复合材料

复合材料

随着现在高科技的发展，对材料性能的要求也越来越高，单质材料很难满足各技术产业性能的综合要求及高指标要求。由于复合材料分别具有比强度和比模量高，化学稳定性优良，减摩、耐磨、自润滑性好，耐热性高，韧性和抗热冲击性高，导电和导热性优良等特点，因此受到了各国的高度重视。有些经过特殊设计的复合材料还具有耐烧蚀性、耐辐射性、耐蠕变性以及持殊的光、电、磁性能。这些优良的特性使复合材料在机械、汽车、化工、航空、建筑等领域得到了广泛的应用。复合材料已成为材料发展的必然趋势之一。

第一节 复合材料概论

1.1 复合材料的定义

复合材料是用经过选择的，含一定数量比例的两种或两种以上组元经过人工组合而成的有固定界面的具有特定性质的物质。

复合材料的组成材料虽然保持其相对独立性，但其性能却不是组成材料性能的简单加合，而是有较大改进。在复合材料中，通常有一相为连续相，称为基体；另一相为分散相，称为增强相（增强体）。分散相是以独立的形态分布在整个连续相中，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。

复合材料可以是一个连续物理相与一个连续分散相的复合，也可以是两个或者多个连续相与一个或多个分散相在连续相中的复合，复合后的产物为固体时才称为复合材料，若复合产物为液体或气体时，就不能称为复合材料。复合材料既可以保持原材料的某些特点，又能发挥组合后的新特征。 1.2 复合材料的命名

复合材料在世界各国的命名方法，比较共同的趋势是根据增强体和基体的名称来命名，一般有以下三种情况：

1、强调基体时以基体材料的名称为主。如树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料等。

2、强调增强体时以增强体材料的名称为主。如玻璃纤维增强复合材料、碳纤维增强复合材料、陶瓷颗粒增强复合材料等。

3、基体材料名称与增强体材料名称并用，这种命名方法常用来表示某一种具体的复合材料，习惯上把增强体材料的名称放在前面，基体材料的名称放在后面。如“玻璃纤维增强环氧树脂复合材料”，或简称为“玻璃纤维所氧树脂复合材料或玻璃纤维肝氧”。而我国则常把这类复合材料通称为“玻璃钢”。 1.3 复合材料的分类

材料的分类方法较多，如按材料的化学性质分类，有金属材料、非金屑材料之分；如按物理性质分类，有绝缘材料、磁性材料、透光材料、半导体材料、导电材料等；按用途分类，有航空材料、电工材料、建筑材料、包装材料等。复合材料常见的的分类方法有以下几种。

1、按基体材料类型分类

1) 聚合物基复合材料：以有机聚合物(主要为热固性树脂、热塑性树脂及橡胶)为基

体制成的复合材料。

2) 金属基复合材料：以金属为基体制成的复合材料，如铝基复合材料、铁基复合材

料等。

3) 无机非金属基复合材料：以陶瓷材料(也包括玻璃和水泥)为基体制成的复合材料。 2、按增强材料种类分类

1) 玻璃纤维复合材料。 2) 碳纤维复合材料。

3) 有机纤维(芳香族聚酰胺纤维、芳香族聚酯纤维、高强度聚烯烃纤维等)复合材料。 4) 金属纤维(如钨丝、不锈钢丝等)复合材料。

5) 陶瓷纤维(如氧化铝纤维、碳化硅纤维、硼纤维等)复合材料。

如果用两种或两种以上的纤维增强同一基体制成的复合材料称为“混杂复合材料”。混杂复合材料可以看成是两种或多种单—纤维复合材料的相互复合，即复合材料的“复合材料”。

3、按增强材料形态分类

1) 连续纤维复合材料：作为分散相的纤维，每根纤维的两个端点都位于复合材料的

边界处。

2) 短纤维复合材料：短纤维无规则地分散在基体材料中制成的复合材料。 3) 粒状填料复合材料：微小颗粒状增强材料分散在基体中制成的复合材料。 4) 编织复合材料：以平面二维或立体三维纤维编织物为增强材料与基体复合而成的

