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一文了解復合材料

一文了解復合材料

編輯：轉自：材料科學(xué)與工程技術(shù) 發(fā)布時(shí)間：2024-02-02
近年來(lái)，復合材料 (composite material) 這個(gè)詞用得多了起來(lái)。那么什么是復合材料呢？簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，復合材料是由兩種或多種不同的的材料組合而成的材料。其中的一種材料作為基體，其它的材料作為增強相，基體通常是連續的，增強相可以是顆粒、纖維、層板?？梢哉J為增強相是鑲嵌在基體里的。這種組合成的材料的性質(zhì)與它的任何一種成分的材料都顯著(zhù)不同。 


復合材料中各種材料在性能上互相取長(cháng)補短，產(chǎn)生協(xié)同效應，使復合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料而滿(mǎn)足各種不同的要求。復合材料較以往的材料能夠具有許多優(yōu)點(diǎn)：高的強度重量比、高抗疲勞性和耐腐蝕性、增強的耐摩擦和耐磨損性、低導熱系數和低熱膨脹系數、材料屬性具有可調整性以滿(mǎn)足設計要求。例如陶瓷材料有耐高溫的優(yōu)點(diǎn)，但是它比較脆，為了增強它的韌性，采用高強度、高彈性的纖維與陶瓷基復合后，這種復合材料就可以用作液體火箭發(fā)動(dòng)機噴管、導彈天線(xiàn)罩、航天飛機鼻錐、飛機剎車(chē)盤(pán)和高檔汽車(chē)剎車(chē)盤(pán)等，成為高技術(shù)新材料的一個(gè)重要分支。

復合材料使用的歷史可以追溯到古代。從古至今沿用的稻草增強粘土，用石灰沫墻其中摻入麻刀和頭發(fā)以防開(kāi)裂，已使用了上百年的鋼筋混凝土，制造家具的層合板，加有高強度纖維線(xiàn)的橡膠輪胎。它們都是由兩種或兩種以上的材料復合而成。我們現在所說(shuō)的復合材料當然不是指這些，而是指二十世紀40年代以后發(fā)展起來(lái)的新的復合材料，有時(shí)稱(chēng)為先進(jìn)復合材料。

20世紀40年代，因航空工業(yè)的需要，發(fā)展了玻璃纖維增強復合材料（俗稱(chēng)玻璃鋼），從此出現了復合材料這一名稱(chēng)。50年代以后，陸續發(fā)展了碳纖維、石墨纖維和硼纖維等高強度和高模量纖維。70年代出現了芳綸纖維和碳化硅纖維。這些高強度、高模量纖維，能與合成樹(shù)脂、碳、石墨、陶瓷、橡膠等非金屬基體或鋁、鎂、鈦等金屬基體復合，構成各具特色的復合材料。

在這種新的復合材料出現以前。人類(lèi)所用的結構材料，有如下三類(lèi)：

01 金屬材料
鋼鐵、鋁與鋁合金、銅、鎂、鈦等；
02 無(wú)機非金屬材料
磚、瓦、玻璃、陶瓷、水泥、石墨、碳等；
03 高分子材料
橡膠、樹(shù)脂、塑料、纖維 、粘合劑、涂料等。
現在出現的第四類(lèi)材料——復合材料，就是以上三類(lèi)材料復合而成的材料。以上三類(lèi)材料都可以作為復合材料的基體，也都可以作為增強相加入基體中。
關(guān)于復合材料，最重要的，有以下三方面的問(wèn)題需要研究。

首先，是復合材料的組成、構造與加工問(wèn)題。選取的基體是什么，增強相是以什么方式加入基體的以及增強相自身的分布和編織方式，如何加工和實(shí)現這種復合材料。

復合材料的構成結構是多種多樣的，如下面圖示。有增強體無(wú)規則分散的，有纖維單向增強的，有以層合板的形式疊加的，有夾層結構的，有三維編織的等等，不一而足，而且還會(huì )研究發(fā)展新的構造形式。

