纤维增强复合材料界面改性
金属基复合材料
6.1金属基复合材料的种类和基本性能
6.1.1金属基复合材料的种类
1.按基本分类
（1）铝基复合材料：良好的塑性和韧性，易加工性、工程可靠性及价格低廉等
（2）镍基复合材料：高温性能优良，有望成为燃汽轮机的叶片
（3）钛基复合材料：高比强度，中温强度较铝基好，超音速战斗机中用钛合金做蒙皮，主要与硼纤维结合增强
（4）镁基复合材料：比铝基更轻，集超轻，高比强度，高比刚度于一体，是航空航天材料的优选材料（dmg=1.74, dAl=2.7）
还有锌基、铜基、耐热金属基、金属间化合物基等复合材料
2.按增强材料分类
（1）颗粒增强复合材料：增强相超过20%的弥散强化类型，其强度取决于颗粒的直径、间距和体积比
（2）层状复合材料：与纤维增强相比，它在平面各个方面上是增强的（二维增强，而不是一维增强）
（3）纤维增强复合材料：有长纤，短纤和晶须三种纤维，长纤亦可以一维纤维，二维布和三维网的方式存在。长纤维在基本中必须定向规整地存在，而短纤和晶须则是随机任意不定向存在。
6.1.2金属基复合材料中增强体的性质
金属基复合材料的增强体主要是无机物和金属。无机纤维有C纤维、B纤维、SiC, Al2O3、Si3N4纤维等。金属纤维主要有铍、钢、不锈钢和钨纤维等。增强颗粒主要是无机非金属颗粒，包括石墨、SiC, Al2O3、Si3N4、TiC、B3C3等。主要讲述纤维增强体。
纤维增强体的基本要求：
A高强度，
B高模量，
C容易制造和价格低廉，
D化学稳定性好，
E纤维的尺寸和形状: 大直径圆纤维为好，
F性能的再现性与一致性，
G抗损伤或抗磨损性能
6.1.3金属基复合材料的强度
纤维增强金属基复合材料的纵向强度和横向强度是不同的。
1. 纵向强度(图6-1，P127)
临界纤维体积比VF*
当弱纤维断裂时，将引起三种重要的变化。1）由于破断纤维失去强度，而使该处截面上的强度降低。2）破断纤维裂纹周围的静应力集中会降低材料的有效强度。3）破断纤维失去载荷时产生的动应力波会使复合材料受到冲击，从而降低该处横断面上的瞬时承载能力。
2. 横向强度
复合材料的横向模量随着增强材料的含量增加是增加的，但强度的变化是复杂的。因为材料总是在局部断裂，这并不是平均强度可以衡量的，但总体上基本受纤维严重束缚，其断裂强度理应比纯基体材料大。
6.1.4复合材料组分的相容性
包括物理相容性和化学相容性，物理相容性和压力变化、热变化时材料的伸缩性能有关，相容性的要求是外部载荷能通过基本均匀传递到增强物上，基体上的应力不会增强体的局部过于集中化学相容性则与界面结合、界面化学反应及环境的化学反应有关。
6.2金属基复合材料的制造工艺
虽然该类复合材料的工艺很多，大致有：粉末冶金法、热压法、热等静压法、挤压铸造法、共喷沉积法、液态金属浸润法、液态金属搅拌法、反应自生法等等，这些方法大多也尚在不断发展之中，但其基本制造方法可归纳成几个大类：固态法、液态法和自生成法及其它制备方法。
6.2.1固态法
基体和增强物均为固态。粉末冶金法、热压法、热等静压法等包括在此类。
6.2.2液态金属法
基体处于液态时与增强物复合的方法
6.2.3自生成法和其它方法
在基体内部通过反应生成增强物质的方法
其它方法：如复合涂（镀）法，将增强物细粒悬浮于镀液中用电镀或化学镀形成复合层。
6.3铝基复合材料
6.3.1颗粒（晶须）增强铝基复合材料
增强材料晶须有：SiC,Al2O3,SiO2,BC4,TiC
性能：性能优异，增强颗粒价格低廉，应用前景广阔，如SiC增强者：有良好的力学性能和耐磨性，拉伸强度和弹性模量都比基体高，且颗粒粒径越小，颗粒含量越大，强度就越高。耐磨性亦然。
6.3.2纤维增强铝基复合材料
增强纤维主要有B,C，SiC,Al2O3
