第1章　概论

1.1　复合材料概述

复合化是新材料发展的重要趋势之一，即将两种或两种以上异形、异质、异构的材料，用专门的成型技术和方法复合而得到的一种高性能的新材料体系，复合的目的之一是取两种材料之长，形成优势互补，使材料高性能化。所谓高性能化，就是实现轻质、高强，也就是大幅提高单位质量材料的强度和刚度，称之为高比强度和高比刚度。用作结构材料时，较轻的结构质量，就可以完全满足承载的要求，使材料的效率得以充分发挥。例如，航空航天结构件用高性能碳纤维增强的树脂基复合材料代替轻质高强铝合金，减重效果可达20％～40％，体现出节能减排的巨大效益。

复合的另一个目的是使材料拥有某种物理性能，如光、电、热、声、磁等的特殊功能，实现材料的高功能化和多功能化。因此复合材料按使用要求大致分为结构复合材料和功能复合材料，随着复合材料技术的发展，现在也在大力发展结构/功能一体化或智能化的复合材料。另外，从材料技术的发展历程来看，复合化也是势在必行。现代材料技术100多年的发展表明，单一材料技术的发展已相当成熟。单一材料包括金属、无机非金属和有机高分子材料，在性能上继续实现重大突破的空间已经有限，但现代高新技术，例如航空航天领域，却对材料提出了越来越高的要求，这就促使人们去研究开发更新和更高效的材料。

有的单一材料尽管性能很好，但在使用中却常表现出一些不足。例如，金属材料强度高、耐热性好，但一般情况下密度高、重量大，不利于减轻结构重量；新型陶瓷材料耐高温、耐腐蚀，但致命的缺陷是脆性大，限制了其在结构上的使用；新型高分子材料综合性能好、加工容易、成本低，适于大量推广，但本身的强度和耐热性都不够。

目前，能有效克服单一材料的某些不足的方法就是复合。通过复合，人们可以根据自己的愿望来获取一种高性能或具有某种特殊功能的新材料，这就是复合材料。复合材料这种取不同材料之长以达到优势互补的作用被称为复合效应。通过复合效应就可以设计各种新型材料，因此，现在也把复合材料称为“设计材料”。

业界认为，从材料发展的进程看，21世纪是复合材料时代，就材料而言，现在的趋势是“一切都要复合；一切都可复合；一切都在复合”。在今后一段时期内，只有复合材料才有潜力取得20％～25％的性能提升。这是指结构材料而言。而对于功能材料，复合正在为各种新功能、高功能、多功能材料提供前所未有的发展空间。

通常将组成复合材料的材料或原材料称为组分材料（constituent materials），它们可以是金属、陶瓷或高聚物材料。对结构复合材料而言，组分材料包括基体（matrix）和增强体（rein-forcement），基体的作用是将增强体固结在一起并在增强体之间传递载荷；增强体是复合材料中承载的主体，目前用得最多的是纤维增强，也可用颗粒、晶须或小薄片的形式增强。如前所述，用作基体和增强体的材料可以是金属、陶瓷或聚合物材料。

功能复合材料的组分材料是基体和功能体（functional agents），功能体大多是具有某种物理特性的颗粒物或其他形态的物质，它们可以使基体在原有性质的基础上增加光、电、声、热、磁等特殊功能。[1，2]

1.1.1　复合原理[3，4]

复合材料的复合原理就是将两种或两种以上的组分材料通过物理或机械的方法进行组合，组合过程中，组分材料不发生化学变化，也就是组分材料以原有的形态和性质共同存在于复合材料中。因此复合材料在宏观上包括至少两种不同的组分材料，是一种多相组成的材料体系。

基于这样的复合原理，不是所有的通过物理或化学方法得到的混合物或化合物都能称为复合材料，金属材料中的合金也不能算复合材料。为了有别于越来越多的混合物、化合物和合金，近年来对什么是复合材料有了较明确的界定，主要有以下几方面：

（1）复合材料是人工复合的，以区别于具有复合材料形态的某些天然物质；

（2）组分材料必须具有不同的性质和形态，并在复合材料中保持不变，以区别于合金和化合物；

（3）组分材料的性质和含量可以进行选择和设计，有人提出，每种组分含量至少在5％以上；

（4）复合后的各组分材料之间存在界面层或界面相，在宏观上是多相的材料体系；

（5）复合材料的性能取决于各组分材料的性能和含量以及复合方式，复合后可得到原组分不能提供的性能或功能，也就是说，复合能使材料高性能化和特殊功能化。

由此可以看出，复合材料与一般材料简单的混合有本质区别，也不同于金属材料中的合金，合金只是一种包含不同金属元素的金属材料，不含其他性质不同的材料。同样复合材料也有别于用不同方法，如接枝、嵌段和互穿网络共聚改性的二元、三元或多元高聚物材料，因为它们也不包含性质不同的其他材料，实际上也是一种高分子聚合物材料。

