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第一章 概述
材料是人類賴以生存和發(fā)展的物質基礎。20世紀70年代人們把材料、信息為社會文明的支柱;80年代以后高技術群為代表的新技術革命，又把新材料與信息技術和生物技術并列為新技術革命的重要標志。這主要是因為材料是國民經濟建設、國防建設與人民生活所不可須臾缺少的重要組成部分。復合材料作為材料科學中一枝獨立的新的科學分支，已經得到了廣泛的重視，正日益發(fā)展并在許多工業(yè)部門中得到廣泛運用，成為當今高科技發(fā)展中新材料發(fā)的一個重要方面。
鑒于材料的重要的基礎地位和作用，每一次科學技術的突飛猛進，都對材料的性能提出了越來越高、越來越嚴和越來越多的要求。現(xiàn)如今在許多方面，傳統(tǒng)的單一材料已經不能滿足實際需要，在這種情況下，人們以其充滿智慧的頭腦將材料的新的發(fā)展方向伸向一個更加廣闊的領域——復合材料。
本文將對復合材料的基本概念、加工中的理論問題、制備工藝與方法和典型的應用加以闡述，希望能夠比較全面的對復合材料做一個介紹。
首先我們來給復合材料下一個明確的定義。根據國際標準化組織(International Organization for Standardization, ISO)為復合材料下的定義，復合材料(Compose Material)是由兩種或者兩種以上物理和化學性質不同的物質組合而成的一種多相固體材料。復合材料的組份材料雖然保持其相對獨立性，但是復合材料的性能卻不是組份材料性能的簡單加和，而是有著重要的改進。在復合材料中通常有一相為連續(xù)相(稱為基體)，而另一相為分散相(增強材料)。分散相是以獨立的形態(tài)分布在整個連續(xù)相中的。兩相之間存在著相界面，分散相可以是增強纖維，也可以是顆粒狀或彌散的填料。
復合材料的出現(xiàn)和發(fā)展，是現(xiàn)代科學技術不斷進步的結果，也是材料設計方面的一個突破。它綜合了各種材料如纖維、樹脂、橡膠、金屬、陶瓷等的優(yōu)點，按照需要設計，復合成為綜合性能優(yōu)異的新型材料?？梢灶A見，如果用材料作為歷史分期的依據，那么，繼石器、青銅、鐵器、鋼鐵時代之后，在世紀，將是復合材料的時代。
在概述的余下一些篇幅中，我們來大致了解一下關于復合材料的一些基本內容。
一、復合材料的命名和分類
復合材料可根據增強材料與基體材料的名稱來命名。將增強材料的名稱放在前面，基體材料的名稱放在后面，再加上“復合材料”即為材料名。為書寫簡便，也可僅寫增強材料和基體材料的縮寫名稱，中間加一條斜線隔開，后面再加“復合材料”。有時為了突出增強材料或者基體材料，視強調的組份不同也可將不需強調的部分加以省略或簡寫。
復合材料的分類方法很多，常見的分類方法有以下幾種:
a. 按增強材料形態(tài)分：連續(xù)纖維復合材料，短纖維復合材料，粒狀填料復合材料，編織復合材料
b. 按增強纖維種類分類：玻璃纖維復合材料，碳纖維復合材料，有機纖維復合材料，金屬纖維復合材料，陶瓷纖維復合材料，混雜復合材料(復合材料的“復合材料)
c. 按基體材料分類：聚合物基復合材料，金屬基復合材料，無機非金屬基復合材料
d. 按材料作用分類：結構復合材料，功能復合材料
二、復合材料的基本性能：
復合材料是由多相材料復合而成，其共同特點為:
(1) 綜合發(fā)揮各種組成材料的優(yōu)點，使一種材料具有多種性能，具有天然材料所沒有的性能
(2) 可按對材料性能的需要進行材料的設計和制造
(3) 可制成所需的任意形狀的產品，可避免多次加工的工序由于復合材料性能受許多因素的影響，不同的復合材料性能不同，是同一類復合材料的性能也不是一個定值，故在此處給出一些主要性能:
I 聚合物基復合材料
i) 比強度，比模量大, ii) 耐疲勞性能好, iii) 減震性好 iv) 過載時安全性能好。v) 具有多種功能性，耐燒蝕性能，摩擦性能好 (ⅵ) 有很好的加工工藝性
