复合材料的生产应用.doc

材料工程基础结课论文复合材料的生产应用 材料与冶金学院 金属材料工程 10材料-1 1061107119 乔凯复合材料的生产应用摘要：复合材料是新结构材料，基体与增强相的不同使得得到的材料千差万别，只有得到材料合成的具体规律，才能得到叫大家满意的新型复合材料。关键词：复合材料、生产、加工、成型工艺1前言：科学技术的发展对材料提出了越来越高的要求,陶瓷基复合材料由于在破坏过程中表现出非脆性断裂特性,具有高可靠性,在新能源、国防军工、航空航天、交通运输等领域具有广阔的应用前景。复合材料的界面是指复合材料中增强体与基体接触所构成的界面。过去曾把复合材料界面设想成一层没有厚度的面，但实际上复合材料界面是具有纳米以上尺寸厚度并与基体相和增强体相在结构上有明显差别的新相。陶瓷基复合材料是2O世纪8O年代逐渐发展起来的新型陶瓷材料，包括纤维(或晶须)增韧(或增强)陶瓷基复合材料、异相颗粒弥散强化复相陶瓷、原位生长陶瓷复合材料、梯度功能复合陶瓷复合材料。其因具有耐高温、耐磨、抗高温蠕变、热导率低、热膨胀系数低、耐化学腐蚀、强度高、硬度大及介电、透波等特点，在有机材料基和金属材料基不能满足性能要求的工况下可以得到广泛应用，成为理想的高温结构材料。2基体影响陶瓷基复合材料的基体为陶瓷，这是一种包括范围很广的材料，属于无机化合物而不是单质，所以它的结构远比金属合金复杂得多。现代陶瓷材料的研究，最早是从对硅酸盐材料的研究开始的，随后又逐步扩大到了其他的无机非金属材料。目前被人们研究最多的是碳化硅、氮化硅、氧化铝等，它们普遍具有耐高温、耐腐蚀、高强度、重量轻和价格低等优点。3增强体影响陶瓷基复合材料中的增强体，通常也称为增韧体。从几何尺寸上增强体可分为纤维(长、短纤维)、晶须和颗粒三类。a. 纤维: 在陶瓷基复合材料中使用得较为普遍的是碳纤维、玻璃纤维、硼纤维等；b. 晶须：晶须为具有一定长径比(直径0.31mm,长0100 mm) 的小单晶体。晶须的特点是没有微裂纹、位错、孔洞和表面损伤等一类缺陷，因此其强度接近理论强度由于晶须具有最佳的热性能、低密度和高杨氏模量，从而引起了人们对其特别的关注。在陶瓷基复合材料中使用得较为普遍的是SiC、A12O3及Si3N4晶须。c.颗粒从几何尺寸上看，颗粒在各个方向上的长度是大致相同的，一般为几个微米。颗粒的增韧效果虽不如纤维和晶须。但是，如果颗粒种类、粒径、含量及基体材料选择适当仍会有一定的韧化效果，同时还会带来高温强度，高温蠕变性能的改善。所以，颗粒增韧复合材料同样受到重视并对其进行了一定的研究。常用的颗粒也是SiC、Si3N4等复合材料的性能不仅取决于其组分材料，也很大程度上取决于各组分问界面的质量，复合材料的界面是增强相和基体相的中间相，是增强相和基体相连接的桥梁，也是应力及其他信息的传递者，良好的界面结合能有效地传递载荷，提高复合材料的力学性能。因此如何提高复合材料各组份间结合性，充分利用界面效应的优越性能。纤维和基体复合过程的本质就是将纤维单位体积内数千平方厘米的表面形成为完全润湿而能传递应力的界面。界面的作用首先是将施加于复合材料的外力，经由基体通过界面传递到增强体，这需要适当的粘结强度，因此界面形成的条件，首先需要两相接触和表面润湿，在这一过程中基体组分间会产生化学反应，纤维与基体间产生化学、物理和力学的作用，而后通过分子间形成化学键的化学作用和摩擦粘附等机械作用，使界面固定下来。在陶瓷材料中，加入第二相纤维制成复合材料是改善陶瓷材料韧性的重要手段，按纤维排布方式的不同，又可将其分为单向排布长纤维复合材料和多向排布纤维复合材料。长纤维增韧陶瓷基复合材料虽然性能优越，但它的制备工艺复杂，而且纤维在基体中不易分布均匀。因此，近年来又发展了短纤维、晶须及颗粒增韧陶瓷基复合材料。由于晶须的尺寸很小，从宏观上看与粉末一样，因此在制备复合材料时，只需将晶须分散后与基体粉末混合均匀，然后对混好的粉末进行热压烧结，即可制得致密的晶须增韧陶瓷基复合材料。