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樹脂基復合材料-樹脂基復合材料的應用
樹脂基復合材料的應用
樹脂基復合材料在建筑工業中的應用
  建筑工業在國民經濟中占有很重要的地位,不論是哪一個國家,建筑工業望遠是國民經濟的支柱產業之一。隨著社會的進步,人們對居住面積、房屋質量和娛樂設施等提出越來越高的要求,這就是推動建筑工業改革發展的動力。
  建筑工業現代化的發展方向是:改善施工條件,加快建設進度,降低成本,提高質量,節約能源,減少運輸,保護耕地,保護環境和提高技術經濟效益等。為了達到此目的,必須從改善現有的建筑材料和發展新型建筑材料方向著手。
  在建筑工業中發展和使用樹脂基復合材料對減輕建筑物自重,提高建筑物的使用功能,改革建筑設計,加速施工進度,降低工程造價,提高經濟效益等都十分有利,是實現建筑工業現代化的必要條件。
  1、樹脂基復合材料的建筑性能
  (1)材料性能的可設計性 樹脂基復合材料的性能可根據使用要求進行設計,如要求耐水、防腐、高強,可選用樹脂基復合材料。由于樹脂基復合材料的重量輕,制造方便,對于大型結構和形狀復雜的建筑制品,能夠一次成型制造,提高建筑結構的整體性。
  (2)力學性能好 樹脂基復合材料的力學性能可在很大范圍內進行設計,由于選用的材料不同,增強材料的鋪設方向和方向差異,可以獲得性能判別很大的復合材料,如單向玻纖增強環氧復合材料的拉伸強度可達1000MPa以上,比鋼(建筑鋼)的拉伸強度還高,選用碳纖維作增強材料,制得的樹脂基復合材料彈性模量可以達到建筑鋼材水平,而其密度卻比鋼材小45倍。更為突出的是樹脂基復合材料在制造過程中,可以根據構件受力狀況局部加強,這樣既可提高結構的承載能力,又能節約材料的減輕自重。
  (3)裝飾性好 樹脂基復合材料的表面光潔,可以配制成各種鮮艷的色彩,也可以制造出不同的花紋和圖案,適宜制造各種裝飾板、大型浮雕及工藝美術雕塑等。
  (4)透光性 透明玻璃鋼的透光率達85%以上(與玻璃相似),其最大特點是不易破碎,能承受荷載。用于建筑工程時可以將結構、圍護及采光三者綜合設計,能夠達到簡化采光設計,降低工程造價之目的。
  (5)隔熱性 建筑物的作用是能夠防止由熱傳導、熱對流引起的溫度變化,給人們以良好的工作和休息環境。一般建筑材料的隔熱性能較差,例如普通混凝土的導熱系數為1.52.1W(m·K),紅磚的導熱系數為0.81 W(m·K),樹脂基復合材料的夾層結構的導熱系數為0.050.08 W(m·K),比普通紅磚小10倍,比混凝土小20多倍。
  (6)隔音性 隔音效果好壞是評價建筑物質量的標準之一。但傳統材料中,隔音效果好的建筑材料往往密度較大,隔熱性差,運輸和安裝困難。樹脂基復合材料的隔音性能雖然不很理想,但它有消逝振動音波及傳播音波的作用,經過專門設計的夾層結構,可達到既隔音又隔熱的雙層效果。
  (7)電性能 玻璃鋼具有良好的絕緣性能,它不受電磁波作用,不反射無線電波。通過設計,可使其在很寬的頻段內都具有良好的透微波性能,對電通訊系統的建筑物有特殊用途,如可用于制造雷達天線罩和各種機房。
  (8)耐化學腐蝕 玻璃鋼有很好的抗微生物作用和耐酸、堿、有機溶劑及海水腐蝕作用的能力。特別適用于化工建筑、地下建筑及水工建筑等工程。
  (9)透水和吸水性 玻璃鋼吸濕性很低,不透水,可以用于建筑工程中的防水、給水及排水等工程。
  2、建筑用樹脂基復合材料的應用情況
  隨著建筑工業的迅速發展,復合材料越來越多地被用于建筑工程:
  (1)承載結構 用作承載結構的復合材料建筑制品有:柱、桁架、梁、基礎、承重折板、屋面板、樓板等,這些復合材料構件,主要用于化學腐蝕廠房的承重結構、高層建筑及全玻璃鋼-復合材料樓房大板結構。
  (2)圍護結構 復合材料圍護結構制品有各種波紋板、夾層結構板,各種不同材料復合板,整體式和裝配式折板結構和殼體結構。用作殼體結構的板材,它既是圍護結構,又是承重結構。這些構件可用作工業及民用建筑的外墻板、隔墻板、防腐樓板、屋頂結構、遮陽板、天花板、薄殼結構和折板結構的組裝構件。
  (3)采光制品 透光建筑制品有透明波形板、半透明夾層結構板、整體式和組裝式采光罩等,主要用于工業廠房、民用建筑、農業溫室及大型公用建筑的天窗、屋頂及圍擴墻面采光等。
  (4)門窗裝飾材料 屬于此類材料制品有門窗斷面復合材料拉擠型材、平板、浮雕板、復合板等,一般窗框型材用樹脂玻璃鋼。復合材料門窗防水、隔熱、耐化學腐蝕。用于工業及民用建筑,裝飾板用作墻裙、吊頂、大型浮雕等。
  (5)給排水工程材料 市政建設中給水、排水及污水處理工程中已大量使用復合材料制品,如各種規格的給水玻璃鋼管、高位水箱、化糞池、防腐排污管等。
  (6)衛生潔具材料 屬于此類產品的有浴盆、洗面盆、坐便盆,各種整體式、組裝式衛生間等,廣泛用于各類建筑的衛生工程和各種衛生間。
  (7)采暖通風材料 屬此類復合材料制品有冷卻塔、管道、板材、柵板、風機、葉片及整體成型的采暖通風制品。工程上應用的中央空調系統中的通風廚、送風管、排氣管、防腐風機罩等。
  (8)高層樓房屋頂建筑 如旋轉餐廳屋蓋、異形尖頂裝飾屋蓋、樓房加高、球形屋蓋、屋頂花園、屋頂游泳池、廣告牌和廣告物等。
  (9)特殊建筑 大跨度飛機庫、各種尺寸的冷庫、活動房屋、崗亭、仿古建筑、移動劇院、透微波塔樓、屏蔽房、防腐車間、水工建筑、防浪堤、太陽能房、充氣建筑等。
  (10)其它 復合材料在建筑中的其它用途還很多,如各種家具、馬路上的陰井蓋、公園和運動場座椅、海濱浴場活動更衣室、公園仿古涼亭等。
 
