一、复合材料〔Composite Materials，简称 CM〕概述1.1 复合材料的由来人类制造、利用复合材料的历史由来已久在世界范围内，复合材料的进展过程可表示为：古代 近代 现代在古代中国，人们将粘土、石灰和砂粒混合，制成所谓的“三合土”，来夯筑城墙，或做地基，其原理是用粘土和石灰做基体，砂粒做骨架，得到结实、防水的建筑材料而人们所熟知的钢筋混凝土，则是一种金属—非金属复合材料，已具有上百年的历史它是以水泥作为基体，可形象地理解为“肉”；以钢筋作为增加材料，可理解为“骨骼”水泥有很好的抗压强度和耐腐性能，但抗拉性能不好，而钢筋的抗拉性能很好，但不耐腐将钢筋包裹在水泥中，得到“筋肉”组合，其性能远超水泥或钢筋单一材料近代最早的复合材料是 1909 年消灭的用酚醛树脂混合木粉热压成型的电木1932 年在美国消灭了第一块玻璃纤维增加聚酯复合材料后来随着二次世界大战的进展，聚合物基复合材料开头在军用装备上得到大力进展，1942 年美国首先研制出玻璃纤维增加聚酯军用飞机雷达罩，1944 年又研制出玻璃纤维增加聚酯机身和机翼学术界开头在20 世纪40 年月使用“复合材料”这个名称来称呼玻璃纤维增加聚酯。
二战完毕后，复合材料得到快速进展，继手糊工艺之后，缠绕工艺、预混工艺和真空袋压工艺相继消灭1940 年至 1960 年间，玻璃纤维增加聚酯复合材料快速进展，可称为第一代复合材料1960 年至 1980 年间，随着碳纤维、石墨纤维和芳纶纤维等高强度、高模量增加纤维的消灭，先进复合材料开头进展，称之为其次代复合材料1980 年至 1990 年间，消灭了纤维增加金属基复合材料，即第三代复合材料1990 年后，第四代复合材料开头消灭，主要是功能性复合材料，如机敏复合材料、仿生复合材料、隐身复合材料等我国的复合材料开头进展于 1958 年，主要引进前苏联的玻璃纤维增加不饱和聚酯技术首先用于军工制品，而后渐渐扩展到民用1958 年以手糊工艺研制了玻璃钢艇，以层压和卷制工艺研制玻璃钢板、管和火箭弹，1961 年研制成用于远程火箭的玻璃纤维-酚醛树脂烧蚀防热弹头，1962 年引进不饱和聚酯树脂、喷射成型和蜂窝夹层构造成型技术， 并制造了玻璃钢的直升机螺旋桨叶和风洞叶片，同年开头纤维缠绕工艺争论并生产出一批氧气瓶等压力容器1970 年用玻璃钢蜂窝夹层构造制造了一座直径 44m 的雷达罩自 70 年月以后玻璃钢复合材料渐渐转向民用。
1.2. 复合材料的概念及要素复合材料(Composite Materials，可简称为 CM)，其定义如下：用经过选择的、含肯定数量比〔质量份不低于 5%〕的两种或两种以上的组分〔或称组元〕，通过人工复合、组成多相、三维结合且各相之间有明显界限的、具有特别性能的材料复合材料的各个组分在性能上相互取长补短，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依据上述定义，复合材料有三大要素：基体(Matrix)、增加体(reinforcement)和两者之间的界面〔Interface〕一般而言，复合材料构造中的连续相称之为基体，基体的作用是将增加材料粘接成固态整体，保护增加材料，传递荷载，阻挡裂纹扩展，如聚酯树脂、乙烯基树脂等而以独立形态分布于基体中的分散相，由于其具有显著增加材料性能的特点，故称之为增加体，如玻璃纤维、晶须等基体、增加体和界面的关系见以下图 1-1图 1-1 复合材料界面示意图〔a〕含界面物质； 〔b〕不含界面物质依据复合材料的定义，复合材料应不包括自然形成的具有某些复合材料形态的物质、化合物、单相合金和多相合金从复合材料的定义中，可归纳出复合材料具有以下特点：1） 复合材料的组分和相对含量是由人工选择和设计的；2） 复合材料是以人工制造而非自然形成的〔区分于具有某些复合材料形态特征的自然物质〕；3） 组成复合材料的某些组分在复合后仍保持其固有的物理和化学性质〔区分于化合物和合金〕；4） 复合材料的性能取决于各组成相性能的协同。
复合材料具有的、独特的和可用的性能，这种性能是单个组分材料性能所不及或不同的；5） 复合材料是各组分之间被明显界面区分的多相材料科学家把复合材料这种扬长避短的作用称为复合效应人们利用复合效应可自由选择复合材料组成物质，人为设计各种型复合材料，把材料科学推动到了一个阶段1.3 复合材料的分类及命名1.3.1 复合材料的分类复合材料的分类方法较多，具体如下：1.3.1.1 按增加材料的形态、几何外形及方向可分为 3 类：颗粒状复合材料〔particulate composites〕复合材料 不连续或短切纤维复合材料〔discontinuous or short-fiber composites〕 连续纤维复合材料〔continuous fiber composites〕1） 颗粒状复合材料(particulate composites)其增加体是由不同尺寸、外形的颗粒，随机散布在基体中，如图1-2；由于增加体随机分布，此类复合材料可视为类均质(quasi- homogeneous)、类等向(quasi-isotropic)颗粒复合材料的增加体可为金属或非金属，基材亦是最具代表性者为混凝土，其中石子为增加体，水泥砂浆为基体。