目前常用的是SiC，Si3N4，Al2O3晶须，常用的基体则为Al2O3，ZrO2，SiO2，Si3N4及莫来石等。晶须增韧陶瓷基复合材料的性能与基体和晶须的选择、晶须的含量及分布等因素有关。4碳纤维的表面改性技术影响在对碳纤维进行表面处理这一领域许多学者进行了大量的研究工作并提出了许多方法。按照处理原理与方式不同碳纤维表面改性技术可以分为表面氧化处理、表面涂层技术 、射线辐照、等离子表面改性、超临界流体表面处理及接枝五大类。氧化处理是最常用的碳纤维表面处理方法主要有阳极氧化、气相、液相氧化三类，所有的氧化处理都是减量处理即纤维在氧化的刻蚀作用下被清洁剥离和粗化同时为保证纤维力学性能基本不变应避免纤维过度氧化。气相氧化使用的氧化剂有空气、氧气、臭氧等含氧气体。氧化处理后，碳纤维表面积增大，官能基团增多，可以提高复合材料界面的粘接强度和材料的力学性能。气相氧化虽易于实现工业化，但它对纤维拉伸强度的损伤比液相氧化大。另外随纤维种类的不同(高模量碳纤维、高强度碳纤维)、处理温度的不同，气相氧化处理效果也不尽相同。液相氧化处理对改善碳纤维/树脂复合材料的层间剪切强度很有效。硝酸、酸性重铬酸钾、次氯酸钠、过氧化氢和过硫酸钾等都可以用于对碳纤维进行表面处理。阳极氧化处理也叫电化学氧化法 电化学氧化处理利用了碳纤维的导电性在电解质溶液中用碳纤维作阳极进行电解通过产生的活性氧来进行氧化反应而导入极性基团从而提高复合材料的性能。陶瓷基复合材料往往在高温下制备，由于增强体与基体的原子扩散，在界面上更易形成固溶体和化合物。此时其界面是具有一定厚度的反应区，它与基体和增强体都能较好的结合，但通常是脆性的。陶瓷基复合材料的界面一方面应强到足以传递轴向载荷并具有高的横向强度；另一方面要弱到足以沿界面发生横向裂纹及裂纹偏转直到纤维的拔出。因此，陶瓷基复合材料界面要有一个最佳的界面强度。强的界面粘结往往导致脆性破坏，裂纹在复合材料的任一部位形成并迅速扩展至复合材料的横截面，导致平面断裂。这是由于纤维的弹性模量不是大大高于基体，因此在断裂过程中，强界面结合不产生额外的能量消耗。若界面结合较弱，当基体中的裂纹扩展至纤维时，将导致界面脱粘，发生裂纹偏转、裂纹搭桥、纤维断裂以至于最后纤维拔出。所有这些过程都要吸收能量，从而提高复合材料的断裂韧性。纤维表面涂层是通过物理化学或物理化学的方法在碳纤维表面形成一层与纤维和与基体之间热膨胀系数匹配性好、在高温下不出现引起其功能失效的组织和结构变化、既能润湿纤维又能润湿基体、具有较低的剪切强度和一定厚度的界面层，从而达到改善碳纤维树脂基体界面性能的目的。常见的表面涂层技术主要有表面气相沉积处理、表面聚合物涂层、表面电聚合涂层、化学接枝、聚合涂层、偶联剂涂层及表面晶须化。用等离子体对碳纤维表面进行辐射，可以使碳纤维表面发生化学反应，从而引入活性基团，改善碳纤维的表面性能。等离子体处理包括高温和低温处理两种。-射线是一种具有很高能量的电磁波,与物质相互作用时,主要以光电效应、康普顿散射和电子对效应3种形式把自身的能量传递给介质，产生数目众多、反应活性极强的过渡态活性粒子，主要有激发态分子原子、正离子、自由基、水合电子、溶剂化电子等。这些活性离子具有异乎寻常的化合、分解倾向，从而可以引发介质反应生成稳定产物。利用-射线对碳纤维进行表面接枝以及纤维内部微纤交联反应，从而提高纤维本体强度及其润湿性的方法，是近年来一种较新型的改性技术。这种方法不需要催化剂或者引发剂，可在常温下进行，是很有发展前途的一种改性技术。参 考 文 献1夏文干高功率高透波材料的研究J高科技纤维与应用，2003，28(2)：392赵丽梅，夏华，等双马来酰亚胺改性酚醛型环氧树脂的研究J功能材料，2007，38(3)：4043 Leu T&Structure and characterization for conterminouslylinked polymer of short-chain epoxy resin witll triallyl isoeyanurate and bismaleimid