第七章 復(fù)合材料 增強(qiáng)材料

材料分類：金屬材料、無機(jī)非金屬材料、有機(jī)高分子材料

各有千秋揚(yáng)長避短

克服單一材料的缺點(diǎn)

產(chǎn)生原來單一材料本身所沒有的新性能復(fù)合材料復(fù)合材料

復(fù)合材料發(fā)展概況復(fù)合材料發(fā)展簡史：學(xué)術(shù)界開始使用“復(fù)合材料”（compositematerials）一詞大約是在20世紀(jì)40年代，當(dāng)時(shí)出現(xiàn)了玻璃纖維增強(qiáng)不飽和聚酯，開辟了現(xiàn)代復(fù)合材料的新紀(jì)元。復(fù)合材料

飽和聚酯玻璃纖維增強(qiáng)團(tuán)狀模塑料其具有優(yōu)良的電氣性能，機(jī)械性能，耐熱性，耐化學(xué)腐蝕性，又適應(yīng)各種成型工藝，即可滿足各種產(chǎn)品對(duì)性能的要求。從20世紀(jì)60年代開始，開發(fā)出多種高性能纖維。20世紀(jì)80年代以后，由于人們豐富了設(shè)計(jì)、制造和測試等方面的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，加上各類作為復(fù)合材料基體的材料的使用和改進(jìn)，使現(xiàn)代復(fù)合材料的發(fā)展達(dá)到了更高的水平，即進(jìn)入高性能復(fù)合材料的發(fā)展階段。復(fù)合材料

天然復(fù)合材料自然界中存在許許多多的天然復(fù)合材料。例如，樹木和竹子是纖維素和木質(zhì)素的復(fù)合體；

動(dòng)物的骨骼則由無機(jī)磷酸鹽和蛋白質(zhì)膠原復(fù)合而成。復(fù)合材料

人類很早就接觸和使用各種天然復(fù)合材料，并仿效自然界制作各種各樣的復(fù)合材料。例如陜西半坡人－－草梗合泥筑墻，且延用至今；漆器－－麻纖維和土漆復(fù)合而成，至今已四千多年；敦煌壁畫－－泥胎、宮殿建筑里園木表面的披麻覆漆。復(fù)合材料

近代，復(fù)合材料的發(fā)展始于20世紀(jì)40年代，第二次世界大戰(zhàn)中，玻璃纖維增強(qiáng)聚酯樹脂復(fù)合材料被美國空軍用于制造飛機(jī)構(gòu)件開始算起。50年代得到了迅速發(fā)展。我國從1958年開始發(fā)展復(fù)合材料

復(fù)合材料

現(xiàn)代復(fù)合材料的制作成功則要從1942年，第二次世界大戰(zhàn)中，玻璃纖維增強(qiáng)聚酯樹脂復(fù)合材料被美國空軍用于制造飛機(jī)構(gòu)件開始算起。復(fù)合材料

材料科學(xué)家們認(rèn)為，就世界范圍而論，從1940年到1960年這20年間，是玻璃纖維增強(qiáng)塑料時(shí)代，可以稱為復(fù)合材料發(fā)展的第一代。第一代：1940年到1960年，玻璃纖維增強(qiáng)塑料；復(fù)合材料

1965年英國科學(xué)家研制出碳纖維；1971年美國杜邦公司開發(fā)出Kevler-49（開芙拉-49）；1975年先進(jìn)復(fù)合材料“碳纖維增強(qiáng)、及Kevler纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料”已用于飛機(jī)、火箭的主承力件上。這一時(shí)期被稱為復(fù)合材料發(fā)展的第二代。第二代：1960年到1980年，先進(jìn)復(fù)合材料的發(fā)展時(shí)期復(fù)合材料

1980年到1990年間，是纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的時(shí)代，其中以鋁基復(fù)合材料的應(yīng)用最為廣泛，這一時(shí)期是復(fù)合材料發(fā)展的第三代。復(fù)合材料

1990年以后則被認(rèn)為是復(fù)合材料發(fā)展的第四代，主要發(fā)展多功能復(fù)合材料，如機(jī)敏（智能）復(fù)合材料和梯度功能材料等。隨著新型復(fù)合材料的不斷涌現(xiàn)，復(fù)合材料不僅應(yīng)用在導(dǎo)彈、火箭、人造衛(wèi)星等尖端工業(yè)中，在航空、汽車、造船、建筑、電子、橋梁、機(jī)械、醫(yī)療和體育等各個(gè)部門都得到應(yīng)用。復(fù)合材料

