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復合材料的應用局限與改進方向

作者:中國玻璃纖維復合材料信息網來源:中國玻璃纖維復合材料信息網 瀏覽次數: 日期:2020年9月7日 10:29

毋庸置疑,與典型金屬材料相比,先進復合材料也有其不足之處。首先是其厚度方向( z方向)強度不足,雖然這個缺點可以有限地通過使用二點五維或三維增強體改善,但是由于這種方法不能完全避免纖維的彎折,無法達到X、Y方向可能達到的強度。盡管如此,這仍是目前最有效的方法,即使用三維編織的纖維預成型體通過液體樹脂或樹脂膜成型。
但是,三維編織纖維預成型體價格昂貴,而且難以編織大型零部件,應用的廣泛程度受到很大限制。復合材料短切氈另一個比較明顯的缺陷是它們比金屬材料低的損傷容限以及對內部損傷探測困難。低損傷容限的弱點對熱固性聚合物基復合材料尤為明顯,好在通過各種增韌手段以及對增強體及其表面的改性,或者使用二到三維的纖維預成型體,都能大大改善材料的損傷容限。
另一方面,復合材料的損傷(不是破壞)常常表現在層間分離,這種損傷在材料受到低速沖擊時,如掉落的工具或冰雹等,尤為典型。在這種情況下,盡管材料的表面往往沒有任何凹陷或破壞,但內部可能已經產生分離或分層,造成事故隱患。雖然無損檢測( non-destructive inspection , NDI )方法如超聲波C掃描等日益先進和普及,但畢竟價格不菲,操作也頗為復雜,因此復合材料,尤其是熱固性復合材料的增韌一直是領域內一個非常重要的研究方向。熱塑性復合材料損傷容限高,而且可以像金屬那樣進行焊接,因此在這方面有特別的功用,不過它們的加工難度和其他不足使得它們無法完全取代熱固性復合材料。
此外,含有碳纖維的復合材料與金屬接觸情況下的電化學腐蝕也是需要注意的。其他方面如復合材料的高成本和回收重復利用難度等,此處不一一討論。需要說明的是,有些復合材料的性能是逐步得到認識和認可的,例如在波音787的研制過程中,曾有相當多的批評聲音和方格布質疑,認為如果飛機緊急迫降或摔機著陸時,復合材料機身會破裂、燃燒并釋放出有毒氣體,后來波音公司在FAA (美國聯邦航空管理局)的監督下做了實地測試,大量的數據表明復合材料機身在這些情況下,并不比金屬機身會更加危險或釋放出更多的有毒氣體??傊?,復合材料各向異性的特質使得它們在設計上和使用上都需要進行與各向同性的金屬材料完全不同的考量,必須對它們物理和力學性能的方向性有充分的認識,才能達到對復合材料的最佳設計和利用。

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