复合材料1概论.docx

高性能复合材料学郝天恺肖加余1概论1. 1高性能复合材料的发展史现代复合材料是材料历史中合成材料时期的产物，这里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证实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新纪元。由20世纪60年代开始，陆续开发出多种高性能纤维。 80年代以后，由于人们丰富了设计、制造和测试等方面的知识和经验，加上各类作为复合 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的水平，即进入高性能复 合材料的发展阶段。高性能复合材料是本书研究的主要对象，为了弄清它的发展进程，本节 简要介绍材料及复合材料的发展。1.1.1 材料发展史在辞海中，材料被定义为“经过人类劳动取得的劳动对象”。材料是能为人类经济 地制造有用器件的物质。材料的发展标志着社会生产力的发展水平和人类文明进步的程度。 每一种新材料的出现和制造技术的进步都在不同程度上促进了生产力的发展。同时，材料的 发展又为先进生产力发展的要求所推动，并受制于当时生产力发展的总水平。在考古研究和历史学中，材料作为划分时代的依据，将人类历史划分为：石器时代（距 今100006000年）、青铜器时代（距今60002500年）、铁器时代（距今2500年起）。从铁 器时代起，世界各国多已进入有文字记载的文明时代。按照材料的工艺和性质可将材料划分为天然材料、人工材料和合成材料三大类。大约在1万年前的旧石器时代，人类使用的是天然材料，即只将自然界的物质从形态上 加以改变制成所需的物品，而不改变材料本身的构成与性质。如将石块敲碎、磨凿制作工具； 用木材、磨制的动物骨骼作武器和工具；堆石、挖坑作屋；用泥土制泥坯（日晒泥砖）砌墙 或夯泥成墙（干打垒）；用木材架屋顶并用茅草覆盖和用动物毛皮御寒等。新石器时代出现陶器，最初的陶器是一种质地粗糙且不透明的粘土制品。但它属于人工 材料，即不仅在形态上，而且在质地上改变了天然物质的性质。从天然材料到人工材料，这 是材料发展中的第一次飞跃。陶器由粘土（或掺加石英等）经成型、干燥和烧制而成。主要 作为生活用具。恩格斯认为，陶器是人类从蒙昧时代进入野蛮时代的标志。另一个人工材料 的例子是砖。古埃及人用尼罗河的泥土烧砖修建住宅。中国秦代曾用大量砖瓦修筑长城和宫 殿。铜和铁是人类历史上最重要的人工材料，分别由铜矿石（孔雀石）和铁矿石（赤铁矿） 冶炼而成。用铜制剑、祭器和酒具；用铁制盔甲、兵器和工具等在史料中均有记载。材料的发展与人类认识、使用和驾驭能源能力的水平密切相关。19世纪的产业革命也 是人类开发和获取能源的革命，它促进了钢铁、有色金属等材料的发展，造就了现代文明。 由于革新了材料的制造技术，人们利用合成方法制成了自然界不存在的材料，称为合成材料。 20世纪初（1909年），贝克兰德（L. H. Backland）用苯酚和甲醛经缩聚反应合成了实用酚 醛树脂（俗称电木），这是最早的合成材料。合成材料不仅包含有机材料系列，如酚醛树脂、 聚氯乙烯、聚碳酸酯、聚甲醛、环氧树脂等，而且包括无机材料系列，如超铀元素钚（23Pu）、 立方晶系氮化硼（CBN）、氧化铝和碳化硅等。1.1.2复合材料发展史复合材料的历史一般可以分为两个阶段，即早期复合材料和现代复合材料。这里不包括 具有复合材料特征的天然物质（如木材、骨骼、贝壳和海带等）。早期复合材料的历史较长，很多实例散见于现存的历史遗迹中，并且多少可以从中发现 现代复合材料的思想萌芽。中国西安半坡村原始人遗址（原仰韶文化）中发现用草拌泥作墙体和地面，即以天然纤 维状材料草作为粘土的增强剂，用来阻止粘土的干裂和剥落，提高墙体和地面耐受 侵蚀的能力，增进了粘土的实用性能，这可以算作是纤维复合材料的渊源；公元前3000年 左右，古埃及和美索不达米亚人用芦苇、纸莎草加沥青或树胶制造小艇，也可以看作现代复 合材料船的前身；中国西周时期（公元前1000年）用木片或竹片、动物的腱和鬃、丝等制 作弓，是混杂复合材料的祖先；古埃及干尸（木乃伊）是将用香料处理过的尸体缠绕亚麻布 带后再浸渍天然树脂，它是缠绕工艺的一个雏形，与现代复合材料的管道、压力容器等的成 型工艺在原理上是一致的，同时也符合现代防腐工程的原理；日本绳纹文化（日本新石器时 代）中期以后，已经知道在矶士（粘士）中加云母和砂粒来改进陶器性能，防止烧结时龟裂， 这是粒子增强陶瓷复合材料思想的萌芽；中国春秋战国时期（距今2500年），用含锡量较低 的青铜作剑身，采用两次浇注技术，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，使其剑内柔外刚，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，仍然光可鉴人，锋利异常，被誉为“永不生 锈的青铜剑”。