈原絲開場研討，不斷到燒成碳纖維。隨后又處理原絲開場研討，不斷到燒成碳纖維。隨后又處理了延續(xù)化的問題，并且開展有關機理性的研討。了延續(xù)化的問題，并且開展有關機理性的研討。熱塑性聚合物基體除聚丙烯外，還有常用熱塑