纖維增強復合材料界面改性
金屬基復合材料
6.1金屬基復合材料的種類和基本性能
6.1.1金屬基復合材料的種類
1.按基本分類
（1）鋁基復合材料：良好的塑性和韌性，易加工性、工程可靠性及價格低廉等
（2）鎳基復合材料：高溫性能優良，有望成為燃汽輪機的葉片
（3）鈦基復合材料：高比強度，中溫強度較鋁基好，超音速戰斗機中用鈦合金做蒙皮，主要與硼纖維結合增強
（4）鎂基復合材料：比鋁基更輕，集超輕，高比強度，高比剛度於一體，是航空航天材料的優選材料（dmg=1.74, dAl=2.7）
還有鋅基、銅基、耐熱金屬基、金屬間化合物基等復合材料
2.按增強材料分類
（1）顆粒增強復合材料：增強相超過20%的彌散強化類型，其強度取決於顆粒的直徑、間距和體積比
（2）層狀復合材料：與纖維增強相比，它在平面各個方面上是增強的（二維增強，而不是一維增強）
（3）纖維增強復合材料：有長纖，短纖和晶須三種纖維，長纖亦可以一維纖維，二維布和三維網的方式存在。長纖維在基本中必須定向規整地存在，而短纖和晶須則是隨機任意不定向存在。
6.1.2金屬基復合材料中增強體的性質
金屬基復合材料的增強體主要是無機物和金屬。無機纖維有C纖維、B纖維、SiC, Al2O3、Si3N4纖維等。金屬纖維主要有鈹、鋼、不銹鋼和鎢纖維等。增強顆粒主要是無機非金屬顆粒，包括石墨、SiC, Al2O3、Si3N4、TiC、B3C3等。主要講述纖維增強體。
纖維增強體的基本要求：
A高強度，
B高模量，
C容易製造和價格低廉，
D化學穩定性好，
E纖維的尺寸和形狀: 大直徑圓纖維為好，
F性能的再現性與一致性，
G抗損傷或抗磨損性能
6.1.3金屬基復合材料的強度
纖維增強金屬基復合材料的縱向強度和橫向強度是不同的。
1. 縱向強度(圖6-1，P127)
臨界纖維體積比VF*
當弱纖維斷裂時，將引起三種重要的變化。1）由於破斷纖維失去強度，而使該處截面上的強度降低。2）破斷纖維裂紋周圍的靜應力集中會降低材料的有效強度。3）破斷纖維失去載荷時產生的動應力波會使復合材料受到沖擊，從而降低該處橫斷面上的瞬時承載能力。
2. 橫向強度
復合材料的橫向模量隨著增強材料的含量增加是增加的，但強度的變化是復雜的。因為材料總是在局部斷裂，這並不是平均強度可以衡量的，但總體上基本受纖維嚴重束縛，其斷裂強度理應比純基體材料大。
6.1.4復合材料組分的相容性
包括物理相容性和化學相容性，物理相容性和壓力變化、熱變化時材料的伸縮性能有關，相容性的要求是外部載荷能通過基本均勻傳遞到增強物上，基體上的應力不會增強體的局部過於集中化學相容性則與界面結合、界面化學反應及環境的化學反應有關。
6.2金屬基復合材料的製造工藝