它可看成是最早的包层金属复合材料；印度人用细砂和虫胶制作磨刀石，这 是现代砂轮的前身，是颗粒增强复合材料的又一例子；公元前埃及金字塔采用了砂石和火山 灰制成的混凝土，这也可看成是颗粒复合材料；中国民间的布底鞋，代表着三向编织复合材 料的雏形；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（如棺椁），到了工业革命以后，欧、美等国发明了薄片加工机械和各种锯，并 与粘接剂（胶）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。早期复合材料中最有代表性的例子是中国古代发明的漆器。1972至1974年，湖南省马 王堆出土的漆器（距今2200年以上）是西汉初年的文物。这些漆器用丝和麻作增强材料， 用大漆作粘接剂，或以木材为胎，外表涂以漆层，制成鼎、酒壶、盆具、茶几等物品，在潮 湿地下埋藏了两千多年，依然是熠熠生辉、光彩夺目。20世纪70年代，湖北随县出土的曾 候乙墓中，有许多用于车战的多戈戟和殳，杆长34m，是在木制杆芯外面包以纵向竹丝， 再用大漆加蚕丝线进行环向缠绕，然后浸渍大漆制成。大漆是漆树分泌的一种天然树脂，干 燥后形成漆膜，不但坚硬光泽，而且耐水耐热250°C）、耐化学腐蚀。中国早在7千多年前 的新石器时代，就有了油漆技术的萌芽，在商代已经成熟。在战国时代，除了木胎漆器外， 又出现皮胎漆器和夹苎胎（即用麻布作胎）的漆器。秦、汉时期至以后，油漆技术经历了大 发展并基本定型。魏晋南北朝时期，在改革底胎和面漆的基础上，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，得到中空的漆佛像。这种佛像十分轻巧且非常坚固耐久。一丈多高的 佛像，一个人就轻易举起行走（故又称“行像”。其制造工艺与当今的手糊成型几乎没有区 别。大约在唐朝，脱胎漆佛像技术传到日本。日本至今还保存着当年唐代著名高僧鉴真和尚 东渡日本在该国圆寂时塑制的夹苎座像，作为日本的“国宝”级文物，每年只对外开放数天 供人瞻仰。这座佛像经历了一千多年仍然保持完好。充分说明了这种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，它的主要特征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（简记为GFRP，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。这种复合材料中玻 璃纤维的用量为30%60%，所用基体材料主要有不饱和聚酯树脂、环氧树脂和酚醛树脂。 玻璃钢的比强度（即抗拉强度/密度）比钢还要高，而且耐腐蚀性能好，被称之为第一代现 代复合材料。20世纪80年代以后，由于人们丰富了复合材料设计、制造和测试等方面的知识与经验， 如层合板力学性能的准确计算；短纤维或连续纤维的纱束、垫、毡或编织物、编织布及预浸 料的制作；模压、缠绕、拉挤、注射等成型工艺的出现；性能标准化以及玻璃纤维、树脂等 原材料的不断改进，使玻璃纤维增强塑料的发展达到成熟阶段。但是，与现代高新技术所要 求的性能相比，它的许多性能尤其是模量和使用温度尚嫌不足，因此，玻璃钢不属于高级复 合材料的范畴。现代技术对高级复合材料（advanced composite materials，简记为ACM）的要求是：不 仅比强度（强度/密度）高，而且要求比刚度（模量/密度）高，同时剪切强度和剪切模量也 要高；高温性能和耐热性高。针对玻璃纤维杨氏模量较低的主要缺点，20世纪5060年代 相继开发了硼（B）纤维、碳（C）纤维和芳纶纤维（Kevlar）。这些纤维生产初期的性能示于表1-1。 表1-1指出，硼、碳和芳纶纤维均具有比玻璃纤维高得多的杨氏模量和更低的密度。这种纤 维被称为高级纤维（advanced fibers）0另一方面，玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂的耐热性能 较差，当温度大于60°C,其力学性能开始下降，温度为90°C时，力学性能保留率仅为60%。 用硼纤维、碳纤维和芳纶纤维增强塑料基复合材料（BFRP. CFRP和KFRP）的最高使用温度 长期可达150C以上，它们兼具高比刚度和比强度，称为第二代现代复合材料。