複合材料與金屬材料的拉伸強度與拉伸模量對比分析

2021-02-08 復材網
從機械力學上，眾所周知，與金屬材料相比，複合材料的最大優勢是輕而強，也就是說,複合材料有更高的比強度和比模量。比強度和比模量由拉伸強度和拉伸模量除以密度得到，見表1-3。通常用來進行複合材料和金屬比較的是比拉伸強度和比拉伸模量。需要指出的是，一般在比較各種複合材料同金屬的拉伸性能時，都習慣性地使用增強纖維本身的強度，但是畢竟是複合材料，而不是纖維，才是材料最終的使用形態。因此筆者認為相對合理的比較應該是將複合材料中實際的纖維含量考慮進去，或者直接使用具體的複合材料的拉伸數據，尤其是當採用0/90的織物或準各向同性( quasi isotropic )的複合材料時更應該如此,見表1-3的最後三行數據。表1-3複合材料和金屬材料的比抗拉強度和比拉伸模量

從表1-3中的比強度和比模量數據可以看出，參與比較的三種金屬材料的比強度和比模量(也就是比剛度)相當，而金屬基的硼纖維鋁複合材料則明顯高於它們,因此如果採用這種複合材料代替這三種金屬材料將具有減重效果。玻璃纖維是一個分界線，從比模量來看，使用玻璃纖維增強複合材料與金屬材料相比並沒有優勢,但強度略好於金屬，由此可見,玻璃纖維增強複合材料在航空航天上減重效果有限。這類材料仍然得到廣泛使用的主要原因是因為它們的其他特性，如加工性、雷達波透明性、耐腐蝕性、成本等。從表1-3中看出，芳綸複合材料具有相當不錯的比強度和比剛度,從理論上講是良好的減重材料，但是由於它們的吸水性高(可達7%)、壓縮強度低，實際上它們作為結構材料的使用程度有限，而主要是用於航空器內部部件(因為它們的高阻燃性)或防彈器械(因為它們的高韌性)。反觀碳纖維的數據，則顯現出很好的綜合性能,其比強度和比剛度都大大高於金屬材料，加上它們不錯的壓縮強度、極低的熱膨脹係數和吸水率、高的熱穩定性，以及與所有的基體(聚合物、碳、金屬和陶瓷)優良的複合性和加工性，再加上可控的、穩定的製造工藝和不算離譜的價格，當仁不讓地成為先進複合材料,尤其是航空航天用先進複合材料的主力軍。

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