雖然該類復合材料的工藝很多，大致有：粉末冶金法、熱壓法、熱等靜壓法、擠壓鑄造法、共噴沉積法、液態金屬浸潤法、液態金屬攪拌法、反應自生法等等，這些方法大多也尚在不斷發展之中，但其基本製造方法可歸納成幾個大類：固態法、液態法和自生成法及其它制備方法。
6.2.1固態法
基體和增強物均為固態。粉末冶金法、熱壓法、熱等靜壓法等包括在此類。
6.2.2液態金屬法
基體處於液態時與增強物復合的方法
6.2.3自生成法和其它方法
在基體內部通過反應生成增強物質的方法
其它方法：如復合塗（鍍）法，將增強物細粒懸浮於鍍液中用電鍍或化學鍍形成復合層。
6.3鋁基復合材料
6.3.1顆粒（晶須）增強鋁基復合材料
增強材料晶須有：SiC,Al2O3,SiO2,BC4,TiC
性能：性能優異，增強顆粒價格低廉，應用前景廣闊，如SiC增強者：有良好的力學性能和耐磨性，拉伸強度和彈性模量都比基體高，且顆粒粒徑越小，顆粒含量越大，強度就越高。耐磨性亦然。
6.3.2纖維增強鋁基復合材料
增強纖維主要有B,C，SiC,Al2O3
1)BF/Al:硼纖維增強材料是最早研究和應用的，其高溫性能尤其突出，在500時的拉伸強度達到500MPa,這是鋁合金材料不可想像的。硼纖維比重：2.5-2.65.硼在鎢絲上化學氣相沉積得到纖維，表面還要加陶瓷塗層增加其抗氧化性能。
製造過程：纖維排列、復合材料組裝壓合和零件層壓。用易揮發的粘結劑將維粘一起並和鋁箔上一起熱壓。
2)C/Al復合材料：碳纖維有優異的力學性能，而價格較低。碳纖維的表面處理很關鍵，
3）SiCF/Al復合材料：特別的高溫抗氧化性能，能在較高溫度下與鋁復合。產品性能。有高的拉伸強度抗彎強度和優異的耐磨性能
4）短纖維增強鋁基復合材料
特點：增強體來源廣，價格低，成形性好，材料性能各向同性，可用傳統工藝成型加工。用氧化鋁和硅酸鋁增強鋁基合金其高溫強度明顯高於基體，彈性模量在室溫和高溫下都有較大的提高，熱膨脹系數小，耐磨性改善。
6.3.3 鋁基復合材料的應用
性能好，但價格昂貴，所以主要用作太空梭、人造衛星，空間站等的結構材料，其次用作導彈構件，自行車架，高爾夫球桿等體育用品上。其民用前景隨造價的降低會很廣泛。
6.4鎳基復合材料（TMCS）
其復合材料有望用於燃氣渦輪發動機的葉片，承受高溫和高負載。
以單晶氧化鋁（藍寶石）晶須和桿增強簡單鎳或鎳鉻合金是主要研究類型。
藍寶石與鎳在高溫下會發生化學反應，所以要進行表面處理，通常是在表面塗鎢。
製造方法主要是將纖維夾在金屬板之間進行熱壓。如熱壓法成功地製造了Al2O3-NiCr復合材料。其工藝是先在桿上塗Y2O3,再塗一層鎢，然後將桿夾在金屬板之間真空於1200℃加壓41.4MPa.
6.5鈦基復合材料（TMCS）
1）金屬鈦耐高溫、耐腐蝕，比重低（4.5g/cm3）,是高性能結構材料的首選材料
主要有顆粒增強和連續纖維增強兩大類.
