晶须增强树脂基复合材料的研究进展

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1、http://www.paper.edu.cn1晶须增强树脂基复合材料的研究进展高诚辉,林有希福州大学机械工程及自动化学院，福州（350108）E-mail：gch@fzu.edu.cn摘要：论文综述了晶须增强树脂基复合材料的力学性能和摩擦学性能的研究进展，对晶须增强树脂基复合材料的强化机理和界面作用进行了分析。认为无机盐晶须在民用工程塑料增强方面应用前景看好。提出晶须表面改性、与树脂界面及其对复合材料各种性能影响的研究仍是这种复合材料今后研究的主要方向。关键词：晶须，树脂，复合材料，力学性能，摩擦学性能晶须是单晶体，结晶完善，内含缺陷较少，纯度高，直径细

2、小，强度和模量接近完整晶体材料的理论值，不仅具有高强度、高模量、耐高温、耐磨、耐腐蚀、轻量等特性，而且在电、光、磁学等方面也表现出不同的性能，是一种新型改性增强材料，广泛用于各种高性能先进复合材料。亚微观尺寸的晶须填充聚合物时，不但与聚合物复合能产生显著的增强效果，而且对高分子基体材料的成型工艺性影响较小，加工流动性好，减少加工设备磨损，可以实现制品显微增强、各向同性、高表面质量，有利于制作形状复杂、尺寸稳定、薄壁、表面光[1]洁的精密件，晶须改性聚合物的研究开发具有极其重要的意义。20世纪70年代开始，SiC晶须的合成及生产研究得到发展，到80年代初，美

3、国和日本实现了规模生产SiC晶须，同时研究开发了SiC晶须的金属基、陶瓷基、树脂基复合材料，还推出了Al2O3、Si3N4、K2Ti6O13等晶须产品以及TiN、TiB2、Zn-Ni等新品种晶须，再次兴起一个研究与开发晶须材料的浪潮。在航空航天领域，金属基和树脂基的晶须复合材料由于重量轻、比强度高，可用作直升飞机的旋翼、机翼、尾翼、空间壳体、飞机起落架及其他宇航部件；在建筑工业上，用晶须增强塑料，可以获得截面极薄、抗张强度和破坏耐力很高的构件；在机械、汽车工业中，陶瓷基晶须复合材料也用作一些关键部件，如SiC(W)/Al2O3切削刀具，SiC(W)/SiO

4、2热交换器内衬，SiC(W)/Si3N4发动机结构件，SiC(W)/Al发动机活塞等。晶须材料不仅具有优异的力学性能，而且某些晶须还具有特殊性能，如羟基磷灰石晶须的生物活性，铋锶钙铜氧系晶须的超导性，氮化铝晶须的导热性，二氧化锡晶须的导电性等，已被用来制备各种性能优异的功能复合材料，如生物复合材料、超导复合材料、光磁复合材料、形状记忆复合材料等先进复合材料。从90年代以后，晶须的研究引起我国学者的充分认识，推动了各种晶须的研制和开发，品种不断增加，生产成本也大幅度下降。晶须增强复[2,3]合材料已成为复合材料研究领域极为活跃的一个方面。1.晶须增强树脂基复

5、合材料的力学性能晶须有金属晶须、无机晶须和聚合物晶须。金属晶须主要用于金属基复合材料，用于火箭、导弹、喷气发动机等部件上，特别是用作导电复合材料和电磁波屏蔽材料。高分子改性所用的晶须主要有聚合物和无机晶须。聚合物晶须包括天然纤维素晶须以及聚甲醛、聚酯等人工合成的晶须，有非常高的结晶度，聚合物链沿晶须轴向紧密堆砌，是聚合物结晶体中物理、化学结构最完美的结晶形式。理论上有机晶须对高聚物进行改性应该具有更好的相容性，如文献[4]提到用纤维素晶须增强聚合物复合材料，纤维素晶须在基体中形成了网络结构；纤维素晶须改性PVC时，塑料1本课题得到教育部高等学校博士学科点专

6、项科研基金资助课题(20060386008)的资助。-1-http://www.paper.edu.cn[5][6,7]的粘弹性会因晶须的加入发生很大的变化；Wittich等用液晶聚酯(聚4-羟基丁酸酯，PHB)晶须对尼龙6和尼龙12进行改性时，晶须和聚合物基体之间形成了氢键，增强与基体之间的结合力。晶须增强环氧树脂，复合材料的模量随晶须含量增加而成线性增大，当晶须含量为15%时，复合材料的模量高于纯树脂两倍，同长径比为1的PHB片晶对比，晶须的增强效果远高于片晶。当然，聚合物晶须在品种、价格以及耐热等某些性能较之无机晶须没有优势。无机晶须包括陶瓷质晶须、

7、无机盐晶须等。陶瓷质晶须具有更高的强度、模量及耐热性等特点。大部分高品质陶瓷晶须(如SiC晶须、Si3N4晶须等)价格昂贵，应用范围受到极大限制，主要用于金属基、陶瓷基等高性能复合材料。钛酸钾（PTW）、硼酸铝、硼酸镁、氧化锌（ZnO）等一类氧化物晶须，结构稳定，具有较高的性价比，在聚合物复合材料研究中受到重视。文献[8,9]中研究了ZnOw对聚苯硫醚(PPS)和天然橡胶(NR)的增强改性效果，表明ZnOw对PPS和NR具有显著的增强作用，对ZnOw表面改性处理改善了晶须与树脂基体的界面结合、相容性。晶须加入量太大时团聚严重,分散困难，强度反而下降。ZnO

8、w加入橡胶中,提高了复合材料导热和导静电性能,减少高温、氧化和其它