Überblick: Materialien, Energie und Informationen sind die drei Säulen der modernen Wissenschaft und Technologie, und die Materialwissenschaft ist heute eine der führenden Disziplinen der Welt. Verbundwerkstoffe sind ein aufsteigender Stern auf dem Gebiet der Materialien, und ihr Aufkommen hat erhebliche Veränderungen in der Materialindustrie mit sich gebracht und ein Muster der Koexistenz von metallischen Materialien, anorganischen nichtmetallischen Materialien, Polymermaterialien und Verbundwerkstoffen gebildet. Eine umfassende und vollständige Definition von Verbundwerkstoffen lautet wie folgt: Verbundwerkstoffe sind ein neuer Materialtyp, der aus verschiedenen Materialtypen wie organischen Polymeren, anorganischen Nichtmetallen oder Metallen besteht, die durch Verbundprozesse kombiniert werden. Sie können die Hauptmerkmale der ursprünglichen Komponentenmaterialien beibehalten und gleichzeitig durch Verbundeffekte Eigenschaften erhalten, die die ursprünglichen Komponenten nicht besitzen; die Leistung jeder Komponente kann durch Materialdesign ergänzt und miteinander korreliert werden, wodurch eine neue, überlegene Leistung erzielt wird.
Verbundwerkstoffe, die die Stärken anderer nutzen, repräsentieren die Entwicklungsrichtung von Materialien. Viele Experten glauben, dass die Menschheit aus dem Zeitalter der synthetischen Materialien in das Zeitalter der Verbundwerkstoffe eingetreten ist, und diese Annahme hat eine gewisse wissenschaftliche Grundlage. Es ist sehr schwierig, ein neues Material zu synthetisieren, das verschiedene hohe Anforderungen an umfassende Indikatoren erfüllt. Wenn man rechtzeitig ein zufriedenstellendes Material entwickeln möchte, ist der Zyklus vom Labor bis zur Tiefenproduktion ebenfalls sehr lang. Wenn jedoch vorhandene Materialien kombiniert werden, kann es einfacher sein, die Anforderungen zu erfüllen. Darüber hinaus sind Verbundwerkstoffe anisotrope Materialien, und für den Materialeinsatz kann die Anordnung der Verstärkungsfasern entsprechend der tatsächlichen Belastungssituation entworfen werden, wodurch Material gespart wird, was mit allgemeinen isotropen Materialien nicht erreicht werden kann. Aufgrund der überlegenen Leistung von Verbundwerkstoffen haben sie die Aufmerksamkeit von Industrieländern auf der ganzen Welt auf sich gezogen und wurden als einer der vorrangigen Bereiche für die Entwicklung neuer Materialien ausgewählt, was die Bedeutung von Verbundwerkstoffen voll und ganz unterstreicht.
Die meisten Verbundwerkstoffe auf Harzbasis werden in atmosphärischen Umgebungen verwendet, in Wasser oder Meerwasser getaucht oder unter der Erde vergraben. Einige werden als Lagertanks für verschiedene Lösungsmittel verwendet. Unter Einwirkung von Luft, Wasser, chemischen Medien, Licht, Strahlung und Mikroorganismen verändern sich ihre chemische Zusammensetzung, Struktur und verschiedene Eigenschaften auf verschiedene Weise. In vielen Fällen haben Temperatur und Spannungszustand wichtige Auswirkungen auf diese chemischen Reaktionen, insbesondere bei Luft- und Raumfahrzeugen und ihren Motorkomponenten, die in rauen Umgebungen arbeiten und hohen Temperaturen und Erosion durch Luftströmungen standhalten müssen. Ihre chemische Stabilität ist entscheidend.
Polymere als Matrix von Verbundwerkstoffen auf Harzbasis können auf verschiedene Weise chemisch zersetzt werden. Dies kann durch die Wechselwirkung mit korrosiven Chemikalien oder indirekt durch die Erzeugung von Spannungen geschehen, darunter thermischer Abbau, Strahlungsabbau, mechanischer Abbau und biologischer Abbau. Die Polymermatrix selbst ist eine organische Substanz, die durch organische Lösungsmittel erodiert, aufgequollen oder aufgelöst werden kann oder Spannungskorrosion des Systems verursachen kann. Die sogenannte Spannungskorrosion bezeichnet das vorzeitige Versagen von Materialien, wenn sie Spannungen ausgesetzt werden, wenn sie mit bestimmten organischen Lösungsmitteln reagieren. Solche Spannungen können während der Verwendung oder aufgrund bestimmter Einschränkungen in der Fertigungstechnologie auftreten.