樹脂基復合材料在化學工業中的應用
  以樹脂為基體的復合材料作為化學工業的耐腐蝕材料已有50余年歷史,由于樹脂基復合材料比強度高、無電化學腐蝕現象與導熱系數低、良好的保溫性能及電絕緣性能、制品內壁光滑、流體阻力小、維修方便、重量輕、吊裝運輸方便等優點,已廣泛用于石油、化肥、制鹽、制藥、造紙、海水淡化、生物工程、環境工程及金屬電鍍等工業中。
  1、在環境保護領域中的應用
  隨著工業的發展,環境污染問題已成為當今世界令人關心的問題之一,許多國家投入巨大人力、物力,致力于環境保護工業這一新興工業部門。
  玻璃鋼在給排水管道工程中已得到了廣泛的應用,最近幾年,越來越多的廢水處理系統的管道用玻璃鋼制造,一個基本原因就是廢水的耐蝕介質的種類和腐蝕性能都在不斷增加,這就要求使用耐蝕性能更好的材料,而而腐蝕玻璃鋼是滿足這種需求的最好材料。
  復合材料在環境保護方面應用包括一般工業廢氣處理、油水處理、含毒物質污水處理、垃圾焚化處理及城市廢水脫臭處理等。
  2、在高純水和食品領域中的應用
  這是樹脂基復合材料應用的一個新領域。樹脂基復合材料優良的耐蝕性能意味著這種材料具有活潑、不污染的特性,理所當然地成為高度清潔物品如貯存高純水、藥品、酒、牛奶之類的可選用材料。

