复合材料

复合材料（高性能组合材料）复合材料，是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观（微观）上组成具有新性能的材料。

各种材料在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组成材料而满足各种不同的要求。

复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。

金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。

非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。

增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。

复合材料是一种混合物。

在很多领域都发挥了很大的作用，代替了很多传统的材料。

复合材料按其组成分为金属与金属复合材料、非金属与金属复合材料、非金属与非金属复合材料。

按其结构特点又分为：①纤维增强复合材料。

将各种纤维增强体置于基体材料内复合而成。

如纤维增强塑料、纤维增强金属等。

②夹层复合材料。

由性质不同的表面材料和芯材组合而成。

通常面材强度高、薄；芯材质轻、强度低，但具有一定刚度和厚度。

分为实心夹层和蜂窝夹层两种。

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、金属陶瓷等。

④混杂复合材料。

由两种或两种以上增强相材料混杂于一种基体相材料中构成。

与普通单增强相复合材料比，其冲击强度、疲劳强度和断裂韧性显著提高，并具有特殊的热膨胀性能。

分为层内混杂、层间混杂、夹芯混杂、层内/层间混杂和超混杂复合材料。

复合材料主要可分为结构复合材料和功能复合材料两大类。

结构复合材料是作为承力结构使用的材料，基本上由能承受载荷的增强体组元与能连接增强体成为整体材料同时又起传递力作用的基体组元构成。

增强体包括各种玻璃、陶瓷、碳素、高聚物、金属以及天然纤维、织物、晶须、片材和颗粒等，基体则有高聚物(树脂)、金属、陶瓷、玻璃、碳和水泥等。

由不同的增强体和不同基体即可组成名目繁多的结构复合材料，并以所用的基体来命名，如高聚物(树脂)基复合材料等。

结构复合材料的特点是可根据材料在使用中受力的要求进行组元选材设计，更重要是还可进行复合结构设计，即增强体排布设计，能合理地满足需要并节约用材。

功能复合材料一般由功能体组元和基体组元组成，基体不仅起到构成整体的作用，而且能产生协同或加强功能的作用。

功能复合材料是指除机械性能以外而提供其他物理性能的复合材料。

如：导电、超导、半导、磁性、压电、阻尼、吸波、透波、磨擦、屏蔽、阻燃、防热、吸声、隔热等凸显某一功能。

统称为功能复合材料。

功能复合材料主要由功能体和增强体及基体组成。

功能体可由一种或以上功能材料组成。

多元功能体的复合材料可以具有多种功能。

同时，还有可能由于复合效应而产生新的功能。

多功能复合材料是功能复合材料的发展方向。

复合材料也可分为常用和先进两类。

常用复合材料如玻璃钢便是用玻璃纤维等性能较低的增强体与普通高聚物(树脂)构成。

由于它的价格低廉的以大量发展，已广泛用于船舶、车辆、化工管道和贮罐、建筑结构、体育用品等方面。

先进复合材料指用高性能增强体如碳纤维、芳纶等于高性能耐热高聚物构成的复合材料，后来又把金属基、陶瓷基和碳(石墨)基以及功能复合材料包括在内。

它们的性能虽然优良，但价格相对较高，主要用于国防工业、航空航天、精密机械、深潜器、机器人结构件和高档体育用品等。

应用领域复合材料的主要应用领域有：①航空航天领域。

由于复合材料热稳定性好，比强度、比刚度高，可用于制造飞机机翼和前机身、卫星天线及其支撑结构、太阳能电池翼和外壳、大型运载火箭的壳体、发动机壳体、航天飞机结构件等。