Je nach Substrattyp variiert die Empfindlichkeit von Materialien gegenüber verschiedenen Chemikalien. Gängige glasfaserverstärkte Kunststoffe sind beständig gegen starke Säuren, Salze und Ester, jedoch nicht gegen Basen. Generell wird der Einfluss von Wasser auf die Materialeigenschaften stärker beachtet. Wasser kann im Allgemeinen zu einer Verringerung der Durchschlagsfestigkeit von Verbundwerkstoffen auf Harzbasis führen. Die Einwirkung von Wasser führt zu Lichtstreuung und Opazität, wenn die chemischen Bindungen des Materials brechen, was ebenfalls einen wichtigen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften hat. Die Zugfestigkeit, Scherfestigkeit und Biegefestigkeit von Verbundwerkstoffen aus Epoxidharz oder Polyesterharz mit Glasfasern, die nicht verklebt oder nur wärmebehandelt sind, werden durch kochendes Wasser erheblich beeinträchtigt. Die Verwendung von Haftvermittlern kann diesen Verlust erheblich reduzieren. Der Einfluss von Wasser und verschiedenen chemischen Substanzen hängt von der Temperatur, der Kontaktzeit sowie der Stärke der Spannung, den Eigenschaften der Matrix und der geometrischen Struktur, den Eigenschaften und der Vorbehandlung des Verstärkungsmaterials ab. Darüber hinaus hängt er auch vom Oberflächenzustand des Verbundmaterials ab, und das Material mit freiliegenden Faserenden ist anfälliger für Beschädigungen.
Es gibt mehrere Arten und Wege für den thermischen Abbau von Polymeren, von denen mehrere gleichzeitig auftreten können. Wenn der vollständige Bruch der Polymerkette durch den Depolymerisationsmechanismus vom „Reißverschluss“-Typ verursacht werden kann, können gleichzeitig flüchtige niedermolekulare Substanzen entstehen. Andere Methoden umfassen den unregelmäßigen Bruch von Polymerketten zur Erzeugung von Produkten mit höherem Molekulargewicht oder die Ablösung von Verzweigungsketten sowie die mögliche Bildung zyklischer Molekülkettenstrukturen. Das Vorhandensein von Füllstoffen wirkt sich auf den Abbau von Polymeren aus, und bestimmte Metallfüllstoffe können den Abbau durch katalytische Wirkung beschleunigen, insbesondere in aeroben Umgebungen. Die Entzündung und der Abbau von Verbundwerkstoffen auf Harzbasis hängen mit den entstehenden flüchtigen Substanzen zusammen, und normalerweise werden Flammschutzmittel hinzugefügt, um das Entzündungsrisiko zu verringern. Einige Polymere können unter Hochtemperaturbedingungen eine hitzebeständige Koksschicht bilden. Werden diese Polymere mit Nylon, Polyesterfasern usw. vermischt, entstehen bei der Zersetzung dieser Verstärkungen flüchtige Substanzen, die Wärme abführen und das verbrannte Polymer abkühlen können. Dadurch wird die Hitzebeständigkeit weiter verbessert und das Verbundmaterial erhält hervorragende mechanische Eigenschaften, wie beispielsweise eine gute Erdbebensicherheit.
Viele Polymere werden durch ultraviolette Strahlung oder andere hochenergetische Strahlung beschädigt. Der Mechanismus besteht darin, dass die Molekülketten zerbrechen, wenn die Energie von Licht und Strahlung die kovalente Bindungsenergie zwischen Atomen übersteigt. Mit Blei gefüllte Polymere können verwendet werden, um hochenergetische Strahlung zu verhindern. Ultraviolette Strahlung erhält im Allgemeinen mehr Aufmerksamkeit und häufig verwendete Zusatzstoffe sind Ruß, Zinkoxid und Titandioxid, die ultraviolette Strahlung absorbieren oder reflektieren.
