材料復合概論

周潤培  李晗

一、引言

　　材料是人類社會文明的標幟，是現代科學技術發展的三大支柱(能源、材料和信息)之一。復合材料是繼天然材料、加工材料和合成材料之后發展起來的新一代材料，是材料科學和工程中的一支新秀。復合材料一詞出現于上世紀50年代，但有關它的確切定義卻至今沒有定論。按通常的說法，復合材料是指用二種或二種以上不同性質的單一材料，通過不同的工藝方法所組成的宏觀多相材料。復合材料具有多相結構，相間存在著界面(過渡層)，這是區別于任意混雜材料的一個主要特征。按相區尺寸的大小，復合材料通常是指相區尺寸大于10-6m的宏觀多相材料，而不包括相區尺寸在10-8～10-6m之間的微觀分相材料，后者按傳統的說法，仍屬于單一材料的范疇。
　　一般意義上的復合材料的出現，可以追溯到幾千年前，我們的祖先在粘土中加入切碎的稻草用以制磚搭建土屋，這可以說是人類制造復合材料的開端。現代意義上的復合材料早出現于1839年，美國人C.Goodyear發明橡膠硫化法。硫化橡膠是在橡膠原料中加入硫化劑、填料、補強劑和防老劑等助劑所制成的一種工業復合材料。上世紀四十年代，首先在美國出現以樹脂為基體的玻璃纖維增強塑料(代復合材料)。由于玻纖增強塑料具有輕質、高強、隔熱、不反射電磁波等特點，當時在軍工上得到了應用，成為單一材料所不可取代的“理想”材料。從此為復合材料的高速發展開創了良好的開端。上世紀六十年代相繼出現了以碳纖維和聚芳酰胺纖維等高模量纖維為增強劑的所謂高性能復合材料(第二代復合材料)，而七十年代則又開創以金屬、陶瓷等為基體材料的金屬、陶瓷基復合材料(第三代復合材料)。可以預料，隨著現代科學、技術的發展，在各門學科的相互滲透和推動下，復合材料的研究和應用將飛速發展，并成為衡量一個科學技術發展水平的重要標志之一。

二、復合材料中的材料設計和結構設計

　　復合材料區別于單一材料的一個顯著特征是材料的可設計性。傳統的單一材料，例如木材、金屬、玻璃、陶瓷、塑料等等只能被選用而不能被設計(指宏觀材料設計，不含分子設計)。由于復合材料是由二種或二種以上的單一材料所組成，就存在著由哪二種(或二種以上)不同的單一材料組成，它們之間的體積比例，混雜方式和程度以受界面情況等不同的配合和選擇。
　　例如，高強度結構材料可選用高強度纖維如玻璃纖維為增強劑與樹脂基體相配合所組成的復合材料。而高模量結構材料則應選用高模量纖維，如碳纖維或聚芳酰胺纖維等為增強劑所組成的樹脂基復合材料。此外，設計結構復合材料時，應擴大增強纖維和基體樹脂的體積比，并將增強纖維分布在主應力方向。
　　高溫下使用的結構復合材料應選擇耐高溫材料為基體。由于聚合物材料的耐熱性較差，一般樹脂基復合材料只適用于425℃以下使用。在更高溫度下使用的復合材料應考慮以金屬、陶瓷或碳作為復合材料的基體，組成所謂金屬基復合材料(425℃～131 5℃)、陶瓷基復合材料(1315℃～1650℃)或碳-碳復合材料(<2480℃)。
　　玻璃纖維增強塑料由于玻璃纖維和塑料都、反射電磁波而具有良好的電磁波透過性，因此它是設計雷達罩用“理想”材料。相反，為了防止電磁波干擾而設計的電磁波屏蔽材料，則應選用混有導電性填料的樹脂基復合材料。
　　用于化工防腐蝕的玻璃纖維增強塑料，在材料設計時應針對接觸介質的不同而采取不同的復合方式。例如，對于酸性介質，宜選用中堿玻纖為增強材料和耐酸性良好的樹脂(如乙烯基酯樹脂和雙酚A型不飽和聚酯樹脂等)為基體所組成的復合材料。對于堿性介質則宜采用無堿玻纖為增強材料和耐堿性良好的樹脂(如胺固化環氧樹脂和呋喃樹脂等)所組成的復合材料。由于玻璃纖維易被酸、堿所侵蝕，故作為耐腐蝕玻璃鋼，在保證必要的力學性能前提下，應盡量減少玻璃纖維在復合材料中所占體積比例，使周圍的基體樹脂足以保護這些纖維不受介質的侵蝕。
　　由以上例子可見，復合材料的性能是受其組成分材料的性能所制約的，人們無法將不導電的玻璃纖維和聚合物組成導電復合材料，也難以將耐熱性差的聚合物設計成耐高溫復合材料。
　　無論基體材料或填料(含增強材料)都給復合材料性能以決定性影響，因此復合材料設計人員必須熟知復合材料各組成分本身的獨特性能。目前使用面廣的復合材料是樹脂基復合材料，其聚合物基體有如下的性能特點。
　　(1)聚合物的品種多，它的一些性能，例如蠕變、模量、強度和韌性等力學性能。可隨著其分子結構的改變而大幅度變化。
　　(2)密度低，因而單位體積重量輕。大多數聚合物的相對密度約為1.0，范圍從聚4-甲基戊烯-1的0.83到聚四氟乙烯的2.2，大多數在0.9到1.45之間。
　　(3)低的摩擦系數。聚合物-聚合物和聚合物-金屬接觸面的摩擦系數通常很低。
　　(4)低的導熱性和高的熱膨脹性是聚合物材料典型的熱性能。但是，這些熱性能可以為填料所改變，特別是纖維填料能降低熱膨脹。
　　(5)極佳的電絕緣性和靜電積累是有機材料典型的電學性能。非極性聚合物的介電損耗極低，但極性聚合物的則較高。
　　(6)聚合物可以整體染色而得到帶色的產品。
　　(7)耐腐蝕。聚合物一般耐酸、堿和鹽的水溶液，但不耐有機溶劑。
　　(8)聚合物的耐熱性通常較差，在不太高的溫度下就降解和氧化。
　　(9)聚合物易燃。
　　(10)易氧化、老化。特別是紫外線引起的老化是必須引起注意的，因為老化使聚合物失去韌性和降低強度。
  填料在復合材料中所起的作用范圍極廣，但概括起來不外以下三種代表性作用：
1、增量
　　以廉價的填料降低成本，在PVC中添加碳酸鈣即是代表性實例。
2、補強
　　填料，特別是纖維狀填料可提高基體塑料的力學性能和熱性能，其效果在很大程度上取決于填料本身的力學性能和形態等。主要補強效果和與之對應的填料如表1-1。

