近年來，復(fù)合材料 (composite material) 這個詞用得多了起來。那么什么是復(fù)合材料呢？簡單說，復(fù)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(qiáng)相，基體通常是連續(xù)的，增強(qiáng)相可以是顆粒、纖維、層板。可以認(rèn)為增強(qiáng)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不同。 

復(fù)合材料中各種材料在性能上互相取長補(bǔ)短，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使復(fù)合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料而滿足各種不同的要求。復(fù)合材料較以往的材料能夠具有許多優(yōu)點：高的強(qiáng)度重量比、高抗疲勞性和耐腐蝕性、增強(qiáng)的耐摩擦和耐磨損性、低導(dǎo)熱系數(shù)和低熱膨脹系數(shù)、材料屬性具有可調(diào)整性以滿足設(shè)計要求。例如陶瓷材料有耐高溫的優(yōu)點，但是它比較脆，為了增強(qiáng)它的韌性，采用高強(qiáng)度、高彈性的纖維與陶瓷基復(fù)合后，這種復(fù)合材料就可以用作液體火箭發(fā)動機(jī)噴管、導(dǎo)彈天線罩、航天飛機(jī)鼻錐、飛機(jī)剎車盤和高檔汽車剎車盤等，成為高技術(shù)新材料的一個重要分支。

復(fù)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(qiáng)粘土，用石灰沫墻其中摻入麻刀和頭發(fā)以防開裂，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(qiáng)度纖維線的橡膠輪胎。它們都是由兩種或兩種以上的材料復(fù)合而成。我們現(xiàn)在所說的復(fù)合材料當(dāng)然不是指這些，而是指二十世紀(jì)40年代以后發(fā)展起來的新的復(fù)合材料，有時稱為先進(jìn)復(fù)合材料。

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

在這種新的復(fù)合材料出現(xiàn)以前。人類所用的結(jié)構(gòu)材料，有如下三類：

金屬材料：鋼鐵、鋁與鋁合金、銅、鎂、鈦等；

無機(jī)非金屬材料：磚、瓦、玻璃、陶瓷、水泥、石墨、碳等；

高分子材料：橡膠、樹脂、塑料、纖維 、粘合劑、涂料等。

現(xiàn)在出現(xiàn)的第四類材料——復(fù)合材料，就是以上三類材料復(fù)合而成的材料。以上三類材料都可以作為復(fù)合材料的基體，也都可以作為增強(qiáng)相加入基體中。

復(fù)合材料是人們運(yùn)用先進(jìn)的材料制備技術(shù)將不同性質(zhì)的材料組分優(yōu)化組合而成的新材料。一般定義的復(fù)合材料需滿足以下條件:

(i) 復(fù)合材料必須是人造的，是人們根據(jù)需要設(shè)計制造的材料;

(ii) 復(fù)合材料必須由兩種或兩種以上化學(xué)、物理性質(zhì)不同的材料組分，以所設(shè)計的形式、比例、分布組合而成，各組分之間有明顯的界面存在;

(iii)它具有結(jié)構(gòu)可設(shè)計性，可進(jìn)行復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計;

(iv) 復(fù)合材料不僅保持各組分材料性能的優(yōu)點，而且通過各組分性能的互補(bǔ)和關(guān)聯(lián)可以獲得單一組成材料所不能達(dá)到的綜合性能。 

復(fù)合材料的基體材料分為金屬和非金屬兩大類。金屬基體常用的有鋁、鎂、銅、鈦及其合金。非金屬基體主要有合成樹脂、橡膠、陶瓷、石墨、碳等。增強(qiáng)材料主要有玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維、石棉纖維、晶須、金屬。

分類

復(fù)合材料是一種混合物。在很多領(lǐng)域都發(fā)揮了很大的作用，代替了很多傳統(tǒng)的材料。復(fù)合材料按其組成分為金屬與金屬復(fù)合材料、非金屬與金屬復(fù)合材料、非金屬與非金屬復(fù)合材料。按其結(jié)構(gòu)特點又分為：①纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。將各種纖維增強(qiáng)體置于基體材料內(nèi)復(fù)合而成。如纖維增強(qiáng)塑料、纖維增強(qiáng)金屬等。②夾層復(fù)合材料。由性質(zhì)不同的表面材料和芯材組合而成。通常面材強(qiáng)度高、薄；芯材質(zhì)輕、強(qiáng)度低，但具有一定剛度和厚度。分為實心夾層和蜂窩夾層兩種。③細(xì)粒復(fù)合材料。將硬質(zhì)細(xì)粒均勻分布于基體中，如彌散強(qiáng)化合金、金屬陶瓷等。④混雜復(fù)合材料。由兩種或兩種以上增強(qiáng)相材料混雜于一種基體相材料中構(gòu)成。與普通單增強(qiáng)相復(fù)合材料比，其沖擊強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度和斷裂韌性顯著提高，并具有特殊的熱膨脹性能。分為層內(nèi)混雜、層間混雜、夾芯混雜、層內(nèi)/層間混雜和超混雜復(fù)合材料。

