21 金属学与热处理 粉末并使之弥散分布而形成的复合材料;后者则指以微米级颗粒增强的金属、树脂或陶瓷 (1)弥散强化复合材料。一般加入增强颗粒粒径在0.1μm~0.01μm之间,加入量也 在1%~15%之间。增强颗粒可以是一种或几种,但应是均匀弥散地分布于基体材料内部 该类复合材料的复合强化机理与合金的沉淀硬化机理类似,基体仍是承受载荷的主体。所 不同的是这些细小弥散颗粒不是借助于相变产生的第二相质点,它们随温度的升高仍可保 持其原有尺寸。同时这些弥散颗粒将阻碍导致基体塑性变形的位错的运动(金属基)或分子 链的运动(树脂基),提高了变形抗力。同时由于所加入的弥散粒子大都是高熔点高硬度且 高稳定的氧化物碳化物或氮化物等,故粒子还会大大提高材料的高温强度和蠕变抗力;对 于陶瓷基复合材料其粒子则会起到细化晶粒,使裂纹转向与分叉,从而提高陶瓷强度和韧 性。当然粒子的强化效果与粒子粒径、形态、体积分数和分布状态等直接相关。 (2)颗粒增强复合材料。这类材料是用金属或高分子聚合物把具有耐热、硬度高但不 耐冲击的金属氧化物碳化物或氮化物等颗粒黏结起来形成的材料,其中颗粒尺寸为微米量 级,原则上讲,其几何形状可以是任意的,但一般情况下,基本上为几何对称。实践表明 复合材料的性能受到颗粒大小的影响,为提高増强效果,通常选择尺寸较小的颗粒,并且 尽可能使其均匀分布于基体之中。在该种复合材料中,颗粒不是通过有效阻碍位错的运动 而使材料强化,而是借助于限制颗粒邻近基体的运动来达到强化基体的目的。它具有基体 材料脆性小、耐冲击的优点,又具有陶瓷硬度耐热性特点,复合效果显著。其所用粒子粒 径较大,一般为1pm~50m,体积分数在20%以上。因此复合材料的使用性能主要决定 于粒子的性质,此时粒子的强化作用并不显著,但却大大提高了材料耐磨性和综合力学性 能,这种方式主要用作耐磨减摩的材料,如硬质合金、粘接砂轮材料等。 纤维增强复合材料的复合机制 义的纤维增强复合材料是指由高强度、高模量脆性纤维类增强体与韧性基体(树脂 金属)或脆性基体(陶瓷)羟经一定工艺复合而成的多相材料。提高基体在室温和高温下的强度 和弹性模量是纤维增强树脂或金属的主要设计目标,而纤维增强陶瓷的主要目的并非是为 提高其强度和弹性模量,其着眼点在于提高基体材料的韧性,即增韧。因此,通常所讲的 纤维增强复合材料主要指纤维增强树脂或纤维増强金属材料。 增强纤维的种类很多,根据直径的大小和性能特点,可分为纤维和晶须两种类型。目 前用作增强体的纤维大多数是直径为几至几十微米的多晶材料或非晶材料,因长度的不同 又可细分为连续长纤维和短纤维。 )短纤维及晶须增强复合材料。其强化机制与弥散强化复合材料的强化机制类似。 但由于纤维明显具有方向性,因此在复合材料制作时,如果纤维或晶须在材料内的分布也 具有一定方向性,则其强化效果必然也是各向异性的。短纤维(或晶须)对陶瓷的强化和韧 化作用比颗粒增强体的作用更有效更明显,纤维增加了基体与增强体的界面面积,具有更 为强烈的裂纹偏转和阻止裂纹扩展效果。 (2)长纤维增强复合材料。这类复合材料的增强效果主要取决于纤维的特性,基体只 起传递和分散应力的作用,材料力学性能主要取决于纤维的强度、纤维与基体的界面强度、 基体的抗剪强度。其强度的增强效果与纤维的体积分数、纤维直径、纤维的抗拉强度、纤 维长度、长径比、基体的黏结强度、基体的抗拉强度有关。应用较多的有玻璃纤维和碳纤