如用碳化硅顆粒增強時，其硬度和剛度提高，常溫強度比基體有時有所降低，但高溫強度比基體好。
連續纖維復合鈦合金的難度很大，只能用固相復合，因鈦在高溫時易於與纖維反應。硼鈦復合材料是主要研究對象。為了解決鈦在高溫下與基體的反應性，也就是與纖維的相容性問題，提出如下方法：（1）最大限度減小反應的高速工藝；（2）最大限度減少反應的低溫工藝；（3）研究低活性的基體；（4）研製最大限度減小反應的塗層；（5）選擇具有較大反應容限的系列；（6）設計上盡量減小強度降低的影響。
2）應用：主要以用在航空航天用超高速發動機上為目的，但目前也有用在民用上，用作汽車材料和體育器材上。
6.6碳纖維增強金屬基復合材料
1）碳纖維和許多金屬缺乏相容性，目前相容性較好的有鋁鎂鎳鈷等，和鈦等其它金屬復合時會形成碳化物，故需進行表面處理。
2）碳纖維和某些材料復合會有特殊性質，如與銅，鋁和鉛等復合有高的強度，導電性，低摩擦性，低膨脹性（尺寸穩定性）等
3）與碳復合的金屬除鋁是主要的外，還有銅鎂鉛鋅錫鈹等。
4)Cf/Al:對纖維進行增強與鋁的潤濕性處理很關鍵。這樣在熱壓時能很好結合。塗敷金屬或非金屬層是可期待的改性方式。
5）Cf/Ni:電沉積熱壓是主要方法。但低壓時獲得的強度更高，原因是高壓損傷了纖維。
㈡ 用於復合材料的碳纖維，表面改性的方法有哪些
一、清洗將碳纖維放入裝有丙酮的索氏提取器中，在溫度為60~100℃的條件下使用丙酮抽提，清除碳纖維表面的上漿劑以及雜質，清洗後的碳纖維在60~80℃的鼓風乾燥箱中乾燥，得到清洗過的碳纖維；二、氧化（1）將步驟一得到的乾燥清洗過的碳纖維置於圓底燒瓶中，加入濃酸中，60~80℃下氧化2~5h；（2）將步驟二（1）得到的氧化後的碳纖維在蒸餾水中浸泡5~10min，然後將經蒸餾水中浸泡後的碳纖維取出，棄除蒸餾水；（3）重復步驟二（2）5~10次，得到清洗後的氧化碳纖維，在60~80℃的鼓風乾燥箱中烘乾；三、醯氯化（1）將步驟二（3）得到的氧化碳纖維置於單口瓶中，加入SOCl2和DMF的混合溶液中，加熱至70~80℃恆溫反應24~48h，得到含有雜質的醯氯化的碳纖維；（2）使用減壓蒸餾的方法將步驟三（1）得到含有雜質的醯氯化的碳纖維中殘留的二氯亞碸除去，得到醯氯化的碳纖維，然後將得到的醯氯化的碳纖維在溫度為60~100℃的鼓風乾燥箱中乾燥2~5h，最後將乾燥的醯氯化的碳纖維放在乾燥器內密封保存；四、接枝雙（3‑氨基苯基）苯基氧化膦將雙（3‑氨基苯基）苯基氧化膦加入裝有DMF溶劑的單口瓶中，雙（3‑氨基苯基）苯基氧化膦與DMF質量比為0.3~0.6:88，加熱至60~80℃，雙（3‑氨基苯基）苯基氧化膦與DMF溶解後，將步驟三（2）得到的醯氯化的碳纖維置於單口瓶中，加熱到80~120℃，反應時間為12~48h，得到接枝雙（3‑氨基苯基）苯基氧化膦的碳纖維。
㈢ 復合材料界面效應有哪些 復合材料界面的形成有哪幾個階段提高界面結合強度的途徑有哪些
答：復合材料界面效應有：1、傳遞效應：界面可將復合材料體系中基體承受的外力傳遞給增強相，起到基體和增強相之間的橋梁作用。2、阻斷效應：基體和增強相之間結合力適當的界面有阻止裂紋擴展、減緩應力集中的作用。3、不連續效應：在界面上產生物理性能的不連續性和界面摩擦出現的現象，如抗電性、電感應性、磁性、耐熱性和磁場尺寸穩定性等。4、散射和吸收效應：光波、聲波、熱彈性波、沖擊波等在界面產生散射和吸收，如透光性、隔熱性、隔音性、耐機械沖擊性等。5、誘導效應：一種物質（通常是增強劑）的表面結構使另一種（通常是聚合物基體）與之接觸的物質的結構由於誘導作用而發生改變，由此產生一些現象，如強彈性、低膨脹性、耐熱性和沖擊性等。