II 金屬基復合材料
i) 高比強度，高比模量 ii) 導熱、導電性能高. iii) 熱膨脹系數(shù)小，iv) 尺寸穩(wěn)定性好良好的高溫性能 v) 耐磨性好. vi) 良好的抗疲勞性能和斷裂韌性 ⅶ) 不吸潮，不老化，氣密性好
III 陶瓷基復合材料
i) 強度高，硬度大，ii) 耐高溫，抗氧化，高溫下抗磨損性好，耐化學腐蝕性優(yōu)良，iii) 熱膨脹系數(shù)和比重較小，iv) 制成復合材料以后抗彎強度高，斷裂韌性高
IV 水泥基復合材料:
i) 壓縮強度高i) 熱能方面性能優(yōu)異，ii) 制成復合材料以后抗拉性能和耐腐蝕性能增強，重量降低
通過以上的一些敘述，我們對復合材料的一些根本點有了初步的了解，下面進入正題，對復合材料的制造工藝進行一些探討
第二章 加工中的理論問題
在這一章中，我們將從基體與增強材料的選擇、復合材料的界面以及增強材料的表面處理等方面入手，掌握一些復合材料加工的基本原理，以便對以后的工藝和技術的使用有一個理論基礎
一、基體與增強材料的選擇
由于基體材料的不同，我們有必要將這些材料分開論述。首先來看一下金屬基復合材料的基體選擇
金屬基復合材料構(零)件的使用性能要求是選擇金屬基體材料重要的依據。在不同技術領域和不同的工況條件下對于復合材料構件的性能要求有很大的差異。應當根據不同的情況選擇不同的復合材料基體。在航天、航空技術中高比強度、比模量、尺寸穩(wěn)定性是重要的性能要求。宜選用密度小的輕金屬合金作為基體。高性能發(fā)動機則要求復合材料不僅有高比強度、比模量性能外，還要求復合材料具有優(yōu)良的耐高溫性能，能在高溫、氧化性氣氛中正常工作，需選用鈦基、鎳基合金以及金屬間化合物做基體材料。汽車發(fā)動機中要求其零件耐熱、耐磨、導熱、一定的高溫強度等，同時又要求成本低，適合批量生產，則使用鋁合金做基體材料。工業(yè)集成電路需要高導熱、低膨脹的金屬基復合材料作為散熱元件和基板。選用具有高導熱率的Ag、Cu、Al等金屬為基體。
由于增強物的性質和增強機理的不同，在基體材料的選擇原則上有很大差別。對于連續(xù)纖維增強金屬基復合材料，纖維是主要承載物體，其本身具有很高的強度和模量，而金屬基體的強度和模量遠遠低于纖維的性能，故在連續(xù)纖維增強金屬基復合材料中基體的主要作用應是以充分發(fā)揮增強纖維的性能為主，基體本身應與纖維有良好的相容性和塑性，而并不要求基體本身有很高的強度。但對于非連續(xù)增強(顆粒、晶須、短纖維)金屬基復合材料，基體是主要承載物，其強度對非連續(xù)增強金屬基復合材料具有決定性的影響。故要獲得高性能的金屬基復合材料必須選用高強度的鋁合金為基體，這與連續(xù)纖維增強金屬基復合材料基體的選擇完全不同。
選擇基體時應充分注意與增強物的相容性(特別是化學相容性)，并考慮到盡可能在金屬基復合材料成型過程中，抑制界面反應。由于金屬基復合材料需要在高溫下成型，所以在金屬基復合材料制備過程中金屬基體與增強物在高溫復合過程中，處于高溫熱力學不平衡狀態(tài)下的纖維與金屬之間很容易發(fā)生化學反應，在界面形成脆性的反映層，對復合材料的強度影響很大。再者，由于基體金屬中往往含有不同類型的合金元素與增強物的反應程度和生成的反應物都不同，須在選用基體合金成分時充分考慮。
接下來看無機膠凝材料，無機膠凝材料主要包括水泥、石膏、菱苦土和水玻璃等。其中研究和應用多的是纖維增強水泥基增強塑料。我們來看看水泥基材料的特征水泥基體為多孔體系，孔隙尺埃。其存在不僅會影響基體本身的性能，也會影響纖維與基體的界面粘接。纖維與水泥的彈性模量比不大，在纖維增強水泥復合材料中應力的傳遞效應遠不如纖維增強樹脂。水泥基材的斷裂延伸率較低，在纖維尚未從水泥基材中拔出拉斷前，水泥基材即行開裂。水泥基材中含有粉末或顆粒狀的物料，與纖維成點接觸，故纖維的摻量受到很大限制。水泥基材呈堿性，對金屬纖維可起保護作用，但對大多數(shù)礦物纖維不利。
基體的水化過程相當復雜，物理化學變化多樣。由于篇幅有限，故在此略過不述。
