(論文)復(fù)合材料1[1].概論

高性能復(fù)合材料學(xué)1 概論11 高性能復(fù)合材料的發(fā)展史現(xiàn)代復(fù)合材料是材料歷史中合成材料時期的產(chǎn)物，這里所說的現(xiàn)代復(fù)合材料不包括天然復(fù)合材料和許多歷史遺跡中所證實(shí)的所謂早期復(fù)合材料。學(xué)術(shù)界開始使用“復(fù)合材料(composite materials)”一詞大約是在20世紀(jì)40年代，當(dāng)時出現(xiàn)了玻璃纖維增強(qiáng)不飽和聚酯樹脂，開辟了現(xiàn)代復(fù)合材料新紀(jì)元。由20世紀(jì)60年代開始，陸續(xù)開發(fā)出多種高性能纖維。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。高性能復(fù)合材料是本書研究的主要對象，為了弄清它的發(fā)展進(jìn)程，本節(jié)簡要介紹材料及復(fù)合材料的發(fā)展。111 材料發(fā)展史在辭海中，材料被定義為“經(jīng)過人類勞動取得的勞動對象”。材料是能為人類經(jīng)濟(jì)地制造有用器件的物質(zhì)。材料的發(fā)展標(biāo)志著社會生產(chǎn)力的發(fā)展水平和人類文明進(jìn)步的程度。每一種新材料的出現(xiàn)和制造技術(shù)的進(jìn)步都在不同程度上促進(jìn)了生產(chǎn)力的發(fā)展。同時，材料的發(fā)展又為先進(jìn)生產(chǎn)力發(fā)展的要求所推動，并受制于當(dāng)時生產(chǎn)力發(fā)展的總水平。在考古研究和歷史學(xué)中，材料作為劃分時代的依據(jù)，將人類歷史劃分為：石器時代（距今100006000年）、青銅器時代（距今60002500年）、鐵器時代（距今2500年起）。從鐵器時代起，世界各國多已進(jìn)入有文字記載的文明時代。按照材料的工藝和性質(zhì)可將材料劃分為天然材料、人工材料和合成材料三大類。大約在1萬年前的舊石器時代，人類使用的是天然材料，即只將自然界的物質(zhì)從形態(tài)上加以改變制成所需的物品，而不改變材料本身的構(gòu)成與性質(zhì)。如將石塊敲碎、磨鑿制作工具；用木材、磨制的動物骨骼作武器和工具；堆石、挖坑作屋；用泥土制泥坯（日曬泥磚）砌墻或夯泥成墻（干打壘）；用木材架屋頂并用茅草覆蓋和用動物毛皮御寒等。新石器時代出現(xiàn)陶器，最初的陶器是一種質(zhì)地粗糙且不透明的粘土制品。但它屬于人工材料，即不僅在形態(tài)上，而且在質(zhì)地上改變了天然物質(zhì)的性質(zhì)。從天然材料到人工材料，這是材料發(fā)展中的第一次飛躍。陶器由粘土（或摻加石英等）經(jīng)成型、干燥和燒制而成。主要作為生活用具。恩格斯認(rèn)為，陶器是人類從蒙昧?xí)r代進(jìn)入野蠻時代的標(biāo)志。另一個人工材料的例子是磚。古埃及人用尼羅河的泥土燒磚修建住宅。中國秦代曾用大量磚瓦修筑長城和宮殿。銅和鐵是人類歷史上最重要的人工材料，分別由銅礦石（孔雀石）和鐵礦石（赤鐵礦）冶煉而成。用銅制劍、祭器和酒具；用鐵制盔甲、兵器和工具等在史料中均有記載。材料的發(fā)展與人類認(rèn)識、使用和駕馭能源能力的水平密切相關(guān)。19世紀(jì)的產(chǎn)業(yè)革命也是人類開發(fā)和獲取能源的革命，它促進(jìn)了鋼鐵、有色金屬等材料的發(fā)展，造就了現(xiàn)代文明。由于革新了材料的制造技術(shù)，人們利用合成方法制成了自然界不存在的材料，稱為合成材料。20世紀(jì)初（1909年），貝克蘭德（L.H.Backland）用苯酚和甲醛經(jīng)縮聚反應(yīng)合成了實(shí)用酚醛樹脂（俗稱電木），這是最早的合成材料。