第七章 復(fù)合材料

復(fù)合材料第七章第一節(jié)復(fù)合材料基礎(chǔ)第二節(jié)復(fù)合材料的基體材料第三節(jié)復(fù)合材料的增強(qiáng)材料第四節(jié)常用復(fù)合材料

主要內(nèi)容一、概述人類從天然物質(zhì)中選擇提煉出人類生活所必要的物質(zhì)而加以利用。制造這些物質(zhì)有兩種方法：一種是利用了化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)合成；另一種是通過組合兩種以上的物質(zhì)，制成具有更高性能的材料。用后一種方法制造出的物質(zhì)稱之為復(fù)合材料。天然材料→加工材料→合成材料→復(fù)合材料復(fù)合材料一詞出現(xiàn)時(shí)間:50年代6000年前人類就已經(jīng)會用稻草加粘土作為建筑復(fù)合材料。水泥復(fù)合材料已廣泛地應(yīng)用于高樓大廈和河堤大壩等的建筑，發(fā)揮著極為重要的作用。我們住在復(fù)合材料里燕子窩：泥土-草復(fù)合材料

現(xiàn)代高科技的發(fā)展更緊密地依賴于新材料的發(fā)展，同時(shí)也對材料提出了更高、更苛刻的要求。當(dāng)前作為單一的金屬、陶瓷、聚合物等材料雖然仍在不斷日新月異地發(fā)展，但是以上這些材料由于其各自固有的局限性而不能滿足現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的需要。

復(fù)合材料特別是先進(jìn)復(fù)合材料就是為了滿足以上高技術(shù)發(fā)展的需求而開發(fā)的高性能的先進(jìn)材料。復(fù)合材料是應(yīng)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)而發(fā)展出來的具有極大生命力的材料。材料的復(fù)合化是材料發(fā)展的基本趨勢

二、

復(fù)合材料的定義、命名和分類1.復(fù)合材料的定義確切定義目前尚無定論,有幾種說法:①指由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的單一材料通過不同復(fù)合方法得到的宏觀多相材料.②指兩種或兩種以上具有不同化學(xué)或物理性質(zhì)的組分材料組成的一種與組分材料性質(zhì)不同的新材料,且各組分材料之間具有明顯的界面.③國際標(biāo)準(zhǔn)化組織下的定義:

復(fù)合材料是由兩種或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.主要特征:多相結(jié)構(gòu)，存在著復(fù)合效應(yīng).

組成:至少有兩相:

分散相:增強(qiáng)作用也稱增強(qiáng)材料

連續(xù)相:基體相也稱基體材料

2.復(fù)合材料的命名一般有以下三種情況：①強(qiáng)調(diào)基體時(shí)，以基體材料的名稱為主。如樹脂基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料等。②強(qiáng)調(diào)增強(qiáng)體時(shí)，以增強(qiáng)體材料的名稱為主。如玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、陶瓷顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料。③基體材料名稱與增強(qiáng)體材料名稱并用。這種命名方法常用來表示某一種具體的復(fù)合材料，習(xí)慣上將增強(qiáng)體材料的名稱放在前面，基體材料的名稱放在后邊，如“玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料”，或簡稱為“玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料或玻璃纖維/環(huán)氧”。而我國則常將這類復(fù)合材料通稱為“玻璃鋼”。3.復(fù)合材料的分類

可用幾種方法分類:

（1）按基體材料類型分類（2）按增強(qiáng)材料種類分類①玻璃纖維復(fù)合材料。②碳纖維復(fù)合材料。③有機(jī)纖維(芳香族聚酰胺纖維、芳香族聚酯纖維、高強(qiáng)度聚烯烴纖維等)復(fù)合材料。④金屬纖維(如鎢絲、不銹鋼絲等)復(fù)合材料。⑤陶瓷纖維(如氧化鋁纖維、碳化硅纖維、硼纖維等)復(fù)合材料。（3）按增強(qiáng)體的形狀尺寸分類彌散強(qiáng)化:直徑0.01-0.1μm,體積含量1-15%.作用:阻止“位錯”.顆粒強(qiáng)化:直徑1-50μm,體積含量25-70%.顆粒間距大于1μm.阻止基體變形,起到增強(qiáng)作用.（4）按用途分類

可分為兩類:結(jié)構(gòu)復(fù)合材料(承受載荷)

功能復(fù)合材料(壓電,導(dǎo)電,磁性)