復(fù)合材料主要可分為結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和功能復(fù)合材料兩大類。

結(jié)構(gòu)復(fù)合材料是作為承力結(jié)構(gòu)使用的材料，基本上由能承受載荷的增強(qiáng)體組元與能連接增強(qiáng)體成為整體材料同時又起傳遞力作用的基體組元構(gòu)成。增強(qiáng)體包括各種玻璃、陶瓷、碳素、高聚物、金屬以及天然纖維、織物、晶須、片材和顆粒等，基體則有高聚物(樹脂)、金屬、陶瓷、玻璃、碳和水泥等。由不同的增強(qiáng)體和不同基體即可組成名目繁多的結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，并以所用的基體來命名，如高聚物(樹脂)基復(fù)合材料等。結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的特點是可根據(jù)材料在使用中受力的要求進(jìn)行組元選材設(shè)計，更重要是還可進(jìn)行復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計，即增強(qiáng)體排布設(shè)計，能合理地滿足需要并節(jié)約用材。

功能復(fù)合材料一般由功能體組元和基體組元組成，基體不僅起到構(gòu)成整體的作用，而且能產(chǎn)生協(xié)同或加強(qiáng)功能的作用。功能復(fù)合材料是指除機(jī)械性能以外而提供其他物理性能的復(fù)合材料。如：導(dǎo)電、超導(dǎo)、半導(dǎo)、磁性、壓電、阻尼、吸波、透波、磨擦、屏蔽、阻燃、防熱、吸聲、隔熱等凸顯某一功能。統(tǒng)稱為功能復(fù)合材料。功能復(fù)合材料主要由功能體和增強(qiáng)體及基體組成。功能體可由一種或以上功能材料組成。多元功能體的復(fù)合材料可以具有多種功能。同時，還有可能由于復(fù)合效應(yīng)而產(chǎn)生新的功能。多功能復(fù)合材料是功能復(fù)合材料的發(fā)展方向。

復(fù)合材料也可分為常用和先進(jìn)兩類。

常用復(fù)合材料如玻璃鋼，便是用玻璃纖維等性能較低的增強(qiáng)體與普通高聚物(樹脂)構(gòu)成。由于它的價格低廉，得以大量發(fā)展，已廣泛用于船舶、車輛、化工管道和貯罐、建筑結(jié)構(gòu)、體育用品等方面。

先進(jìn)復(fù)合材料指用高性能增強(qiáng)體如碳纖維、芳綸等于高性能耐熱高聚物構(gòu)成的復(fù)合材料，后來又把金屬基、陶瓷基和碳(石墨)基以及功能復(fù)合材料包括在內(nèi)。它們的性能雖然優(yōu)良，但價格相對較高，主要用于國防工業(yè)、航空航天、精密機(jī)械、深潛器、機(jī)器人結(jié)構(gòu)件和高檔體育用品等。 

性能

復(fù)合材料中以纖維增強(qiáng)材料應(yīng)用最廣、用量最大。其特點是比重小、比強(qiáng)度和比模量大。例如碳纖維與環(huán)氧樹脂復(fù)合的材料，其比強(qiáng)度和比模量均比鋼和鋁合金大數(shù)倍，還具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、減摩耐磨、自潤滑、耐熱、耐疲勞、耐蠕變、消聲、電絕緣等性能。石墨纖維與樹脂復(fù)合可得到熱膨脹系數(shù)幾乎等于零的材料。纖維增強(qiáng)材料的另一個特點是各向異性，因此可按制件不同部位的強(qiáng)度要求設(shè)計纖維的排列。以碳纖維和碳化硅纖維增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料，在500℃時仍能保持足夠的強(qiáng)度和模量。碳化硅纖維與鈦復(fù)合，不但鈦的耐熱性提高，且耐磨損，可用作發(fā)動機(jī)風(fēng)扇葉片。碳化硅纖維與陶瓷復(fù)合， 使用溫度可達(dá)1500℃，比超合金渦輪葉片的使用溫度（1100℃）高得多。碳纖維增強(qiáng)碳、石墨纖維增強(qiáng)碳或石墨纖維增強(qiáng)石墨，構(gòu)成耐燒蝕材料，已用于航天器、火箭導(dǎo)彈和原子能反應(yīng)堆中。非金屬基復(fù)合材料由于密度小，用于汽車和飛機(jī)可減輕重量、提高速度、節(jié)約能源。用碳纖維和玻璃纖維混合制成的復(fù)合材料片彈簧，其剛度和承載能力與重量大5倍多的鋼片彈簧相當(dāng)。

