复合材料简介

10.3.4　复合材料简介

1．颗粒增强复合材料

颗粒增强复合材料中有一类材料所含颗粒粒径较粗，体积分数高。常用的有金属陶瓷（陶瓷颗粒增强的金属基复合材料），主要用于制造高硬度高耐磨性的工具和耐磨零件，如WC或TiC颗粒弥散在Co或Ni的基体中形成的复合材料，广泛用于切削硬质合金。另一类为弥散强化复合材料，增强体大都是硬质颗粒，可以是金属也可是非金属，最常用的是氧化物、碳化物等耐热性及化学稳定性好，且与基体不发生化学反应的颗粒。该类复合材料大多以金属为基体，基体材料可以是各种纯金属及合金。目前常用的有Al、Mg、Ti、Cu及其合金或金属间化合物，典型的代表有SAP复合材料、TD-Ni复合材料、弥散无氧铜复合材料及SiCp/Al复合材料。

陶瓷材料中加入适当的颗粒也具有增强作用——提高高温强度和高温蠕变性能，同时还有一定的增韧作用。如用SiC、TiC颗粒增强的Al₂O₃、Si₃N₄陶瓷材料，当颗粒的体积分数为5%时，其强度和韧度都达到最大值，具有很好的强韧化效果。这种材料已被用于制作陶瓷刀具。而将具有相变特性的ZrO₂粒子加入普通陶瓷或各种特种陶瓷（Al₂O₃、Si₃N₄、莫莱石）中，可以利用相变松弛裂纹的应力集中而起到很好的相变强韧化效果。

在高分子材料中，加入颗粒虽然也能在一定程度上强化基体，但一般来说这种颗粒主要是提高材料的其他性能，如耐磨减摩性、电导性和磁性能等。例如在环氧塑料中加入Ag或Cu₂O或石墨颗粒后，材料具有较好的导电性，可用于相应零部件的导电、防雷电或电磁屏蔽等。

2．纤维增强复合材料

（1）增强纤维材料

用于复合材料的增强纤维材料的种类很多，目前已应用的纤维主要有玻璃纤维、芳纶纤维、碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维和氧化铝纤维等，其中前三者在树脂基复合材料中用得最多；而后四者常用于金属基和陶瓷基复合材料的增强体。作为增强体的纤维可以用一种，也可以用两种或两种以上。

①玻璃纤维　玻璃纤维有较高的强度、相对密度小、化学稳定性高、耐热性好、价格低。缺点是脆性较大、耐磨性差、纤维表面光滑，不易与其他物质结合。

玻璃纤维可制成长纤维和短纤维，也可以织成布，制成无纺布。

②碳纤维与石墨纤维　有机纤维是在惰性气体中，经高温碳化制成的。2000℃以下制得碳纤维，再经2500℃以上处理得到石墨纤维。碳纤维的相对密度小、弹性模量高，而且在2 500℃无氧气氛中也不降低。

石墨纤维的耐热性和导电性比碳纤维高，并具有自润滑性。

③硼纤维　硼纤维的强度高、弹性模量高、耐高温。但相对密度较大、伸长率小、价格贵。

④晶须　晶须是在人工控制条件下以单晶形式生成的一种短纤维，其直径很小（约1μm），内部缺陷极少，强度接近完整晶体的理论强度。

晶须包括金属晶须和陶瓷晶须等。金属晶须中可批量生产的是铁晶须，它的最大特点是可在磁场中取向，可以很容易地制取定向纤维增强复合材料。

陶瓷晶须比金属晶须强度高、相对密度低、弹性模量高，而且耐热性好。目前具有实用价值的有石墨、SiC、Al₂O₃、Si₃N₄、TiN和BN等陶瓷晶须。

（2）纤维增强树脂基复合材料

一般来说，纤维增强树脂基复合材料的力学性能主要由纤维的特性决定，化学性能、耐热性等则由树脂和纤维共同决定。按增强纤维的不同，主要有以下几类：

①玻璃纤维—树脂复合材料（即玻璃钢） 玻璃钢成本低，工艺简单，应用很广，按其所用基体又分为热塑性玻璃钢和热固性玻璃钢两类。

A．热塑性玻璃钢，它是由质量分数为20%～40%的玻璃纤维和质量分数为60%～80%的基体材料（如尼龙、ABS塑料等）组成，具有高强度、高冲击韧性、良好的低温性能及低热膨胀系数。

