复合材料概述

3.5.1　复合材料概述

1.复合材料的分类

复合材料按其组成分，分为金属与金属复合材料、非金属与金属复合材料、非金属与非金属复合材料。复合材料按其结构特点分，分为纤维复合材料、夹层复合材料、细粒复合材料、混杂复合材料。纤维复合材料是将各种纤维增强体置于基体材料内复合而成，如纤维增强塑料、纤维增强金属等。夹层复合材料由性质不同的表面材料和芯材组合而成，通常面材强度高、薄，芯材质轻、强度低，但具有一定刚度和厚度。细粒复合材料是将硬质细粒均匀分布于基体中制成，如弥散强化合金、金属陶瓷等。混杂复合材料由两种或两种以上增强相材料混杂于一种基体相材料中构成。

2.复合材料的性能

复合材料可由单一增强材料和基体材料组成，也可由几种增强材料和基体材料组成。它是由各种组成材料取长补短复合而成的具有各种材料综合性能的新材料。其性能一般由组成的增强材料和基体材料的性能以及它们之间的界面所决定，作为产品还与成型工艺和结构设计有关。复合材料有以下的共同特性：

（1）比强度高，比刚度大

单位质量的强度和模量，称为比强度和比模量，是在质量相等的前提下衡量材料承载能力和刚度特性的一种指标。比强度高、比刚度大意味着可制成性能好而又质量轻的结构。

（2）成型工艺性能好

这里主要是指聚合物基纤维增强复合材料的成型工艺性能好（金属基体复合材料的成型工艺非常复杂）。从原理和设备上来讲，其制造工艺比较简单，但可制成形状复杂的部件，尤其适宜制作相当大的整体结构部件。这种较大整体结构部件可一次成型，大大减少了零部件、紧固件和接头数目，减少了装配工作量，显著减轻了结构质量，并减少了工时。

（3）材料性能可以设计

复合材料和复合材料的结构部件（产品）都具有可设计性，这两者在制造时是同步完成的。在选定增强材料和基体材料以后，尚有许多材料参数和几何参数可以变动，以设计出具有不同性能的复合材料。

（4）抗疲劳性能好

疲劳破坏是材料在交变载荷作用下，由于裂纹的形成和扩展而造成的低应力破坏。复合材料在纤维方向受拉时的疲劳特性要比金属好得多。金属材料的疲劳破坏是由里向外经过渐变然后突然扩展的。在发展疲劳破坏之前，常没有明显的预兆。而纤维增强复合材料的基体，是断裂应变较大的韧性材料。其疲劳破坏总是从纤维或基体的薄弱环节开始，逐步扩展到结合面上，损伤较多且尺寸较大，破坏前有明显的预兆，能够及时发现和采取措施。

（5）安全性能好

在纤维增强复合材料中，由于基体的作用，在沿纤维方向受拉时，各纤维的应变基本相同。已断裂的纤维由于基体传递应力的结果，除断口处和断口附近一小段不发挥作用外，其余绝大部分纤维依旧发挥作用。断裂了的纤维周围的邻接纤维，除在局部需多承受一些由断裂纤维传递过来的应力外，各纤维在宏观意义上说几乎同等受力。各纤维间应力的不均匀程度大大降低了，其平均应力将大大高于没有基体的纤维束的平均应力，因而增大了平均应变。这样，个别纤维的断裂就不会引起连锁反应和灾难性的急剧破坏，因而复合材料不易破损，安全性能很好。

（6）减振性能好

以聚合物为基体的纤维增强复合材料，基体具有粘弹性。在基体中和界面上有微裂纹和脱粘的地方，还存在着摩擦力。在振动过程中，粘弹性和摩擦力使一部分动能转换为热能。因此，纤维增强复合材料的阻尼比钢和铝合金大，若采取措施还可使阻尼增大。这就是纤维增强复合材料减振性能好的原因。

（7）高温性能好，抗蠕变能力强

由于纤维材料在高温下仍能保持较高的强度，所以纤维增强复合材料（如碳纤维增强树脂复合材料）的耐热性比树脂基体明显提高。而金属基复合材料在耐热性方面更显示出其优越性。