三、復(fù)合材料的增強(qiáng)機(jī)理復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同物理、化學(xué)性質(zhì)的以微觀或宏觀的形式復(fù)合而組成多相材料。復(fù)合材料中增強(qiáng)體與基體接觸構(gòu)成的界面，是一層具有一定厚度(納米以上)、結(jié)構(gòu)隨基體和增強(qiáng)體而異的、與基體有明顯差別的新相---界面相(界面層)。它是增強(qiáng)相和體相連接的“紐帶”，也是應(yīng)力及其他信息傳遞的橋梁。界面是復(fù)合材料極為重要的微結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)與性能直接影響復(fù)合材料的性能。復(fù)合材料中的增強(qiáng)體無論是晶須、顆粒還是纖維，與基體在成型過程中將會發(fā)生程度不同的相互作用和界面反應(yīng)，形成各種結(jié)構(gòu)的界面。因此，深入研究界面的形成過程、界面層性質(zhì)、界面結(jié)合強(qiáng)度、應(yīng)力傳遞行為對宏觀力學(xué)性能的影響規(guī)律，從而有效進(jìn)行控制界面，是獲取高性能復(fù)合材料的關(guān)鍵。復(fù)合材料對界面的要求a.聚合物基復(fù)合材料的要求高的粘結(jié)強(qiáng)度和對環(huán)境破壞良好的抵抗力b.金屬基復(fù)合材料的要求適中的粘結(jié)界面、合適的塑性、控制組元間的化學(xué)反應(yīng)能力影響界面效應(yīng)的因素：a.兩相材料之間的潤濕、吸附、相容等熱力學(xué)因素；b.兩相材料本身的結(jié)構(gòu)、形態(tài)以及物理、化學(xué)性質(zhì)；c.界面應(yīng)力；d.加工過程中兩相材料的相互作用和界面反應(yīng)程度。第二節(jié)

復(fù)合材料的基體材料復(fù)合材料的基體主要有聚合物、金屬、陶瓷、水泥等。(1)金屬基體

基體材料是金屬基復(fù)合材料的重要組成部分，是增強(qiáng)體的載體，在金屬基復(fù)合材料中占有很大的體積含量，起非常重要的作用，金屬基體的力學(xué)性能和物理性能將直接影響復(fù)合材料的力學(xué)性能和物理性能。選擇載體的依據(jù)：一、根據(jù)合金的特點(diǎn)和復(fù)合材料的用途選擇基體材料；二、還要考慮復(fù)合材料的類型；三、還應(yīng)考慮基體材料與增強(qiáng)體的相容性。目前用做金屬基復(fù)合材料基體的金屬主要有鋁及鋁合金、鎂合金、鈦合金、鎳合金、銅與銅合金、鋅合金、鉛、銀、鈦鋁金屬間化合物、鎳鋁金屬間化合物等。結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的基體可分為輕金屬基體和耐熱合金基體兩大類。(2)聚合物基體

1)聚合物基體的種類、組分和作用①聚合物基體的種類a.不飽和聚酯樹脂優(yōu)點(diǎn)：工藝性良好，它能在室溫下固化，常壓下成型，工藝裝置簡單，固化后的樹脂綜合性能良好，它的價(jià)格比環(huán)氧樹脂低得多，只比酚醛樹脂略貴一些。缺點(diǎn)：力學(xué)性能不如酚醛樹脂或環(huán)氧樹脂；固化時(shí)體積收縮率大、耐熱性差等。b.環(huán)氧樹脂：具有一系列的可貴性能，發(fā)展很快，廣泛用于碳纖維復(fù)合材料及其他纖維復(fù)合材料。c.酚醛樹脂

在加熱條件下即能固化，無須添加固化劑，酸、堿對固化反應(yīng)起促進(jìn)作用，樹脂在固化過程中有小分子析出，故樹脂固化需要在高壓下進(jìn)行，固化時(shí)體積收縮率大，樹脂對纖維的黏附性不夠好，已固化的樹脂有良好的壓縮性能，良好的耐水、耐化學(xué)介質(zhì)和耐燒蝕性能，但斷裂延伸率低、脆性大。因此，酚醛樹脂大量用于粉狀壓塑料、短纖維增強(qiáng)塑料，少量地用于玻璃纖維復(fù)合材料、耐燒蝕材料等，在碳纖維和有機(jī)纖維復(fù)合材料中很少使用。

②聚合物基體的組分聚合物是聚合物基復(fù)合樹脂的主要組分其他的組分還有固化劑、增韌劑、稀釋劑、催化劑等，這些輔助材料是復(fù)合材料基體不可缺少的組分。③聚合物基體的作用聚合物復(fù)合材料中的基體三種主要的作用：a.將纖維粘在一起；b.分配纖維間的載荷；c.保護(hù)纖維不受環(huán)境的影響。

