第六章 复合材料 引言 2005年3月22日，已经连续6年空缺的国家技术发明一等奖被中国工程院院士张立同等人摘得，获奖项目为“耐高温长寿命抗氧化陶瓷基复合材料应用技术”。该成果综合性能达到国际领先水平，打破了国际高端技术封锁，在军民两用领域具有广泛应用前景。    复合材料是指由两种或两种以上不同性能、不同形态的材料通过复合工艺组合而成的多相材料。严格来说，复合材料并不是新的或近来的想法。自然界中充满了利用复合材料的实例。

例如，椰子树棕榈叶就是利用了纤维增强的一个悬臂，木头是含纤维的复合材料，骨骼是由磷灰石的矿物基体和分布其中的胶原质纤维组成的复合材料。复合材料具有悠久的历史。远古时代人们用草茎掺入泥土制成建筑用的土坯，目前广为使用的混凝土，都属于复合材料。复合材料作为一个确切的学科起源于20世纪60年代初期。当时由于战争的需要，美国大力发展玻璃纤维增强高聚物来制造飞机构件，同时开展了相应的基础研究并向民用工业发展。为了提高纤维的弹性率，人们开发了硼纤维、碳纤维、耐热氧化铝纤维等；为了改善树脂的耐热性，用金属代替树脂，出现了金属基复合材料的研究热潮。

同时，人们对陶瓷基复合材料的基体也给予了高度的重视。如果将玻璃强化树脂看作是第一代复合材料，则碳纤维、硼纤维增强的聚合物可以称为第二代复合材料，以金属或陶瓷为基体的复合材料则称为第三代复合材料。复合材料的发展带来了材料科学的重大变革，形成了金属材料、无机材料、高分子材料和复合材料的多角共存的格局。 从复合材料的组成和结构分析，其中有一相是连续的称为基体相，另一相是分散的、被基体包容的称为增强相。增强相与基体相之间的交界面称为复合材料界面。在界面微区内，材料的结构和性能与增强相以及基体相都不相同，而且这种差异对材料的宏观性能产生影响，因此确切的说，复合材料是由基体相、增强相和界面相三者组成的。

对复合材料给出的比较完整的定义是：复合材料是由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同的材料通过复合工艺组合而成的新型材料，它既能保留原组分材料的主要特色，又通过复合效应获得原组分所不具备的性能；可以通过材料设计使各组分的性能互相补充并彼此关联，从而获得新的优越性能。它与一般材料的简单混合有本质的区别。 按照不同的标准和要求，复合材料通常有不同的分类方法。按使用性能的不同，复合材料可以分为功能复合材料和结构复合材料两大类。前者主要利用复合材料除力学性能以外的特殊功能，例如阻尼复合材料、隐身吸波复合材料、多功能（耐热、透波、承载）复合材料、压电复合材料等。

后者指主要利用复合材料的各种良好的力学性能制造的复合材料。在结构复合材料中，增强材料提供复合材料的刚度和强度，控制材料的力学性能；基体材料固定、连结和保护增强材料；界面传递载荷，并可以改善复合材料的某些性能。 图1和图2分别给出了按照复合材料基体相的材质以及增强相的形态的分类表。

通过以上的分类分析可知，与传统材料相比，复合材料具有以下特点： （1）复合材料具有可设计性 复合材料的各种物理与化学性能如力学性能、机械性能以及热、声、光、电等，都可以按照构件的使用要求和环境条件要求，通过组分材料的选择和匹配、铺层设计及界面控制等材料设计的手段，最大限度的达到目的，满足工程设备的使用性能。 （2）材料与结构具有同一性 传统材料的构件成型是经过对材料的再加工，在加工过程中材料不发生组分和化学的变化。而复合材料构件与材料是同时形成的，它由组成复合材料的组分材料在复合成材料的同时也就形成了构件，一般不进行再加工。因此复合材料的结构整体性好，可大幅度地减少零部件和连接件数量，从而缩短加工周期，降低成本，提高构造的可靠性。

（3）材料性能对复合工艺的依赖性 复合材料结构在形成过程中有组分材料的物理和化学变化发生，不同成型工艺所用原材料种类、增强材料形式、纤维体积含量和铺设方案也不尽相同，因此构件的性能对工艺方法、工艺参数、工艺过程等依赖性很大。由于在成型过程中很难准确地控制工艺参数，一般来说复合材料构件的性能分散性也是比较大的。 (4) 复合材料具有各向异性的力学性能。

6.1 复合材料的复合原则与机制

复合材料的性能与微观相的特性、形状、体积分数、分散程度以及界面特性等有很大的关系。在对复合材料进行设计和性能预测以及性能分析时，需要用到复合材料的一些基本理论，即复合材料的复合原则与机制。 一、颗粒增强原理 颗粒增强复合材料中主要承受载荷的是基体而非颗粒。从宏观上看，颗粒增强复合材料中的颗粒是随机弥散分布在基体中的，这些弥散的质点阻碍基体中的位错运动。如果质点是均匀分布的球形颗粒，直径为d，体积分数为Vp，则复合材料的屈服强度可用下式表示：

