复合材料的性能和应用

摘要：近年来，各种复合材料制备技术日益更新，从陶瓷基复合材料、金属基复合材料到聚合物基复合材料，各种制备技术都得到了很大改善，使得复合材料的性能和应用得到了显著提高。本文综述陶瓷基复合材料、金属基复合材料、聚合物基复合材料等几种重要的研究方法以及应用。

关键词：先进，复合材料，制造技术。

正文：一·陶瓷基复合材料

工程陶瓷的开发是目前国内外甚为重视的新型材料研究领域。纯陶瓷材料因其脆性，不能满足苛刻条件下的使用要求。因此，目前广泛采取增韧技术来提高陶瓷的使用性能。纤维和晶须增韧陶瓷是一类有效的方法。用纤维来增韧陶瓷的技术是十年代以后开始的，最初是用碳纤维增强陶瓷，八十年代以来又开发了用陶瓷纤维和晶须增韧陶瓷，增韧效果不断取得进展，增韧技术也不断有所创新。连续纤维增强陶瓷基复合材料是最有前途的高温结构材料之一，以其优异的高韧性、高强度得到世界各国的高度重视。

连续纤维补强陶瓷基复合料(Continuous Fiber Reinforced Ceramic Matrix Composites，简称CFCC)是将耐高温的纤维植入陶瓷基体中形成的一种高性能复合材料。由于其具有高强度和高韧性，特别是具有与普通陶瓷不同的非失效性断裂方式，使其受到世界各国的极大关注。连续纤维增强陶瓷基复合材料已经开始在航天航空、国防等领域得到广泛应用.20世纪70年代初，科学家在连续纤维增强聚合物基复合材料和纤维增强金属基复合材料研究基础上，首次提出纤维增强陶瓷基复合材料的概念，为高性能陶瓷材料的研究与开发开辟了一个方向。随着纤维制备技术和其它相关技术的进步，人们逐步开发出制备这类材料的有效方法，使得纤维增强陶瓷基复合材料的制备技术日渐成熟。

由于纤维增强陶瓷基复合材料有着优异的高温性能、高韧性、高比强、高比模以及热稳定性好等优点，能有效地克服对裂纹和热震的敏感性[5-6]，因此，在重复使用的热防护领域有着重要的应用和广泛的市场。连续纤维增韧陶瓷基复合材料具有类似金属的断裂行为，对裂纹不敏感，不会发生灾难性破坏。其耐高温和低密度特性，使其成为发展先进航空发动机、火箭发动机和空天飞行器防热结构的关键材料。

二·金属基复合材料

金属基复合材料具有比强度高，比刚度高，耐热，耐磨，导热，导电，尺寸稳定等优点，是一种很有发展前途的新材料，金属基复合材料广泛应用于制造航空抗天零部件，也用于制造各种民用产品。

按基体分，金属基复合材料分为：铝基、镁基、钛基、锌基、铁基、铜基等金属基复合材料；按增强材料分，可分为：纤维增强金属基复合材料；其纤维有C、SiC、Si3N4、B4C、Al2O3等纤维；粒子增强金属基复合材料，增强粒子有：Al2O3、TiC、SiC、Si3N4、BN、SiC、MgO等。

纤维增强金属基复合材料的制造方法：

（1）叠层加压法：工艺过程是：将金属（合金）箔片或纤维增强金属片按要求剪裁，并一层一层的进行叠层，然后加热加压进行成型和连接，一般是在真空或气体中进行。适于这种方法的材料有铝、钛、铜、高温合金，其增强纤维随需要而定。为了改善连接性能，有事在两片之间加入中间金属或在待连接表面涂覆或沉积一层中间金属。

（2）辊轧成型连接法：其主要的基材是铝、钛箔片，增强纤维主要是B、C、SiC、Si3N4等，有时在基材表面要涂覆一层低熔点的中间金属，增强纤维表面要预先浸沾铝或经物理气相沉积（PVI）、化学气相沉积（CVI）处理。

