設施材料 授課教師：林志朋 教室：C513

複合材料

複合材料 複合材料是由兩種或兩種以上性質不同的材料組 合起來的一種多相固體材料，它不僅保留了組成 材料各自的優點而且還具有單一材料所沒有的優 異性能。 自然界中的樹木。 建築中的混凝土。 人體的骨骼等都是複合材料。

複合材料 現代航空太空飛行、能源、海洋工程等工業的發 展要求材料有良好的綜合性能，低密度、高強度、 高剛性、高韌性，以及高疲勞性能並要求耐高溫、 高壓、高真空、輻射等極端條件下穩定工作，只 有透過複合技術才能得到滿足條件的材料。 現代通訊，訊息和數字化技術發展，對於導電導 熱換能（壓電、光電轉換）以及生物等特殊物理 性能的需求，單一的傳統材料及傳統製作工藝不 能滿足新的技術需求，急需研製開發新一代多功 能複合材料。

複合材料 工程複合材料的組分是人為選定的，通常可將其 劃分為基體材料和增強體。其基體(matrix)材料 大多為連續相，除保持自身特性外，還有黏結或 連接和支承增強體的作用；而增強體主要是用於 工程架構可承受外力或發揮其他特定物理化學功 能的作用，分散固結於一體。

複合材料的分類 1. 材料的主要作用 可將其分為結構複合材料和功能複合材料兩大類。 結構複合材料主要是用於工程架構，以承受各類不同 環境條件下的複合外載荷的材料，主要是其有優良的 力學性能； 功能複合材料則為具有各種獨特物理化學性質的材料， 它們具有優異的功能性。如架構複合材料又含有各種 不同基體的複合材料，它們部分或完全彌補了原各類 基體材料的性能缺陷，加強了架構件的環境適應能力； 而功能複合材料則透過複合效應增強了基體材料的各 種物理功能性。

複合材料的分類 2. 基體材料 按複合材料基體的不同可分為高分子樹脂基 （Resin Matrix Composite）、金屬基（Metal Matrix Composite）、陶瓷基（Ceramic Matrix Composite）及碳-碳基複合材料。 3. 增強體特性 按複合材料中增強體的種類和形態不同其可分為 纖維增強複合材料、顆粒增強複合材料、層狀複 合材料和填充骨架型複合材料。其中纖維增強複 合材料又分為長纖維、短纖維和晶須增強型複合 材料。

複合材料性能特點 1. 性能的可設計性 可根據材料的基本特性，材料間的相互作用和使用性 能要求，人為設計並選擇基體材料類型，增強體材料 類型及其數量形態和在材料中的分佈模式，同時還可 以設計和改變材料基體和增強體的界面狀態；由它們 的複合效應可以獲得常規材料難以提供的某一性能或 綜合性能，滿足更為複雜惡劣和極端使用條件的要求。

複合材料性能特點 力學性能特點 不同複合材料是沒有統一的力學性能特點，因為其性能 是根據使用需求而設計確定的，其力學性能特點應該與 複合材料的體系及加工工藝有關。其主要有如下的力學 性能特點︰ (1) 比強度比剛性高︰這主要是由於增強體一般為高強度、 高剛性而比重小的材料，從而大大增加了複合材料的比 強度比剛性。如碳纖維增強環氧樹脂比強度是鋼的七倍， 比模量則比鋼大三倍。 (2) 耐疲勞性能好︰複合材料內部的增強體能大大提升材 料的屈服強度和強度極限，並具有阻礙裂紋擴展及改變 裂紋擴展路經的效果，因此其疲勞抗力高；對脆性的陶 瓷基複合材料這種效果還會大大提升其韌性，是陶瓷韌 化的重要方法之一。