(3)陶瓷基體1)玻璃

玻璃和玻璃陶瓷作為陶瓷基復(fù)合材料的基體有以下特點(diǎn)：

①玻璃的化學(xué)組成范圍廣泛，可以通過調(diào)整化學(xué)成分，使其達(dá)到與增強(qiáng)體化學(xué)相容；②通過調(diào)整玻璃的化學(xué)成分來調(diào)節(jié)其物理性能，使其與增強(qiáng)體的物理性能相匹配；③玻璃類材料彈性模量低，有可能采用高模量的纖維來獲得明顯的增強(qiáng)效果；④由于玻璃在一定溫度下可以發(fā)生黏性流動，容易實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的致密化。主要用于：氧化鋁纖維、碳化硅纖維、碳纖維以及碳化硅晶須增強(qiáng)復(fù)合材料的基體。2)氧化物陶瓷種類：氧化鋁、氧化鎂、氧化硅、氧化鋯、莫來石。特點(diǎn)：它們的熔點(diǎn)在2000℃以上。主要為單相多晶結(jié)構(gòu)，微晶氧化物的強(qiáng)度較高，強(qiáng)度隨環(huán)境溫度升高而降低，但在1000℃以下降低較小。3)非氧化物陶瓷特點(diǎn)：耐火性能和耐磨性能好、硬度高，但脆性大。30什么是增強(qiáng)材料？在復(fù)合材料中，凡是能提高基體材料的機(jī)械強(qiáng)度、彈性模量等力學(xué)性能的材料統(tǒng)稱為增強(qiáng)材料。分類：按照物理狀態(tài)分為：纖維、片狀、顆粒。纖維：玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維等。第三節(jié)復(fù)合材料的增強(qiáng)材料31一、玻璃纖維及其

簡介：玻璃纖維是纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中應(yīng)用最為廣泛的增強(qiáng)體，可作為有機(jī)高聚物基或無機(jī)非金屬材料基復(fù)合材料的增強(qiáng)體。玻璃纖維具有成本低、不燃燒、耐熱、耐化學(xué)腐蝕性好、拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度高、斷裂延伸率小、絕熱性及絕緣性好等特點(diǎn)。

32玻璃纖維的分類a.按照原料組成分：無堿玻璃纖維、有堿玻璃纖維、中堿玻璃纖維、特種玻璃纖維b.按單絲直徑分：粗纖維、初級纖維、中級纖維、高級纖維c.根據(jù)纖維的性能分、高強(qiáng)玻璃纖維、高模量玻璃纖維、耐高溫玻璃纖維、耐堿玻璃纖維、耐酸玻璃纖維、普通玻璃纖維d.按外觀分：長纖維、短纖維、空心纖維和卷曲纖維33玻璃纖維的物理性能和化學(xué)性能

a.玻璃纖維具有一系列優(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等。它的缺點(diǎn)是具有脆性，不耐腐蝕，對人的皮膚有刺激性等。b.一般天然或人造有機(jī)纖維的表面都有較深的皺紋，而玻璃纖維的外觀是光滑的圓柱體，橫斷面幾乎是完整的圓形。從宏觀上看，由于表面光滑，纖維之間的抱合力非常小，不利于與樹脂黏結(jié)。又由于呈圓柱狀，所以玻璃纖維彼此相靠近時(shí)，空隙填充得較為密實(shí)，這對于提高復(fù)合材料制品的玻璃含量是有利的。34c.玻璃纖維的最大特點(diǎn)是：拉伸強(qiáng)度較高，但扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度都比其他纖維低很多，玻璃纖維的拉伸強(qiáng)度比相同成分的玻璃高很多，一般有堿玻璃的拉伸強(qiáng)度只有40-100MPa，而用它拉制的玻璃纖維，強(qiáng)度可提高20-50倍。

35d.玻璃纖維是一種優(yōu)良的彈性材料，應(yīng)力一應(yīng)變曲線基本上是一條直線，沒有塑性變形階段，斷裂延伸率小。e.玻璃纖維的直徑越大和長度越長，都使其強(qiáng)度變得越低。拉伸強(qiáng)度還與玻璃纖維的化學(xué)成分密切相關(guān)，一般來說，含堿量越高，強(qiáng)度越低。玻璃纖維存放一段時(shí)間后，會出現(xiàn)強(qiáng)度下降的現(xiàn)象。36f.玻璃是一種很好的耐腐蝕材料，玻璃纖維的耐腐蝕性卻很差。g.玻璃纖維除對氫氟酸、濃堿、濃磷酸外，對所有化學(xué)藥品和有機(jī)溶劑都有良好的化學(xué)穩(wěn)定性。37玻璃纖維的制造工藝

