Materiales compuestos
Material compuesto por un material como matriz y otro material como refuerzo. Varios materiales se complementan en rendimiento y producen efectos sinérgicos, lo que hace que el rendimiento general de los materiales compuestos sea mejor que el de las materias primas y cumpla con diversos requisitos. Los materiales de matriz de los materiales compuestos se pueden dividir en dos categorías: metálicos y no metálicos. Los sustratos metálicos comúnmente utilizados son aluminio, magnesio, cobre, titanio y sus aleaciones. Los sustratos no metálicos incluyen principalmente resina sintética, caucho, cerámica, grafito, carbono, etc. Los materiales de refuerzo incluyen principalmente fibra de vidrio, fibra de carbono, fibra de boro, fibra de aramida, fibra de carburo de silicio, fibra de amianto, bigotes, alambres metálicos y partículas duras.
La historia de los materiales compuestos se remonta a la antigüedad. La arcilla reforzada con paja y el hormigón armado, utilizados desde la antigüedad, se componen de dos materiales. En la década de 1940, debido a las necesidades de la industria de la aviación, se desarrollaron los plásticos reforzados con fibra de vidrio (comúnmente conocidos como fibra de vidrio), y desde entonces apareció el nombre de materiales compuestos. Desde la década de 1950 se han desarrollado fibras de alta resistencia y alto módulo, como la fibra de carbono, la fibra de grafito y la fibra de boro. La fibra de aramida y la fibra de carburo de silicio aparecieron en la década de 1970. Estas fibras de alta resistencia y alto módulo se pueden combinar con resinas sintéticas, carbono, grafito, cerámica, caucho y otras matrices no metálicas o matrices metálicas como aluminio, magnesio y titanio para formar materiales compuestos únicos.
Clasificación Los materiales compuestos se dividen en materiales compuestos de metal con metal, materiales compuestos de no metal con metal y materiales compuestos de no metal con no metal. Según sus características estructurales se pueden dividir en: ① Materiales compuestos de fibras. Se colocan varios refuerzos de fibra en el material de matriz y se combinan. Por ejemplo, plásticos reforzados con fibra, metales reforzados con fibra, etc. ②Materiales compuestos sándwich. Se compone de materiales de superficie y materiales de núcleo con diferentes propiedades. Por lo general, el material de la superficie es de alta resistencia y delgado; el material del núcleo es liviano y de baja resistencia, pero tiene cierta rigidez y espesor. Se puede dividir en sándwich sólido y sándwich alveolar. ③Materiales compuestos de grano fino. Las partículas finas y duras, como las aleaciones reforzadas por dispersión, cermets, etc., se distribuyen uniformemente en la matriz. ④Materiales compuestos híbridos. Consiste en dos o más materiales de fase de refuerzo mezclados en un material de fase de matriz. En comparación con los materiales compuestos ordinarios de una sola fase, su resistencia al impacto, resistencia a la fatiga y tenacidad a la fractura mejoran significativamente y tiene propiedades especiales de expansión térmica. Se puede dividir en compuestos híbridos intracapa, híbridos entre capas, híbridos tipo sándwich, híbridos intracapa/intercapas y ultrahíbridos.
En la década de 1960, para satisfacer las necesidades de materiales de tecnologías avanzadas como la aeroespacial y la aeroespacial, se utilizaron materiales compuestos reforzados con fibras de alto rendimiento (como fibra de carbono, fibra de boro, fibra de aramida, fibra de carburo de silicio). , etc.) fueron utilizados. ) han sido desarrollados y fabricados uno tras otro, con una resistencia específica superior a 4×106 cm y un módulo específico superior a 4×108 cm. Para distinguirlos de la primera generación de compuestos de resina reforzados con fibra de vidrio, estos compuestos se denominan compuestos avanzados. Según los diferentes materiales de matriz, los materiales compuestos avanzados se dividen en materiales compuestos a base de resina, a base de metal y a base de cerámica. Sus temperaturas de funcionamiento están por encima de 250 ~ 350 ℃, por encima de 350 ~ 1200 ℃ y por encima de 1200 ℃ respectivamente. Además de usarse como materiales estructurales, los materiales compuestos avanzados también se pueden usar como materiales funcionales, como materiales compuestos degradados (materiales compuestos funcionales como composición química y cristalina, estructura, huecos, etc.), materiales compuestos inteligentes (con detección , funciones de procesamiento y ejecución, y puede adaptarse a materiales compuestos funcionales para cambios ambientales), materiales compuestos biónicos, materiales compuestos sigilosos, etc.
