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先进复合材料制造技术
复合材料表面的金属化
姓 名 丁志兵
班 级 05021104 学 号 2011301263
复合材料表面的金属化
材料作为社会进步的物质基础和先导，在人类历史发展的过程中一直都是人类进步的里程碑。每一种新材料的发现和利用都会为社会生产力的提高以及人类生活品质的提升带来巨大的变化。同时，材料制造的水平也是衡量一个国家科学技术和经济发展的重要因素之一。
复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。复合材料的发展具有悠久的历史，自 20 世界 40 年代因航空工业发展的需要而发展出的玻璃纤维增强复合材料（也称玻璃钢），复合材料这一新材料的名称因此而进入人们的视线。复合材料的出现，使得材料科学的内容产生了极大的丰富，并且因其自身的广泛而优异的性能而得到快速的发展，人们将复合材料的出现视为人类进步发展的里程碑。科学家预言：“复合材料在 21 世纪中将支撑着科学技术的进步和挑起经济实力的脊梁”，“21 世纪将是复合材料的时代”，“先进复合材料在 21世纪中将在航空航天技术领域中发挥越来越重要的作用”。随着时代的进步和科技的发展，复合材料结构已经广泛应用于航空航天、船舶、车辆、建筑工程等多个领域，的确，21 世纪将是复合材料的时代，复合材料必将肩负着重要的责任。
树脂基复合材料以其质轻、高比强度、高比模量、热膨胀系数小、性能可设计性等一系列优点,已经成为国内外航天器结构部件的首选材料,广泛应用于各类卫星天线、相机结构组件、裕架、太阳能电池板等。在航天器中,用复合材料代替金属材料,在保持原有力学性能,甚至更高的同时,可有效减轻航天器的重量,节约发射成本。但是,由于特殊的空间使用环境和航天技术新的发展需求,树脂基复合材料面临以下的问题,严重影响了该类材料的进一步应用。
1)空间防护能力不足,制约航天器向长寿命方向发展。航天器在空间运行过程中要经受严酷的空间环境考验。近地轨道以大量的原子氧、紫外环境为主。原子氧是一种很强的氧化剂,对树脂基体具有很强的腐蚀作用,当航天器以极高的速度在其中运行时,相当于将航天器浸泡于高温的氧原子气体中,裸露在外的树脂基复合材料结构件表面与其作用形成挥发性的氧化物;在地球同步轨道,空间辐射环境以带电高能粒子如电子,质子和紫外线等为主,带电粒子对卫星结构件的辐射损伤主要是通过以下两个作用方式:一是电离作用,即入射粒子的能量通过被照物质的原子电离而被吸收,另外一种是原子的位移作用,即被高能粒子中的原子位置移动而脱离原来所处的晶格位置,造成晶格缺陷。高能的质子和重粒子既能产生电离作用,又能产生位移作用。所有这些作用都会导致树脂基复合材料发生质损、热膨胀系数发生变化、材料表面产生微裂纹,材料强度下降,最终导致航天器使用寿命缩短。针对航天器用树脂基复合材料表面的防护问题,国外在上世纪80年代中后期就展开了研究,NASA的研究结论是:树脂基复合材料表面制备防护薄膜/涂层后,空间的防护性能增强。德国的J.Feniann[w及同事研究了用溅射和其他真空镀膜法在复合材料表面镀制金属薄膜,有效解决了卫星复合材料结构件在空间的功能和防护问题。
2)表面导电性能不足,电磁波损耗严重,无法满足卫星天线和微波器件在高频段的使用要求,也制约了卫星通讯技术向大功率方向的发展。
树脂基碳纤维复合材料因其本身具有一定的导电性与金属材料相似,无法使电磁波透过。究其原因,树脂基碳纤维复合材料不但通过电损耗吸收电磁波,而且对电磁波具有很好的反射特性。同时该类材料因其极小的膨胀系数,很高的比强度、比弹性模量,以及其它物理、力学性能的可设计性等优点,被天线专家们誉为理想的天线结构材料。1986年日本东芝公司针对碳纤维复合材料的反射特性展开了研究,结果说明在频率不高于20 GHZ时,碳纤维复合材料对电磁波的吸收损耗低,对卫星用天线增益影响较小。在上个世纪,国内外的通讯卫星工作频段主要在集中在C波段,其频率不高于10 GHz。但是随着通讯卫星向高频段和大功率方向发展,新一代通讯卫星已经选用了 Ka、Ku,甚至频率更高的频段,此时碳纤维复合材料因其表面电阻率高对高频电磁波吸收损耗大,无法满足卫星天线的使用要求。另外,对于树脂基碳纤维复合材料来说,电磁波的反射与纤维方向有关,作为卫星天线,必须消除纤维方向对电磁波反射现的各向异性。另外,由于频段和轨道资源的有限性,未来卫星要求尽可能提高它的使用效率，这就要求卫星天线要实现频率复用、多频率共用、覆盖多点等功能。通过对卫星天线表面金属化,然后利用激光刻蚀在天线反射表面制备“FSS”(频率选择表面)可有效解决上述问题 3)对卫星上光学及其它敏感元件造成污染