復合材料界面的形成有三個階段：1、增強體表面預處理或改性階段（減小增強體和基體表面張力差距）2、基體材料和增強材料之間的浸潤、接觸（界面形成與發展的關鍵階段）：接觸——吸附與浸潤——交互擴散——化學結合或物理結合3、液態或粘流態組分的固化過程，即凝固或化學反應（界面形成與發展的關鍵階段）a、界面的固定b、界面的穩定
提高界面結合強度的途徑有：1、反應結合： 在復合材料組分之間發生化學作用，在界面上形成共價鍵結合在理論上可獲得最強的界面粘結能。2、溶解與浸潤結合：界面潤濕理論是基於液態樹脂對增強材料表面的浸潤親和，即物理和化學吸附作用。液態樹脂對纖維表面的良好浸潤是十分重要的。浸潤不良會在界面上產生空隙，導致界面缺陷和應力集中，使界面強度下降。良好的或完全浸潤將使界面強度大大提高，甚至優於基體本身的內聚強度。3、機械結合： 當兩個表面相互接觸後，由於表面粗糙不平將發生機械互鎖。 另一方面，盡管表面積隨著粗糙度增大而增大，但其中有相當多的孔穴，粘稠的液體是無法流入的。無法流入液體的孔不僅造成界面脫粘的缺陷，而且也形成了應力集中點。4、上述三種形式的混合結合方式。
㈣ 常用的纖維增強材料
纖維增強復合材料（Fiber Reinforced Polymer /Plastics，簡稱FRP），由纖維材料與基體材料經過纏繞，模壓或拉擠等成型工藝而形成的復合材料。常用的增強纖維材料有碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維，基體材料有環氧樹脂、乙烯基酯樹脂、不飽和聚酯樹脂等。由微觀到宏觀，首先由極細的纖維絲按一定方向排列或編織為板、布等形式，再與基體材料膠結後形成纖維增強復合材料製品。
纖維增強復合材料具有一系列的優良性能。如FRP本身重量輕，密度約為14-21kN/m³，為鋼的1/6~1/4，比鋁還輕，而FRP的強度/重量比通常可達鋼材的4倍以上，可應用於大跨結構中時，極大減輕結構自重，也同時能夠符合航空、航天結構設計對材料的重要要求。而且FRP材料的力學性能可以設計，即可以通過選擇合適的原材料和合理的鋪層形式，使復合材料構件或復合材料結構滿足使用要求。FRP的生產製作工藝包括拉擠、纏繞、手糊、噴射成型等多種方式，不僅可規模化生產形狀規則的FRP製品，更可製作出幾乎任意形狀的板材用於構築非線性工藝造型。另外，在纖維增強復合材料的基體中有成千上萬根獨立的纖維。當用這種材料製成的構件超載，並有少量纖維斷裂時，載荷會迅速重新分配並傳遞到未破壞的纖維上，因此整個構件不至於在短時間內喪失承載能力。
纖維增強復合材料自從20世紀40年代問世以來，最先被應用於航空航天、國防軍工等領域。比如波音787和空客350等客機製造材料中，纖維增強復合材料的使用比例均超過50%（重量比），高於鋼、鋁、鈦等金屬及其合金。隨著科技的進步和發展，材料制備成本也逐漸降低，纖維增強復合材料也逐漸開始走入人們的日常生活，常用的有玻璃纖維增強復合材料GFRP(俗稱玻璃鋼)、碳纖維增強復合材料CFRP。GFRP多用於景觀雕塑、座椅、垃圾桶、儲料罐等，CFRP可用於遊艇、汽車、自行車、體育休閑器具等。