复合材料。

4、按用途分类

1) 结构复合材料：主要用于承力和次承力结构，要求它质量轻、强度和刚度高，且

能耐受一定温度，在某种情况下还要求有膨胀系数小、绝热性能好或耐介质腐蚀等其他性能。

2) 功能复合材料：具有除力学性能以外其他物理性能的复合材料，即具有各种电学

性能、磁学性能、光学性能、声学性能、摩擦性能、阻尼性能以及化学分离性能等的复合材料。

第二节 复合材料的组成

结构复合材料是由基体、增强体和两者之间的界面组成，复合材料的性能则取决于增强体与基体的比例以及三个组成部分的性能。 2.1 基体

复合材料的基体起到将增强体黏结成整体，并赋予复合材料一定形状、传递外界作用力、保护增强体免受外界环境侵蚀的作用。复合材料所用基体主要有聚合物、金属、陶瓷、水泥等。

2.1.1 聚合物基体

作为复合材料基体的聚合物的种类很多，经常应用的有不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂等热固性树脂。

不饱和聚酯树脂是制造玻璃纤维复合材料的一种重要树脂。其特点是：工艺性良好，它能在室温下固化，常压下成型，工艺装置简单，固化后的树脂综合性能良好。但其固化时体积收缩率大、耐热性差，所以它很少用于碳纤维复合材料的基体材料，主要用于一般民用工业和生活用品。

环氧树脂广泛用于碳纤维复合材料及其他纤维复合材料。

酚醛树脂是最早实现工业化生产的一种树脂。它的特点是：在加热条件下即能固化，无须添加固化剂，酸、碱对固化反应起促进作用，树脂在固化过程中有小分子析出，故树脂固化需要在高压下进行，固化时体积收缩率大，树脂对纤维的黏附性不够好，已固化的树脂有良好的热缩性能，良好的耐水、耐化学介质和耐烧蚀姓能，但断裂延伸率低、脆性大。因此，酚醛树脂大量用于粉状压塑料、短纤维增强塑料，少量地用于玻璃纤维复合材料、耐烧蚀材料等，在碳纤维和有机纤维复合材料小很少使用。 2.1.2 金属基体

基体材料是金属基复合材料的重要组成部分，是增强体的载体，在金属基复合材料中占有很大的体积含量，起非常重要的作用，金属基体的力学性能和物理性能将直接影响复合材料的力学性能和物理性能。在选择基体材料时，应根据合金的特点和复合材料的用途选择基体材料。

目前用做金属基复合材料基体的金属主要有铝及铝合金、镁合金、钦合金、镍合金、铜与铜合金、锌合金、铅、银、铁铝金属间化合物、镍铝金属问化合物等。

结构复合材料的基体可分为轻金属基体和耐热合金基体两大类。轻金属基体主要包括铝基和镁基复合材料，使用温度在450℃左右。钴合金及其钦铝金属间化合物作基体的复合材料，具有良好的高温强度和空温断裂性能，同时具有良好的抗氧化、抗蠕变、耐疲劳和良好的高温力学性能，工作温度在650℃左右。而镍、钴基复合材料可在1200℃使用。 2.1.3 陶瓷基体

陶瓷是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，它们不合有大量自由电子。用做基体材料的陶瓷一般应具有优异的耐高温性能、与增强相之间有良好的界面相容性以及较好的工艺性能。常用的陶瓷基体主要包括玻璃、氧化物和非氧化物陶瓷。

玻璃是无机材料经高温焙融、冷却硬化而得到的一种非晶态固体。玻璃作为陶瓷基复合材料的基体有以下特点：玻璃的化学组成范围广，可以通过调整化学成分，使其达到与增

强体化学相容；通过调整玻璃的化学成分来调节其物理性能，使其与增强体的物理性能相匹配；玻璃类材料弹性模量低，有可能采用高模量的纤维来获得明显的增强效果；由于玻璃在一定温度下可以发生黏性流动，容易实现复合材料的致密化。

