细说关于复合材料

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近年来，复合材料 (composite material) 这个词用得多了起来。那么什么是复合材料呢？简单说，复合材料是由两种或多种不同的的材料组合而成的材料。其中的一种材料作为基体，其它的材料作为增强相，基体通常是连续的，增强相可以是颗粒、纤维、层板。可以认为增强相是镶嵌在基体里的。这种组合成的材料的性质与它的任何一种成分的材料都显著不同。

复合材料中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。复合材料较以往的材料能够具有许多优点：高的强度重量比、高抗疲劳性和耐腐蚀性、增强的耐摩擦和耐磨损性、低导热系数和低热膨胀系数、材料属性具有可调整性以满足设计要求。例如陶瓷材料有耐高温的优点，但是它比较脆，为了增强它的韧性，采用高强度、高弹性的纤维与陶瓷基复合后，这种复合材料就可以用作液体火箭发动机喷管、导弹天线罩、航天飞机鼻锥、飞机刹车盘和高档汽车刹车盘等，成为高技术新材料的一个重要分支。

复合材料使用的历史可以追溯到古代。从古至今沿用的稻草增强粘土，用石灰沫墙其中掺入麻刀和头发以防开裂，已使用了上百年的钢筋混凝土，制造家具的层合板，加有高强度纤维线的橡胶轮胎。它们都是由两种或两种以上的材料复合而成。我们现在所说的复合材料当然不是指这些，而是指二十世纪40年代以后发展起来的新的复合材料，有时称为先进复合材料。

20世纪40年代，因航空工业的需要，发展了玻璃纤维增强塑料（俗称玻璃钢），从此出现了复合材料这一名称。50年代以后，陆续发展了碳纤维、石墨纤维和硼纤维等高强度和高模量纤维。70年代出现了芳纶纤维和碳化硅纤维。这些高强度、高模量纤维，能与合成树脂、碳、石墨、陶瓷、橡胶等非金属基体或铝、镁、钛等金属基体复合，构成各具特色的复合材料。

在这种新的复合材料出现以前。人类所用的结构材料，有如下三类：

  · 金属材料：钢铁、铝与铝合金、铜、镁、钛等；

  · 无机非金属材料：砖、瓦、玻璃、陶瓷、水泥、石墨、碳等；

  · 高分子材料：橡胶、树脂、塑料、纤维 、粘合剂、涂料等。

现在出现的第四类材料——复合材料，就是以上三类材料复合而成的材料。以上三类材料都可以作为复合材料的基体，也都可以作为增强相加入基体中。

关于复合材料，最重要的，有以下三方面的问题需要研究。

首先，是复合材料的组成、构造与加工问题。选取的基体是什么，增强相是以什么方式加入基体的以及增强相自身的分布和编织方式，如何加工和实现这种复合材料。

复合材料的构成结构是多种多样的，如下面图示。有增强体无规则分散的，有纤维单向增强的，有以层合板的形式叠加的，有夹层结构的，有三维编织的等等，不一而足，而且还会研究发展新的构造形式。

图1 增强体的各种分布方式

图2 增强体的各种三维编织形式

图3 各种夹层与铺层结构

图4 混合形式结构

在复合材料加工中需要特别说明的是，复合材料加工经常是一次性的制成结构成品。以往的材料生产和结构建造是分开进行的，而复合材料工程多是将两个步骤合成一步。图5所示汽车外壳是由复合材料制成的，两个人就能够抬起来，可见它是很轻的，它是一次性由制作复合材料制成。下边的飞机机身也是一次性制成的。

图5 复合材料制成的汽车外壳和机身

其次，是复合材料的设计问题。由复合材料组分的力学性质和复合材料的构造形式，如何计算出复合材料的整体力学性质和承载能力，这是复合材料力学的关键问题。换句话说，只有这件事情能够自由了，设计优秀的复合材料才能够达到自由的程度。

由于复合材料的多样性和复杂性，所以很难有一种方法对所有符合材料都有效，经常是针对不同的复合材料构造研究和发展必要的设计和计算方法。例如层合板的复合材料计算方法，纤维增强复合材料的计算方法等等。这方面的文献和书籍已经非常多，在遇到这类问题时需要查阅有关的文献。

在具体计算复合材料结构时，可以首先选择有代表性的微小单元，通过计算取得这个单元平均化后的应力应变关系的各种参数，然后在得到的微元平均化后的应力应变关系下，计算复合材料结构的整体响应。最后，再根据得到的平均化的应力与应变，在每个微元上计算复合材料各个组分的应力应变和界面上的应力分布。最后，做出结构强度的判断。

由于复合材料的复杂性，所有关于复合材料的计算与设计，需要借助于计算机进行。好在现有不少固体力学，包括针对复合材料的计算力学商用软件可以使用。尽管如此，对复合材料力学的研究仍然需要投入巨大的人力物力。

最后，是复合材料中各组分之间的界面问题。

复合材料既然是由两种或两种以上的材料复合而成的，所以组分直接的界面就显得特别重要。如果界面之间粘合不紧，那么组分之间没有合作，各是各，就会看不到多种材料合起来的优点反而性能会降低。但是界面的结合并不是简单的问题，研究复合材料界面行为，可以说是研究复合材料机理的关键问题。

一般说来，两种材料之间的界面并不是一张理想的曲面，而是有一定厚度的两种材料交互存在的立体。在其间会产生各种变化。主要的是引起各组分之间相互浸润、扩散、界面相容、界面自由能互相穿透的物理变化；导致界面上化学反应，产生新的物质形成新的界面层的化学变化；界面上的应力分布。由于界面上有这许多复杂的事情，所以有时在进行复合材料加工之前先要对界面进行处理。

从力学的角度很关心界面的粘接牢度，以及界面在什么条件下开裂的问题，界面开裂问题已经成为计算力学和复合材料力学一类十分受关注的课题。

复合材料兴起虽然只有半个多世纪，但是已经取得令人瞩目的成就，他在改变着许多高技术结构的面貌。因此，它是国际上激烈竞争的高技术领域之一。谁在这种高技术领域占上风，就可能在航空、航天、国防上领先。有能力的力学家们，到复合材料中显一下身手吧！

来源：武际可科学网博客，作者：武际可。