常用复合材料种类-《基础化学》

复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。

按基体材料的不同，常用的复合材料有金属基复合材料、塑料基复合材料、橡胶基复合材料和陶瓷基复合材料。

1.金属基复合材料

金属基复合材料（Metal Matrix Composite，简称MMC），相对应传统的金属材料来说，强度高而且重量轻，硬度比较高，具有优良的导电性和耐热性，韧性和抗冲击性能高，耐磨性好，常用于制造汽车制动盘、制动鼓、制动钳、活塞、传动轴以及轮胎螺栓上，是汽车轻量化的理想材料。2000年世界汽车工业对金属基复合材料的用量达到0.6万吨。随着复合材料本身性能和制备技术的不断提高，价格的日益下降，金属基复合材料必将在汽车上得到越来越广泛的应用。

图2-3-1　制动盘

图2-3-2　活塞

2.塑料基复合材料

作为机械工程材料，塑料的最大优点是密度小、耐腐蚀、可塑性好、易于加工成型。但强度低、弹性模具低、耐热性差。

使用最广泛的是纤维增强塑料。按纤维的性质可以把塑料基复合材料分为：玻璃纤维增强塑料、碳纤维增强塑料、硼纤维增强塑料、碳化硅纤维增强塑料、Kevlar纤维增强塑料等。

（1）玻璃纤维增强塑料

玻璃纤维增强塑料俗称玻璃钢。按照塑料的性质可以分为热固性玻璃钢和热塑性玻璃钢。可用于体育用品、各类耐高温制品以及性能优异的轮胎帘子线等。

图2-3-3　玻璃钢体育器材

图2-3-4　轮胎帘子线

图2-3-5　玻璃纤维增强塑料排水管

图2-3-6　玻璃纤维增强塑料电缆保护管

①热塑性玻璃钢

由体积分数为20%～40%的玻璃纤维与60%～80%的热塑性树脂组成，根据使用要求不同，主要有PP、PE、PA、PBT、PEI、PC、PES、PEEK、PI、PAI等热塑性工程塑料。具有高强度和高冲击韧性，良好的低温性能及低的热胀系数。高性能热塑性树脂基复合材料以注射件居多，基体以PP、PA为主。产品有管件、阀门、叶轮、轴承、电器及汽车零件、汽车踏板、座椅等。玻璃纤维增强聚丙烯在汽车中的应用包括通风和供暖系统、空气过滤器外壳、变速箱盖、座椅架、挡泥板垫片、传动皮带保护罩等。

图2-3-7　头盔

图2-3-8　热塑性复合材料蜂窝板

②热固性玻璃钢

由体积分数为60%～70%的玻璃纤维与30%～40%的热固性树脂组成。具有优良的化学稳定性、耐腐蚀性、良好的粘接性能和较高的机械强度，密度小、强度高、电绝缘性优异、绝热等。建筑方面主要用于内外墙板、透明瓦、卫生洁具、净化槽等；汽车上主要用于制造车身、引擎盖、保险杠等配件，火车上用来制造车厢板、门窗、座椅等。

图2-3-9　玻璃钢卫生洁具(www.xing528.com)

图2-3-10　玻璃钢外墙板

（2）碳纤维增强塑料

由碳纤维与聚酯、酚醛、环氧、聚四氟乙烯等树脂组成的复合材料。密度低、强度高、弹性模量高。性能优于玻璃钢，主要用于航天和航空工业中制作飞机机身、螺旋桨、发动机的护环材料等。

图2-3-11　碳纤维增强工程塑料

图2-3-12　碳纤维增强塑料车架

（3）硼纤维增强塑料

由硼纤维与环氧、聚酰亚胺等树脂组成的复合材料。有良好的耐热性。主要用于航天和航空工业中要求高刚度的构件，如飞机机身、机翼等。

（4）碳化硅纤维增强塑料

由碳化硅纤维与环氧树脂组成的复合材料。抗拉强度和抗压强度高，主要用于宇航器上的结构，比金属轻30%。还可以制作飞机的门、降落传动装置、机翼等。

3.橡胶基复合材料

橡胶具有弹性高，减振性好，热导率低，绝缘等优点，但强度和弹性低，耐磨性差。为了改善橡胶制品的性能，可以用增强纤维或粒子与其复合，制备纤维增强橡胶和粒子增强橡胶制品。

纤维增强橡胶主要用于制造轮胎、皮带、橡胶管、橡胶布等。粒子增强橡胶是利用补强剂提高橡胶的抗拉强度、撕裂强度和耐磨性等。

图2-3-13　纤维增强橡胶软管

图2-3-14　纤维增强橡胶自粘带

4.陶瓷基复合材料

陶瓷具有耐高温，抗氧化，耐腐蚀，弹性高，抗压强度大等优点。但陶瓷脆性大，不能承受剧烈的机械冲击和热冲击。陶瓷基复合材料是用纤维或粒子与陶瓷制成复合材料，属于耐热结构复合材料。陶瓷基复合材料具有密度低，韧性高，抗氧化、耐热、比强度和比模量高，工作温度在1250～1650℃。可用作高温发动机的部件。主要有纤维增强陶瓷复合材料和粒子增强陶瓷复合材料两种。

图2-3-15　陶瓷基复合材料发动机组件

图2-3-16　陶瓷基复合材料涡轮发动机

现代高科技的发展离不开复合材料，复合材料对现代科学技术的发展，有着十分重要的作用。复合材料的研究深度和应用广度及其生产发展的速度和规模，已成为衡量一个国家科学技术先进水平的重要标志之一。在巨大的市场需求下，复合材料产业的发展将有很广阔的发展空间。

思　考

1.什么是复合材料？

2.常用的复合材料有哪些？