氧化物陶瓷作为基体材料使用的主要有A12O3，MgO，SiO2，ZrO2，莫来石(即富铝红柱石，化学式为3 A12O3·2 SiO2)等，它们的熔点在2000℃以上。氧化物陶瓷主要为单相多晶结构，除晶相外，可能还有少量的气相(气孔)。

非氧化物陶瓷是指不含氧的氮化物、碳化物、硼化物和硅化物。它们的特点是：耐火性能和耐磨性能好、硬度高，但脆性也很大。 2.1.4 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。与树脂相比，水泥基体有以下特征：水泥基体为多孔体系，其孔隙尺寸可由十分之几纳米到数十纳米；纤维与水泥的弹性模量比不大，因水泥的弹性模量比树脂的高，对于多数有机纤维，与水泥的弹性模量比甚至小于1，这意味着在纤维增强水泥复合材料中应力的传送效应远不如纤维增强树脂；水泥基体材料的断裂延仲率较低，仅是树脂笨体材料的1／10—1／20，故在纤维尚未从水泥苯体材料中拔山拉断前，水泥基休材料即行断裂；水泥基体材料中含有颗粒状的物料，与纤维呈点接触，故纤维的加入量受到很大的限制；树脂基体在未固化前是黏稠液体，可较好的浸透纤维中，故纤维的加入量可高一些；水泥基体材料呈碱性，对金属纤维可起保护作用，但对大多数纤维是不利的。 2.2 增强体

增强体是高性能结构复合材料的关键组分，在复合材料中起着增加强度和改善性能的作用。增强体按形态分为颗粒状、纤维状、片状、立方编织物等。一般按化学特征来区分，即无机非金属类、有机聚合物类和金属类。 2.2.1 玻璃纤维增强材料

玻璃纤维是纤维增强复合材料中应用最为广的增强体，可作为有机高聚物基或无机非金属材料基复合材料的增强体。玻璃纤维具有成本低、不燃烧、耐热、耐化学腐蚀性好、拉伸强度和冲击强度高、断裂延伸率小、绝热性及绝缘性好等特点。 1、玻璃纤维的分类

