第八章复合材料(郭文利,梁彤祥编写,清华大学核能与新
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第10章 现代复合材料
10.1 概述
2005年3月22日，已经连续6年空缺的国家技术 发明一等奖被中国工程院院士张立同等人摘得，获 奖项目为“耐高温长寿命抗氧化陶瓷基复合材料应 用技术”。
该成果综合性能达到国际领先水平，打破了国 际高端技术封锁，在军民两用领域具有广泛应用前 景。
复合材料是指由两种或两种以上不同性能、不 同形态的材料通过复合工艺组合而成的多相材料。
0.60
1.6 1240 0.79 41 145 0.92 10 0.9
0.60
1.4 1380 1.0 30 76 0.55 5.5 1.8
0.50
1.8 1260 0.71 61 204 1.2 18.5 0.65
2.8
4.5
7.8
400 960 600
0.15 0.22 0.13
400 960 600
复合材料作为一个确切的学科起源于20世纪60年 代初期。
当时由于战争的需要，美国大力发展玻璃纤维增 强高聚物来制造飞机构件，同时开展了相应的基础 研究并向民用工业发展。
为了提高纤维的弹性率，人们开发了硼纤维、碳纤 维、耐热氧化铝纤维等；为了改善树脂的耐热性，用金 属代替树脂，出现了金属基复合材料的研究热潮。
70
源自文库
114 210
0.26 0.26 0.27
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横向拉伸断裂应变/% 0.4
0.4
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（2）抗疲劳性能和抗断裂性能 疲劳破坏是材料在交变载荷作用下，由于裂纹的形成和扩 展而造成的低应力破坏。 疲劳破坏是飞机坠毁的主要原因之一。 复合材料在纤维方向受拉时的疲劳特性要比金属好得多。 金属材料的疲劳破坏是由里向外经过渐变然后突然扩展的。
结构复合材料指主要利用复合材料的各 种良好的力学性能制造的复合材料。
在结构复合材料中，增强材料提供复合 材料的刚度和强度，控制材料的力学性能； 基体材料固定、连结和保护增强材料；界面 传递载荷，并可以改善复合材料的某些性能。
图1和图2分别给出了按照复合材料基体 相的材质以及增强相的形态的分类表。
通过以上的分类分析可知，与传统材料相比，复合材料 具有以下特点：
10.1.2 复合材料的分类与特点
按照不同的标准和要求，复合材料通常 有不同的分类方法。
按使用性能的不同，复合材料可以分为 功能复合材料和结构复合材料两大类。
功能复合材料主要利用复合材料除力学 性能以外的特殊功能，例如阻尼复合材料、 隐身吸波复合材料、多功能（耐热、透波、 承载）复合材料、压电复合材料等。
10.1.1 复合材料的相组成
从复合材料的组成和结构分析，其中有一相是 连续的称为基体相，另一相是分散的、被基体包容 的称为增强相。
增强相与基体相之间的交界面称为复合材料界 面。
在界面微区内，材料的结构和性能与增强相以 及基体相都不相同，而且这种差异对材料的宏观性 能产生影响，因此确切的说，复合材料是由基体相、 增强相和界面相三者组成的。
而复合材料构件与材料是同时形成的，它由组成复合材 料的组分材料在复合成材料的同时也就形成了构件，一般不 进行再加工。
因此复合材料的结构整体性好，可大幅度地减少零部件 和连接件数量，从而缩短加工周期，降低成本，提高构造的 可靠性。
（3）材料性能对复合工艺的依赖性
复合材料结构在形成过程中有组分材料 的物理和化学变化发生，不同成型工艺所用 原材料种类、增强材料形式、纤维体积含量 和铺设方案也不尽相同，因此构件的性能对 工艺方法、工艺参数、工艺过程等依赖性很 大。
（1）复合材料具有可设计性 复合材料的各种物理与化学性能如力学性能、机械
性能以及热、声、光、电等，都可以按照构件的使用要求和 环境条件要求，通过组分材料的选择和匹配、铺层设计及界 面控制等材料设计的手段，最大限度的达到目的，满足工程 设备的使用性能。
（2）材料与结构具有同一性 传统材料的构件成型是经过对材料的再加工，在加工过 程中材料不发生组分和化学的变化。
同时，人们对陶瓷基复合材料的基体也给予了高度 的重视。
如果将玻璃强化树脂看作是第一代复合材料，则碳 纤维、硼纤维增强的聚合物可以称为第二代复合材料， 以金属或陶瓷为基体的复合材料则称为第三代复合材料。
复合材料的发展带来了材料科学的重大变革，形成 了金属材料、无机材料、高分子材料和复合材料的多角 共存的格局。