F—22在機(jī)體上廣泛使用含熱塑(12%)和熱作用(10%)的聚合復(fù)合材料(KM)。在批生產(chǎn)的飛機(jī)上使用復(fù)合材料(KM)的比例(按重量)將達(dá)35%。戰(zhàn)斗損耗率在十年后僅為F—15的二十分之一，維護(hù)人員將減半，一個(gè)中隊(duì)20年中的維持成本將比F—15少5億美元。復(fù)合材料

全復(fù)合材料機(jī)體無人直升機(jī)

這種新型直升機(jī)采用全復(fù)合材料機(jī)體，在它們的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)上具有獨(dú)特性。這種全復(fù)合材料機(jī)體對(duì)于垂直起落無人機(jī)尚屬首次。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)使該無人直升機(jī)具有極輕的重量和極高的強(qiáng)度，從而使它們性能先進(jìn)、有效載荷大和耐航性長。復(fù)合材料

運(yùn)載火箭的構(gòu)造中推進(jìn)劑貯箱段用材要求越輕越好，還要有盡可能高的強(qiáng)度，不易破裂，一般多采用高強(qiáng)度鋁基復(fù)合材料制成。復(fù)合材料

液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)主要由燃燒室和噴管、渦輪泵和活門自動(dòng)器等三大部分組成。燃燒室和噴管可使推進(jìn)劑在室內(nèi)燃燒，產(chǎn)生3000攝氏度以上的高溫和30—200個(gè)大氣壓的高壓氣體，高速從噴管噴出，形成強(qiáng)大的推力。這些結(jié)構(gòu)要承受如此的高溫、高壓必須采用高強(qiáng)度的耐熱復(fù)合材料，并附有強(qiáng)冷卻系統(tǒng)。15縱觀復(fù)合材料的發(fā)展過程，可以看到：早期發(fā)展出現(xiàn)的復(fù)合材料，由于性能相對(duì)比較低，生產(chǎn)量大，使用面廣，可稱之為常用復(fù)合材料。后來隨著高技術(shù)發(fā)展的需要，在此基礎(chǔ)上又發(fā)展出性能高的先進(jìn)復(fù)合材料。復(fù)合材料

１、復(fù)合材料的定義什么是復(fù)合材料(CompositionMaterials,Composite)?要給復(fù)合材料下一個(gè)嚴(yán)格精確而又統(tǒng)一的定義是很困難的。概括前人的觀點(diǎn)，有關(guān)復(fù)合材料的定義或偏重于考慮復(fù)合后材料的性能，或偏重于考慮復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)。復(fù)合材料

諸如（１）

復(fù)合材料是由兩種或更多的組分材料結(jié)合在一起，復(fù)合后的整體性能應(yīng)超過組分材料，保留了所期望的性能(高強(qiáng)度、剛度、輕的重量)，抑制了所不期望的特性(低延性)。偏重于考慮復(fù)合后材料的性能復(fù)合材料

（２）

復(fù)合材料是多功能的材料系統(tǒng)，它們可提供任何單一材料所無法獲得的特性；它們是由兩種或多種成分不同，性質(zhì)不同，有時(shí)形狀也不同的相容性材料，以物理形式結(jié)合而成的。復(fù)合材料

偏重于考慮復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)，諸如：

（１）復(fù)合材料是兩種或多種材料在宏觀尺度上組合而成的一種有用的材料。

（２）復(fù)合材料就是兩種或兩種以上的不同化學(xué)性質(zhì)或不同組織相的物質(zhì)，以微觀或宏觀的形式組合而成的材料。（３）復(fù)合材料是不同于合金的一種材料，在合金中，每一種組分都保留著它們獨(dú)立的特性，而構(gòu)成復(fù)合材料時(shí)，僅取它們的優(yōu)點(diǎn)而避開其缺點(diǎn)，從而獲得一種改善了的材料。

復(fù)合材料

F．L.Matthews和Ｒ．D．Rawlings認(rèn)為，復(fù)合材料是兩個(gè)或兩個(gè)以上組元或相組成的混合物，并應(yīng)滿足下面三個(gè)條件：(1)組元含量大于5％；(2)復(fù)合材料的性能顯著不同于各組元的性能，(3)通過各種方法混合而成。復(fù)合材料

按這Matthews和Rawlings給出的定義，鋼鐵及其合金不應(yīng)屬于復(fù)合材料，如Co—Cr—Mo—Si合金不屬于復(fù)合材料，因?yàn)檫@種合金經(jīng)過熔化和凝固過程；而僅有像SiC顆粒強(qiáng)化的Al合金這種混合而成的材料才屬于復(fù)合材料。因此有人認(rèn)為可將復(fù)合材料劃分為廣義復(fù)合材料和狹義復(fù)合材料。復(fù)合材料