在建築領域，纖維增強復合材料始於上個世紀60年代便開始應用，到90年代，隨著纖維復合材料加固鋼筋混凝土結構技術的興起，工程界才逐漸認可對這種新型材料。過去，建築師一直使用木材、石頭、鋼鐵、混凝土等傳統的建築材料，現代社會對建築的功能性和審美性更為關注，薄殼結構、懸挑結構、懸索結構、網架結構等新型結構對建築材料提出了更高的要求。如上海迪士尼樂園明日世界佔地面積超過2300平方米，廣泛的內部和外部建築結構和座椅都是用幾百種不同形狀和尺寸的阻燃膠衣飾面FRP部件組成的，而且所有所需的FRP部件都是手糊成形的。為了確保用於迪斯尼樂園的所有FRP滿足國家對完全組裝復合材料部件的B1防火性等級要求，材料製造公司最終利用高性能聚氨酯丙烯酸酯，以三水合鋁(ATH)作為輔助樹脂，根據需要加入了450g/㎡的玻璃纖維短切原絲氈和450g/㎡的無捻粗紗布作為增強材料。
㈤ 復合材料中的界面相有什麼特點，起什麼作用
復合材料界面是指復合材料的基體與增強材料之間化學成分有顯著變化的、構成彼此結合的、能起載荷等傳遞作用的微小區域。目前的研究尚處於半定量和半經驗的水平上。 最早復合材料界面曾被想像成是一層沒有厚度的面(或稱單分子層的面)。而事實上復合材料界面是一層具有一定厚度(納米以上)、結構隨基體和增強體而異、與基體有明顯差別的新相——界面相(或稱界面層)。因為增強體和基體互相接觸時， 在一定條件的影響下，可能發生化學反應或物理化學作用，如兩相間元素的互相擴散、溶解，從而產生不同於原來兩相的新相；即使不發生反應、擴散、溶解，也會由於基體的固化、凝固所產生的內應力，或者由於組織結構的誘導效應，導致接近增強體的基體發生結構上的變化或堆砌密度上的變化，從而導致這個局部基體的性能不同於基體的本體性能，形成界面相。界面相也包括在增強體表面上預先塗覆的表面處理劑層和增強體經表面處理工藝而發生反應的表面層。因此，必須建立復合材料界面存在獨立相的新概念。復合材料界面相的結構與性能對復合材料整體的性能影響大。為改善復合材料性能，必須考慮界面設計和控制。結構復合材料界面相存在的殘應力，是由於基體的固化或凝固收縮和兩相間熱膨脹系數的失配而造成的。無論應力大小和方向，都會影響到復合材料受載時的行為，如造成復合材料拉伸和壓縮性能的明顯差異等。結構復合材料界面的作用，是在復合材料受到載荷時把基體上的應力傳遞到增強體上。這就需要界面相有 足夠的粘接強度，而兩相表面能夠互相浸潤是先決條件。但是界面層並不是粘接得越強越好，而是要有適當的粘接強度，因為界面相還有另一個作用是在一定應力條件下能夠脫粘，同時使增強體在基體中拔出並互相發生摩擦。這種由脫粘而增大表面能所做的功、拔出功和摩擦功都提高了破壞功，有助於改善復合材料的破壞行為，即提高它的強度。至於功能復合材料界面相的作用，目前尚很少研究，但已有實驗證實，界面相在功能復合材料中的作用也是重要的。 表徵為了認識界面的作用，了解界面結構對材料整體性能的影響，必須先表徵界面相的化學、物理結構，厚度和形貌，粘接強度和殘余應力等，從而可以尋找它們與復合材料性能之間的關系。 界面相化學結構包括組成元素、價態及其分布。其表徵可以藉助許多固體物理用的先進儀器，如俄歇電子 譜(AES，SAM)、電子探針(EP)、X光電子能譜儀 (X PS)、掃描二次離子質譜儀(S SIMS)、電子能量損失譜儀(EELS，PEELS)、傅里葉紅外光譜(FTIR)、顯微 拉曼光譜(MRS)、擴展X射線吸收細微結構譜 (E XAFS)等。