1、一 概论现代复合材料是材料历史中合成材料时期的产物，所说的现代复合材料不包括天然复合材料和许多历史遗迹中所发现的所谓早期复合材料。学术界开始使用“复合材料” （composite materials）一词大约是在 20 世纪 40 年代，当时出现了玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂，开辟了现代复合材料的新纪元。20 世纪 60年代开始，陆续开发出多种高性能纤维。20 世纪 80 年代后，由于各类作为复合材料基体的材料的使用和改进，使现代复合材料的发展达到了更高水平，即进入了高性能复合材料的发展阶段。1.1 复合材料发展史复合材料的历史一般可分为两个阶段：早期复合材料和现代复合材料。这里不包括具有复合材
2、料特征的天然物质（如树木、骨骼、贝壳和海带等） 。早期复合材料的历史较长，很多实例表现与现存的历史遗迹中，如:（1）中国西安半坡村原始人遗址中发现用草拌泥作墙体和地面，即以天然纤维材料- 草-作为黏土的增强剂，用来阻止黏土的干裂和剥落，提高墙体和地面耐受侵蚀的能力，增强了黏土的实用性能，这可以算作纤维复合材料的渊源；（2）中国春秋战国时期（距今约 2500 年） ，用含锡量较低的青铜作剑身，采用两次浇注技术。另外，在其刃部复合一层含锡量较高的青铜，并在锡青铜表面涂覆一层硫化铜（含铬和镍）制成花纹，使其内柔外刚，刚柔相济，作为其代表的著名的越王勾践剑，1965 年在湖北江陵楚墓出土时，仍然光可鉴
3、人，锋利异常，被誉为“永不生锈的青铜剑” 。它可看成最早的包层金属复合材料；（3）古埃及文明时代，木材复合材料已有所应用，人们利用紫檀木贴在普通木材上进行表面装饰，到了工业革命以后，欧、美等国家发明了薄片加工机械和各种锯，并与粘接剂技术结合，才演变到胶合板和装饰板的工业生产，这是叠层复合材料的前身；（4）公元前，埃及人建造了闻名于世的金字塔，当时采用了砂石和火山灰制成的混凝土。古印度人用细砂和虫胶制作磨刀石，是现代砂轮的前身，两者均可看成是颗粒增强复合材料的例子。（5）早期复合材料中最具有代表的例子是中国古代发明的漆器。19721974 年，湖南省马王堆出土的漆器（距今 2200 年以上）是西
4、汉初年的文物。这些漆器用丝和麻作增强材料，用漆作粘接剂，或以木材为胎，外表涂以漆层，制成酒壶、盆具、茶几等物品，在潮湿的地下埋藏了 2000 多年，依然熠熠生辉，光彩夺目；（6）魏晋南北朝时期创造了夹苎胎法制造佛像的工艺，即先塑出泥胎，再在泥胎外面粘贴麻布，在麻布上进行涂漆和彩绘，当油漆干燥后，挖出并用水冲去泥胎，得到中空的佛像。特点：质轻耐久，几米高的佛像，一个人就轻易举起行走（称为：“行像” ） 。该技术唐朝传入日本。日本至今还保留当年唐代高僧鉴真和尚东渡日本在该国圆寂时塑制的夹苎麻像，成为”国宝级“文物，每年只对外开发数天供人瞻仰。这座佛像经历了 1000 多年仍然保持完好。这充分说明了
5、早期复合材料优异的抗老化性能。现代复合材料的发展只有 60 多年历史，它的主要特点是基体采用合成材料。1940 年，世界上第一次用玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂制造了军用飞机雷达罩。1942 年，用手糊工艺制成第一艘玻璃钢渔船。至 20 世纪 6070 年代，玻璃纤维增强塑料（俗称玻璃钢）制品已经广泛应用于航空、机械、化学、体育和建筑工业中。玻璃钢的比强度（即拉伸强度/密度）比钢还要高，且耐腐蚀性能好，被称之为第一代现代复合材料。现代技术对高级复合材料（advanced composite materials, 简称为 ACM）的要求是：高的比强度（强度/密度） 、比刚度（模量 /密度） 、剪切强