·212· 金属学与热处理 ·212· 粉末并使之弥散分布而形成的复合材料；后者则指以微米级颗粒增强的金属、树脂或陶瓷。 (1) 弥散强化复合材料。一般加入增强颗粒粒径在 0.1 µm～0.01 µm之间，加入量也 在 1%～15%之间。增强颗粒可以是一种或几种，但应是均匀弥散地分布于基体材料内部。 该类复合材料的复合强化机理与合金的沉淀硬化机理类似，基体仍是承受载荷的主体。所 不同的是这些细小弥散颗粒不是借助于相变产生的第二相质点，它们随温度的升高仍可保 持其原有尺寸。同时这些弥散颗粒将阻碍导致基体塑性变形的位错的运动(金属基)或分子 链的运动(树脂基)，提高了变形抗力。同时由于所加入的弥散粒子大都是高熔点高硬度且 高稳定的氧化物碳化物或氮化物等，故粒子还会大大提高材料的高温强度和蠕变抗力；对 于陶瓷基复合材料其粒子则会起到细化晶粒，使裂纹转向与分叉，从而提高陶瓷强度和韧 性。当然粒子的强化效果与粒子粒径、形态、体积分数和分布状态等直接相关。 (2) 颗粒增强复合材料。这类材料是用金属或高分子聚合物把具有耐热、硬度高但不 耐冲击的金属氧化物碳化物或氮化物等颗粒黏结起来形成的材料，其中颗粒尺寸为微米量 级，原则上讲，其几何形状可以是任意的，但一般情况下，基本上为几何对称。实践表明， 复合材料的性能受到颗粒大小的影响，为提高增强效果，通常选择尺寸较小的颗粒，并且 尽可能使其均匀分布于基体之中。在该种复合材料中，颗粒不是通过有效阻碍位错的运动 而使材料强化，而是借助于限制颗粒邻近基体的运动来达到强化基体的目的。它具有基体 材料脆性小、耐冲击的优点，又具有陶瓷硬度耐热性特点，复合效果显著。其所用粒子粒 径较大，一般为 1 µm ～50 µm，体积分数在 20%以上。因此复合材料的使用性能主要决定 于粒子的性质，此时粒子的强化作用并不显著，但却大大提高了材料耐磨性和综合力学性 能，这种方式主要用作耐磨减摩的材料，如硬质合金、粘接砂轮材料等。 2. 纤维增强复合材料的复合机制 广义的纤维增强复合材料是指由高强度、高模量脆性纤维类增强体与韧性基体(树脂、 金属)或脆性基体(陶瓷)经一定工艺复合而成的多相材料。提高基体在室温和高温下的强度 和弹性模量是纤维增强树脂或金属的主要设计目标，而纤维增强陶瓷的主要目的并非是为 提高其强度和弹性模量，其着眼点在于提高基体材料的韧性，即增韧。因此，通常所讲的 纤维增强复合材料主要指纤维增强树脂或纤维增强金属材料。 增强纤维的种类很多，根据直径的大小和性能特点，可分为纤维和晶须两种类型。目 前用作增强体的纤维大多数是直径为几至几十微米的多晶材料或非晶材料，因长度的不同 又可细分为连续长纤维和短纤维。 (1) 短纤维及晶须增强复合材料。其强化机制与弥散强化复合材料的强化机制类似。 但由于纤维明显具有方向性，因此在复合材料制作时，如果纤维或晶须在材料内的分布也 具有一定方向性，则其强化效果必然也是各向异性的。短纤维(或晶须)对陶瓷的强化和韧 化作用比颗粒增强体的作用更有效更明显，纤维增加了基体与增强体的界面面积，具有更 为强烈的裂纹偏转和阻止裂纹扩展效果。 (2) 长纤维增强复合材料。这类复合材料的增强效果主要取决于纤维的特性，基体只 起传递和分散应力的作用，材料力学性能主要取决于纤维的强度、纤维与基体的界面强度、 基体的抗剪强度。其强度的增强效果与纤维的体积分数、纤维直径、纤维的抗拉强度、纤 维长度、长径比、基体的黏结强度、基体的抗拉强度有关。应用较多的有玻璃纤维和碳纤
第10章材料研究新进展 213 维增强复合材料。纤维增强效果是按以下原则设计的 ①承受载荷的主要是纤维增强体,故选用纤维的强度和弹性模量要远远高于基体 ②基体与纤维应有一定的相容性和浸润性,保证将基体所受力传递到纤维上:但两者 结合强度太低,纤维起不到作用,相反则会导致材料变脆。 ③纤维排列方向与构件受力方向一致 ④纤维与基体热膨胀系数相近,且保证制造和使用时两者界面上不发生使力学性能下 降的化学反应。 ⑤一般纤维体积分数越高、长径比越大(Ld大)强化效果越好。 1.5复合材料的应用 除陶瓷基复合材料尚处在硏究开发阶段,并有少量应用外,聚合物、金属、碳基和混 凝土基复合材料已广泛应用于各个领域中 1.在信息技术领域内的应用 信息技术包括信息获得、信息处理、信息存储执行几部分 (1)复合材料用于信息的获得。