式中Gm为基体的切变模量 ，b为柏氏矢量。可以看出，弥散颗粒的尺寸越小，体积分数越大，强化效果越好。 （1） 式中Gm为基体的切变模量 ，b为柏氏矢量。可以看出，弥散颗粒的尺寸越小，体积分数越大，强化效果越好。 颗粒增强的拉伸强度往往不是增强，而是降低的。当基体与颗粒无偶联时，可以认为颗粒最终与基体完全脱离，颗粒占有的体积可看作孔洞，此时基体承受全部载荷，颗粒增强复合材料的拉伸强度为：

式中 为基体的拉伸强度。上式表明， 随颗粒体积含量Vp的增加而下降。并且此式仅适用于Vp≤40%的情况。 （2） 式中 为基体的拉伸强度。上式表明， 随颗粒体积含量Vp的增加而下降。并且此式仅适用于Vp≤40%的情况。 有偶联时的情况比较复杂，此时材料的拉伸强度不再出现随颗粒体积含量的增加而单调下降的情况，且拉伸强度明显提高。 除了以上直接的影响之外，加入颗粒导致晶粒尺寸、空洞和晶界性能的变化也间接的影响复合材料的力学性能。

二、连续纤维增强 连续纤维增强复合材料是由长纤维和基体组成的复合材料。在工程上，一般将复合材料简化为图3的层板模型来分析其力学行为。图3的二维层板模型有并联和串连两种考虑方式。在串联模型中，纤维薄片和基体薄片在横向上呈串联形式，意味着纤维在横向上完全被基体隔开，适用于纤维所占百分比较少的情况；而并联模型则意味着纤维在横向上完全连通，适用于纤维含量较多的情况。

1．串联模型的弹性常数： （1）纵向弹性模量E11 在串联模型中取出代表体积单元，平均应力σ1。由材料力学知道，已知纤维材料的弹性模量Ef和基体材料的弹性模量Em, 欲求单元应变ε1或纵向弹性模量E11的问题是一次超静定问题。可以利用静力、几何和物理作用三方面关系的材料力学基本方法来解决。 静力关系。 由于平均应力σ1作用在单元截面A上, 而纤维应力σf作用在纤维横截面Af上,基体应力σm作用在基体横截面Am上，根据静力平衡, 有

（3） （4）

几何关系。 按照材料力学平面假设（即垂直于正轴1的平面，变形后仍为平面），纤维和基体具有相同的线应变，且等于单元的纵向线应变。 物理关系。根据基本假设，单层板、纤维和基体都是线弹性的，都服从虎克定律，即 (6) （5）

这就是纵向弹性模量的混合法则公式。如果忽略空隙含量的影响，则，因此（7）式又可写成 综合（4，5，6）式，可得 这就是纵向弹性模量的混合法则公式。如果忽略空隙含量的影响，则，因此（7）式又可写成 式中E11为单层板的纵向弹性模量，由于纤维模量远大于基体模量，所以E11主要由纤维模量和纤维含量决定。 （7） （8）

（2）横向弹性模量E21 由串联模型给出的代表性体积单元，在正轴2方向（图3）作用平均应力σ2。纤维材料的弹性模量Ef和基体材料的弹性模量Em, 单元应变ε2或纵向弹性模量E2的可以用下式表示： 从单层板来看，单元的变形量 从细观来看， 所以 (9) 对于串联模型，各部分应力相同。因此，单元、纤维和基体的应变分别为：

（10） 因此 （11）

(13) （3）泊松比 确定纵向泊松比 用类似于确定E1的方法，当正轴1方向上受σ1作用时，纵向泊松比为： 从单层板来看，单元的横向变形量 为： (13) 从细观来看，单元的横向变形量是纤维与基体的横向变形量之和。即 （12）

（14） 因为 ，所以 横向泊松比为： （15） （16）

（4）面内剪切弹性模量 2．并联模型的弹性常数 （1）纵向弹性模量E111 （2）横向弹性模量E211 并联模型的横向弹性模量与纵向弹性模量相同。 （3）泊松比 3．单向连续纤维增强复合材料单层基本强度预测 （1）纵向拉伸强度 （2）纵向压缩强度

三、晶须（包括短纤维和晶片）增强 晶须（包括短纤维和晶片）增强复合材料与长纤维增强复合材料相比，虽然强度略差，但由于可以制成各种复杂形状的制品，易使生产过程自动化降低生产成本，所以在各类工业产品的应用中（特别是金属基以及陶瓷基复合材料）占主导地位。图5给出了短纤维增强复合材料的几种形式。