Mechanischer Abbau ist ein weiterer Abbaumechanismus, bei dem es zu einem Bruch der Bindung kommt, wenn die Frequenz der Spannungserhöhung die Reaktionsfähigkeit einer Bindung durch Translation übersteigt. Die entstehenden freien Radikale können auch den Abbaumodus der nächsten Stufe beeinflussen. Harte und spröde Polymermatrizes haben eine geringe Dehnung und können einen spröden Bruch mit oder ohne Kettenbruch erleiden, während weichere, aber viskosere Polymermatrizes meist mechanisch abgebaut werden.
Faserverstärkte Verbundwerkstoffe haben viel Aufmerksamkeit auf sich gezogen und verfügen über bedeutende Eigenschaften. Im Vergleich zu Metallen oder anderen anorganischen Materialien haben sie die Vorteile von geringem Gewicht, hoher spezifischer Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit, elektrischer Isolierung, sofortiger Ultrahochtemperaturbeständigkeit, langsamer Wärmeübertragung, Schalldämmung, Wasserfestigkeit, einfacher Färbung und der Übertragung elektromagnetischer Wellen. Es handelt sich um ein neues Material, das funktionale und strukturelle Eigenschaften vereint.
Glasfaserverstärkter Verbundwerkstoff (allgemein bekannt als „Fiberglas“) ist ein früh entwickelter Verbundwerkstoff. Es handelt sich um eine Struktur, die unter Verwendung von Glasfasern und ihren Produkten als Verstärkungsmaterial, duroplastischem oder thermoplastischem Harz als Matrix und bestimmten Formverfahren hergestellt wird. Sein wissenschaftlicher Name ist glasfaserverstärkter Kunststoff. 1958 schlug Lai Jifa, der ehemalige Minister für Baumaterialien, den populären und anschaulichen Namen „Fiberglas“ vor, der inzwischen von Branchenkollegen im In- und Ausland anerkannt wird.
Durch Analyse der Konstruktion dieser Art von Glasfaser-Verbundwerkstoff weisen Verbundwerkstoffe im Vergleich zu herkömmlichen Werkstoffen die folgenden Eigenschaften auf.
① Die Gestaltungsfreiheit der Materialien und die mehrstufige Struktur von Verbundwerkstoffen bieten enorme Flexibilität bei der Gestaltung von Verbundwerkstoffen und ihren Strukturen. Die mechanischen, thermischen, akustischen, optischen, elektrischen, korrosionsbeständigen, alterungsbeständigen und anderen physikalischen und chemischen Eigenschaften von Verbundwerkstoffen können den Nutzungsanforderungen und Umgebungsbedingungen der Teile gerecht werden. Durch die Auswahl und Abstimmung von Komponentenmaterialien, Schichtdesign, Schnittstellensteuerung und anderen Materialdesignmitteln kann der erwartete Zweck maximal erreicht werden, um die Nutzungsleistung von technischen Geräten zu erfüllen.
② Verbundwerkstoffe, die sowohl Oberflächen- als auch Strukturkorrosionsbeständigkeit bieten, können eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit sowie hervorragende mechanische Eigenschaften als Strukturmaterialien bieten und so eine strukturelle Korrosionsbeständigkeit erreichen. Gewöhnliche Korrosionsschutzmaterialien wie Korrosionsschutzbeschichtungen, Gummiauskleidungsplatten und Tonauskleidungsblöcke (säurebeständige Porzellanplatten, Gusssteinplatten, Granitblöcke usw.) können jedoch nur als Korrosionsschutzschichten verwendet werden. Sobald diese Korrosionsschutzschichten beschädigt sind, werden die geschützten Teile der Struktur korrodiert und beschädigt, was zu Sicherheitsrisiken in der Hauptstruktur führt.
