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发表于 2007-10-19 15:27:52
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来自： 中国陕西西安
耐超高温材料研究$ \) s8 Z& B7 o3 ~ w0 k0 I9 Z: H
刘军[1] 熊翔[2] 王建营[3] 黄伯云[2][1]国防科技大学一院CFC室，长沙410073／／中南大学粉末冶金研究院，长沙410083 [2]中南大学粉末冶金研究院，长沙410083 [3]总装备部军事医学研究所，北京1001010 Y$ r5 m6 R$ {, O; M- Z* C3 v9 R
2005年 35卷 1期《宇航材料工艺》% I4 _2 @5 y T3 m
Aerospace Materials & Technology 起止页码：6-9
) q$ d5 h1 ]8 c m$ a, a+ A摘 要:综述了可用于2200—3000℃高温环境下难熔金属、陶瓷及碳／碳复合材料等研究进展和各种材料的优缺点；介绍了提高材料性能所采取的方法，指出了耐超高温材料研究的发展方向。
* X' f; {7 A' \* z看看它们的最新成果! J" }1 k# V3 i3 _6 @8 s2 }
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复合材料及其发展概况
; e2 v. ^' t3 ?) Y4 s摘 要: 材料是高新技术发展和现代文明的物质基础, 材料科学一直是活跃的科学前沿。材料是人类文明发展的里程碑：历史上所谓石器- 青铜- 铁器时代，就以材料作为时代标志。材料是技术进步的关键。没有半导体材料, 就不会有计算机；没有耐高温、高强、低容重的结构材料就没有宇航事业。而在当今材料的应用中，复合材料的应用是尤为重要的。下面说一下我对复合材料的一些认识。
; p( h( X8 I- r L" m, q, _$ F关键词:材料 复合
. ~8 {0 d# Y- H/ N. S1 复合材料的组成; Z) t( i# k8 w9 n% J8 q
复合材料由增强物和基体组成，增强物起着承受载荷的主要作用，其几何形式有长纤维、短纤维和颗粒状物等多种；基体起着粘结、支持、保护增强物和传递应力的作用，常采用橡胶、石墨、树脂、金属和陶瓷等。近代复合材料最重要的有两类：一类是纤维增强复合材料，主要是长纤维铺层复合材料，如玻璃钢；另一类是粒子增强复合材料，如建筑工程中广泛应用的混凝上。纤维增强复合材料是一种高功能材料，它在力学性能、物理性能和化学性能等方面都明显优于单一材料。
( [9 L9 w4 [" x/ w2 e7 f6 D2 复合材料的特性6 E' X& v$ S1 V ^! t2 o4 N1 @+ p
(1)复合材料的比强度和比刚度较高。材料的强度除以密度称为比强度；材料的刚度除以密度称为比刚度。这两个参量是衡量材料承载能力的重要指标。比强度和比刚度较高说明材料重量轻，而强度和刚度大。这是结构设计，特别是航空、航天结构设计对材料的重要要求。现代飞机、导弹和卫星等机体结构正逐渐扩大使用纤维增强复合材料的比例。
* `* B' K6 \5 G(2)复合材料的力学性能可以设计，即可以通过选择合适的原材料和合理的铺层形式，使复合材料构件或复合材料结构满足使用要求。例如，在某种铺层形式下，材料在一方向受拉而伸长时，在垂直于受拉的方向上材料也伸长，这与常用材料的性能完全不同。又如利用复合材料的耦合效应，在平板模上铺层制作层板，加温固化后，板就自动成为所需要的曲板或壳体。
4 z; ]! B6 _! |! d3 g' N(3)复合材料的抗疲劳性能良好。一般金属的疲劳强度为抗拉强度的40～50%，而某些复合材料可高达70～80%。复合材料的疲劳断裂是从基体开始，逐渐扩展到纤维和基体的界面上，没有突发性的变化。因此，复合材料在破坏前有预兆，可以检查和补救。纤维复合材料还具有较好的抗声振疲劳性能。用复合材料制成的直升飞机旋翼，其疲劳寿命比用金属的长数倍。
" I" t; M0 L5 P& ~ j(4)复合材料的减振性能良好。纤维复合材料的纤维和基体界面的阻尼较大，因此具有较好的减振性能。用同形状和同大小的两种粱分别作振动试验，碳纤维复合材料粱的振动衰减时间比轻金属粱要短得多。8 W/ f5 ~8 {3 K& g3 h
(5) 复合材料通常都能耐高温。在高温下，用碳或硼纤维增强的金属其强度和刚度都比原金属的强度和刚度高很多。普通铝合金在400℃时，弹性模量大幅度下降，强度也下降；而在同一温度下，用碳纤维或硼纤维增强的铝合金的强度和弹性模量基本不变。复合材料的热导率一般都小，因而它的瞬时耐超高温性能比较好。; B7 N' [; a5 o+ m g# i