(1)坩堝法制造玻璃纖維的工藝(2)池窯拉絲法制造玻璃纖維的工藝

/u23/v_NDcwNzQzODA.html/v_show/id_XMjUyMjMwMzI=.htmlhtml表面處理的意義：表面處理就是在玻璃纖維表面涂覆表面處理劑，增加玻璃纖維與樹脂結(jié)合強(qiáng)度的的物質(zhì)。處理后效果：改進(jìn)了玻璃纖維的耐磨、防水、電磁絕緣性能，提高了復(fù)合材料的強(qiáng)度。玻璃纖維及其制品的表面處理界面理論：

界面層使纖維與基體形成一個整體，并通過它傳遞應(yīng)力，若纖維與基體之間的相容性不好，界面不完整，則應(yīng)力的傳遞面僅為纖維總面積的一部分。因此，為了使復(fù)合材料內(nèi)部能夠均勻地傳遞應(yīng)力，顯示其優(yōu)異性能，要求在復(fù)合材料的制造過程中形成一個完整的界面層。界面區(qū)可以理解為由基體與增強(qiáng)體接觸界面和兩者表面薄層構(gòu)成的一定厚度的范圍。而基體及增強(qiáng)體的表面層是相互影響和制約的，同時(shí)受本身表面的結(jié)構(gòu)和組成的影響。界面區(qū)的厚度隨外場條件的改變而變，是一個變量，它將影響到復(fù)合材料的力學(xué)行為、韌性及其他特性。

在復(fù)合材料制備過程中，復(fù)合材料的增強(qiáng)體和基體，通?？偸且幌嘁砸簯B(tài)與另二相接觸，然后經(jīng)過固化過程而形成整體。在此過程中兩相間的作用形成了界面，這一界面形成的機(jī)理，也就成為人們關(guān)心的問題，但至今仍并不完全清楚，人們提出的一些有關(guān)的理論主要包括：

1.界面浸潤理論

2.化學(xué)鍵理論（偶聯(lián)理論）

3.物理吸附理論

4.變形層理論

5.擴(kuò)散層理論

6.摩擦理論化學(xué)鍵理論化學(xué)鍵理論的主要觀點(diǎn)是處理增強(qiáng)體表面的偶聯(lián)劑，既含有能與增強(qiáng)體起化學(xué)作用的官能團(tuán)，又含有能與樹脂基體起化學(xué)作用的官能團(tuán)，由此在界面上形成共價(jià)鍵結(jié)合，如果能滿足這一要求，則在理論上可獲得最強(qiáng)的界面黏結(jié)能。化學(xué)鍵理論直到現(xiàn)在仍是一種比較好時(shí)理論。針對不同的復(fù)合體系，人們根據(jù)這一理論來選擇和合成新的偶聯(lián)劑?；瘜W(xué)鍵理論的局限性：比如碳纖維復(fù)合材料，當(dāng)碳纖維經(jīng)過某些柔性聚合涂層處理后，力學(xué)性能得以改善，然而這些柔性涂層聚合物既不具有與碳表面起反應(yīng)的活性基團(tuán)，也不具備與樹脂起反應(yīng)的基團(tuán)。在此情況下，此理論就難以解釋了，此時(shí)起主要作用的不是化學(xué)偶聯(lián)，而是物理效應(yīng)起主要作用。

由此看來，對各種復(fù)合材料體系中界面現(xiàn)象和結(jié)構(gòu)的解釋，不能單純以一種化學(xué)偶聯(lián)或單純以一種物理化學(xué)現(xiàn)象來解釋。對不同的復(fù)合體系，界面上的作用是復(fù)雜的，也不盡相同；實(shí)際形成界面的過程與表面粗糙度、極性、化學(xué)反應(yīng)性、液體樹脂的流變性、表面化學(xué)結(jié)構(gòu)等等因素有關(guān)，必須針對不同的復(fù)合體系綜合分析才能得到合理的結(jié)論。45玻璃纖維表面處理方法玻璃纖維表面處理劑主要有三類：有機(jī)鉻、有機(jī)硅和鈦酸酯玻璃纖維表面處理主要有三種方法：后處理法：分兩步，首先除去纖維表面的紡織型浸潤劑，然后經(jīng)處理劑溶液浸漬、水洗、烘干等工藝使纖維表面涂覆處理劑；前處理法：改變浸潤劑的配方，一劑多用；遷移法：將處理劑直接加入到樹脂膠液中進(jìn)行整合滲合，在浸膠的同時(shí)將處理劑施于玻璃纖維上，借助處理劑從樹脂膠液至纖維表面的遷移作用而與纖維表面發(fā)生作用，從而在樹脂固化過程中產(chǎn)生偶聯(lián)作用。46二、碳纖維碳纖維（CarbonFibre,CF或Cf）的開發(fā)歷史可追溯到19世紀(jì)末期，美國科學(xué)家愛迪生發(fā)明的白熾燈燈絲，而真正作為有使用價(jià)值并規(guī)模生產(chǎn)的碳纖維，則出現(xiàn)在二十世紀(jì)50年代末期。47