图 1-2 顆粒复合材料2） 不连续或短纤维复合材料〔continuous or short-fiber composites)增加体为短纤维，方向可为单一方向，图 1-3；或自由分布，如图 1-4前者为非等向性(anisotropic)，但具正交性(orthotropic)，后者可视为类等向性图1-3 不连续或短纤维复合材料〔单一方向〕 图 1-4 不连续或短纤维复合材料〔自由分布〕3） 连续纤维复合材料(continuous fiber composites)增加体为连续长纤维，纤维方向可谓单一方向(unidirectional)，如图 1-5，或双向正交(crossply)，如图 1-6，或多方向(multidirectional)，如图 1-7；当纤维方向为单一或双向正交，该复合材料可视为具正交性，假设排成多方向，则将复合材料视为类等向性图 1-5 连续纤维复合材料〔单方向〕 图 1-6 连续纤维复合材料〔双向正交〕图 1-7 连续纤维复合材料〔多方向〕1.3.1.2 按基体材料的种类可分为 4 类：复合材料树脂基复合材料〔polymer matrix composites〕 金属基复合材料〔metal matrix composites〕陶瓷基复合材料〔ceramic matrix composites〕 碳基复合材料〔carbon matrix composites〕1） 树脂基复合材料(polymer matrix composites)基体树脂包括环氧树脂(epoxy)、酚醛树脂〔phenolic resin〕、乙烯基树脂〔vinyl resin〕、不饱和聚酯树脂(unsaturated polyester resin)等热固性树脂〔thermosetting resin〕及热塑性树脂(thermoplastics resins)，以不饱和聚酯树脂使用最多。
增加材料多为玻璃纤维〔glass fiber〕及其织物、碳纤维(carbon fiber)或石墨(graphite fiber) 及其织物、芳纶纤维〔aramid fiber〕及硼(boron)纤维等2） 金属基复合材料(metal matrix composites)金属基体包括铝(aluminum)、镁(magnesium)、钛(titanium)及铜(copper)等，增加材料则以硼、碳或石墨及陶瓷(ceramic)为主此类复合材料最高使用溫度受金属基体本身熔化温度或熔点所限，约 800℃如连续或非连续硼纤维、碳纤维增加铝、镁、钛等金属基体3） 陶瓷基复合材料(ceramic matrix composites)基体主要为陶瓷材料，包括矽 -碳化合物(silicon carbide)、铝氧化物(aluminum oxide)、玻璃陶瓷(glass- ceramic)及矽-氮化物(silicon-nitride)，一般以陶瓷材料为增加材料，适合于相对高温使用，约 1000℃如碳纤维、碳化硅〔SiC〕晶须增加陶瓷4） 碳基复合材料(carbon matrix composites)基体为碳或石墨，增加材料为石墨纤维及其织物(fabric)，此类复合材料具高强度， 且在高温时具低密度及低热膨胀性，可适用于超高温约 2600℃。
如碳纤维增加碳基体〔C/C 复合材料〕1.3.2 复合材料的命名复合材料通常是依据基体材料和增加材料来命名，一般有以下几种状况：1） 依据基体材料来命名，强调基体时以基体材料的名字来命名，如树脂基复合材料、陶瓷基复合材料、金属基复合材料等2） 依据增加材料来命名，强调增加材料是以增加材料的名字来命名，如玻璃纤维增加复合材料、碳纤维增加复合材料、陶瓷颗粒增加复合材料等3） 基体材料的名称与增加材料的名称共用，此种命名方法一般用来表示某一具体的复合材料，习惯做法是增加材料的名称在前，基体材料的名称在后，如玻璃纤维/环氧树脂复合材料、碳纤维/金属基复合材料、碳/碳复合材料等在国外，通常用英文缩写来表示复合材料的名称，如MMC(Metal Matrix Composites)表示金属基复合材料，FRP〔Fiber Reinforced Plastics〕表示纤维增加塑料，而玻璃纤维环氧则表示为 GF/Epoxy 或 G/EP(G-EP)1.4 复合材料的优点与传统材料相比，复合材料具有以下优点：² 质量轻，比强度、比模量高以 CFRP 为例：与钢相比，比重仅为钢的1/5，比强度为钢的 8 倍，比模量为 3.6 倍， 疲乏强度为 2.7 倍，抗拉强度为 1.4 倍。
因此，在航空、火箭、宇宙飞行器、高压容器以及在其他需要减轻自重的制品应用中， 都具有卓越成效 某些环氧 FRP 的拉伸、弯曲和压缩强度均能到达 400Mpa 以上² 耐疲乏性能好复合材料比金属材料有较高的耐疲乏特性通常金属材料的疲乏强度极限是其拉伸强度的 30％～ 50％，而碳纤维增加聚合物基复合材料的疲乏强度极限为其拉伸强度的70％～80％因此，用复合材料制备成在长期交变载荷条件下工作的构件，具有较长的使用寿命和较大的破损安全系数² 阻尼减震性好受力构造的自振频率除与外形有关外，还同构造材料的比模量平方根成正比，所以， 复合材料具有较高的自振频率同时复合材料的基体纤维界面具有较大的吸取震惊能量， 使材料的振动阻尼较高² 破损安全性高复合材料的破坏不像传统材料那样突然发生，而是经受基体损伤、开裂、界面脱粘、纤维断裂等一系列过程当少数增加材料发生断裂时，载荷又会通过基体的传递快速分散到其它完好的纤维上去，从而延迟了灾难性破坏突然发生的时间² 可设计性强复合材料的力学性能、机械性能及热、声、光、电性能等物理、化学性能都可以依据制品的使用要求和环境条件要求，通过组份材料的选择和匹配以及界面掌握等材料设计手段，最大限度的到达预期的目的，以满足工程设备的使用性能。
² 材料与构造的同一性复合材料尤其是纤维增加复合材料，与其说材料不如说是构造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份材料在复合成材。