获得信息主要依靠各敏感器件的检测,而敏感器件则 由各种换能材料组成。换能材料把对外界的感知通过物理量表现的信息(如光、热、声、磁、 辐射等)转换成电信号。不仅可依靠功能复合材料设计自由度大的特点获得高优值的换能材 料,还可利用复合效应,特别是其中的“乘积效应”设计出高效的新型换能材料。 (2)复合材料用于信息处理。信息处理主要依靠电子技术。随着电子技术的进步,电 子芯片的集成度将越来越高,而芯片的散热问题将是发展的障碍。研究表明,碳化硅颗粒 增强铝复合材料的导热系数以及与集成电路硅片的热膨胀系数匹配均能满足要求。这是 种用于芯片封装的廉价材料,可以预计在21世纪会得到进一步提高与发展。此外,电子设 备的电路板都是织物增强聚合物复合材料,其用量可观。由于信息处理的速度越来越快 因此研制具有优良超高频介电性能的复合材料是当前和今后的重要内容,此外机壳和屏蔽 板也大量使用复合材料。 (3)复合材料用于信息存储。目前用于信息写入、记录、存储和读出的磁性材料如磁 带、磁盘等,大都是软磁质细粉混入聚合物基体制成的复合材料。尽管目前光盘记录已经 普遍,但是磁记录仍有写、读方便的优点,在一定时期内仍会向高记录密度方向发展。 (4)复合材料用于信息传输。信息的传输,在地面上用光缆和微波,远距离要用人造 卫星。光缆中的光导纤维本身就是一种复合纤维,光缆护套管也大量采用复合材料。微波 通信设备中,抛物形天线反射板以及波导管等均用先进复合材料制造,因而质量小、刚度 好。至于通信卫星,人们采用先进复合材料作为星体结构和天线。因此复合材料在这方面 大有用武之地。 (5)信息执行对复合材料的要求。信息的执行除了声、光、图像外,重要的是在机械 动作上。例如信息指挥机械手和机器人以及其他一些自控机械进行动作。对前两种,要求 其动作臂的运动惯性小,从而使动作快速而准确,这就需要运动部位的结构材料具有低密 度、高刚度和高强度,复合材料是最能胜任的。可以预见复合材料在这方面会有好的发展 前景。 213·
第 10 章 材料研究新进展 ·213· ·213· 维增强复合材料。纤维增强效果是按以下原则设计的： ① 承受载荷的主要是纤维增强体，故选用纤维的强度和弹性模量要远远高于基体。 ② 基体与纤维应有一定的相容性和浸润性，保证将基体所受力传递到纤维上；但两者 结合强度太低，纤维起不到作用，相反则会导致材料变脆。 ③ 纤维排列方向与构件受力方向一致。 ④ 纤维与基体热膨胀系数相近，且保证制造和使用时两者界面上不发生使力学性能下 降的化学反应。 ⑤ —般纤维体积分数越高、长径比越大(L/d 大)强化效果越好。 10.1.5 复合材料的应用 除陶瓷基复合材料尚处在研究开发阶段，并有少量应用外，聚合物、金属、碳基和混 凝土基复合材料已广泛应用于各个领域中。 1. 在信息技术领域内的应用 信息技术包括信息获得、信息处理、信息存储执行几部分。 (1) 复合材料用于信息的获得。获得信息主要依靠各敏感器件的检测，而敏感器件则 由各种换能材料组成。换能材料把对外界的感知通过物理量表现的信息(如光、热、声、磁、 辐射等)转换成电信号。不仅可依靠功能复合材料设计自由度大的特点获得高优值的换能材 料，还可利用复合效应，特别是其中的“乘积效应”设计出高效的新型换能材料。 (2) 复合材料用于信息处理。信息处理主要依靠电子技术。随着电子技术的进步，电 子芯片的集成度将越来越高，而芯片的散热问题将是发展的障碍。研究表明，碳化硅颗粒 增强铝复合材料的导热系数以及与集成电路硅片的热膨胀系数匹配均能满足要求。这是一 种用于芯片封装的廉价材料，可以预计在 21 世纪会得到进一步提高与发展。此外，电子设 备的电路板都是织物增强聚合物复合材料，其用量可观。由于信息处理的速度越来越快， 因此研制具有优良超高频介电性能的复合材料是当前和今后的重要内容，此外机壳和屏蔽 板也大量使用复合材料。 (3) 复合材料用于信息存储。目前用于信息写入、记录、存储和读出的磁性材料如磁 带、磁盘等，大都是软磁质细粉混入聚合物基体制成的复合材料。尽管目前光盘记录已经 普遍，但是磁记录仍有写、读方便的优点，在一定时期内仍会向高记录密度方向发展。 (4) 复合材料用于信息传输。信息的传输，在地面上用光缆和微波，远距离要用人造 卫星。光缆中的光导纤维本身就是一种复合纤维，光缆护套管也大量采用复合材料。微波 通信设备中，抛物形天线反射板以及波导管等均用先进复合材料制造，因而质量小、刚度 好。至于通信卫星，人们采用先进复合材料作为星体结构和天线。因此复合材料在这方面 大有用武之地。 (5) 信息执行对复合材料的要求。信息的执行除了声、光、图像外，重要的是在机械 动作上。例如信息指挥机械手和机器人以及其他一些自控机械进行动作。对前两种，要求 其动作臂的运动惯性小，从而使动作快速而准确，这就需要运动部位的结构材料具有低密 度、高刚度和高强度，复合材料是最能胜任的。可以预见复合材料在这方面会有好的发展 前景
214· 金属学与热处理 2.复合材料在机械工业的应用 复合材料在机械工业主要用于阀、泵、齿轮、风机、叶片、轴承及密封件等。用酚醛 玻璃钢和纤维增强聚丙烯制成的阀门使用寿命比不锈钢阀门的长,且价格便宜,玻璃钢不 仅质量小而且耐腐蚀,常用于泵壳、叶轮、风机机壳及叶片。铸铁泵一般重几十千克,而 玻璃钢泵仅重几千克,并且耐腐蚀性好。碳/碳复合材料耐高温,摩擦系数低,常用于机械 密封件。 3.复合材料在汽车工业及交通运输方面的应用 要使汽车提高速度,必须减小汽车的质量。汽车质量减小还可以节省燃料,降低污染。 用高强钢代替普通钢,质量可降低20%~30%,用铝合金代替,质量可降低50%,但价格 高出80%。复合材料应用最活跃的领域是汽车工业,聚合物基复合材料可用做车身、驱动 轴、操纵杄、方向盘、客舱隔板、底盘、结构梁、发动机罩、散热器罩等部件。在国外聚 合物基复合材料己广泛用于制作各种汽车外壳、摩托车外壳以及高速列车车厢厢体。尽 管玻璃纤维复合材料的比刚度比金属低,但石墨纤维增强复合材料的比刚度比金属要高; 聚合物基复合材料的优点是质量小、比强度大、比刚度大、比疲劳强度高、耐腐蚀,并可 整体成形 4.复合材料在化学工业的应用 化学工业存在的主要问题是腐蚀严重,因此往往用非金属取代金属制作零部件。玻璃 钢的出现给化学工业带来了光明的前景,目前玻璃钢主要用于各种槽、罐、釜、塔、管道 泵、阀、风机等化工设备及其配件,玻璃钢的特点是耐腐蚀、强度高、使用寿命长、价格 远比不锈钢低廉。但玻璃钢仅能用于低压或常压情况,并且温度不宜超过120℃。 5.在建筑领域的应用 在建筑业,玻璃钢己广泛用于冷却塔、储水塔、卫生间的浴盆浴缸、桌椅门窗、安全 帽、通风设备等。玻璃纤维、碳纤维增强混凝土复合材料具有优异的力学性能,在强碱中的 化学稳定性、尺寸稳定性和在盐水介质中耐腐蚀等特点,作为高层建筑墙板等的应用日趋 泛。近年来一些国家,如日本在建筑物领域中还采用碳纤维增强聚合物复合材料来修补加固 了由阪神大地震造成损坏的钢筋混凝土桥墩板桥,修复工作取得了突破性进展。英国也曾 用碳纤维复合材料来増强伦敦地下隧道的铸铁梁和増加石油平台的耐冲击波性能等。 6.在其他领域的应用 在船舶业,用玻璃钢制成的船体具有抗海生物吸附和耐盐水腐蚀的特性 在生物医学方面,由于碳/碳复合材料具有良好的生物相容性,现已作为牢固的材料用 作高应力使用的外科植入物、牙根植入体以及人工关节。 碳纤维增强聚合物复合材料由于比强度高、比模量大,也广泛用于制造网球拍、高尔夫 球棒、钓鱼杄、赛车赛艇、滑雪板、乐器等文体用品。采用团状模塑料工艺,将3mm~12mm 短切纤维与树脂混合后还可用于制作家庭用品 由此可见,复合材料不仅可用于航空航天等高科技领域,而且在日常生活中也广泛使 用复合材料。但是,尽管复合材料己被广泛应用于各个领域,由于仍存在一些问题,如价 格太贵,特别是碳纤维和硼纤维增强的高级复合材料;同时复合材料组元间的结合以及复 214·
