第一章 复合材料绪论

第一章绪论

1.1复合材料的发展概况

一、材料的发展与人类社会的进步

从人类发展的历史来看，材料是社会进步的物质基础。综观人类发展和材料发展的历史，可以看到，每一种重要材料的发现和利用都会把人类支配和改造自然的能力提高到一个新的水平，给社会生产力和人类生活带来巨大的变化。材料的发展与人类进步和发展息息相关。

一万年前，人类使用石头作为日常生活工具，人类进入了旧石器时代，人类战争也进入了冷兵器时代。7000年前人类在烧制陶器的同时创造了炼铜技术，青铜制品广泛地得到应用，同时又促进了人类社会发展，人类进入了青铜器时代。同时火药的发明又使人类战争进入了杀伤力更强的热兵器时代。5000年前人类开始使用铁，随着炼铁技术的发展，人类又发明了炼钢技术。十九世纪中期转炉、平炉炼钢的发展使得世界钢产量迅猛增加，大大促进了机械、铁路交通的发展。随着二十世纪中期合金钢的大量使用，人类又进入钢铁时代，钢铁在人类活动中起着举足轻重的作用。随之核材料的发现，又将人类引入了可以毁灭自己的核军备竞赛，同时核材料的和平利用，又给人类带来了光明。

二十世纪中后期以来，高分子、陶瓷材料崛起以及复合材

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料的发展，又给人类带来了新的材料和技术革命。当前材料、能源、信息是现代科技的三大支柱，它会将人类物质文明推向新的阶段。二十一世纪将是一个新材料时代。

二、复合材料的提出

现代高科技的发展更紧密地依赖于新材料的发展；同时也对材料提出了更高、更苛刻的要求。在现代高技术迅速发展的今天，特别是航空、航天和海洋开发领域的发展，使材料的使用环境更加恶劣，因而对材料提出了越来越苛刻的要求。另外对材料的质轻、高强、高韧、耐热、抗疲劳、抗氧化及抗腐蚀等特性也日益提出了更加苛刻的要求。如现代武器系统的发展对新材料提出了高比强高比模；吸波、隐身；抗穿甲性；减振、降噪，抗激光等。

很显然，传统的单一材料无法满足以上综合要求，当前作为单一的金属、陶瓷、聚合物等材料虽然仍在不断发展，但是以上这些材料由于其各自固有的局限性而不能满足现代科学技术发展的需要。例如，金属材料的强度、模量和高温性能等已几乎开发到了极限；陶瓷的脆性、有机高分子材料的低模量、低熔点等固有的缺点极大地限制了其应用。这些都促使人们研究开发并按预定性能设计新型材料。

复合材料，特别是先进复合材料就是为了满足以上高技术发展的需求而开发的高性能的先进材料。它由两种或两种以上性质不同的材料组合而成，各组分之间性能“取长补短”，起到“协同作用”，可以得到单一材料无法比拟的优秀的综合性能，极大地

满足了人类发展对新材料的需求。因此，复合材料是应现代科学

技术而发展出来的具有极大生命力的材料。现代科学技术不断进步的结果，是材料设计的一个突破。

材料科技工作者的工作主要在：①发现新的物质，测定新物质的结构和性能；②由已知的物质，通过新的制备工艺，改善其显微结构，改善材料的性能；③由已知的物质进行复合，制备出具有优良性能的复合材料。

三、复合材料的发展历史和意义

实际上，在自然界就存在着许多天然的复合物。例如天然的许多植物竹子、树木等就是自生长长纤维增强复合材料；人类肌肉 / 骨骼结构也是复合材料结构原理。我们的祖先也早就创造和使用了复合材料。 6000年前人类就已经会用稻草加粘土作为建筑材料砌建房屋墙壁。在现代，复合材料的应用与日常生活和国民经济更是密不可分。如由沙石、钢筋和水泥构成的水泥复合材料已广泛地应用于高楼大厦和河堤大坝等的建筑；玻璃纤维增强塑料（玻璃钢）更是一种广泛应用的较现代化复合材料。现代高科技的发展更是离不开复合材料。

综上所述，复合材料对现代科学技术的发展有着十分重要的作用。复合材料的研究深度和应用广度及其生产发展的速度和规模已成为衡量一个国家科学技术先进水平的重要标志之一。随着科学技术的发展，现代复合材料也将赋予新的内容和使命。

1.2复合材料的定义和特点

一、复合材料的定义

国际标准化组织（ISO）将复合材料定义为是：两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。复合材料的组分材料虽然保持其相对独立性，但其性能却并不是组分材料性能的简单加和，而是有着较大的改进。

在“材料科学技术百科全书”和“材料大辞典”中将复合材料定义如下：复合材料是由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料。它与一般材料的简单混合有本质区别，既保留原组成材料的重要特色，又通过复合效应获得原组分所不具备的性能。可以通过材料设计使原组分的性能相互补充并彼此关联，从而获得更优越的性能。

二、复合材料的基本结构

复合材料由基体和增强相两个组分构成：复合材料结构通常一个相为连续相，称为基体；而另一相是一以独立的形态分布在整个基体中的分散相，这种分散相的性能优越，会使材料的性能显著改善和增强，称为增强相（增强体）。

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。由于界面作用，复合材料与一般材料的简单混合有本质区别。

决定复合材料的性能和质量的主要因素是：1原材料组分的性能和质量，包括组分材料的种类、性能、含量和分布，包括增强相的性能和它们的表面物理、化学状态；基体的结构和性能；2原材料组分比例和复合工艺；3复合材料的界面粘接及处理。明确这些观点，对复合材料的研究、设计和制造具有指导意义。

三、复合材料的特点

与传统材料相比，复合材料有以下特点：

1、复合材料具有可设计性。复合材料的组分和相对含量是由人工选择和设计的，可以根据制品的使用条件和环境要求极大限度的满足使用性能需要。

2、复合材料组分之间存在着明显的界面。由两种或多种不同性能的组分通过宏观或微观复合在一起的新型材料，组分之间存在着明显的界面。

3、充分发挥复合效应的优越性。各组分保持各自固有特性的同时通过复合效应可最大限度地发挥各种组分的优点，赋予单一材料所不具备的优良特殊性能。

4、可制成所需的任意形状的产品，可避免多次加工工序。由于这一特性，使复合材料制品整体性好，可大幅度减少制品的零件和组装连接，从而提高制品的生产效率，降低成本，提高制品可靠性。