第一章 概述
　　材料是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。20世紀(jì)70年代人們把材料、信息為社會(huì)文明的支柱;80年代以后高技術(shù)群為代表的新技術(shù)革命，又把新材料與信息技術(shù)和生物技術(shù)并列為新技術(shù)革命的重要標(biāo)志。這主要是因?yàn)椴牧鲜菄?guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國(guó)防建設(shè)與人民生活所不可須臾缺少的重要組成部分。復(fù)合材料作為材料科學(xué)中一枝獨(dú)立的新的科學(xué)分支，已經(jīng)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(yùn)用，成為當(dāng)今高科技發(fā)展中新材料發(fā)的一個(gè)重要方面。
　　鑒于材料的重要的基礎(chǔ)地位和作用，每一次科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，都對(duì)材料的性能提出了越來(lái)越高、越來(lái)越嚴(yán)和越來(lái)越多的要求?，F(xiàn)如今在許多方面，傳統(tǒng)的單一材料已經(jīng)不能滿足實(shí)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(gè)更加廣闊的領(lǐng)域——復(fù)合材料。
　　本文將對(duì)復(fù)合材料的基本概念、加工中的理論問(wèn)題、制備工藝與方法和典型的應(yīng)用加以闡述，希望能夠比較全面的對(duì)復(fù)合材料做一個(gè)介紹。
　　首先我們來(lái)給復(fù)合材料下一個(gè)明確的定義。根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(International Organization for Standardization, ISO)為復(fù)合材料下的定義，復(fù)合材料(Compose Material)是由兩種或者兩種以上物理和化學(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì)組合而成的一種多相固體材料。復(fù)合材料的組份材料雖然保持其相對(duì)獨(dú)立性，但是復(fù)合材料的性能卻不是組份材料性能的簡(jiǎn)單加和，而是有著重要的改進(jìn)。在復(fù)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(qiáng)材料)。分散相是以獨(dú)立的形態(tài)分布在整個(gè)連續(xù)相中的。兩相之間存在著相界面，分散相可以是增強(qiáng)纖維，也可以是顆粒狀或彌散的填料。
　　復(fù)合材料的出現(xiàn)和發(fā)展，是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步的結(jié)果，也是材料設(shè)計(jì)方面的一個(gè)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(diǎn)，按照需要設(shè)計(jì)，復(fù)合成為綜合性能優(yōu)異的新型材料?？梢灶A(yù)見，如果用材料作為歷史分期的依據(jù)，那么，繼石器、青銅、鐵器、鋼鐵時(shí)代之后，在世紀(jì)，將是復(fù)合材料的時(shí)代。
　　在概述的余下一些篇幅中，我們來(lái)大致了解一下關(guān)于復(fù)合材料的一些基本內(nèi)容。
　　一、復(fù)合材料的命名和分類
　　復(fù)合材料可根據(jù)增強(qiáng)材料與基體材料的名稱來(lái)命名。將增強(qiáng)材料的名稱放在前面，基體材料的名稱放在后面，再加上“復(fù)合材料”即為材料名。為書寫簡(jiǎn)便，也可僅寫增強(qiáng)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(fù)合材料”。有時(shí)為了突出增強(qiáng)材料或者基體材料，視強(qiáng)調(diào)的組份不同也可將不需強(qiáng)調(diào)的部分加以省略或簡(jiǎn)寫。
　　復(fù)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(qiáng)材料形態(tài)分：連續(xù)纖維復(fù)合材料，短纖維復(fù)合材料，粒狀填料復(fù)合材料，編織復(fù)合材料
　　b. 按增強(qiáng)纖維種類分類：玻璃纖維復(fù)合材料，碳纖維復(fù)合材料，有機(jī)纖維復(fù)合材料，金屬纖維復(fù)合材料，陶瓷纖維復(fù)合材料，混雜復(fù)合材料(復(fù)合材料的“復(fù)合材料)
　　c. 按基體材料分類：聚合物基復(fù)合材料，金屬基復(fù)合材料，無(wú)機(jī)非金屬基復(fù)合材料
　　d. 按材料作用分類：結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，功能復(fù)合材料
　　二、復(fù)合材料的基本性能：
　　復(fù)合材料是由多相材料復(fù)合而成，其共同特點(diǎn)為:
　　(1) 綜合發(fā)揮各種組成材料的優(yōu)點(diǎn)，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(duì)材料性能的需要進(jìn)行材料的設(shè)計(jì)和制造
　　(3) 可制成所需的任意形狀的產(chǎn)品，可避免多次加工的工序由于復(fù)合材料性能受許多因素的影響，不同的復(fù)合材料性能不同，是同一類復(fù)合材料的性能也不是一個(gè)定值，故在此處給出一些主要性能:
