三、复合材料

（一）复合材料组成、分类和特点

1.复合材料的组成

复合材料中至少包括基体相和增强相两大类。基体相起黏结、保护增强相并把外加荷载造成的应力传递到增强相上去的作用，基体相可以由金属、树脂和陶瓷等构成，在承载中，基体相承受应力作用的比例不大；增强相是主要承载相，并起着提高强度（或韧性）的作用，增强相的形态各异，有纤维状、细粒状和片状等。

2.复合材料的分类

工程上开发应用较多的是纤维增强复合材料。通常有如下分类方法。

（1）按基体材料类型可分为树脂基、无机非金属材料基和金属基复合材料三大类，如图1.1.1所示。

（2）按增强体类型可分为颗粒增强型、纤维增强型和板状增强型复合材料三大类。

（3）按用途可分为结构复合材料与功能复合材料两大类。结构复合材料指以承受荷载为主要目的，作为受力结构使用的复合材料，功能复合材料指具有除力学性能以外其他物理性能的复合材料，即具有各种电学性能、磁学性能、光学性能、热学性能、声学性能、摩擦性能、阻尼性能，以及化学分离性能等的复合材料。

（4）按增强纤维类型分为碳纤维复合材料、玻璃纤维复合材料、有机纤维复合材料、复合纤维复合材料和混杂纤维复合材料等。

3.复合材料的特点

与普通材料相比，复合材料具有许多特性，具体表现在：

（1）高比强度和高比模量。复合材料的突出优点是比强度和比模量高。如碳纤维增强树脂复合材料的比模量比钢和铝合金高五倍，其比强度也高三倍以上；

（2）耐疲劳性高。纤维复合材料，特别是树脂基复合材料对缺口、应力集中敏感性小，而且纤维和基体的界面可以使扩展裂纹尖端变钝或改变方向，即阻止了裂纹的迅速扩展，因而疲劳强度较高，碳纤维不饱和聚酯树脂复合材料疲劳极限可达其拉伸强度的70％～80％，而金属材料只有40％～50％；

（3）抗断裂能力强。纤维复合材料中有大量独立存在的纤维，一般每平方厘米上有几千到几万根，由具有韧性的基体把它们结合成整体，当纤维复合材料构件由于超载或其他原因使少数纤维断裂时，荷载就会重新分配到其他未断裂的纤维上，使构件不至于在短时间内发生突然破坏。因此复合材料都具有比较高的抗断裂韧性。

（4）减振性能好。结构的自振频率与结构本身的质量和形状有关，并与材料比模量的平方根成正比。若材料的自振频率高，就可避免在工作状态下产生共振及由此引起的早期破坏。

（5）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有明显提高。而金属基复合材料在耐热性方面更显示出其优越性，如铝合金的强度随温度的增加下降得很快，而用石英玻璃增强铝基复合材料，在500℃下能保持室温强度的40％。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。

（6）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、容器和搅拌器等设备。

（7）较优良的减摩性、耐磨性、自润滑性和耐蚀性。

同时由于复合材料构件制造工艺简单，表现出良好的工艺性能，适合整体成型。在制造复合材料的同时，也就获得了制件，从而减少了零部件、紧固件和接头的数目，并可节省原材料和工时。

（二）复合材料基体

（1）树脂基体。树脂基复合材料是复合材料中最主要的一类，通常称为增强塑料。常用的热塑性树脂主要有通用型和工程型树脂两类。前者仅能作为非结构材料使用，产量大、价格低，但性能一般，主要品种有聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯和聚苯乙烯等。后者则可作为结构材料使用，通常在特殊的环境中使用。一般具有优良的机械性能、耐磨性能、尺寸稳定性、耐热性能和耐腐蚀性能。主要品种有聚酰胺、聚甲醛和聚苯醚等。

（2）金属基体。金属基复合材料主要有三类：颗粒增强、短纤维或晶须增强、连续纤维或薄片增强。多种金属及其合金可用作基体材料，如铝合金。铝合金由于低的密度和优异的强度、韧性和抗腐蚀性能在许多工业领域得到了大量的应用。钛合金。钛合金具有高比强度和高比模量，以及优良的抗氧化和抗腐蚀性能，使其成为一种理想的化工材料，如钛合金可用于化工方面的喷气发动机（涡轮机和压气机叶片）和机身部件等。镁合金。镁和镁合金是另一类非常轻的材料，铸造镁合金用于电子设备等。铜合金。铜具有面心立方体结构，它普遍用作电导体，它的导热性能优良，容易铸造和加工，铜在复合材料中的主要用途之一是作为铌基超导体的基体材料。

此外，还有金属间化合物，如镍铝化合物等。用金属间化合物作为基体材料可提高复合材料的韧性。

（3）陶瓷基体。制作陶瓷基复合材料的主要目的是增加韧性。适用陶瓷基复合材料的基体材料主要有氧化物陶瓷基体（氧化铝陶瓷基体和氧化锆陶瓷基体等）。非氧化物陶瓷基体（氮化硅陶瓷基体、氮化铝陶瓷基体、碳化硅陶瓷基体及石英玻璃）。

