复合材料的特点浅析

复合材料可以是不同的非金属材料相互复合，还可以是不同的金属材料或金属与非金属材料相互复合。与其他传统材料比较，复合材料具有以下性能特点。

1.复合材料的比强度和比模量较高

复合材料具有比其他材料高得多的比强度(抗拉强度除以相对密度)和比模量(弹性模量除以密度)。众所周知，许多结构和设备，不但要求材料的强度高，还要求密度小。复合材料就具备这种特性，如碳纤维增强环氧树脂的比强度是钢的7倍，比模量比钢大3倍。材料的比强度高，则所制作零件的质量和尺寸可减少；材料的比模量大，则零件的刚性大。一般使用复合材料制作的构件比使用钢制作的构件的质量可减轻70%左右，并且使用复合材料所制成的构件强度和刚度与钢制作的构件基本相同。

2.复合材料抗疲劳性能好

金属在疲劳载荷作用下的断裂是内部裂纹扩展的结果，疲劳破坏就是裂纹不断扩展，直至最后材料的承载能力丧失而突然断裂。金属材料，尤其是高强度金属材料，在循环载荷的作用下，对裂纹非常敏感，容易产生突发性破坏，并且金属材料的疲劳破坏一般没有预兆，容易造成重大事故。而在纤维增强复合材料中，每平方厘米截面上有成千上万根独立的增强纤维，外加载荷由增强纤维承担，受载后如果有少量纤维断裂，载荷会迅速重新分布，由未断的纤维承担。另外，复合材料内部缺陷少、基体塑性好，有利于消除或减少应力集中现象。这样就使复合材料构件丧失承载能力的过程延长了，并在破坏前有预兆性，可提醒人们及时采取有效措施。例如，碳纤维增强聚酯树脂的疲劳极限相当于其抗拉强度的70%～80%，而金属材料的疲劳极限一般只有其抗拉强度的40%～50%。

3.复合材料结构件减振性能好

工程上有许多机械结构，在工作过程中振动问题十分突出，如飞机、汽车及各种动力机械，当外加载荷的频率与结构的自振频率相同时，将产生严重的共振现象。共振会严重威胁结构的安全运行，有时会造成灾难性事故。据研究，结构的自振频率除了同结构本身的形状有关外，还与材料比模量的平方根成正比。纤维增强复合材料的自振频率高，可以避免产生共振。同时纤维与基体的界面对振动具有反射和吸振能力，故振动阻尼很高。例如，用同样尺寸和形状的梁进行试验，金属梁需9s才停止振动，而碳纤维复合材料只要2.5s，可见阻尼之高。

4.复合材料高温性能好(www.xing528.com)

一般铝合金在400℃时，其弹性模量会急剧下降并接近于零，强度也会显著下降。纤维增强复合材料中，由增强纤维承受外加载荷。而增强纤维中除玻璃纤维的软化点较低(700℃～900℃)外，其他纤维材料的软化点(或熔点)一般都在2000℃以上，如下表所示。用这类纤维材料制作复合材料，可以提高复合材料的耐高温性能，如玻璃纤维增强复合材料可在200℃～300℃下工作；碳纤维或硼纤维增强复合材料在400℃时，其强度和弹性模量基本保持不变。此外，由于玻璃钢具有极低的导热系数(只有金属的千分之一至百分之一)，因此可瞬时承受超高温，故可作耐烧蚀材料。

表　常用增强纤维的软化点

用钨纤维增强的钴、镍或其他合金，则可在1000℃以上工作，大大提高了金属的高温性能。

5.独特的成形工艺

复合材料制造工艺简单，易于加工，并可按设计需要突出某些特殊性能，如增强减摩性、增强电绝缘性、提高耐高温性等。另外，复合材料构件可以整体一次成形，减少零部件、紧固体和接头的数目，提高材料利用率。

目前纤维复合材料还存在一些问题，如各向异性力学性能差异较大(横向抗拉强度和层间剪切强度比纵向低得多)，断裂伸长较小，抵抗冲击载荷能力较低，成本高，价格贵等。这些问题解决后，将使复合材料的推广和应用得到进一步发展。