什么是复合材料?

[拼音]：fuhe cailiao

[外文]：composite material

由两种或两种以上的不同材料组合而成的机械工程材料。各种组成材料在性能上能互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。复合材料的组成包括基体和增强材料两个部分。非金属基体主要有合成树脂、碳、石墨、橡胶、 陶瓷；金属基体主要有铝、镁、 铜和它们的合金。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维等有机纤维和碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝及硬质细粒等。

复合材料的历史可追溯很远，如从古沿用迄今的稻草增强粘土和已使用上百年的钢筋混凝土均由两种不同材料复合而成。20世纪20年代以后发展起来的铜-钨和银-钨电触头材料，碳化钨-钴基硬质合金和其他粉末烧结材料，究其实质也是复合材料。40年代，因航空工业的需要，发展了玻璃纤维增强塑料(在中国俗称玻璃钢)的雷达罩，从此出现了复合材料这一名称。50年代以后陆续发展了碳纤维、石墨纤维和硼纤维等高强度、高模量(见拉伸试验)纤维。70年代又出现了芳香族聚酰胺纤维(简称芳纶纤维)，如聚对苯甲酰胺纤维（Kevlar-49纤维）和碳化硅纤维。这些高强度、高模量纤维能与合成树脂、碳、石墨、陶瓷、橡胶等非金属基体或铝、镁、钛等金属基体复合而成各具特点的材料，为了区别于一般玻璃纤维增强材料，这种材料称为高级复合材料。

复合材料根据其组成可分为3种：

（1）金属与金属复合材料；

（2）金属与非金属复合材料；

（3）非金属与非金属复合材料。根据结构特点又可分为纤维复合材料、层叠复合材料、细粒复合材料和骨架复合材料。

（1）纤维复合材料:这种材料通常是置纤维状材料于基体内组成，如纤维增强塑料、纤维增强金属等。

（2）层叠复合材料：由两种或两种以上不同材料叠合而成，如用两种具有不同膨胀系数的金属复合而成的能指示温度变化的热工仪表材料。

（3）细粒复合材料：将硬质细粒均匀分布于基体中，如弥散强化合金、金属陶瓷。

（4）骨架复合材料：在连续多孔的结构材料中填充其他材料，如孔隙中充填氟塑料的减摩材料;或由面板和芯子组成的夹层结构材料，如芯子为蜂窝或实心，面板为层压板或金属的结构材料。其他如定向共晶复合材料，是在特定的熔炼或液体金属凝固条件下，基体内部生成定向的纤维状结构而得，故亦称自增强纤维复合材料。

复合材料中以纤维增强材料应用最广、用量最大。其特点是比重小、比强度和比模量大。例如碳纤维与环氧树脂复合的材料，其比强度和比模量均较高强度钢和铝合金大数倍，还具有优良的化学稳定性、减摩耐磨、 自润滑、耐热、耐疲劳、 耐蠕变、消音、电绝缘等性能。石墨纤维与树脂复合可得到膨胀系数几乎等于零的材料。纤维增强复合材料的另一特点是各向异性，因此可按制件不同部位的强度要求设计纤维的排列。以碳纤维或碳化硅纤维增强的铝基复合材料，在500℃时仍能保持足够的强度和模量，比未增强的铝好得多。碳化硅纤维与钛复合，不但钛的耐热性提高，且耐磨损，可用作发动机风扇叶片。碳化硅纤维与氮化硅(Si3N4)陶瓷复合，使用温度可达1500℃，比超合金涡轮叶片的使用温度1100℃高很多。碳纤维增强碳、石墨纤维增强碳或石墨纤维增强石墨，称为碳－碳复合材料，是一种耐烧蚀材料，已应用于航天器、火箭导d和原子能反应堆中。碳-碳复合材料还是一种热容量大的耐磨制动材料，可用于飞机刹车片。非金属基复合材料由于密度小，用于汽车可减轻重量、提高车速、节约能源。如用碳纤维增强塑料制成的车身和发动机罩，其重量可比金属制的轻一半以上。用碳纤维与玻璃纤维混合制成的复合材料片d簧，其刚度和承载能力与重量大5倍多的钢片d簧相等。

复合材料，尤其是纤维增强复合材料的主要用途见表。其中应用最广的是玻璃纤维增强复合材料，其次是碳纤维、石墨纤维、硼纤维、芳纶纤维和碳化硅等增强的复合材料。高级复合材料由于价格昂贵，主要用于军工、航天、原子能等尖端技术，民用方面除高级运动器材和关键性机械零部件外，其他还很少正式采用。

复合材料范围广，品种多，性能优异，有很大的发展前途。玻璃纤维增强热固性塑料中的片状模塑料（SMC）发展很快，已出现了许多分支，其制品已由非受力件扩大到受力件如传动支架等。玻璃纤维增强热塑性塑料的用途越来越广，其发展速度在有的国家已超过热固性的增长率。高级复合材料的发展方向是降低成本，扩大应用范围。用两种或两种以上的不同纤维作增强材料，不但可降低成本，且其混合效应超过一般的混合规律。航空中的基本结构件、工业用机器人、海洋开发用的结构材料、汽车片d簧和驱动轴等，将越来越多地采用混合纤维增强复合材料。定向凝固的铸造复合材料如碳化钽与镍或钴、碳化铌与铌等的共晶复合材料，以及无机纤维增强陶瓷复合材料，使用温度均超过现有的耐热合金，也将得到发展。碳纤维与铜的复合材料可用作低电压、大电流电机和超导等特殊电机的电刷材料，耐磨减摩和电子材料。在成型工艺方面，增强反应注射成型(RRIM)、反应注射成型(RIM)、d性贮存成型(ERM)和真空浸清成型等均已获得发展。功能复合材料将多种功能集于一身，如将光电材料与电磁材料复合成光磁复合材料。这种材料在功能转换器件中很有发展前途。

参考书目

George Lubin，Handbook of Composites，Vin Nos-trand Reinhold Co.New York，1982.

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