·214· 金属学与热处理 ·214· 2. 复合材料在机械工业的应用 复合材料在机械工业主要用于阀、泵、齿轮、风机、叶片、轴承及密封件等。用酚醛 玻璃钢和纤维增强聚丙烯制成的阀门使用寿命比不锈钢阀门的长，且价格便宜，玻璃钢不 仅质量小而且耐腐蚀，常用于泵壳、叶轮、风机机壳及叶片。铸铁泵一般重几十千克，而 玻璃钢泵仅重几千克，并且耐腐蚀性好。碳/碳复合材料耐高温，摩擦系数低，常用于机械 密封件。 3. 复合材料在汽车工业及交通运输方面的应用 要使汽车提高速度，必须减小汽车的质量。汽车质量减小还可以节省燃料，降低污染。 用高强钢代替普通钢，质量可降低 20%～30%，用铝合金代替，质量可降低 50%，但价格 高出 80%。复合材料应用最活跃的领域是汽车工业，聚合物基复合材料可用做车身、驱动 轴、操纵杆、方向盘、客舱隔板、底盘、结构梁、发动机罩、散热器罩等部件。在国外聚 合物基复合材料已广泛用于制作各种汽车外壳、摩托车外壳以及高速列车车厢厢体。尽 管玻璃纤维复合材料的比刚度比金属低，但石墨纤维增强复合材料的比刚度比金属要高； 聚合物基复合材料的优点是质量小、比强度大、比刚度大、比疲劳强度高、耐腐蚀，并可 整体成形。 4. 复合材料在化学工业的应用 化学工业存在的主要问题是腐蚀严重，因此往往用非金属取代金属制作零部件。玻璃 钢的出现给化学工业带来了光明的前景，目前玻璃钢主要用于各种槽、罐、釜、塔、管道、 泵、阀、风机等化工设备及其配件，玻璃钢的特点是耐腐蚀、强度高、使用寿命长、价格 远比不锈钢低廉。但玻璃钢仅能用于低压或常压情况，并且温度不宜超过 120℃。 5. 在建筑领域的应用 在建筑业，玻璃钢已广泛用于冷却塔、储水塔、卫生间的浴盆浴缸、桌椅门窗、安全 帽、通风设备等。玻璃纤维、碳纤维增强混凝土复合材料具有优异的力学性能，在强碱中的 化学稳定性、尺寸稳定性和在盐水介质中耐腐蚀等特点，作为高层建筑墙板等的应用日趋广 泛。近年来一些国家，如日本在建筑物领域中还采用碳纤维增强聚合物复合材料来修补加固 了由阪神大地震造成损坏的钢筋混凝土桥墩板桥，修复工作取得了突破性进展。英国也曾 用碳纤维复合材料来增强伦敦地下隧道的铸铁梁和增加石油平台的耐冲击波性能等。 6. 在其他领域的应用 在船舶业，用玻璃钢制成的船体具有抗海生物吸附和耐盐水腐蚀的特性。 在生物医学方面，由于碳/碳复合材料具有良好的生物相容性，现已作为牢固的材料用 作高应力使用的外科植入物、牙根植入体以及人工关节。 碳纤维增强聚合物复合材料由于比强度高、比模量大，也广泛用于制造网球拍、高尔夫 球棒、钓鱼杆、赛车赛艇、滑雪板、乐器等文体用品。采用团状模塑料工艺，将 3mm～12mm 短切纤维与树脂混合后还可用于制作家庭用品。 由此可见，复合材料不仅可用于航空航天等高科技领域，而且在日常生活中也广泛使 用复合材料。但是，尽管复合材料已被广泛应用于各个领域，由于仍存在一些问题，如价 格太贵，特别是碳纤维和硼纤维增强的高级复合材料；同时复合材料组元间的结合以及复
第10章材料研究新进展 215 合材料的连接技术仍是人们致力解决的问题。 10.16复合材料的发展 复合材料发展的新领域,首先应看领域的科学性,其次要依据时代的需求,最后是考 查能否充分体现复合材料的特色和优势。 1.功能、多功能、机敏、智能复合材料 过去复合材料主要用于结构。其实它的设计自由度大的特点更适合于发展功能复合材 料,特别在由功能→多功能→机敏→智能复合材料,即从低级形式到高级形式的过程中体 现出来。设计自由度大是由于复合材料可以任意调节其复合度、选择其连接形式和改变其 对称性等因素,以期达到功能材料所追求的高优值。 