複合材料性能特點 (3) 高溫性能好︰複合材料增強體一般高溫下仍會保持高 的強度和模量，使複合材料較其所用的基體材料具有更 高的高溫強度和潛變抗力。如Al合金在400oC時強度從室 溫的500MPa降至(30~50)MPa，彈性模量幾乎降為零；如 使用碳纖維或硼纖維增強后400oC時材料的強度和模量與 室溫的相差不大。需用鎢纖維增強鈷、鎳可令其使用溫 度高達1000oC以上。 (4) 許多複合材料還同時具有好的耐磨減摩性，抗沖蝕性 等性能，使複合材料成為航空太空飛行等高技術領域乃 至生物海洋工程需求的理想的新材料。表11(1是各複合 材料性能與常用的金屬材料的性能對比。

複合材料性能特點 物理性能特點 除力學性能外，根據不同的增強體的特性及其與基體 複合工藝的多樣性，經過設計的複合材料還可以具有 各種需要的優異的物理性能︰如低密度(增強體的密 度一般較低)、膨脹係數小(甚至可達到零膨脹)、導熱 導電性好、阻尼性好、吸震性好、耐燒蝕抗輻照等性 能優異。因此基于不同的複合材料性能，目前已開發 出了壓電複合材料、導電及超導材料、磁性材料、耐 磨減摩材料、吸波材料、隱身材料和各種敏感材料， 成為功能材料中十分重要的新成員，同時複合化的功 能材料領域的重要的研究和開發方向，這無疑具有重 大的社會和經濟效益。

複合材料的複合 粒子增強型複合材料的複合 散佈強化複合材料︰一般加入增強顆粒粒徑在 (0.1~0.01mm)之間，加入量也在(1~15)%之間。增強顆粒 可以是一種或幾種，但應是均勻散佈地分佈於基體材料 內部。這些散佈粒子將阻礙導致基體塑性變形的位錯的 運動（金屬基）或分子鏈的運動（樹脂基)，提升了變形 抗力。同時由於所加入的散佈粒子大都是高熔點高硬度 且高穩定的氧化物碳化物或氮化物等，故粒子還會大大 提升材料的高溫強度和潛變抗力；對於陶瓷基複合材料 其粒子則會起到細化晶粒，使裂紋轉向與分叉作用，從 而提升陶瓷強度和韌性。當然粒子的強化效果與粒子粒 徑、形態、體積分數和分佈狀態等直接相關。

複合材料的複合 粒子增強型複合材料的複合 顆粒增強複合材料︰這類材料是用金屬或高分子 聚合物把具有耐熱，硬度高但不耐衝擊的金屬氧 化物碳化物或氮化物等粒子黏結起來形成的材料。 它具有基體材料的脆性小耐衝擊的優點，又具有 陶瓷的高硬度高耐熱性特點，複合效果顯著；其 所用粒子粒徑較大，一般為(1~50mm)，體積分 數在20%以上。因此複合材料的使用性能主要決 定於粒子的性質，此時粒子的強化作用並不顯著， 但卻大大提升了材料耐磨性和綜合力學性能，這 種模式主要用作耐磨減摩的材料，如硬質合金、 粘接砂輪材料等。

複合材料的複合 纖維增強複合材料的複合 短纖維及晶須增強複合材料︰其強化機製與散佈 強化複合材料的強化機製類似，但由於纖維明顯 具有方向性，因此在複合材料製作時，如果纖維 或晶須在材料內的分佈也具有一定方向性，則其 強化效果必然也是各向異性的。短纖維（或晶須） 對陶瓷的強化和韌化作用比顆粒增強體的作用更 有效更明顯，纖維增加了基體與增強體的界面面 積，具有更為強烈的裂紋偏轉和阻止裂紋擴展效 果。

複合材料的複合 纖維增強複合材料的複合 長纖維增強複合材料︰這類複合材料的增強效果 主要取決於纖維的特性，基體只起到傳遞力的作 用，材料力學性能還與纖維和基體性能、纖維體 積分數、纖維與基體的界面結合強度及纖維的排 列分佈模式和斷裂形式有關。

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