關(guān)于復(fù)合材料，最重要的，有以下三方面的問題需要研究。

首先，是復(fù)合材料的組成、構(gòu)造與加工問題。選取的基體是什么，增強(qiáng)相是以什么方式加入基體的以及增強(qiáng)相自身的分布和編織方式，如何加工和實現(xiàn)這種復(fù)合材料。

復(fù)合材料的構(gòu)成結(jié)構(gòu)是多種多樣的，如下面圖示。有增強(qiáng)體無規(guī)則分散的，有纖維單向增強(qiáng)的，有以層合板的形式疊加的，有夾層結(jié)構(gòu)的，有三維編織的等等，不一而足，而且還會研究發(fā)展新的構(gòu)造形式。

圖1 增強(qiáng)體的各種分布方式

圖2 增強(qiáng)體的各種三維編織形式

圖3 各種夾層與鋪層結(jié)構(gòu)

圖4 混合形式結(jié)構(gòu)

在復(fù)合材料加工中需要特別說明的是，復(fù)合材料加工經(jīng)常是一次性的制成結(jié)構(gòu)成品。以往的材料生產(chǎn)和結(jié)構(gòu)建造是分開進(jìn)行的，而復(fù)合材料工程多是將兩個步驟合成一步。圖5所示汽車外殼是由復(fù)合材料制成的，兩個人就能夠抬起來，可見它是很輕的，它是一次性由制作復(fù)合材料制成。下邊的飛機(jī)機(jī)身也是一次性制成的。

圖5 復(fù)合材料制成的汽車外殼和機(jī)身

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

由于復(fù)合材料的多樣性和復(fù)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(fù)合材料構(gòu)造研究和發(fā)展必要的設(shè)計和計算方法。例如層合板的復(fù)合材料計算方法，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的計算方法等等。這方面的文獻(xiàn)和書籍已經(jīng)非常多，在遇到這類問題時需要查閱有關(guān)的文獻(xiàn)。

在具體計算復(fù)合材料結(jié)構(gòu)時，可以首先選擇有代表性的微小單元，通過計算取得這個單元平均化后的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的各種參數(shù)，然后在得到的微元平均化后的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系下，計算復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的整體響應(yīng)。最后，再根據(jù)得到的平均化的應(yīng)力與應(yīng)變，在每個微元上計算復(fù)合材料各個組分的應(yīng)力應(yīng)變和界面上的應(yīng)力分布。最后，做出結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的判斷。

由于復(fù)合材料的復(fù)雜性，所有關(guān)于復(fù)合材料的計算與設(shè)計，需要借助于計算機(jī)進(jìn)行。好在現(xiàn)有不少固體力學(xué)，包括針對復(fù)合材料的計算力學(xué)商用軟件可以使用。盡管如此，對復(fù)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(fù)合材料中各組分之間的界面問題。

復(fù)合材料既然是由兩種或兩種以上的材料復(fù)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，那么組分之間沒有合作，各是各，就會看不到多種材料合起來的優(yōu)點反而性能會降低。但是界面的結(jié)合并不是簡單的問題，研究復(fù)合材料界面行為，可以說是研究復(fù)合材料機(jī)理的關(guān)鍵問題。

一般說來，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。在其間會產(chǎn)生各種變化。主要的是引起各組分之間相互浸潤、擴(kuò)散、界面相容、界面自由能互相穿透的物理變化；導(dǎo)致界面上化學(xué)反應(yīng)，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(yīng)力分布。由于界面上有這許多復(fù)雜的事情，所以有時在進(jìn)行復(fù)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裂的問題，界面開裂問題已經(jīng)成為計算力學(xué)和復(fù)合材料力學(xué)一類十分受關(guān)注的課題。

復(fù)合材料興起雖然只有半個多世紀(jì)，但是已經(jīng)取得令人矚目的成就，他在改變著許多高技術(shù)結(jié)構(gòu)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(fù)合材料中顯一下身手吧！