1． 应力传递理论 复合材料受载荷作用时，载荷直接作用在基体上，然后通过纤维与基体间界面的剪应力传递到纤维上。在短纤维（不连续纤维）增强复合材料受力时，力学特性与纤维长度关系密切。

（1）理想刚塑性基体：罗森（Rosen）最早用剪切滞后法研究了有关应力沿纤维长度的变化规律。在图6所示的单元体受纵向应力σ1时,由于纤维和基体的弹性模量不同，在界面上将产生剪应力г。 (2)弹性基体： 若刚性短纤维完全埋在树脂基中，在受到沿纤维轴向的拉应力时，基体中产生应变，Cox采用剪滞理论进行分析，得到纤维中的拉伸应力分布和界面上的剪应力分布 2．单向短纤维，二维随机分布短纤维复合材料的弹性模量和强度 单向短纤维增强复合材料宏观弹性模量预单向长纤维增强复合材料类似，上述关于长纤维增强复合材料的各种力学分析均可用于此种情况。 二维随机分布的短纤维复合材料在二维平面上可以看作是各向同性的，而在其他两个坐标面内是正交各向异性的。因此有关长纤维增强复合材料的层合板的各理论以及公式均适用于二维随机分布的短纤维复合材料。 3．三维随机分布短纤维增强复合材料

6.2 复合材料的性能特点 一、增韧机制 （1）相变增韧 （2）微裂纹增韧 （3）裂纹偏折和弯曲增韧 （4）裂纹分支增韧 6.2 复合材料的性能特点 一、增韧机制 （1）相变增韧 （2）微裂纹增韧 （3）裂纹偏折和弯曲增韧 （4）裂纹分支增韧 （5）桥联与拔出增韧

（6）延性颗粒增韧 （7）残余热应力增韧 （8）压电效应损耗能量增韧 （9）复合韧化机制 二、复合材料的主要性能特点

1、比强度和比模量 2、抗疲劳性能和抗断裂性能 3、高温性能 4、减摩、耐磨、减振性能

5、其他特殊性能 1）．破损安全性好。复合材料的破坏不像传统材料那样突然发生，而是经历基体损伤、开裂、界面脱粘、纤维断裂等一系列过程。当构件超载并有少量纤维断裂时，载荷会通过基体的传递重新分配到未破坏的纤维上去，这样，在短期内不至于使整个构件丧失承载能力。 2）．耐化学腐蚀性好。常见的玻璃纤维增强热固性树脂基复合材料（俗称玻璃钢）一般都耐酸、稀碱、盐、有机溶剂、海水的腐蚀。一般而言，耐化学腐蚀性主要决定于基体。玻璃纤维不耐氢氟酸等氟化物，生产适应氢氟酸等氟化物的复合材料制品时，其制品中与介质接触的表面层的增强材料不能用玻璃纤维，可采用饱和聚酯或丙纶纤维（薄毡），基体亦须采用耐氢氟酸的树脂。 3）．电性能好。树脂基复合材料是一种优良的电气绝缘材料，用其制造仪表、电机及电器中的绝缘零部件，不但可以提高电气设备的可靠性，而且能延长使用寿命，在高频作用下仍能保持良好的介电性能，不反射电磁波（可以作为隐身材料），微波透过性良好，目前广泛用作制造飞机、舰艇和地面雷达罩的结构材料。

6.3 非金属基复合材料 1、聚合物基复合材料 聚合物基复合材料又被称为增强塑料，作为一种最实用的轻质结构材料，在复合材料工业中占有主导地位。聚合物基复合材料主要分为两大类，即颗粒、晶须、短纤维复合材料以及连续纤维复合材料。短纤维复合材料主要作为次结构件，比如汽车的车壳等。连续纤维复合材料是在树脂基体中适当排列高强、高刚度的连续长纤维组成的材料体系，可用作次结构件，也可用作主结构件。从基体材料来讲，聚合物基复合材料可分为热固性树脂、热塑性树脂和橡胶基复合材料。 与钢、铝等传统的金属材料相比，聚合物基复合材料比强度高，比拉伸模量大，热膨胀系数低。表1为典型的单向纤维复合材料的性能。

1）非连续纤维增强复合材料 2．连续纤维增强复合材料 非连续纤维（颗粒、晶须、短纤维）可以用来增强各种聚合物，根据组分、制备方法、性能以及应用的不同主要分为4类： （1）热塑成型组合物 （2）可热成型板材 （3）颗粒状热固成型组合物 （4）热固性片状模塑料 2．连续纤维增强复合材料 在聚合物基复合材料中使用的纤维一般包括玻璃纤维，芳香族聚酰胺合成纤维以及碳纤维。与常用的尼龙纤维和聚酯纤维等相比，芳香族聚酰胺合成纤维具有很大的比强度、比刚度，很好的热稳定性，不易燃烧。与玻璃纤维和碳纤维相比，芳香族聚酰胺合成纤维的密度小，并且又有较高的刚性，较高的强度，较大的拉伸极限应变。轴向线膨胀系数为负。