從廣義上講，復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同化學(xué)性質(zhì)的組分組合而成的材料。但在現(xiàn)代材料學(xué)界中，復(fù)合材料專指由兩種或兩種以上不同相態(tài)的組分所組成的材料。復(fù)合材料可定義為：用經(jīng)過選擇的、含一定數(shù)量比的兩種或兩種以上的組分（或稱組元），通過人工復(fù)合、組成多相、三維結(jié)合且各相之間有明顯界面的、具有特殊性能的材料。復(fù)合材料

上述復(fù)合材料的定義較易被普遍接受，它不僅明確指出復(fù)合材料是“通過人工復(fù)合的”和“有特殊性能的”材料，而且還指明了復(fù)合材料的組分、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及與其他種材料（如簡單混合物、化合物、合金）的特征區(qū)別。根據(jù)上述復(fù)合材料的定義，復(fù)合材料應(yīng)不包括自然形成的具有某些復(fù)合材料形態(tài)的物質(zhì)、化合物、單相合金和多相合金。復(fù)合材料

以下面五點(diǎn)概括了復(fù)合材料的特點(diǎn)：1、復(fù)合材料的組分和相對(duì)含量是由人工選擇和設(shè)計(jì)的；2、復(fù)合材料是以人工制造而非天然形成的（區(qū)別于具有某些復(fù)合材料形態(tài)特征的天然物質(zhì)）；復(fù)合材料

3、組成復(fù)合材料的某些組分在復(fù)合后仍然保持其固有的物理和化學(xué)性質(zhì)（區(qū)別于化合物和合金）；4、復(fù)合材料的性能取決于各組成相性能的協(xié)同。復(fù)合材料具有新的、獨(dú)特的和可用的性能，這種性能是單個(gè)組分材料性能所不及或不同的；5、復(fù)合材料是各組分之間被明顯界面區(qū)分的多相材料。復(fù)合材料

吳人潔教授“在復(fù)合材料的未來發(fā)展”一文中指出：復(fù)合材料將由宏觀復(fù)合形式向微觀(細(xì)觀)復(fù)合形式發(fā)展。微觀復(fù)合材料包括：均質(zhì)材料在加工過程中內(nèi)部析出的增強(qiáng)相和剩余的基體相構(gòu)成的原位復(fù)合材料或纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，也包括用納米級(jí)增強(qiáng)體的復(fù)合材料以及剛強(qiáng)棒狀分子增強(qiáng)的分子復(fù)合材料等。綜上所述，復(fù)合材料定義所闡述的主要有兩點(diǎn)，即組成規(guī)律和性能持征。復(fù)合材料

國際標(biāo)準(zhǔn)化組織：由兩種以上在物理和化學(xué)上不同的物質(zhì)組合起來而得到的一種多相固體材料?！恫牧峡茖W(xué)技術(shù)百科全書》中關(guān)于復(fù)合材料的定義如下：復(fù)合材料是由有機(jī)高分子、無機(jī)非金屬或金屬等幾類不同材料通過復(fù)合工藝組合而成的新型材料。它既保留原組成材料的重要特色，又通過復(fù)合效應(yīng)獲得原組分所不具備的性能?？梢酝ㄟ^材料設(shè)計(jì)使各組分的性能互相補(bǔ)充并彼此關(guān)聯(lián)，從而獲得更優(yōu)越的性能，與一般材料的簡便混合有本質(zhì)區(qū)別。復(fù)合材料

《材料大辭典》中關(guān)于復(fù)合材料的定義為：復(fù)合材料是根據(jù)應(yīng)用的需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，把兩種以上的有機(jī)聚合物材料，或無機(jī)非金屬材料，或金屬材料組合在一起，使之互補(bǔ)性能優(yōu)勢，從而制成的一類新型材料。一般由基體組元與增強(qiáng)材料或功能體組元所組成，因此亦屬于多相材料范疇。復(fù)合材料

根據(jù)《材料大辭典》中關(guān)于復(fù)合材料的定義可以看出,復(fù)合材料具有兩個(gè)鮮明的特點(diǎn):１、復(fù)合材料不僅能保持原組分的部分優(yōu)點(diǎn)，而且產(chǎn)生原組分所不具備的新性能。２、復(fù)合材料具有可設(shè)計(jì)性。由于各種原材料都具有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，所以在組合時(shí)可能出現(xiàn)如下圖所示的結(jié)果。復(fù)合材料

