新型复合材料博采众长

1915新型复合材料——博采众长引言人类发展到今天，已经开发利用了种类繁多的材料，但是单一材料的性能已远远不能满足人类进一步发展的需要，因此将多种材料用适当的方法组合起来，得到一种性能优于单一材料的复合材料，是历史发展的必然。伴随着科学技术的发展和复合材料的大量使用，新型复合材料博采众长，适应了社会的发展和科技的进步，得到长足的发展。新型复合材料不仅在高技术领域（如航空航天、交通运输、信息产业等）获得应用，而且在民用工业中（如交通、建筑工业、化工设备和日用品等）也取得广泛应用。新型复合材料已经发展到一个更高的水平。5.1复合材料，1+1＞25.1.1复合材料的概念与分类1.何谓复合材料？从广义上讲，复合材料是有两种或两种以上的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。但在现代材料学界中，复合材料专指由两种或两种以上不同相态的组分所组成的材料。因此，复合材料定义为：用经过选择的一定数量比的两种或两种以上的组分（或称组元），通过人工复合，组成多相、三维结合且各相之间有明显界面的、具有特殊性能的材料。上述复合材料的定义较易被普遍接受，它不仅明确提出复合材料是“通过人工复合的”和“有特殊性能的”材料，而且还指明了复合材料的组分、结构特点及与其它种材料（如简单混合物、化合物、合金）的特征区别。2.复合材料的特点（1）复合材料的组分和其相对含量是经人工选择和设计的。（2）复合材料是经人工制造而非天然形成的（区别于具有某些复合材料特征的天然物质）。（3）组成复合材料的某些组分复合后仍保持其固有物理和化学性质（区别于化合物和合金）。（4）复合材料的性能取决于各组成相性能的协同。复合材料具有新的性能，这种性能是单个组分材料性能所不及或不同的。（5）复合材料是各组分之间被明显界面区分的多相材料。根据上述特点，复合材料应不包括自然形成具有某些复合材料形态的物质、化合物、单相合金和多相合金。3.复合材料的组成复合材料由两种以上组分以及它们之间的界面构成。组分材料主要指增强体和基体，它们也被称为复合材料的增强相和基体相。增强相和基体相是根据它们组分的物理和化学性质和在最终复合材料中的形态来区分的。（1）增强相（增强体）其形态可以是细丝（连续的或短切的）、薄片或颗粒状，具有较高的强度、模量、硬度和脆性，在复合材料承受外加载荷时是主要承载相，故称为增强相或增强体。它们在复合材料中呈分散形式，被基体相隔离包围，因此也称作分散相。（2）基体相其包围增强相并相对较软和韧的贯连材料，称为基体相。如高分子材料（聚合物或树脂）基体，金属基体和无机非金属材料基体。不同的基体材料和增强体材料可组合成品种繁多的复合材料。1924.复合材料的分类复合材料的种类繁多，目前尚无统一分类方法，以下主要依据构成复合材料的三要素(即基体、增强材料状态与复合方式)来进行分类:（1）按基体材料类型分类有金属基（主要有铝、镁、钛、铜等及其合金）复合材料、聚合物基（主要有合成树脂、橡胶等）复合材料及无机非金属材料(主要有陶瓷、水泥、碳、石墨等)基复合材料等。（2）按增强体类型（种类和形态）分类复合材料按照增强相的性质和形态，可分为细颗粒增强复合材料、长纤维或连续纤维增强复合材料、短纤维或晶须增强复合材料、层状或层叠增强复合材料以及填充骨架增强型复合材料等。主要的复合结构如图5.1所示。图5.1复合材料及其增强相的各种形态示意图（3）按复合材料的性能特征分类按性能特征，复合材料可分为普通复合材料（通用或常用复合材料）和新型复合材料（现代或先进复合材料）。普通复合材料是指利用普通玻璃纤维、合成或天然纤维等增强的树脂基（普通树脂）复合材料，大多用于要求不高而用量较大的场合。新型复合材料是指比普通复合材料有更高性能要求的复合材料，特点是比强度、比模量高、密度低等。