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如今,随着人们对民用飞机经济性要求的不断提高,复合材料正口益广泛地被运用剑飞机制造中。由于复合材料种类繁多,制造上艺复杂,一般人对此并不了解。因此,在具体淡及复合材料之前,首先需要明确什么是复合材料,复合材料跟简单混合物、化合物、合金等有什么区别。什么是复合材料
要给复合材料下一个严格而精确的定义是比较凼难的。目前,被广泛认可的复合材料定义多偏重于考虑复合后的性能或者结构,《材料大辞典>中的复合材料定义很有代表性——“复合材料是根据应用的需要进行设计,把两种以上的有机聚合物材料、无机非金属材料或金属材料组合在一起,使之瓦补性能优势,从而制成的一类新型材料。”
从这个定义可以看出复合材料的两个鲜明特点:一是可设计性,复合材料的组分和相对含量是由人工选择和设计的。二是性能优化,通过复合组分的设计,复合材料不仅能保持原组分的部分优点,而且产生了原组分所不具备的新性能,从而弥补单一材料的不足,使整体性能得到优化。这两大特点也是复合材料区别于简单混合物、化合物以及合金的关键特征。
复合材料的类型
要弄明白复合材料的种类,就要有针对性的分类方法。除了分类方法,我们还要对复合材料的结构有一个基本了解。
在复合材料的结构中,通常有一个相为连续相,称为“基体”,另一个相是以独立的形态分布在整个基体中的分散相。与基体相比,这种分散相往往性能优越,会使复合材料的整体性能显著增强,故常称为“增强体”(也称为增强相、增强材料等)。
复合材料的分类方法很多,主要是分类依据的差异。常见的分类依据包括复合材料的作用、增强体的数目、基体与增强体物质的异同、复合材料均匀性以及应用领域等。
下面结合几种常用的分类方法,介绍复合材料的种类和类型。
按照复合材料的作用,可以分为两大类一一结构复合材料和功能复合材料。结构复合材料主要是作为承力结构使用的复合材料。功能复合材料一般具备某种特殊的物理与化学性能,其增强体又称为功能体。功能复合材料按照材料的特殊功能,可以分为导电、导磁、屏蔽、隐身、换能和阻尼功能复合材料等。
结构复合材料可以按照基体和增强体的不同类型来进一步分类。结构复合材料按照基体材料的不同,可以分为树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料、水泥基复合材料和碳基复合材料等。其中,树脂基复合材料又可以按照树脂类型的不同,细分为热固性树脂基复合材料和热塑性树脂基复合材料。
目前,飞机结构主要采用热固性树脂基复合材料。按照树脂体系的不同,可具体分为环氧、酚醛、双马来酰亚胺等树脂基复合材料。其中,双马来酰亚胺树脂基复合材料主要应用于耐高温结构,如战斗机;环氧树脂基复合材料最常用于商用飞机、通用飞机和直升机。
按固化工艺温度的不同,又可细分为中温和高温固化环氧复合材料,前者多用于通用飞机、直升机以及商用飞机的非承力结构,如整流罩等,而在商用飞机的承力结构中多应用高温固化的环氧树脂基复合材料。
结构复合材料按照增强体类型的不同,可以分为纤维增强复合材料、颗粒增强复合材料、片材和纳米增强复合材料等。其中,纤维增强复合材料又可以按照纤维类型的不同,细分为玻璃纤维复合材料、碳纤维复合材料、有机纤维复合材料(如芳香族聚酰胺纤维等)、金属纤维复合材料(如钨丝、不锈钢丝等)、陶瓷纤维复合材料(如硼纤维、碳化硅纤维等)。
按照纤维的连续性,可以细分为两类——连续纤维复合材料和非连续纤维复合材料(如短切纤维等)。
目前,飞机结构主要采用连续碳纤维复合材料。其中,碳纤维主要为标模(相当于东丽公司T300水平)和中模高强(相当于东丽公司T800水平)纤维,前者主要应用于飞机次承力结构,而后者主要应用于飞机的主承力结构。