②汽车工业。

由于复合材料具有特殊的振动阻尼特性，可减振和降低噪声、抗疲劳性能好，损伤后易修理，便于整体成形，故可用于制造汽车车身、受力构件、传动轴、发动机架及其内部构件。

③化工、纺织和机械制造领域。

有良好耐蚀性的碳纤维与树脂基体复合而成的材料，可用于制造化工设备、纺织机、造纸机、复印机、高速机床、精密仪器等。

④医学领域。

碳纤维复合材料具有优异的力学性能和不吸收X射线特性，可用于制造医用X光机和矫形支架等。

碳纤维复合材料还具有生物组织相容性和血液相容性，生物环境下稳定性好，也用作生物医学材料。

此外，复合材料还用于制造体育运动器件和用作建筑材料等。

复合材料是指由两种或两种以上不同物质以不同方式组合而成的材料，它可以发挥各种材料的优点，克服单一材料的缺陷，扩大材料的应用范围。

由于复合材料具有重量轻、强度高、加工成型方便、弹性优良、耐化学腐蚀和耐候性好等特点，已逐步取代木材及金属合金，广泛应用于航空航天、汽车、电子电气、建筑、健身器材等领域，在近几年更是得到了飞速发展。

车用复合材料的特点一般称为复合材料的是由纤维等增强材料与基底（母体）等2种或2种以上性质不同的材料，通过各种工艺手段组合而成。

它与纤维增强塑料（FRP）、纤维增强金属（FRM）、金属-塑料层叠材料等相当，具有质量轻、强度高、刚度好的特点，这些复合材料在汽车零部件上应用很盛行。

复合材料是并向异性的非均质材料，与其他材料相比有以下突出特点：1)比强度与比模量高。

比强度、比模量是指材料的强度和模量与密度之比，比强度越高，零件自重越小；比模量越高，零件的刚性越大。

因此对高速运转的结构件或需减轻自重的运输工具具有重要意义。

2)纤维增强复合材料中的纤维与基体间的界面能够有效地阻止疲劳裂纹的扩展，外加载荷由增强纤维承担。

大多数金属材料的疲劳强度极限是其拉伸强度的30%～50%，而复合材料则可达到60%～80%。

3）在热塑性塑料中掺入少量的短切碳纤维可大大地提高它的耐磨性，其增加的倍数可为原来的好几倍。

如聚氯乙烯以碳纤维增强后为其本身的3.8倍，聚四氟乙烯为其本身的3倍；聚丙烯为其本身的2.5倍；聚酰胺为其本身的1.2倍；聚酯为其本身的2倍。

选用适当塑料与钢板复合可作耐磨物件，如轴承材料等。

用聚四氟乙烯（或聚甲醛）为表层、多孔青铜和钢板为里层的三层复合材料，可制成滑动轴承的良好材料。

4）化学稳定性优良。

纤维增强酚醛塑料可长期在含氯离子的酸性介质中使用，用玻璃纤维增强塑料，可制造耐强酸、盐、酯和某些溶剂的化工管道、泵、阀及容器等设备。

如用耐碱纤维与塑料复合，还能在强碱介质中使用。

耐碱纤维可用来取代钢筋与水泥复合。

5）耐高温烧蚀性好。

纤维增强复合材料中，除玻璃纤维软化点较低（700~900℃）外，其他纤维的熔点（或软化点）一般都在2000℃以上，用这些纤维与金属基体组成的复合材料，高温下强度和模量均有提高。

例如：用碳纤维或硼纤维增强后，400℃时强度和模量基本可保持室温下水平。

同样用碳纤维增强金属镍，不仅密度下降，而且高温性能也提高。

由于玻璃钢具有极低的导热系数，可瞬时耐超高温，故可做耐烧蚀材料。

6）工艺性与可设计性好。

调整增强材料的形状、排布及含量，可满足构件强度和刚度等性能要求，且材料与构件可一次成型，减少了零部件、紧固件和接头数目，材料利用率大大提高。

复合材料的作用和性能复合材料与传统材料相比，具有比强度高、质量轻、比模量高、抗疲劳性能好及减振性能好等诸多优点。

复合材料的各个组成材料在性能上起协同作用，具有单一材料无法比拟的优越综合性能。

因此，在汽车工业中，复合材料被广泛应用于车身、灯壳罩、前后护板、保险杠、板弹簧、座椅架及驱动轴等部件的设计与制造。

在汽车工业中的复合材料设计应注意3个原则：1）比强度高和比刚度高；2）材料与环境相适应；3）性价比高。

另外，在设计车身时，有一些经验方法，如：在应力高的区域适用碳纤维复合材料；在对韧性和刚度要求比较高的区域使用三合板复合材料；在几何形状复杂的区域可以使用层合板。

复合材料性能适合车身轻量化的要求，降低油耗。

传统的汽车车身材料处于以薄钢板为主的单一状态，不能适应人们追求高速与轻量化的要求，为减轻其质量，改善风阻系数和降低油耗，许多汽车厂家都积极研究和利用新材料以达到上述要求。