6、度和剪切模量，高温性能及耐热性也要高。用硼纤维、碳纤维和芳纶纤维增强塑料基复合材料的最高使用温度长期可达 150以上，且兼具高比刚度和比强度，称第二代复合材料。用聚酰亚胺作基体，以上述高级纤维作增强体的复合材料，使用温度较高，但不超过 200，用金属（铝、镁、钛、金属间化合物）作基体的复合材料，使用温度范围是 175900。用陶瓷（碳化硅、氮化硅、碳等）作基体的复合材料，使用温度范围是 10002000。20 世纪 70 年代，开发了耐热性更高的氧化铝纤维和碳化硅纤维，还开发了各种晶须（如碳化硅晶须和氧化铝晶须等） ，使现代复合材料的性能向耐热、高韧性和多功能方向发展，称第三代复合材料。近年来
7、开发了宏观-微观复合为一体的各种新型复合材料，例如 20 世纪 80年代后期出现了功能梯度复合材料（即梯度复合材料） 。它以先进的材料设计为依据，采用先进的材料复合技术，通过控制构成材料的要素（组成、结构等）由一侧向另一侧呈连续梯度变化，使其内部界面消失，从而获得材料的性质和功能相应于组成和结构的变化而呈现梯度变化的非均质材料。梯度复合材料在核能、电子、光学、化学、电磁学、生物医学及日常生活领域都有着一定的潜在应用前景，且由它所制成的器件或结构将具有最优的环境匹配性。被称为最先进复合材料。机敏复合材料（smart composite materials）是现代复合材料发展的最新阶段，机敏复合材
8、料能验知环境的变化，并通过改变自身一个或多个性能参数对环境变化及时做出响应，使之与变化后的环境相适应。例如，具有自诊断功能的机敏复合材料是把光导纤维与增强纤维一同与基体复合，每根光导纤维均接于独立的光源和检测系统。当复合材料的某处发生应力集中或破坏时，该处的光导纤维即发生相应的应变或断裂，从而可据此诊断出该处的情况。智能复合材料（intelligent composite materials）是机敏复合材料的 高级形式。能够在机敏复合材料自诊断、自适应和自愈合的基础上，增加了自决策、自修补的功能，体现具有智能的高级形式。例如已在研究的智能复合材料和系统有：人工肌肉和皮肤、自诊断断裂的飞机机翼、
9、自愈合裂纹的混凝土等。1.2 复合材料的定义和分类1.2.1 复合材料的定义从广义上讲，复合材料是由两种或两种以上不同化学性质的组分组合而成的材料。现代材料学界中，复合材料专指由两种或两种以上不同相态的组分所组成的材料。其定义为：用经过选择的、含一定数量比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面的、具有特殊性能的材料。根据定义，可从以下几点来进一步了解复合材料的特点：1复合材料的组分和它们的相对含量是经人工选择和设计的；2复合材料是经人工制造而非天然形成的；3组成复合材料的某些组分在复合后仍然保持其固有的物理和化学性质（区别于化合物和合金） ；
10、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。1.2.2 复合材料的结构复合材料由两种以上组分以及它们之间的界面构成。组分材料主要指（1）增强体和（2）基体，也被称为复合材料的增强相和基体相。 （3）增强相与基体相之间的界面区域因为其特殊的结构与组成也被视作复合材料中的“相” ，即界面相。增强相和基体相是根据它们组分的物理和化学性质和在最终复合材料中的形态来区分的。其中以细丝、薄片或颗粒状，具有较高的强度、模量、硬度和脆性，在复合材料承受外加载荷时是主要承载相，称为增强相