③ Die Konstruktion von Verbundwerkstoffen umfasst die Materialkonstruktion. Bei der Konstruktion von herkömmlichen Materialien müssen nur standardisierte Materialien entsprechend den Anforderungen ausgewählt werden. Bei der Konstruktion von Verbundwerkstoffstrukturen werden die Materialien vom Konstruktionsdesigner basierend auf den Konstruktionsbedingungen entworfen. Wie oben erwähnt, werden Verbundstrukturen häufig gleichzeitig mit dem Material und der Struktur gebildet, und das Material hat auch eine Gestaltungsmöglichkeit. Daher ist die Konstruktion von Verbundwerkstoffen eine neue Art der Konstruktion, die die Materialkonstruktion umfasst. Sie kann sowohl aus materieller als auch aus struktureller Sicht betrachtet werden. Designer können Verbundwerkstoffe mit unterschiedlichen Eigenschaften für verschiedene Teile der Struktur entsprechend ihren unterschiedlichen Spannungszuständen basierend auf den Eigenschaften der Struktur entwerfen.
④ Abhängigkeit der Materialeigenschaften von der Verbundwerkstofftechnologie: Während des Bildungsprozesses von Verbundwerkstoffstrukturen treten physikalische und chemische Veränderungen der Komponentenmaterialien auf. Die in den verschiedenen Formungsprozessen verwendeten Rohstoffarten, Verstärkungsmaterialien, Faservolumengehalte und Verlegeschemata unterscheiden sich ebenfalls. Die in den verschiedenen Formungsprozessen verwendeten Rohstoffarten, die Bildung von Verstärkungsmaterialien, Faservolumengehalte und Verlegeschemata unterscheiden sich ebenfalls. Daher hängt die Leistung von Komponenten stark von Prozessmethoden, Prozessparametern und Herstellungsprozessen ab. Darüber hinaus ist die Leistungsstreuung von Verbundwerkstoffkomponenten im Allgemeinen erheblich, da es schwierig ist, die Prozessparameter während des Formungsprozesses genau zu steuern. Bei Verbundwerkstoffstrukturen ist es aufgrund der Integration von Struktur und Material relativ einfach, durch Formung und Herstellung verschiedene Strukturformen zu erreichen und sogar das Gesamtdesign der Struktur zu realisieren. Die Realisierung dieser Überlegenheit beruht auf der engen Integration des Designs der Verbundwerkstoffstruktur und des Designs des Herstellungsprozesses. Ein vernünftiges Strukturdesign sollte die Möglichkeiten der Herstellungsprozesse berücksichtigen, und das Design des Herstellungsprozesses sollte das optimale Design der Struktur so weit wie möglich sicherstellen.
⑤ Aus der Perspektive der mechanischen Analyse besteht der wesentliche Unterschied zwischen Verbundwerkstoffen und herkömmlichen Materialien (wie Metallmaterialien) darin, dass letztere als homogen und isotrop gelten, während erstere heterogen und anisotrop sind. Die sogenannte Homogenität bezieht sich auf die Tatsache, dass die Leistung jedes Punkts innerhalb eines Objekts gleich ist, was bedeutet, dass die Leistung eines Objekts keine Funktion seiner internen Position ist; und Heterogenität ist genau das Gegenteil. Die sogenannte Isotropie bezieht sich auf die gleiche Leistung in alle Richtungen an einem Punkt innerhalb eines Objekts; und Anisotropie bedeutet, dass die Leistung eines Punkts eine Funktion seiner Richtung ist. Aufgrund der starken Anisotropie und Heterogenität von Verbundwerkstoffen unterscheiden sich ihre Verformungseigenschaften unter äußeren Kräften von denen allgemeiner isotroper Materialien. Eine äußere Kraft kann oft mehrere grundlegende Verformungen verursachen, und die Festigkeit und verschiedene Parameter von einschichtigen und laminierten Platten sind Funktionen der Richtung. Daher sollte bei der Untersuchung der mechanischen Eigenschaften von Verbundwerkstoffen auf ihre Komplexität und Spezifität geachtet werden. Bei der Konstruktionsplanung muss neben der Berücksichtigung der maximalen Spannung in der Struktur auch auf die schwachen Verbindungen geachtet werden, die sich durch die anisotropen Eigenschaften des Materials widerspiegeln. Dies liegt hauptsächlich daran, dass die Scher- und Quereigenschaften viel schwächer sind als die Faserrichtungseigenschaften.