  3、在氯堿工業中的應用
  氯堿工業是玻璃鋼作耐腐材料的最早應用領域之一,目前玻璃鋼已成為氯堿工業主要材料。玻璃鋼已用于各種管道系統、氣體鼓風機、熱交換器外殼、鹽水箱以至于泵、池、地坪、墻板、格柵、把手、欄桿等建筑結構上。同時,玻璃鋼也開始進入化工行業的各個領域。
  4、在造紙工業中的應用
  造紙工業以木材為原料,制紙過程中需要酸、鹽、漂白劑等,對金屬有極強的腐蝕作用,唯有玻璃鋼材料能抵抗這類惡劣環境,玻璃鋼材料已在一些國家的紙漿生產中顯現其優異的耐蝕性。
  5、在金屬表面處理工業中的應用
  金屬表面處理廠所使用的酸,大多為鹽酸,基本上用玻璃鋼是沒有問題的。
  6、火力發電
  火力發電以燃燒及燃油為主,發電廠中一般管道或廢水處理設施均可用玻璃鋼制品,而排煙脫硫裝置則為防蝕之重點。
  7、海水淡化
  海水淡化分為傳統蒸餾及反滲透膜法,由于海水十分容易侵蝕鐵質材料,故淡化廠內大部分的管道及容器均使用玻璃鋼制品。
  8、溫泉上的應用
  溫泉的用途有發電及洗浴,從溫泉的抽取到輸送,均已大量使用玻璃鋼管。
  9、在醫藥工業上應用
  藥品種類繁多,每種原料有所不同,但玻璃鋼用于醫藥工業受到青睞。
  10、運輸用途
  玻璃鋼在槽車上的使用,已證實比橡膠內襯實用,例如在鹽酸的運輸上,橡膠內襯已證實會因沉淀物而穿孔,而沉淀物確為鹽酸的基本問題,除非為100℃的純鹽酸。從眾多實例中,已證實乙烯基樹脂來制槽體或作內襯為一正確的選擇。此乃因乙烯基樹脂除具備優良耐化學特性外,更提供良好的機械特性及耐疲勞性,以適應道路運輸受力構件力學性能的要求。
三  樹脂基復合材料在交通運輸與能源工業中的應用
   樹脂基復合材料在交通運輸工業方面的應用包括:
  1、基礎設施中的公路安全設施、道路、橋梁及站場等;
  2、汽車制造工業中的各種汽車配件,如車身外殼、傳動軸、制動件及車內座椅、地板等;
  3、摩托車和自行車制造工業中的車身構件、車輪等;
  4、鐵路工業中的牽引機車,各種車輛(客車、貨車、冷藏車、貯罐車等);
  5、鐵路通訊設施;
  6、橋梁及道路建設及修補;
  7、各種制動件;
  8、水上交通中的各種中小船身殼體;
  9、大小船上舾裝件;
  10、港口及航道設施;
  11、飛機制造工業中的各種復合材料制件槳葉、機翼、內部設施等;
  12、圍繞航空運輸工業中的機場建設等。
  樹脂基復合材料在能源工業方面的應用包括:
  1、火力發電工業方面的通風系統,排煤灰渣管道,循環水冷卻系統,屋頂軸流風機、電纜保護設施、電絕緣制品等;
  2、水力發電工業中的電站建設,大壩和隧道中防沖、耐磨、防凍、耐腐蝕過水面的保護;閥門;發電和輸電中的各種電絕緣制品等;
  3、在新能源方面,樹脂基復合材料風力發電機葉片、電桿及電絕緣制品等。
 
  樹脂基復合材料在機械電器工業中的應用

  樹脂基復合材料具有比強度高、比模量高、抗疲勞斷裂性能好、可設計性強、結構尺寸穩定性好、耐磨、耐腐蝕、減震、降噪及絕緣性好等一系列優點,集結構承載和多功能于一身,可以在機械電器工業獲得極其廣泛的應用。機械設備如風機、泵、閥門、制冷機械、空壓機、起重機械、運輸機械、工程機械、汽車、農用發動機、拖拉機、各類內燃機、農機具、牧畜機械、農業排灌機械、農副產品加工機械、收獲和場上作業機械、機床、鑄造設備、印刷機械、橡膠和塑料加工機械、石油鉆估機械、礦山采機械、礦山機械、電影機械及食品機械等等,其中有很多設備的零部件既要求有一定強度和剛度以承載,又要求有耐磨、耐腐蝕、能減震和降噪等功能的零部件,傳統上它們是由金屬材料制造的,現在都可以采用樹脂基復合材料來制造,以獲得更高的效益/成本比率。電氣行業曾是復合材料應用最早的部門,也是用量最大的部門之一。樹脂基復合材料是優良的絕緣材料,用它制造儀器儀表、電機及各種電器中的附件,有僅可以減輕自重和提高其可靠性,耐用珂以延長其使用壽命。
 
