复合材料增强体的种类及优化

复合材料的最大特点是具有优异的综合性能和可设计性。根据预期的性能指标将不同材料（包括有机高分子、无机非金属和金属材料）通过一定的工艺复合在一起，充分发挥其优点，利用复合效应使复合后的材料具有单一材料无法达到的优异性能，如比强度和比模量高、耐高温、耐热冲击、线胀系数小、耐磨和耐蚀等。温度对复合材料比强度和比模量的影响如图7-1所示。

从20世纪40年代开始到现在，复合材料的发展经历了三个阶段：第一代复合材料的代表是玻璃钢（即玻璃纤维增强塑料），使用温度和弹性模量较低；第二代复合材料是以碳纤维和芳酰胺纤维等高性能增强体和一些耐高温树脂基构成的树脂基复合材料，如碳纤维强化树脂以及硼纤维强化树脂等；第三代是近年来发展起来的金属基、陶瓷基和碳/碳复合材料等。这些新型复合材料在航空航天等领域发挥了重要的作用，在能源、交通运输、化工、机械等领域得到了应用并具有广阔的前景。

图7-1 温度对复合材料比强度和比模量的影响

a）比强度 b）比模量

1.颗粒、晶须和纤维

复合材料是人工复合的，组成多相、三维结合且各相之间有明显界面的，具有特殊性能的材料。

复合材料一般有两个基本相：一个是连续相，称为基体；另一个是弥散相，称为增强相。复合材料的命名是以复合材料的相为基础，命名的方法是将增强相（或弥散相）材料放在前面，基体相（或连续相）材料放在后面，之后再缀以“复合材料”。例如，由碳纤维和环氧树脂构成的复合材料称为“碳纤维环氧复合材料”；为了书写简便，在增强相材料与基体材料之间画一斜线（或一个半字线）再加复合材料。增强相包括颗粒增强、晶须增强及纤维增强，颗粒、晶须、纤维及短纤维分别以下标p、w、f、sf表示。例如，碳化硅粒子增强铝基复合材料表示为SiC_p/Al。

复合材料的性能不但取决于各相的性能及其比例，而且与两相界面性质和增强剂的几何特征（包括增强剂的形状、尺寸、在基体中的分布方式等）有着密切的关系。弥散相是以独立的形态分布在整个连续相中的，弥散相可以是纤维，也可以是晶须、颗粒等弥散分布的填料。

复合材料的组分分成基体和增强体两个部分。通常将其中连续分布的组分称为基体，如聚合物（树脂）基体、金属基体、陶瓷基体；将颗粒、晶须、纤维等分散在基体中的物质称为增强体。金属基复合材料的增强体示例见表7-4。

表7-4 金属基复合材料的增强体示例

（1）晶须增强体 晶须是一类长径比较大的单晶体，直径由0.1μm至几个微米，长度一般为数十至数千微米，是缺陷少的单晶短纤维，其拉伸强度接近纯晶体的理论强度。晶须主要包括金属晶须和非金属晶须。晶须常用作复合材料的增强体。不同的晶须可采用不同的方法制取。

（2）颗粒增强体 颗粒增强体是用以改善基体材料性能的颗粒状材料，可分为延性颗粒增强体和刚性颗粒增强体。在基体中引入第二相颗粒，使材料的力学性能得到改善，它可使基体材料的抗断裂功能得到提高。颗粒增强体的形貌、尺寸、结晶完整度和加入量等因素都会影响复合材料的力学性能。

（3）纤维增强体 作为增强体的纤维物质就是纤维增强体，包括硼纤维、碳纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维等。

增强材料在复合材料中是弥散相。对于结构复合材料，增强材料的主要作用是承载，纤维承受载荷的比例远大于基体。例如，对于结构陶瓷复合材料，纤维的主要作用是增加韧性；对于多功能复合材料，纤维的主要作用是吸波、隐身、隔热和抗热振等其中的一种或多种，同时为材料提供基本的结构性能。

增强材料种类很多，还可分为无机增强材料和有机增强材料两大类：(www.xing528.com)

1）无机增强材料，如玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、晶须、石棉及金属纤维等。

2）有机增强材料，如芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维、聚酯纤维、棉、麻等。

增强相是粘结在基体内以改进其力学性能的高强度材料，不同基体材料中加入性能不同的增强相，目的在于获得性能优异的复合材料。增强相在复合材料中是弥散相，对于结构复合材料，增强相的主要作用是承载，能大幅度地提高复合材料的强度和弹性模量。增强相是根据对制品的性能要求，如力学性能、耐热性能、耐蚀性等，以及对制品的成形工艺和成本要求来确定的。