⑥ Aufgrund der Zusammensetzungseigenschaften von Verbundwerkstoffen, die zur Korrosionsvorbeugung verwendet werden, können Produkte oder Teile aus Verbundwerkstoffen gleichzeitig eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit, elektrische Leistung (Leitfähigkeit oder Isolierung) und thermische Leistung (Wärmeleitfähigkeit oder Isolierung) aufweisen. Beispielsweise sind Glasfaser- und Harzmaterialien selbst elektrische Isolier- und Wärmeisolationsmaterialien mit hervorragenden elektrischen Isolier- und Wärmeisolationseigenschaften. Wir können jedoch je nach tatsächlichem Bedarf leitfähige oder wärmeleitende Komponenten in das Korrosionsschutzharz einbringen, sodass das Verbundmaterial entsprechende leitfähige oder wärmeleitende Eigenschaften aufweist.
⑦ Eine gute Oberflächenleistung von korrosionsbeständigen Verbundwerkstoffen kann während des Herstellungsprozesses erreicht werden, indem der Oberflächenzustand der Vorlage, die Vielfalt der Oberflächenschichtharze und Verstärkungsmaterialien sowie der Herstellungsprozess angepasst werden, um eine extrem glatte Oberfläche für korrosionsbeständige Verbundprodukte zu bilden. Und verleihen Sie der Oberfläche je nach Bedarf besondere Eigenschaften wie Hydrophobie, Oleophobie, Verschleißfestigkeit, Wärmeleitfähigkeit, elektrostatische Leitfähigkeit und Verkalkungsschutz.
Der obige Inhalt fasst die Eigenschaften von Verbundwerkstoffen im Allgemeinen zusammen. Wenn Verbundwerkstoffe mit herkömmlichen Materialien verglichen werden, kann festgestellt werden, dass Verbundwerkstoffe die folgenden Vorteile haben.
① Der größte Vorteil von Faserverbundwerkstoffen mit hoher spezifischer Festigkeit und hohem spezifischem Modul ist ihre hohe spezifische Festigkeit und ihr hoher spezifischer Modul. Die spezifische Festigkeit bezieht sich auf das Verhältnis der Festigkeit eines Materials zu seiner Dichte, während der spezifische Modul sich auf das Verhältnis des Moduls eines Materials zu seiner Dichte bezieht. Die spezifische Festigkeit und der spezifische Modul sind wichtige Indikatoren zur Messung der Tragfähigkeit von Strukturmaterialien. Für Strukturkomponenten in der Luft- und Raumfahrt, in Automobilen, Zügen, Schiffen und anderen beweglichen Strukturen sind sie sehr wichtige Indikatoren, was bedeutet, dass Strukturen mit guter Leistung und geringem Gewicht hergestellt werden können. Bei chemischen Geräten und Bauprojekten können Materialien mit hoher spezifischer Festigkeit und hohem Modul ihr Eigengewicht reduzieren, mehr Belastungen standhalten und ihre Erdbebensicherheit verbessern.
② Gute Ermüdungsbeständigkeit. Ermüdungsbruch ist ein Bruch bei geringer Spannung, der durch die Bildung und Ausbreitung von Rissen in Materialien unter wechselnden Belastungen verursacht wird. Ermüdungsschäden sind eine der Hauptursachen für Flugzeugabstürze bei der Han-Ethnie. Die Ermüdungseigenschaften von Verbundwerkstoffen unter Spannung in Faserrichtung sind viel besser als die von Metallen. Der Ermüdungsbruch von Metallmaterialien nimmt allmählich von innen nach außen zu und breitet sich dann plötzlich aus. Der Ermüdungsbruch von Verbundwerkstoffen beginnt immer an den schwachen Verbindungen der Fasern oder der Matrix und breitet sich allmählich bis zur Verbindungsfläche aus. Wenn viele Schäden vorhanden sind und die Größe groß ist, gibt es vor dem Schaden offensichtliche Anzeichen, die erkannt und rechtzeitig Maßnahmen ergriffen werden können. Die Ermüdungsfestigkeitsgrenze von Metallmaterialien beträgt normalerweise 30 % -50 % der Zugfestigkeit. Die Ermüdungsfestigkeitsgrenze von Verbundwerkstoffen auf Basis von kohlenstofffaserverstärktem Harz beträgt 70 % -80 % ihrer Zugfestigkeit. Daher haben Komponenten aus Verbundwerkstoffen, die unter langfristigen wechselnden Belastungsbedingungen arbeiten, eine längere Lebensdauer und sind sicherer gegen Schäden.