(6)复合材料的安全性好。在纤维增强复合材料的基体中有成千上万根独立的纤维。当用这种材料制成的构件超载，并有少量纤维断裂时，载荷会迅速重新分配并传递到未破坏的纤维上，因此整个构件不至于在短时间内丧失承载能力。
3 M" C- M' f1 p b. k0 G(7)复合材料的成型工艺简单。纤维增强复合材料一般适合于整体成型，因而减少了零部件的数目，从而可减少设计计算工作量并有利于提高计算的准确性。另外，制作纤维增强复合材料部件的步骤是把纤维和基体粘结在一起，先用模具成型，而后加温固化，在制作过程中基体由流体变为固体，不易在材料中造成微小裂纹，而且固化后残余应力很小。
! r$ L9 n- U+ S/ w2 }8 K; `8 E, b3 复合材料中存在的问题
4 d: W8 u7 f. _! Z- K(1)常规材料存在的力学问题，如结构在外力作用下的强度、刚度，稳定性和振动等问题，在复合材料中依然存在，但由于复合材料有不均匀和各向异性的特点，以及由于材料几何(各材料的形状、分布、含量)和铺层几何( 各单层的厚度、铺层方向、铺层顺序) 等方面可变因素的增多，上述力学问题在复合材料力学中都必须重新研究，以确定那些适用于常规材料的力学理论、方法、方程、公式等是否仍适用于复合材料，如果不适用， 应怎样修正。; y1 Y6 Q+ U- Y8 s2 {- k
(2)复合材料中还有许多常规材料中不存在的力学问题，如层间应力( 层间正应力和剪应力耦合会引起复杂的断裂和脱层现象)、边界效应以及纤维脱胶、纤维断裂、基体开裂等问题。8 m! A& o$ p2 b! d6 z6 n
(3)复合材料的材料设计和结构设计是同时进行的，因而在复合材料的材料设计( 如材料选取和组合方式的确定) 、加工工艺过程(如材料铺层、加温固化)和结构设计过程中都存在力学问题。2 I2 p' g# D/ s
(4) 复合材料难以分解，污染环境，且焚烧会产生有毒物质，危害人的身体健康。这些还有待我们的进一步研究来解决，使复合材料更适合我们人类使用。+ ?) F4 E4 n$ Y( Z5 L
4 复合材料受到世界各国如此重视，得到迅速发展的原因
! K, @; Y. v- u, |5 x6 l7 ~(1)国际军事工业激烈竞争，航空航天技术发展需要。如宇宙飞船或卫星返回地面若不控制，外表温度可达4000℃。合金钢2000℃也熔化了。目前没有任一种单一材料可抵此温度。飞船宇宙飞行时，外壁温度为零下110℃，返回地面，高温冲击时间30min，外壁温度为1250℃。美国航天飞机“哥伦比亚号”外表覆盖了可重复使用的聚合物基复合材料隔热瓦片30757 块，成功解决了难题。# Y( \( Q6 o6 v5 H* Q5 g
(2)新技术的需要促进了复合材料的发展。' C" C0 Q6 U9 v |' D7 l# j
(3)地球上金属资源与化石能源越用越少，石油天燃气等本世纪末将用尽，开发与节约能源为当务之急。& l: s6 z, j# Q# H) o+ s/ z& `
(4)科学技术的进步为复合材料的发展提供了条件。0 K8 I3 n. Q: Z, O& }7 @1 p
(5)为了克服碳纤维、硼纤维不耐高温和抗剪切能力差等缺点 G. p( A& G2 `3 { O! C, w3 T+ ?
5 复合材料的发展近况
& v' V% ?* r$ h4 M2 r5 A z目前全世界复合材料的年产量已达5 5 0多万吨，年产值达1300 亿美元以上，若将欧、美的军事航空航天的高价值产品计入，其产值将更为惊人。从全球范围看，世界复合材料的生产主要集中在欧美和东亚地区。近几年欧美复合材料产需均持续增长，而亚洲的日本则因经济不景气，发展较为缓慢，但中国尤其是中国内地的市场发展迅速。据世界主要复合材料生产商P P G 公司统计，2 0 0 0 年欧洲的复合材料全球占有率约为3 2 % ，年产量约2 0 0 万吨。与此同时，美国复合材料在20 世纪90 年代年均增长率约为美国GDP 增长率的2 倍，达到4%~6%。2000年，美国复合材料的年产量达1 7 0 万吨左右。特别是汽车用复合材料的迅速增加使得美国汽车在全球市场上重新崛起。亚洲近几年复合材料的发展情况与政治经济的整体变化密切相关，各国的占有率变化很大。总体而言，亚洲的复合材料仍将继续增长，2000年的总产量约为145 万吨，预计2005 年总产量将达1 8 0 万吨。* t/ a3 W* q9 [' z" F( u3 F
以上这些是我通过查寻资料和结合自己平时所学的知识得出的一些见解，希望能对读者有所帮助，如果大家读后觉得有什么不对的话，那么希望大家能给我指出来，我会虚心受教。 |
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发表于 2007-10-19 14:14:38
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