3．聚合物基纳米复合材料 至少有一维尺寸为纳米级的微粒子分散到聚合物基体中，构成了聚合物基纳米复合材料。由于纳米复合材料的形成，聚合物的结晶变小，结晶度增加，结晶速率增加，赋予了材料许多特殊的性能。 （1）聚合物基纳米复合材料的制备 插层复合法 共混法 原位复合 （2）聚合物基纳米复合材料的性能改善及应用 力学性能的改善 ，热性能提高，改善阻燃性，改善气密性，生物降解性。 4、碳纳米管/聚合物基复合材料

碳纳米管（CNTs）已经被用于增强热固型树脂（环氧树脂，聚酰亚胺和石碳酸），还有热塑型树脂（聚丙烯，聚苯乙烯，聚甲基丙烯酸甲酯，尼龙12和聚醚醚酮）。 5、聚合物基复合材料的应用 二、陶瓷基复合材料 20世纪70年代初，结构陶瓷作为一种新型高温材料受到广泛重视。因为陶瓷本身是由共价键或离子键构成，高强低韧为其本质特征。发展陶瓷基复合材料的主要目的是提高材料的韧性。 1、金属陶瓷 2．纤维增强陶瓷基复合材料 1）纤维增强陶瓷基复合材料的基体材料

浆料(熔体)浸溃――热压法 化学反应法

溶胶－凝胶法 先驱体转化法 3．陶瓷基纳米复合材料 （1）在纳米复合材料中，晶粒尺寸的减小将会大幅度提高材料的力学性能，同时由于晶界数量的大大增加，便可能使分布于晶界处的第二相物质的数量减小，晶界减薄使晶界物质对材料的负影响减小到最低程度；其次，晶粒细化使材料不易造成穿晶断裂，有利于提高材料的断裂韧性；再次，晶粒的细化将有助于晶粒间的滑移，使材料具有塑性行为。因此，纳米复相材料将使材料的强度、韧性和超塑性大大提高。

（2）电气性能的改善。 (3)磁性机能。 （4）光学机能。 4、陶瓷基复合材料的应用 切削工具刀片 陶瓷复合材料过滤器

重要的金属基体材料主要包括：铝合金、含过渡金属的快速凝固铝合金、钛合金、镁合金、铜以及金属间化合物。 6.4 金属基复合材料 重要的金属基体材料主要包括：铝合金、含过渡金属的快速凝固铝合金、钛合金、镁合金、铜以及金属间化合物。 1、细粒和晶须增强金属基复合材料 该类金属基复合材料的制备工艺包括： 粉末冶金（PM） 挤压铸造法 压力浸渗法

搅拌铸造法 共喷射沉积法 2、长纤维增强金属基复合材料

3、金属基纳米复合材料 金属基纳米复合材料指金属基体具有纳米结构。目前开发出的主要纳米复合材料如表3所列。 表3 纳米复合材料的组成和性能

4、金属基复合材料的应用 连续纤维增强金属基复合材料的性能比颗粒增强金属基复合材料的性能更为优越，因此在航空航天领域应用更多。在非航空航天领域，要求性能和价格有最优化的结合。因此，在非航空航天领域，颗粒增强金属基复合材料的应用日益增多。迄今为止，金属基复合材料最大的商业应用是单纤维超导复合材料。 降低组件重量是航空航天领域所有应用的主要驱动力。例如，哈勃望远镜的波导管活动支架应用了沥青基连续纤维增强铝基复合材料，因为这种复合材料非常轻，弹性模量很高，热膨胀系数低。金属基复合材料在航空航天领域的其他应用是替代有毒金属铍。例如，美国的三叉戟飞机导弹中用SiCp/Al复合材料代替了铍。

金属基复合材料在汽车领域的重要应用是柴油机的活塞顶。包括在活塞顶掺入氧化铝或氧化铝 + 二氧化硅的短纤维。传统的柴油发动机活塞由Al-Si铸造合金制得，活塞顶由镀镍铸铁制得。铝基复合材料替代铸铁后，得到了更轻、抗磨损性能更好并且更便宜的产品。在汽车领域的另一个应用是用铝基复合材料中制备汽缸套。 颗粒增强铝基复合材料的一个重要的潜在商业应用是制造汽车驱动轴。根据几何参数可知，更短的轴长和更粗的轴径可以得到较高的临界速度，而根据材料参数可知，更高的比刚度可以得到更高的临界速度。人们在设计时可以改变驱动轴的几何学参数（增加长度或减小直径）而保持恒定的临界速率。