例如,木材就是由纤维素增强木质素的天然复合材料,其中纤维素可称为增强体;建房筑墙用土坯,是以稻草为增强体掺入泥土中而成的常见人工复合材料。20世纪60年代以来,随着高新技术的发展,对复合材料提出苛刻的服役条件要求,研制出一批先进复合材料,超越了常用复合材料的概念。发展出选择增强体的原则理论,以及基体与增强体的设计思想,将两种或多种材料结合,优势互补。设计火箭、导弹和超声速飞机,采用复合材料作为部件,其理想的增强体要求具有高比强、高比模、耐高温、抗化学腐蚀、耐辐照、抗热震等性能。
从此出现许多新的增强体,如碳(石墨)纤维及晶须、硼纤维、
芳纶纤维、碳化硅晶须和纤维,以及氧化铝陶瓷纤维和晶须等。种类 增强体按来源分,有天然和人造两类;按形态分,有颗粒状、薄片状和纤维状;按物质的结合键和物化特性分有以下三类。
①陶瓷类(无机)增强体。金属或半金属(如硅)与非金属元素组成的化合物。其基本特点是原子靠化学键结合。化学键是决定陶瓷材料稳定性和强度的主要因素。按组成可分为氧化物系陶瓷,如A12O3、A12(SiO3)3、A12(ZrO3)3、(A12O3)(B2O5)2、K2TiO3等;非氧化物系陶瓷,如SiC、Si3N4、BN、TiN、WC、TiC、B4C、TiB2、ZrB2等。此外,还有玻璃微珠、纤维和晶须,以及硼纤维等无机物增强体。
②高聚物类增强体。高聚物又称高分子化合物。天然高分子化合物有稻草、麻、竹、蚕丝中的纤维素、木质素等,合成高聚物有聚芳酰胺小球、聚芳酯纤维、聚苯杂环类纤维、超高分子量聚乙烯纤维和聚苯并眺唑纤维等。构成聚合物的组元是单体,基本靠共价键结合,不存在金属中的那种自由电子,只能靠原子的振动传递热能,故用作热或电绝缘材料。聚合物键的一个特性是自身能排列成晶态结构,这种材料就有强度好、模量高和抗溶等特性。如单体具有环状结构,合成刚性长链,上述性能就更好,更适于用作增强体。
③金属类增强体。有金属丝或非晶态金属丝和带。金属具有高的韧性和密度,金属原子是以金属键紧密地相结合,在金属中有一部分价电子脱离其“母”原子,在金属内部自由运动,在电场作用下的定向运动产生了导电性,自由电子参与热的传递,因而金属具有很高的导热性。性能 对比力学性能,碳纤维、石墨纤维、硼纤维和晶须比强度和比模量大大优于金属丝,比模量远大于玻璃纤维,稍高于有机纤维,但韧性远低于有机纤维、金属丝和玻璃纤维。聚苯并眺唑纤维是一种新型增强纤维,其比强度最高。
从热学性能相比,碳和石墨纤维导热性与金属相近,热膨胀系数远远小于所有增强体。电学性能以金属丝最优,碳和石墨纤维次之,玻璃纤维和有机纤维为电绝缘体。曾有人将比强度大于6.5×106厘米、比模量高于6.5×108厘米的增强体称为高级增强体。综合各项性能,通过对比和选择,最优的增强体是碳、石墨纤维和各种陶瓷类晶须。生产方法 有溶液纺丝法、熔融纺丝法、先驱丝转化法、气相沉积法和气–液–固法(VLS法)。