复合材料概况

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复合材料概况

人类进步的历史与人类应用材料的历史密切相关。在迈向现代文明的进程中，人类经历了石器时代、铜器时代、铁器时代、合成材料时代，现已迈入应用复合材料的新时代。长期以来，人们不断改进原有材料、开发新的材料品种，在实践中积累了丰富的应用材料的经验。但是，任何一种单一的材料（金属、陶瓷、聚合物），虽有许多优点，但都存在着一些明显的不足，改性也往往是有限的。

随着现代科学技术的迅猛发展，对材料提出了越来越高、越来越严、越来越多的要求，既要求良好的综合性能，如高强度、高刚度、高韧性、低密度等性能，又希望能够在高温、高压、强腐蚀等恶劣的环境下服役。这些是传统的单一材料所不能满足的。于是人们想到将一些不同性能的材料复合起来，相互取长补短，这样就出现了复合材料。复合材料并不是人类发明的新材料，在自然界存在许多天然的复合材料，人类使用复合材料有着悠久的历史。

复合材料定义及特点

复合材料是指将两种或以上的不同材料，用适当的方法复合成一种新材料。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。复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等

复合材料应具有以下三个特点：

①复合材料是由两种或两种以上不同性能的材料组元通过宏观或微观复合形成的一

种新型材料，组元之间存在着明显的界面。

②复合材料中各组元不但保持各自的固有特性而且可最大限度发挥各种材料组元的

特性，并赋予单一材料组元所不具备的优良持殊性能。

③复合材料具有可设计性。

复合材料的结构通常是一个相为连续相，称为基体；而另一相是以独立的形态分布在整个连续相中的分散相，与连续相相比，这种分散相的性能优越，会使材料的性能显著增强，故常称为增强体(也称为增强材料、增强相等)。

在大多数情况下，分散相较基体硬，强度和刚度较基体大。分散相可以是纤维及其编织物，也可以是颗粒状或弥散的填料。在基体与增强体之间存在着界面。

复合材料分类

按增强材料的形态分类

零维：颗粒增强复合材料。根据颗粒大小，又分为弥散颗粒增强复合材料（100~2500Å）和真正颗粒增强复合材料（微米级）。

一维：纤维增强复合材料。按纤维长短有分为连续纤维增强复合材料、短纤维增强复合材料和晶须增强复合材料。按纤维种类有分为玻璃纤维增强复合材料、碳纤维增强复合材料、硼纤维增强复合材料、芳纶纤维增强复合材料、金属纤维增强复合材料、陶瓷纤维增强复合材料。

二维：板状复合材料、平面编织复合材料、片状材料增强复合材料。

三维：骨架状复合材料、立体编织复合材料。

按复合材料的用途分类

结构复合材料：以承受载荷为主要目的。主要使用力学性能，以满足高强度、高模量、耐冲击、耐磨损的要求。这类复合材料通常由基体材料和增强材料组成，其中增强材料起主要作用，由它提供复合材料的刚度和强度，基本上控制了复合材料的力学性能；基体材料起配合作用，支持和固定增强材料，改善复合材料的某些性能。

功能复合材料：主要使用功能特性，利用其在电、磁、声、光、热、阻尼、烧蚀等方面的特殊性能。如导电复合材料、磁性复合材料等。

智能复合材料：机敏材料+自决策材料+执行材料。当材料发生故障或即将失效时，电阻或电导发生突变，机敏材料发出预警，自决策材料根据情况作出最优控制，发出指令传达给执行材料使之发生动作，从而保证材料处于最佳状态。

按基体材料分类

①玻璃纤维复合材料

用玻璃纤维增强工程塑料的复合材料，即玻璃钢。玻璃钢分为两种，即热塑性玻璃钢和热固性玻璃钢。

Ａ、热塑性玻璃钢

热塑性玻璃钢是以玻璃纤维为增强剂和以热塑性树脂为粘结剂制成的复合材料。

Ｂ、热固性玻璃钢

热固性玻璃钢是以玻璃纤维为增强剂和以热固性树脂为粘结剂制成的复合材料。

②碳纤维复合材料

Ａ、碳纤维复合材料：作基体的树脂，目前应用最多的是环氧树脂、酚醛树脂和聚四氟乙烯。

Ｂ、碳纤维碳复合材料：用有机基体浸渍纤维坯块，固化后再进行热解，或纤维坯型经化学气相沉积，直接填入碳。

Ｃ、碳纤维金属复合材料：主要用于熔点较低的金属或合金，如在碳纤维表面镀金属，制成了碳纤维金属复合材料。

Ｄ、碳纤维陶瓷复合材料：我国研制了一种碳纤维石英玻璃复合材料。

③硼纤维复合材料

硼纤维是由硼气相沉积在钨丝上来制取的。

Ａ、硼纤维树脂复合材料：基体主要为环氧树脂、聚苯并咪唑和聚酰亚胺树脂等。

Ｂ、硼纤维金属复合材料：常用的基体为铝、镁及其合金，还有钛及其合金等。

④金属纤维复合材料

作增强纤维的金属主要是强度较高的高熔点金属钨、钼、钢、不锈钢、钛、铍等，它们能被基体金属润湿，也能增强陶瓷。

Ａ、金属纤维金属复合材料：研究较多的增强剂为钨钼丝，基体为镍合金和钛合金。

Ｂ、金属纤维陶瓷复合材料：利用金属纤维的韧性和抗拉能力改善陶瓷的脆性。

复合材料发展概况

学术界开始使用“复合材料”（composite materials ）一词大约是在20世纪40年代，当时出现了玻璃纤维增强不饱和聚酯，开辟了现代复合材料的新纪元。

天然复合材料：竹子、木材、骨骼、皮肤、贝壳等。

自然界的经典组合：竹子是由许多直径不同的管状纤维素分散在木质素基体中形成的复合材料。表皮纤维细而密，可增强抗弯强度；内层纤维粗而疏，可改善韧性。

最原始的人工复合材料：6000年前，我国古代劳动人民使用的土坯砖是有粘土和稻草组成的。

古代金属基复合材料：越王剑即金属包层复合材料，在潮湿的环境中埋藏了几千年，