美国NASA的研究人员已在“长期暴露装置”和多次短期搭载材料实验中发现,树脂基碳纤维复合材料在空间环境下使用时出气量大、质损及可凝挥发物严重,对卫星上的光学以及其它敏感元件造成污染,使其性能降低甚至失效。
为了解决以上问题，现在国内外多采用树脂基复合材料表面金属化。
关于金属化，国外在树脂基复合材料表面金属化工艺技术研究方面比较成熟。常用的表面金属化技术主要包括其空蒸镀、溅射镀、多弧离子镀以及喷涂等。通过复合材料表面金属化,既满足了卫星使用的树脂基复合材料结构件的功能和防护要求,又进一步开展了复合材料在空间的应用。
一．树脂基复合材料成型过程中的金属化的方法主要有： 1在碳纤维复合材料结构件中布置适当的金属网或金属短纤维
○该方法往往只用于结构简单的碳纤维增强树脂基复合材料天线反射器。通过在复合材料中布置适当的金属网或金属短纤维,可以有效地提高碳纤维复合材料天线反射器对电磁波的反射能力。其优点是在碳纤维复合材料天线加工时一次性成型,缺点是在复杂曲面上易翘曲且精度控制难度大,各向同性较差。如果要使电磁反射率达到理想状态,会导致碳纤维复合材料结构件重量明显增加。
2在表层环氧树脂胶中添加导电银粉来改善复合材料表面导电性能 ○该金属化处理技术只适用于提高天线反射器表面导电性能。优点是过程简单,缺点是均匀性和精度控制难度大。
3金属转移法
○所谓金属转移法,就是先在模具表面形成一层金属层,再在金属层上覆盖复合材料预浸料,然后热压同化成型,最后制件脱模,金属层将从模具表面转移到复合材料制件表面。金属转移法的优点是设备简单,不受零件形状和尺寸的限制,缺点是过程复杂,往往由于脱膜效果差造成膜层局部脱落,膜层厚度控制精度差。利用金属转移法能将复杂结构的树脂基复合材料结构件表面进行金属化处理,但该金属化膜层附着力较低,在比较苟刻的环境中容易导致膜层脱落。
二．真空镀膜技术主要包括
1蒸发镀膜 ○热蒸发工艺是最成熟、应用最广泛的真空镀膜技术。有关热蒸发的理论研究也比较成熟。利用热蒸发技术在复合材料表面进行金属化处理,需要关注的有三个问题:一是薄膜均匀性;二是薄膜附着力;三是树脂基复合材料所能承受的温度。由于热蒸发的高温导致的薄膜应力较高,制备较厚的薄膜时容易脱落。通过工艺改进，利用蒸发镀膜可以实现树脂基复合材料表面金属化。
2溅射镀膜 ○溅射技术从入射荷能粒子的来源区分,有辉光放电阴极溅射和离子束溅射两大类。这两大类都可实现复合材料表面金属薄膜的沉积,但各有优缺点。
3电弧镀膜 ○电弧离子镀技术具有薄膜沉积速率高、离子能量大,复杂曲面上膜层均匀性好以及膜基附着力高等优点,同时该技术在薄膜制备过程中存在放电打火、薄膜制备温度高、膜层应力大等特点。电弧离子镀沉积金属薄膜,通常利用点火电极接触金属阴极,然后使点火电极迅速从阴极表面离开,产生放电现象,这种放电可产生密度高达10的13次方每立方厘米的等离子体,这种等离子体中的金属离子沉积在基底上可形成金属薄膜。为了过滤焰滴,得到高质量的薄膜,一般会采用磁过滤系统。常用的磁过滤系统有弯管磁过滤和偏转电磁线圈过滤两种。弯管磁过滤系统过滤效果好,但基底温升大,镀膜面积小,薄膜均匀性差。由于树脂基复合材料耐温低,温升对复合材料表面制备金属薄膜的限制很大。.偏转电磁线圈过滤系统的过滤能力稍差,但可以通过降低薄膜沉积速率,调节基底和金属阴极之间的距离(一般都大于0.6 m)来降低基体温升。还有一种过滤颗粒的方法是在阴极前增加栅网,但相比前两种过滤方法,该方法过滤效果较差,但薄膜沉积速率和大面积膜层的均匀性较好。
