层压复合材料发表评论(0)编辑词条

　　层压复合材料(lamination composite materials)

　　两层或多层相同或不相同材料经复合加工叠压成超过单一组元层自身性能的复合材料。根据需要选择层压复合材料的不同组元层，可组成多种层压复合材料，并以各自具有的特性而被广泛地应用于多种行业。

　　种类 层压复合材料按不同组元材料的不同组合分金属一金属、金属一有机材料、金属一无机材料、有机材料一有机材料、有机材料一无机材料、无机材料一无机材料等多种类型。

　　性能 层压金属复合材料的性能包括弹性、屈服强度、塑性和断裂韧性等力学性能以及密度、导电性、导热性、化学反应性或抗腐蚀等物化性能。这些性能除与各组元材料的性能有关外，尚有复合材料自身的特点。

　　(1)弹性。层压复合材料的弹性模量不仅与组元层的弹性模量有关，而且与各组元层在层压复合材料中所占的体积比有关。层压板的弹性模量E=E1f1+E2f2+…+Enfn，式中E1，E2，…，En和fl，f2，…，fn分别是组元材料的弹性模量和体积比。由于高弹性模量材料具有高的弯曲刚度，而弯曲刚度主要取决于复合材料的外层，所以通过将少量的高弹性模量组元层包覆在低弹性模量组元层的外面即可生产出抗弯能力强的层压板。

　　(2)屈服强度与塑性。由于层压复合材料在外力作用时，每一组元内的应力并非与复合材料的平均应力一致。由于各组元材料的屈服强度不同及组元在层压复合材料中所占体积比例不等的特点，层压复合材料的屈服强度可以利用每一组元的屈服应变，按式σs=σseE/Ee=(σse /Ee)(E1f1+E2f2+…+Enfn)进行计算。式中σse和Ee是组元中最低的屈服强度和弹性模量；E1，E2，…，En和fl，f2，…，fn分别是组元材料的弹性模量和体积比。

　　(3)断裂韧性。当层压复合材料中的裂纹(无论是平行于组元结合面方向的裂纹还是垂直于结合面方向的裂纹)扩展时，裂纹将被裂纹扩展前方的结合面发生分层代替。所以层压复合材料具有对裂纹的抑制作用。复合强度弱的层压复合材料比复合强度高的层压复合材料具有更好的抗裂纹扩展性能。由于这一特性，层压复合材料尤其适用于耐压系统，制作压力容器，即使裂纹一旦穿透容器，也不易发生灾难性事故。

　　(4)导电性能。由组元层横截面积和导电率决定的平行于层压方向的导电率K=k1f1+k2f2+…+knfn，k1，k2，…，kn和f1，f2，…，fn是各组元材料的导电率和体积比。

　　(5)导热性能。用作烹饪用具和热交换器的层压复合材料应有不同的导热性能。前者在复合材料的平行于层压方向应有好的导热性，后者则在复合材料的垂直于层压方向应有好的导热性。它们的导热系数与组元材料的导热系数及体积比的关系分别为K=K1f1+K2f2+…+Knfn；1/K=f1 /K1+f2/K2+…+fn /Kn，式中K1，K2，…，Kn和f1，f2，…，fn是各组元材料的导热系数和体积比。

　　(6)抗腐蚀性能。影响层压复合材料抗腐蚀性能的主要因素有表面组元层材料的性质、复合缺陷及各复合组元层的电化学性能。

　　用途 层压复合材料具有多种优异的性能，从而在要求抗磨损、抗腐蚀、抗冲击、电性能、热传导性、热膨胀性能、成形性、外观质量及降低成本等的多种领域中得到广泛应用。

　　(1)飞机的结构件和蒙皮用的包铝铝合金。外层对内层起电化学保护作用，可长时间抗腐蚀，内层合金提供所需要的力学性能，复层厚度约为层压板厚度的2.5％～15％。

　　(2)电解铝电极钢架与电极铝棒问的连接件。用钢铝复合材料制造，将电极钢架与钢侧焊接，电极铝棒与铝侧焊接，能提高电极装置的寿命和可靠性，电阻小而均匀。钢铝复合板还用于严重腐蚀条件下的海水淡化装置。