表1-1玻璃纤维和初期生产的硼纤维、碳纤维和芳纶纤维的性能纤维类型拉伸强度（GPa）杨氏模量（GPa）密度(g/cm3)备注（代号）E-玻璃3.472.12.54S-玻璃4.684.82.49硼（W芯）2.8411.92.60碳（沥青基）2.0343.31.60UCC-50碳（PAN基）1.8411.91.95Morganite(PAN-1)芳纶2.9127.51.45Kevlar-49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 200C，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175900C。 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10002000C。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，称为 第三代现代复合材料。图1-1示出现代复合材料的发展过程。第二代和第三代现代复合材料称为高级复合材料 或高性能复合材料（也称为先进复合材料）。高级复合材料是具有特殊优异性能的材料，其 制造过程涉及先进技术。它主要应用于尖端科学领域，如航天航空、体育等，也应用于汽车、 建筑、医疗及其他领域。高性能复合材料由各种高性能增强材料（纤维和织物、晶须、颗粒）与各种聚合物、金 属、碳及非碳陶瓷基体复合而成。高性能复合材料是具有高比模量、高比强度、优异的高温 性能或特殊的多功能复合材料。按照增强纤维和颗粒的直径大小，可将高性能复合材料分为 宏观复合材料和微观复合材料。宏观复合材料是指增强相的尺寸在微米（以m）级的复合材料。 采用混杂纤维（即两种以上的纤维）或混杂基体（即两种以上的基体）制成性能-成型工艺 成本最佳平衡匹配的复合材料，称为混杂复合材料（hybrid composite materials，简 记为HCM）。不同类型的增强组分以叠层结构形式组成的复合材料称为混杂叠层复合材料。 其增强组分可以为纤维、片材或蜂窝芯材，其基体可以为树脂或金属。混杂叠层复合材料的 典型例子是铝-纤维/环氧叠层板。通常是将经过表面处理的铝片与纤维织物的环氧树脂预浸 片交替叠层后热压而成。常用的纤维有芳纶、碳、玻璃等。铝-芳纶/环氧叠层板（商品名ARALL） 已工业化，用作飞机的蒙皮材料。增强相的尺寸为纳米（nm）等级的复合材料称为纳米复合材 料。增强相尺寸控制在埃级，即原子或分子水平的称为杂化材料，两者统称微观复合材料， 它们主要用作新型结构材料或功能材料。第_代用撬材料白培强加料13 1-2说合材将的发展简圈«-tt躬一代并此票fit肢|赣*忤堆、叱扩大工程槌程!刑化皎蜉蟾豹新化；o - AIjOj；Sij Nh适向峰固 rt晶石抵I CV）化学/相折和Jrvpi（ft+Mff»g）f<h性 /_j_r轻量"堆、成性,一I景蚌陞M您奥苴阔腐茫伍亘1L理酰亚司肢 .I生十1 I蜜黑歼绰图1-1复合材料发展简图近年来开发了宏观-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。该材料的研制初衷是用作新航天飞机缓和热应力超耐热材料。其制备方法有相分 布控制和粒子排列技术两大类，包括物理真空镀膜、化学气相沉积、粒子排列烧结、等离子 喷镀、薄膜叠层和自蔓延高温合成法等。梯度复合材料在核能、电子、光学、化学、电磁学、 生物医学仍至日常生活领域都有着一定的潜在应用前景。由于这种材料性能在空间位置的梯 度分布规律与材料使用中环境条件对材料性能的要求相适应，因此，由它所制成的器件或结 构将具有最优的环境匹配性。它也被称为最先进复合材料。机敏复合材料（smart composite）是现代复合材料发展的最新阶段，机敏复合材料（或 材料一器件的复合结构）能验知环境变化，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，它一般也称为机敏材料或机敏结构。机敏材料 具有自诊断、自适应或自愈合功能，因此，它必然是验知材料和执行材料的复合，有时还需 要外接的电源、信息处理和反馈系统。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。又如，能对振动产生自适应阻尼的机敏复合材料是由压电材料和形状记忆材料与 高聚物构成的执行材料复合在一起。当压电材料验知振动时，信号启动外接电路使形状记忆 合金发生形变，从而改变了复合材料的固有振动模态而减振。机敏复合材料已用于主动检测 振动与噪声，主动探测复合材料构件的损伤，根据环境变化主动改变构件几何尺寸等，也可 用于控制树脂基复合材料自身的固化过程。