纤维增强复合材料:纤维增强复合材料

由高性能增强纤维和基体(金属、合金、树脂、高分子材料和陶瓷等)经复合加工获得的材料。该材料于20世纪50年代开始开发，是力学性能优良的复合材料。它的主要特点如下：

(1)比强度、比模量高。比强度、比模量是材料承载能力的重要指标。在航天、航空设计中，是选择材料的一个主要指标。与铝、钛、钢等常用金属相比，纤维增强复合材料有很高的比强度和比模量，如图所示。碳／铝合金，碳／镁合金的比强度为钢的6倍，比模量为钢的10倍。这些材料作为结构材料，具有重量轻、强度高、刚性好等优点，可大大提高构件的结构效率，是卫星、导弹、飞机、汽车等理想结构材料。部分纤维增强复合材料典型力学性能见表。

纤维增强复合材料力学性能

(2)高减震性能。结构的自振频率除与结构本身形状有关外，还与材料的比模量平方根成正比，高的自振频率避免了工作状态下共振引起的早期破坏。同时复合材料中的纤维与基体界面具有吸振能力，因此振动阻尼高。尺寸和形状相同的梁、铝合金需9s才停振，而碳纤维／铝复合材料只需2.5s。

(3)高温性能好。一般铝合金在400℃时，弹性模量接近于零，强度也大幅度下降；而硼或碳纤维增强的铝合金，在这个温度下强度和模量基本不变。

(4)破损安全性好。纤维增强复合材料含有大量纤维，每平方厘米面积上少则几千根，多则上万根，从力学观点上讲，是典型的静不定体系。当材料超载或少量纤维断裂时，载荷迅速分配到其他纤维上，整个构件在短时间内不致于丧失承载能力。

(5)抗疲劳性能好。金属材料的疲劳破坏是由里向外突然发展的，事先没有预兆。纤维增强复合材料中基体与纤维的界面能阻止裂纹扩展，疲劳破坏从纤维薄弱环节开始、逐渐扩展到结合面上，破坏前有明显预兆。一般金属材料疲劳极限是其强度的40％～50％，碳纤维／聚脂树脂复合材料可达70％～80％。

纤维增强复合材料制备方法有扩散粘结法、真空压力浸渍法、挤压铸造法、液态金属浸渍法、粉末冶金法和爆炸焊接法等6种。

纤维增强复合材料尚存在一些问题，如断裂伸长率低，抗冲击性差，横向强度和层间剪切强度低，此外，制造过程中工序多，手工劳动多，质量不稳定，成本也高。这些问题在一定程度上限制了它的应用范围。