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在復合材料加工中需要特別說(shuō)明的是，復合材料加工經(jīng)常是一次性的制成結構成品。以往的材料生產(chǎn)和結構建造是分開(kāi)進(jìn)行的，而復合材料工程多是將兩個(gè)步驟合成一步。圖5所示汽車(chē)外殼是由復合材料制成的，兩個(gè)人就能夠抬起來(lái)，可見(jiàn)它是很輕的，它是一次性由制作復合材料制成。下邊的飛機機身也是一次性制成的。

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其次，是復合材料的設計問(wèn)題。由復合材料組分的力學(xué)性質(zhì)和復合材料的構造形式，如何計算出復合材料的整體力學(xué)性質(zhì)和承載能力，這是復合材料力學(xué)的關(guān)鍵問(wèn)題。換句話(huà)說(shuō)，只有這件事情能夠自由了，設計優(yōu)秀的復合材料才能夠達到自由的程度。

由于復合材料的多樣性和復雜性，所以很難有一種方法對所有符合材料都有效，經(jīng)常是針對不同的復合材料構造研究和發(fā)展必要的設計和計算方法。例如層合板的復合材料計算方法，纖維增強復合材料的計算方法等等。這方面的文獻和書(shū)籍已經(jīng)非常多，在遇到這類(lèi)問(wèn)題時(shí)需要查閱有關(guān)的文獻。

在具體計算復合材料結構時(shí)，可以首先選擇有代表性的微小單元，通過(guò)計算取得這個(gè)單元平均化后的應力應變關(guān)系的各種參數，然后在得到的微元平均化后的應力應變關(guān)系下，計算復合材料結構的整體響應。最后，再根據得到的平均化的應力與應變，在每個(gè)微元上計算復合材料各個(gè)組分的應力應變和界面上的應力分布。最后，做出結構強度的判斷。

由于復合材料的復雜性，所有關(guān)于復合材料的計算與設計，需要借助于計算機進(jìn)行。好在現有不少固體力學(xué)，包括針對復合材料的計算力學(xué)商用軟件可以使用。盡管如此，對復合材料力學(xué)的研究仍然需要投入巨大的人力物力。

最后，是復合材料中各組分之間的界面問(wèn)題。

復合材料既然是由兩種或兩種以上的材料復合而成的，所以組分直接的界面就顯得特別重要。如果界面之間粘合不緊，那么組分之間沒(méi)有合作，各是各，就會(huì )看不到多種材料合起來(lái)的優(yōu)點(diǎn)反而性能會(huì )降低。但是界面的結合并不是簡(jiǎn)單的問(wèn)題，研究復合材料界面行為，可以說(shuō)是研究復合材料機理的關(guān)鍵問(wèn)題。

一般說(shuō)來(lái)，兩種材料之間的界面并不是一張理想的曲面，而是有一定厚度的兩種材料交互存在的立體。在其間會(huì )產(chǎn)生各種變化。主要的是引起各組分之間相互浸潤、擴散、界面相容、界面自由能互相穿透的物理變化；導致界面上化學(xué)反應，產(chǎn)生新的物質(zhì)形成新的界面層的化學(xué)變化；界面上的應力分布。由于界面上有這許多復雜的事情，所以有時(shí)在進(jìn)行復合材料加工之前先要對界面進(jìn)行處理。

從力學(xué)的角度很關(guān)心界面的粘接牢度，以及界面在什么條件下開(kāi)裂的問(wèn)題，界面開(kāi)裂問(wèn)題已經(jīng)成為計算力學(xué)和復合材料力學(xué)一類(lèi)十分受關(guān)注的課題。

復合材料興起雖然只有半個(gè)多世紀，但是已經(jīng)取得令人矚目的成就，他在改變著(zhù)許多高技術(shù)結構的面貌。因此，它是國際上激烈競爭的高技術(shù)領(lǐng)域之一。誰(shuí)在這種高技術(shù)領(lǐng)域占上風(fēng)，就可能在航空、航天、國防上領(lǐng)先。有能力的力學(xué)家們，到復合材料中顯一下身手吧！

聲      明：文章內容來(lái)源于材料科學(xué)與工程技術(shù) 。如有侵權，請聯(lián)系小編刪除，謝謝！