1)BF/Al:硼纤维增强材料是最早研究和应用的，其高温性能尤其突出，在500时的拉伸强度达到500MPa,这是铝合金材料不可想象的。硼纤维比重：2.5-2.65.硼在钨丝上化学气相沉积得到纤维，表面还要加陶瓷涂层增加其抗氧化性能。
制造过程：纤维排列、复合材料组装压合和零件层压。用易挥发的粘结剂将维粘一起并和铝箔上一起热压。
2)C/Al复合材料：碳纤维有优异的力学性能，而价格较低。碳纤维的表面处理很关键，
3）SiCF/Al复合材料：特别的高温抗氧化性能，能在较高温度下与铝复合。产品性能。有高的拉伸强度抗弯强度和优异的耐磨性能
4）短纤维增强铝基复合材料
特点：增强体来源广，价格低，成形性好，材料性能各向同性，可用传统工艺成型加工。用氧化铝和硅酸铝增强铝基合金其高温强度明显高于基体，弹性模量在室温和高温下都有较大的提高，热膨胀系数小，耐磨性改善。
6.3.3 铝基复合材料的应用
性能好，但价格昂贵，所以主要用作航天飞机、人造卫星，空间站等的结构材料，其次用作导弹构件，自行车架，高尔夫球杆等体育用品上。其民用前景随造价的降低会很广泛。
6.4镍基复合材料（TMCS）
其复合材料有望用于燃气涡轮发动机的叶片，承受高温和高负载。
以单晶氧化铝（蓝宝石）晶须和杆增强简单镍或镍铬合金是主要研究类型。
蓝宝石与镍在高温下会发生化学反应，所以要进行表面处理，通常是在表面涂钨。
制造方法主要是将纤维夹在金属板之间进行热压。如热压法成功地制造了Al2O3-NiCr复合材料。其工艺是先在杆上涂Y2O3,再涂一层钨，然后将杆夹在金属板之间真空于1200℃加压41.4MPa.
6.5钛基复合材料（TMCS）
1）金属钛耐高温、耐腐蚀，比重低（4.5g/cm3）,是高性能结构材料的首选材料
主要有颗粒增强和连续纤维增强两大类.
如用碳化硅颗粒增强时，其硬度和刚度提高，常温强度比基体有时有所降低，但高温强度比基体好。
连续纤维复合钛合金的难度很大，只能用固相复合，因钛在高温时易于与纤维反应。硼钛复合材料是主要研究对象。为了解决钛在高温下与基体的反应性，也就是与纤维的相容性问题，提出如下方法：（1）最大限度减小反应的高速工艺；（2）最大限度减少反应的低温工艺；（3）研究低活性的基体；（4）研制最大限度减小反应的涂层；（5）选择具有较大反应容限的系列；（6）设计上尽量减小强度降低的影响。
2）应用：主要以用在航空航天用超高速发动机上为目的，但目前也有用在民用上，用作汽车材料和体育器材上。
6.6碳纤维增强金属基复合材料
1）碳纤维和许多金属缺乏相容性，目前相容性较好的有铝镁镍钴等，和钛等其它金属复合时会形成碳化物，故需进行表面处理。
2）碳纤维和某些材料复合会有特殊性质，如与铜，铝和铅等复合有高的强度，导电性，低摩擦性，低膨胀性（尺寸稳定性）等
3）与碳复合的金属除铝是主要的外，还有铜镁铅锌锡铍等。
4)Cf/Al:对纤维进行增强与铝的润湿性处理很关键。这样在热压时能很好结合。涂敷金属或非金属层是可期待的改性方式。
5）Cf/Ni:电沉积热压是主要方法。但低压时获得的强度更高，原因是高压损伤了纤维。
㈡ 用于复合材料的碳纤维，表面改性的方法有哪些
一、清洗将碳纤维放入装有丙酮的索氏提取器中，在温度为60~100℃的条件下使用丙酮抽提，清除碳纤维表面的上浆剂以及杂质，清洗后的碳纤维在60~80℃的鼓风干燥箱中干燥，得到清洗过的碳纤维；二、氧化（1）将步骤一得到的干燥清洗过的碳纤维置于圆底烧瓶中，加入浓酸中，60~80℃下氧化2~5h；（2）将步骤二（1）得到的氧化后的碳纤维在蒸馏水中浸泡5~10min，然后将经蒸馏水中浸泡后的碳纤维取出，弃除蒸馏水；（3）重复步骤二（2）5~10次，得到清洗后的氧化碳纤维，在60~80℃的鼓风干燥箱中烘干；三、酰氯化（1）将步骤二（3）得到的氧化碳纤维置于单口瓶中，加入SOCl2和DMF的混合溶液中，加热至70~80℃恒温反应24~48h，得到含有杂质的酰氯化的碳纤维；（2）使用减压蒸馏的方法将步骤三（1）得到含有杂质的酰氯化的碳纤维中残