第二章-复合材料

2第二章复合材料2-1概论:复合材料（CompositeMaterial）具有高强度、高韧性、质量轻、耐腐蚀以及耐磨耗等特性，已运用于电机产业、电子产业、航天工业、汽车工业ˋ船舶工业及运动器材上。复合材料之定义可区分为广义及狭义复合材料:1.广义的复合材料:结合两种或两种以上之材料,在巨量上有不同之形式及组成者,即称之。2.狭义的复合材料:以纤维补强基材如树脂,塑料等,所构成之材料者,即称之。2-2复合材料之区分:1.以基材来区分:复合材料-----碳/碳复合材料(C/C)-----金属基复合材料(MMC)-----陶瓷基复合材料(CMC)-----高分子复合材料-----热固性塑料-----热塑性塑料高分子复合材料:包含一高分子树脂做为基材，并以纤维当做为增强介质。这些材料使用于很多不同的复合物应用上。常见的应用大都在玻璃、环氧树脂、乙烯酯和聚亚酸胺树脂内添加纤维质而制成。金属基复合材料:金属基复合材料基材为延性金属。这些金属基复合材料可较其原先之金属物使用于较高之温度，且增强物可改善刚性、强度、耐磨性、潜变抵抗性、导热性和尺寸稳定性。这些材料比高分子基复合材料具更佳之优点包括较高操作温度，不燃性和在有机环境下较佳之分解抵抗性。金属基复合材料的制程至少包含两步骤：固化或合成固化的技术可采用诸如：锻造、推制、滚制等。某些汽车已使用含有铝合金及碳纤维增强的铝合金复合材料作为引擎组件；此种材料为质轻并可耐磨及耐热之材料。另外航空结构亦使用先进的铝合金金属基复合材料；硼纤维为航天飞机增强材料，而连续石墨纤维亦用于哈柏望远镜上。陶瓷基复合材料:陶瓷材料在高温具有抗氧化性及破坏性，但其破裂韧性值相当低。为改善是此缺点，可使用特殊陶瓷物的颗粒、纤维或须晶植入另一陶瓷基材内。基本上，破断性质的改善是源自裂纹和分散相质点间之交互作用。通常裂缝会在基材相内形成，裂缝的传播受颗粒、纤维或须晶的阻碍因而改善材质。碳基复合材料:碳纤维增强碳基材复合材料，其增强物和基材二者为碳。这些材料相当新颖且昂3贵，具有高强度模数和拉伸强度、耐高温并可耐潜变和具相当大的破断韧性值。可用于火箭马达中，飞机和高功能汽车的磨耗材、先进涡轮引擎组件热压模、及航天飞机载具之磨削罩等。热塑型塑料::常温下为固体的高分子塑料，但加热加压后软化或熔解，并能流动成形，冷却时会回到原来的固体状态，而此种作用可以重复发生。热塑性塑料内部的高分子链为线性，在加热过程中，会产生相互移动而使材料软化。如Nylon,PP,PBT,PPO,PC,ABS,PVC等均属于热塑性塑料。热固性塑料:由分子链交链形成三度空间固体结构的塑料，称为热固性塑料。此种材料加热加压后，并不会软化或熔解，因此无法制成所要之形状。所以在制造上是采用未形成高分子塑料的液态树脂，于流动成形后，以促进剂或触媒促使树脂反应形成交链分子链的高分子固体。部份树脂系统于反应时需要加热。如不饱和聚酯树脂，环氧树脂，酚树脂等，均为可形成热固性塑料的热固性树脂2.以功能来区分:复合材料-----纤维状复合材料图2-1纤维状-----颗粒状复合材料-----基层状复合材料-----薄片状复合材料-----填充状复合材料图2-2微粒状复合材料种类虽多,然而至今目前为止各种工业所使用的复合材料产品以高分子复合材料占最大宗,究其原因除价格便宜ˋ质轻外,最重要的是制作方式较其他复合材料最简单.高分子复合材料受限于机材之特性,其耐温性较其他复合材料低为其弱点.所幸除航天工业需耐高温材料外,其余运动器材ˋ休闲器材等均在高分子复合材料所能提供之范围.高分子复合材料发展至今,其使用之树脂与纤维系统大致可细分如下:表2-1树脂与纤维之种类树脂系统纤维系统环氧树脂碳纤维(石墨纤维)不饱和聚酯硼纤维4酚树脂克拉纤维热塑性塑料纤维光谱纤维聚亚胺酰树脂碳化硅纤维2-3各类树脂说明:1.环氧树脂(1)广泛被使用(2)有较佳的结构特性(3)最高始用温度为200。F(4)易加工成形2.