B．热固性玻璃钢，它是由质量分数为60%～70%的玻璃纤维（或者玻璃布）和质量分数为30%～40%的基体材料（如环氧树脂、聚酯树脂等）组成，其主要特点是密度小、强度高，比强度超过一般高强度钢和铝合金及钛合金的比强度。耐磨性、绝缘性和绝热性好，吸水性低，易于加工成型；但是弹性模量低，只有结构钢的1/5～1/10，刚度低，耐热性比热塑性玻璃钢好但仍不够高，只能在300℃以下工作。为提高它的性能，可对基体进行化学改性，如用环氧树脂和酚醛树脂混溶后做基体的环氧—酚醛玻璃钢，热稳定性好，强度更高。

②碳纤维—树脂复合材料　碳纤维增强树脂复合材料由碳纤维与聚酯、酚醛、环氧、聚四氟乙烯等树脂组成，其性能优于玻璃钢，具有密度小，比强度、比模量高，并具有优良的抗疲劳性能和耐冲击性能，良好的自润滑性、耐磨减摩性、耐蚀和耐热性；但碳纤维与基体的结合力低（必须经过适当的表面处理才能与基体共混成型）。这类材料主要应用于航空航天、机械制造、汽车工业及化学工业中。

③硼纤维—树脂复合材料　硼纤维—树脂复合材料由硼纤维和环氧、聚酰亚胺等树脂组成，具有高的比强度和比模量，良好的耐热性，如硼纤维—环氧树脂复合材料的弹性模量分别为铝合金或钛合金的3倍或2倍，而比模量则为铝合金或钛合金的4倍；其缺点是各向异性明显，加工困难，成本太高。这类材料主要用于航空航天和军事工业。

④碳化硅纤维—树脂复合材料　碳化硅纤维与环氧树脂组成的复合材料具有高的比强度和比模量，抗拉强度接近碳纤维—环氧树脂复合材料，而抗压强度是它的两倍，是一类很有发展前途的新材料，主要用于航空航天工业。

⑤Kevlar纤维—树脂复合材料　是由Kevlar纤维与环氧、聚乙烯、聚碳酸酯、聚酯等树脂组成的，其中最常用的是Kevlar纤维与环氧树脂组成的复合材料，其主要性能特点是抗拉强度较高，与碳纤维环氧树脂复合材料相似；但其延展性好，可与金属相当；耐冲击性超过碳纤维增强塑料；有优良的疲劳抗力和减振性，其疲劳抗力高于玻璃钢和铝合金，减振能力为钢的8倍，为玻璃钢的4～5倍，用于制造飞机机身、雷达天线罩、轻型舰船等。

（3）纤维增强金属（或合金）基复合材料

①长纤维增强金属基复合材料　这类复合材料由高强度、高弹性模量的较脆长纤维和具有较好韧性的低屈服强度的金属或合金组成，与纤维增强树脂基复合材料类似，其中承载主要是由高强度、高弹性模量的纤维来完成，而基体金属则主要起固结纤维和传递载荷的作用。其性能决定于组成材料的组元和含量、相互作用及制备工艺。常用的纤维有：硼纤维、碳（石墨）纤维、碳化硅纤维等；常用的基体有Al及其合金、Ti及其合金、Cu及其合金、Ni合金及Ag、Pb等。

近年来为充分利用基体材料的特点，也研究和发展了纤维增强镁基复合材料，高温金属基复合材料如钨丝增强镍基、钨丝增强铜基等长纤维增强金属基复合材料。

长纤维增强金属基复合材料的主要应用领域是航空航天、先进武器和汽车领域，同时在电子、纺织、体育等领域也具有广泛的应用潜力。其中，铝基、镁基复合材料主要用于高性能的结构材料；而钛基耐热合金及金属间化合物基复合材料主要用于制造发动机零件；铜基和铅基复合材料则用于特殊导体和电极材料。但在目前，长纤维增强金属基复合材料还存在着制备工艺复杂、成本高的缺点。