留的二氯亚砜除去，得到酰氯化的碳纤维，然后将得到的酰氯化的碳纤维在温度为60~100℃的鼓风干燥箱中干燥2~5h，最后将干燥的酰氯化的碳纤维放在干燥器内密封保存；四、接枝双（3‑氨基苯基）苯基氧化膦将双（3‑氨基苯基）苯基氧化膦加入装有DMF溶剂的单口瓶中，双（3‑氨基苯基）苯基氧化膦与DMF质量比为0.3~0.6:88，加热至60~80℃，双（3‑氨基苯基）苯基氧化膦与DMF溶解后，将步骤三（2）得到的酰氯化的碳纤维置于单口瓶中，加热到80~120℃，反应时间为12~48h，得到接枝双（3‑氨基苯基）苯基氧化膦的碳纤维。
㈢ 复合材料界面效应有哪些 复合材料界面的形成有哪几个阶段提高界面结合强度的途径有哪些
答：复合材料界面效应有：1、传递效应：界面可将复合材料体系中基体承受的外力传递给增强相，起到基体和增强相之间的桥梁作用。2、阻断效应：基体和增强相之间结合力适当的界面有阻止裂纹扩展、减缓应力集中的作用。3、不连续效应：在界面上产生物理性能的不连续性和界面摩擦出现的现象，如抗电性、电感应性、磁性、耐热性和磁场尺寸稳定性等。4、散射和吸收效应：光波、声波、热弹性波、冲击波等在界面产生散射和吸收，如透光性、隔热性、隔音性、耐机械冲击性等。5、诱导效应：一种物质（通常是增强剂）的表面结构使另一种（通常是聚合物基体）与之接触的物质的结构由于诱导作用而发生改变，由此产生一些现象，如强弹性、低膨胀性、耐热性和冲击性等。
复合材料界面的形成有三个阶段：1、增强体表面预处理或改性阶段（减小增强体和基体表面张力差距）2、基体材料和增强材料之间的浸润、接触（界面形成与发展的关键阶段）：接触——吸附与浸润——交互扩散——化学结合或物理结合3、液态或粘流态组分的固化过程，即凝固或化学反应（界面形成与发展的关键阶段）a、界面的固定b、界面的稳定
提高界面结合强度的途径有：1、反应结合： 在复合材料组分之间发生化学作用，在界面上形成共价键结合在理论上可获得最强的界面粘结能。2、溶解与浸润结合：界面润湿理论是基于液态树脂对增强材料表面的浸润亲和，即物理和化学吸附作用。液态树脂对纤维表面的良好浸润是十分重要的。浸润不良会在界面上产生空隙，导致界面缺陷和应力集中，使界面强度下降。良好的或完全浸润将使界面强度大大提高，甚至优于基体本身的内聚强度。3、机械结合： 当两个表面相互接触后，由于表面粗糙不平将发生机械互锁。 另一方面，尽管表面积随着粗糙度增大而增大，但其中有相当多的孔穴，粘稠的液体是无法流入的。无法流入液体的孔不仅造成界面脱粘的缺陷，而且也形成了应力集中点。4、上述三种形式的混合结合方式。
㈣ 常用的纤维增强材料
纤维增强复合材料（Fiber Reinforced Polymer /Plastics，简称FRP），由纤维材料与基体材料经过缠绕，模压或拉挤等成型工艺而形成的复合材料。常用的增强纤维材料有碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维，基体材料有环氧树脂、乙烯基酯树脂、不饱和聚酯树脂等。由微观到宏观，首先由极细的纤维丝按一定方向排列或编织为板、布等形式，再与基体材料胶结后形成纤维增强复合材料制品。
纤维增强复合材料具有一系列的优良性能。如FRP本身重量轻，密度约为14-21kN/m³，为钢的1/6~1/4，比铝还轻，而FRP的强度/重量比通常可达钢材的4倍以上，可应用于大跨结构中时，极大减轻结构自重，也同时能够符合航空、航天结构设计对材料的重要要求。而且FRP材料的力学性能可以设计，即可以通过选择合适的原材料和合理的铺层形式，使复合材料构件或复合材料结构满足使用要求。FRP的生产制作工艺包括拉挤、缠绕、手糊、喷射成型等多种方式，不仅可规模化生产形状规则的FRP制品，更可制作出几乎任意形状的板材用于构筑非线性工艺造型。另外，在纤维增强复合材料的基体中有成千上万根独立的纤维。当用这种材料制成的构件超载，并有少量纤维断裂时，载荷会迅速重新分配并传递到未破坏的纤维上，因此整个构件不至于在短时间内丧失承载能力。
