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sainthaw

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[交流] 复合材料综述

一、复合材料的定义和特点：
1、复合材料的定义：
      国际标准化组织（ISO）将复合材料定义为是：两种或两种以上物理和化学
性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。
      F.L.Matthews 和 R.D.Rawlings 认为复合材料是两个或两个以上组元或相组
成的混合物，并应满足下面三个条件：
   （1）组元含量大于 5 %；
   （2）复合材料的性能显著不同于各组元的性能；
   （3）通过各种方法混合而成。
      在“材料科学技术百科全书”和“材料大辞典”中将复合材料定义如下：
复合材料是由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工
艺组合而成的新型材料。它与一般材料的简单混合有本质区别，既保留原组成材料的重要特色，又通过复合效应获得原组分所不具备的性能。可以通过材料设计使原组分的性能相互补充并彼此关联，从而获得更优越的性能。
   复合材料将由宏观复合形式向微观（细观）复合形式发展，包括原位生长复
合材料、纳米复合材料和分子复合材料等。
   综上所述，复合材料定义所阐述的主要有两点，即组成规律和性能特征。

2、复合材料的特点：
1）由两种或多种不同性能的组分通过宏观或微观复合在一起的新型材料，
组分之间存在着明显的界面。
2）各组分保持各自固有特性的同时可最大限度地发挥各种组分的优点，赋
予单一材料所不具备的优良特殊性能。
   3）复合材料具有可设计性。

3、复合材料的基本结构模式
      复合材料由基体和增强剂两个组分构成：
复合材料结构通常一个相为连续相，称为基体；而另一相是一以独立的形态分布在整个基体中的分散相，这种分散相的性能优越，会使材料的性能显著改善和和增强，称为增强剂（增强相、增强体）。
   增强剂（相）一般较基体硬，强度、模量较基体大，或具有其它特性。
   增强剂（相）可以是纤维状、颗粒状或弥散状。
   增强剂（相）与基体之间存在着明显界面。

二、复合材料的分类
——普通复合材料
               —按性能分类： —— 先进复合材料

                                                                           — 热固性
                                             —聚合物复合材料—— 热塑性
                                             —金属基复合材料
               —按基体分类 —— —陶瓷基复合材料
                                             —碳碳复合材料
                                             —水泥基复合材料

                                          — 结构复合材料
               —按用途分类 ——— 功能复合材料
                                          — 智能复合材料
            —按增强剂分类  —— — 颗粒增强复合材料
                                                — 晶须增强复合材料
                                                — 短纤维增强复合材料
                                                — 连续纤维增强复合材料
                                                — 混杂纤维增强复合材料
                                                — 三向编织复合材料
普通复合材料：普通玻璃、合成或天然纤维增强普通聚合物复合材料，如玻璃钢、钢筋混凝土等。
先进复合材料（Advanced Composite，High Performance  Composite）：
      高性能增强剂（碳、硼、Kevlar、氧化铝、SiC纤维及晶须等）增强高温聚
合物、金属、陶瓷和碳（石墨）等复合材料。
      一般来讲，先进复合材料的比强度和比刚度应分别达到400MPa / (g / cm3) 和
40GPa / (g / cm3) 以上。
      结构复合材料：用作承力和次承力结构。要求具有质量轻、高强度、高刚
度、耐高温以及其它性能。
      功能复合材料：电、热、声、摩擦、阻尼等。包括机敏和智能复合材料。
      混杂复合材料：两种或两种以上增强体构成的复合材料。通过产生混杂效应
改善性能和降低成本。
      结构 / 功能一体化复合材料：在保持材料基本力学性能的前提下，具有特定
功能特性，如光、电、磁、摩擦、阻尼等。

一、复合材料的基本性能（优点）：
1、高比强度、高比模量（刚度）：

图2-1    典型金属基体复合材料与基体材料合金性能的比较
与传统的单一材料相比，复合材料具有很高的比强度和比模量（刚度）：
比强度、比模量：材料的强度或模量与其密度之比。
   比强度 = 强度/密度 MPa /（g/cm3）,
   比模量 = 模量/密度 GPa /（g/cm3）。
材料的比强度愈高，制作同一零件则自重愈小；材料的比模量愈高，零件的刚度愈大。

2、良好的高温性能：



图 2 – 2 不同SiC纤维复合材料的使用温度范围
复合材料可以在广泛的温度范围内使用，同时其使用温度均高于复合材料基
体。目前聚合物基复合材料的最高耐温上限为350 °C；金属基复合材料按不同的
基体性能，其使用温度在350 ® 1100 °C范围内变动；陶瓷基复合材料的使用温
度可达1400°C；而碳碳复合材料的使用温度最高，可高达2800°C。

3、良好的尺寸稳定性：
   加入增强体到基体材料中不仅可以提高材料的强度和刚度，而且可以使其热
膨胀系数明显下降。通过改变复合材料中增强体的含量，可以调整复合材料的热
膨胀系数。例如在石墨纤维增强镁基复合材料中，当石墨纤维的含量达到48%
时，复合材料的热膨胀系数为零，即在温度变化时其制品不发生热变形。这对人
造卫星构件非常重要。
图2-3 不同材料的尺寸稳定性和比模量

4、良好的化学稳定性：
聚合物基复合材料和陶瓷基复合材料具有良好的抗腐蚀性。

5、良好的抗疲劳、蠕变、冲击和断裂韧性：
   由于增强体的加入，复合材料的抗疲劳、蠕变、冲击和断裂韧性等性能得到
提高，特别是陶瓷基复合材料的脆性得到明显改善

6、良好的功能性能：包括光、电、磁、热、烧蚀、摩擦及润滑等性能。

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