金属基【环氧板】材料中纤维的表面处理

当纤维用于聚合物基环氧板材料时，增强体表面处理的目的在于于改善纤维与聚合物基体间的霸结性能，提高界面剪切强度。而当纤维用于金属基复合材料时，纤维表面处理的目的则主要是改善纤维与金属基体间的浸润性和抑制界面发生化学反应。

1.硼纤维
常见的金属基体有钛、铝、镁、铜、铁等，其中钛的比强度高，中等温度下高于铝合金，在航空、航天领域应用广泛，但钛的刚性差，如采用硼纤维增强钛，则可获得强度和刚度均很高的钛基复合材料。钛基体与硼纤维在界面处易发生化学反应形成界面层，在外载作用下，界面层因自身脆性而产生裂纹，并与纤维中原有的裂纹共同作用，从而增加材料脆性，降低材料性能。如果界面层诱发的裂纹尺寸小于纤维中的原有裂纹，环氧板材料的强度不会因界面层的裂纹而受到削弱，此时的破坏仍由纤维中的原有裂纹决定。但若界面层的裂纹核大于纤维中的原有裂纹，则该裂纹将向纤维中扩散，致使纤维断裂，复合材料破坏。界面的脆性层在一定的形变条件下将发生破断，而破断形变量的大小取决于该裂纹的大小，裂纹的大小又依赖于脆性层的厚度。当脆性界面层裂纹引起的应力集中程度小于纤维原有缺陷的应力集中程度时，该界面层裂纹不会影响复合材料的强度，但当裂纹增多、尺寸增加时，复合材料的强度将逐渐减小，一旦超过某一临界尺寸后，界面层的破裂立即引起纤维断裂，导致环氧板材料整体破坏。因此，为改善界面性能，提高复合材料强度，必须控制界面层厚度，即控制界面反应。如工艺上采用快速制备以减少反应时间，或低温复合以降低反应速度，或纤维涂层以减小表面活性，抑制界面反应发生等。利用CVD技术在硼纤维表面形成碳化硅或碳化硼涂层(惰性),可以抑制热压成型时硼与钛的界面反应。此外，通过化学反应原位产生增强体，其界面干净，无反应层，界面结合强度高，复合材料性能优异。

2.氧化铝纤维
当硼纤维应用于铝合金时，可充分利用硼纤维的强度和刚度，制成的硼纤维增强铝基环氧板材料可应用于涡轮发动机的风扇叶片、飞机蒙皮和翼梁等，但硼与铝易发生反应生成AIB2，硼被氧化生成低熔点的B2O3， 这些均影响界面结合强度，为此，在硼纤维表面涂覆碳化硅有助于改善浸润性和抑制界面反应，或采用惰性气氛下成型也可有效阻止硼和铝的氧化反应。应注意的是硼纤维表面涂覆氮化硼也可有效阻止界面反应，但会给界面结合带来不良影响。

目前，氧化铝纤维已广泛应用于铝基环氧板材料。活塞的火力岸和活塞裙部分布有氧化铝纤维时，可显著提高该部位的高温性能，尤其是耐磨性能，从而大幅提高活塞的使用寿命。但氧化铝纤维与铝液的浸润性差，为此应对纤维表面进行涂层处理。