复合材料

复合材料（Composite Material）是将不同特性的材料进行优化组合，通过先进材料制备技术融合形成的材料。复合材料兼具多种不同材料的特点和优势，克服单一材料在性能上的足，从而满足各个行业不同领域的需要。

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从而满足各种不同要求。复合材料的组分材料虽然保持其相对独立性，但是复合材料的性能却不是组分材料性能的简单加和，而是有重要的改进。在复合材料中，通常有一相为连续相， 称为基体;另一相为分散相， 称为增强材料。分散相是以独立的形态分布在整个连续相中的，两相之间存在相界面。分散相可以是增强纤维，也可以是颗粒状或弥散的填料。同时，复合材料可以是一个连续物理相与一个连续分散相的复合，也可以是两个或多个连续相与一个或多个分散相在连续相中的复合，复合后的产物为固体时才称为复合材料。

复合材料的使用历史可以追溯到古代。从古至今沿用的稻草或麦秸增强黏土，以及已使用百年的钢筋混凝土均由两种材料复合而成。20 世纪40年代，因航空工业的需求，发展了玻璃纤维增强塑料(俗称玻璃钢)，从此出现了复合材料这一名称。 50年代以后，陆续发展了碳纤维、石墨纤维和硼纤维等高强度和高模量纤维，70年代出现了芳纶纤维和碳化硅纤维。这些高强度、高模量纤维能与合成树脂、碳、石墨、陶瓷、橡胶等非金属基体以及铝、镁、钛等金属基体复合，构成各具特色的复合材料。

20世纪80年代，为使复合材料更好地发挥出不同材料的长处，复合材料共性科技问题研究受到全球关注，复合材料的成分-组织-结构-缺陷与性能的相互关系、复合材料形变/断裂/强度与损毁理论、碳化硅纤维的强度与微观结构的关系等研究任务也正式列入《1978一 1985年全国科学技术发展规划纲要》，这一时期取得的研究成果为后续发展奠定了良好的基础。20世纪90年代，中国国家重点工程建设对技术经济效益显著，应用前景广阔的新型材料提出急迫需求，复合材料技术发展再一次得到推动，包括树脂基、金属基、陶瓷基、碳基复合材料在内的高性能复合材料的研发与应用全面列入《国家中长期科学和技术发展规划纲要( 1990一2000- 2020年) 》，碳纤维/芳纶纤维/碳化硅纤维等复合材料用高性能增强剂、高性能改性环氧/聚酰亚胺等热固性基体树脂、耐辐照/耐介质/耐高低温特殊性能的弹性体、高性能复合材料配套用各种辅材和助剂、功能梯度复合材料和多功能复合材料等研究在《科学技术发展十年规划和“八五'计划纲要( 1991一1995- 2000) 》中得到了具体部署。一系列规划的实施，极大地推动了中国复合材料技术的发展，开发出了多种复合材料新品种，提升了复合材料性能，发展了具有市场前景的复合材料制品工业化生产技术，在一定程度上满足了中国高技术发展和市场的需求。

进入21世纪后，复合材料技术的地位得到进一步提升，高性能复合材料及复合结构部件制备技术、高性能纤维及复合材料产业化工程先后被列入中国国家“十一五”规划和“十二五”规划。前者成为“十一五”期间中国加强材料领域技术攻关的一项重点任务;后者则被作为“十二五”、863计划新材料领域的一项重大项目予以实施。该重大项目聚焦一项重要任务一高性能纤维的低成本化、规模化、稳定化制备技术研究，要求形成高强、高强中模、高模和高模高强碳纤维产品系列。通过5年研究，中国的新一代高性能纤维技术得到了快速发展，并初步建立起高性能纤维及复合材料的完整产业链，取得了以下标志性成果:建成了首套基于废旧纺织品的物理化学法聚酯再生生产线和低熔点聚酯[zhǐ]再生纤维熔体直纺生产线;芳纶及其复合材料技术得到跨越式发展，对位芳纶实现批量制备;基本掌握百吨级湿法纺丝碳纤维生产线建设及部分关键装备设计制造技术，干喷湿纺碳纤维生产线及工业级碳纤维生产线建设已初见成效;实现了CCF-1 级碳纤维工业规模生产，突破了CCF-3级碳纤维工程制备关键技术，制备出CCF-4和高模碳纤维。上述成果为中国碳纤维产业从试制型走向规模型奠定了基础。