材料的優(yōu)缺點(diǎn)組合示意圖復(fù)合材料

因此復(fù)合材料必須通過對(duì)原材料的選擇，各組分分布的設(shè)計(jì)和工藝條件的保證等，以使原組分材料的優(yōu)點(diǎn)互相補(bǔ)充，同時(shí)利用復(fù)合材料的復(fù)合效應(yīng)使之出現(xiàn)新的性能，最大限度地發(fā)揮優(yōu)勢。復(fù)合材料

綜上所述，復(fù)合材料應(yīng)具有以下三個(gè)特征：(1)復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同性能的材料組元通過宏觀或微觀復(fù)合形成的一種新型材料，組元之間存在著明顯的界面。(2)復(fù)合材料中各組元不但保持各自的固有特性而且可最大限度發(fā)揮各種材料組元的特性，并賦予單一材料組元所不具備的優(yōu)良持殊性能。復(fù)合材料

(3)復(fù)合材料具有可設(shè)計(jì)性。復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)通常是一個(gè)相為連續(xù)相，稱為基體；而另一相是以獨(dú)立的形態(tài)分布在整個(gè)連續(xù)相中的分散相，與連續(xù)相相比，這種分散相的性能優(yōu)越，會(huì)使材料的性能顯著增強(qiáng)，故常稱為增強(qiáng)體(也稱為增強(qiáng)材料、增強(qiáng)相等)。在大多數(shù)情況下，分散相較基體硬，強(qiáng)度和剛度較基體大。分散相可以是纖維及其編織物，也可以是顆粒狀或彌散的填料。在基體與增強(qiáng)體之間存在著界面。復(fù)合材料

復(fù)合材料

分散相連續(xù)相金屬材料無機(jī)非金屬材料有機(jī)高分子材料金屬材料金屬纖維纖維/金屬基復(fù)合材料鋼絲/水泥復(fù)合材料增強(qiáng)橡膠金屬晶須晶須/金屬基復(fù)合材料晶須/陶瓷基復(fù)合材料金屬片材金屬/塑料板無機(jī)非金屬材料陶瓷纖維纖維/金屬基復(fù)合材料纖維/陶瓷基復(fù)合材料晶須晶須/金屬基復(fù)合材料晶須/陶瓷基復(fù)合材料顆粒彌散強(qiáng)化合金材料粒子填充塑料玻璃纖維纖維/樹脂基復(fù)合材料顆粒碳纖維碳纖維/金屬基復(fù)合材料碳纖維/陶瓷基復(fù)合材料碳纖維/樹脂基復(fù)合材料炭黑顆粒/橡膠；顆粒/樹脂基有機(jī)高分子材料有機(jī)纖維纖維/樹脂基復(fù)合材料塑料金屬/塑料橡膠復(fù)合材料

復(fù)合材料在世界各國還沒有統(tǒng)一的名稱和命名方法，比較共同的趨勢是根據(jù)增強(qiáng)體和基體的名稱來命名，通常有以下三種情況：2、復(fù)合材料的命名復(fù)合材料

（1）強(qiáng)調(diào)基體時(shí)以基體材料的名稱為主。如樹脂基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料等。（2）強(qiáng)調(diào)增強(qiáng)體時(shí)以增強(qiáng)體材料的名稱為主。如玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、陶瓷顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料等。（3）基體材料名稱與增強(qiáng)體材料并用。這種命名方法常用來表示某一種性能的具體的復(fù)合材料，習(xí)慣上把增強(qiáng)體材料的名稱放在前面，基體材料的名稱放在后面。復(fù)合材料

例如：“玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料”，或簡稱為“玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料或玻璃纖維/環(huán)氧”。而我國則常把這類復(fù)合材料通稱為“玻璃鋼”。碳纖維和金屬基體構(gòu)成的復(fù)合材料叫“金屬基復(fù)合材料”，也可寫為“碳／金屬復(fù)合材料”。碳纖維和碳構(gòu)成的復(fù)合材料叫“碳／碳復(fù)合材料”。復(fù)合材料

國外還常用英文編號(hào)來表示，如MMC（MetalMatrixComposite）表示金屬基復(fù)合材料，F(xiàn)RP（FiberReinforcedPlastics）表示纖維增強(qiáng)塑料，而玻璃纖維/環(huán)氧則表示為GF/Epoxy,或G/Ep(G-Ep)復(fù)合材料