智能复合材料（intelligent composite）是机敏复合材料的高级形式。机敏材料对环境 能做出线性反应，而智能材料则能根据环境条件的变化程度非线性地使材料与之适应以达到 最佳效果。也就是说，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。但有的学者对二者并不严格区分而将它们统称为 智能材料。智能复合材料和系统也可简称为智能材料和系统，显然，智能材料必然是复合材 料而不可能是传统的单一材料。已在研究的智能材料和系统有：自诊断断裂的飞机机翼，自 愈合裂纹的混凝土，控制湍流和噪声的机械蒙皮，人工肌肉和皮肤等。在宇航、航空、舰艇、 汽车、建筑、机器人、仿生和医药领域已显示出潜在的应用前景。随着复合工艺、集成化和 微细加工技术的发展，将会有更多种实用的智能材料问世。1. 2复合材料的定义和分类1. 2. 1复合材料的定义复合材料既然属于材料族谱，它的定义也应与材料定义的内涵相符，同时还必需反映出 复合材料区别于传统材料的独特性质。从广义上讲，复合材料是由两种或两种以上不同化学 性质的组分组合成的材料。但在现代材料学界中，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。复合材料定义为：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。上述复合材料的定义较易被普遍接受，它不仅明确指出复合材料是“通过人工复合的” 和“有特殊性能的”材料，而且还指明了复合材料的组分、结构特点及与其他种材料（如简 单混合物、化合物、合金）的特征区别。根据复合材料的定义，我们可以从下列几点来进一 步了解复合材料的特点： 复合材料的组分和它们的相对含量是经人工选择和有意设计的； 复合材料是经人工制造而非天然的（区别于具有某些复合材料形态特征的天然物质）； 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）； 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； 复合材料是被明显界面区分的多相材料。根据上述复合材料定义，复合材料应不包括自然形成具有某些复合材料形态的物质、化 合物、单相合金和多相合金。1.2.2 复合材料的结构复合材料由两种以上主要组分以及它们之间的界面构成。组分材料主要指增强体和基 体，它们也被称为复合材料的增强相和基体相。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。其中一个组分是细丝（连续长的或短 切的）、薄片或颗粒，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，称为增强相或增强体（reinforced phase or reinforcement）0它们在复合材 料中呈分散形式，被基体相隔离包围，因此也称作分散相；另一个组分是包围增强相并相对 软和韧的贯连材料，称为基体相（matrix phase）o各类复合材料示意于图1-2。在制造前基体材料的形状可以是箔片、粉末、块体或无定形的流体，它的状态可以是固 态、气态、熔融态或半固-半液态的。但是在与增强相固结后，基体相在复合材料中就成为 包裹增强相的连续的块体。因此，基体相也叫做连续相。基休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着明显的接合面。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 ）o复合材料的性能取决于下列因素：组分材料的种类、性能、含量和分布，增强体的性能 和它的表面物理、化学状态；基体本身的结构和性能；增强体的配置、分布和体积含量。复 合材料的性能还取决于复合材料的制造工艺条件、复合方法、零件几何结构和使用环境条件。 复合材料既能保留原组分材料的主要特色，并通过复合效应获得原组分材料所不具备的性 能，可以通过材料设计使各组分的性能相互补充并彼此关联，从而获得新的性能。选择复合 材料的组分、增强体分布和复合材料制造工艺，使其具有使用要求的性能的过程，就是复合 材料设计。本书为了简化文字，将具体的复合材料体系表示为“增强相（名称、化学符号或专用代 号）/基体相（名称、化学符号或专用代号）。如碳纤维增强铝复合材料表示为“碳/铝”或 “C/Al”。图1-2复合材料的各种形态1. 2. 3复合材料的分类按照不同的着眼点，复合材料有许多种分类方法，例如复合材料可以按照使用功能、增 强相的几何形态或基体材料的性质进行分类。