③ Die Dämpfungsleistung einer tragenden Struktur hängt nicht nur von ihrer Form ab, sondern ist auch direkt proportional zur Quadratwurzel des spezifischen Moduls des Strukturmaterials. Verbundwerkstoffe haben also eine höhere Eigenfrequenz. Gleichzeitig kann die Matrixfaserschnittstelle von Verbundwerkstoffen Schwingungsenergie besser absorbieren, was zu einer höheren Schwingungsdämpfung des Materials führt. Untersuchungen an Balken gleicher Größe zeigen, dass Balken aus Aluminiumlegierungen 9 Sekunden benötigen, um zu vibrieren, während Balken aus Kohlefaser/Epoxid-Verbundwerkstoffen nur 2,5 Sekunden benötigen, um zu vibrieren. Dieses Beispiel reicht aus, um das Problem zu veranschaulichen. Die Stoßdämpfungsleistung von Aramid-Verbundwerkstoffen ist besser als die von Kohlefaser-Verbundwerkstoffen.
④ Die Schadenssicherheit von Verbundwerkstoffen ist gut. Die Beschädigung von Verbundwerkstoffen tritt nicht plötzlich wie bei herkömmlichen Materialien auf, sondern durchläuft eine Reihe von Prozessen wie Matrixbeschädigung, Delamination an der Schnittstelle, Faserbruch usw. Wenn das Bauteil überlastet ist und eine kleine Menge Fasern bricht, wird die Last durch die Übertragung der Matrix schnell auf die unbeschädigten Fasern umverteilt, sodass das gesamte Bauteil nicht kurzfristig seine Tragfähigkeit verliert.
⑤ Die üblicherweise verwendeten glasfaserverstärkten Verbundwerkstoffe aus duroplastischem Harz (allgemein bekannt als duroplastisches Fiberglas) weisen eine gute chemische Korrosionsbeständigkeit auf und sind im Allgemeinen beständig gegen Säure, verdünnte Lauge, Salz, organische Lösungsmittel, Seewasser und Feuchtigkeit. Glasfaserverstärkte Verbundwerkstoffe auf Basis von thermoplastischem Harz (allgemein bekannt als thermoplastisches Fiberglas) weisen im Allgemeinen eine bessere chemische Korrosionsbeständigkeit auf als duroplastische Materialien. Im Allgemeinen wird die Beständigkeit gegen chemische Korrosion hauptsächlich durch das Substrat bestimmt. Glasfaser ist nicht beständig gegen Fluoride wie Flusssäure. Bei der Herstellung von Verbundwerkstoffprodukten, die für Fluoride wie Flusssäure geeignet sind, kann das Verstärkungsmaterial der Oberflächenschicht, die mit dem Medium im Produkt in Kontakt kommt, keine Glasfaser verwenden. Gesättigtes Polyester oder Polypropylen (Filz) kann verwendet werden, und die Matrix muss auch Flusssäureharz verwenden.
⑥ Harzbasierte Verbundwerkstoffe mit guten elektrischen Eigenschaften sind ausgezeichnete Isoliermaterialien, die zur Herstellung von Isolierkomponenten in Instrumenten, Motoren und Elektrogeräten verwendet werden. Sie können nicht nur die Zuverlässigkeit elektrischer Geräte verbessern, sondern auch deren Lebensdauer verlängern. Sie können bei hohen Frequenzen gute dielektrische Eigenschaften beibehalten, reflektieren keine elektromagnetischen Wellen und haben eine gute Mikrowellentransparenz. Derzeit werden sie häufig als Strukturmaterialien für die Herstellung von Flugzeugen, Schiffen und Bodenradarabdeckungen verwendet.