它包括用碳、芳纶、陶瓷等纤维和晶须等高性能增强体与耐热性好的热固（塑）性树脂基所构成的高性能聚合物基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料、玻璃基复合材料、碳（石墨）基复合材料，包括使用其它力学性能的结构复合材料和其它性能的功能复合材料等。此类新型复合材料往往用于各种高技术领域中用量少而性能要求高的场合。（4）按主要用途分类可分为结构复合材料、功能复合材料与智能复合材料。图5.2复合材料的分类①功能复合材料系指具有某种特殊物理或化学特性的复合材料，它一般有功能体组元和基体193组元组成。基体不仅起到构成整体的作用，而且能产生协同或加强功能的作用。根据其功能的不同，又可分为导电、磁性、阻尼等复合材料等。②结构复合材料系指作为承力结构使用的复合材料，基本上由能承受载荷的增强体组元与能联结增强体成为整体材料、同时又起传递力作用的基体组元构成，增强体包括玻璃、陶瓷、碳素、高聚物、金属以及天然纤维、织物、晶须等，基体则有高聚物（树脂）、金属、陶瓷、玻璃、碳和水泥等。其特点是可根据材料在使用中的受力要求进行组元选材设计，更重要的是可以进行复合设计，即增强体排布设计，能合理地满足需要并节约用材。③智能复合材料指的是将具有模仿生命功能的材料融合于基体材料或复合材料中，使之具有所期望的智能功能的材料。复合材料常见的分类方法归纳于图5.2中。5.1.2复合材料的基本特征1.复合材料的性能具有可设计性这是复合材料区别于单一材料的显著特征，即经过选择性设计和加工，通过各组分性能间的相互补充，可获得新的优良性能。如图5.3所示，由A、B两种材料进行复合以后，可能出现图中所示的四种情况。由于组分A、B各有优缺点，如果通过材料优化设计和合理的工艺，使最终的材料尽可能达到Ⅰ各优点的组合状态，这也就是开发复合材料的目的。图5.3A、B两种材料优缺点组合与叠加效应图所谓复合材料，它不是一般材料的简单混合，而是利用适当的工艺方法，将两种或几种在物理性能和化学性能不同的物质组合而制成的多相固体材料，它们既能保留原组成材料的主要特色，又能通过复合效应获得原组分所不具备的优良性能，即此材料的性能比组成材料的性能好，具有复合效果，具有组成材料相互取长补短的良好综合性能。2.材料与构件制造的一致性将通过材料设计的复合材料组分（增强相和基体材料）和配比（即相对体积含量）确定后，根据铺层设计的要求对其进行排列和配置，经复合（即组合或制造）以后，就可得到复合材料的构件。传统材料构件需先选用以板、块、棒、管和型材等形式供应的材料，再将这些材料经各种加工制成构件。与此显著不同的是，复合材料与复合材料构件是同时成型，即在采用某种方法把增强材料掺入基体形成复合材料的同时，通常也就形成了复合材料的构件，这就是复合材料与构件制造的一致性。因此，复合材料与构件制造的一致性是复合材料的第二个显著特征，即在形成复合材料的同时也就得到了结构件。这一特点使构件零件数目减少，整体化程度提高；同时由于减少甚至取消了接头，避免或减少了铆、焊等工艺，从而减轻了构件质量，改善并提高了构件的耐疲劳性和稳定性等。3.叠加效应复合材料的设计，首先是要选择合适的单元组分材料，即挑选那些在组合成复合材料结构后，有望达到预期性能指标的增强体和基体组分。要实现预期的性能指标，应依靠增强体与基体性能的叠加（或互补），使复合材料获得一种新的、独特而又优于各单元组分的简单混合物的性能，这就是所谓的叠加效应。图5.3也示出复合材料叠加效应的形象图解。194在图5.3中，A和B分别表示增强体和基体，它们各自具备优点和缺点。尽管A和B将性能方面的优点和缺点均带入复合材料之中，但是叠加的结果有可能扬长避短，即每种组分只将自己的优点贡献给复合材料，而避开该组分的缺点；或者是由另一组分的优点来补偿该组分的缺点，做到性能互补，从而使复合材料在任何使用环境中增强体与基体之间均能保持协调一致，成为能在指定的工作环境范围中有效承担预期载荷和发挥预期效能的有机整体。复合材料的性能在大多数情况下处于Ⅰ～Ⅳ之间，它高于A和B的相应性能中的较小者，一般等于按A、B体积分数V的加和，即等于A性能VA+B性能VB，当组分匹配得当和复合工艺适宜时，有可能高于此值；反之则可能低于此值。