复合材料按照使用强度和使用功能要求分为两 类：结构复合材料和功能复合材料。结构复合材料主要是作为承力结构使用的复合材料，它 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 荷作用的基体组元构成。结构复合材料的特点是可根据材料在使用中受力的要求进行组元选 材和增强体排布设计，从而充分发挥各组元的效能。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、阻尼、摩擦、换能等。功能复合材料中 的增强体又可称为功能体组元，它分布于基体组元中。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4类，即纤维增强复合材料、颗粒增强复合材料、薄 片增强复合材料和叠层复合材料。纤维复合材料又分为连续纤维增强复合材料和非连续纤维 （包括晶须和短切纤维）增强复合材料。连续纤维复合材料又分为单向纤维（一维）、无纬 布叠层（正交、斜交）、二维织物层合、多向编织物复合材料和混杂纤维增强复合材料。定 向凝固共晶复合材料中的增强相是原位生长的纤维（或薄片），因此有时也归入纤维增强复 合材料中。颗粒增强复合材料的增强体是不同尺寸的颗粒（球形或者非球形）。颗粒增强复合材料 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0.010.1|J m，颗 粒间距为0.010.3p m）和粒子增强复合材料（颗粒等效直径为150p m，颗粒间距为125 M m）。还有一类颗粒增强体是空心微球（微球直径1030|J m，壁厚14|J m），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料。颗粒型 增强体的主要作用是调节复合材料的导电性、导热性，改善摩擦磨损性、降低热膨胀系数、 提高耐受温度及调节复合材料的密度。薄片增强复合材料的增强材料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。天然的片状增强体的典型代表是矿产云母，人 造的片状增强体有玻璃（又称玻璃鳞片）、铝、镀、银、二硼化铝（A1B2）等。自身生长薄 片增强体的实例为二元共晶合金Al-Cu中的CuA12片状晶。天然和人造片状增强体的含量可 以在较大范围内变动。片状增强体在片的方向提供各向均衡的性能，当它紧密堆叠时，由重 叠形成的曲折途径可以有效地阻碍流体的渗漏，同时也可以减少沿片的法线方向扩展的机械 损伤。云母和玻璃鳞片增强复合材料可用于防腐蚀、防渗漏、隔热和电绝缘。金属薄片增强 复合材料也可提供防腐蚀和防渗漏性能。当金属薄片紧密堆叠时，还可在片的平面方向提供 导电和导热性，而在片的法线方向提供电磁波屏蔽。金属薄片还可产生表面装饰效果和调节 复合材料的透光度。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结。叠层复合材料中的“层”，可以是前述的单向无纬布、浸胶 纤维布，如玻璃纤维布、碳纤维布或棉布、合成纤维布、石棉布等。也可以是片状材料，如 纸张、木材以及前述的铝箔（在混杂叠层复合材料中）。也有人将双金属层合片、涂覆金属 和夹层玻璃归于叠层复合材料。叠层复合材料在其层面方向可以提供优良的性能。高性能复合材料按照其基体材料的性质通常分成两类：金属基复合材料（metal matrix composite，简记为MMC）和非金属基体复合材料。后者又可以分为两类：聚合物基复合材 料（polymer matrix composite，简记为 PMC）和陶瓷基复合材料（ceramic matrix composite，简记为CMC）。金属基复合材料包括铝基、镁基、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。有时把金属叠层材料也归入此范畴。聚合物基复合材 料又称树脂基复合材料，它是以高聚物（通称树脂）为基体的复合材料。当其增强体是纤维 或纤维编织物时，因其高强度与高模量，常作为结构材料；当增强体为粒状、片状或纤维状 填充组分时，由于其组成和性能不同，有的作为结构材料，有的作为功能材料。按树脂类型 不同，树脂基复合材料又分为热固性树脂基复合材料和热塑性树脂基复合材料。前者的基体 树脂有不饱和聚酯、环氧、酚醛、双马来酰亚胺等；后者的基体树脂有聚酰胺、聚丙烯、聚 苯硫醚、聚醚醚酮等。陶瓷基复合材料主要是为改善陶瓷材料的脆性而开发的，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、玻璃基和玻璃陶瓷基复合材料以及 无机高聚物基复合材料。