1.3 先进复合材料的性能
复合材料是由有机高分子、无机非金属或金属等几种不同物理、化学性质的材料，通过复合工艺，以微观、细观或宏观等不同的结构尺度与层次，经过复杂的空间组合而形成的新的材料系统。它与一般材料的简单混合有本质区别，可以通过材料设计使原组分的性能相互补充并彼此关联，从而获得更优越的性能，既保留原组成材料的重要特色，又通过复合效应获得原组分所不具备的性能。
先进复合材料是指用高性能纤维、织物、晶须等增强基体材料所制成的高级材料。通常增强基体有碳纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维、硼纤维、芳纶纤维、高密度聚乙烯纤维等高性能增强材料；先进复合材料具有高比强度、高比模量和性能可设计等特点，能有效地减小导弹和航天器的结构质量，并且赋予某些特殊功能（如防热、吸波等），是用于飞机、火箭、卫星、飞船等现代航空航天飞行器的理想材料，也是当今航天新材料研究和发展的重点。先进复合材料的使用，不仅极大地提高了现代飞行器的性能，使得人类飞天、登月的梦想变成现实，同时也创造了巨大的经济效益。先进复合材料的性能优越性主要表现为以下几点。
（1）复合效应 克服单一材料的缺点，具有高强度、高韧性、适中的弹性模量等。复合材料既是一种材料，又是一种结构，其结构可根据需要进行设计，易于实现结构与功能一体化。
（2）比强度与比模量高 比强度和比模量是用来衡量材料承载能力的性能指标。比强度越高，同一零件的自重越小；比模量越高，零件的刚性越大。复合材料的突出优点是比强度和比模量高，有利于材料的减小质量。表1.1为几种金属和复合材料的比强度和比模量值。先进复合材料的力学性能呈现轻质高强的特征，其比强度和比模量都比钢和铝合金高出许多。例如，玻璃纤维增强树脂基复合材料的密度为2.0 g/cm3，只有普通碳钢的1/5～1/4，约为铝合金的2/3，而拉伸强度却超过普通碳钢的拉伸强度，这是现有其他任何材料所不能比拟的。
表1.1 几种金属和复合材料的比强度和比模量值
（3）良好的抗疲劳性能 疲劳破坏是材料在变载荷作用下，由于裂缝的形成和扩展而形成的低应力破坏，如图1.3所示。金属材料的疲劳破坏常常是没有任何预兆的突发性破坏。而聚合物基复合材料中纤维与基体的界面能阻止裂纹扩展，其疲劳破坏总是从纤维的薄弱环节开始逐渐扩展到结合面上，因此，破坏前有明显的预兆，不像金属那样来得突然。大多数金属材料的疲劳强度极限是其拉伸强度的40%～50%，而碳纤维增强聚酯树脂复合材料则达70%～80%。
图1.3 材料的疲劳强度（1N/mm2=1MPa）
（4）耐腐蚀性能好 很多复合材料都能耐酸、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，可用来制造耐硫酸、盐酸的化工管道、泵、容器、搅拌器等设备；而用耐碱玻璃纤维或碳纤维构成的复合材料能在强碱介质中使用，在苛刻环境条件下也不会腐蚀。复合材料耐化学腐蚀的优点使其可以广泛用在沿海或海上的军用、民用工程中。
（5）减振性能好 受力结构的自振频率除与结构本身形状有关外，还与材料的比模量的平方根成正比。复合材料比模量高，故具有高的自振频率，避免了工作状态下共振而引起的早期破坏。同时，复合材料界面具有较好的吸振能力，使材料的振动阻尼高，减振性好。根据对相同形状和尺寸的梁进行的试验可知，轻金属合金梁需9s才能停止振动，而碳纤维复合材料梁只需2.5s就会停止同样大小的振动。
（6）良好的高温性能 聚合物基复合材料可以制成具有较高比热容、熔融热和气化热的材料，以吸收高温烧蚀时的大量热能。碳化硅纤维、氧化铝纤维与陶瓷复合，在空气中能耐1200～1400℃高温，要比所有超高温合金的耐热性高出100℃以上。同时，增强纤维、晶须、颗粒在高温下又都具有很高的高温强度和模量，并且在复合材料中起着主要承载作用，纤维强度在高温下基本不下降，所以纤维增强金属基复合材料的高温性能可保持到接近金属熔点，并且比金属基体的高温性能高许多。如钨丝增强耐热合金，其1100℃、100h高温持久强度仍为207MPa，而基体合金的高温持久强度只有48MPa。
（7）良好的导电和导热性能 金属基复合材料中金属基体占有很高的比例，一般在60%（体积分数）以上，因此仍保持金属所具有的良好导热性和导电性，可以使局部的高温热源和集中电荷很快扩散消失，减少构件受热后产生的温度梯度。良好的导电性可以防止飞行器构件产生静电聚集的问题，有利于解决热气流冲击和雷击问题；为解决高集成度电子器件的散热问题，也可以在金属基复合材料中添加高导热性的增强物，进一步提高其热导率。
（8）耐磨性能好 复合材料具有良好的耐摩擦性能。例如，金属基体中加入了大量高硬度、化学性能稳定的陶瓷纤维、晶须、增强颗粒，不仅提高了基体的强度和刚度，也提高了复合材料的硬度和耐磨性。复合材料的高耐磨性在汽车、机械工业中有很广的应用前景，可用于汽车发动机、刹车盘、活塞等重要零件，能明显提高零件的性能和寿命。
（9）大面积整体成型 采用共固化/共胶接等手段，可进行大面积整体成型。可以减少零件数目、连接件数目，减小质量，降低装配成本，增加可靠性，易于实现大型结构件的融合体布局，从而降低成本。
需要说明的是，对于不同的复合材料仍存在着许多优异的性能。例如，玻璃纤维增强塑料是一种优良的电气绝缘材料；有些复合材料中有大量增强纤维，当材料过载而有少数纤维断裂时，载荷会迅速重新分配到未破坏的纤维上，使整个构件在短期内不至于失去承载能力，有效地保证了过载时的安全性；作为增强物的碳纤维、碳化硅纤维、晶须、硼纤维等均具有很小的热膨胀系数，又具有很高的模量，尤其是石墨纤维只有负的热膨胀系数，可以保证复合材料的热膨胀系数小，具备良好的尺寸稳定性；而有些功能性复合材料具备特殊的光学、电学、磁学特性。