五 樹脂基復合材料在電子工業中的應用

  電子工業是近20年來迅速發展的高技術產業,電子功能材料是電子元器件和電子裝備的基礎和支撐,廣泛應用在電子行業的各個領域。隨著電子元器件制造技術的飛躍進步,電子產品正向小型輕量薄型化、高性能化、多功能化的方向發展,進而推動電子材料的不斷進步。復合材料具有許多優異性能,如比強度高、比剛度大、抗疲勞性好、耐腐蝕、尺寸穩定、密度低以及獨特的材料可設計性等。因此,自問世以來發展迅速,已廣泛應用在電子工業上,用作結構件及結構功能件,賦予產品以輕質、高強度、高剛度、高尺寸精度等特性,提高了產品的技術指標,更好地適應了現代高科技的發展要求。雖然復合材料用作電子功能材料的應用研究起步較晚,但已成為電子產品不可缺少的關鍵材料,體現出其在電子裝備中的優異性能和廣闊前景。
  用復合材料制作的電子功能材料種類很多,最具代表性的是印刷線路板基板材料。作為連接和支撐電子器件的印刷線路板,它應用在眾多的電子產品中,是必不可少的部件。復合材料在電子工業中的另一大類應用是制作各種天饋線,包括反射面和天線罩,還有饋源、波導等高頻部件,賦予諸多電子設備,特別是通訊收發設備、雷達等產品更市制技術戰術指標。同時,利用有些復合材料的吸波性能,還可制成屏蔽材料和隱身材料。
六 樹脂基復合材料在醫療、體育、娛樂方面的應用
  在生物復合材料中,復合材料可用于制造人工心臟、人工肺及人工血管等,用人造復合材料器官挽救生命的設想將成為現實。復合材料牙齒,復合材料骨骼及用于創傷外科的復合材料呼吸器、支架、假肢、人工肌肉、人工皮膚等均有成功事例。
  在醫療設備方面,主要有復合材料診斷裝置,復合材料測量器材及復合材料拐杖、輪椅、搬運車和擔架等。
  復合材料體育用品種類很多。有水上體育用品、如復合材料皮艇、賽艇、滑艇、帆船、帆板、沖浪板等;球類運動器材有網球拍、羽毛球拍及壘球棒、籃球架的籃板等;冰雪運動中有復合材料滑雪板、滑雪杖、雪撬、冰球棒等;跳高運動用的撐桿、射箭運動的弓和箭等也都選用復合材料代替傳統的竹、木及金屬材料。實踐證明,很多體育用品改用復合材料制造后,大大地改善了其使用性能,使運動員創造出好成績。
  在娛樂設施中,復合材料已大量用于游樂車、游樂船、水上滑梯、速滑車、碰碰車、兒童滑梯等產品,這些產品充分發揮了玻璃鋼重量輕、強度高、耐水、耐磨、耐撞、色澤鮮艷、產品美觀及制造方便等特點。上前國內各大公園及各游樂場的娛樂設施,都已基本上用玻璃鋼代替了傳統材料。
  復合材料釣魚竿是娛樂器材中的大宗產品,它主要分為玻璃鋼釣魚竿和碳纖維復合材料釣魚竿兩類。其最大特點是強度高、重量強、可收縮、攜帶方便、造型美觀等。
在樂器制造方面,高性能復合材料得到推廣應用,這是因為碳纖維-環氧復合材料的比模量高、彎曲剛度大、耐疲勞性好和不受環境溫濕度影響等特點所致。用復合材料制造的揚聲器、小提琴和電吉它,其音響效果均優于傳統木質紙盒和云杉木產品質量。復合材料在樂器方面的用量占總產量的比例不大,但它在提高樂器質量方面,仍不失為一種有發展前途的方向。
七 樹脂基復合材料在國防、軍工及航空航天領域中的應用
  復合材料以其典型的輕量特性、卓越的比強度、比模量、獨特的耐燒蝕和隱蔽性、材料性能的可設計性、制備的靈活性和易加工性等受到軍方青睞,在實現武器系統輕量化、快速反應能力、高威力、大射程、精確打擊、高自下而上力方面起著巨大作用。
  復合材料的進步為武器系統選材和產品設計奠定了堅實的基礎,在兵器裝備上獲得了廣泛應用,其應用技術取得了重大的突破,應用水平有了顯著的提高。美國陸軍已研究證實了水陸兩用車復合材料艙門和炮塔可減重15.5%。美國陸軍的M113A3裝甲人員輸送車已采用S2玻纖增強酚醛樹脂復合材料制造車體,取代了早期的Kevlar纖維復合材料,提高了防火和煙霧特性,降低了成本。美國還考究了MIAI主戰坦克上各部件復合材料化的可行性,優選出22個部件采用復合材料制造,可減重1440kg,降低成本1835美元。
  國外在導彈和火箭方面已完成了復合材料化、輕量化和小型化,并且正向新的、更高的水平前進,包括經濟承受能力方面的低成本化。如前蘇聯的"賽格"反坦克導彈從外觀上看實現了塑料化。它的主要復合材料結構件有:風帽、殼體、尾翼座、尾翼等。使用的材料為玻纖增強酚醛塑料,復合材料構件占總體零件數的75%。美國的"陶式"反坦克導彈,法國的"霍特"反坦克導彈,"阿皮拉斯"反坦克火箭彈的發射筒,發動機殼體分別用玻纖增強環氧樹脂和芳綸纖維增強環氧樹脂制造。
  隨著我國復合材料技術和應用技術水平的提高,復合材料在兵器上的應用范圍越來越大。如芳綸纖維增強復合材料已用于主戰坦克的首上裝甲和炮塔復合裝甲;玻璃纖維增強復合材料用于反坦克導彈的戰斗部殼體、尾翼座、發動機殼體以及火箭彈的噴管等。90年代復合材料在兵器上應用進入了一個新時代,高強度玻纖增強樹脂復合材料用于多管遠程火箭彈和空空導彈的結構材料和燒蝕-隔熱材料,使金屬噴管達到了塑料化,燒蝕-隔熱-結構多功能化,實現了噴管收斂段、擴張段和尾翼架多部件一體化,大大減輕武器的重量,提高了戰術性能,簡化了工藝,降低了成本。
  復合材料,特別是碳纖維復合材料等在航空航天器結構上已得到廣泛的應用,現已成為航空航天領域使用的四大結構材料之一。和合材料在航空航天上除主要作為結構材料處,在許多情況下還可滯各種功能性要求,如透波、隱身等。復合材料在航空航天領域中主要應用是在:飛機、直升飛機種結構部件;地面雷達罩、機載雷達罩、艦載雷達罩以及車載雷達罩等;人造衛星、太空站和天地往返運輸系統等方面。
 