对于航空航天的结构部件，汽车、火车、舰艇 的运动结构而言，比强度高、比模量大意味着可以 制成性能好质量轻的结构。
而对于化工设备和建筑工程等，材料的比强度 高、比模量大则意味着可减轻自重，承受较多的载 荷和改善抗震性能。
典型单向复合材料和金属材料力学性能比较
材料性能
E-玻璃 /环氧
碳/环氧
芳纶 /环氧
对复合材料给出的比较完整的定义是：复 合材料是由有机高分子、无机非金属或金属 等几类不同的材料通过复合工艺组合而成的 新型材料，它既能保留原组分材料的主要特 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各组分的性能互 相补充并彼此关联，从而获得新的优越性能。
它与一般材料的简单混合有本质的区别。
由于在成型过程中很难准确地控制工艺 参数，一般来说复合材料构件的性能分散性 也是比较大的。
(4) 复合材料具有各向异性的力学性能。
10.1.3 复合材料的主要性能特点
复合材料的性能比传统材料的性能有很大的改进。
（1）比强度和比模量 复合材料的最大的优点是比强度高，比模量大。
材料的比强度和比模量分别是强度(σ)和弹性模 量(E)与比重(ρ)的比值（σ/ρ, E/ρ），它表示了单位 重量的材料特性，常用来作为比较不同材料间性能 的指标。
严格来说，复合材料并不是新的或近来的想法。 自然界中充满了利用复合材料的实例。
例如，椰子树棕榈叶就是利用了纤维增强的一 个悬臂，木头是含纤维的复合材料，骨骼是由磷灰 石的矿物基体和分布其中的胶原质纤维组成的复合 材料。
复合材料具有悠久的历史。
远古时代人们用草茎掺入泥土制成建筑用的土坯， 目前广为使用的混凝土，都属于复合材料。
硼/环氧 铝合金 钛合金 45号钢
纤维体积含量vf
密度ρ/(gcm-3) 纵向拉伸强度Xt/MPa 比强度(Xt/ρ)/(107cm) 横向拉伸强度Yt/MPa 纵向拉伸模量E1/GPa 比模量(E1/ρ)/(109cm) 横向拉伸模量E2/GPa 纵向拉伸断裂应变/%
0.60
2.1 1020 0.50 40 45 0.22 12 2.3
10.1 概述
2005年3月22日，已经连续6年空缺的国家技术 发明一等奖被中国工程院院士张立同等人摘得，获 奖项目为“耐高温长寿命抗氧化陶瓷基复合材料应 用技术”。
该成果综合性能达到国际领先水平，打破了国 际高端技术封锁，在军民两用领域具有广泛应用前 景。
复合材料是指由两种或两种以上不同性能、不 同形态的材料通过复合工艺组合而成的多相材料。
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1.6 1240 0.79 41 145 0.92 10 0.9
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1.4 1380 1.0 30 76 0.55 5.5 1.8
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1.8 1260 0.71 61 204 1.2 18.5 0.65
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0.15 0.22 0.13
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复合材料作为一个确切的学科起源于20世纪60年 代初期。
当时由于战争的需要，美国大力发展玻璃纤维增 强高聚物来制造飞机构件，同时开展了相应的基础 研究并向民用工业发展。
为了提高纤维的弹性率，人们开发了硼纤维、碳纤 维、耐热氧化铝纤维等；为了改善树脂的耐热性，用金 属代替树脂，出现了金属基复合材料的研究热潮。
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横向拉伸断裂应变/% 0.4
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（2）抗疲劳性能和抗断裂性能 疲劳破坏是材料在交变载荷作用下，由于裂纹的形成和扩 展而造成的低应力破坏。 疲劳破坏是飞机坠毁的主要原因之一。 复合材料在纤维方向受拉时的疲劳特性要比金属好得多。 金属材料的疲劳破坏是由里向外经过渐变然后突然扩展的。
结构复合材料指主要利用复合材料的各 种良好的力学性能制造的复合材料。