Entre los materiales compuestos de altas prestaciones, los materiales reforzados con fibra son los más utilizados. Se caracteriza por una gravedad específica baja, una resistencia específica alta y un módulo específico alto. Por ejemplo, los materiales compuestos de fibra de carbono y resina epoxi tienen una resistencia y un módulo específicos varias veces mayores que las aleaciones de acero y aluminio. También tienen una excelente estabilidad química, reducción de la fricción y resistencia al desgaste, autolubricación, resistencia al calor, resistencia a la fatiga y fluencia. Transformación, atenuación acústica, aislamiento eléctrico y otras propiedades. La combinación de fibras de grafito con resina puede dar como resultado un material con un coeficiente de expansión casi igual a cero. Otra característica de los materiales reforzados con fibras es la anisotropía, por lo que la disposición de las fibras se puede diseñar de acuerdo con los requisitos de resistencia de las diferentes partes del producto. Los compuestos de matriz de aluminio reforzados con fibra de carbono y fibra de carburo de silicio aún pueden mantener suficiente resistencia y módulo a 500°C. El compuesto de fibra de carburo de silicio y titanio no solo puede mejorar la resistencia al calor del titanio, sino que también mejora la resistencia al desgaste y puede usarse como aspas de ventilador de motor. La temperatura de servicio de las cerámicas compuestas de fibra de carburo de silicio puede alcanzar los 1500 °C, que es mucho más alta que la temperatura de uso de las palas de turbina de aleación de alta temperatura (1100 °C). El carbono reforzado con fibra de carbono, el carbono reforzado con fibra de grafito o el grafito reforzado con fibra de grafito constituyen materiales resistentes a la ablación que ya se utilizan en naves espaciales, misiles y reactores de energía atómica.
Debido a su baja densidad, los materiales compuestos de matriz no metálica pueden reducir el peso, aumentar la velocidad y ahorrar energía cuando se utilizan en automóviles y aviones. La rigidez y la capacidad de carga de las ballestas compuestas de fibra de carbono y fibra de vidrio equivalen a más de 5 veces el peso de las ballestas.
Método de moldeo El método de moldeo de los materiales compuestos varía según el material de la matriz. Existen muchos métodos de moldeo para materiales compuestos a base de resina, como moldeo por colocación manual, moldeo por inyección, moldeo por bobinado de fibra, moldeo por compresión, moldeo por pultrusión, moldeo en autoclave, moldeo por diafragma, moldeo por migración, moldeo por inyección de reacción, moldeo por expansión de película flexible. , estampado moldeado, etc. Los métodos de moldeo de materiales compuestos de matriz metálica se dividen en método de moldeo en fase sólida y método de moldeo en fase líquida. El primero se forma aplicando presión a una temperatura por debajo del punto de fusión de la matriz, incluida la soldadura por difusión, la pulvimetalurgia, la laminación en caliente, el estirado en caliente, el prensado isostático en caliente y la soldadura por explosión. Este último consiste en fundir la matriz y llenarla con el material reforzado, incluida la fundición tradicional, la fundición por succión al vacío, la fundición por contrapresión al vacío, la fundición por compresión y la fundición por inyección. Los principales métodos de moldeo de materiales compuestos de matriz cerámica incluyen sinterización en estado sólido, moldeo por infiltración de vapor químico, moldeo por deposición de vapor químico, etc.
Los principales campos de aplicación de los materiales compuestos son: ①Campo aeroespacial. Debido a su buena estabilidad térmica y su alta resistencia específica y rigidez específica, los materiales compuestos se pueden utilizar para fabricar alas y fuselajes delanteros de aviones, antenas de satélite y sus estructuras de soporte, alas y carcasas de células solares, y carcasas de vehículos de lanzamiento de gran tamaño, carcasas de motores. piezas estructurales del transbordador espacial, etc. ②Industria automotriz. Los materiales compuestos tienen propiedades especiales de amortiguación de vibraciones, pueden reducir las vibraciones y el ruido, tienen buena resistencia a la fatiga, son fáciles de reparar después de daños y facilitan el moldeado integral. Por lo tanto, pueden usarse para fabricar carrocerías de automóviles, componentes estresados, ejes de transmisión y soportes de motores. y otros internos. ③Industria química, industria textil y de fabricación de maquinaria. Los materiales compuestos de fibra de carbono y matriz de resina con buena resistencia a la corrosión se pueden utilizar para fabricar equipos químicos, maquinaria textil, maquinaria papelera, fotocopiadoras, máquinas herramienta de alta velocidad, instrumentos de precisión, etc. 4. Campo médico. Los materiales compuestos de fibra de carbono tienen excelentes propiedades mecánicas y no absorben los rayos X, y pueden usarse para fabricar máquinas de rayos X médicas y soportes ortopédicos. Los materiales compuestos de fibra de carbono también son biocompatibles y compatibles con la sangre, tienen buena estabilidad en entornos biológicos y también se utilizan como materiales biomédicos. Además, los materiales compuestos se utilizan en la fabricación de equipamiento deportivo y materiales de construcción.