陶瓷基复合材料还可以按其使用温度分为高温陶瓷基复合材料（它 以多晶陶瓷为基体，耐受温度为10001400°C ）和低温陶瓷基复合材料（它以玻璃及玻璃陶 瓷为基体，耐受温度在1000C以下）。复合材料分类见图1-3。按照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如下几类：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基体 复合；金属增强体与金属增强体复合。此外，增强体也可能由金属与非金属两种混杂于非 金属基体中。图1-3复合材料分类1. 3复合材料的基本特点本节将简述复合材料在设计、制造和性能方面有别于传统材料的基本特点。复合材料的 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。复合材料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复合材料的性能具有可设计性材料设计（marterials design）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。材料设计的方法有演绎法和归纳法两类。演绎法是根据有关理论，从基 本原理出发，采用“从头算起（a-b initio）”的方法进行设计；归纳法则是根据已有的经验， 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）。这两种方法还可以结合运用，以获得满足要求的新材料。通过改变材 料的组分，结构、工艺方法和工艺参数来调节材料的性能，就是材料性能的可设计性。显而 易见，复合材料中所包含的诸多影响最终性能的、可调节的因素，赋予了复合材料的性能可 设计性以极大的自由度。复合材料设计的首要步骤是选择构成复合材料的基本组分材料（增强体和基体）。这一 步骤可简称为选材，它包括确定增强体和基体的种类（即确定复合体系），并根据复合体系 初步确定增强体在复合材料中的体积分数（即各组元之间的体积比例）。在选择增强体时，作为设计依据的原始数据包括对复合材料性能的一般性要求和特殊要 求。一般性要求如：强度、模量、密度、化学稳定性、形状和尺寸、生产加工性、成本、经 济性、性能再现性或一致性、对损伤及磨损的抵抗与耐受能力、与基体材料的粘接性；特殊 要求如：热性能（导热性、热膨胀系数X高温性能（抗氧化性、再结晶、老化性）等。在选择基体时，作为设计依据的原始数据一般要求为：对增强体的包容、充填变形性、 基体本身的固结性、断裂韧性、耐腐蚀性、抗疲劳性、强度；特殊要求如：高温抗氧化性和 抗蠕变能力、焊接性、二次加工（锻、轧、挤、切削）性等。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，来确定复合材料体系。从几种复合 材料体系的候选方案经定性和定量比较筛选。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 板的承受能力与变形，从而确定增强体在复合材料中的理想配置与铺叠次序。除颗粒增强复 合材料外，定向的晶须和长纤维复合材料的力学及物理性质是非均质和各向异性的，与可视 为均质的和各向同性的传统材料有显著不同，这是复合材料可以进行铺层设计的主要依据。 复合材料可以根据结构各处工作环境及载荷类型与大小，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，使复合材料优化设计更臻完善。传统材料只能选择现成的牌 号与规格，在这一点上，复合材料将赋予结构设计者更大的自由度，也为力学工作者提供了 更广阔的施展才华的空间。发展成熟的均质材料的力学分析和力学原理，以及各向异性材料 力学和弹性理论、层合板理论、有限元分析，均可应用于复合材料设计中，成为复合材料性 能可设计性的理论依据和工具。1. 3. 2材料与构件制造的一致性将通过材料设计入选的复合材料组分（增强体和基体）数量（即相对体积含量）确定后， 根据铺层设计的要求进行排列和配置，经复合（即组合或制造）以后，就可以得到复合材料 的构件。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。与此显著不同的是，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。制造复合材料与制造构件往往是同步的。根据构件形状设计模具，再根据铺层设计来敷 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，这种制造过程称为一次成 型。