碳纖維是由有機(jī)纖維經(jīng)固相反應(yīng)轉(zhuǎn)變而成的纖維狀聚合物碳，是一種非金屬材料。

碳纖維不屬于有機(jī)纖維范疇，但從制備方法上看，它又不同于普通無機(jī)纖維。

碳纖維制品具有非常優(yōu)良的X射線透過性，阻止中子透過性，還可賦予塑料以導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。

以碳纖維為增強(qiáng)劑的復(fù)合材料具有比鋼強(qiáng)、比鋁輕的特性，是一種目前最受重視的高性能材料之一。它在航空航天、軍事、工業(yè)、體育器材等許多方面有著廣泛的用途。491、碳纖維的分類當(dāng)前，國內(nèi)外巳商品化的碳纖維種類很多，一般可以根據(jù)原絲的類型、碳纖維的力學(xué)性能和碳纖維的功能等三種方法進(jìn)行分類。50根據(jù)原絲類型分類

(1)聚丙烯腈基纖維；

(2)粘膠基碳纖維；

(3)瀝青基碳纖維；

(4)木質(zhì)素纖維基碳纖維；

(5)其他有機(jī)纖維基(各種天然纖維、再生纖維、縮合多環(huán)芳香族合成纖維)碳纖維。51根據(jù)碳纖維的力學(xué)性能分類

(1)高性能碳纖維在高性能碳纖維中，有高強(qiáng)度碳纖維、高模量碳纖維、中模量碳纖維等。

(2)低性能碳纖維這類碳纖維中，有耐火纖維、碳質(zhì)纖維、石墨纖維等。52根據(jù)碳纖維功能分類：受力結(jié)構(gòu)用碳纖維，耐焰碳纖維，活性碳纖維(吸附活性)，導(dǎo)電用碳纖維，潤滑用碳纖維，耐磨用碳纖維53碳纖維是一種以碳為主要成分的纖維狀材料。它不同于有機(jī)纖維或無機(jī)纖維，不能用熔融法或溶液法直接紡絲，只能以有機(jī)物為原料，采用間接方法制造。碳纖維制造方法可分為兩種類型，即氣相法和有機(jī)纖維碳化法。2、碳纖維的制造54

氣相法是在惰性氣氛中，小分子有機(jī)物(如烴或芳烴等)在高溫下沉積成纖維。用這種方法只能制造晶須或短纖維，不能制造連續(xù)長絲。55

有機(jī)纖維碳化法可以制造連續(xù)長纖維，它通常分為兩步進(jìn)行： ①將有機(jī)纖維經(jīng)過穩(wěn)定化處理變成耐焰纖維； ②在惰性氣氛中，于高溫下進(jìn)行焙燒碳化，使有機(jī)纖維失去部分碳和其它非碳原子，形成以碳為主要成分的纖維狀物。56無論用哪一種原絲纖維來制造碳纖維，所產(chǎn)生的最終纖維基本成分為碳，都要經(jīng)過五個階段：拉絲牽伸穩(wěn)定碳化石墨化57拉絲可用濕法、干法或者熔融狀態(tài)三種中的任意一種方法進(jìn)行。牽伸在室溫以上，通常是100--300℃范圍內(nèi)進(jìn)行。穩(wěn)定通過400℃加熱氧化的方法。碳化在1000--2000℃范圍內(nèi)進(jìn)行。石墨化在2000--3000℃范圍內(nèi)進(jìn)行。碳纖維的表面處理處理目的：提高碳纖維和基體的結(jié)合強(qiáng)度處理方法：①表面清潔法；②液相氧化法；③氣相氧化法；④表面涂層法途徑：清除表面雜質(zhì)；在纖維表面形成微孔或者刻蝕溝槽；從類石墨層面改性成碳狀結(jié)構(gòu)以增加表面能；引進(jìn)具有極性或反應(yīng)性官能團(tuán)以及形成能與樹脂起作用的中間層。59芳綸纖維是指目前已經(jīng)工業(yè)化生產(chǎn)并廣泛應(yīng)用的聚芳酰胺纖維。國外商品牌號叫凱芙拉(Kevlar)纖維，我國暫命名為芳綸纖維，有時(shí)也稱有機(jī)纖維。三、芳綸纖維60