玻璃纤维的分类一般从玻璃原料成分、单丝直径、纤维特性及纤维外观等方面进行分类。

1） 玻璃纤维按其原料组成可分为无碱玻璃纤维、有碱玻璃纤维、中碱玻璃纤维及特种

玻璃纤维。

2） 玻璃纤维按其单丝直径分为粗纤维粗纤维(单丝直径为30μm)、初级纤维(单丝直径

20μm)、中级纤维(单丝直径为10-20μm)、高级纤维(单坤直径为3-10μm)，单丝直径小于4μm的玻璃纤维称为“超细纤维”。

3） 玻璃纤维按其具有的性能可分为高强玻璃纤维、高模量玻璃纤维、耐高温玻璃纤维、

耐碱玻璃纤维、耐酸玻璃纤维、普通玻璃纤维。

4） 玻璃纤维按外观分为长纤维、短纤维、空心纤维和卷曲纤维等。 2、玻璃纤维的结构

玻璃纤维的结构与玻璃相向。关于玻璃结构的假说到目前为止，只有“微晶结构假说”和“网络结构假说”才比较符合实际情况。

微晶结构假说认为玻璃是由硅酸盐或二氧化硅的“微晶子“组成，在“微晶子”之间由硅酸盐过冷溶液所填充。

网络结构假说认为玻璃是由二氧化硅四面体、铝氧四面体或硼氧三面体相互连成不规则的三维网络，网络间的空隙由Na+、K+、Ca+、Mg2+等阳离子所填充。

3、玻璃纤维的化学组成 ，

玻璃纤维是非结晶型无机纤维，化学组成主要是二氧化硅、三氧化二硼、氧化钙、三氧化二铝等。它们对玻璃纤维的性质和生产工艺起决定性作用。氧化钠、氧化钾等碱性氧化物能够降低玻璃的熔化温度和熔融教度，并使玻璃溶液中的气泡易于排除。它们主要通过破坏玻璃骨架，使结构疏松，从而达到了助熔的目的。因此，氧化钠和氧化钾的含量越高，玻璃纤维的强度、电绝缘性能和化学稳定性都会相应的降低。加入氧化钙、三氧化二铝等，能在一定条件下构成玻璃网络的一部分，改善玻璃的某些性质和工艺性能。玻璃纤维化学成分的制定既要满足玻璃纤维物理和化学性能的要求，具有良好的化学稳定性，还要满足制造工艺的要求，如合适的成型温度、硬化速度及粘度范围。

4、玻璃纤维的物理化学性能

玻璃纤维具有一系列优良性能，拉伸强度高，防火、防霉、防蛀、耐高温和屯绝缘性能好等。它的缺点是具有脆性，不耐腐蚀，对人的皮肤有刺激性等。

一般天然或人造有机纤维的表面都有较深的皱纹，而玻璃纤维的外观是光滑的圆柱体，横断面几乎是完整的圆形。从宏观上看，由于表面光滑，纤维之间的抱合力非常小，不利于与树脂黏结。又由于呈圆柱状，所以玻璃纤维彼此相靠近时，空隙填充得较为密实，这对于提高复合材料制品的玻璃含量是有利的。

玻璃纤维的最大特点是：拉伸强度较高，但扭转强度和剪切强度都比其他纤维低很多，玻璃纤维的拉伸强度比相同成分的玻璃高很多。一般有碱玻璃的拉伸强度只有40-100MPa，而用它拉制的玻璃纤维，拉伸强度可高达2000MPa，强度提高20-50倍。

玻璃纤维是一种优良的弹性材料，应力——应变曲线基本上是一条直线，没有塑性变形阶段，断裂延伸率小。直径9-10μm 的玻璃纤维的延伸率为2%左右，5μm的玻璃纤维的延伸率大约为3%。

玻璃纤维的直径越大和长度越长，都会使其强度变得越低。拉伸强度还与玻璃纤维的化学成分密切相关，一般来说，含碱量越高，强度越低。

玻璃纤维除对氢氟酸、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。化学稳定性在很大程度上决定于不同纤维的使用范围。玻璃纤维的化学稳定性主要取决于其成分中二氧化硅及碱金属氧化物的含量。

5、玻璃纤维的制备

玻璃纤维的制造方法主要有两种：坩埚法与池窑拉丝法。

1） 坩埚法制造玻璃纤维的工艺：将砂、石灰石和硼砂与玻璃原料干混后，在大约

1260℃熔炼炉中熔融后，流人造球机制成玻璃球，再将巳知成分玻璃球在电加热的铂铑坩祸中熔化成玻璃熔液，熔液在重力作用下坍塌底部漏板的小孔中流出,并速冷再又拉丝机拉制。

2） 池窑拉丝法制造玻璃纤维的工艺：将配合好的玻璃配合料投入窑内熔融，熔融玻璃

液经过澄清和均化，直接流入装有铂铑合金漏板的成型通路中，借助自重从漏板孔中流出，快速冷却并借助绕丝筒以1000-3000m/min线速度转动，拉成直径很小的玻璃纤维。

2.2.2 碳纤维增强体

碳纤维是由有机纤维经固相反应转变而成的纤维状聚合物碳，是一种非金屑材料。它不属于有机纤维范畴，但从制法上看，它又不同于普通无机纤维。碳纤维的质量小、强度高、模量高，耐热性高，化学稳定性好；碳纤维的缺点是性脆、抗冲击性和高温抗氧化性差，价格昂贵。主要作为树脂、碳、金属、陶瓷、水泥基复合材料的增强体。

