复合材料概述：组成、分类和性能比较

1）复合材料的概念

随着航空航天、机械、电子、化工、核能、通信等工业的发展，对材料的一些性能要求越来越高，如高比强度、耐高温、耐疲劳、耐腐蚀等，单一的金属或非金属材料已无法满足要求，需要采用复合技术，把一些具有不同性能的材料复合起来，成为复合材料，以满足这些性能要求。

复合材料是指由两种或两种以上在物理和化学上不同的物质结合起来而得到的一种多相固体材料。有些钢和陶瓷材料也可以看作是复合材料，但现代复合材料的概念主要是指经人工特意复合而成的材料，而不包括天然复合材料及钢和陶瓷材料这一类多相体系。复合材料早在几千年前就已经出现，如泥加秸秆混合后做的墙等。自然界中也存在许多天然复合材料，如竹子、木材、骨骼等，然而作为材料学科的一个专门学科却只有几十年的时间。特别自20世纪50年代以来，复合材料得到了迅速发展。图8-1为复合材料制造的风力发电机叶片。

图8－1　复合材料制造的风力发电机叶片

2）复合材料的组成和分类

（1）复合材料的组成

复合材料是多相体系，通常分成两个基本组成相：一个相是连续相，称为基体相，主要起粘结和固定作用；另一个相是分散相，称为增强相，主要起承受载荷作用。此外，基体相和增强相之间的界面特性对复合材料的性能也有很大影响。

（2）复合材料的分类

复合材料的种类很多，通常根据以下的三种方法进行分类。

①按基体材料分类　可分为树脂基（又称为聚合物基，如塑料基、橡胶基等）复合材料、金属基（如铝基、铜基、钛基等）复合材料、陶瓷基复合材料、水泥基和碳基复合材料等。

②按增强相的种类和形态分类　可分为纤维增强复合材料、颗粒增强复合材料、层叠复合材料、骨架复合材料以及涂层复合材料等。纤维增强复合材料又有长纤维或连续纤维复合材料、短纤维或晶须复合材料等，如纤维增强塑料、纤维增强橡胶、纤维增强金属、纤维增强陶瓷等。颗粒增强复合材料又有纯颗粒增强复合材料和弥散增强复合材料。

③按复合材料的性能分类　可分为结构复合材料和功能复合材料。如树脂基、金属基、陶瓷基、水泥基和碳／碳基复合材料等都属于结构复合材料。功能复合材料具有独特的物理性质，有换能、阻尼吸声、导电导磁、屏蔽功能复合材料等。

主要复合材料结构如图8－2。(www.xing528.com)

图8－2　复合材料结构示意图

3）复合材料的性能

复合材料的性能主要取决于基体相和增强相的性能、两相的比例、两相间界面的性质和增强相几何特征。复合材料既保持了组成材料各自的最佳特性，又有单一材料无法比拟的综合性能。

（1）力学性能

①疲劳性能　纤维增强复合材料具有较小的缺口敏感性，其纤维和基体间的界面能有效地阻止疲劳裂纹的扩展，因此具有较高的疲劳极限。而且纤维增强复合材料有大量独立的纤维，受载后如有少数纤维断裂，载荷会迅速重新分布到其他纤维上，不会产生突然破坏，断裂安全性好。

②高温性能　大多数纤维增强复合材料具有良好的高温强度、高温弹性模量和抗蠕变性能。如SiC纤维增强铝基复合材料在400℃时仍有与室温相差不大的强度和弹性模量，而相同温度下铝合金的弹性模量几乎为零，强度也从室温时的500 MPa降低到50 MPa。

③减振性能　由于构件的自振频率与材料比模量的平方根成正比，复合材料的比模量高，因此其自振频率也高，在一般工作条件下不易发生共振。又因为复合材料界面是非均质多相体系，有较高的吸振能力，所以阻尼特性也好。此外，许多树脂基、金属基、陶瓷基复合材料还具有良好的耐磨性、减磨性等。

④比强度和比模量　复合材料具有比其他材料都高的比强度和比模量，尤其是

碳纤维／环氧树脂复合材料。表8－1为常用金属材料与复合材料的性能比较。

表8－1　常用金属材料与复合材料的性能比较

（2）物理、化学性能

复合材料的密度低，膨胀系数小。一些复合材料具有导电、导热、压电效应、换能、吸电磁波等特殊性能。有些复合材料还具有良好的耐热、耐蚀性和化学稳定性。