（三）复合材料增强体

（1）纤维增强体。复合材料中的纤维增强体，不单指纤维束丝，还包括纺织布、带、毡等纤维制品。纤维增强体按其组成可以分为无机纤维增强体和有机纤维增强体两大类，无机纤维包括玻璃纤维、碳纤维、硼纤维及碳化硅纤维等；有机纤维包括芳纶、尼龙纤维和聚烯烃纤维等。按其性能可以分为高性能纤维增强体和一般纤维增强体两种，高性能纤维增强体是指具有超高强度和超高模量的各种纤维增强体，包括碳纤维、芳纶、全芳香族聚酯，以及其他具有伸直链结晶结构的纤维。一般纤维增强体是指强度不高，产量较大，来源较丰富的纤维。主要有玻璃纤维、石棉纤维、矿物纤维、棉纤维、亚麻纤维和合成纤维等。

在纤维增强体中，玻璃纤维是应用最为广泛的增强体。可作为树脂基或无机非金属基复合材料的增强材料，玻璃纤维具有成本低、不燃烧、耐热、耐化学腐蚀、拉伸强度和冲击强度高、断裂延伸率小、绝热性及绝缘性好等特点。

除上述纤维增强体外，金属纤维增强体、晶须增强体也被用作增强体。

（2）颗粒增强体。复合材料中的颗粒增强体按颗粒尺寸的大小可以分为两类，一类是颗粒尺寸在0.1～1.0μm以上的颗粒；另一类是颗粒尺寸在0.01～0.10μm范围内的微粒增强体。

（3）片状增强体。片状增强体通常为长与宽尺度相近的薄片。片状增强体有天然、人造和在复合工艺过程中自身生长出来的三种类型。天然片状增强体的典型代表是云母，人造的片状增强体有玻璃、铝和银等。

（四）复合材料应用

（1）玻璃纤维增强聚酰胺复合材料的刚度、强度和减摩性好，可制造轴承、轴承架和齿轮等精密机械零件，还可以制造电工部件等。玻璃纤维增强聚丙烯复合材料的强度、耐热性和抗蠕变性能好，耐水性优良，可用来制造干燥器壳体等。

（2）碳纤维增强酚醛树脂-聚四氟乙烯复合材料，常用作各种机器中的齿轮、轴承等受载磨损零件，活塞、密封圈等受摩擦件，也用作化工零件和容器等。碳纤维复合材料还可用于高温技术领域、化工和热核反应装置中。

（3）石墨纤维增强铝基复合材料，可用于结构材料，制作涡轮发动机的压气叶片等。

（4）合金纤维增强的镍基合金，用于制造涡轮叶片，在可承受较高工作温度的同时，还可大大提高承载能力。

（5）颗粒增强的铝基复合材料已在民用工业中得到应用。其主要优点是生产工艺简单，可以像生产一般金属零件那样进行生产，用该材料制造的发动机活塞使用寿命大大提高。

（6）塑料-钢复合材料。主要是由聚氯乙烯塑料膜与低碳钢板复合而成，有单面塑料复合材料和双面塑料复合材料两种。它综合了低碳钢的强度和塑料的美观、防腐和绝缘的特点。在一定范围内可以代替不锈钢和木材，其性能如下：

1）化学稳定性好，耐酸、碱、油及醇类的侵蚀，耐水性也好；

2）塑料与钢材间的剥离强度大于或等于20MPa；

3）深冲加工时不剥离，冷弯120°不分离开裂（d=0）；

4）绝缘性能和耐磨性能良好；

5）具有低碳钢的冷加工性能；

6）在-10～60℃之间可长期使用，短时间使用可耐120℃。

（7）塑料-青铜-钢材三层复合材料。塑料-青铜-钢材三层复合材料以低碳钢为基体，以多孔性青铜为中间层，以塑料为表面层的复合材料，具有较高的结合力，优于一般喷涂层和粘贴层。一旦塑料磨损并露出青铜层，也不至于严重磨损。它们适用于尺寸精度要求高、无油或少油润滑的轴承、垫片、球座、涡轮叶片轴承、各种机车车辆和矿山机械轴承等。

（8）塑料-铝合金。塑料-铝合金的中间骨架层为薄壁铝管（板），内外层为PE或PEX塑料层，铝管（板）与塑料层之间采用与聚乙烯（交联聚乙烯）及铝合金均能亲和的热熔胶黏结。塑料-铝合金集中了铝合金和聚乙烯（交联聚乙烯）的优点。它耐压、抗破裂性能好、质量轻，具有一定的弹性、耐温性能好、防紫外线、抗热老化能力强、耐腐蚀性优异，常温下不溶于任何溶剂，且隔氧、隔磁、抗静电、抗音频干扰。