汽车自重减少50kg，1L 燃油行驶距离可增加2Km；若自重减少10%，燃油经济性可提高约5.5%。

许多类型的复合材料都在车身轻量化过程中得到了施展才能的舞台，并在汽车的轻量化进程中大显生手。

汽车轻量化的目的就是节能和减轻排放污染。

同时环境保护已成为可持续发展战略必不可少的条件，而复合材料的发展趋势正朝着延长使用期以及可再生的方向发展。

研发中的复合材料1）碳纤维强化塑料（CFRP）。

碳纤维由纤维和聚丙烯睛经高温加热处理制造而成，具有耐热性高，比重比铝和玻璃纤维还小，而且与塑料复合其强度可与钢和铝相匹敌。

可是CFRP的成本与GFRP（玻璃纤维增强塑料）相比，远高很多，大多限于航空宇宙和体育用品范围内使用。

1979年，美国福特汽车公司发表了用GFRP制作轻型实验车的新构想（见图1），其中使用CFRP约300kg，燃费约可降低35%。

该实验车主要是将CFRP材料应用于车体面板，其他是传动轴和板弹簧等功能性零件，同时，还尝试在发动机机体和连杆、活塞等零部件上应用。

CFRP材料质轻，刚度和强度也高，因材料的各向异性，设计时，可在所需的方向保持其强度和刚性。

CFRP的弹性模量是GFRP的4~9倍，是金属材料的3~4倍。

如果成批生产，成本将进一步下降，故而它将是一种期望很高的复合材料。

2）纤维增强金属（FRM）。

CFRP与GFRP具有各种优越的机械性能，但其基底是塑料，与金属相比耐热性差。

因此，作为高温强度材料使用的FRM的研究十分盛行，并且揭开了可将其在汽车上使用的可能性。

增强纤维有：碳元素、碳化硅、硼、氧化铝等。

基底，开始有铝、铜及镍，后又有与各种目的相适应的钛、镁、锌及锡等。

增强纤维与各种金属相结合，将制造出各种特性的FRM。

现正进行将FRM应用于活塞、连杆及其他一些滑动零件的研究。

因这种纤维价格高，以及还未达到成批生产的规模，它作为高温强度好的材料，其利用价值是相当高的。

3)金属-塑料层辑材料。

将高强度钢板和铝、塑料等紧密结合在一起的材料是种理想的轻型材料，也是种夹层结构的层叠材料。

由于它是在塑料芯的两面粘结上薄钢板或铝板，具自优越的隔热和隔音性能。

层叠材料，它叫发挥与钢板相匹敌的刚性好的特点，它由塑料芯两面的金属板承受弯曲应力，由塑料芯材承受剪切应力。

在同样刚性下，层叠钢板与一般钢板相比，质量是其30%~-70%, 如果对于层叠板质量有一定限制要求时，可由改变芯两面的金属板与芯板的厚度等来解决。

层叠材料的成本一般是钢板的1～3倍，但它还存在一些需要解决的问题，如：使用在车体面板时，与各面板如何粘结拼合；在其表面金属钢板锈蚀时，刚性会降低等。

然而随着层叠材料研究开发的进步，使它实用化将有很大的可能性。

4)车用玻璃纤维增强复合材料。

由于增强材料和填充材料品种繁多，因此将使用玻纤当做增强材料的材料称为GFRR。

由于玻纤的加入大大地改善了塑料的物理机械性能，通过塑料经过增强后，也能作为工程材料应用。