按照碳纤维在复合材料中的排布形式不同,可分为单向、织物及三维编织复合材料;按照复合材料构件的结构形式,又可分为层合板结构复合材料和夹层结构复合材料,后者所用芯材常为泡沫或蜂窝材料。
要给复合材料下一个严格而精确的定义是比较凼难的。目前,被广泛认可的复合材料定义多偏重于考虑复合后的性能或者结构,《材料大辞典>中的复合材料定义很有代表性——“复合材料是根据应用的需要进行设计,把两种以上的有机聚合物材料、无机非金属材料或金属材料组合在一起,使之瓦补性能优势,从而制成的一类新型材料。”
从这个定义可以看出复合材料的两个鲜明特点:一是可设计性,复合材料的组分和相对含量是由人工选择和设计的。二是性能优化,通过复合组分的设计,复合材料不仅能保持原组分的部分优点,而且产生了原组分所不具备的新性能,从而弥补单一材料的不足,使整体性能得到优化。这两大特点也是复合材料区别于简单混合物、化合物以及合金的关键特征。
复合材料的类型
要弄明白复合材料的种类,就要有针对性的分类方法。除了分类方法,我们还要对复合材料的结构有一个基本了解。
在复合材料的结构中,通常有一个相为连续相,称为“基体”,另一个相是以独立的形态分布在整个基体中的分散相。与基体相比,这种分散相往往性能优越,会使复合材料的整体性能显著增强,故常称为“增强体”(也称为增强相、增强材料等)。
复合材料的分类方法很多,主要是分类依据的差异。常见的分类依据包括复合材料的作用、增强体的数目、基体与增强体物质的异同、复合材料均匀性以及应用领域等。
下面结合几种常用的分类方法,介绍复合材料的种类和类型。
按照复合材料的作用,可以分为两大类一一结构复合材料和功能复合材料。结构复合材料主要是作为承力结构使用的复合材料。功能复合材料一般具备某种特殊的物理与化学性能,其增强体又称为功能体。功能复合材料按照材料的特殊功能,可以分为导电、导磁、屏蔽、隐身、换能和阻尼功能复合材料等。
结构复合材料可以按照基体和增强体的不同类型来进一步分类。结构复合材料按照基体材料的不同,可以分为树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料、水泥基复合材料和碳基复合材料等。其中,树脂基复合材料又可以按照树脂类型的不同,细分为热固性树脂基复合材料和热塑性树脂基复合材料。
目前,飞机结构主要采用热固性树脂基复合材料。按照树脂体系的不同,可具体分为环氧、酚醛、双马来酰亚胺等树脂基复合材料。其中,双马来酰亚胺树脂基复合材料主要应用于耐高温结构,如战斗机;环氧树脂基复合材料最常用于商用飞机、通用飞机和直升机。
按固化工艺温度的不同,又可细分为中温和高温固化环氧复合材料,前者多用于通用飞机、直升机以及商用飞机的非承力结构,如整流罩等,而在商用飞机的承力结构中多应用高温固化的环氧树脂基复合材料。
结构复合材料按照增强体类型的不同,可以分为纤维增强复合材料、颗粒增强复合材料、片材和纳米增强复合材料等。其中,纤维增强复合材料又可以按照纤维类型的不同,细分为玻璃纤维复合材料、碳纤维复合材料、有机纤维复合材料(如芳香族聚酰胺纤维等)、金属纤维复合材料(如钨丝、不锈钢丝等)、陶瓷纤维复合材料(如硼纤维、碳化硅纤维等)。
按照纤维的连续性,可以细分为两类——连续纤维复合材料和非连续纤维复合材料(如短切纤维等)。
目前,飞机结构主要采用连续碳纤维复合材料。其中,碳纤维主要为标模(相当于东丽公司T300水平)和中模高强(相当于东丽公司T800水平)纤维,前者主要应用于飞机次承力结构,而后者主要应用于飞机的主承力结构。
按照碳纤维在复合材料中的排布形式不同,可分为单向、织物及三维编织复合材料;按照复合材料构件的结构形式,又可分为层合板结构复合材料和夹层结构复合材料,后者所用芯材常为泡沫或蜂窝材料。