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什么是复合材料? 复合材料基材的作用是什么?
发布时间:2017-03-11 16:41 | 浏览次数:


  何谓复合材料?复合材料就是两种或两种以上不同性质,不同型态的组成材料经过复合手段组合而成的一种多相材料。从组成与结构部份来看,其中一相是连续的,称为基材(matrix)(基材相),另一相是分散的被基材包容,称为强化材(补弦相或强化材相),然从微观上来看,强化材相和基材相之间的界面由于复合时之物理与化学因素,会变的既不同于基材相、又不同于强化材相,但此一结构对复合材料之性能会产生影响,界面附近之结构与性能务生变化的区域可为一相,称界面相。

复合材料板

  强化材之功用主要在使成品具有高刚性及高强度,一般使用高比强度(比强度:材料的抗拉强度与密度之比称之)及高比弹性模数(比弹性模数:材料的杨氏模数与密度之比)之材料,以颗粒、薄月、短纤维或连续纤维之形式散布在基材内,以得到「轻的质量、高的强度」的复合材料,例如纤维材常用的有碳纤维(碳纤维复合材料其比强度比钢高5倍、比铝合金高3.5倍)和玻璃纤维;纤维强化高分子基复合材料具有质量轻、单位重量之强度与刚性均高,韧性强,且能耐天候、耐腐蚀,耐疲劳等性质,其应用范围包括航太工业、民生工业、交通工具、化学工业、压力容器等。(例如Aramidfibers俗称kevlarokevlar的抗拉能力几乎等于结构用钢筋,但是重量却只有钢筋的五分之一。常用于航太工业和一些工程的应用)。

  有些复合材料其比热、熔融热、气化热大,耐热性较好,在高热下能吸收大量热能,可为良好的耐烧蚀材料。

  一般金属材料之疲劳弦度极限约为其抗扛强度之30~50%,而有些复合材料之疲劳强度极限可达其抗扛强度之70~80%(例如:碳纤维树脂基复合材料),故可做出耐疲劳性好之复合材料。

  单独之纤维虽具有非常高的抗拉弦度及刚性,但承担轴向压应力却较小,若在无保护状况下,纤维表面容易受到周遭环境化学成分之侵蚀而产生表面缺陷,使强度下降,另一方面各独立纤维间之机械性质差异很大,作为结构件,光凭纤维是难以与其他结构件互相结合以组成结构,因此需要基材的帮忙。

 基材之功能包括:

  (一)固定结构外型,结合A化材,以维持强化材所需之走向与形状。

  (二)将负荷分散传递至强化纤维。

  (三)对强化纤维提供侧向支撑,使弦化纤维有抗挂曲能力,使结构具有耐压强度。

  (四)保护弦化材以避免因直接机械性接触而导致表面被磨损。

  (五)阻绝外界恶劣之环境,保护强化纤维不受外界化学成分所侵蚀。

  (六)使成品具有水密性。

碳纤维基材

  常用的基材可分树脂基复合材料、金属基复合材料及非金属机基复合材料,树脂基复合材料包括各种热固性树脂基与热塑性树脂基高分子材料,前者如不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、聚氨酯树脂等,後者如聚丙烯、聚醚醚酮、耐隆、PPS等。所谓的热固性,是指高分子一旦聚合成型後,加温将无法使其熔化,温度够高,只会促使其分解,会有这样的特性是高分子间有程度不等的连结。

  至于热塑性基材,是指高分子一旦聚合成型後,加温可使其熔化流动,有这样特性的高分子其分子形状是较为线性,高分子与高分子间只以较弱之二次键键结,容易予以打破并容许高分子间作相对之滑动。

  另以金属为基材者为金属基复合材料,如铝基复合材料、*基复合材料、镁基复合材料、银基复合材料、钢基复合材料、锌基复合材料及铅基复合材料等。以无机非金属为基材之无机非金属复合材料,可分陶瓷基、玻璃陶瓷基、水泥基、耐米陶瓷基复合材料等,例如陶瓷基之碳化矽基复合材料、氧化铝基复合材料、Sialon陶瓷基复合材料等)

  复合材料之命名是以相为基础,是将强化相(补强相)放在前面,基材相放在後面,之後再加以复合材料,如碳纤维和环氧树脂构成的复合材料称为「碳纤维环氧基复合材料」,通常写为“碳纤维一环气复合材料”,有时更简化为“碳纤维一环氧”,硼纤维与铝构成的复合材料称为“硼一铝复合材料”,简写为“硼一铝”

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