复合材料加工工艺详解

    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。其中研究和应用最多的是纤维增强水泥基增强塑料。我们就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1.5～2.0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著变化的、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（表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，Ⅰ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；Ⅱ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；Ⅲ类界面则含有亚微级左右的界面反应物质（界面反应层）。