1复合材料概述

一、复合材料（Composite Materials，简称CM）概述
1.1复合材料的由来
人类制造、利用复合材料的历史由来已久。

在世界范围内，复合材料的发展过程可表示为：
古代近代现代。

在古代中国，人们将粘土、石灰和砂粒混合，制成所谓的“三合土”，来夯筑城墙，或做地基，其原理是用粘土和石灰做基体，砂粒做骨架，得到坚固、防水的建筑材料。

而人们所熟知的钢筋混凝土，则是一种金属—非金属复合材料，已具有上百年的历史。

它是以水泥作为基体，可形象地理解为“肉”；以钢筋作为增强材料，可理解为“骨骼”。

水泥有很好的抗压强度和耐腐性能，但抗拉性能不好，而钢筋的抗拉性能很好，但不耐腐。

将钢筋包裹在水泥中，得到“筋肉”组合，其性能远超水泥或钢筋单一材料。

近代最早的复合材料是1909年出现的用酚醛树脂混合木粉热压成型的电木。

1932年在美国出现了第一块玻璃纤维增强聚酯复合材料。

后来随着二次世界大战的发展，聚合物基复合材料开始在军用装备上得到大力发展，1942年美国首先研制出玻璃纤维增强聚酯军用飞机雷达罩，1944年又研制出玻璃纤维增强聚酯机身和机翼。

学术界开始在20世纪40年代使用“复合材料”这个名称来称呼玻璃纤维增强聚酯。

二战结束后，复合材料得到迅速发展，继手糊工艺之后，缠绕工艺、预混工艺和真空袋压工艺相继出现。

1940年至1960年间，玻璃纤维增强聚酯复合材料迅速发展，可称为第一代复合材料。

1960年至1980年间，随着碳纤维、石墨纤维和芳纶纤维等高强度、高模量增强纤维的出现，先进复合材料开始发展，称之为第二代复合材料。

1980年至1990年间，出现了纤维增强金属基复合材料，即第三代复合材料。

1990年后，第四代复合材料开始出现，主要是功能性复合材料，如机敏复合材料、仿生复合材料、隐身复合材料等。

我国的复合材料开始发展于1958年，主要引进前苏联的玻璃纤维增强不饱和聚酯技术。

首先用于军工制品，而后逐渐扩展到民用。

1958年以手糊工艺研制了玻璃钢艇，以层压和卷制工艺研制玻璃钢板、管和火箭弹，1961年研制成用于远程火箭的玻璃纤维-酚醛树脂烧蚀防热弹头，1962年引进不饱和聚酯树脂、喷射成型和蜂窝夹层结构成型技术，并制造了玻璃钢的直升机螺旋桨叶和风洞叶片，同年开始纤维缠绕工艺研究并生产出一批氧气瓶等压力容器。

1970年用玻璃钢蜂窝夹层结构制造了一座直径44m的雷达罩。

自70年代以后玻璃钢复合材料逐渐转向民用。

1.2.复合材料的概念及要素
复合材料(Composite Materials，可简称为CM)，其定义如下：用经过选择的、含一定数量比（质量份不低于5%）的两种或两种以上的组分（或称组元），通过人工复合、组成多相、三维结合且各相之间有明显界限的、具有特殊性能的材料。

复合材料的各个组分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。

按照上述定义，复合材料有三大要素：基体(Matrix)、增强体(reinforcement)和两者之间的界面（Interface）。

一般而言，复合材料结构中的连续相称之为基体，基体的作用是将增强材料粘接成固态整体，保护增强材料，传递荷载，阻止裂纹扩展，如聚酯树脂、乙烯基树脂等。

而以独立形态分布于基体中的分散相，由于其具有显著增强材料性能的特点，故称之为增强体，如玻璃纤维、晶须等。

基体、增强体和界面的关系见下图1-1。

图1-1 复合材料界面示意图
（a）含界面物质；（b）不含界面物质
依据复合材料的定义，复合材料应不包括自然形成的具有某些复合材料形态的物质、化合物、单相合金和多相合金。

从复合材料的定义中，可归纳出复合材料具有以下特点：1）复合材料的组分和相对含量是由人工选择和设计的；
2）复合材料是以人工制造而非天然形成的（区别于具有某些复合材料形态特征的天然物质）；
3）组成复合材料的某些组分在复合后仍保持其固有的物理和化学性质（区别于化合物和合金）；
4）复合材料的性能取决于各组成相性能的协同。