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。

复合材料按基体类型分类，可分为金属基复合材料、有机材料基复合材料和无机非金属基复合材料三大类。如图1.1所示。

表1.1复合材料分类

复合材料按增强体类型分类，可以分为颗粒增强复合材料、晶须增强复合材料、纤维增强复合材料和层叠增强复合材料等。不同类型的增强体在基体中的状态如图12.1所示。颗粒增强体通常是等效直径小于100μm的粉状材料;晶须增强体则是等效直径小于100μm，长径比为10~1000甚至更高的单晶纤维材料;纤维增强体通常是直径尺寸为微米级、长度尺寸为厘米级甚至更高的丝状材料。常见的这三类的增强体的尺寸大小如图12.2所示。层叠增强材料使用的类似“三明治”的多层结构，增强层的厚度应大于微米级。

按复合材料性能，分为结构复合材料和功能复合材料;按照基体和增强体的性质，分为同质和异质复合材料。

不同化学成分的材料的性能有 一定的共性，比如金属材料通常强韧性好、导热导电;陶瓷材料通常硬度高、韧性差，绝缘绝热;高分子材料强度低，密度低，热稳定性差，绝缘易燃。使用不同化学成分的材料复合成新材料，应该有着综合优势。

纤维增强复合材料的比强度及比模量远高于金属材料，特别是碳纤维强化环氧树脂复合材料的比强度是钢的8倍，比模量是钢的4倍。

纤维增强复合材料对缺口及应力集中的敏感性小，纤维与基体界面能阻止疲劳裂纹的扩展，改变裂纹扩展的方向。

石墨纤维增强镁基复合材料，当石墨纤维含量达到48%时，复合材料的热膨胀系数为零，在温度变化时使用这种复合材料做成的零件，在冷热环境变化时不发生变形。

石墨纤维增强铝基复合材料500度高温下，仍具600MPa的高温强度，而铝基体在300C下强度已下降到100MPa以下。钨纤维增强耐热合金，在1100度、100h 高温持久强度为207MPa，而基体合金在同样条件下只有48MPa。

碳化硅颗粒增强铝基复合材料的耐磨性比基体金属高出2倍以上;与铸铁比较，SiCp/AI 复合材料的耐磨性比铸铁还好。可用于汽车发动机、刹车盘、活塞等重要零件，能明显提高零件的性能和使用寿命。

复合材料的成型方法按基体材料不同各异。树脂基复合材料的成型方法较多，有手糊成型、喷射成型、纤维缠绕成型、模压成型、拉挤成型、RTM成型、热压罐成型、隔膜成型、迁移成 型、反应注射成型、软膜膨胀成型、冲压成型等。金属基复合材料成型方法分为固相成型法和液相成型法。前者是在低于基体熔点温度下，通过施加压力实现成型，包括扩散焊接、粉末冶金、热轧、热拔、热等静压和爆炸焊接等。后者是将基体熔化后，充填到增强体材料中，包括传统铸造、真空吸铸、真空反压铸造、挤压铸造及喷铸等、陶瓷基复合材料的成型方法主要有固相烧结、化学气相浸渗成型、化学气相沉积成型等。

复合材料已广泛应用于军事、航天航空、石油化工、汽车交通、能源电力和体育休闲等众多领域。

复合材料在各种武器装备上的轻量化、小型化和高性能化上起到了无可代替的重要作用，是飞机、导弹、火箭、人造卫星、舰船、兵工武器等结构上不可或缺的战略材料。图1.3展示了相对于使用金属壳体材料的火箭，使用其他壳体材料制作的火箭能增加射程之间的关系。

图1.1火箭壳体材料与导弹射程之间的示意图

航天航空领域。在"哥伦比亚"号航天飞机上，不同部位使用的复合材料情况如表1.2所示。

表1.2 航天飞机各部位使用复合材料的情况

中国国产大飞机C919，机身所用复合材料比例只有20%。根据C919机身重量来计算，20%的复合材料比重如果能够提升到国际领先水平的50%，可以为飞机节省10吨以上的机身重量，这相当于C919设计最大载客重量的1/2。 目前，C919的最大座位数为178座，那么多1/2之后就可以达到接近270座，这种提升的空间是相当可观的。

沿海油田的钻井平台上如护栏、扶手、通道、竖井等部位，油田的抽油杆，以及各种管道系统，油箱、油罐等设备采用耐腐蚀的复合材料，减少了修理.维护和更换程序，降低了使用周期成本;此外，减重、改进安全性、便于现场安装等优点也带来了一定的经济效益。

提高燃油效率，是汽车工业首要关注的问题。设计与制造比强度、比刚度高的汽车零部件，有助于车身的整体减重，提高车辆行驶里程。复合材料代替钢件有40%以上的减重潜力，以前限于复合材料成本较高，应用进展一直不尽如人意。近年来，随大丝束纤维出现以及RTM等低成本工艺发展，汽车上复合材料的应用呈良好发展势头，将会有较大发展。