叠加效应是复合材料的一种主要复合效应。5.1.3复合材料的性能特点1.比强度与比模量高复合材料的比强度(强度极限/密度)与比模量(弹性模量/密度)比其它材料高得多。这表明复合材料具有较高的承载能力。它不仅强度高，而且质量轻。例如碳纤维增强环氧树脂复合材料的比强度为钢的8倍，比模量为钢的3．5倍，详见表5.1及图5.4示。因此，将此类材料用于动力设备，可大大提高动力设备的效率。表5.1几种典型新型复合材料和常用金属材料性能对比图5.4复合材料与其它材料的比强度、比模量对比图2.抗疲劳性能好复合材料有高疲劳强度。例如，碳纤维增强聚脂树脂的疲劳强度为其抗拉强度的70%～80%，而大多数金属材料只有其抗拉强度的40%～50%。图5.5示出几种材料的疲劳曲线，可见复合材料抗疲劳性能较好。首先，缺陷少的纤维的疲劳抗力很高；其次，基体的塑性好，能消除或减少应力集中区的大小和数量，使疲劳源（纤维和基体中的缺陷处，界面上的薄弱点）难以萌生出微裂纹；即使微裂纹形成，如图5.6（a）所示，塑性变形也能使裂纹尖端195钝化，减缓其扩展。在裂纹缓慢扩展过程中，基体的纵向拉压会引起其横向的缩涨，而在裂纹尖端的前缘造成基体与纤维的分离[见图5.6（b）]，所以经过一定的应力循环之后，裂纹由横向改沿纤维-基体界面纵向扩展[见图5.6（c）]。由于基体中密布着大量纤维，疲劳断裂时，裂纹的扩展常要经历非常曲折和复杂的路径，因此复合材料的疲劳强度都很高。图5.5几种材料的疲劳曲线图5.6复合材料中疲劳裂纹扩展示意图1-碳纤维复合材料；2-玻璃钢；3-铝合金3.破损安全性好纤维增强复合材料是由大量单根纤维合成，受载后即使有少量纤维断裂，载荷会迅速重新分布，由未断裂的纤维承担，这样可使构件丧失承载能力的过程延长，表明断裂安全性能较好。4.减振性能好工程结构、机械及设备的自振频率除本身的质量和形状有关外，还与材料的比模量的平方根呈正比。复合材料具有高比模量，因此也具有高自振频率，这样可以有效地图5.7两种材料振动衰减特性比较防止在工作状态下产生共振及由此引起的早期破坏。同时，复合材料中纤维和基体间的界面有较强的吸振能力，表明它有较高的振动阻尼，故振动衰减比其它材料快，如图5.7所示。5.耐热性能好表5.2各种纤维材料的融点树脂基复合材料耐热性要比相应的塑料有明显的提高。金属基复合材料的耐热性更显出其优异性。例如，铝合金在400℃时，其强度大幅度下降，仅为室温时的0．06～0．1倍，而弹性模量几乎降为零。而用碳纤维或硼纤维增强铝，400℃时强度和弹性模量几乎与室温下保持同一水平。表5.2所示为各种纤维的融点（软化点），一般都在2000℃以上，用这些纤维与金属基体组成的复合材料，高温下强度和弹性模量均有提高，因此复合材料具有更高的高温强度、高温弹性模量以及良好的抗蠕变性能。6.减摩耐磨和自润滑性好塑料和钢的复合材料可用作轴承。石棉和塑料复合，摩擦系数大，是制动效果好的摩阻材料。7.化学稳定性优良复合材料具有优良的耐化学药品侵蚀的能力。例如，纤维增强塑料制品可以在含Cl-离196子的酸性介质中长期使用。8.其它特殊性能不少复合材料具有高韧性、导电、导热、以及耐烧蚀、抗辐射等性能中的某些优异性能，使它们得到了广泛的应用。5.1.4复合材料的制备方法简介复合材料的制备方法是多种多样的，一般可分为如下三类：1.叠层（层合）法该法包括利用胶黏剂的胶结层合、热压或挤出层合以及利用各种方法（例如涂装、电沉积、真空沉积、贴面等）形成表面层。利用此种方法可得到塑料层合板胶贴合膜、新型建筑材料、金属层合板、乙烯钢板、电线包覆层及光学纤维等。2.混合法该法是在基体材料中加入填料，经机械混合形成溶液、乳液状态，料浆和混合料，甚至微观结合，应用范围很广。经固化、分层、烧结而制成均匀的复合材料。3.浸渍法浸渍法多指的是孔连续相基体材料在增强液体中浸渍。如木材浸渍酚醛树脂叠加成增强层合板；多孔混凝土材料浸渍树脂制备聚合物混凝土。5.1.5复合材料的