复合材料是什么材质（复合材料的分类和应用）

随着科技的发展，制造业也迎来了新的发展阶段，材料作为制造业的基础，其应用创新是制造业科技创新，转型发展的重要环节，单一材料即使有再多的优点，也不可避免存在缺陷。为了提高材料性能，工程师经常会将多种材料结合在一起来实现优势互补，扬长避短，这种经过结合的材料就是复合材料。

复合材料的定义

复合材料（Composite materials）是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理化学原理结合在一起、组成具有新宏观性能的材料。

复合材料具有三大要素：基体（Matrix）、增强体（Reinforcement）和两者之间的界面（Interface）。复合材料结构中的连续相称之为基体，基体的作用是将增强材料黏结成固态整体，保护增强材料，传递荷载，阻止裂纹扩展。增强体是以独立形态分布于基体中的分散相。复合材料的基体和增强体，通过界面作用将两者连接起来。

复古材料的组成材料虽然保持其相对独立性，但复合材料的性能却不是组分材料性能的简单加和，而是有着重要的改进。使各组分材料性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原任何一种组分材料而满足更多领域的需求。复合材料改善或克服了组成材料的弱点，使能按零件结构和受力情况并按预定的、合理的配套性能进行最佳设计，可创造单一材料不具备的双重或多重功能，或在不同时间或条件下发挥不同的功能。

复合材料的性能取决于组分材料的性质和各组分材料之间结合面的性能，也就是说，复合材料的优良性能仅仅靠优质的组分材料是远远不够的。在复合材料中，增强相和基体相之间还存在着明显的结合面。位于增强相和基体相之间并使两相彼此相连的、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。

复合材料界面对其性能影响很大，界面的机能可归纳为以下几种：

传递效应：基体可通过界面将外力传递给增强体，起到基体与增强体之间的桥梁作用。

阻断效应：适当的界面有阻止裂纹扩展、中断材料破坏、缓减应力集中的作用。

不连续效应：在界面上产生物理性能的不连续性和界面摩擦出现的现象，如抗电性、电感应性、磁性、耐热性等。

散射和吸收效应：光波、声波、热弹性波、冲击波等在界面产生散射和吸收，如透光性、隔热性、隔音性、耐机械冲击及耐热冲击等。

诱导效应：复合材料中的一种组元（通常是增强体）的表面结构使另一种与之接触的物质（如聚合物基体）的结构由于诱导作用而发生变化，由此产生如强的弹性、低的膨胀性、耐冲击性和耐热性等现象。

复合材料的分类

1. 按增强体类型可对复合材料进行以下分类：

i. 颗粒状复合材料（Particulate Composites）

ii. 不连续或短纤维复合材料（Continuous Or Short-Fiber Composites）

iii. 连续纤维复合材料（Continuous Fiber Composites）

2. 按基体材料类型可对复合材料进行以下分类：

i. 聚合物基复合材料（Polymer Matrix Composites）

ii. 金属基复合材料（Metal Matrix Composites）

iii. 陶瓷基复合材料（Ceramic Matrix Composites）

iv. 碳基复合材料（Carbon Matrix Composites）

复合材料的应用

复合材料优异的耐腐蚀性、高强度与抗冲击性，使其在航空航天、建筑、防腐、管道、水处理等领域广泛应用。经过长时间的发展，复合材料的应用领域已经从军事，化工领域扩展到了社会生产的各个角落，各行各业都能见到复合材料的身影。

1. 航空航天

航空航天材料对质量和强度的要求很高，既要增加火箭发动机的推力,又要减轻飞行器的质量,减重则成为必须考虑的问题,实现飞机减重的主要手段是复合材料的广泛应用。再比如导弹的锥壳结构、卫星接口支架、整流罩的前锥、侧锥和柱段、卫星消旋天线支撑筒、水平梁等目前已均采用碳纤维

在固定翼和非固定翼飞机上已大量使用承力和非承力复合材料构件。许多军用和民用飞机使用大量轻质高强度的碳纤维和玻璃纤维增强复合材料，如层合板和模压构件及以金属或浸渍树脂纸蜂窝为芯材的复合材料蜂窝夹层结构。使用部位包括舱门、翼梁、减速板、平尾结构、油箱、副油箱、舱内壁板、地板、直升机旋翼桨叶、螺旋桨、高压气体容器、天线罩、鼻锥、起落架门、整流板、发动机舱(尤其是喷气式发动机舱)、外涵道、座椅部件、通道板等。许多现代轻型飞机尽可能使用轻质复合材料。在高温环境下可使用碳-碳复合材料，飞机的刹车盘使用碳-碳复合材料，火箭喷嘴和载人保护壳体也已开始使用碳-碳复合材料，而且喷气发动机的零部件也有使用碳-碳复合材料的可能性。火箭发动机壳体和火箭发射筒也经常采用增强复合材料制造。复合材料还有一个非常实用也是一个非常重要的应用是飞机金属结构的损伤修补。

2. 汽车工业

这是复合材料应用很活跃的领域，复合材料可用作汽车车身、驱动轴、保险杠、底盘、板簧、发动机等上百个部件。例如美国福特汽车公司用CF/GF混杂复合材料制造的小轿车传动轴仅重5.3kg，比钢制件轻4.3kg，用于载重汽车的传动轴重37kg，比钢制件轻16kg。而且传动轴刚度大、自振频率高、重量轻、减振性好，适合高速行驶。用复合材料制成汽车板簧，可提高冲击韧性，又降低了成本。混杂复合材料制成汽车车身壳体可减轻车体重量、提高速度、节省燃料。汽车发动机采用复合材料可降低振动和噪声，提高寿命和车速，增强运输能力。

3. 船舶工程中的应用

美国制造的玻璃钢船舶至1972年总数已达50多万艘，玻璃钢制深水潜艇潜水深度可达4500m，英国用玻璃钢制造的最大扫雷艇”威尔逊号”长达47m。日本制造的快速游艇外板用碳纤维复合材料，外壳和甲板用CF/GF混杂夹芯结构。用混杂复合材料制造的高速舰艇当受到巨大波浪冲击时可产生较大变形以吸收冲击能，除去外力后又可复原，它在破坏前永久变形很小，在大变形下保持弹性。

4. 医学领域中的应用

医学领域中应用复合材料已逐渐扩大并收到良好效果，例如:过去假肢都是钢木制品，重且消耗体力、制造工艺复杂、成本高，现在国内外已广泛用纤维增强树脂复合材料制造，用与人腿轴线成±45″的混杂复合材料制成假肢，重约127g，其下端能装入鞋内;用混杂复合材料制造人造骨骼、关节时，可通过调节混杂比例和混杂方式，在人的体温变化范围内使其热膨胀与人造骨骼的膨胀相匹配，以减轻患者的痛苦。

5. 其他领域

除了上述领域，复合材料在兵器工业，化学工程，电器设备，机械工程，建筑工程领域都得到了广泛的应用。

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【参考文献】：

[1] 常启兵编著,复合材料 案例式 case study,江苏凤凰美术出版社,2018.09

[2] 成来飞编著,复合材料原理及工艺,西北工业大学出版社,2018.03

[3] 沙桂英主编,材料的力学性能,北京理工大学出版社,2015.07

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