在结构复合材料中，增强材料提供复合 材料的刚度和强度，控制材料的力学性能； 基体材料固定、连结和保护增强材料；界面 传递载荷，并可以改善复合材料的某些性能。
图1和图2分别给出了按照复合材料基体 相的材质以及增强相的形态的分类表。
通过以上的分类分析可知，与传统材料相比，复合材料 具有以下特点：
10.1.2 复合材料的分类与特点
按照不同的标准和要求，复合材料通常 有不同的分类方法。
按使用性能的不同，复合材料可以分为 功能复合材料和结构复合材料两大类。
功能复合材料主要利用复合材料除力学 性能以外的特殊功能，例如阻尼复合材料、 隐身吸波复合材料、多功能（耐热、透波、 承载）复合材料、压电复合材料等。
10.1.1 复合材料的相组成
从复合材料的组成和结构分析，其中有一相是 连续的称为基体相，另一相是分散的、被基体包容 的称为增强相。
增强相与基体相之间的交界面称为复合材料界 面。
在界面微区内，材料的结构和性能与增强相以 及基体相都不相同，而且这种差异对材料的宏观性 能产生影响，因此确切的说，复合材料是由基体相、 增强相和界面相三者组成的。
而复合材料构件与材料是同时形成的，它由组成复合材 料的组分材料在复合成材料的同时也就形成了构件，一般不 进行再加工。
因此复合材料的结构整体性好，可大幅度地减少零部件 和连接件数量，从而缩短加工周期，降低成本，提高构造的 可靠性。
（3）材料性能对复合工艺的依赖性
复合材料结构在形成过程中有组分材料 的物理和化学变化发生，不同成型工艺所用 原材料种类、增强材料形式、纤维体积含量 和铺设方案也不尽相同，因此构件的性能对 工艺方法、工艺参数、工艺过程等依赖性很 大。
（1）复合材料具有可设计性 复合材料的各种物理与化学性能如力学性能、机械
性能以及热、声、光、电等，都可以按照构件的使用要求和 环境条件要求，通过组分材料的选择和匹配、铺层设计及界 面控制等材料设计的手段，最大限度的达到目的，满足工程 设备的使用性能。
（2）材料与结构具有同一性 传统材料的构件成型是经过对材料的再加工，在加工过 程中材料不发生组分和化学的变化。
同时，人们对陶瓷基复合材料的基体也给予了高度 的重视。
如果将玻璃强化树脂看作是第一代复合材料，则碳 纤维、硼纤维增强的聚合物可以称为第二代复合材料， 以金属或陶瓷为基体的复合材料则称为第三代复合材料。
复合材料的发展带来了材料科学的重大变革，形成 了金属材料、无机材料、高分子材料和复合材料的多角 共存的格局。
对于航空航天的结构部件，汽车、火车、舰艇 的运动结构而言，比强度高、比模量大意味着可以 制成性能好质量轻的结构。
而对于化工设备和建筑工程等，材料的比强度 高、比模量大则意味着可减轻自重，承受较多的载 荷和改善抗震性能。
典型单向复合材料和金属材料力学性能比较
材料性能
E-玻璃 /环氧
碳/环氧
芳纶 /环氧
对复合材料给出的比较完整的定义是：复 合材料是由有机高分子、无机非金属或金属 等几类不同的材料通过复合工艺组合而成的 新型材料，它既能保留原组分材料的主要特 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各组分的性能互 相补充并彼此关联，从而获得新的优越性能。
它与一般材料的简单混合有本质的区别。
由于在成型过程中很难准确地控制工艺 参数，一般来说复合材料构件的性能分散性 也是比较大的。
(4) 复合材料具有各向异性的力学性能。
10.1.3 复合材料的主要性能特点
复合材料的性能比传统材料的性能有很大的改进。
（1）比强度和比模量 复合材料的最大的优点是比强度高，比模量大。
材料的比强度和比模量分别是强度(σ)和弹性模 量(E)与比重(ρ)的比值（σ/ρ, E/ρ），它表示了单位 重量的材料特性，常用来作为比较不同材料间性能 的指标。
严格来说，复合材料并不是新的或近来的想法。 自然界中充满了利用复合材料的实例。
例如，椰子树棕榈叶就是利用了纤维增强的一 个悬臂，木头是含纤维的复合材料，骨骼是由磷灰 石的矿物基体和分布其中的胶原质纤维组成的复合 材料。
复合材料具有悠久的历史。
远古时代人们用草茎掺入泥土制成建筑用的土坯， 目前广为使用的混凝土，都属于复合材料。
硼/环氧 铝合金 钛合金 45号钢
纤维体积含量vf
密度ρ/(gcm-3) 纵向拉伸强度Xt/MPa 比强度(Xt/ρ)/(107cm) 横向拉伸强度Yt/MPa 纵向拉伸模量E1/GPa 比模量(E1/ρ)/(109cm) 横向拉伸模量E2/GPa 纵向拉伸断裂应变/%
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