1)功能复合材料 功能复合材料涉及的范围非常宽。在电功能方面导电、超导、绝缘、吸波(电磁波) 半导电、屏蔽或透过电磁波、压电与电致伸缩等:在磁功能方面有永磁、软磁、磁屏蔽和 磁致伸缩等;在光功能方面有远光、选择滤光、光致变色、光致发光、抗激光、X线屏蔽 和透ⅹ光等;在声学功能方面有吸声、声纳、抗声纳等;在热功能方面有导热、绝热与防 热、耐烧蚀、阻燃、热辐射等:在机械功能方面则有阻尼减振、自润滑、耐磨、密封、防 弹装甲等:在化学功能方面有选择吸附和分离、抗腐蚀等。在上述各种功能中,复合材料 均能够作为主要材料或作为必要的辅助材料而发挥作用。 2)多功能复合材料 复合材料具有多组分的特点,因此必然会发展成多功能的复合材料。首先是形成兼具 功能与结构的复合材料。例如,美国的军用飞机具有自我保护的隐身功能,即在飞机的蒙 皮上应用了吸收电磁波的功能复合材料来躲避雷达跟踪,而这种复合材料又是高性能的结 构复合材料。目前正在研制兼有吸收电磁波、红外线并且可以作为结构的多功能复合材料。 可以说向多功能方向发展是发挥复合材料优势的必然趋势。 3)机敏复合材料 人类一直期望着材料具有能感知外界作用而且做出适当反应的能力。目前已经开始试 将传感功能材料和具有执行功能的材料通过某种基体复合在一起,并且连接外部信息处理 系统,把传感器给出的信息传达给执行材料,使之产生相应的动作,这样就构成了机敏复 合材料及其系统。它能够感知外部环境的变化,做出主动的响应,其作用可表现在自诊断 自适应和自修复的能力上。机敏复合材料将会在国防尖端技术、建筑、交通运输、水利 医疗卫生、海洋渔业等方面有很大的应用前景,同时也会在节约能源、减少污染和提高安 全性上发挥很大的作用 4)智能复合材料 智能复合材料是功能材料的高级形式。实际上它是在机敏复合材料基础上向自决策能 力上的发展,依靠在外部信息处理系统中增加的人工智能系统,对信息进行分析、给出决 策、指挥执行材料做岀优化动作。这样就对材料的传感部分和执行部分的灵敏度、精确度 和响应速度提出更高的要求 ·215·
第 10 章 材料研究新进展 ·215· ·215· 合材料的连接技术仍是人们致力解决的问题。 10.1.6 复合材料的发展 复合材料发展的新领域，首先应看领域的科学性，其次要依据时代的需求，最后是考 查能否充分体现复合材料的特色和优势。 1. 功能、多功能、机敏、智能复合材料 过去复合材料主要用于结构。其实它的设计自由度大的特点更适合于发展功能复合材 料，特别在由功能→多功能→机敏→智能复合材料，即从低级形式到高级形式的过程中体 现出来。设计自由度大是由于复合材料可以任意调节其复合度、选择其连接形式和改变其 对称性等因素，以期达到功能材料所追求的高优值。 1) 功能复合材料 功能复合材料涉及的范围非常宽。在电功能方面导电、超导、绝缘、吸波(电磁波)、 半导电、屏蔽或透过电磁波、压电与电致伸缩等；在磁功能方面有永磁、软磁、磁屏蔽和 磁致伸缩等；在光功能方面有远光、选择滤光、光致变色、光致发光、抗激光、X 线屏蔽 和透 X 光等；在声学功能方面有吸声、声纳、抗声纳等；在热功能方面有导热、绝热与防 热、耐烧蚀、阻燃、热辐射等；在机械功能方面则有阻尼减振、自润滑、耐磨、密封、防 弹装甲等；在化学功能方面有选择吸附和分离、抗腐蚀等。在上述各种功能中，复合材料 均能够作为主要材料或作为必要的辅助材料而发挥作用。 2) 多功能复合材料 复合材料具有多组分的特点，因此必然会发展成多功能的复合材料。首先是形成兼具 功能与结构的复合材料。例如，美国的军用飞机具有自我保护的隐身功能，即在飞机的蒙 皮上应用了吸收电磁波的功能复合材料来躲避雷达跟踪，而这种复合材料又是高性能的结 构复合材料。目前正在研制兼有吸收电磁波、红外线并且可以作为结构的多功能复合材料。 可以说向多功能方向发展是发挥复合材料优势的必然趋势。 