构件的连接（螺接、铆接、焊接、粘接等）、机械切削加工及坯件的进一步塑性变形（主 要是金属基复合材料的挤制、轧制和滚压）称为复合材料的二次加工。多数复合材料不必经 过二次加工。一次成型后，复合材料构件即可供直接使用的成形方法称为净成形。为了使增强体与基体按要求复合起来，需要解决两个问题：基体向增强体中掺入的方 法；增强体与基体之间的粘接。前一个问题要求在基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。增强体的 损伤分为机械损伤和化学损伤两种。机械损伤与纤维的脆性有关。韧性纤维（如金属纤维） 不易被机械损伤，脆性纤维（如陶瓷纤维）对表面划伤十分敏感，而这些机械损伤几乎在人 们的手工操作、工具操作，甚至在纤维间相互接触、摆放、缠绕过程中都可能发生。固态法 制造过程也会直接损伤纤维。化学损伤主要为热损伤，它是在高温制造过程中，增强体与基 体之间化学反应过量，增强体中某些元素参与反应，增强体结构被破坏而造成的增强体性能 降级或损坏。增强体的化学损伤与复合工艺条件及复合方法有关。在热损伤的同时，将伴随 增强体与基体之间界面结构的改变，一般是产生界面反应层使界面脆性增大、造成界面传递 载荷的能力下降。因此，在复合材料制造过程中，应尽量避免增强体的损伤，尤其应减少导 致界面脆性的增强体热损伤。第二要解决的问题要求在复合材料中增强体与基体之间具有良好的界面结合。良好结合 的界面体现在三个方面：在复合过程中，基体对增强体润湿；两组分之间无过量的化学 反应；生成的界面相能承担传递载荷的功能。复合材料的制备过程中，固相（纤维或颗粒 增强体）与液相（基体熔体）之间的界面效应（物理的、化学的和物理化学的）和所制得的 复合材料中增强相与基体相之间的固/固界面效应，取决于纤维或颗粒表面的物理和化学状 态、基体本身的结构和性能、复合方式、复合工艺条件和环境条件。由此可见，复合材料的 制造或获得有用的复合材料的过程是一个复杂、困难并富有挑战性的研究领域。1. 3. 3叠加效应复合材料的设计，首先是要选择合适的单元组分材料，即挑选那些在组合成复合材料结 构后，有希望达到期望的性能指标的增强体和基体组分。要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。图1-4示出复合材料叠加效应的形象图解。在图1-4中，A和B分别表示增强体和基体，它们各自具备优点和缺点。尽管A和B 将性能方面的优点和缺点均带入复合材料之中，但是叠加的结果有可能扬长避短，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；或者是由另一组分的优点来补偿该 组分的缺点，做到性能互补，从而使复合材料在任何使用环境中增强体与基体之间均能保持 协调一致，成为能够在指定的工作环境范围中有效承担预期载荷和发挥预期效能的有机整 体。复合材料的性能c在大多数情况下处在c1和。2之间（见图1-4），它高于A与B的相应 性能中的较小者，一般等于按A、B体积分数V的加和，即c=%匕+%匕，当组分匹配得当 和复合工艺适宜时，有可能高于此值；反之则可能低于此值。叠加效应是复合材料的一种主要复合效应，有关复合材料的设计原理和复合效应将在本 书有关章节（如第三章）中讨论。1. 3. 4复合材料的不足目前，复合材料的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；制备复合材料的工艺比较复杂，制造质量重复性尚不能完全保证，性能离散性 较大；由于复合材料的组分材料特别是增强体的价格偏高，且复合材料的制造工艺耗资较高， 因此复合材料制品的成本较高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、汽车等陆上运输、船舶和水上交通、建筑工 程、化学工业、体育器械和娱乐用品、能源和环境保护、家用和商务设备、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（图1-5）、雷达罩（图1-6）、轻型飞机（割-7）、汽车外壳（割-8）、 快艇（图1-9）、自行车（图1-10）、钓鱼竿（图1-11）、海上油田生产平台（图1-12）等。 它不仅可以代替所有的传统材料，而且在某些特殊的埸合，复合材料是其他材料无与匹敌的 唯一候选者。图1-5运载火箭整流罩、广播卫星抛物面天线图1-6雷达罩图1-12海上油气生产平台图1-7 AD-100型超轻型飞机图1-9快艇图1-11碳纤维增强钓鱼竿图1-8汽车外壳图1-10自行车