11、或增强体（reinforced phase or reinforcement） 。它们在复合材料中呈分散形式，被基体相隔离包围，因此也称为分散相；另一个组分是包围增强相并相对较软和韧的贯连材料，称为基体相（matrix phase） 。基体相也被称为连续相，具有支撑和保护增强相的作用，在复合材料承受外加载荷时，基体相主要以剪切变形的方式起向增强相分配和传递载荷的作用。在复合材料中，增强相和基体相之间存在明显的结合面。位于增强相和基体相之间并使这两相彼此相连的化学成分和力学性质与相邻两相有明显区别、能够在相邻两相间起传递载荷作用的区域，称为复合材料的界面（interfaces） 。通常复合材料中
12、界面层的厚度在亚微米以下，但界面层的总面积在复合材料中相当可观，且复合材料的界面特征对复合材料的性能、破坏行为及应用效能有很大影响。所以，人们以极大的注意力开展对复合材料界面的研究。为追求制得具有最佳综合性能的复合材料所进行的这类研究，称为复合材料的表面和界面工程（surface and interface engineering） 。复合材料的性能取决于组分材料的种类、性能、含量和分布，包括：增强体的性能和它们的表面物理、化学状态；基体的结构和性能；增强体的配置、分布和体积含量。另还取决于复合材料的制造工艺条件、复合方法、零件几何形状和使用环境条件。选择复合材料的组分、增强体分布和复合材料制
13、造工艺，使其具有使用要求的过程，就是复合材料的设计。1.2.3 复合材料的分类复合材料分类有多种方法，可按使用功能、增强体的几何形态或基体材料的性质进行分类。按使用功能可分两类：结构复合材料和功能复合材料。结构复合材料主要作为承力结构使用的复合材料，基本上是由能承受载荷的增强体组元与能联结增强体成为整体承载同时又起分配与传递载荷作用的基体组元组成。功能复合材料具有某种特殊的物理或化学特性。如声、光、电、磁、热、耐腐蚀、零膨胀等。功能复合材料中的增强体又可称为功能体组元，分布于基体组元中。基体不仅起到构成整体的作用，而且能够产生协同或加强功能的作用。复合材料按增强体的几何形态分为四类：纤维增强复
14、合材料（连续纤维增强：包括单向纤维和二维织物层合等和非连续纤维：包括晶须和短切纤维） 、颗粒增强复合材料、薄片增强复合材料和叠层复合材料。颗粒增强复合材料的增强体是不同尺寸的颗粒（球形或非球形） 。按照分散相的尺寸大小和间距又分为弥散增强复合材料（颗粒等效直径为 0.010.1m，颗粒间距为 0.010.3m）和粒子增强复合材料（颗粒等效直径为 150m，颗粒间距为 125m） ，另有一类颗粒增强体是空心微球（直径 1030m，壁厚14m） ，分为有机微球、无机微球和金属微球三种，主要用作热固性与热塑性高聚物的增强体或填充。主要作用是调节复合材料的导电性、导热性等，提高耐受温度及调节复合材料的
15、密度。薄片增强复合材料的增强体是长与宽尺寸相近的薄片。薄片增强体由天然、人造和在复合材料工艺过程中自身生长三种途径获得。叠层复合材料指复合材料中的增强相是分层铺叠的，即按相互平行的层面配置增强相，而各层之间通过基体材料联接。叠层复合材料在其层面方向可提供优良的性能。按照基体材料性质可分成两类：金属基复合材料（metal matrix composite，简称 MMC）和非金属基复合材料。后者又分两类：聚合物基复合材料（polymer matrix composite，简称 PMC）和陶瓷基复合材料（ceramic matrix composite，简称 CMC） 。金属基复合材料包括铝基、镁基
16、、铜基、钛基、高温合金基、金属间化合物基和难熔金属基复合材料。聚合物基复合材料又称树脂基复合材料，以高聚物（通称树脂）为基体的复合材料。陶瓷基复合材料主要为改善陶瓷的脆性而开发的，包括氧化铝陶瓷基、碳化硅陶瓷基、氧化锆陶瓷基、氮化硅陶瓷基、玻璃基等。又可按使用温度分为高温陶瓷基复合材料（以多晶陶瓷为基体，耐受温度为 10001400）和低温陶瓷基复合材料（以玻璃及玻璃陶瓷为基体，耐热温度在 1000以下） 。按增强体和基体材料的金属和非金属性质，又可将复合材料归纳为：非金属增强体与非金属基体复合；非金属增强体与金属基体复合；金属增强体与非金属增强体复合；金属增强体与金属基体复合，也有金属与非金