风电设备的工作环境中风力压强很大，如果没有质量轻、抗冲击力高的复合材料，风电设备将不堪一击。风电市场上现有的风力发电机叶片绝大部分是由热固性复合材料打造的，它们通常都很难在自然环境中降解，对环境会造成很多危害，采用热塑性复合材料则更加环保。

羽毛球。网球、自行车、滑雪等多种运动项目中，应用复合材料制造的体育休闲用品层出不穷，甚至推动了相关项目新的世界纪录的诞生。在这一领域，复合材料的应用仍有稳定的市场和需求，且市场前景非常大。如某型号的网球拍的拍框应用了高性能钛碳合金，并在柄颈处加入智能纤维，可以将球撞击球拍的机械能转化为电能，经过内置于拍柄中的芯片处理，能主动消除有害震动。这项技术原本应用于宇航飞船和超音速飞机上，可提高关键部位处的抗疲劳能力。

复合材料的力学性能、机械性能及热、光、声、电、防腐蚀。抗老化等性能，都可以按照制品的使用条件和环境要求进行设计，以极大限度地满足工程设备的使用性能需要。

传统材料的构件成型，是通过对材料的再加工实现的。再加工过程中材料本身并不发生组分和化学变化;复合材料制品则是材料和结构同时完成，一般不再由复合材料加工成复合材料制品。这一特点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，提高制品的可靠性。

复合材料是由不同组分材料通过复合工艺制成的新材料。它不是几种材料的简单组合，而是通过复合效应获得单一材料无法达到的新性能，而这种性能是其他材料无法具备的。复合材料的复合效应包括线性效应和非线性效应两类。线性效应包括平均效应、平行效应、相补效应和相抵效应。相补效应和相抵效应常常是共同存在的，相补效应是希望得到的，而相抵效应要尽量能够避免。平均效应、相乘效应、平行效应、诱导效应.相补效应、共振效应、相抵效应、系统效应等各种复合效应，都是复合材料科学所研究的对象和重要内容，这也是开拓新型复合材料，特别是功能型复合材料的基础理论问题。所有这些，可通过相应复合材料的设计来加以实现。

复合材料制品的形成过程，是一个非常复杂的物理、化学变化过程。因此，制品的结构性能、物理及化学性能，对成型工艺方法、工艺参数、组成材料的比例及增强材料的分布方式、工艺过程的控制等，依赖性很大。

复合材料的缺点:①材料的各向异性严重,垂直纤维方向的力学性能与平行纤维方向的力学性能差异比较大,一般来说垂直纤维方向的力学性能相对较弱,其主要取决于基体的力学性能,还有基体与纤维的结合程度。这也导致了复合材料抗冲击性能不是很好。②高强度高性能的复合材料,成本相对较高。相对于金属材料而言，高性能的碳纤维增强复合材料较为昂贵。③机械连接性差,复合材料层合板不宜开口。复合材料层板构件，如有开口,对构件的强度影响较大。所以,对于具有开口的复合材料层板类制件,要慎用。④内部出现裂缝损伤难以及时发现，现有的金属探伤设备起不到作用,给质量的检测与控制带来了一定的难度。

复合材料未来朝着高性能化、多功能化和智能化的方向发展。

复合材料将不断朝着高性能化的方向发展。比如20世纪90年代T300类型的碳纤维/环氧树脂复合材料，压缩强度较低，一般在200MPa以下。21世纪新一代战斗机和新一代战略核武器，要求压缩强度达到300MPa以上。所添加碳纤维增强体的性能，是决定此类复合材料性能的关键，为此，各国都致力提高和改进碳纤维增强体的性能。

高技术的发展要求材料不再是单一的结构材料或功能材料，高新技术的发展要求由一种材料承担多种功能，如防热、抗核、承载、吸波、透波、隐身、减震、降噪等，这是实现战略武器的小型化.轻质化、强突防和全天候的关键因素之-。材料发展中的一种新趋势是结构材料和功能材料的互相渗透，即结构材料的功能化(如结构吸波材料)和功能材料的结构化(如热结构材料)。这就是材料发展中的综合集成。

由材料、结构和电子互相融合而构成的智能材料与结构，是当今材料与结构高新技术发展的方向。随着智能材料与结构的发展，还将出现- .批新的学科与技术，如综合材料学、精细工艺学、材料仿生学、生物工艺学、分子电子学、自适应力学，以及.神经元网络和人工智能学等。智能材料与结构已被许多国家确认为必须重点发展的一门新技术，成为未来复合材料一个重要发展方向。