②短纤维及晶须增强金属基复合材料　这类复合材料除具有高的比强度、高的比模量、耐高温、耐磨及膨胀系数小的特点外，更重要的是它可以采用常规设备制备并可二次加工，可以减小甚至消除材料的各向异性。目前发展的短纤维或晶须增强金属基复合材料主要有铝基、镁基、钛基等几类复合材料。其中，除Al₂O₃短纤维增强铝基复合材料外，以SiC晶须增强铝基（SiCw/Al）复合材料的发展为最快。

短纤维或晶须增强金属基复合材料具有良好的力学性能、物理性能及可二次成型加工等特点，但其成本较高，塑性、韧度较低。因此其一般用于航空航天、航海和军事等部门。晶须增强金属基复合材料已用于制造飞机的支架、加强筋、挡板和推杆，导弹上的光学仪器平台、惯导器件等。随着短纤维或晶须成本的下降，这类材料在汽车、运动器材等领域也将有着广阔的应用前景。

（4）纤维增强陶瓷基复合材料

纤维/陶瓷复合材料中的纤维具有“增韧补强”的作用。这几乎可以从根本上解决陶瓷材料的脆性问题，因此纤维—陶瓷复合材料日益受到人们的重视。

目前用于增强陶瓷材料的长纤维主要是碳纤维或石墨纤维，它能大幅度地提高陶瓷的冲击韧度和热振性，降低陶瓷的脆性，而陶瓷基体则保证纤维在高温下不氧化烧蚀，使材料的综合力学性能大大提高。如碳纤维-Si₃N₄复合材料可在1400℃下长期工作，用于制造飞机发动机叶片；碳纤维-SiO₂陶瓷的冲击韧度比烧结SiO₂陶瓷的高40倍，抗弯强度高5～12倍，能承受1200℃～1500℃的高温气流冲蚀，可用于宇航飞行器的防热部件上。

目前常用的晶须有SiC_w、Si₃N_4w、Al₂O_3w、Al₂O₃·B₂O_3w等，陶瓷基体包括各种氧化物、氮化物及碳化物陶瓷。

（5）其他类型的复合材料

①叠层或夹层复合材料　叠层或夹层复合材料是由两层或两层以上的不同材料组合而成的，其目的是充分利用各组成部分的最佳性能，这样不但可减轻结构质量，提高其刚度和强度，还可获得各种各样的特殊功能，如耐磨耐蚀、绝热隔音等。

如用于控温的双金属片（利用了不同金属材料的膨胀系数差异）；用于耐蚀耐热的不锈钢/普通钢的复合钢板材料。最典型的夹层材料是航空航天结构件中常用的蜂窝夹层结构材料，其基本结构形式是在两层面板之间夹一层蜂窝芯，面板与蜂窝芯是采用胶粘剂或钎焊连接在一起的。常用面板材料有纯铝或铝合金、钛合金、不锈钢、高温合金、高分子复合材料；夹心材料有泡沫塑料、波纹板、A1或铝合金蜂窝、纤维增强树脂蜂窝等。

②功能复合材料　这类材料主要是对一些功能材料进行复合，使其具有多种特殊的物理化学功能，以解决许多功能材料环境适应性差的缺点。目前主要发展了压电型功能复合材料、吸收屏蔽（隐身）型复合材料、自控发热功能复合材料、导电（磁）功能复合材料、密封功能复合材料等。如碳纤维-Cu复合材料除具有一定的力学性能外，还具有优异的电导热导性、低膨胀系数、低摩擦系数和低磨损率等，可用于特殊电动机的电刷材料，代替Ag、Cu制造集成电路散热板，还用于电力机车或电气机车导电弓架上的滑块以代替金属或碳滑块材料。