由於界面相有時僅為納米級的微區，而且有的組成非常復雜(尤其是金屬和陶瓷基復合材料)， 因此迄今還不能說哪一種方法可以滿意地給出有關復合材料界面相全部化學信息。這是因為這些方法有的束斑太大，遠遠超過界面微區的尺寸;有的僅能提供元素的信息而不能知道元素的價態；有的會對某些觀察物造成 表面損傷等，存在著各式各樣的局限性。所以仍需研究 合適的新方法，或幾種方法的配合使用。 界面相形貌和厚度的表徵也有不少方法，如透射電 鏡(TEM)、掃描電鏡(S EM)。新方法有角掃描X射線反射譜(GAXP)，可以測定金屬基和陶瓷基復合材料界 面相的厚度。但這些方法在測量上也有難度。 界面相粘接強度的表徵基本上有5種方法，即單絲拔出法、埋入基體的單絲裂斷長度法、微(單絲)壓出 法、球形(或錐形)壓頭壓痕法、常規三點彎剪法等。前兩種方法只能表徵單絲復合材料的行為；後3種雖是表 征復合材料，但又各有不足之處。而且各種方法測出 的數據相差甚遠，以球形壓痕法和三點彎剪法數值較高。目前尚難以決定何種方法是最為合適的。此外，還有用 動態力學法測定內耗值以表徵界面結合狀態的方法。界面湘殘余應力的表徵也很困難。對透明基體和不 透明基體都分別有其相應的方法，但是均不理想，同時 在計算處理上也較復雜。復合材料界面理論過去對於復合材料界面理論的 研究是試圖提出一個能夠適用於各種復合材料的理論，諸如化學反應理論、浸潤理論、可形變層理論、約束層 理論、靜電作用理論以及把一些理論結合起來的理論。但它們都有許多矛盾，常不能自圓其說。由於對界面認識的逐步深化，了解到界面相的復雜性與多重性是和原組成材料、加工工藝和使用環境密切有關。因此，理論研究轉向針對某一具體體系，探討界面微結構與宏觀性能的關系，界面浸潤過程和界面反應的熱力學與動力學 關系，建立某種體系的界面相模型並作理論處理等。
㈥ 纖維增強復合材料和纖維增強塑料有什麼區別
玻璃纖維復合材料通常指：玻璃鋼。 玻璃鋼亦稱作GFRP，即纖維強化塑料，一般指用玻璃纖維增內強不飽和聚酯、容環氧樹脂與酚醛樹脂基體。以玻璃纖維或其製品作增強材料的增強塑料，稱謂為玻璃纖維增強塑料，或稱謂玻璃鋼，注意與鋼化玻璃區別開來。
㈦ 碳纖維改性材料跟碳纖維復合材料有什麼區別
一般說到改性材料是改變該材料原有的物理和化學性能，可以在材料基體中加入長碳纖、長玻纖、芳綸纖維或者玄武岩纖維等進行改性。復合材料說法不準確，未強調性能改性。長纖新材料也是各種改性材料，
㈧ 纖維增強復合材料的增強增韌機制有哪些
纖維增強材料的增強機制就是纖維本身是高剛性，高模量的材料，經過復合，復合材料的強度增大，增韌機制應該屬於非彈性體增韌機制
㈨ 有機/無機復合材料中兩相界面會對復合材料的性能或功能具有怎樣的影響
復合材料按照基體分大約有：聚合物基復合材料、金屬基復合材料、無機非金屬基復合材料。專我不知道屬你寫的「有機/無機復合材料」是指什麼。如果是指同事有無機物、有機物組成的復合材料，那麼目前比較常出現的形式為：有機物做基體，無機物做填料（增強體），分熱塑、熱固兩類，熱固的有環氧樹脂、酚醛樹脂、不飽和聚酯樹脂為基體的，無機增強體比如玻璃纖維、玻璃氈、玻璃布、氧化鋁等等，無機物做基體，有機物做改性，目前做的比較多的是水泥基復合材料；熱塑的有PP、PE、ABS、PA、PC、PBT、PET、PS等等。如果你是分別指有機復合材料、無機復合材料。有機復合材料，就是聚合物基復合材料，分熱塑、熱固，上面講過了，無機復合材料有水泥基復合材料，有水泥加纖維增強的，也有加高分子樹脂進行改性的。