1、碳纤维的分类

碳纤维种类一般可根据原丝的类型、碳纤维的性能和用途进行分类。

1） 根据碳纤维的力学性能分类：高性能碳纤维（高强度碳纤维、高模量碳纤维、中模

量碳纤维等）和低性能碳纤维（耐火纤维、碳质纤维、石墨纤维等）。

2） 根据原丝类型分类：聚丙烯腈基纤维，酚醛基碳纤维，沥青基碳纤维，纤维素基碳

纤维，其他有机纤维基(各种天然纤维、再生纤维、缩合多环芳香族合成纤维)碳纤维。

3） 根据碳纤维的功能分类：受力结构用碳纤维、耐焰碳纤维、活性炭纤维(吸附活性)、

导电用碳纤维、润滑用碳纤维和耐磨用碳纤维。 2、碳纤维的性能

碳纤维具有低密度、高强度、高模量、耐高温、抗化学腐蚀、低电阻、高热传导系数、低热膨胀系数、耐辐射等特性，此外还具有纤维的柔顺性和可编性，比强度和比模量优于其他无机纤维。碳纤维复合材料具有非常优良的X射线透过性，阻止中子透过性，还可赋予塑料以导电性和导热性。碳纤维的缺点是：性脆，抗冲击性和高温抗氧化性差。碳纤维的热膨胀系数与其他类型纤维不同，它有各向异性的特点，平行于纤维方向是负值，而垂直于纤维方向是正值。碳纤维的密度在1.5-2.0g/m3之间，这除与原丝结构有关外，主要决定于碳化处理的温度。

碳纤维的比电阻与纤维的类型有关，在25℃时，高模量纤维为775μΩ·cm，高强度碳纤维为1500μΩ·cm。碳纤维的电动势为正值，而铝合金的电动势为负值。因此，当碳纤维复合材料与铝合金组合应用时，会发生电化学府蚀。

3、碳纤维的制备

碳纤维的制备方法可以分为气相法和有机纤维碳化法两种类型。

气相法制备碳纤维有两种方法：基板法和气相流动法。气相法方法只能制造晶须或短纤维，不能制造连续长丝。

基板法：预先将催化剂喷洒或涂布在陶瓷或石墨基板上，然后将载有催化剂的基板置于石英或刚玉反应管中，再将低碳烃或芳烃与氢气混合通人反应管，在1100℃下通过基板，在催化剂粒子上形成的碳丝以30-50mm/min的速率生长，可以得到直径1-100μm、长300-500 mm的碳纤维，常用的催化剂有铁、镍微粒和硝酸铁溶液。若以乙炔和氢气混合气为原料，在750℃下通过镍板或镍粉催化剂，则可得到螺圈状碳纤维。

气相流动法：将低碳烃、芳烃、脂环烃等原料与铁、钴、镍超细粒子和氢气组成二元混合体系，在1100-1400℃下，铁或镍等金属微粒被氢气还原为新生态熔融金属液滴。在铁微粒催化剂液滴下，形成空心的直线型碳纤维；在镍微粒催化剂液滴下，形成螺旋状碳纤维。

有机纤维碳化法是先将有机纤维经过稳定化处理变成耐焰纤维，然后再在惰性气氛中，在高温下进行焙烧碳化，使有机纤维失去部分碳和其他非碳原子，形成以碳为主要成分的纤维状物。

制作碳纤维的主要原材料有三种：人造丝(粘胶纤维)；聚丙烯脂(NN)纤维，它不同于腈纶毛线；沥青基碳纤维，它是通过熔融拉丝成备向同性的纤维，或者是从液晶中间相拉丝而成的，这种纤维足具有高模量的各向异性纤维。用这些原料牛产的碳纤维各有特点。制造高强度、高模量碳纤维多选聚丙烯腈为原料。 2.2.3 氧化铝系列纤维