通常增強(qiáng)材料形態(tài)可分為以下三類1、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料：a.連續(xù)纖維復(fù)合材料：作為分散相的長纖維的兩個(gè)端點(diǎn)都位于復(fù)合材料的邊界處；

b.非連續(xù)纖維復(fù)合材料：短纖維、晶須無規(guī)則地分散在基體材料中；復(fù)合材料

2、顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料：微小顆粒狀增強(qiáng)材料分散在基體中；3、板狀增強(qiáng)體、編織復(fù)合材料：以平面二維或立體三維物為增強(qiáng)材料與基體復(fù)合而成。其他增強(qiáng)體：層疊、骨架、涂層、片狀、天然增強(qiáng)體

復(fù)合材料

復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)

①

無規(guī)分散（彌散）增強(qiáng)結(jié)構(gòu)（含顆粒、晶須、短纖維）(randomlyoriented)②

連續(xù)長纖單向增強(qiáng)結(jié)構(gòu)（單向板）(aligned)③

層合(板)結(jié)構(gòu)(二維織布或連續(xù)纖維鋪層，每層

不同)(laminate)④

三維編織體增強(qiáng)結(jié)構(gòu)(braidedfabricorfilamentwinding)⑤

夾層結(jié)構(gòu)（蜂窩夾層等）(sandwichconstructure)⑥

混雜結(jié)構(gòu)(hybridconstructure)復(fù)合材料

引入相的“連通性”概念，理論上可將復(fù)合材料結(jié)構(gòu)劃分為

0-3型、1-3型2-2型、2-3型、3-3型等幾種典型結(jié)構(gòu)復(fù)合材料

三維編織纖維結(jié)構(gòu)

三維正交非織造的纖維結(jié)構(gòu)

(種柔性結(jié)構(gòu)

管、容器的螺旋纏繞平面纏繞線型

復(fù)合材料

各種玻璃夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料

單向及準(zhǔn)各向同性板的鋪層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料

混雜復(fù)合材料的混雜類型

復(fù)合材料

復(fù)合材料的復(fù)合效應(yīng)

1.

復(fù)合材料各組元（相）相互作用

基體：①將增強(qiáng)材料粘合成整體并使增強(qiáng)材料的位置固定。②

增強(qiáng)材料間傳遞載荷，并使載荷均勻，自身承受一定載荷。③

保護(hù)增強(qiáng)體免受各種損傷。④很大程度上決定成型工藝方法及工藝參數(shù)選擇。⑤決定部分性能。

增強(qiáng)體：主要承受絕大部分載荷、增強(qiáng)、增韌

功能體：賦予一定功能

界面相層：復(fù)合材料產(chǎn)生組合力學(xué)及其它性能，復(fù)合效應(yīng)產(chǎn)生的根源復(fù)合材料

復(fù)合效應(yīng)

復(fù)合效應(yīng)表現(xiàn)形式多種多樣大致可分為：混合效應(yīng)：線性加合固有性質(zhì)，如密度、模量、比熱

非固有性質(zhì)，如強(qiáng)度、泊松比等

協(xié)同效應(yīng)：非線性綜合、轉(zhuǎn)遞性質(zhì)復(fù)合材料

混合效應(yīng)：平均效應(yīng)或組份效應(yīng)，是組份材料性能取長補(bǔ)短共同作用的結(jié)果，是組份材料性能比較穩(wěn)定的總體反應(yīng)，局部的撓動(dòng)、薄弱環(huán)節(jié)、界面、工藝因素等通常對(duì)混合效應(yīng)沒有明顯的作用，表現(xiàn)為各種形式的混合律。協(xié)同效應(yīng)：①復(fù)合材料的本質(zhì)特征，使復(fù)合材料的性能與組份材料相比，發(fā)生飛躍式提高，甚至具有組份材料沒有的性能，這些潛在性能是研制開發(fā)新材料的源泉。復(fù)合材料追求的就是這種協(xié)同效應(yīng)。②對(duì)微觀非均勻性、薄弱環(huán)節(jié)、界面、制備工藝，甚至某些偶然因素都十分敏感。復(fù)合材料

混合律

Xc=XmVm+Xf1V1+Xf2V2+……

復(fù)合材料性能與各組元性能及分量的關(guān)系（線性關(guān)系）。

組份效應(yīng)：各組元性能確定，相對(duì)組成作為變量，不考慮組份的幾何形狀、分布狀態(tài)和尺度等影響。相對(duì)組成通常用體積分?jǐn)?shù)和質(zhì)量分?jǐn)?shù)來表達(dá)。復(fù)合材料的固有性質(zhì)是指各相之間不相互作用所表現(xiàn)出來的材料性質(zhì)，如密度C和比熱容Cc等，屬于固有性質(zhì)的物理量，都應(yīng)服從混合律。