不饱和聚脂(1)较差之结构特性,一般用于非结构(2)价格较便宜(3)易于加工成形3.酚树脂(1)与不饱和树酯有相同之限制(2)加工成形较不饱和聚酯困难(3)使用温度较环氧树酯与不饱和聚酯为高4.热塑性树脂(1)较佳的耐冲击性(2)无储存期限(3)加工成形需较高温度树脂5.聚亚酰胺树脂(1)成形加工困难(2)使用温度高达500~600。F(3)价格贵树脂在复合材料中最大的功能有三:1.结合纤维，将应力传递给纤维。2.增加材料的韧性，防止裂缝的成长。3.保护纤维的表面，防止伤痕的产生或不良的化学反应，以避免纤维的强度降低。52-4各种纤维说明:1.碳纤维和石墨纤维系由嫘萦聚丙烯,及沥青经过数段温度烧结而成。由PAN系所制成之碳纤维强度高模数较低,而以沥青系所致之碳纤维拥有较高之模数,但拉伸强度较pan系低。嫘萦(rayon)将嫘萦丝放在惰性气体中，加热至400℃进行热分解，在此过程中，水份及二氧化碳将逐渐脱离，然后再加热至1000~1500℃进行碳化。碳化过程中纤维必须加以延伸以增加分子的顺向度，最后在2800℃下进行石墨化。嫘萦丝碳化过程中质量的损失很大约75%。聚丙烯睛(PAN)PAN系列的碳纤维，首先是PAN预形体的抽丝，然后加以延伸及在200~300℃中进行稳定化，最后在1500℃的惰性气体中进行碳化及3000℃的惰性气体中进行石墨化。其碳化的转换律约50到55%。沥青(pitch)将等向性分子沥青在400℃~450℃的惰性气体中处理，可将沥青转换成液晶沥青(liquidcrystal)的形态，在抽丝时这些已排列整齐的分子又延着纤维方向排列。沥青在抽丝后必须在含氧气体中氧化处理后，才能进行碳化及石墨化的步骤。碳纤维长久以来一直被视为是高性能的补强材料。碳纤维补强的复合材料都且备有质轻、高强度、高刚性、耐潜变优等特性，除了增加结构强度以外碳纤维补强复合材料也有导电性、和耐磨性的功能。目前所使用的碳纤维绝大多数系pan系所制成,依其拉伸强度或模数可区分为五种等级:表2-2碳纤维强度比较名称强度高模数纤维500GPa高强度纤维3GPa中模数纤维强度100~200MPa模数100~500GPa低模数纤维模数100~200GPa6一般级纤维强度1GPa模数100GPa纤维之选用依实际零件之需要而定,运动器材所使用之纤维以一般级或中模数纤维为主,至于航天工业因须承受高负载,故选择高强度或高模数纤维搭配高级树脂来制造所需之复材零件。2.玻璃纤维玻璃纤维系早息使用最早亦最多的纤维,它系用二氧化硅在高温熔融下抽丝而成。为配合实际应用之需要而有耐酸ˋ耐碱及高强度之玻璃纤维等,在使用之前往往在先为表面做适当的处理,在含浸适当的树脂,其目的在增强纤维与树脂间之界面强度。常用的玻璃纤维一般可分为E-glass、S-glass、C-glass三种：表2-3常用的玻璃纤维E-glass为钙-硼硅玻璃纤维，用于一般之补强塑料，电气性质甚为优良。S-glass具高强度及高弹性系数，用于太空方面，与E-glass比较，比重小约2%，抗拉力约大35%，而弹性系数约大20%。C-glass为钠-钠-硼硅玻璃纤维，耐化学品侵蚀的性质优良，适合于耐腐蚀性之纤维复合材料制品。玻璃纤维之数种特性：1.高拉伸强度：与其他纺织纤维比较，玻璃纤维有特异之高拉伸强度，它的强度与重量比（σ∕ρ）超过刚丝在某方面之应用。2.耐热及耐火性：因玻璃纤维是无机化合物，故它不自燃亦不助燃。3.耐化学性：对部分化学品，玻纤有相当优异之耐化学性，而对蕈、细菌、或昆虫之攻击亦相当迟钝。4.抗湿性：玻璃不吸收水分，它既不膨胀亦不拉长及不分解，玻璃纤维不会迅速腐坏，在湿的环境下持续保持一贯的机械强度。5.热性质：由于低的热线性膨胀系数和高的热传导系数，因而在热环境下玻璃纤维显现优越的功能。6.电性：玻璃是非导电性，对于电性绝缘是理想的材料，所制成之产品具有高介电强度及低介电损失性质。玻璃纤维应用例子:航空工业利用玻璃纤维之高强度及优越的电性应用在雷达罩上。