氧化铝纤维是多晶陶瓷纤维，主要成分为氧化铝，并含有少量的SiO2、B2O3或Zr2O3、MgO等组分。氧化铝纤维品种多，具有优异的绝缘、耐高温、抗氧化性能。制造氧化铝纤维的方法有多种，用不同的方法制造出的氧化铝纤维无论在形状、结构和性能上都有很大的差异。以下是两种典型的方法：

1） 熔融纺丝法：将氧化铝在电弧炉或电阻炉中熔融，用压缩空气或高压水蒸气等喷吹

熔融液流，使之呈长短、粗细不均的短纤维，这种制造方法称为“喷吹工艺”。 2） 淤浆纺丝法：将0.5μm以下的α-Al2O3颗粒在增塑剂疑基氧化铝、少量的氯化镁和

水组成的淤浆液中进行纺丝，然后在l300℃的空气中烧结，就成为氧化铝多晶体纤维，再在1500℃气体火焰中处理数秒，使晶粒之间烧结，得到连续的氧化铝纤维。

氧化铝纤维具有优良的机械性能和耐热性能。氧化铝的熔点是2040℃，但是，由于氧化铝从中间过渡态向稳定的α-Al2O3转变在1000-1100℃发生，因此，出中间过渡态组成的纤维在该温度下由于结构和密度的变化，强度显著下降。因而在许多制备方法中将硅和硼的成分加入到纺丝液中，控制这种转变，使纤维的耐热性提高。 2.2.4 碳化硅纤维

碳化硅(SiC)纤维是典型的陶瓷纤维，在形态上有晶须和连续纤维两种。连续碳化硅纤维控制备工艺的不同主要分为两种：一种是化学气相沉积法制得的碳化硅纤维，即在连续的钨丝或碳丝芯材上沉积碳化硅；另一种是用先驱体转化法制得的连续碳化硅纤维。化学气相法生产的碳化硅纤维是直径为95-140μm的单丝，而先驱体转化法生产的碳化硅纤维是直径为10μm的细纤维，一般由500根纤维组成的丝束为商品。

1、碳化硅纤维的制备

1） 化学气相沉积法碳化硅纤维

化学气相沉积(CVD)法碳化硅纤维是一种复合纤维。其制法是在管式反应器中采用汞电极直接用直流电或射频加热，将钨丝或碳丝载体加热到1300℃左右，在氢气中清洁其表面，再进入圆柱形反应室，在反应室中通人氢气和氯硅烷气体混合物，混合气体的标准成分是70%氢气+30%氯硅烷，在灼热的芯丝表面上反应生成碳化硅并沉积在芯丝表面。其结构大致可分成四层，内纤维中心向外依次为芯丝、富碳的碳化硅层、碳化硅层和外表面富硅涂层。

2） 先驱体转化法碳化硅纤维

先驱体转化法制备碳化硅纤维的过程是将有机硅聚合物(聚二甲基硅烷)转化成可纺性的聚碳硅烷，经熔融纺丝或溶液纺丝制成先驱丝，用电子束照射等手段位之交联，最后在惰性气氛或真空中高温烧结成碳化硅纤维。

2、碳化硅纤维的性能及应用

碳化硅纤维主要用于增强金属和陶瓷，制成耐高温的金属或陶瓷基复合材料，已在航空和军事工程中得到应用。碳化硅纤维增强聚合物基复合材料可以吸收或透过部分雷达波，已作为雷达天线罩，火箭、导弹和飞机等飞行器部件的隐身结构材料，以及航空、航天、汽车工业的结构材料与耐热材料。碳化硅纤维具有耐高温、耐腐蚀、耐辐射性能，是一种耐热的理想材料。用碳化硅纤维编织成双向和三向织物，已用于高温的传送带、过滤材料，如汽车的废气过滤器等。碳化硅复合材料已应用于喷气发动机祸轮叶片、飞机螺旋桨等受力部件主动轴等。在军事上，用于大口径军用步枪金属基复合枪简套管、M—1作战坦克履带、火箭推进剂传送系统、先进战术战斗机的垂直安定面、导弹尾部、火箭发动机外壳和鱼雷壳体等。 2.2.5芳纶纤维