　　(3)建筑用壁板和屋面板用的两面复铜、芯板为不锈钢的复合板。与全铜相比，重量轻、强度大、刚性好；与不锈钢相比，成形好，延展好，成本低，外观美。

　　(4)铜与铝的复合导线。30％(质量)的铜和70％(质量)的铝组成的复合导线，与全铜导线相比，导电性能基本相同，但重量轻，价格廉，已成为铜导线的有力竞争者。

　　(5)化工设备。钛具有优越的抗腐蚀、耐磨损和抗污垢等性能，但成本高。采用钛钢复合板制作化工压力容器，内层钛抗腐蚀，外层钢保证强度要求。生产这种复合板的3种主要方法(即钎焊、在惰性气体保护下的热轧和爆炸复合)中，爆炸复合法(见金属爆炸加工)使组元结合得最好，可在车间条件下切割、成形和焊接，制成多种化工设备，并广泛用于制作壳式和管道式热交换器。

　　(6)枪弹外壳复合板。用黄铜(90％Cu，10％Zn)与钢复合板制造枪弹外壳，与传统的全铜合金枪弹外壳比较，不但可节省铜72％，且子弹的射击性能更优越。黄铜一钢一黄铜按15：80：5的体积比例制成的枪弹外壳，各组元层间有良好的结合。内层黄铜使弹头外壳容易拉延。

　　(7)制作硬币。为节省银，硬币采用两层铜镍合金(75％Cu，25％Ni)中间夹铜的复合板制造。外面两层铜镍合金具有所需要的外观，抗腐蚀，耐磨损，内层铜保证所需要的密度，以满足自动售货机硬币鉴别器的要求。三层体积比为1/6：2/3：1/6。

　　(8)双硬度装甲板。由外层高硬度(HRC60)同韧性和塑性较高的低硬度(HRC50)内层钢板相复合制成。硬面用以阻截穿甲弹，防止钢芯粉碎，软面用以吸收穿甲弹冲击能，产生变形，使之不破裂。采用双硬度装甲板和标准均质装甲板比较，可大大减轻防御同等兵器射弹所要求的装甲重量。

　　(9)船舶构件。用铝一钢复合板制作船舶结构中钢与铝相连的过渡连接件，使钢和铝分别与连接件的钢与铝面相焊接，防止了铝钢接触时产生严重的电腐蚀。

　　(10)核反应堆燃料元件。由包覆层和燃料芯材复合而成。铝和铝铀合金相复合即是其中的一种。包覆层材料有铝、不锈钢、镁和镁合金、锆和锆合金、石墨、镍、铍、铌和钒等，其中以铝、锆、镁和不锈钢为主。包覆层的作用是防腐蚀、防变形和阻止放射性粒子散失到冷却剂中。

　　(11)恒温器元件。用于温度测量和控制装置中。它是由二层或多层具有不同膨胀系数的金属复合而成。高膨胀系数组元层主要有黄铜、蒙乃尔合金、奥氏体镍一铬一铁和镍一锰一铁合金、镍一钼一铁合金及高锰一镍一铜合金。低膨胀系数组元层一般都属于因瓦类镍一铁合金。衡量恒温器元件热敏感性的基本量是比挠度或称比弯曲(变化单位温度时，单位厚度试样纵向中心线的曲率变化)。

　　展望 层压复合材料的发展动力在于它可大大降低成本，以节省短缺的贵重金属，这对于有限的地球资源而又面临着日益增长的需求来说，越来越成为一个十分重要的因素。通过对层压复合材料组元(包括相同组元)的适当选择，可以制成具有所需要性能的材料，以适应名目繁多的各种应用，这对层压复合材的发展有着很大推动力。从工业和国防技术及对全球污染控制日益增长的现实和未来的发展趋向看，满足特定性能与环境要求的材料，已从天然型或定型选择型逐渐过渡到按需要设计型，即充分利用掌握的多种材料资源和生产、制造方法，按实际工作性能的要求设计并制造出合适的层压复合材料。随着制造方法中定型方法的不断改进、最佳工艺的出现和成本的降低，层压复合材料这一技术界的独立分支必将发挥出巨大的潜力。