简言之，复合材料是组分材料在不同尺寸、不同层次上进行材料结构设计和优化的结果，既保留了组分材料原有的性能，又能得到组分材料不能提供的一些新的性能或功能，甚至产生了原组分材料根本不具备的全新的功能。例如，纳米复合材料（nano-composites）是近年来快速发展的新兴复合材料，由于填充物的纳米尺度效应、大的比表面积以及填充物与基体间强的界面相互作用，纳米复合材料的性能经常不受常规复合理论的约束，具有一系列独特的力学、热力学和加工流变等性质。

复合材料大大拓宽了材料的应用范围，通过不同方式的复合，可以开发出许多的新材料品种，使复合材料继金属、无机非金属和有机高分子材料之后，成为一大类新的材料。

在复合材料大家族中，用增强纤维与树脂基体复合是一种最基本的复合，因此纤维复合材料，尤其是碳纤维树脂基复合材料是目前在结构应用中发展的主流。其复合的原理如图1-1所示，这是一种最基本的复合，将平行排列的纤维与树脂直接组合成复合材料。

纤维与树脂的复合有多种方式，而在高性能的复合材料中，大量采用的是用连续纤维增强的层压复合材料（见图1-2）。它是先将平行纤维与树脂基体制成层片（通常以预浸料的形式提供），再经过铺层设计，将层片按不同的纤维取向进行叠合，最后用热压成型的方法制成层压板或层合板，图1-2（a）是单向层板，纤维沿同一个取向，呈各向异性，平行纤维方向与垂直方向性能大不相同，这是纤维复合材料与各向同性的金属材料最基本的区别，它是研究复合材料最基本的单元；图1-2（b）是多向层板，采用对称铺层设计，即在层板中心面两侧的各层的纤维是对称的，称准各向同性板。

现代复合材料技术正是基于这种层压结构而发展起来的，比如复合材料力学，包括微观力学和宏观力学，它必须研究各组分（如基体和增强体）的性能、含量、复合方式、界面结合、非均匀性的影响等微观特性，以及纤维取向、层片叠合顺序、层压板强度和刚度、失效准则、湿热环境影响等宏观特性，成为复合材料结构设计的技术基础。

为了改善这种层压结构中纤维与基体的界面结合以及层与层之间的结合，近年来发展了用二维的织物或三维的纤维编织件或缝合件与树脂复合的技术（见图1-3）。这种增强方式解决了层压复合材料薄弱的层间结合问题。

复合材料另一种特殊的结构形式是夹层结构（见图1-4）。强度很高的上下面板与轻质夹芯用胶膜粘接在一起，形成一个“三明治”，面板可以是玻纤或碳纤复合材料，芯材可以是蜂窝、高性能泡沫塑料及特形芯材，但蜂窝芯用得最多，如Nomex蜂窝芯。夹层结构的特点是重量轻、刚性好，能承受较高的弯曲和扭曲载荷，在航空航天、船舶、列车和建筑上得到广泛应用。比如用玻璃纤维复合材料面板与蜂窝芯制成的夹层结构，除很高的强度和刚度外，还有很好的透电波性能，是各种雷达天线罩主要的结构形式。

1.1.2　复合效应[5]

复合效应是指复合过程中各组分材料的相互作用或相互影响，形成各取所长、优势互补，实现复合材料的性能改进或提高的一种度量，或得到一种或多种新的功能。因此复合材料的整体性能不是其组分材料性能的简单叠加和平均，而是通过各种复合效应得到一种不同于原组分材料的新材料体系所具有的综合性能。

复合效应是复合材料技术研究的重点内容，由于组分材料性质、形状、含量、分布以及复合的方式多有不同，复合效应也有多种不同的表现形式，从目前的研究现状来看，大致上可分为两种类型：线性效应（linear effect）和非线性效应（non-linear effect）。