聚合物大分子的主链由芳香环和酰胺键构成，其中至少有85%的酰胺基直接键合在芳香环上，每个重复单元的酰胺基中的氮原子和碳基直接与芳香环中的碳原子相连接，并置换其中一个氢原子的聚合物，称为“芳香族聚酰胺树脂”。由芳香族聚酰胺树脂纺成的纤维，称为“芳纶”，国外称为“芳酰胺纤维”。芳纶纤维就是目前已工业化生产并广泛应用的聚芳酰胺纤维，在复合材料中应用最普遍的是聚对苯二甲酰对苯二胺(PwA)纤维。

芳纶纤维具有优异的拉伸强度和拉伸模量，优良的减振性、耐磨性、耐冲击性、抗疲劳性、尺寸稳定性、耐化学腐蚀性(但不耐强酸和强碱)，低膨胀、低导热，不燃不熔，电绝缘，透电磁波，以及密度小(1.44g/cm3)的特点。芳纶在真空中长期使用温度为160℃，温度低至-60℃也不变脆，玻璃化转变温度Tg为250-400℃，热膨胀系数低(300℃以下为负值)。芳纶纤维

的单丝强度可达3773MPa；254mm长的纤维束的拉伸强度为2744MPa，大约为铝的5倍。芳纶纤维的耐冲击性大约为石墨纤维的6倍、硼纤维的3倍、玻璃纤维的0.8倍。劳纶纤维的断裂伸长在3%左右，接近玻璃纤维，高于其他纤维。用它与碳纤维混杂，将能大大提高纤维复合材料的冲击性能。芳纶的性能缺点是热膨胀系数具有各向异性，耐光性差，暴露于可见光和紫外线时会产生光致降解，使其力学性能下降和颜色变化，用高吸收率材料对Kevlar增强聚合物基复合材料作表面涂层，可以减缓其光致降解，溶解性差，抗压强度低，吸湿性强，吸湿后纤维性能变化大。

目前，芳纶纤维的总产量43%用于轮胎的帘子线(Kevlar-29)，31%用于复合材料，17.5%用于绳索类和防弹衣，8.5%用于其他。 2.2.6 晶须

晶须是以单晶结构生长的直径小于3μm的短纤维。它的内部结构完整，原子排列高度有序，晶体中缺陷少，是目前已知纤维中强度最高的一种，强度接近于相邻原子间成键力的理论值。晶须可用做高性能复合材料的增强材料，增强金属、陶瓷和聚合物。常见的晶须有金属晶须，如铁晶须、铜晶须、镍晶须、铬晶须等；陶瓷晶须，如碳化硅晶须、氧化铝晶须、氮化硅晶须等。

1、晶须的制备

1) 金属晶须的制备：通常采用两种办法：—种是金属盐的氢还原法，所选择的最佳

还原温度在接近或稍高于原料金属的熔点，多数金属晶须(如镍、铜、铁及其合金)都采用这种方法制备；另一种是利用金属的蒸气和凝聚制备晶须，先将金属在高温区气化，然后将气相金属冷至温度较低的生长区，以低的过饱和条件凝聚并生长成晶须，这种方法常用于锌、银等熔点较低的金属。

2) 碳化硅晶须的制备：工业化生产的常用方法是将石英砂或稻壳与炭粉按一定比例

配料，并加入铁、钻、镍等催化剂和生长控制剂，充分混合后加入坩埚中，在1450-1600℃惰性气体和氢气存在下生长出碳化硅晶须。

3) 硼酸铝晶须的制备：在Al2O3与B2O3中加入仅作熔剂的金属氧化物、碳酸盐或硫

酸盐，加热到800-1000℃可得到2 Al2O3B2O3，进一步加热到1000-1200℃，则得到Al2O3B2O3。

4) α-Al2O3晶须的制备：在炉中装入铝和氧化铝的混合粉末，通入氢(H2)与水蒸气的

混合气体，在l300-1500℃的温度下，经过化学反应生成的氧化亚铝(Al2O)，并将它转移到炉子的一端发生歧化反应生成Al2O3晶须。 2、晶须的性能及应用

用晶须制备的复合材料具有质量轻、比强度高、耐磨等特点，在航空航天领域，可用做直升机的旋翼，飞机的机翼、尾翼、空间壳体、起落架及其他宇宙航天部件，在其他工业方面可用在耐磨部件上。