八 樹脂基復合材料在農、林、牧、漁及食品業中的應用

   復合材料在農、林、牧、漁及食品業中的應用涉及到如下問題:農作物、植物、花卉及魚類保護,改進種植和養殖技術,創造優良的生長環境,生產優質產品;農業和漁業產品包裝、防腐及貯運;農業、漁業建筑、設備及器具;食品業生產、貯運設備、飲食用具。
  復合材料設備、器具及建筑在食品業和漁業中已使用多年,應用最多的產品有:魚類育苗池、輸水管、越冬溫室、秧盤、除草機、冷凍室、糧倉、漁船、農用車輛、鮮魚運輸箱等。復合材料在農業和漁業方面應用的主要優點是:強度高、質量輕、使用方便;防腐、耐水、使用壽命長;綜合性能高,節省能源、成本低等。
  在食品工業中,復合材料主要用作新鮮食品的冷藏、冷凍、釀造池罐、貯水設備、魚艙、牛奶貯運罐、廚房設施、飲食餐具等。在飲食業中使用復合材料的主要優點是:強度高、質量輕、不易損壞、使用方便;在釀造業中應用,主要優點是防腐、耐水、使用壽命長;在飲食餐具、廚房設施中應用,主要優點為無毒、表面光潔、易清洗、易消毒等。
 
 
第七章 樹脂基復合材料的性能特點
  樹脂基復合材料作為一種復合材料,是由兩個或兩個以上的獨立物理相,包含基體材料(樹脂)和增強材料所組成的一種固體產物。樹脂基復合材料具有如下的特點:
  (1)各向異性(短切纖維復合材料等顯各向同性);
  (2)不均質(或結構組織質地的不連續性);
  (3)呈粘彈性行為;
  (4)纖維(或樹脂)體積含量不同,材料的物理性能差異;
  (5)影響質量因素多,材料性能多呈分散性。
  樹脂基復合材料的整體性能并不是其組分材料性能的簡單疊加或者平均,這其中涉及到一個復合效應問題。復合效應實質上是原相材料及其所形成的界面相互作用、相互依存、相互補充的結果。它表現為樹脂基復合材料的性能在其組分材料基礎上的線性和非線性的綜合。復合效應有正有負,性能的提高總是人們所期望的,但有進材料在復合之后某些方面的性能出現抵消甚至降低的現象是不可避免的。
  復合效應的表現形式多樣,大致上可分為兩種類型:混合效應和協同效應。
混合效應也稱作平均效應,是組分材料性能取長補短共同作用的結果,它是組分材料性能比較穩定的總體反映,對局部的擾動反應并敏感。協同效應與混合效應相比,則是普遍存在的且形式多樣,反映的是組分材料的各種原位特性。所謂原位特性意味著各相組分材料在復合材料中表現出來的性能并不只是其單獨存在時的性能,單獨存在時的性能不能表征其復合后材料的性能。
 
