晶須增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的研究進(jìn)展

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1、http://www.paper.edu.cn1晶須增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的研究進(jìn)展高誠(chéng)輝,林有希福州大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，福州（350108）E-mail：gch@fzu.edu.cn摘要：論文綜述了晶須增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的力學(xué)性能和摩擦學(xué)性能的研究進(jìn)展，對(duì)晶須增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的強(qiáng)化機(jī)理和界面作用進(jìn)行了分析。認(rèn)為無機(jī)鹽晶須在民用工程塑料增強(qiáng)方面應(yīng)用前景看好。提出晶須表面改性、與樹脂界面及其對(duì)復(fù)合材料各種性能影響的研究仍是這種復(fù)合材料今后研究的主要方向。關(guān)鍵詞：晶須，樹脂，復(fù)合材料，力學(xué)性能，摩擦學(xué)性能晶須是單晶體，結(jié)晶完善，內(nèi)含缺陷較少，純度高，直徑細(xì)

2、小，強(qiáng)度和模量接近完整晶體材料的理論值，不僅具有高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、耐磨、耐腐蝕、輕量等特性，而且在電、光、磁學(xué)等方面也表現(xiàn)出不同的性能，是一種新型改性增強(qiáng)材料，廣泛用于各種高性能先進(jìn)復(fù)合材料。亞微觀尺寸的晶須填充聚合物時(shí)，不但與聚合物復(fù)合能產(chǎn)生顯著的增強(qiáng)效果，而且對(duì)高分子基體材料的成型工藝性影響較小，加工流動(dòng)性好，減少加工設(shè)備磨損，可以實(shí)現(xiàn)制品顯微增強(qiáng)、各向同性、高表面質(zhì)量，有利于制作形狀復(fù)雜、尺寸穩(wěn)定、薄壁、表面光[1]潔的精密件，晶須改性聚合物的研究開發(fā)具有極其重要的意義。20世紀(jì)70年代開始，SiC晶須的合成及生產(chǎn)研究得到發(fā)展，到80年代初，美

3、國(guó)和日本實(shí)現(xiàn)了規(guī)模生產(chǎn)SiC晶須，同時(shí)研究開發(fā)了SiC晶須的金屬基、陶瓷基、樹脂基復(fù)合材料，還推出了Al2O3、Si3N4、K2Ti6O13等晶須產(chǎn)品以及TiN、TiB2、Zn-Ni等新品種晶須，再次興起一個(gè)研究與開發(fā)晶須材料的浪潮。在航空航天領(lǐng)域，金屬基和樹脂基的晶須復(fù)合材料由于重量輕、比強(qiáng)度高，可用作直升飛機(jī)的旋翼、機(jī)翼、尾翼、空間殼體、飛機(jī)起落架及其他宇航部件；在建筑工業(yè)上，用晶須增強(qiáng)塑料，可以獲得截面極薄、抗張強(qiáng)度和破壞耐力很高的構(gòu)件；在機(jī)械、汽車工業(yè)中，陶瓷基晶須復(fù)合材料也用作一些關(guān)鍵部件，如SiC(W)/Al2O3切削刀具，SiC(W)/SiO

4、2熱交換器內(nèi)襯，SiC(W)/Si3N4發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)件，SiC(W)/Al發(fā)動(dòng)機(jī)活塞等。晶須材料不僅具有優(yōu)異的力學(xué)性能，而且某些晶須還具有特殊性能，如羥基磷灰石晶須的生物活性，鉍鍶鈣銅氧系晶須的超導(dǎo)性，氮化鋁晶須的導(dǎo)熱性，二氧化錫晶須的導(dǎo)電性等，已被用來制備各種性能優(yōu)異的功能復(fù)合材料，如生物復(fù)合材料、超導(dǎo)復(fù)合材料、光磁復(fù)合材料、形狀記憶復(fù)合材料等先進(jìn)復(fù)合材料。從90年代以后，晶須的研究引起我國(guó)學(xué)者的充分認(rèn)識(shí)，推動(dòng)了各種晶須的研制和開發(fā)，品種不斷增加，生產(chǎn)成本也大幅度下降。晶須增強(qiáng)復(fù)[2,3]合材料已成為復(fù)合材料研究領(lǐng)域極為活躍的一個(gè)方面。1.晶須增強(qiáng)樹脂基復(fù)

5、合材料的力學(xué)性能晶須有金屬晶須、無機(jī)晶須和聚合物晶須。金屬晶須主要用于金屬基復(fù)合材料，用于火箭、導(dǎo)彈、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)等部件上，特別是用作導(dǎo)電復(fù)合材料和電磁波屏蔽材料。高分子改性所用的晶須主要有聚合物和無機(jī)晶須。聚合物晶須包括天然纖維素晶須以及聚甲醛、聚酯等人工合成的晶須，有非常高的結(jié)晶度，聚合物鏈沿晶須軸向緊密堆砌，是聚合物結(jié)晶體中物理、化學(xué)結(jié)構(gòu)最完美的結(jié)晶形式。理論上有機(jī)晶須對(duì)高聚物進(jìn)行改性應(yīng)該具有更好的相容性，如文獻(xiàn)[4]提到用纖維素晶須增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料，纖維素晶須在基體中形成了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；纖維素晶須改性PVC時(shí)，塑料1本課題得到教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專

6、項(xiàng)科研基金資助課題(20060386008)的資助。-1-http://www.paper.edu.cn[5][6,7]的粘彈性會(huì)因晶須的加入發(fā)生很大的變化；Wittich等用液晶聚酯(聚4-羥基丁酸酯，PHB)晶須對(duì)尼龍6和尼龍12進(jìn)行改性時(shí)，晶須和聚合物基體之間形成了氫鍵，增強(qiáng)與基體之間的結(jié)合力。晶須增強(qiáng)環(huán)氧樹脂，復(fù)合材料的模量隨晶須含量增加而成線性增大，當(dāng)晶須含量為15%時(shí)，復(fù)合材料的模量高于純樹脂兩倍，同長(zhǎng)徑比為1的PHB片晶對(duì)比，晶須的增強(qiáng)效果遠(yuǎn)高于片晶。當(dāng)然，聚合物晶須在品種、價(jià)格以及耐熱等某些性能較之無機(jī)晶須沒有優(yōu)勢(shì)。無機(jī)晶須包括陶瓷質(zhì)晶須、

7、無機(jī)鹽晶須等。陶瓷質(zhì)晶須具有更高的強(qiáng)度、模量及耐熱性等特點(diǎn)。大部分高品質(zhì)陶瓷晶須(如SiC晶須、Si3N4晶須等)價(jià)格昂貴，應(yīng)用范圍受到極大限制，主要用于金屬基、陶瓷基等高性能復(fù)合材料。鈦酸鉀（PTW）、硼酸鋁、硼酸鎂、氧化鋅（ZnO）等一類氧化物晶須，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，具有較高的性價(jià)比，在聚合物復(fù)合材料研究中受到重視。文獻(xiàn)[8,9]中研究了ZnOw對(duì)聚苯硫醚(PPS)和天然橡膠(NR)的增強(qiáng)改性效果，表明ZnOw對(duì)PPS和NR具有顯著的增強(qiáng)作用，對(duì)ZnOw表面改性處理改善了晶須與樹脂基體的界面結(jié)合、相容性。晶須加入量太大時(shí)團(tuán)聚嚴(yán)重,分散困難，強(qiáng)度反而下降。ZnO

8、w加入橡膠中,提高了復(fù)合材料導(dǎo)熱和導(dǎo)靜電性能,減少高溫、氧化和其它