芳綸纖維的歷史很短，發(fā)展很快。

1968午美國杜邦公司開始研制。

1972年以B纖維為名發(fā)表了專利并提供產(chǎn)品。1972年又研制了以PRD--49命名的纖維。

1973年正式登記的商品名稱為ARAMID纖維。61芳綸、芳綸-29、芳綸-49這三種牌號纖維的用途各不相同。

芳綸主要用于橡膠增強(qiáng)，制造輪胎、三角皮帶、同步帶等；

芳綸-29主要用于繩索、電纜、涂漆織物、帶和帶狀物，以及防彈背心等。

芳綸-49用于航空、宇航、造船工業(yè)的復(fù)合材料制件。62

由于該纖維具有獨(dú)特的功能，使之廣泛應(yīng)用到軍工和國民經(jīng)濟(jì)各個部門。 自1972年芳綸纖維作為商品出售以來，產(chǎn)量逐年增加。63由于芳綸纖維具有規(guī)整的晶體結(jié)構(gòu)，因此，它具有化學(xué)穩(wěn)定性、高溫尺寸穩(wěn)定性、不發(fā)生高溫分解以及在很高溫度下不致熱塑化等特點(diǎn)。第四節(jié)常用復(fù)合材料一、聚合物基復(fù)合材料以聚合物為基體的復(fù)合材料。復(fù)合材料中研究最早、發(fā)展最快的一類復(fù)合材料。在現(xiàn)代復(fù)合材料領(lǐng)域中占有重要的地位，在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮了越來越重要的作用。1.分類聚合物基復(fù)合材料增強(qiáng)纖維種類玻璃纖維增強(qiáng)型碳纖維增強(qiáng)型芳綸纖維增強(qiáng)型基體材料性能通用型耐化學(xué)介質(zhì)腐蝕型耐高溫型復(fù)合材料成型固化方式常溫常壓固化成型高溫加壓固化成型阻燃型聚合物基體的結(jié)構(gòu)形式熱固性樹脂基復(fù)合材料熱塑性樹脂基復(fù)合材料2.聚合物基復(fù)合材料的制造工藝和方法聚合物基復(fù)合材料的制造把復(fù)合材料的制造和產(chǎn)品的制造融合為一體。根據(jù)增強(qiáng)體和基體材料種類的不同，需要應(yīng)用不同的制造工藝和方法。根據(jù)基體材料不同分類：

熱固性樹脂復(fù)合材料的制造方法：手糊成型法、噴射成型法、模壓成型法、注射成型法、RTM成型法(注射成型法)等。熱塑性復(fù)合材料的制造方法：模壓成型法、注射成型法、RTM成型法、真空熱壓成型法、纏繞成型法等。1）手糊成型工藝模具準(zhǔn)備樹脂膠液配制增強(qiáng)材料準(zhǔn)備涂脫模劑手糊成型固化脫模后處理檢驗(yàn)制品手糊成型工藝流程纖維增強(qiáng)材料和樹脂膠液在模具上鋪覆成型，室溫(或加熱)、無壓(或低壓)條件下固化，脫模成制品的工藝方法。待浸樹脂的增強(qiáng)材料壓實(shí)輥樹脂可選用膠衣手糊成型示意圖膠衣是賦予復(fù)合材料制品表面的一層美觀、耐化學(xué)品侵蝕、耐擦傷和耐老化等的對其起到保護(hù)作用的表面涂層。優(yōu)點(diǎn)(1)不受尺寸、形狀的限制，適宜尺寸大、批量小、形狀復(fù)雜產(chǎn)品的生產(chǎn)；(2)設(shè)備簡單、投資少、設(shè)備折舊費(fèi)低，成本低；(3)工藝簡單；(4)可在任意部位增補(bǔ)增強(qiáng)材料，易滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求；(5)產(chǎn)品樹脂含量高，耐腐蝕性能好。缺點(diǎn)

