复合材料

复合材料（ composite material ），由两种或两种以上不同性能或不同形态的材料（组分材料）组合而成的一种新的多相固体材料。通常把其中的连续相组分材料称为基体，而把非连续相的组分材料称为增强材料（又称增强体或增强剂）。增强材料与基体之间存在一个交界面，称作复合材料界面。复合材料既保留了各组分材料的主要特征，又通过复合使各组分材料取长补短，获得了原组分材料所不具备的新性能，这与一般材料的简单混合有本质区别。

发展简史

复合材料是一种新型材料，但其原始型在古代就产生了。如5 000年前，中东地区即将芦苇增强沥青用于造船；古埃及修建金字塔用石灰、火山灰等作黏合剂，混合砂石等作砌料，这是最早最原始的颗粒增强复合材料；中国在商周时期就开始用麻布等与大漆复合制成漆器。使用历史很长的混凝土，实际上是砂石和水泥基体的复合。20世纪60年代高技术的发展，对材料性能要求日益提高。由于单质材料很难满足性能的综合要求和高指标，复合材料受到重视而发展很快。在这种情况下，出现了先进复合材料。

种类

复合材料种类繁多，分类方法也很多。按基体类型分为：金属基复合材料、聚合物基复合材料（又称树脂基复合材料）、无机非金属基复合材料。其中无机非金属基复合材料又可分为陶瓷基复合材料、碳基复合材料、玻璃基复合材料与水泥基复合材料等。按增强纤维类型可分为碳纤维复合材料、玻璃纤维复合材料、有机纤维复合材料、陶瓷纤维复合材料和混杂纤维复合材料等。其中混杂纤维复合材料是指由两种或两种以上的连续增强纤维增强同一种树脂基体的复合材料。复合材料根据性能一般可分为常用复合材料与先进复合材料，根据使用特性可分为结构复合材料和功能复合材料。

结构复合材料是作为承力结构使用的复合材料。其中增强材料的作用主要是承受载荷，基体的作用是黏结增强材料、传递应力。增强材料通常为纤维状、片状、粒状材料等，主要有碳纤维、玻璃纤维、硼纤维、有机纤维和碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质颗粒等。基体按照类型可分为聚合物基体（或称树脂基体、高聚物基体）、金属基体和无机非金属基体。其中聚合物基体主要有热固性树脂、热塑性树脂、橡胶等，金属基体主要有铝、镁、钛等金属材料和它们的合金，无机非金属基体则主要有陶瓷、碳、水泥等。

功能复合材料是指具有某种特殊的物理或化学特性的复合材料，如导电、超导、磁性、压电、阻尼、吸声、摩擦、吸波、屏蔽、阻燃、防热、换能等功能复合材料。功能复合材料主要由功能体和基体组成。在单一功能体的复合材料中其功能性质由功能体提供，但基体不仅起到黏结和赋形的作用，同时也会对复合材料整体的物理性能有影响。多元功能体的复合材料可以使其具有多种功能，同时还有可能由于复合效应而出现新的功能。

性能

复合材料与传统材料相比，显示出优异的综合性能。以树脂基纤维复合材料为例，具有以下性能优点：①比强度、比模量高。用比强度（材料的拉伸强度与密度之比）和比模量（材料的杨氏模量与密度之比）的概念可以很好地说明复合材料在“轻质高强”方面的优越性。其中碳纤维增强环氧树脂复合材料的比强度比钢高5倍，比铝合金高4倍，比钛合金高3.5倍；比模量是钢、铝、钛的4倍。因此，复合材料是航空航天领域的重要材料之一。②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。③阻尼减振性好。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，所以复合材料有较高的自振频率。同时复合材料基体与增强纤维之间的界面有较大的吸收震动能量的能力，致使材料的振动阻尼较高。④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。当少数增强纤维发生断裂时，载荷又会通过基体的传递迅速分散到其他完好的纤维上去，从而迟滞了灾难性的突然破坏，以提高安全性。⑤可设计性大。复合材料的可设计性是其他材料不可比拟的。复合材料设计自由度大，可按照对材料性能的需求进行设计。可选择不同纤维、不同基体，可改变纤维含量与纤维的铺放角度，从而满足设计要求。⑥工艺性优良。复合材料适于大型构件整体成型。构件成型与材料成型是同时完成的，可避免多次加工工序。由于复合材料的这一特点，使其结构的整体性好，可大幅度减少零部件和连接件的数量，从而缩短加工周期，降低成本。

应用

复合材料在国民经济和国防建设等领域得到广泛的应用。

常用复合材料主要用于建筑（如波纹瓦、冷却水塔、活动房屋、整体卫生间等）、交通（如各种车辆的车厢及内部结构、贮水箱、部分汽车零件、轻便桥梁和行人立交桥等）、船舶（排水量2 000吨以下的各类军用或民用船舶，如气垫船、近海作业艇、游艇、救生艇、渔船和海军小型舰艇）、化工（如大型储槽、压力容器、管道、耐腐蚀衬里、烟道等）、电力与电信（如排风扇叶片、大型电机护环、风力发电机桨叶与支柱、大型雷达天线罩、各式天线支架、电路板基板等）、机械（如精密机械零件、底座、罩壳等）、航空航天（主要用于内部及次承力结构部分，如轻型飞机部分蒙皮、压力容器、雷达罩、整流罩以及卫星、飞船中的一些次承力部件）和民用、医疗及体育用品（如各种家具、假肢、安全头盔、球拍和鱼竿等）等方面。

先进复合材料主要用于高技术方面，如航空航天技术中所需的高级军用飞机和先进客机的一些主承力结构（尾翼、蒙皮、进气道壁板和支撑结构件），以及卫星、导弹和航天飞机的结构和防热部件（结构支架、发动机壳体、头椎、喷管、天线和蒙皮等）。也向民用工业中发展，如制造汽车零件、精密机械零件、机器人运动件、高级假肢、高档滑雪板与球拍、赛艇及桨、高档鱼竿和脚蹼等。