一 樹脂基復合材料的力學性能

  力學性能是材料最重要的性能。樹脂基復合材料具有比強度高、比模量大、抗疲勞性能好等優點,用于承力結構的樹脂基復合材料利用的是它的這種優良的力學性能,而利用各種物理、化學和生物功能的功能復合材料,在制造和使用過程中,也必須考慮其力學性能,以保證產品的質量和使用壽命。

  1、樹脂基復合材料的剛度
  樹脂基復合材料的剛度特性由組分材料的性質、增強材料的取向和所占的體積分數決定。樹脂基復合材料的力學研究表明,對于宏觀均勻的樹脂基復合材料,彈性特性復合是一種混合效應,表現為各種形式的混合律,它是組分材料剛性在某種意義上的平均,界面缺陷對它作用不是明顯。
  由于制造工藝、隨機因素的影響,在實際復合材料中不可避免地存在各種不均勻性和不連續性,殘余應力、空隙、裂紋、界面結合不完善等都會影響到材料的彈性性能。此外,纖維(粒子)的外形、規整性、分布均勻性也會影響材料的彈性性能。但總體而言,樹脂基復合材料的剛度是相材料穩定的宏觀反映。
  對于樹脂基復合材料的層合結構,基于單層的不同材質和性能及鋪層的方向可出現耦合變形,使得剛度分析變得復雜。另一方面,也可以通過對單層的彈性常數(包括彈性模量和泊松比)進行設計,進而選擇鋪層方向、層數及順序對層合結構的剛度進行設計,以適應不同場合的應用要求。

  2、樹脂基復合材料的強度
  材料的強度首先和破壞聯系在一起。樹脂基復合材料的破壞是一個動態的過程,且破壞模式復雜。各組分性能對破壞的作用機理、各種缺陷對強度的影響,均有街于具體深入研究。
  樹脂基復合材強度的復合是一種協同效應,從組分材料的性能和樹脂基復合材料本身的細觀結構導出其強度性質。對于最簡單的情形,即單向樹脂基復合材料的強度和破壞的細觀力學研究,還不夠成熟。
  單向樹脂基復合材料的軸向拉、壓強度不等,軸向壓縮問題比拉伸問題復雜。其破壞機理也與拉伸不同,它伴隨有纖維在基體中的局部屈曲。實驗得知:單向樹脂基復合材料在軸向壓縮下,碳纖維是剪切破壞的;凱芙拉(Kevlar)纖維的破壞模式是扭結;玻璃纖維一般是彎曲破壞。
  單向樹脂基復合材料的橫向拉伸強度和壓縮強度也不同。實驗表明,橫向壓縮強度是橫向拉伸強度的47倍。橫向拉伸的破壞模式是基體和界面破壞,也可能伴隨有纖維橫向拉裂;橫向壓縮的破壞是因基體破壞所致,大體沿45°斜面剪壞,有時伴隨界面破壞和纖維壓碎。單向樹脂基復合材料的面內剪切破壞是由基體和界面剪切所致,這些強度數值的估算都需依靠實驗。
  雜亂短纖維增強樹脂基復合材料盡管不具備單向樹脂基復合材料軸向上的高強度,但在橫向拉、壓性能方面要比單向樹脂基復合材料好得多,在破壞機理方面具有自己的特點:編織纖維增強樹脂基復合材料在力學處理上可近似看作兩層的層合材料,但在疲勞、損傷、破壞的微觀機理上要更加復雜。
  樹脂基復合材料強度性質的協同效應還表現在層合材料的層合效應及混雜復合材料的混雜效應上。在層合結構中,單層表現出來的潛在強度與單獨受力的強度不同,如0/90/0層合拉伸所得90°層的橫向強度是其單層單獨實驗所得橫向拉伸強度的23倍;面內剪切強度也是如此,這一現象稱為層合效應。
  樹脂基復合材料強度問題的復雜性來自可能的各向異性和不規則的分布,諸如通常的環境效應,也來自上面提及的不同的破壞模式,而且同一材料在不同的條件和不同的環境下,斷裂有可能按不同的方式進行。這些包括基體和纖維(粒子)的結構的變化,例如由于局部的薄弱點、空穴、應力集中引起的效應。除此之外,界面粘結的性質和強弱、堆積的密集性、纖維的搭接、纖維末端的應力集中、裂縫增長的干擾以及塑性與彈性響應的差別等都有一定的影響。
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
樹脂基復合材料的物理性能

   樹脂基復合材料的物理性能主要有熱學性質、電學性質、磁學性質、光學性質、摩擦性質等(見表)。對于一般的主要利用力學性質的非功能復合材料,要考慮在特定的使用條件下材料對環境的各種物理因素的響應,以及這種響應對復合材料的力學性能和綜合使用性能的影響;而對于功能性復合材料,所注重的則是通過多種材料的復合而滿足某些物理性能的要求。