我們看看陶瓷材料，陶瓷使金屬和非金屬元素的固體化合物，其鍵合為共價鍵或離子鍵，與金屬不同，它們不含有大量電子。劣勢和優(yōu)勢同樣明顯。在陶瓷基復合材料誕生后，陶瓷的優(yōu)勢被保留，同時其劣勢由于增強材料的加入又被彌補了，使陶瓷材料進入了新的發(fā)展領域。用作基體材料使用的陶瓷一般應具有耐高溫性質、與纖維或晶須之間有良好的界面相容性以及較好的工藝性能等。常用的陶瓷基體主要包括玻璃、玻璃陶瓷、氧化物陶瓷和非氧化物陶瓷等。
另外一類重要的基體是聚合物基體，顧名思義，此基體的主要組分是聚合物。其種類多樣，常用的有不飽和聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂及各種熱塑性聚合物。各組分的作用和關系都十分復雜。一般來說有三種主要作用：把纖維粘在一起;分配纖維間的載荷;保護纖維不受環(huán)境影響。由于沒有在本系中涉及此類材料，所以簡略說明，若必要可參看參考資料。
纖維在復合材料中起增強作用，是主要的承力組分。主要分為：
1. 玻璃纖維及其制品：具有一些列優(yōu)良性能，拉伸強度高、防火防霉防蛀、耐高溫和電絕緣性能好，除對HF、濃堿、濃磷酸外，對所有化學藥品和有機溶劑都有良好的化學穩(wěn)定性。缺點是具有脆性、不耐磨、對人的皮膚有刺激性等。
2. 碳纖維：比重在1.5～2.0之間，熱膨脹系數(shù)有各向異性的特點，導熱有方向性，比電阻與纖維類型有關，耐高低溫性能良好，除能被強氧化劑氧化外，對一般酸堿是惰性的，耐油、抗輻射、吸收有毒氣體和減速中子。
3. 芳綸纖維(有機纖維)：拉伸強度高，彈性模量高，密度小，熱穩(wěn)定性高，熱膨脹系數(shù)各向異性，有良好的耐介質性能，但易受各種酸堿的侵蝕，耐水性不好。
4. 其他纖維：由碳化硅纖維、硼纖維、晶須、氧化鋁纖維等。
以上基體和增強材料的結合運用，能使人們按照自己的要求制造出特種復合材料，在物質基礎上滿足人們的需要。
二、復合材料的界面及增強材料的表面處理
復合材料的界面指基體與增強物之間化學成分有顯著變化的、構成彼此結合的、能起載和傳遞作用的微小區(qū)域。一般可將界面的機能歸納為：傳遞效應、阻斷效應、不連續(xù)效應、散射和吸收效應、誘導效應。界面上產生的這些效應，是任何一種單體材料所沒有的特性，它對復合材料具有重要作用。界面的效應既與界面結合狀態(tài)、形態(tài)和物理-化學性質等有關，也與界面兩側組分材料的浸潤性、相容性、擴散性等密切相聯(lián)。
復合材料中的界面并不是單純的幾何面，而是一個多層結構的過渡區(qū)域，界面區(qū)是從與增強劑內部性質不同的某一點開始，直到與樹脂基體內整體性質相一致的點間的區(qū)域。此區(qū)域的結構與性質都不同于兩相中的任一相，從結構來分，這一界面區(qū)有五個亞層組成(表2-1)，每一亞層的性能均與樹脂基體和增強基的性質、偶聯(lián)劑的品種和性質、復合材料的成型方法等密切相關。
由于界面尺寸小且不均勻，化學成分基結構復雜，力學環(huán)境復雜，及對于成分和相結構也很難做出全面分析。因此迄今為止對復合材料界面的認識還是很不充分，更談不上一個通用的模型來建立完整的理論。所以對于界面只能簡單羅列一下各個理論。
對于聚合物基復合材料界面，其界面形成分為兩個階段：1.基體與增強纖維的接觸與浸潤過程;2.聚合物的固化階段。目前有的理論為：界面浸潤理論;化學鍵理論;物理吸附理論;變形層理論;拘束層理論;擴散層理論;減弱界面局部應力作用理論。
對于金屬基復合材料的界面，比聚合物基復合材料復雜的多。表2-1列出金屬基復合材料界面的幾種類型。其中，Ⅰ類界面是平整的，厚度僅為分子層的程度，除原組成成分外，界面上基本不含其他物質;Ⅱ類界面是由原組成成分構成的犬牙交錯的溶解擴散型界面;Ⅲ類界面則含有亞微級左右的界面反應物質(界面反應層)。
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