復(fù)合材料

協(xié)同效應(yīng)：界面效應(yīng)、尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、乘積效應(yīng)、系統(tǒng)效應(yīng)、混雜效應(yīng)、誘導(dǎo)效應(yīng)等。納米量子尺寸效應(yīng)：固體物理研究表明，固體顆粒尺寸減少到某一臨界值時(shí)（一般為0.1m或100nm），顆粒的某些性質(zhì)（如光、電、磁、熱、化學(xué)特性等）會(huì)發(fā)生質(zhì)的變化，呈現(xiàn)與物體宏觀狀態(tài)下差異很大的特性。具有顯著的量子尺寸效應(yīng)。

納米復(fù)合材料是指分散相尺度至少有一維小于102nm量級(jí)的復(fù)合材料。由于其納米量子尺寸效應(yīng)，大的比表面積及強(qiáng)的界面相互作用，使納米復(fù)合材料的性能遠(yuǎn)優(yōu)于相同組份常規(guī)復(fù)合材料的物理力學(xué)性能。納米復(fù)合材料是獲得高性能復(fù)合材料的重要途徑之一。復(fù)合材料

協(xié)同效應(yīng)：界面效應(yīng)、尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、乘積效應(yīng)、系統(tǒng)效應(yīng)、混雜效應(yīng)、誘導(dǎo)效應(yīng)等。界面效應(yīng)(interfaceeffect)

復(fù)合材料的絕大部分性能很大程度上取決于界面層的狀態(tài)和性質(zhì)，材料的破壞與失效機(jī)制往往是從界面破壞與失效開始的。復(fù)合材料的力學(xué)性能，對(duì)界面層的狀態(tài)和性質(zhì)，界面缺陷都十分敏感，并很大程度上取決于界面層的狀態(tài)和性質(zhì)。幾乎所有協(xié)同效應(yīng)（復(fù)合效應(yīng)的本質(zhì)特征）都是由界面層的存在帶來的，這就是所謂界面效應(yīng)的內(nèi)涵。復(fù)合材料

納米量子尺寸效應(yīng)：固體物理研究表明，固體顆粒尺寸減少到某一臨界值時(shí)（一般為0.1m或100nm），顆粒的某些性質(zhì)（如光、電、磁、熱、化學(xué)特性等）會(huì)發(fā)生質(zhì)的變化，呈現(xiàn)與物體宏觀狀態(tài)下差異很大的特性。具有顯著的量子尺寸效應(yīng)。

納米復(fù)合材料是指分散相尺度至少有一維小于102nm量級(jí)的復(fù)合材料。由于其納米量子尺寸效應(yīng)，大的比表面積及強(qiáng)的界面相互作用，使納米復(fù)合材料的性能遠(yuǎn)優(yōu)于相同組份常規(guī)復(fù)合材料的物理力學(xué)性能。納米復(fù)合材料是獲得高性能復(fù)合材料的重要途徑之一。復(fù)合材料

復(fù)合材料的性能特點(diǎn)

1、高比強(qiáng)度、比彈性模量；

復(fù)合材料

2、抗疲勞性能好；

3、破損安全性好；

4、減振性能好；

5、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)。構(gòu)成復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)組元CM=增強(qiáng)材料(F)+基體(M)+界面相(I)增強(qiáng)材料不同有顆粒增強(qiáng)CM、片狀增強(qiáng)CM、纖維增強(qiáng)CM（連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料

基體材料不同有金屬基MMC、聚合物基PMC、無機(jī)非金屬基CMC

F、M、I三相的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，它們的配置方式和相互作用及相對(duì)含量決定著復(fù)合材料的性能復(fù)合材料

混雜復(fù)合材料：兩種或兩種以上增強(qiáng)體同一種基體制成的復(fù)合材料?？梢钥闯墒莾煞N或多種單一纖維或顆粒復(fù)合材料的相互復(fù)合，即復(fù)合材料的“復(fù)合材料”。復(fù)合材料

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料分為以下五種：①玻璃纖維復(fù)合材料；②碳纖維復(fù)合材料；③有機(jī)纖維（芳香族聚酰胺纖維、芳香族聚酯纖維、聚烯烴纖維等）復(fù)合材料；④金屬纖維（如鎢絲、不銹鋼絲等）復(fù)合材料；⑤陶瓷纖維（如氧化鋁纖維、碳化硅纖維、硼纖維等）復(fù)合材料。復(fù)合材料