（3）钎焊法：在增强纤维与基材之间加入箔状、粉末状或膏状的钎料，经真空钎焊或保护钎焊而成。钎焊法可以制造管材、型材、叶片等。

（4）热等静压法：如图2所示，其工艺过程是：将纤维与基材进行叠层并装入一模具中，

使其在高温下受到各个方向均匀压力而进行成型和连接。其典型的实例是，制造航天飞机用的B/Al复合管。其工艺过程如下：将B/Al纤维增强在铁芯上，外面用铁管密封，与520℃，68.6MPa下进行热等静压成形和扩散连接，处理后去除铁芯、铁管，再用电子束焊上钛接头。

短纤维增强金属基复合材料的制造方法

（1）铸造法：目前利用铸造法制造纤维增强金属基复合材料是最简单易行且成本低廉的方法，因此不仅在航空航天工业应用，汽车、轮船等民用工业也有应用。其铸造方法有：金属型铸造法、砂型铸造、熔模铸造、高压铸造、既可以铸造出标准铸锭，通过挤压或轧制成各种型材、管状、板材也可以直接铸出各种零件。

（2）液态铸造法：工艺如图所示，将SiC纤维排列在钢骨架上并预热，然后放入铸模中，冲入熔融的金属合金，铸型内加49-98MPa压力并保压下凝固。

经过二十多年的发展，金属基复合材料已经成功地从实验室走向市场，并在诸多应用领域站稳了脚跟，这受益于广泛而深入的基础研究工作，为低成本、高效率生产金属基复合材料提供有力的技术支撑。今后的研发工作主要应着眼于两个方面，即在进一步完善已有金属基复合材料材料和技术的同时，寻求新一代金属基复合材料设计与制备的突破口，从而为金属基复合材料的可持续发展奠定基础。目前金属基复合材料研发工作呈现3个趋势：1，复合构型设计将受到更多重视，重点是通过调控增强体的空间分布实现强韧化； 2，结构功能一体化、多功能化将成为未来金属基复合材料高性能化的必然途径；3，尽管备受争议，以碳纳米管为代表的金属基纳米复合材料终将登上历史的舞台。

三·聚合物基的复合材料

聚合物/纳米复合材料是今年来研究的热点，聚合物纳米复合材料是指具有纳米尺寸的其他材料与高分子材料以各种方式复合而成的一种新型复合材料。聚合物纳米复合材料由于既保持了聚合物体本身的各种优异性能，又能充分发挥纳米单元的特异性能。当聚合物基纳米复合材料中纳米基元（分散相）的尺寸达到纳米尺度时，其材料将产生纳米尺寸效应，出现以宏观尺寸分散的复合材料所不具备的、特殊的物理性能。

聚合物/纳米复合材料研究的方法主要是插层法，溶胶-凝胶法，共混法，原位聚合法等。下面将着重讨论聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料。

插层复合法是目前制备聚合物纳米复合材料的主要方法。艾春玲等[16]用蒙脱土插层纳米复合材料改性水性涂料，并进行了性能测试表征，结果显示，经改性涂料的性能均有不同程度的提高。高振滨等[17]采用直接注射法制备HDPE/LLDPE/OMMT纳米复合材料，结果表明：蒙脱土的加入大大提高了纳米复合材料的力学性能和热变形温度。

根据复合过程，插层复合法可分为三类，（1）插层聚合法：原理是将聚合物单体分散，插层进入层状硅酸盐片层中，然后再原位聚合，利用聚合时放出的大量的热量克服硅酸盐片层间的库仑力，使其剥离，从而使硅酸盐片层与聚合物基体以纳米尺度相复合；（2）熔体插层法：原理是将插层无机物与高聚物插入层状无机的层间，该方法优点是不需要其它介质，不污染环境，操作简单，适用面广。（ 3）溶液插层法：原理是高分子链在溶液中借助于溶剂而插入无机物层间，然后再挥发除去溶剂。

采用插层法制备的聚合物/纳米复合材料具有优异的性能，同普通的聚合物基复合材料相比，聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料，聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料具有以下优异的性能：

（1）对聚合物的增强、增韧作用；

（2）提高了材料的耐热性能（高的热变形温度和分解温度）；

（3）提高了材料的阻燃和耐烧蚀性能；

（4）提高了材料的阻隔性能；

（5）提高了材料的尺寸稳定性，减少了材料内部的残余应力。