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复合材料

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第一章 概述
  材料是人类赖以生存和发展的物质基础。20世纪70年代人们把材料、信息为社会文明的支柱;80年代以后高技术群为代表的新技术革命,又把新材料与信息技术和生物技术并列为新技术革命的重要标志。这主要是因为材料是国民经济建设、国防建设与人民生活所不可须臾缺少的重要组成部分。复合材料作为材料科学中一枝独立的新的科学分支,已经得到了广泛的重视,正日益发展并在许多工业部门中得到广泛运用,成为当今高科技发展中新材料发的一个重要方面。
  鉴于材料的重要的基础地位和作用,每一次科学技术的突飞猛进,都对材料的性能提出了越来越高、越来越严和越来越多的要求。现如今在许多方面,传统的单一材料已经不能满足实际需要,在这种情况下,人们以其充满智慧的头脑将材料的新的发展方向伸向一个更加广阔的领域——复合材料。
  本文将对复合材料的基本概念、加工中的理论问题、制备工艺与方法和典型的应用加以阐述,希望能够比较全面的对复合材料做一个介绍。
  首先我们来给复合材料下一个明确的定义。根据国际标准化组织(International Organization for Standardization, ISO)为复合材料下的定义,复合材料(Compose Material)是由两种或者两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。复合材料的组份材料虽然保持其相对独立性,但是复合材料的性能却不是组份材料性能的简单加和,而是有着重要的改进。在复合材料中通常有一相为连续相(称为基体),而另一相为分散相(增强材料)。分散相是以独立的形态分布在整个连续相中的。两相之间存在着相界面,分散相可以是增强纤维,也可以是颗粒状或弥散的填料。
  复合材料的出现和发展,是现代科学技术不断进步的结果,也是材料设计方面的一个突破。它综合了各种材料如纤维、树脂、橡胶、金属、陶瓷等的优点,按照需要设计,复合成为综合性能优异的新型材料。可以预见,如果用材料作为历史分期的依据,那么,继石器、青铜、铁器、钢铁时代之后,在世纪,将是复合材料的时代。
  在概述的余下一些篇幅中,我们来大致了解一下关于复合材料的一些基本内容。
  一、复合材料的命名和分类
  复合材料可根据增强材料与基体材料的名称来命名。将增强材料的名称放在前面,基体材料的名称放在后面,再加上复合材料即为材料名。为书写简便,也可仅写增强材料和基体材料的缩写名称,中间加一条斜线隔开,后面再加复合材料。有时为了突出增强材料或者基体材料,视强调的组份不同也可将不需强调的部分加以省略或简写。
  复合材料的分类方法很多,常见的分类方法有以下几种:
  a. 按增强材料形态分:连续纤维复合材料,短纤维复合材料,粒状填料复合材料,编织复合材料
  b. 按增强纤维种类分类:玻璃纤维复合材料,碳纤维复合材料,有机纤维复合材料,金属纤维复合材料,陶瓷纤维复合材料,混杂复合材料(复合材料的复合材料)
  c. 按基体材料分类:聚合物基复合材料,金属基复合材料,无机非金属基复合材料
  d. 按材料作用分类:结构复合材料,功能复合材料
  二、复合材料的基本性能:
  复合材料是由多相材料复合而成,其共同特点为:
  (1) 综合发挥各种组成材料的优点,使一种材料具有多种性能,具有天然材料所没有的性能
  (2) 可按对材料性能的需要进行材料的设计和制造
  (3) 可制成所需的任意形状的产品,可避免多次加工的工序由于复合材料性能受许多因素的影响,不同的复合材料性能不同,是同一类复合材料的性能也不是一个定值,故在此处给出一些主要性能:
  I 聚合物基复合材料