纖維用作高性能工程材料是基于三個(gè)重要的特征：（1）小直徑纖維的直徑很小，所以纖維比塊狀物達(dá)到理論強(qiáng)度的百分率要高得多。這是尺寸效應(yīng)的直接結(jié)果，即纖維直徑越小，含有缺陷的可能性越小。（2）高的長徑比纖維增強(qiáng)材料的效果，主要取決于纖維的性能，而基體僅起傳遞應(yīng)力的作用。纖維具有高的長徑比，就為基體傳遞載荷的百分率的提供創(chuàng)造了有利條件。（3）很高度的柔軟性這種柔軟性允許用各種技術(shù)來制備這些纖維的復(fù)合材料。復(fù)合材料

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料：纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的強(qiáng)度和剛性與纖維方向密切相關(guān)。纖維無規(guī)排列時(shí)，能獲得基本各向同性的復(fù)合材料。均一方向的纖維使材料具有明顯的各向異性。纖維采用正交編織，相互垂直的方向均具有好的性能。纖維采用三維編織，可獲得各方向力學(xué)性能均優(yōu)的材料。

纖維在基體中的不同分布方式復(fù)合材料

玻璃纖維（GlassFibre,GF或Gt）由含有各種金屬氧化物的硅酸鹽類，經(jīng)熔融后以極快的速度抽絲而成。由于質(zhì)地柔軟，因此可以紡織成各種玻璃布、玻璃帶等織物。價(jià)格便宜，品種多，適于編織各種玻璃布，作為增強(qiáng)材料廣泛用于航空航天、建筑領(lǐng)域及日常用品。缺點(diǎn)是不耐磨，易折斷，易受機(jī)械損傷，長期放置強(qiáng)度下降。復(fù)合材料

種類：按用途 高強(qiáng)度纖維、低介電纖維、耐化學(xué)藥品纖維、耐電腐蝕纖維、耐堿纖維；按化學(xué)成分 堿玻璃纖維、中堿玻璃纖維、低堿玻璃纖維、無堿玻璃纖維；按單絲直徑可分為：粗纖維、初級(jí)纖維、中級(jí)纖維、高級(jí)纖維。復(fù)合材料

63玻璃纖維復(fù)合材料

用玻璃纖維增強(qiáng)工程塑料的復(fù)合材料，即玻璃鋼。玻璃鋼分為兩種，即熱塑性玻璃鋼和熱固性玻璃鋼。復(fù)合材料

64Ａ、熱塑性玻璃鋼熱塑性玻璃鋼是以玻璃纖維為增強(qiáng)劑和以熱塑性樹脂為粘結(jié)劑制成的復(fù)合材料。Ｂ、熱固性玻璃鋼熱固性玻璃鋼是以玻璃纖維為增強(qiáng)劑和以熱固性樹脂為粘結(jié)劑制成的復(fù)合材料。復(fù)合材料

7.4.1聚合物基玻璃鋼天線反射面玻璃鋼建筑材料用于上海東方明珠電視塔大堂裝潢復(fù)合材料

(1)GFRP玻璃鋼應(yīng)用于體育用品復(fù)合材料

碳纖維（CarbonFibre,CF或Cf） 纖維中含碳量在95%左右的碳纖維和含碳量在99%左右的石墨纖維。生產(chǎn)碳纖維的原料主要為人造絲（粘膠纖維）、聚丙烯烴和瀝青三種，其中以聚丙烯烴最為主要。按力學(xué)性能可將碳纖維分成高強(qiáng)度碳纖維、高模量碳纖維和普通碳纖維。復(fù)合材料

碳纖維的結(jié)構(gòu)模型PolymerMatrixComposites，PMC普通型高強(qiáng)度型高彈性模量型68復(fù)合材料

碳纖維片材（復(fù)合材料）用于建筑物補(bǔ)強(qiáng)加固69Chapter9Composites復(fù)合材料

碳纖維的特點(diǎn)：強(qiáng)度和模量高、密度??；具有很好的耐酸性；熱膨脹系數(shù)小，甚至為負(fù)值具有很好的耐高溫蠕變性能，一般在1900℃以上才呈現(xiàn)出永久塑性變形。摩擦系數(shù)小、潤滑性好、導(dǎo)電性高。碳纖維的缺點(diǎn)：價(jià)格昂貴，比玻璃纖維貴25倍以上抗氧化能力較差，在高溫下有氧存在時(shí)會(huì)生成二氧化碳。復(fù)合材料