(1)生產(chǎn)效率低，勞動強(qiáng)度大，勞動衛(wèi)生條件差；(2)產(chǎn)品質(zhì)量不易控制，性能穩(wěn)定性差；(3)產(chǎn)品力學(xué)性能較低。2）噴射成型工藝為改進(jìn)手糊成型工藝而開發(fā)的一種半機(jī)械化成型工藝，是手糊工藝的變形。工藝流程玻璃纖維無捻粗紗聚酯樹脂引發(fā)劑促進(jìn)劑加熱靜態(tài)混合切割噴槍噴射成型模具輥壓固化脫模將混有引發(fā)劑和促進(jìn)劑的不飽和聚酯樹脂從噴槍噴出，同時(shí)將玻璃纖維無捻粗紗用切割機(jī)切斷并由噴槍中心噴出，與樹脂一起均勻沉積到模具上。待沉積到一定厚度，用手輥滾壓，使纖維浸透樹脂、壓實(shí)并除去氣泡，最后固化成制品。優(yōu)點(diǎn)(1)生產(chǎn)效率比手糊法提高2~4倍；(2)利用粗紗代替織物，降低了材料成本；(3)成型過程中無接縫，制品的整體性好；(4)減少了飛邊、裁屑和剩余膠液的損耗；(5)可自由調(diào)節(jié)產(chǎn)品壁厚、纖維與樹脂的比例及纖維的長度。缺點(diǎn)(1)產(chǎn)品的均勻程度在很大程度上取決于操作工人的熟練程度；(2)樹脂含量高，增強(qiáng)纖維短，制品的強(qiáng)度較低，耐溫性能差；(3)因過量噴涂而造成原材料損耗大；(4)陰模成型比陽模成型難度大，小型制品比大型制品難度大；(5)現(xiàn)場粉塵大，工作環(huán)境惡劣；(6)初期投資比手糊成型大。3）模壓成型工藝定義將一定量的模壓料放入金屬對模中，在一定溫度、壓力作用下，固化成型制品的方法。加熱加壓的作用使模壓料塑化、流動，充滿空腔，并使樹脂發(fā)生固化反應(yīng)。優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)有較高的生產(chǎn)效率，適于大批量生產(chǎn)，制品尺寸精確，表面光潔，可以有兩個精制表面，價(jià)格低廉，容易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動化，多數(shù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的制品可一次成型，無需有損于制品性能的輔助加工，制品外觀及尺寸的重復(fù)性好。壓模的設(shè)計(jì)與制造較復(fù)雜，初次投資較高，制品尺寸受設(shè)備限制，一般只適于制備中、小型玻璃鋼制品。模壓工藝模具預(yù)熱脫模劑涂刷料的稱量料預(yù)熱成預(yù)成型裝模壓制脫模后處理打底及輔助加工檢驗(yàn)成品壓制前準(zhǔn)備壓制模壓成型工藝流程4）纏繞成型工藝?yán)p繞工藝：將浸過樹脂膠液的連續(xù)纖維或布帶，按照一定規(guī)律纏繞到芯模上，然后固化脫模成為復(fù)合材料制品的工藝過程。決定產(chǎn)品形狀的模具繞線筒張力控制器預(yù)浸槽小車吐絲嘴芯?；纠w維纏繞機(jī)纏繞工藝流程圖浸膠膠紗紗錠張力控制固化打模噴漆脫模芯模制造膠液配制紗團(tuán)集束烘干絡(luò)紗加熱粘流縱、環(huán)向纏繞張力控制縱、環(huán)向纏繞成品濕法纏繞成型工藝干法纏繞成型工藝3.聚合物基復(fù)合材料的主要性能(1)比強(qiáng)度和比模量高復(fù)合材料的突出優(yōu)點(diǎn)是比強(qiáng)度和比模量（即強(qiáng)度、模量與密度之比）高。比強(qiáng)度和比模量是度量材料承載能力的一個指標(biāo)，比強(qiáng)度愈高，同一零件的比重愈??；比模量愈高，零件的剛性愈大。如碳纖維增強(qiáng)的環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的比強(qiáng)度比鋼高七倍。這對于高速運(yùn)動的零件，要求自重輕的運(yùn)輸機(jī)械具有重大的意義。(4)破損安全性好復(fù)合材料中每平方厘米截面上有幾千－幾萬根增強(qiáng)纖維，當(dāng)其中一部分纖維斷裂時(shí)，應(yīng)力會重新分布到未破壞的纖維上，致使零件不會造成突然斷裂。(3)減震性好機(jī)器結(jié)構(gòu)的自振頻率與材料的比模量的平方成正比。復(fù)合材料的比模量高，結(jié)構(gòu)的自振頻率高，避免與環(huán)境產(chǎn)生共振。(2)耐疲勞性好大多數(shù)金屬材料的疲勞極限是其抗拉強(qiáng)度的40－50％，而碳纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料可達(dá)70－80％。(5)具有多種功能性聚合物基復(fù)合材料可以制成具有較高比熱、熔融熱和汽化熱材料，以吸收高溫?zé)g時(shí)的大量熱能；有良好的摩擦性能，包括良好的摩阻特性及減摩特性；高度的電絕緣性能；優(yōu)良的耐腐蝕性能；有特殊的光學(xué)、電學(xué)和磁學(xué)特性。(6)具有很好的加工工藝性但復(fù)合材料還有一些缺點(diǎn)，如耐高溫性能，耐老化性能及材料強(qiáng)度一致性等有待于進(jìn)一步研究提高。4.聚合物基復(fù)合材料的應(yīng)用聚合物基復(fù)合材料占復(fù)合材料總量的90%以上；每年的平均增長率為50%；95%的是玻璃纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料；美國三分之一歐共體三分之一日本十分之一美國：交通運(yùn)輸車輛、工具等33%；建筑、海洋結(jié)構(gòu)、船舶等22%電器產(chǎn)品、化工等10%軍事裝備1%體育用品和其他民用消費(fèi)12%歐洲共同體：交通運(yùn)輸車輛30%建筑18%軍事裝備8%其他日本：基本建筑40%交通運(yùn)輸車輛18%~20%化工容器10%體育用品10%電器產(chǎn)品15%航空二、金屬基復(fù)合材料（MMC）金屬基復(fù)合材料是一門相對較新的材料學(xué)科，它涉及材料表面、界面、相變、凝固、塑性形變和斷裂力學(xué)等。金屬基復(fù)合材料的制備工藝過程涉及高溫、增強(qiáng)材料的表面處理、復(fù)合成型等復(fù)雜工藝，而金屬基復(fù)合材料的性能、應(yīng)用、成本等在很大程度土取決于其制造技術(shù)。概述金屬基復(fù)合材料(MMC)是一類以金屬或合金為基體，以金屬或非金屬線、絲、纖維、晶須或顆粒狀組分為增強(qiáng)相的非均質(zhì)混合物，其共同點(diǎn)是具有連續(xù)的金屬基體。由于其基體是金屬，因此金屬基復(fù)合材料具有與金屬性能相似的一系列優(yōu)點(diǎn)，如高強(qiáng)度、高彈性模量、高韌性、熱沖擊敏感性低、表面缺陷敏感性低、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好等。通常增強(qiáng)相是具有高強(qiáng)度、高模量的非金屬材料。增強(qiáng)相的加入主要是為了彌補(bǔ)基體材料的某些不足的性能，如提高剛度、耐磨性、高溫性能和熱物理性能等。1.金屬基復(fù)合材料的分類1）按用途分類：—結(jié)構(gòu)用金屬基復(fù)合材料—功能用金屬基復(fù)合材料2）按增強(qiáng)材料分類：

—纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料

—顆粒、晶須增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料

—層壓增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料2.金屬基復(fù)合材料的制造技術(shù)金屬基復(fù)合材料制備工藝的分類：

1）直接涂覆法

2）液態(tài)法：連續(xù)浸漬法、鑄造法

3）固態(tài)法：擴(kuò)散粘結(jié)法、粉末冶金法、壓力加工法、爆炸焊接法。3.金屬基復(fù)合材料的性能特征1）高比強(qiáng)度、高比模量由于在金屬基體當(dāng)中加入了適量的高強(qiáng)度、高模量、低密度的纖維、晶須、顆粒等增強(qiáng)物，明顯提高了復(fù)合材料的比強(qiáng)度和比模量，特別是高性能連續(xù)纖維—硼纖維、碳（石墨）纖維、碳化硅纖維等增強(qiáng)物，具有很高的強(qiáng)度和模量。用高比強(qiáng)度、比模量金屬基復(fù)合材料制成的構(gòu)件相對密度輕、剛性好、強(qiáng)度高，是航空航天技術(shù)領(lǐng)域中理想的結(jié)構(gòu)材料。2）導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能金屬基復(fù)合材料中金屬基體占有很高的體積分?jǐn)?shù)，一般在60%以上，因此仍能保持金屬所具有的良好的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能。良好的導(dǎo)熱性可以有效傳熱，減少構(gòu)件受熱后產(chǎn)生的溫度梯度和迅速散熱，這對于尺寸穩(wěn)定性要求高的構(gòu)件和高集成度的電子器件尤為重要。良好的導(dǎo)電性可以防止飛行器構(gòu)件產(chǎn)生靜電聚集的問題。在金屬基復(fù)合材料中采用高導(dǎo)熱性的增強(qiáng)物還可以進(jìn)一步提高金屬基復(fù)合材料的熱導(dǎo)率。3)熱膨脹系數(shù)小、尺寸穩(wěn)定性好金屬基復(fù)合材料中所用的增強(qiáng)物碳纖維、碳化硅纖維、晶須、顆粒、硼纖維等均具有