（8）耐腐蚀性好

很多种复合材料都能耐酸碱腐蚀，如玻璃纤维增强酚醛树脂复合材料在含氯离子的酸性介质中能长期使用，可用来制造耐强酸、盐、酯和某些溶剂的化工管道、泵、阀、容器、搅拌器等设备。

复合材料还存在一些缺点，如延伸率较小，抵抗冲击载荷能力较低，成本高，价格贵，可靠性相对较差。

3.复合材料的发展与应用

复合材料由于其优异的特性，始终是材料领域研究热点之一。复合材料的发展已经历了半个多世纪。随着技术的提高，应用领域不断拓展，目前主要包括以下几个方面：

（1）在基础设施上的应用

近年来，复合材料在新建、改造、修复基础设施（如桥梁、公路、隧道、涵洞、水处理工厂、垃圾处理厂、海岸结构、海洋石油平台、水下贮油罐等）中发挥了巨大的作用，应用前景十分广阔，市场容量巨大，是今后复合材料应用的重要方向。

（2）在交通运输上的应用

复合材料在交通运输领域用量很大，目前在汽车、高速列车、轻轨车辆等交通运输工具与设备方面的用量约占总产量的30%以上。复合材料在汽车中的应用可大大减轻重量，减小能耗，提高生产率，降低成本，易改变车型等。采用的复合材料零部件有车壳及车身附件、驱动轴、保险杠、板簧、发动机罩、压缩天然气瓶、座椅架、重型卡车底板、制动盘等。近年来，复合材料在高速列车、地铁、轻轨等轨道交通中的应用发展也十分迅速。

（3）在防腐工程上的应用

玻璃纤维增强塑料具有良好的防腐性能，使之在防腐工程上得到最广泛的应用，消费量也在复合材料总用量上占了很大的比例。化学工业生产中，从原材料、生产过程中的各类物质，直至最后的成品，往往都具有不同程度的甚至很强的腐蚀性，因此防腐设备的用量最大，包括各类贮罐、塔器、管道、槽车等。除化工防腐外，油田的输油管、污水管、环保设备中都大量采用玻璃纤维增强塑料。

（4）在电气、电子工业上的应用

利用玻璃纤维增强塑料的良好的电绝缘性能和绝热性能，复合材料用于电力工业的输配电设备、各类绝缘构架和操作器械，如各类互感器套、开关套、配电箱、电缆箱、电缆槽、电动车接电杆架、绝缘操作设备构件等。可以用玻璃纤维短切毡片板压制成型各类电器仪表和家用电器罩壳，它具有绝缘性能好、造型容易、色彩鲜艳等综合优点；加入适当的炭黑或其他导电粉末，可以控制材料的导电性能，制造防静电电灯罩或罩壳，用于矿井、油田或化工厂房中易爆工作场所。通信设备中的雷达罩、天线反射面也普遍采用玻璃纤维或碳纤维增强塑料。

（5）在航空航天和国防军工上的应用

复合材料的高比刚度和比强度，使它成为航空航天工业中非常理想的材料。航空工业上普遍使用玻璃纤维增强塑料的机头雷达天线罩，它既起支承力作用，又有良好的透波性能。采用复合材料作直升机旋翼桨叶不但可减轻质量，还可采用变截面曲面翼形以提高空气动力学效应，又有疲劳寿命长、对缺口敏感、可靠性强等优点。在军事工业上，复合材料对于提高武器威力、增大射程、减轻武器质量等也起重要的作用。战术火箭中的火箭发射筒、火箭发动机壳体、小型固体火箭发动机耐烧蚀喷管等都采用复合材料。美国、俄罗斯、德国的反坦克导弹的大部分构件是采用工程塑料、玻璃纤维增强塑料以及合成橡胶等制造的。在陆军快速部队火炮中，玻璃纤维复合材料炮管、炮管热护套、盾板等大型构件，常规枪械中的枪托、护木、握把和发射筒等都大量采用玻璃纤维增强塑料。