17、属两种混杂于非金属基体中。1.3 复合材料的基本特点复合材料两个主要特点是性能可设计性和材料与构件成型的一致性。所期望的复合效果是原材料（即组分材料）的性能互补，并产生叠加效果。1.3.1 复合材料性能的可设计性材料设计是指在材料科学的理论知识和已有经验的基础上，利用计算机技术，按预定性能要求，确定材料的组分和结构，并预测达到预定性能要求应选择的工艺手段和工艺参数。分演绎法和归纳法。演绎法：根据有关理论，从基本原理出发，采用从头算起的方法进行设计；归纳法：根据已有的经验，总结出规律，利用数据库、知识库和推理，组成用以解决材料设计问题的计算机程序系统（即材料设计专家系统） 。复合材料设计的首要步
18、骤是选择构成复合材料的基本组分（增强体和基体） 。称为选材，即确定复合体系，并初步确定各组元之间的体积比例。选材的目的是根据复合材料中各组分的职能和所需承担的载荷及载荷分布情况，再根据所了解的具体使用条件下要求复合材料提供的各种性能，来确定复合体系。铺层设计是根据受力要求和刚度（变形）要求通过承受指定载荷下各层应力分布、强度与变形（包括若干层失效后层合板强度与刚度退化后的情况） ，来确定某种铺叠次序下层合板的承载能力与变形，从而确定增强体在复合材料中的理想配置和铺叠次序。复合材料可以根据结构各处工作环境及载荷类型的大小，分别选用和配置不同的增强体和基体，材料性能梯度变化的思想，使复合材料优化设
19、计更臻完善。1.3.2 材料与构件制造的一致性传统材料构件需先选用以板、块、棒、管和型材等形式供应的材料，再将这些材料经各种加工制成构件。与此不同，复合材料与复合材料构件是同时成型，即在采用某种方法把增强体掺入基体形成复合材料的同时，通常也就形成了复合材料的构件，称为复合材料与构件制造的一致性。根据构件的形状设计模具，再根据铺层设计来铺设增强体，使基体材料与增强体组合、固结后获得复合材料构件，此过程称一次成型。构件的连接（螺接、铆接、焊接、粘接等） 、机械切削加工及及坯件的进一步塑性变形称为复合材料的二次加工。为了使增强体与基体按要求复合起来，需解决两个问题：基体向增强体中掺入的方法，要求在基
20、体掺入增强体的过程中增强体尽量不受或少受损伤，并保证增强体在基体中按要求的方向和数量有规则地排列和分布；增强体与基体之间的粘接，要求复合材料中增强体与基体之间具有良好的界面结合，包括三个方面：在复合过程中，基体对增强体润湿；两组分之间不产生过量的化学反应；生成的界面相能承担传递载荷的功能。1.3.3 叠加效应要使复合材料实现预期的性能指标，应依靠增强体与基体性能的叠加（或互补） ，使复合材料获得一种新的、独特而又优于各单元组分的简单混合物的性能，这就是所谓叠加效应。叠加的结果应扬长避短，即每种组分只将自己的优点贡献给复合材料，而避开各自的缺点；或有另一组分的优点来补偿该组分的缺点，做到性能互补
21、。1.3.4 复合材料的不足1增强体和基体可供选择的范围有限，其性能还不能完全满足复合材料设计的要求；2制备复合材料的工艺较复杂，制造质量重复性尚不能完全保证，性能离散性大；3组分材料，特别是增强体的价格偏高，制造工艺耗资较高，制造成本较高。1.4 复合材料的应用复合材料的应用范围遍及航空与航天工业、汽车、船舶、建筑工程、化学工业、体育器械、能源和环保设备、医疗卫生、国防军工、电器工业和通讯工程、农、牧、渔业、食品工业及其他方面。如运载火箭整流罩、广播卫星抛物面天线、雷达罩、轻型飞机、汽车外壳、快艇、自行车、海上油气生产平台等。它不仅可以代替所有的传统材料，而且在某些特殊场合，复合材料是其他材料无与匹敌的唯一材料。