复合材料具有新的、独特的和可用的性能，这种性能是单个组分材料性能所不及或不同的；
5）复合材料是各组分之间被明显界面区分的多相材料。

科学家把复合材料这种扬长避短的作用称为复合效应。

人们利用复合效应可自由选择复合材料组成物质，人为设计各种新型复合材料，把材料科学推进到了一个新阶段。

1.3复合材料的分类及命名
1.3.1复合材料的分类
复合材料的分类方法较多，具体如下：
1.3.1.1按增强材料的形态、几何形状及方向可分为3类：
1）颗粒状复合材料(particulate composites)
其增强体是由不同尺寸、形状的颗粒，随机散布在基体中，如图1-2；由于增强体随机分布，此类复合材料可视为类均质(quasi- homogeneous)、类等向(quasi-isotropic)。

颗粒复合材料的增强体可为金属或非金属，基材亦是。

最具代表性者为混凝土，其中石子为增强体，水泥砂浆为基体。

2）不连续或短纤维复合材料（continuous or short-fiber composites) 增强体为短纤维，方向可为单一方向，图1-3；或自由分布，如图1-4。

前者为非等向性(anisotropic)，但具正交性(orthotropic)，后者可视为类等向性。

3）连续纤维复合材料(continuous fiber composites)
增强体为连续长纤维，纤维方向可谓单一方向(unidirectional)，如图1-5，或双向正交(crossply)，如图1-6，或多方向(multidirectional)，如图1-7；当纤维方向为单一或双向正交，该复合材料可视为具正交性，若排成多方向，则将复合材料视为类等向性。

图1-2 顆粒复合材料
图1-3 不连续或短纤维复合材料（单一方向） 图1-4 不连续或短纤维复合材料（自由分布）
图1-5连续纤维复合材料（单方向） 图1-6 连续纤维复合材料（双向正交） 图1-7连续纤维复合材料（多方向）
复合材料 颗粒状复合材料（particulate composites ） 不连续或短切纤维复合材料（discontinuous or short-fiber composites ） 连续纤维复合材料（continuous fiber composites ）
1.3.1.2按基体材料的种类可分为4类：
1）树脂基复合材料(polymer matrix composites)
基体树脂包括环氧树脂(epoxy)、酚醛树脂（phenolic resin ）、乙烯基树脂（vinyl resin ）、不饱和聚酯树脂(unsaturated polyester resin)等热固性树脂（thermosetting resin ）及热塑性树脂(thermoplastics resins)，以不饱和聚酯树脂使用最多。

增强材料多为玻璃纤维（glass fiber ）及其织物、碳纤维(carbon fiber)或石墨(graphite fiber)及其织物、芳纶纤维（aramid fiber ）及硼(boron)纤维等。

2）金属基复合材料(metal matrix composites)
金属基体包括铝(aluminum)、镁(magnesium)、钛(titanium)及铜(copper)等，增强材料则以硼、碳或石墨及陶瓷(ceramic)为主。

此类复合材料最高使用溫度受金属基体本身熔化温度或熔点所限，约800℃。

如连续或非连续硼纤维、碳纤维增强铝、镁、钛等金属基体。

3）陶瓷基复合材料(ceramic matrix composites)
基体主要为陶瓷材料，包括矽-碳化合物(silicon carbide)、铝氧化物(aluminum oxide)、玻璃陶瓷(glass- ceramic)及矽-氮化物(silicon-nitride)，一般以陶瓷材料为增强材料，适合于相对高温使用，约1000℃。

如碳纤维、碳化硅（SiC ）晶须增强陶瓷。

4）碳基复合材料(carbon matrix composites)
基体为碳或石墨，增强材料为石墨纤维及其织物(fabric)，此类复合材料具高强度，且在高温时具低密度及低热膨胀性，可适用于超高温约2600℃。

如碳纤维增强碳基体（C/C 复合材料）。

1.3.2复合材料的命名
复合材料通常是根据基体材料和增强材料来命名，一般有以下几种情况：
1）根据基体材料来命名，强调基体时以基体材料的名字来命名，如树脂基复合材料、陶瓷基复合材料、金属基复合材料等。

