复合材料的性能特点

10.3.3　复合材料的性能特点

复合材料中能够对其性能和结构起决定作用的，除了基体和增强体外还包括基体与增强体间的界面。基体将增强体固定粘附起来，并使其均匀分布，从而在保持基体材料原有性能的基础上充分利用增强体的特性，基体还可以保护增强体免受环境的物理化学损伤；增强体则可大大强化基体材料的功能，使复合材料具有基体难以达到的特性，对于结构材料，它还可能是外载的主要承担者；而基体与增强体的界面结合既要有一定的相容性，以保证材料一定的连接性和连续性，又不能发生较强的反应，以保证不改变基体和增强体的性质。因此基体、增强体及其界面必须互相配合、协同性好，才能达到最好的复合效果。

1．复合材料的性能特点

（1）性能的可设计性

复合材料体系可根据材料的基本特性，材料间的相互作用和使用性能要求，选择基体材料和增强体材料，并人为设计增强体的数量形态、在材料中的分布方式以及基体和增强体的界面状态。由它们的复合效应可以获得常规材料难以提供的某一性能或综合性能，满足更为复杂恶劣和极端使用条件的要求。

（2）力学性能特点

复合材料没有统一的力学性能特点，其力学性能特点与复合材料的体系及加工工艺有关，但就常用的工程复合材料而言，与其相应的基体材料相比较，其主要的力学性能特点有：

①比强度和比模量高　这主要是由于增强体一般为高强度、高弹性模量而密度小的材料。如碳纤维增强环氧树脂比强度是钢的7倍，比模量比钢的高3倍。

②耐疲劳性能好　复合材料内部的增强体能大大提高材料的屈服强度和强度极限，并具有阻碍裂纹扩展及改变裂纹扩展路径的效果，因此其疲劳抗力高；对于脆性陶瓷基复合材料，这种效果还会大大提高其韧度，是陶瓷韧化的重要方法之一。

③高温性能好　复合材料增强体一般在高温下仍会保持高的强度和弹性模量，使复合材料具有更高的高温强度和蠕变抗力。如铝合金在400℃时强度从窒温的500 MPa降至30～50MPa，弹性模量几乎降为零；如使用碳纤维或硼纤维增强后，400℃时材料的强度和弹性模量与室温的相差不大。

④良好的耐磨、耐蚀性　许多复合材料还同时具有好的耐磨性、减摩性、耐蚀性等性能，使复合材料成为航空航天等高技术领域乃至生物海洋工程的理想新材料。

⑤减振性好　因为结构的自振频率与材料的比模量平方根成正比，而复合材料的比模量高，其自振频率也高。这样可以避免构件在工作状态下产生共振，而且纤维与基体界面能吸收振动能量，即使产生了振动也会很快地衰减下来，所以纤维增强复合材料具有很好的减振性能。

（3）物理性能特点

根据不同增强体的特性及其与基体复合工艺的多样性，复合材料还可以具有各种优异的物理性能：如低密度（增强体的密度一般较低）、膨胀系数小（甚至可达到零膨胀）、热导性好、电导性好、阻尼性好、吸波性好、耐烧蚀、抗辐射等。

（4）工艺性能

复合材料的成型及加工工艺因材料种类不同而各有差别，但一般来说，其成型加工工艺并不复杂。例如长纤维增强的树脂基、金属基和陶瓷基复合材料可整体成型，能大大减少结构件中的装配零件数，提高了产品的质量和使用可靠性；而短纤维或颗粒增强复合材料，则完全可按传统的工艺制备（如铸造法、粉末冶金法）并可进行二次加工成型，适应性强。