3) 机敏复合材料 人类一直期望着材料具有能感知外界作用而且做出适当反应的能力。目前已经开始试 将传感功能材料和具有执行功能的材料通过某种基体复合在一起，并且连接外部信息处理 系统，把传感器给出的信息传达给执行材料，使之产生相应的动作，这样就构成了机敏复 合材料及其系统。它能够感知外部环境的变化，做出主动的响应，其作用可表现在自诊断、 自适应和自修复的能力上。机敏复合材料将会在国防尖端技术、建筑、交通运输、水利、 医疗卫生、海洋渔业等方面有很大的应用前景，同时也会在节约能源、减少污染和提高安 全性上发挥很大的作用。 4) 智能复合材料 智能复合材料是功能材料的高级形式。实际上它是在机敏复合材料基础上向自决策能 力上的发展，依靠在外部信息处理系统中增加的人工智能系统，对信息进行分析、给出决 策、指挥执行材料做出优化动作。这样就对材料的传感部分和执行部分的灵敏度、精确度 和响应速度提出更高的要求
216 金属学与热处理 2.纳米复合材料 当材料尺寸进入纳米范围时,材料的主要成分集中在表面。例如直径为2nm的颗粒其 表面原子数将占有整体的80%。巨大的表面所产生的表面能使具有纳米尺寸的物体之间存 在极强的团聚作用而使颗粒尺寸变大。如果能将这些纳米单元体分散在某种基体之中构成 复合材料,使之不团聚而保持纳米尺寸的单个体(颗粒或其他形状物体),则可发挥其纳米 效应。这种效应的产生是来源于其表面原子呈无序分布状态而具有特殊的性质,表现为量 子尺寸效应、宏观量子隧道效应、表面与界面效应等。由于这些效应的存在使纳米复合材 料不仅具有优良的力学性能,而且会产生光学、非线性光学、光化学和电学的功能作用 1)有机-无机纳米复合材料 目前有机-无机分子间存在相互作用的纳米复合材料发展很快。因为该种材料在结构与 功能两方面均有很好的应用前景,而且具有工业化的可能性。有机-无机分子间的相互作用 有共价键型、配位键型和离子键型、各种类型的纳米复合材料均有其对应的制备方法。例 如,制备共价键型纳米复合材料基本上采用凝胶溶胶法。该种复合体系中的无机组分是用 硅或金属的烷氧基化合物经水解、缩聚等反应形成硅或金属氧化物的纳米粒子网络,有机 组分则以高分子单体引入此网络并进行原位聚合形成纳米复合材料。该材料能达到分子级 的分散水平,所以能赋予它优异的性能;关于配位键纳米复合材料,是将有功能性的无机 盐溶于带配合基团的有机单体中使之形成配位键,然后进行聚合,使无机物以纳米相分散 在聚合物中形成纳米复合材料。该种材料具有很强的纳米功能效应,是一种有竞争力的功 能复合材料;新近发展迅速的离子键型有机-无机纳米复合材料是通过对无机层状物插层来 制得的,因此无机纳米相仅有一维是纳米尺寸。由于层状硅酸盐的片层之间表面带负电 所以可用阳离子交换树脂借助静电吸引作用进行插层,而该树脂又能与某些高分子单体或 熔体发生作用,从而构成纳米复合材料。研究表明,这种复合材料不仅能作为结构材料也 可作为功能材料,并且已显示出具有工业化的可能性 2)无机一无机纳米复合材料 无机-无机纳米复合材料虽然研究较早,但发展较慢。原因在于无机的纳米粒子容易在 成形过程中迅速团聚或晶粒长大,因而丧失纳米效应,目前正在努力改善之中。采用原位 生长纳米相的方法可以制备陶瓷基纳米复合材料和金属基纳米复合材料,它们的性能有明 显改善。这类方法存在的问题是难以精确控制由原位反应生成的增强体含量和生成物的化 学组成,尚有待改进。 3.仿生复合材料 天然的生物材料基本上是复合材料。仔细分析这些复合材料可以发现,它们的形成结 构、排列分布非常合理。例如,竹子以管式纤维构成,外密内疏,并呈正反螺旋形排列、 成为长期使用的优良天然材料。又如,贝壳是以无机质成分与有机质成分呈层状交替叠层 而成,既具有很高的强度又有很好的韧性。这些都是生物在长期进化演变中形成的优化结 构形式。大量的生物体以各种形式的组合来适应自然环境的考验,优胜劣汰,为人类提供 了学习借鉴的途径。为此,可以通过系统分析和比较,吸取有用的规律并形成概念,把从 生物材料学习到的知识结合材料科学的理论和手段来进行新型材料的设计与制造。因此逐 步形成新的研究领域——仿生复合材料。正因为生物界能提供的信息非常丰富,以现有水 平还无法认识其机理,所以具有很强的发展生命力。目前虽已经开展了部分研究并建立了 216