2.纳米超微粒子

20世纪80年代，随着高分辨电子显微镜等微观表征技术的发展，促进了人们在纳米尺度上认识物质结构与性质的关系，出现了纳米技术。1990年在美国巴尔帝摩召开的第一届国际纳米会议上，正式提出了一些关于纳米技术的概念。

纳米粒子，又称为超微粒子（Ultrafine Particles，简称UFP），指1～100nm的细微颗粒。纳米粒子不同于微观原子、分子团簇，也不同于宏观体相材料，是一种介于宏观固体和分子间的亚稳中间态物质。纳米粒子具有三个基本特性（小尺寸效应、量子尺寸效应、表面效应），从而使纳米粒子表现出许多不同于常规固体材料的新奇特性，展现了广阔的应用前景。

纳米技术也为复合材料的研究和应用增添了新的内容。含有纳米单元相的纳米复合材料以实际应用为目标，是纳米材料工程的重要组成部分，正成为纳米材料发展的新动向。例如，高分子纳米复合材料由于高分子基体具有易加工、耐腐蚀等优异性能，能抑制纳米单元的氧化和团聚特性，使体系具有较高的长效稳定性，能发挥纳米单元的特殊性能而受到重视。

纳米复合材料是一个内涵丰富的体系。纳米的形态也很多，包括：零维的纳米粉体、纳米微粒或颗粒等；一维的纳米线、丝、管及纳米晶须等；二维的层状、片状或带状结构的纳米材料。

依据纳米复合材料的属性也可将其分类如下：

（1）纳米金属材料 目前用各种方法制备出很多纳米金属粉体材料，如Au、Ag、Cu、Mo、Ta、W粉末等，这些金属纳米粉体因比表面能大，很不稳定，易被氧化或聚集。

（2）氧化物纳米材料 这类纳米材料的表面易被改性，容易获得物理和化学性能稳定的纳米微粒，具有储存、运输和进一步加工的稳定性特点。根据氧化物组成的不同，可进一步分为：金属氧化物纳米材料，如TiO₂、MgO、CuO、Cr₂O₃等；非金属氧化物纳米材料，如SiO₂等；两性金属氧化物纳米材料，如ZnO、Al₂O₃；稀土金属氧化物纳米材料，如La₂O₃、Y₂O₃、ZrO₂、WO₃等。

（3）碳（硅）化物纳米材料 碳化物纳米材料（如SiC）和硅化合物纳米材料（如MoSi₂）都属于高硬度纳米材料，在某种程度上具有明显的小尺寸效应和高比表面效应。

（4）氮（磷）等化合物纳米材料 氮化物纳米材料，如TiN、Si₃N₄；磷化合物纳米材料，如GaP等；卤化物纳米材料，如AgBr等。

（5）含氧酸盐纳米材料 硫酸盐类、磷酸盐类、碳酸盐类等含氧酸盐具有许多特殊的性能，各类含氧酸盐纳米材料以其高温下的化学稳定性和呈色范围宽等优点，在新型功能复合材料中具有重要的应用价值。

应指出，并非所有的纳米材料都可以用于纳米复合材料的增强材料，只有对它相材料具有提高力学性能的纳米材料才可称为增强增韧型纳米材料。对有机基体增强的纳米材料，有SiO₂、Al₂O₃等；对陶瓷基体增强的纳米材料，有Si₃N₄、SiC、ZrO₂等；对金属基体增强的纳米材料，有MgO、CaO等。这类纳米材料不具有所谓的量子效应和量子隧道效应，但具有的表面效应促使其具有高表面活性，有很强的表面能和表面结合能，用于有机聚合物增强时，能够获得明显的增强效果。当这种纳米材料均匀分散在有机基体中时，因分散尺寸小，起到增强作用的同时，又不会降低有机材料的韧性。例如橡胶中使用的超细炭黑就属于这种增强型纳米材料。

纳米复合材料的工业化始于20世纪90年代，但纳米技术的研究已经远远超出了纳米材料本身的制备研究，可使纳米技术广泛应用于新材料、石化、能源、光电信息等众多领域。