　　I 聚合物基復(fù)合材料
　　i) 比強(qiáng)度，比模量大, ii) 耐疲勞性能好, iii) 減震性好 iv) 過(guò)載時(shí)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(fù)合材料
　　i) 高比強(qiáng)度，高比模量 ii) 導(dǎo)熱、導(dǎo)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(fù)合材料
　　i) 強(qiáng)度高，硬度大，ii) 耐高溫，抗氧化，高溫下抗磨損性好，耐化學(xué)腐蝕性優(yōu)良，iii) 熱膨脹系數(shù)和比重較小，iv) 制成復(fù)合材料以后抗彎強(qiáng)度高，斷裂韌性高
　　IV 水泥基復(fù)合材料:
　　i) 壓縮強(qiáng)度高i) 熱能方面性能優(yōu)異，ii) 制成復(fù)合材料以后抗拉性能和耐腐蝕性能增強(qiáng)，重量降低
　　通過(guò)以上的一些敘述，我們對(duì)復(fù)合材料的一些根本點(diǎn)有了初步的了解，下面進(jìn)入正題，對(duì)復(fù)合材料的制造工藝進(jìn)行一些探討
　　第二章 加工中的理論問(wèn)題
　　在這一章中，我們將從基體與增強(qiáng)材料的選擇、復(fù)合材料的界面以及增強(qiáng)材料的表面處理等方面入手，掌握一些復(fù)合材料加工的基本原理，以便對(duì)以后的工藝和技術(shù)的使用有一個(gè)理論基礎(chǔ)
　　一、基體與增強(qiáng)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(lái)看一下金屬基復(fù)合材料的基體選擇
　　金屬基復(fù)合材料構(gòu)(零)件的使用性能要求是選擇金屬基體材料重要的依據(jù)。在不同技術(shù)領(lǐng)域和不同的工況條件下對(duì)于復(fù)合材料構(gòu)件的性能要求有很大的差異。應(yīng)當(dāng)根據(jù)不同的情況選擇不同的復(fù)合材料基體。在航天、航空技術(shù)中高比強(qiáng)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(dòng)機(jī)則要求復(fù)合材料不僅有高比強(qiáng)度、比模量性能外，還要求復(fù)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(dòng)機(jī)中要求其零件耐熱、耐磨、導(dǎo)熱、一定的高溫強(qiáng)度等，同時(shí)又要求成本低，適合批量生產(chǎn)，則使用鋁合金做基體材料。工業(yè)集成電路需要高導(dǎo)熱、低膨脹的金屬基復(fù)合材料作為散熱元件和基板。選用具有高導(dǎo)熱率的Ag、Cu、Al等金屬為基體。
　　由于增強(qiáng)物的性質(zhì)和增強(qiáng)機(jī)理的不同，在基體材料的選擇原則上有很大差別。對(duì)于連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，纖維是主要承載物體，其本身具有很高的強(qiáng)度和模量，而金屬基體的強(qiáng)度和模量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于纖維的性能，故在連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料中基體的主要作用應(yīng)是以充分發(fā)揮增強(qiáng)纖維的性能為主，基體本身應(yīng)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(qiáng)度。但對(duì)于非連續(xù)增強(qiáng)(顆粒、晶須、短纖維)金屬基復(fù)合材料，基體是主要承載物，其強(qiáng)度對(duì)非連續(xù)增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料具有決定性的影響。故要獲得高性能的金屬基復(fù)合材料必須選用高強(qiáng)度的鋁合金為基體，這與連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料基體的選擇完全不同。
　　選擇基體時(shí)應(yīng)充分注意與增強(qiáng)物的相容性(特別是化學(xué)相容性)，并考慮到盡可能在金屬基復(fù)合材料成型過(guò)程中，抑制界面反應(yīng)。由于金屬基復(fù)合材料需要在高溫下成型，所以在金屬基復(fù)合材料制備過(guò)程中金屬基體與增強(qiáng)物在高溫復(fù)合過(guò)程中，處于高溫?zé)崃W(xué)不平衡狀態(tài)下的纖維與金屬之間很容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在界面形成脆性的反映層，對(duì)復(fù)合材料的強(qiáng)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(qiáng)物的反應(yīng)程度和生成的反應(yīng)物都不同，須在選用基體合金成分時(shí)充分考慮。
　　接下來(lái)看無(wú)機(jī)膠凝材料，無(wú)機(jī)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(yīng)用多的是纖維增強(qiáng)水泥基增強(qiáng)塑料。我們來(lái)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(huì)影響基體本身的性能，也會(huì)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(qiáng)水泥復(fù)合材料中應(yīng)力的傳遞效應(yīng)遠(yuǎn)不如纖維增強(qiáng)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(diǎn)接觸，故纖維的摻量受到很大限制。水泥基材呈堿性，對(duì)金屬纖維可起保護(hù)作用，但對(duì)大多數(shù)礦物纖維不利。