纤维增强复合材料自从20世纪40年代问世以来，最先被应用于航空航天、国防军工等领域。比如波音787和空客350等客机制造材料中，纤维增强复合材料的使用比例均超过50%（重量比），高于钢、铝、钛等金属及其合金。随着科技的进步和发展，材料制备成本也逐渐降低，纤维增强复合材料也逐渐开始走入人们的日常生活，常用的有玻璃纤维增强复合材料GFRP(俗称玻璃钢)、碳纤维增强复合材料CFRP。GFRP多用于景观雕塑、座椅、垃圾桶、储料罐等，CFRP可用于游艇、汽车、自行车、体育休闲器具等。
在建筑领域，纤维增强复合材料始于上个世纪60年代便开始应用，到90年代，随着纤维复合材料加固钢筋混凝土结构技术的兴起，工程界才逐渐认可对这种新型材料。过去，建筑师一直使用木材、石头、钢铁、混凝土等传统的建筑材料，现代社会对建筑的功能性和审美性更为关注，薄壳结构、悬挑结构、悬索结构、网架结构等新型结构对建筑材料提出了更高的要求。如上海迪士尼乐园明日世界占地面积超过2300平方米，广泛的内部和外部建筑结构和座椅都是用几百种不同形状和尺寸的阻燃胶衣饰面FRP部件组成的，而且所有所需的FRP部件都是手糊成形的。为了确保用于迪斯尼乐园的所有FRP满足国家对完全组装复合材料部件的B1防火性等级要求，材料制造公司最终利用高性能聚氨酯丙烯酸酯，以三水合铝(ATH)作为辅助树脂，根据需要加入了450g/㎡的玻璃纤维短切原丝毡和450g/㎡的无捻粗纱布作为增强材料。
㈤ 复合材料中的界面相有什么特点，起什么作用
复合材料界面是指复合材料的基体与增强材料之间化学成分有显著变化的、构成彼此结合的、能起载荷等传递作用的微小区域。目前的研究尚处于半定量和半经验的水平上。 最早复合材料界面曾被想像成是一层没有厚度的面(或称单分子层的面)。而事实上复合材料界面是一层具有一定厚度(纳米以上)、结构随基体和增强体而异、与基体有明显差别的新相——界面相(或称界面层)。因为增强体和基体互相接触时， 在一定条件的影响下，可能发生化学反应或物理化学作用，如两相间元素的互相扩散、溶解，从而产生不同于原来两相的新相；即使不发生反应、扩散、溶解，也会由于基体的固化、凝固所产生的内应力，或者由于组织结构的诱导效应，导致接近增强体的基体发生结构上的变化或堆砌密度上的变化，从而导致这个局部基体的性能不同于基体的本体性能，形成界面相。界面相也包括在增强体表面上预先涂覆的表面处理剂层和增强体经表面处理工艺而发生反应的表面层。因此，必须建立复合材料界面存在独立相的新概念。复合材料界面相的结构与性能对复合材料整体的性能影响大。为改善复合材料性能，必须考虑界面设计和控制。结构复合材料界面相存在的残应力，是由于基体的固化或凝固收缩和两相间热膨胀系数的失配而造成的。无论应力大小和方向，都会影响到复合材料受载时的行为，如造成复合材料拉伸和压缩性能的明显差异等。结构复合材料界面的作用，是在复合材料受到载荷时把基体上的应力传递到增强体上。这就需要界面相有 足够的粘接强度，而两相表面能够互相浸润是先决条件。但是界面层并不是粘接得越强越好，而是要有适当的粘接强度，因为界面相还有另一个作用是在一定应力条件下能够脱粘，同时使增强体在基体中拔出并互相发生摩擦。这种由脱粘而增大表面能所做的功、拔出功和摩擦功都提高了破坏功，有助于改善复合材料的破坏行为，即提高它的强度。至于功能复合材料界面相的作用，目前尚很少研究，但已有实验证实，界面相在功能复合材料中的作用也是重要的。 表征为了认识界面的作用，了解界面结构对材料整体性能的影响，必须先表征界面相的化学、物理结构，厚度和形貌，粘接强度和残余应力等，从而可以寻找它们与复合材料性能之间的关系。 界面相化学结构包括组成元素、价态及其分布。