②碳纖維復(fù)合材料

Ａ、碳纖維復(fù)合材料：作基體的樹脂，目前應(yīng)用最多的是環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂和聚四氟乙烯。Ｂ、碳纖維碳復(fù)合材料：用有機(jī)基體浸漬纖維坯塊，固化后再進(jìn)行熱解，或纖維坯型經(jīng)化學(xué)氣相沉積，直接填入碳。Ｃ、碳纖維金屬復(fù)合材料：主要用于熔點(diǎn)較低的金屬或合金，如在碳纖維表面鍍金屬，制成了碳纖維金屬復(fù)合材料。Ｄ、碳纖維陶瓷復(fù)合材料：我國研制了一種碳纖維石英玻璃復(fù)合材料。復(fù)合材料

(2)CFRP碳纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料（CFRP）

CFRP在民用飛機(jī)中的應(yīng)用CFRP在空間站大型結(jié)構(gòu)以及太陽能電池支架中的應(yīng)用復(fù)合材料

硼纖維（BoronFibre，BF或Bf）通用的制備方法是在加熱的鎢絲表面通過化學(xué)反應(yīng)沉積硼層。硼纖維的直徑有100μm、140μm、200μm幾種。硼纖維的特點(diǎn)硼纖維具有很高的彈性模量和強(qiáng)度，但其性能受沉積條件和纖維直徑的影響，硼纖維的密度為2.4~2.65g/cm3，拉伸強(qiáng)度為3.2~5.2GPa，彈性模量為350~400GPa。硼纖維具有耐高溫和耐中子輻射性能。復(fù)合材料

74硼纖維復(fù)合材料Ａ、硼纖維樹脂復(fù)合材料：基體主要為環(huán)氧樹脂、聚苯并咪唑和聚酰亞胺樹脂等。Ｂ、硼纖維金屬復(fù)合材料：常用的基體為鋁、鎂及其合金，還有鈦及其合金等。復(fù)合材料

硼纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料用于航天飛機(jī)主艙體支柱復(fù)合材料

硼纖維的缺點(diǎn)工藝復(fù)雜，不易大量生產(chǎn)，其價(jià)格昂貴。由于鎢絲的密度大，硼纖維的密度也大。目前已研究用碳纖維代替鎢絲，以降低成本和密度，結(jié)果表明，碳心硼纖維比鎢絲硼纖維強(qiáng)度下降5%，但成本降低25%。硼纖維在常溫為較惰性物質(zhì)，但在高溫下易與金屬反應(yīng)，因此需在表面沉積SiC層，稱之為Bosic纖維。硼纖維主要用于聚合物基和金屬基復(fù)合材料。復(fù)合材料

氧化鋁纖維 AluminiaFibre，AF多晶連續(xù)纖維，除Al2O3外常含有約15%的SiO2。優(yōu)點(diǎn)：具有優(yōu)良的耐熱性和抗氧化性，直到370℃強(qiáng)度仍下降不大。缺點(diǎn)：在所有纖維中密度最大。用途：主要用于金屬基復(fù)合材料。復(fù)合材料

碳化硅纖維 SiliconCarbideFibre，SF目前SiC纖維的生產(chǎn)有有機(jī)合成法和CVD法兩種。

特點(diǎn)：高強(qiáng)度高模量有良好的耐化學(xué)腐蝕性、耐高溫和耐輻射性能。比碳纖維和硼纖維具有更好的高溫穩(wěn)定性。具有半導(dǎo)體性能。與金屬相容性好，常用于金屬基和陶瓷基復(fù)合材料。復(fù)合材料

金屬纖維復(fù)合材料作增強(qiáng)纖維的金屬主要是強(qiáng)度較高的高熔點(diǎn)金屬鎢、鉬、鋼、不銹鋼、鈦、鈹?shù)?，它們能被基體金屬潤濕，也能增強(qiáng)陶瓷。Ａ、金屬纖維金屬復(fù)合材料：研究較多的增強(qiáng)劑為鎢鉬絲，基體為鎳合金和鈦合金。Ｂ、金屬纖維陶瓷復(fù)合材料：利用金屬纖維的韌性和抗拉能力改善陶瓷的脆性。復(fù)合材料

晶須增強(qiáng)體晶須（Wisker）：具有一定長徑比（一般大于10）和截面積小于52×10-5cm2的單晶纖維材料。具有實(shí)用價(jià)值的晶須直徑約為1～10μm，長度與直徑比在5～1000之間。晶須是含缺陷很少的單晶短纖維，其拉伸強(qiáng)度接近其純晶體的理論強(qiáng)度。復(fù)合材料

顆粒增強(qiáng)體顆粒增強(qiáng)體：用以改善基體材料性