  i) 比强度,比模量大, ii) 耐疲劳性能好, iii) 减震性好 iv) 过载时安全性能好。v) 具有多种功能性,耐烧蚀性能,摩擦性能好 () 有很好的加工工艺性
  II 金属基复合材料
  i) 高比强度,高比模量 ii) 导热、导电性能高. iii) 热膨胀系数小,iv) 尺寸稳定性好良好的高温性能 v) 耐磨性好. vi) 良好的抗疲劳性能和断裂韧性 ) 不吸潮,不老化,气密性好
  III 陶瓷基复合材料
  i) 强度高,硬度大,ii) 耐高温,抗氧化,高温下抗磨损性好,耐化学腐蚀性优良,iii) 热膨胀系数和比重较小,iv) 制成复合材料以后抗弯强度高,断裂韧性高
  IV 水泥基复合材料:
  i) 压缩强度高i) 热能方面性能优异,ii) 制成复合材料以后抗拉性能和耐腐蚀性能增强,重量降低
  通过以上的一些叙述,我们对复合材料的一些根本点有了初步的了解,下面进入正题,对复合材料的制造工艺进行一些探讨
  第二章 加工中的理论问题
  在这一章中,我们将从基体与增强材料的选择、复合材料的界面以及增强材料的表面处理等方面入手,掌握一些复合材料加工的基本原理,以便对以后的工艺和技术的使用有一个理论基础
  一、基体与增强材料的选择
  由于基体材料的不同,我们有必要将这些材料分开论述。首先来看一下金属基复合材料的基体选择
  金属基复合材料构()件的使用性能要求是选择金属基体材料重要的依据。在不同技术领域和不同的工况条件下对于复合材料构件的性能要求有很大的差异。应当根据不同的情况选择不同的复合材料基体。在航天、航空技术中高比强度、比模量、尺寸稳定性是重要的性能要求。宜选用密度小的轻金属合金作为基体。高性能发动机则要求复合材料不仅有高比强度、比模量性能外,还要求复合材料具有优良的耐高温性能,能在高温、氧化性气氛中正常工作,需选用钛基、镍基合金以及金属间化合物做基体材料。汽车发动机中要求其零件耐热、耐磨、导热、一定的高温强度等,同时又要求成本低,适合批量生产,则使用铝合金做基体材料。工业集成电路需要高导热、低膨胀的金属基复合材料作为散热元件和基板。选用具有高导热率的AgCuAl等金属为基体。
  由于增强物的性质和增强机理的不同,在基体材料的选择原则上有很大差别。对于连续纤维增强金属基复合材料,纤维是主要承载物体,其本身具有很高的强度和模量,而金属基体的强度和模量远远低于纤维的性能,故在连续纤维增强金属基复合材料中基体的主要作用应是以充分发挥增强纤维的性能为主,基体本身应与纤维有良好的相容性和塑性,而并不要求基体本身有很高的强度。但对于非连续增强(颗粒、晶须、短纤维)金属基复合材料,基体是主要承载物,其强度对非连续增强金属基复合材料具有决定性的影响。故要获得高性能的金属基复合材料必须选用高强度的铝合金为基体,这与连续纤维增强金属基复合材料基体的选择完全不同。
  选择基体时应充分注意与增强物的相容性(特别是化学相容性),并考虑到尽可能在金属基复合材料成型过程中,抑制界面反应。由于金属基复合材料需要在高温下成型,所以在金属基复合材料制备过程中金属基体与增强物在高温复合过程中,处于高温热力学不平衡状态下的纤维与金属之间很容易发生化学反应,在界面形成脆性的反映层,对复合材料的强度影响很大。再者,由于基体金属中往往含有不同类型的合金元素与增强物的反应程度和生成的反应物都不同,须在选用基体合金成分时充分考虑。
  接下来看无机胶凝材料,无机胶凝材料主要包括水泥、石膏、菱苦土和水玻璃等。其中研究和应用多的是纤维增强水泥基增强塑料。我们来看看水泥基材料的特征水泥基体为多孔体系,孔隙尺埃。其存在不仅会影响基体本身的性能,也会影响纤维与基体的界面粘接。纤维与水泥的弹性模量比不大,在纤维增强水泥复合材料中应力的传递效应远不如纤维增强树脂。水泥基材的断裂延伸率较低,在纤维尚未从水泥基材中拔出拉断前,水泥基材即行开裂。水泥基材中含有粉末或颗粒状的物料,与纤维成点接触,故纤维的掺量受到很大限制。水泥基材呈碱性,对金属纤维可起保护作用,但对大多数矿物纤维不利。