·216· 金属学与热处理 ·216· 2. 纳米复合材料 当材料尺寸进入纳米范围时，材料的主要成分集中在表面。例如直径为 2nm 的颗粒其 表面原子数将占有整体的 80%。巨大的表面所产生的表面能使具有纳米尺寸的物体之间存 在极强的团聚作用而使颗粒尺寸变大。如果能将这些纳米单元体分散在某种基体之中构成 复合材料，使之不团聚而保持纳米尺寸的单个体(颗粒或其他形状物体)，则可发挥其纳米 效应。这种效应的产生是来源于其表面原子呈无序分布状态而具有特殊的性质，表现为量 子尺寸效应、宏观量子隧道效应、表面与界面效应等。由于这些效应的存在使纳米复合材 料不仅具有优良的力学性能，而且会产生光学、非线性光学、光化学和电学的功能作用。 1) 有机-无机纳米复合材料 目前有机-无机分子间存在相互作用的纳米复合材料发展很快。因为该种材料在结构与 功能两方面均有很好的应用前景，而且具有工业化的可能性。有机-无机分子间的相互作用 有共价键型、配位键型和离子键型、各种类型的纳米复合材料均有其对应的制备方法。例 如，制备共价键型纳米复合材料基本上采用凝胶溶胶法。该种复合体系中的无机组分是用 硅或金属的烷氧基化合物经水解、缩聚等反应形成硅或金属氧化物的纳米粒子网络，有机 组分则以高分子单体引入此网络并进行原位聚合形成纳米复合材料。该材料能达到分子级 的分散水平，所以能赋予它优异的性能；关于配位键纳米复合材料，是将有功能性的无机 盐溶于带配合基团的有机单体中使之形成配位键，然后进行聚合，使无机物以纳米相分散 在聚合物中形成纳米复合材料。该种材料具有很强的纳米功能效应，是一种有竞争力的功 能复合材料；新近发展迅速的离子键型有机-无机纳米复合材料是通过对无机层状物插层来 制得的，因此无机纳米相仅有一维是纳米尺寸。由于层状硅酸盐的片层之间表面带负电， 所以可用阳离子交换树脂借助静电吸引作用进行插层，而该树脂又能与某些高分子单体或 熔体发生作用，从而构成纳米复合材料。研究表明，这种复合材料不仅能作为结构材料也 可作为功能材料，并且已显示出具有工业化的可能性。 2) 无机-无机纳米复合材料 无机-无机纳米复合材料虽然研究较早，但发展较慢。原因在于无机的纳米粒子容易在 成形过程中迅速团聚或晶粒长大，因而丧失纳米效应，目前正在努力改善之中。采用原位 生长纳米相的方法可以制备陶瓷基纳米复合材料和金属基纳米复合材料，它们的性能有明 显改善。这类方法存在的问题是难以精确控制由原位反应生成的增强体含量和生成物的化 学组成，尚有待改进。 3. 仿生复合材料 天然的生物材料基本上是复合材料。仔细分析这些复合材料可以发现，它们的形成结 构、排列分布非常合理。例如，竹子以管式纤维构成，外密内疏，并呈正反螺旋形排列、 成为长期使用的优良天然材料。又如，贝壳是以无机质成分与有机质成分呈层状交替叠层 而成，既具有很高的强度又有很好的韧性。这些都是生物在长期进化演变中形成的优化结 构形式。大量的生物体以各种形式的组合来适应自然环境的考验，优胜劣汰，为人类提供 了学习借鉴的途径。为此，可以通过系统分析和比较，吸取有用的规律并形成概念，把从 生物材料学习到的知识结合材料科学的理论和手段来进行新型材料的设计与制造。因此逐 步形成新的研究领域——仿生复合材料。正因为生物界能提供的信息非常丰富，以现有水 平还无法认识其机理，所以具有很强的发展生命力。目前虽已经开展了部分研究并建立了