印刷电路板已利用玻璃纤维之电性及优越之尺寸安定性来制造电路板，使用于各种恶劣之环境。3.硼纤维硼纤维是劲度相当高的纤维,早期在高模数碳纤维未开发出来之前,一些需要高劲度之复合材料零件皆以硼纤维补强之复合材料来制造。7硼纤维生产方式与其他纤维不同之处在于硼纤维系将碳纤维或钨纤维通电并经过有硼原子蒸气之密室,硼原子吸附在导电之碳纤维或钨纤维表面(或谓蒸镀)而成硼纤维。几乎所有的硼纤维都用来制作硼/环氧树脂复合材料，硼纤维是用化学气相沉积法将硼沉积于钨丝上，钨丝表面和硼反应后其直径约17.5mm，而硼纤维的直径约100mm，如右下图所示。因为硼纤维的制作成本远高于碳纤维，因此在高分子复材方面，几乎为碳纤维所取代。硼纤维线在应用大多为航天飞机增强材料。4.克拉纤维克拉纤维是一个耐高温有机纤维,由于比重低ˋ强度高且较具柔软性,固早期是用来制造防弹衣之材料。缺点:劲度较一般无机纤维低,故在制造飞机的复合材料零件时常与劲度高之纤维(如硼纤维…等)或高模数碳纤维一起混用,其目的除了提高劲度外,兼可达到耐冲击之效果。5.碳化硅(SIC)纤维碳化硅早期系利用废弃之稻谷烧成,但这种方法仅能制得数个奈米长度之短纤维,连续式纤维系利用碳化硅化合物抽丝后在高温下烧成。碳化硅强度甚高,然而在高分子复合材料上使用并不多,一般皆在金属基复合材料上应用。纤维方向性复合材料与金属材料最大得差异在金属为均态结构,即在任一方向其强度大致相同复合材料因纤维排列方向不同而使各方向之强度不一。复合材料之纤维与施力同轴时强度最高,如纤维方向与施力垂直时,则强度最低。在应用上,我们利用复合材料之方向性来设计零件迭层角度,一般常用之角度有0度ˋ45度ˋ-45度ˋ90度。积层板之纤维角度0度ˋ45度ˋ-45度ˋ90度所占之比率相同时我们称之拟均态结构。2-5各式材料之比较:(一)金属材料与复合材料之比较:1.任何方向非均ㄧ性2.强度与劲度可依受力需求而设定3.机械性质成多样性4.复合材料靠层层迭制成2维形式,但金属可用压制ˋ铸造ˋ锻造及压条方式来制作5.很容易受环境之温度ˋ湿度影响6.耐疲劳性较佳7.损伤扩展系经由脱层而起,非厚层断裂8表2-4金属材料与复合材料之比较图表项目复合材料行为与金属材料比较力-变关系至破坏ˋ其应变曲线较具线性凹槽敏感性静态疲劳性较大敏感性较小敏感性横向机械强度较弱测试机械性质变化较高对飞机Hydrothermal环境敏感性较大损伤成长机构平面脱层取代厚板破裂(三)热固性复合材料与热塑性复合材料之比较:热固性复合材料在制作过程中经由基材(树脂)之化学变化而成;热塑性复合材料则经由基材(树脂)之物理变化而成的。表2-5热固性复合材料与热塑性复合材料之比较图表热固性复合材料热塑性复合材料材料需冷藏(-18度C)材料不需冷藏有一定的作业时间作业时间不限硬化温度较低硬化温度较高制程周期长制程周期短价格便宜价格高生料ˋ黏性好生料无黏性较易吸湿吸湿率低产品无法再成形产品可在成形机械强度受温度影响大机械强度对温湿度敏感性小破损容忍度较差破损容忍度较佳抗压强度好抗压强度较差耐酸ˋ碱佳视基材本质而定钻孔ˋ切割较易脱层钻孔ˋ切割不易脱层数据多而完备数据较少,有待充实9表2-6金属材料ˋ热固性复合材料ˋ热塑性复合材料之总比较图表材料性质热塑性复合材料热固性复合材料金属耐腐蚀性佳佳普通潜变性好佳普通破坏容忍度好普通佳设计弹性佳佳普通制造性好好普通制造时间佳好普通最后零件成本佳好普通完成的零件成本佳好普通抗湿性好普通佳物性佳佳佳制造成本佳好普通生料成本普通好佳可重制性好--佳储存期佳普通佳抗溶剂性佳佳普通比强度佳佳普通省重佳好不适用102-6补强物-纤维:复合材料之强度可与一般金属材料相比,最重要之因素端赖材料内部纤维支撑,故纤维种类ˋ形式及方向均影响复合材料强度。纤维作补强的形式有-----图2-3长纤图2-4短纤长纤维：复合材料的纤维长度和材料颗粒的长度相同为11mm，每一条纤维都完全含浸塑料基材，而塑料基材与纤维之间有充分的密合而显现出