深入探讨增强材料及复合增强原理

1）增强材料

（1）纤维、晶须增强材料

常用的纤维增强材料有玻璃纤维、碳（石墨）纤维、硼纤维、芳纶（凯夫拉）纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、氧化铝纤维、晶须等。

①玻璃纤维　玻璃纤维由熔融的玻璃经拉丝而成，可制成连续纤维和短纤维。玻璃纤维具有不吸水、不燃烧、尺寸稳定、隔热、吸声、绝缘、能透过电磁波等特性，有良好的耐腐蚀性，除氢氟酸、浓碱、浓磷酸外，对其他溶剂有良好的化学稳定性。其缺点是脆性大，耐磨性差。由于其制取方便，价格便宜，是应用最多的增强纤维。

②碳（石墨）纤维　碳纤维是将有机纤维（如聚丙烯腈纤维、沥青纤维、棉纤维等）在惰性气氛中经高温碳化而制成的纤维。经石墨化处理的碳纤维又称为石墨纤维。碳纤维的比强度和比模量高，在无氧条件下2 500℃时弹性模量也不降低。它的耐热性、耐寒性好、热膨胀系数小、热导率高、导电性好。石墨纤维的耐热性、导电性比碳纤维高，而且还有自润滑性。碳纤维化学稳定性高，能耐浓盐酸、硫酸、磷酸、苯、丙酮等介质侵蚀。其缺点是脆性大，易氧化，与基体结合力差。

③硼纤维　硼纤维是用三氯化硼和氢气混合气在高温下将硼沉积到钨丝上制得的一种复合纤维。硼纤维具有高强度、高弹性模量、高耐热性，在无氧条件下1 000℃时弹性模量也不降低，还具有良好的抗氧化性和耐腐蚀性。其缺点是直径较粗、伸长率低、生产工艺复杂、成本高。

④芳纶纤维　它的最大特点是比强度和比模量高，韧性好，具有优良的抗疲劳性、耐腐蚀性、绝缘性和加工性，且价格便宜。

⑤碳化硅纤维　碳化硅纤维突出的优点是具有优良的高温强度，主要用于增强金属和陶瓷。它是以钨丝或碳纤维作纤芯，通过气相沉积法而制得；或用聚碳硅烷纺纱，烧结制得。

⑥石棉纤维　石棉纤维是天然多晶质无机矿物纤维，主要有温石棉、青石棉和铁石棉。以温石棉用量最大。石棉具有耐酸、耐热、保温、不导电等特性。石棉应用的主要问题是粉尘大，对人体有害。

⑦氧化铝纤维　氧化铝纤维用有机物烧成法制成。它与金属基复合的材料可用常规金属加工方法制备。

⑧晶须　直径为几个微米的单晶体，具有很高的强度。常用的有碳化硅、氧化铝、氮化硅等，但由于价格昂贵，使用受到限制。

⑨其他纤维增强材料　棉、麻等天然纤维和尼龙、涤纶等合成纤维及它们的织物都可作为增强材料，但性能较差，只能用于一般要求的复合材料。表8－2为常用增强材料的性能比较。(www.xing528.com)

表8－2　常用增强材料的性能比较

（2）颗粒增强材料

颗粒增强材料主要是各种陶瓷材料颗粒，如Al2O3、SiC、WC、TiC、Si3N4、B4C及石墨等。另外氧化锌、碳酸钙、氧化铝、石墨等粉末增强材料一般作为填料用于塑料和橡胶制品。

2）复合增强原理

（1）颗粒增强复合材料的复合增强原理

弥散增强复合材料颗粒尺寸小于0．1μm，主要是氧化物。这些弥散于金属或合金基体中的颗粒，能有效地阻碍位错的运动，从而产生显著的强化作用。其复合强化机理与合金的沉淀强化机理类似，基体是承受载荷的主体。所不同的是，合金的沉淀强化弥散相质点是借助于相变而产生的，当超过一定温度时会粗化甚至重溶，导致合金高温强度降低；而弥散增强复合材料中颗粒随温度的升高仍可保持其原有尺寸，因此其增强效果在高温下可维持较长的时间，使复合材料的抗蠕变性能明显优于所用的基体金属或合金。弥散增强颗粒的尺寸、形状、体积分数以及同基体的结合力都会影响增强的效果。

纯颗粒增强复合材料颗粒尺寸大于0．1μm。在这种复合材料中，颗粒不是通过阻碍位错的运动而是通过限制颗粒邻近基体的运动来达到强化基体的目的。因此，复合材料所受载荷并非完全由基体承担，增强颗粒也承受部分载荷。复合材料的性能受颗粒大小的影响，颗粒尺寸小，增强效果好；颗粒与基体间的结合力越大，增强的效果越明显。

颗粒增强复合材料的性能与增强体和基体的比例密切相关，而某些性能只与各组成物的相对量及性能有关。

（2）纤维增强复合材料的复合增强原理

对纤维增强复合材料，基体材料将复合材料所受外载荷通过一定的方式传递并分布给增强纤维，增强纤维承担大部分外力，基体主要提供塑性和韧性。纤维处于基体之中，相互隔离，表面受基体保护，不易损伤，受载时也不易产生裂纹。当部分纤维产生裂纹时，基体能阻止裂纹迅速扩展并改变裂纹扩展方向，将载荷迅速重新分布到其他纤维上，从而提高了材料的强韧性。纤维增强复合材料的性能，既取决于基体和纤维的性能及相对数量，也与二者之间的结合状态及纤维在基体中的排列方式等因素有关。增强纤维在基体中的排列方式有连续纤维单向排列、长纤维正交排列、长纤维交叉排列、短纤维混杂排列等。