其表征可以借助许多固体物理用的先进仪器，如俄歇电子 谱(AES，SAM)、电子探针(EP)、X光电子能谱仪 (X PS)、扫描二次离子质谱仪(S SIMS)、电子能量损失谱仪(EELS，PEELS)、傅里叶红外光谱(FTIR)、显微 拉曼光谱(MRS)、扩展X射线吸收细微结构谱 (E XAFS)等。由于界面相有时仅为纳米级的微区，而且有的组成非常复杂(尤其是金属和陶瓷基复合材料)， 因此迄今还不能说哪一种方法可以满意地给出有关复合材料界面相全部化学信息。这是因为这些方法有的束斑太大，远远超过界面微区的尺寸;有的仅能提供元素的信息而不能知道元素的价态；有的会对某些观察物造成 表面损伤等，存在着各式各样的局限性。所以仍需研究 合适的新方法，或几种方法的配合使用。 界面相形貌和厚度的表征也有不少方法，如透射电 镜(TEM)、扫描电镜(S EM)。新方法有角扫描X射线反射谱(GAXP)，可以测定金属基和陶瓷基复合材料界 面相的厚度。但这些方法在测量上也有难度。 界面相粘接强度的表征基本上有5种方法，即单丝拔出法、埋入基体的单丝裂断长度法、微(单丝)压出 法、球形(或锥形)压头压痕法、常规三点弯剪法等。前两种方法只能表征单丝复合材料的行为；后3种虽是表 征复合材料，但又各有不足之处。而且各种方法测出 的数据相差甚远，以球形压痕法和三点弯剪法数值较高。目前尚难以决定何种方法是最为合适的。此外，还有用 动态力学法测定内耗值以表征界面结合状态的方法。界面湘残余应力的表征也很困难。对透明基体和不 透明基体都分别有其相应的方法，但是均不理想，同时 在计算处理上也较复杂。复合材料界面理论过去对于复合材料界面理论的 研究是试图提出一个能够适用于各种复合材料的理论，诸如化学反应理论、浸润理论、可形变层理论、约束层 理论、静电作用理论以及把一些理论结合起来的理论。但它们都有许多矛盾，常不能自圆其说。由于对界面认识的逐步深化，了解到界面相的复杂性与多重性是和原组成材料、加工工艺和使用环境密切有关。因此，理论研究转向针对某一具体体系，探讨界面微结构与宏观性能的关系，界面浸润过程和界面反应的热力学与动力学 关系，建立某种体系的界面相模型并作理论处理等。
㈥ 纤维增强复合材料和纤维增强塑料有什么区别
玻璃纤维复合材料通常指：玻璃钢。 玻璃钢亦称作GFRP，即纤维强化塑料，一般指用玻璃纤维增内强不饱和聚酯、容环氧树脂与酚醛树脂基体。以玻璃纤维或其制品作增强材料的增强塑料，称谓为玻璃纤维增强塑料，或称谓玻璃钢，注意与钢化玻璃区别开来。
㈦ 碳纤维改性材料跟碳纤维复合材料有什么区别
一般说到改性材料是改变该材料原有的物理和化学性能，可以在材料基体中加入长碳纤、长玻纤、芳纶纤维或者玄武岩纤维等进行改性。复合材料说法不准确，未强调性能改性。长纤新材料也是各种改性材料，
㈧ 纤维增强复合材料的增强增韧机制有哪些
纤维增强材料的增强机制就是纤维本身是高刚性，高模量的材料，经过复合，复合材料的强度增大，增韧机制应该属于非弹性体增韧机制
㈨ 有机/无机复合材料中两相界面会对复合材料的性能或功能具有怎样的影响
复合材料按照基体分大约有：聚合物基复合材料、金属基复合材料、无机非金属基复合材料。专我不知道属你写的“有机/无机复合材料”是指什么。如果是指同事有无机物、有机物组成的复合材料，那么目前比较常出现的形式为：有机物做基体，无机物做填料（增强体），分热塑、热固两类，热固的有环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂为基体的，无机增强体比如玻璃纤维、玻璃毡、玻璃布、氧化铝等等，无机物做基体，有机物做改性，目前做的比较多的是水泥基复合材料；热塑的有PP、PE、ABS、PA、PC、PBT、PET、PS等等。如果你是分别指有机复合材料、无机复合材料。有机复合材料，就是聚合物基复合材料，分热塑、热固，上面讲过了，无机复合材料有水泥基复合材料，有水泥加纤维增强的，也有加高分子树脂进行改性的。