  樹脂基復合材料的物理性能由組分材料的性能及其復合效應所決定。要改善樹脂基復合材料的物理性能或對某些功能進行設計時,往往更傾向于應用一種或多種填料。相對而言,可作為填料的物質種類很多,可用來調節樹脂基復合材料的各種物理性能。值得注意的是,為了某種理由而在復合體系中引入某一物質時,可能會對其它的性質產生劣化作用,需要針對實際情況對引入物質的性質、含量及其與基體的相互作用進行綜合考慮。
熱學性質
電學、磁學性質
光學性質
摩擦性質
其它性質
熱膨脹率
熱傳導率
比熱容
熱變形溫度
玻璃化溫度
熔點
隔熱性
熱輻射
耐熱沖擊性
導電性
絕緣性
壓電性
熱電性
介電性
半導體性
磁性
電磁波吸收性
電磁波反射性
透光性
散光性
吸光性
折射率
光反射性
光敏性
紫外線吸收性
紅外線吸收性
耐光性
摩擦系數
磨損率
減振性
隔音性
吸濕性
吸氣性
透氣性
吸油性
放射線
吸收性
 
 
三 樹脂基復合材料的化學性能

   大多數的樹脂基復合材料處在大氣環境中、浸在水或海水中或埋在地下使用,有的作為各種溶劑的貯槽,在空氣、水及化學介質、光線、射線及微生物的作用下,其化學組成和結構及各種性能會發生各種變化。在許多情況下,溫度、應力狀態對這些化學反應有著重要的影響。特別是航空航天飛行器及其發動機構件在更為惡劣的環境下工作,要經受高溫的作用和高熱氣流的沖刷,其化學穩定性是至關重要的。

  作為樹脂基復合材料的基體的聚合物,其化學分解可以按不同的方式進行,它既可通過與腐蝕性化學物質的作用而發生,又可間接通過產生應力作用而進行,這包括熱降解、輻射降解、力學降解和生物降解。聚合物基體本身是有機物質,可能被有機溶劑侵蝕、溶脹、溶解或者引起體系的應力腐蝕。所謂的應力腐蝕,是摜材料與某些有機溶劑作用在承受應力時產生過早的破壞,這樣的應力可能是在使用過程中施加上去的,也可能是鑒于制造技術的某些局限性帶來的。根據基體種類的不同,材料對各種化學物質的敏感程度不同,常見的玻璃纖維增強塑料耐強酸、鹽、酯,但不耐堿。一般情況下,人們更注重的是水對材料性能的影響。水一般可導致樹脂基復合材料的介電強度下降,水的作用使得材料的化學鍵斷裂時產生光散射和不透明性,對力學性能也有重要影響。不上膠的或僅只熱處理過的玻璃纖維與環氧樹脂或聚酯樹脂組成的復合材料,其拉伸強度、剪切強度和彎曲強度都很明顯地受沸水影響,使用偶聯劑可明顯地降低這種損失。水及各種化學物質的影響與溫度、接觸時間有關,也與應力的大小、基體的性質及增強材料的幾何組織、性質和預處理有關,此外還與復合材料的表面的狀態有關,纖維末端暴露的材料更易受到損害。

  聚合物的熱降解有多種模式和途徑,其中可能幾種模式同時進行。如可通過"拉鏈"式的解聚機理導致完全的聚合物鏈的斷裂,同時產生揮發性的低分子物質。其它的方式包括聚合物鏈的不規則斷裂產生較高分子量的產物或支鏈脫落,還有可能形成環狀的分子鏈結構。填料的存在對聚合物的降解有影響,某些金屬填料可通過催化作用加速降解,特別是在有氧存在的地方。樹脂基復合材料的著火與降解產生的揮發性物質有關,通常加入阻燃劑減少著火的危險。某些聚合物在高溫條件下可產生一層耐熱焦炭,這些聚合物與尼龍、聚酯纖維等復合后,因這些增強物本身的分解導致揮發性物質產生可帶走熱量而冷卻燒焦的聚合物,進一步提高耐熱性,同時賦予復合材料以優良的力學性能,如良好的坑震性。

  許多聚合物因受紫外線輻射或其它高能輻射的作用而受到破壞,其機理是當光和射線的能量大于原子間的共價鍵能時,分子鏈發生斷裂。鉛填充的聚合物可用來防止高能輻射。紫外線輻射則一般受到更多的關注,經常使用的添加劑包括炭黑、氧化鋅和二氧化鈦,它們的作用是吸收或者反射紫外線輻射,有些無面填料可以和可見光一樣傳輸紫外線,產生熒光。

