(1)复合材料 复合材料是由两种或两种以上化学本质不同的组分经人工合成的材料,其结构为多相,一类组成相为基体,起粘接作用;另一类组成相为增强相,用以增强材料的力学性能和提高材料的比强度、比刚度等。先进复合材料是比通用复合材料有更高综合性能的新型材料,它包括树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料和碳基复合材料等。先进复合材料具有高的比强度、高的比模量、耐烧蚀、抗侵蚀、抗核、抗粒子云、透波、吸波、隐身、抗高速撞击等一系列优点,是工业发展中最重要的一类工程材料。
单一成分的材料在其力学性能方面有些情况下很难满足需要,人们将多种单一材料采用各种方法混合在一起形成新的混合材料,也就是复合材料的雏形。现在常用的复合材料是在工业技术不断创新和发展的基础上发展起来的。
复合材料按性能可分为:功能型复合材料和结构型复合材料两种;按基体分类可分为高分子基(PMC)、金属基(MMC)和陶瓷基(CMC)复合材料;按增强相的种类、形状分类,可分为颗粒状、层状和纤维增强复合材料。纤维增强复合材料应用最多,高分子基的纤维增强复合材料通常也称纤维增强塑料(FRP),金属的纤维增强复合材料也称纤维增强金属(FRM),陶瓷基的纤维增强复合材料称纤维增强陶瓷(FRC)。纤维增强复合材料还包括碳纤维增强碳素复合材料(C/C),一般把它编入CMC范围。
在FRP材料中,应用最多的是GFRP,即玻璃纤维增强塑料(俗称玻璃钢)。在FRM材料中,有连续纤维增强金属、晶须增强金属和粒子增强金属。在FRC材料中,有碳纤维系FRC、陶瓷纤维系FRC和晶须纤维系FRC,以及属于CMC类的C/C复合材料。
1)树脂基复合材料。树脂基复合材料具有良好的成形工艺性、高的比强度、高的比模量、低的密度、抗疲劳性、减振性、耐蚀性、良好的介电性能、较低的热导率等特点,广泛应用于汽车制造工业中。树脂基复合材料可分为热固性和热塑性两类。热固性树脂基复合材料是以各种热固性树脂为基体,加入各种增强纤维复合而成的一类复合材料;而热塑性树脂则是一类线性高分子化合物,它可以溶解在溶剂中,也可以在加热时软化和熔融变成黏性液体,冷却后硬化成为固体。树脂基复合材料具有优异的综合性能,制备工艺容易实现,且原料成本低。
2)金属基复合材料。金属基复合材料具有高的比强度、高的比模量、良好的高温性能、低热膨胀系数、良好的尺寸稳定性、优异的导电导热性。铝、镁、钛是金属基复合材料的主要基体,而增强材料一般可分为纤维、颗粒和晶须三类。碳纤维增强铝、镁基复合材料在具有高比强度的同时,还有接近于零的热膨胀系数和良好的尺寸稳定性。这类材料被广泛地应用于军事工业当中。(www.daowen.com)
3)陶瓷基复合材料。陶瓷基复合材料是以纤维、晶须或颗粒为增强体,与陶瓷基体通过一定的复合工艺结合在一起组成的材料的总称。由此可见,陶瓷基复合材料是在陶瓷基体中引入第二相组元构成的多相材料。它克服了陶瓷材料固有的脆性,已成为当前材料科学研究中最为活跃的一个方面。陶瓷基复合材料具有密度低、比强度高、热力学性能和抗热振冲击性能好的特点,是关键的支撑件材料之一。陶瓷材料的高温性能虽好,但其脆性大。改善陶瓷材料脆性大的方法有相变增韧、微裂纹增韧、弥散金属增韧和连续纤维增韧等。
(2)复合材料在汽车上的应用 高强度与高弹性模量的复合材料具有和金属材料相近的力学性能,在一定条件下有金属薄板所不能比拟的优点。如复合材料的质量很轻,节油效果明显;成形容易,制造成本低;耐腐蚀、热导率低,有利于隔音隔热;尺寸稳定性好;易于涂装等。所以,汽车车身轻量化的主要发展方向就是利用复合材料来替代部分金属材料。
目前在汽车上已经普遍应用的有:用玻璃纤维增强不饱和聚酯片状模塑料(SMC)制造的车身空气导流板、前翼子板和前挡泥板延伸部件、前照灯罩、发动机罩、装饰条、尾板等;用传递模塑工艺技术(RTM)制造的车身板件加强肋等;将树脂、填料、玻璃纤维等各种成分混炼成粒状料,然后模压成型,制造发动机室、挡板、空调器壳等。还有些复合材料在车身上的使用仍处于试验阶段,如用碳纤维复合材料(CFRP)制作的传动轴、悬架片簧、保险杠、车门、车身等,在不久的将来可实现大量应用。
(3)碳纤维复合材料 在碳纤维复合材料(CFRP)方面,由于碳纤维增强聚合物基复合材料有足够的强度和刚度,已在航天航空等领域广泛使用。它也是适用于制造汽车主结构——车身、底盘最轻的材料,受到汽车工业广泛重视。预计CFRP的应用可使汽车车身、底盘减轻重量40%~60%,相当于钢结构重量的1/6~1/3。用CFRP制造的板簧为14kg,减轻重量76%。但由于碳纤维增强复合材料的价格昂贵,碳纤维增强复合材料在汽车中的应用有限。为提高碳纤维增强复合材料的用量,发展廉价的碳纤维和高效率碳纤维增强复合材料的生产方法和工艺已成为汽车轻量化材料研究中的关键课题,并已取得了一些进展。
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