　　基體的水化過(guò)程相當(dāng)復(fù)雜，物理化學(xué)變化多樣。由于篇幅有限，故在此略過(guò)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(jià)鍵或離子鍵，與金屬不同，它們不含有大量電子。劣勢(shì)和優(yōu)勢(shì)同樣明顯。在陶瓷基復(fù)合材料誕生后，陶瓷的優(yōu)勢(shì)被保留，同時(shí)其劣勢(shì)由于增強(qiáng)材料的加入又被彌補(bǔ)了，使陶瓷材料進(jìn)入了新的發(fā)展領(lǐng)域。用作基體材料使用的陶瓷一般應(yīng)具有耐高溫性質(zhì)、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(guān)系都十分復(fù)雜。一般來(lái)說(shuō)有三種主要作用：把纖維粘在一起;分配纖維間的載荷;保護(hù)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(jiǎn)略說(shuō)明，若必要可參看參考資料。
　　纖維在復(fù)合材料中起增強(qiáng)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(qiáng)度高、防火防霉防蛀、耐高溫和電絕緣性能好，除對(duì)HF、濃堿、濃磷酸外，對(duì)所有化學(xué)藥品和有機(jī)溶劑都有良好的化學(xué)穩(wěn)定性。缺點(diǎn)是具有脆性、不耐磨、對(duì)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(diǎn)，導(dǎo)熱有方向性，比電阻與纖維類型有關(guān)，耐高低溫性能良好，除能被強(qiáng)氧化劑氧化外，對(duì)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(jī)纖維)：拉伸強(qiáng)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(zhì)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(qiáng)材料的結(jié)合運(yùn)用，能使人們按照自己的要求制造出特種復(fù)合材料，在物質(zhì)基礎(chǔ)上滿足人們的需要。
　　二、復(fù)合材料的界面及增強(qiáng)材料的表面處理
　　復(fù)合材料的界面指基體與增強(qiáng)物之間化學(xué)成分有顯著變化的、構(gòu)成彼此結(jié)合的、能起載和傳遞作用的微小區(qū)域。一般可將界面的機(jī)能歸納為：傳遞效應(yīng)、阻斷效應(yīng)、不連續(xù)效應(yīng)、散射和吸收效應(yīng)、誘導(dǎo)效應(yīng)。界面上產(chǎn)生的這些效應(yīng)，是任何一種單體材料所沒有的特性，它對(duì)復(fù)合材料具有重要作用。界面的效應(yīng)既與界面結(jié)合狀態(tài)、形態(tài)和物理-化學(xué)性質(zhì)等有關(guān)，也與界面兩側(cè)組分材料的浸潤(rùn)性、相容性、擴(kuò)散性等密切相聯(lián)。
　　復(fù)合材料中的界面并不是單純的幾何面，而是一個(gè)多層結(jié)構(gòu)的過(guò)渡區(qū)域，界面區(qū)是從與增強(qiáng)劑內(nèi)部性質(zhì)不同的某一點(diǎn)開始，直到與樹脂基體內(nèi)整體性質(zhì)相一致的點(diǎn)間的區(qū)域。此區(qū)域的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)都不同于兩相中的任一相，從結(jié)構(gòu)來(lái)分，這一界面區(qū)有五個(gè)亞層組成(表2-1)，每一亞層的性能均與樹脂基體和增強(qiáng)基的性質(zhì)、偶聯(lián)劑的品種和性質(zhì)、復(fù)合材料的成型方法等密切相關(guān)。
　　由于界面尺寸小且不均勻，化學(xué)成分基結(jié)構(gòu)復(fù)雜，力學(xué)環(huán)境復(fù)雜，及對(duì)于成分和相結(jié)構(gòu)也很難做出全面分析。因此迄今為止對(duì)復(fù)合材料界面的認(rèn)識(shí)還是很不充分，更談不上一個(gè)通用的模型來(lái)建立完整的理論。所以對(duì)于界面只能簡(jiǎn)單羅列一下各個(gè)理論。
　　對(duì)于聚合物基復(fù)合材料界面，其界面形成分為兩個(gè)階段：1.基體與增強(qiáng)纖維的接觸與浸潤(rùn)過(guò)程;2.聚合物的固化階段。目前有的理論為：界面浸潤(rùn)理論;化學(xué)鍵理論;物理吸附理論;變形層理論;拘束層理論;擴(kuò)散層理論;減弱界面局部應(yīng)力作用理論。
　　對(duì)于金屬基復(fù)合材料的界面，比聚合物基復(fù)合材料復(fù)雜的多。表2-1列出金屬基復(fù)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(zhì);Ⅱ類界面是由原組成成分構(gòu)成的犬牙交錯(cuò)的溶解擴(kuò)散型界面;Ⅲ類界面則含有亞微級(jí)左右的界面反應(yīng)物質(zhì)(界面反應(yīng)層)。