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5.5复合材料及其成形 5.5.1 复合材料的定义、分类和性能 1．复合材料定义 复合材料是由两种或两种以上的组分材料通过适当的制备工艺复合在一起的新材料，其既保留原组分材料的特性，又具有原单一组分材料所无法获得的或更优异的特性。 从理论上说，金属材料、陶瓷材料或高分子材料相互之间或同种材料之间均可复合形成新的复合材料。事实上也是如此，如在高分子材料/高分子材料、陶瓷材料/高分子材料、金属材料/高分子材料、金属材料/金属材料、陶瓷材料/金属材料、陶瓷材料/陶瓷材料之间的复合都已获得许多种高性能新型复合材料。复合材料通常由基体材料和增强材料两部分组成，基体一般选用强度韧性好的材料，如聚合物、橡胶、金属等，而增强材料则选用高强度、高弹性模量的材料，如玻璃纤维、碳纤维和硼纤维等。 2．复合材料命名 根据基体材料和增强材料命名，复合材料的命名一般有以下三种情况: (1) 强调基体时则以基体材料的名称为主，如树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料等。 (2) 强调增强体时则以增强体材料的名称为主，如碳纤维增强复合材料、玻璃纤维增强复合材料等。 * 图5-11 复合材料的分类 (3) 基体材料名称与增强体材料名称并用，习惯上把增强体材料的名称放在前面，基体材料的名称放在后面，如碳纤维/环氧树脂复合材料，玻璃纤维/环氧树脂复合材料。 国外还常用英文编号来表示，如MMC(metal matrix composite)表示金属基复合材料，FRP(fiber reinforced plastics)表示纤维增强塑料。 3．复合材料分类 复合材料的分类见图5-11 * 图5-12 三种材料的疲劳强度 多数金属的疲劳极限是抗拉强度的40%～50%，而碳纤维聚酯树脂复合材料则可达70%～80%，如图5-12所示。 3) 耐热性高 碳纤维增强树脂复合材料的耐热性比树脂基体有明显提高，而金属基复合材料在耐热性方面更显示出其优越性，碳化硅纤维、氧化铝纤维与陶瓷复合，在空气中能耐1 200 ℃～1 400 ℃高温，要比所有超高温合金的耐热性高出100 ℃以上。用于汽车发动机，使用温度可高达1 370 ℃。 4) 减振性能好 结构的自振频率除与结构本身形状有关外，还与材料的比模量的平方根成正比。高的自振频率避免了工作状态下共振而引起的早期破坏。而且复合材料中纤维与基体界面具有吸振能力，因此其振动阻尼很高。图5-13显示碳纤维复合材料与钢材料的振动衰减特性。 5) 高韧性和抗热冲击性 该性能在PMC和CMC中尤为重要。 图5-13 两种材料的振动衰减特性 * 5.5.2复合材料的应用 6) 绝缘、导电和导热性 玻璃纤维增强塑料是一种优良的电气绝缘材料，用于制造仪表、电机与电器中的绝缘零部件，这种材料还不受电磁作用，不反射无线电波，微波透过性良好，还具有耐烧蚀性、耐辐照性，可用于制造飞机、导弹和地面雷达罩。金属基复合材料具有良好的导电和导热性能，可以使局部的高温热源和集中电荷很快扩散消失，有利于解决热气流冲击和雷击问题。 7) 耐烧蚀性、耐磨损 8) 特殊的光、电、磁性能等 复合材料除具有上述性能外，还具有可设计性，可以根据对材料的性能要求，在基体、增强材料的类型和含量上进行选择，并进行适当的制备与加工。在制品制造时，复合材料还适合一次整体成形，具备良好的加工性能。 复合材料的基体可以是聚合物（树脂）、金属材料和无机非金属材料，增强材料可以是各类纤维、晶须和颗粒。为了便于介绍，以下主要介绍几种已经得到广泛应用的各类典型复合材料。 1. 聚合物基复合材料 * 1) 玻璃钢（玻璃纤维增强塑料，GFRP） 在结构复合材料中发展最早、研究最多、应用最广和用量最大的是聚合物基复合材料(PMC)。众所周知，现代复合材料就是以20世纪40年代玻璃纤维增强塑料(玻璃钢)的出现为标志。经过60余年的发展，已经研究开发出了具有各种优异性能及应用的聚合物基复合材料，包括玻璃纤维增强、碳纤维增强、芳纶纤维、硼纤维、碳化硅纤维等增强复合材料(表5-6)。其中为了获得更高比强度、比模量的复合材料，除主要用于玻璃钢的酚醛树脂、环氧树脂和聚酯外，研究与开发了许多具有耐热性好的基体树脂，如聚酰亚胺(PI)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚砜(PES)和聚醚醚酮(PEEK)等热塑性树脂