4脉冲激光镀膜 ○脉冲激光蒸发的粒子属性和电弧蒸发的粒子属性相近,粒子的离化率较高,薄膜性能也和电弧离子镀膜接近。但是激光蒸发的粒子按照余弦分布,薄膜均匀性差,大面积沉积比较困难,难以满足复杂曲面上薄膜的均匀沉积。
三．喷涂
热喷涂技术有两大突出特征:一是喷涂粉末的成分不受限制,可根据特殊要求予以选择；二是热喷涂过程中工件温度可保持在100-260℃,从而减少了变形氧化和相变等,使材料本身的性能不被破坏或损失，这些特征以及热喷涂涂层所具备的耐热、耐蚀、耐磨、抗氧化、绝缘、隔热等特殊功能,使热喷涂技术得到迅速发展。在选择一种涂层技术时应该考虑到涂层技术的经济性和技术性能，要在整个系统中考虑到表面涂层或其他表面改性和处理的方法，要知道表面要求的功能、服务环境、基材（合金、热处理等）所处理表面的性能，必须考虑到涂层自身的技术问题和经济性，涂层的使用寿命和优点，而不仅仅是涂层的生产成本。
涂层可以对材料表面性能（耐磨性、耐蚀性、耐热性等）进行强化或再生，起到保护作用，并对因磨损腐蚀或加工超差引起的零件尺寸减小进行修复。同时，还可以赋予材料表面以特殊性能（电、光、磁等）。现在生产实际中应用比较广泛的方法主要有火焰喷涂法（包括线材火焰喷涂、粉末火焰喷涂、超音速火焰喷涂、爆炸喷涂等）、等离子弧喷涂和电弧喷涂。
热喷涂技术是是表面工程的重要组成部分，与其他表面技术相比，热喷涂技术具有诸多优点：
1.涂层的基体材料几乎不受限制，如金属材料、无机材料（玻璃、陶瓷）、有机材料（包括木材、布、纸类）等；
2.基材性能不变化，除火焰喷熔工艺外，喷涂过程中基材受热温度低，不发生组织性能变化、变形小；
3.施工对象的尺寸和形状不受限制，因此适用于不同领域，小至塞规、大至钢结构桥梁；
4.喷涂厚度可在较大范围内变化。
5.涂层材料种类广泛，如金属及其合金、陶瓷、塑料以及它们的复合材料；
热喷涂技术是材料科学领域内表面工程学的重要组成部分，它是一种表面强化和表面改性技术。它是1910年由瑞士的M U Se-hoop发明的，历经90多年，热喷涂是（粉末或线杆）经热源（火焰或电弧）加热至融化或半融化态，用高压气流令其雾化并喷射于工件上，塑态雾化金属粒子以很高速度打到工件表面成片层状结构堆积成涂层。通过金属基体表面喷涂涂层使金属具有耐磨、耐蚀、耐高温氧化、电绝缘、隔热、防辐射、减磨和密封等性能。热喷涂技术主要用于高温、耐磨、耐腐蚀等部件的预保护、功能涂层的制备及对失效部件的修复等
根据热源来分，热喷涂有4种基本方法：电弧喷涂；火焰喷涂；等离子喷涂和特殊方法。火焰喷涂就是以气体火焰为热源的热喷涂。目前，火焰喷涂按火焰喷射速度分为：火焰喷涂，火焰冲击喷涂（爆炸喷涂）及超音速火焰喷涂3种。电弧喷涂是以电弧为热源的热喷涂。等离子喷涂是以等离子弧为热源的热喷涂。等离子喷涂涂层的特征直接取决于到达基底的粉末颗粒的参数。因此,几年来,发展了许多不同的技术来测量颗粒尺寸、速度和温度分布。
涂层与基体的结合机理目前尚无公认的定论，通常认为有以下几种：机械结合；物理结合；微扩散结合；冶金结合。
1.机械结合飞向基材的熔融粒子撞击基材表面形，铺展成扁平状的液态薄片覆盖并紧贴基材表面的凸凹点上，在冷凝时收缩咬住凸点，形成机械结合。
2.物理结合当高温、高速的熔融粒子撞击基材表面后，紧密接触的距离达到原子晶格常数范围时，就会产生范德华力而形成物理结合。
3.扩散结合当熔融的喷涂材料高速撞击基材表面形成紧密接触时，由于变形、高温等作用，在涂层与基体间有可能产生微小的扩散，增加涂层与基材间的结合强度。
4.冶金结合
在喷涂放热型喷涂材料时，基材表面的微区内接触温度可达基材的熔点，就有可能使熔融粒子与基材间形成微区的冶金结合。
近年来，热喷涂技术取得了很大进步，热喷涂的工艺和设备以及材料也都有了很快的发展。
参考资料
[1]赵渠森，申屠年，先进复合材料制造技术[J]高科技纤维与应用，2004 [2]王东，梁国政，先进复合材料低成本制造技术的研究进展[J]复合材料学报，2001 [3]王荣国，武卫莉，复合材料概论[M]哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1999
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