在建筑业，用品须增强塑料可获得截面极强、抗张强度和破坏耐力很高的构件。

在机械工业中，陶瓷基晶须复合材料已用于切削刀具，在镍基耐热合金的加上中发挥作用；塑料基晶须复合材料可用于军部件的黏结接头，并局部增强零件应力集中承载力大的关键部位、间隙增强和硬化表面。

在汽车上业中，玻璃基晶须复合材料已用做汽车热交换器的支管内衬。发动机活塞的耐磨部件已采用SiC(W)/Al材料，大大提高了使用寿命。正在研究开发晶须塑料复合材料汽车车身和基本构件。

作为生物医学材料，晶须复合材料已试用于牙齿、骨路等。 2.2.7 颗粒增强材料

用于改善复合材料力学性能，提高断裂功、耐磨性和硬度，以及增强耐腐蚀性能的颗粒状材料，称为“颗粒增强体”。

颗粒增强体可以通过三种机制产生增韧效果：①当材料受到破坏应力时，裂纹尖端处的颗粒发牛显著的物理变化(如晶型转变、体积改变、微裂纹产生与增殖等)，它们均能消耗能量，从而提高了复合材料的韧性，这种增韧机制称为“相变增韧”和“微裂纹增韧”。②复合材料中的第二相颗粒使裂纹扩展路径发生改变(如裂纹偏转、弯曲、分叉、裂纹桥接或裂纹钉扎等)，从而产生增韧效果。③以上两种机制同时发生，此时称为“混合增韧”。 按照颗粒增强复合材料的基体不同，可以分为颗粒弥散强化陶瓷、颗粒增强金属和颗粒增强聚合物。颗粒在聚合物中还可以用做填料，目的是降低成本，提高导电性、屏蔽性或耐磨性。

按照变形性能，颗粒增强体可以分为刚性颗粒和延性颗粒两种。刚性颗粒主要是陶瓷颗粒，其特点是高弹性模量、高拉伸强度、高硬度、高的热稳定性和化学稳定性。刚性颗粒增强的复合材料具有较好的高温力学性能，是制造切削刀具、高速轴承零件、热结构零部件等的优良候选材料；延性颗粒主要是金属颗粒，加入到陶瓷、玻璃和微晶玻璃等脆性基体中，目的是增加基体材料的韧性。颗粒增强复合材料的力学性能取决于颗粒的形貌、直径、结晶完整度和颗粒在复合材料中的分布情况及体积分数。

第三节 复合材料的界面

复合材料整体性能的优劣与复合材料界面结构和性能关系密切。聚合物基复合材料界面、金属基复合材料界面以及对界面的优化设计是研究和开发复合材料的重要方面。 3.1 复合材料界面的概念

复合材料是由两种或两种以上不同物理、化学性质的以微观或宏观的形式复合而组成的多相材料。复合材料中增强体与基体接触构成的界面，是一层具有一定厚度(纳米以上)、结构随基体和增强体而异的、与基体有明显差别的新相——界面相(界面层)。它是增强相和基体相连接的“纽带”，也是应力及其他信息传递的桥梁。界面是复合材料极为重要的微结构，其结构与性能直接影响复合材料的性能。复合材料中的增强体无论是晶须、颗粒还是纤维，与基体在成型过程中将会发生程度不同的相互作用和界面反应，形成各种结构的界面。因此，

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