线性效应是指复合材料的性能与组分材料用量呈线性变化关系。例如，纤维增强复合材料性能的线性复合效应就可表示为：

Pc=PmVm+PfVf

式中：P——材料性能；

V——材料体积含量；

c、m、f——分别表示复合材料、基体和增强体（或功能体），下同。

例如，复合材料的弹性模量按线性效应就可表示为：

Ec=EmVm+EfVf

式中：E——弹性模量；

V——组分的体积分数。

应该指出，这只是一种理论的假设，实际情况也许不尽一致。而且，这种关系只在一定的范围内适用，例如，纤维增强复合材料，增强体的体积分数一般在60％左右，高性能复合材料的纤维体积含量可达70％，在这个范围内，复合材料的强度会随纤维体积分数的增大而逐步提高，超出这一范围，树脂基体不足以包覆全部纤维的表面，造成严重的界面缺陷，导致复合材料性能迅速下降。

非线性效应在功能复合材料上体现较多，典型的如航天器表面热防护的梯度功能复合材料，与均匀功能复合材料不同。梯度功能复合材料的主要特征：一是材料的组分和结构呈连续梯度变化；二是材料内部没有明显的界面；三是材料的性质也相应呈连续梯度变化。其设计思想是高温侧壁采用耐热性好的陶瓷材料，以适应几千摄氏度高温气体的环境；低温侧壁使用导热性和强度好的金属材料，与飞行器表面连接。由于该材料内部不存在明显的界面，陶瓷和金属的组分呈连续变化，物性参数也呈连续变化。材料从陶瓷过渡到金属的过程中，其耐热性逐渐降低，机械强度逐渐升高，热应力在材料两侧均很小，既能对飞行器表面进行有效的热防护，又不至于增加防护层与飞行器表面的应力差，对飞行器表面起到保护作用[3]。

在结构复合材料中，较理想的复合效应体现在以下几方面：

1.力学性能提高

纤维与基体复合后，在基体的连接和约束下，形成固定的形状和尺寸，并通过界面进行彼此之间的载荷传递，使复合材料相对于基体而言力学性能大幅提高。复合材料优异的力学性能只能通过两者的复合才得以实现和发挥。

2.光学性能与力学性能的复合

用透光性极好的玻璃纤维增强聚酯复合材料，具有很好的力学性能并同时具有充分的透光性，可应用于透光的建筑结构制品。

3.电性能与力学性能的复合

玻璃纤维增强树脂基复合材料具有良好的力学性能，同时又是一种优良的电绝缘材料，用于制造各种仪表、电机与电器的绝缘零件，在高频作用下仍能保持良好的介电性能，又具有电磁波穿透性，用来制作各种雷达天线罩。聚合物基体中引入炭黑、石墨、酞花菁络合物或金属颗粒粉等导电填料制成的复合材料具有导电性能，同时也具有高分子材料的力学性能和其他特性。

4.热性能与力学性能的复合

①耐热性能。力学性能和热性能是结构树脂基复合材料的两个主要性能。耐热性能取决于所用的树脂基体，如飞机结构的环氧树脂复合材料最高使用温度可达150℃，双马树脂为180～220℃。

②热防护性能。航天飞行器在往返大气层时表面温度将达数千度，一般的材料很难承受如此高温，通常采用热烧蚀材料进行防护；烧蚀防护材料依靠材料本身的烧蚀带走热量而起到防护作用。玻璃纤维、石英纤维及碳纤维增强的酚醛树脂是成功的烧蚀材料，本身具有较高的强度，同时酚醛树脂遇到高温立即碳化形成耐热性高的碳原子骨架；玻璃纤维还可部分气化，在表面残留下几乎是纯的二氧化硅，它具有相当高的黏结性能。两方面的作用，使酚醛玻璃钢具有极高的耐烧蚀性能。

5.吸波隐身功能与力学性能复合

在复合材料基础上加入雷达波吸收材料，并通过对结构的特殊外形设计，可以得到吸波隐身功能，这对于提高飞机的突防能力很有帮助。

6.透波功能与力学性能复合

玻璃纤维复合材料除具有足够好的力学性能外，还具有透雷达波功能，因此玻璃纤维复合材料可以制造各种雷达天线罩。

实际上，复合材料技术的核心内容就是复合效应。既然要复合，就要重视复合的效果，而复合的效果就是通过各种复合效应体现出来的。因此复合效应几乎包括了复合材料技术所有的内容，如概念设计、详细设计、设计选材、复合机理、复合方式、成型工艺、性能表征和评价等。复合效应主要取决于组分材料的性能、含量及复合方式，而加工和成型的工艺质量则是复合效应能否充分得到体现和发挥的关键。