3、賦予功能
　　填料可賦予塑料本身所沒有的特殊功能，填料的這種作用主要取決于它的化學組成。主要的賦予功能效果和對應填料如表1-2。
　　除了基體和填料對復合材料的性能施加決定影響外，界面的作用也是不可忽視的。界面、界面效應以及界面對復合材料性能的巨大影響正是復合材料區別于一般混雜材料和復合結構件的重要標志。例如，玻璃鋼的力學性能，特別是濕態力學性能在很大程度上與玻璃纖維／樹脂界面的粘接狀況有關。對于透光性復合材料，界面粘接好壞更是決定透光材料使用壽命的依據。
　　為了改善基體和填料的界面粘接狀況，就必須對填料表面處理。表面處理的方法有二大類。一類是用物理和化學的方法使填料表面的結構發生改變，另一類是用一種叫“偶聯劑”的化合物引入填料表面以達到改變填料表面結構的目的。
　　由以上分析可見，復合材料中的材料設計應包括基體、填料和表面處理方法的選擇以及基體、填料和界面三者對復合材料性能的影響。材料設計者應熟知基體和填料各自的性能、表面處理的方法以及聯系復合材料性能與基體、填料各自性能和相對含量之間的關系(理論或經驗公式)。
　　復合材料區別于單一材料的另一個顯著特征是材料與結構的一致性，即復合材料既是材料又可看作是結構。許多復合材料制品不是由復合材料經二次加工而成，而是直接由基體材料、增強材料經一次成型而得。例如玻璃鋼高壓氣瓶，它是由玻璃纖維及環氧樹脂經纏繞成型一次加工而成，這里就存在著結構設計的問題。從事復合材料的工程技術人員除了需確定選用什么樣的原材料(玻纖(含偶聯劑)和樹脂)外(屬材料設計范疇)，還必須通過力學計算確定縱向纏繞和橫向纏繞的層數(屬結構設計范疇)。再如玻璃鋼耐腐蝕貯罐，從材料設計角度，應按其貯存介質的性質和溫度來確定由哪些原材料組成復合材料，例如，耐酸貯罐應選用表面經KH-570處理的中堿玻纖做增強材料，耐腐蝕不飽和聚酯樹脂為基體材料所組成的復合材料，其直接接觸介質的內層，樹脂含量應設計成盡量的高。而結構設計的任務是通過力學計算確定貯罐的壁厚和玻璃纖維的鋪層方式。
　　正因為復合材料既是材料又是結構，故而材料設計與結構設計往往相互交叉而沒有明顯的分界線。本文作者認為，復合材料中的材料設計屬于復合材料科學(物理及化學)的研究范疇，而結構設計則屬于復合材料力學的研究范疇。
　　由A、B兩種原材料組成復合材料C，在復合材料C的性能中，既包含有A和B兩種原材料所固有的性能，又含有新的A和B兩種原材料不具備的性能，即所謂復合效應。例如，玻璃纖維可以承受強大的拉伸應力，但卻不能承受哪怕是很小的壓縮應力和彎曲應力。當玻璃纖維由基體樹脂加以固定后，玻璃鋼就不但可以承受強大的拉伸應力，同時可以承受強大的壓縮應力和彎曲應力。又例如一束玻璃纖維透光很差，即不具備良好透光性，但當分散在具有相同折光指數的基體樹脂中后，透明玻璃鋼既具玻璃纖維的力學性能，又具有良好的透光性。
　　復合材料的性能，如果不考慮界面的影響，即小考慮基體和填料在二相接觸面上的相互作用(物理的或化學的作用)，即將復合材料看作復合結構，則一般可以按下列復合規則來估算，即
　　式中：Pc――復合材料的性能
　　　　　Pm――基體的性能
　　　　　Pf――填料的性能
　　　　　Vf――填料的容積分數
　　例如，單向玻璃鋼的拉伸強度和模量按上式估算的結果與實測值非常接近。但也有相當一部分復合村料性能的實測值明顯地偏離用復合規則估算所得的估算值。例如透明玻璃鋼的透光率根本不能用復合規則來估算，因為對透明復合材料的透光率，界面的影響太重要了，它幾乎決定了其數值的大小。

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