⑦ Verbundwerkstoffe auf Harzbasis haben eine gute Wärmeleistung, eine geringe Wärmeleitfähigkeit, einen kleinen linearen Ausdehnungskoeffizienten und erzeugen bei Temperaturunterschieden viel weniger Wärmespannungen als Metalle. Sie sind ein ausgezeichnetes Isoliermaterial. Verbundwerkstoffe auf Phenolharzbasis sind beständig gegen kurzzeitig hohe Temperaturen und können als ideales Material für Wärmeschutz und hitzebeständige Erosion dienen. Sie können Raketen, Flugkörper und Raumfahrzeuge wirksam vor den Scheuerwirkungen von Hochtemperatur- und Hochgeschwindigkeitsluftströmen über 2000 Grad schützen. Darüber hinaus kann aufgrund der Gestaltungsmöglichkeiten von Harzmatrixmaterialien die Wärmeleitfähigkeit, wenn Wärmeleitfähigkeit erforderlich ist, durch geeignete Modifikationstechniken neu gestaltet werden, um eine ausreichende Wärmeleitfähigkeit bereitzustellen.
Die Nachteile von Verbundwerkstoffen: Harzbasierte Verbundwerkstoffe weisen auch viele Mängel oder Unzulänglichkeiten auf. Im Folgenden werden die wichtigsten Nachteile von harzbasierten Verbundwerkstoffen kurz vorgestellt, damit die Leser ein umfassendes Verständnis der grundlegenden Eigenschaften von harzbasierten Verbundwerkstoffen in praktischen Anwendungen erhalten, um die Vorteile von harzbasierten Verbundwerkstoffen voll auszunutzen, ihre Nachteile zu vermeiden oder zu überwinden und so die beste Kosteneffizienz von harzbasierten Verbundwerkstoffen zu erzielen.
① Der Elastizitätsmodul von Faserverbundwerkstoffen (Glasfaser) ist niedrig. Der Elastizitätsmodul von Glasfaser ist doppelt so hoch wie der von Holz, aber zehnmal kleiner als der von normalem Baustahl. Daher weisen Glasfaserstrukturen häufig eine unzureichende Steifigkeit und eine erhebliche Verformung auf. Um diesen Nachteil zu beheben, können dünne Schalenstrukturen und Sandwichstrukturen verwendet werden. Zur Lösung können auch Fasern mit hohem Elastizitätsmodul oder Hohlfasern eingesetzt werden.
② Im Allgemeinen sind die interlaminare Scherfestigkeit und die interlaminare Zugfestigkeit von faserverstärkten Verbundwerkstoffen bei geringer Zwischenschichtfestigkeit geringer als die der Matrix. Daher kann es unter Einwirkung von Zwischenschichtspannung leicht zu Delaminationsfehlern der laminierten Platten kommen, was zum Versagen der Verbundstrukturen führt, was ein wichtiger Faktor ist, der die Verwendung von Verbundwerkstoffen in bestimmten Strukturen beeinflusst. Daher sollte bei der Konstruktion die Zwischenschichtspannung so weit wie möglich minimiert werden, oder es sollten bestimmte strukturelle Maßnahmen ergriffen werden, um Delaminationsfehler der Zwischenschichten zu vermeiden.
③ Die meisten Verstärkungsfasern (außer Aramidfasern, Polyethylenfasern mit ultrahohem Molekulargewicht usw.) sind spröde Materialien und die Bruchdehnung ist beim Strecken sehr gering. Daher sind faserverstärkte Verbundwerkstoffe ebenfalls spröde Materialien. Dies gilt entlang der Faserrichtung und noch mehr senkrecht zur Faserrichtung. Ihre Bruchdehnung ist viel geringer als die von Metallmaterialien. Dadurch können die Bruchdehnung der Fasern, die Zähigkeit der Matrix und der Grenzflächenzustand verbessert werden, um die Festigkeit, Bruchfestigkeit, Ermüdungsbeständigkeit und Schlagfestigkeit von Verbundwerkstoffen zu verbessern.