  力學降解是另一種降解機理,當應力的增加頻率超過一個鍵通過平移所產生的響應能力時,就發生鍵的斷裂,由此形成的自由基還可能對下一階段的降解模式產生影響。硬質和脆性聚合物基體應變小,可進行有或者沒有鏈斷裂的脆性斷裂,而較軟但粘性高的聚合物基體大多是力學降解的。
 
四 樹脂基復合材料的工藝特點

  樹脂基復合材料的成型工藝靈活,其結構和性能具有很強的可設計性。樹脂基復合材料可用模具一次成型法來制造各種構件,從而減少了零部件的數量及接頭等緊固件,并可節省原材料和工時;更為突出的是樹脂基復合材料可以通過纖維種類和不同排布的設計,把潛在的性能集中到必要的方向上,使增強材料更為有效地發揮作用。通過調節復合材料各組分的成分、結構及排列方式,既可使構件在不同方向承受不同的作用力,還可以制成兼有剛性、韌性和塑性等矛盾性能的樹脂基復合材料和多功能制品,這些是傳統材料所不具備的優點。樹脂基復合材料在工藝方面也存在缺點,比如,相對而言,大部分樹脂基復合材料制造工序較多,生產能力較低,有些工藝(如制造大中型制品的手糊工藝和噴射工藝)還存在勞動強度大、產品性能不穩定等缺點。

  樹脂基復合材料的工藝直接關系到材料的質量,是復合效應、"復合思想"能否體現出來的關鍵。原材料質量的控制、增強物質的表面處理和鋪設的均勻性、成型的溫度和壓力、后處理及模具設計的合理性都影響最終產品的性能。在成型過程中,存在著一系列物理、化學和力學的問題,需要綜合考慮。固化時在基體內部和界面上都可能產生空隙、裂紋、缺膠區和富膠區;熱應力可使基體產生或多或少的微裂紋,在許多工藝環節中也都可造成纖維和纖維束的彎曲、扭曲和折斷;有些體系若工藝條件選擇不當可使基體與增強材料之間發生不良的化學反應;在固化后的加工過程中,還可進一步引起新的纖維斷裂、界面脫粘和基體開裂等損傷。如何防止和減少缺陷和損傷,保證纖維、基體和界面發揮正常的功能是一個非常重要的問題。

  樹脂基復合材料的成型有許多不同工藝方法,連續纖維增強樹脂基復合材料的材料成型一般與制品的成型同時完成,再輔以少量的切削加工和連接即成成品;隨機分布短纖維和顆粒增強塑料可先制成各種形式的預混料,然后進行擠壓、模塑成型。
五  組合復合效應

  復合體系具有兩種或兩種以上的優越性能,稱為組合復合效應貧下中農站這樣的情況很多,許多的力學性能優異的樹脂基復合材料同時具有其它的功能性,下面列舉幾個典型的例子。

  1、光學性能與力學性能的組合復合
  纖維增強塑料,如玻璃纖維增強聚酯復合材料,同時具有充分的透光性和足夠的比強度,對于需要透光的建筑結構制品是很有用的。

  2、電性能與力學性能的組合復合
  玻璃纖維增強樹脂基復合材料具有良好的力學性能,同時又是一種優良的電絕緣材料,用于制造各種儀表、電機與電器的絕緣零件,在高頻作用下仍能保持良好的介電性能,又具有電磁波穿透性,適制作雷達天線罩。聚合物基體中引入炭黑、石墨、酞花菁絡合物或金屬粉等導電填料制成的復合材料具有導電性能,同時具有高分子材料的力學性能和其它特性。

  3、熱性能與力學性能的組合復合
  ①耐熱性能 樹脂基復合材料在某些場合的使用除力學性能外,往往需要同時具有好的耐熱性能。
  ②耐燒蝕性能 航空航天飛行器的工作處于嚴酷的環境中,必須有防護材料進行保護;耐燒蝕材料靠材料本身的燒蝕帶走熱量而起到防護作用。玻璃纖維、石英纖維及碳纖維增強的酚醛樹脂是成功的燒蝕材料。酚醛樹脂遇到高溫立即碳化形成耐熱性高的碳原子骨架;玻璃纖維還可部分氣化,在表面殘留下幾乎是純的二氧化硅,它具有相當高的粘結性能。兩方面的作用,使酚醛玻璃鋼具有極高的
(發布時間:2008/3/4)
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