  基体的水化过程相当复杂,物理化学变化多样。由于篇幅有限,故在此略过不述。
  我们看看陶瓷材料,陶瓷使金属和非金属元素的固体化合物,其键合为共价键或离子键,与金属不同,它们不含有大量电子。劣势和优势同样明显。在陶瓷基复合材料诞生后,陶瓷的优势被保留,同时其劣势由于增强材料的加入又被弥补了,使陶瓷材料进入了新的发展领域。用作基体材料使用的陶瓷一般应具有耐高温性质、与纤维或晶须之间有良好的界面相容性以及较好的工艺性能等。常用的陶瓷基体主要包括玻璃、玻璃陶瓷、氧化物陶瓷和非氧化物陶瓷等。
  另外一类重要的基体是聚合物基体,顾名思义,此基体的主要组分是聚合物。其种类多样,常用的有不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂及各种热塑性聚合物。各组分的作用和关系都十分复杂。一般来说有三种主要作用:把纤维粘在一起;分配纤维间的载荷;保护纤维不受环境影响。由于没有在本系中涉及此类材料,所以简略说明,若必要可参看参考资料。
  纤维在复合材料中起增强作用,是主要的承力组分。主要分为:
  1. 玻璃纤维及其制品:具有一些列优良性能,拉伸强度高、防火防霉防蛀、耐高温和电绝缘性能好,除对HF、浓碱、浓磷酸外,对所有化学药品和有机溶剂都有良好的化学稳定性。缺点是具有脆性、不耐磨、对人的皮肤有刺激性等。
  2. 碳纤维:比重在1.52.0之间,热膨胀系数有各向异性的特点,导热有方向性,比电阻与纤维类型有关,耐高低温性能良好,除能被强氧化剂氧化外,对一般酸碱是惰性的,耐油、抗辐射、吸收有毒气体和减速中子。
  3. 芳纶纤维(有机纤维):拉伸强度高,弹性模量高,密度小,热稳定性高,热膨胀系数各向异性,有良好的耐介质性能,但易受各种酸碱的侵蚀,耐水性不好。
  4. 其他纤维:由碳化硅纤维、硼纤维、晶须、氧化铝纤维等。
  以上基体和增强材料的结合运用,能使人们按照自己的要求制造出特种复合材料,在物质基础上满足人们的需要。
  二、复合材料的界面及增强材料的表面处理
  复合材料的界面指基体与增强物之间化学成分有显着变化的、构成彼此结合的、能起载和传递作用的微小区域。一般可将界面的机能归纳为:传递效应、阻断效应、不连续效应、散射和吸收效应、诱导效应。界面上产生的这些效应,是任何一种单体材料所没有的特性,它对复合材料具有重要作用。界面的效应既与界面结合状态、形态和物理-化学性质等有关,也与界面两侧组分材料的浸润性、相容性、扩散性等密切相联。
  复合材料中的界面并不是单纯的几何面,而是一个多层结构的过渡区域,界面区是从与增强剂内部性质不同的某一点开始,直到与树脂基体内整体性质相一致的点间的区域。此区域的结构与性质都不同于两相中的任一相,从结构来分,这一界面区有五个亚层组成(2-1),每一亚层的性能均与树脂基体和增强基的性质、偶联剂的品种和性质、复合材料的成型方法等密切相关。
  由于界面尺寸小且不均匀,化学成分基结构复杂,力学环境复杂,及对于成分和相结构也很难做出全面分析。因此迄今为止对复合材料界面的认识还是很不充分,更谈不上一个通用的模型来建立完整的理论。所以对于界面只能简单罗列一下各个理论。
  对于聚合物基复合材料界面,其界面形成分为两个阶段:1.基体与增强纤维的接触与浸润过程;2.聚合物的固化阶段。目前有的理论为:界面浸润理论;化学键理论;物理吸附理论;变形层理论;拘束层理论;扩散层理论;减弱界面局部应力作用理论。
  对于金属基复合材料的界面,比聚合物基复合材料复杂的多。表2-1列出金属基复合材料界面的几种类型。其中,类界面是平整的,厚度仅为分子层的程度,除原组成成分外,界面上基本不含其他物质;类界面是由原组成成分构成的犬牙交错的溶解扩散型界面;类界面则含有亚微级左右的界面反应物质(界面反应层)

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