④ Die Hitzebeständigkeit von Verbundwerkstoffen auf Harzbasis ist relativ gering. Derzeit werden Hochleistungsverbundwerkstoffe auf Harzbasis lange Zeit bei Temperaturen unter 250 Grad verwendet, während allgemeine Verbundwerkstoffe auf Harzbasis lange Zeit bei Temperaturen unter 60-100 Grad verwendet werden.
⑤ Es gibt viele Faktoren, die die Leistung von Verbundwerkstoffen stark beeinflussen, darunter das Niveau und die Streuung der Faser- und Matrixeigenschaften, die Anzahl der Poren, Risse und Defekte, ob der Prozessablauf und die Bedienung angemessen sind, ob der Aushärtungsprozess geeignet ist und ob die Produktionsumgebung und -bedingungen den Anforderungen entsprechen. All dies kann zu erheblichen Veränderungen der Eigenschaften von Verbundwerkstoffen führen. Darüber hinaus mangelt es derzeit an umfassenden Überwachungsmethoden für die Produkte, was die Kontrolle der Produktqualität erschwert und die Streuung der Materialeigenschaften hoch ist. Beispielsweise weisen Verbundprodukte, die durch Handkleben von Glasfasergewebe hergestellt werden, einen Festigkeitsstreuungskoeffizienten von 6 % bis 10 % auf. Die Eigenschaften der oben genannten Glasfaserverbundwerkstoffe in Bezug auf Leistung, Verfahren, Design usw. sind mit keinem anderen Material vergleichbar. Daher können Glasfasermaterialien in militärischen und zivilen Anwendungen weit verbreitet eingesetzt werden. In den letzten Jahren wurden auf der Grundlage der Glasfasertechnologie einige neue hochleistungsfähige faserverstärkte Verbundwerkstoffe erforscht und entwickelt. Insbesondere aufgrund der Entwicklung der Luft- und Raumfahrttechnik sowie des Bedarfs an technischen Strukturen oder Komponenten in bestimmten Spezialanwendungen ist es erforderlich, den Anwendungsbereich von Verstärkungsmaterialien zu erweitern, ihre physikalischen und chemischen Eigenschaften zu verbessern und spezielle Anforderungen wie hohe Festigkeit, hohen Modul, hohe Temperaturbeständigkeit, geringe Dichte usw. zu erfüllen. Die erfolgreiche Forschung und Versuchsproduktion von Borfasern, Kohlenstofffasern, organischen Fasern (Aramid) usw. hat äußerst breite Anwendungspfade für die Entwicklung von faserverstärkten Verbundwerkstoffen eröffnet. Derzeit gibt es mehrere wichtige hochleistungsfähige faserverstärkte Materialien, darunter die folgenden
① Borfaserverstärkter Verbundwerkstoff weist eine viel höhere spezifische Festigkeit, Steifigkeit und Elastizitätsmodul auf als Glasfaser. Seine Druckfestigkeit und sein Wärmeausdehnungskoeffizient eignen sich besser für die Herstellung verschiedener struktureller Verbundwerkstoffe.
② In den frühen 1960er Jahren wurden kohlenstofffaserverstärkte Verbundwerkstoffe mit Matrixmaterialien wie Harz, Metall und Keramik kombiniert, um leichte, hochfeste, starre, ermüdungsbeständige und korrosionsbeständige Kohlenstofffaserverbundwerkstoffe herzustellen. Kohlenstofffasern können direkt in Kohlenstoffgewebe, Kohlenstoffbeutel, Kohlenstofffilz usw. eingewebt werden, um den Anforderungen verschiedener Anwendungen gerecht zu werden.
③ Aramidfaserverstärktes Verbundmaterial ist eine organische Faser mit hoher Festigkeit, hohem Modul und geringer Dichte. Es hat eine höhere Festigkeit als Kohlefaser, ist leichter als Glasfaser und Kohlefaser, hat einen niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten, eine gute Ermüdungsbeständigkeit, Hitzebeständigkeit und Flammbeständigkeit und verfügt über eine gewisse Wettbewerbsfähigkeit. In den letzten Jahren haben sich Aramidfaserverbundwerkstoffe rasant entwickelt und bieten große Entwicklungsaussichten.