2）根据增强材料来命名，强调增强材料是以增强材料的名字来命名，如玻璃纤维增强复合材料、碳纤维增强复合材料、陶瓷颗粒增强复合材料等。

3）基体材料的名称与增强材料的名称共用，此种命名方法一般用来表示某一具体的复合材料，习惯做法是增强材料的名称在前，基体材料的名称在后，如玻璃纤维/环氧树脂复合材料、碳纤维/金属基复合材料、碳/碳复合材料等。

在国外，通常用英文缩写来表示复合材料的名称，如MMC(Metal Matrix Composites)复合材料
树脂基复合材料（polymer matrix composites ） 金属基复合材料（metal matrix composites ） 陶瓷基复合材料（ceramic matrix composites ） 碳基复合材料（carbon matrix composites ）
表示金属基复合材料，FRP（Fiber Reinforced Plastics）表示纤维增强塑料，而玻璃纤维环氧则表示为GF/Epoxy或G/EP(G-EP)。

1.4复合材料的优点
与传统材料相比，复合材料具有以下优点：
✧质量轻，比强度、比模量高
以CFRP为例：与钢相比，比重仅为钢的1/5，比强度为钢的8倍，比模量为3.6倍，疲劳强度为2.7倍，抗拉强度为1.4倍。

因此，在航空、火箭、宇宙飞行器、高压容器以及在其他需要减轻自重的制品应用中，都具有卓越成效。

某些环氧FRP的拉伸、弯曲和压缩强度均能达到400Mpa以上。

✧耐疲劳性能好
复合材料比金属材料有较高的耐疲劳特性。

通常金属材料的疲劳强度极限是其拉伸强度的30％～50％，而碳纤维增强聚合物基复合材料的疲劳强度极限为其拉伸强度的70％～80％。

因此，用复合材料制备成在长期交变载荷条件下工作的构件，具有较长的使用寿命和较大的破损安全系数。

✧阻尼减震性好
受力结构的自振频率除与形状有关外，还同结构材料的比模量平方根成正比，所以，复合材料具有较高的自振频率。

同时复合材料的基体纤维界面具有较大的吸收震动能量，使材料的振动阻尼较高。

✧破损安全性高
复合材料的破坏不像传统材料那样突然发生，而是经历基体损伤、开裂、界面脱粘、纤维断裂等一系列过程。

当少数增强材料发生断裂时，载荷又会通过基体的传递迅速分散到其它完好的纤维上去，从而延迟了灾难性破坏突然发生的时间。

✧可设计性强
复合材料的力学性能、机械性能及热、声、光、电性能等物理、化学性能都可以按照制品的使用要求和环境条件要求，通过组份材料的选择和匹配以及界面控制等材料设计手段，最大限度的达到预期的目的，以满足工程设备的使用性能。

✧材料与结构的同一性
复合材料尤其是纤维增强复合材料，与其说材料不如说是结构。

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份材料在复合成材料的同时也形成了构件。

用此种方法成型的复合材料制品的整体性能好、可大幅度减少零部件和连接件数量，从而缩短加工周期，降低成本，提高构件的可靠性。

✧复合效应
复合材料的整体性能并不是其组份材料的性能的简单叠加或平均，其中涉及到复合效应。

复合效应实际上是原相材料及其所形成的界面相互作用、相互依存、相互补充的结果。

它表现为复合材料的性能在其组份基础上的线性或非线性的综合。

复合效应有正有负。

复合效应大致归为两类：混合效应和协同效应。

1.5复合材料的应用
复合材料的主要应用领域有：
①航空航天领域。

由于复合材料热稳定性好，比强度、比刚度高，可用于制造飞机机翼和前机身、卫星天线及其支撑结构、太阳能电池翼和外壳、大型运载火箭的壳体、发动机壳体、航天飞机结构件等。

②汽车工业。

由于复合材料具有特殊的振动阻尼特性，可减振和降低噪声、抗疲劳性能好，损伤后易修理，便于整体成形，故可用于制造汽车车身、受力构件、传动轴、发动机架及其内部构件。

③化工、纺织和机械制造领域。

有良好耐蚀性的碳纤维与树脂基体复合而成的材料，可用于制造化工设备、纺织机、造纸机、复印机、高速机床、精密仪器等。

④医学领域。

碳纤维复合材料具有优异的力学性能和不吸收X射线特性，可用于制造医用X光机和矫形支架等。

碳纤维复合材料还具有生物组织相容性和血液相容性，生物环境下稳定性好，也用作生物医学材料。

此外，复合材料还用于制造体育运动器件和用作建筑材料等。