合成材料不僅包含有機(jī)材料系列，如酚醛樹脂、聚氯乙烯、聚碳酸酯、聚甲醛、環(huán)氧樹脂等，而且包括無機(jī)材料系列，如超鈾元素钚（238Pu）、立方晶系氮化硼（CBN）、氧化鋁和碳化硅等。1.1.2 復(fù)合材料發(fā)展史復(fù)合材料的歷史一般可以分為兩個階段，即早期復(fù)合材料和現(xiàn)代復(fù)合材料。這里不包括具有復(fù)合材料特征的天然物質(zhì)（如木材、骨骼、貝殼和海帶等）。早期復(fù)合材料的歷史較長，很多實(shí)例散見于現(xiàn)存的歷史遺跡中，并且多少可以從中發(fā)現(xiàn)現(xiàn)代復(fù)合材料的思想萌芽。中國西安半坡村原始人遺址（原仰韶文化）中發(fā)現(xiàn)用草拌泥作墻體和地面，即以天然纖維狀材料草作為粘土的增強(qiáng)劑，用來阻止粘土的干裂和剝落，提高墻體和地面耐受侵蝕的能力，增進(jìn)了粘土的實(shí)用性能，這可以算作是纖維復(fù)合材料的淵源；公元前3000年左右，古埃及和美索不達(dá)米亞人用蘆葦、紙莎草加瀝青或樹膠制造小艇，也可以看作現(xiàn)代復(fù)合材料船的前身；中國西周時期（公元前1000年）用木片或竹片、動物的腱和鬃、絲等制作弓，是混雜復(fù)合材料的祖先；古埃及干尸（木乃伊）是將用香料處理過的尸體纏繞亞麻布帶后再浸漬天然樹脂，它是纏繞工藝的一個雛形，與現(xiàn)代復(fù)合材料的管道、壓力容器等的成型工藝在原理上是一致的，同時也符合現(xiàn)代防腐工程的原理；日本繩紋文化（日本新石器時代）中期以后，已經(jīng)知道在礬士（粘士）中加云母和砂粒來改進(jìn)陶器性能，防止燒結(jié)時龜裂，這是粒子增強(qiáng)陶瓷復(fù)合材料思想的萌芽；中國春秋戰(zhàn)國時期（距今2500年），用含錫量較低的青銅作劍身，采用兩次澆注技術(shù)，在其刃部復(fù)合一層含錫量較高的青銅，并在錫青銅表面涂覆一層硫化銅（含鉻和鎳）制成花紋，使其劍內(nèi)柔外剛，剛?cè)嵯酀?jì)，作為其代表的著名的越王勾踐劍，1965年在湖北江陵楚墓出土?xí)r，仍然光可鑒人，鋒利異常，被譽(yù)為“永不生銹的青銅劍”。它可看成是最早的包層金屬復(fù)合材料；印度人用細(xì)砂和蟲膠制作磨刀石，這是現(xiàn)代砂輪的前身，是顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的又一例子；公元前埃及金字塔采用了砂石和火山灰制成的混凝土，這也可看成是顆粒復(fù)合材料；中國民間的布底鞋，代表著三向編織復(fù)合材料的雛形；古埃及文明時代，木材復(fù)合材料已有所應(yīng)用，人們利用紫檀木貼在普通木材上進(jìn)行表面裝飾（如棺?。搅斯I(yè)革命以后，歐、美等國發(fā)明了薄片加工機(jī)械和各種鋸，并與粘接劑（膠）技術(shù)結(jié)合，才演變到膠合板和裝飾板的工業(yè)生產(chǎn)，這是疊層復(fù)合材料的前身。早期復(fù)合材料中最有代表性的例子是中國古代發(fā)明的漆器。1972至1974年，湖南省馬王堆出土的漆器（距今2200年以上）是西漢初年的文物。這些漆器用絲和麻作增強(qiáng)材料，用大漆作粘接劑，或以木材為胎，外表涂以漆層，制成鼎、酒壺、盆具、茶幾等物品，在潮濕地下埋藏了兩千多年，依然是熠熠生輝、光彩奪目。20世紀(jì)70年代，湖北隨縣出土的曾候乙墓中，有許多用于車戰(zhàn)的多戈戟和殳，桿長34m，是在木制桿芯外面包以縱向竹絲，再用大漆加蠶絲線進(jìn)行環(huán)向纏繞，然后浸漬大漆制成。大漆是漆樹分泌的一種天然樹脂，干燥后形成漆膜，不但堅(jiān)硬光澤，而且耐水耐熱（250）、耐化學(xué)腐蝕。中國早在7千多年前的新石器時代，就有了油漆技術(shù)的萌芽，在商代已經(jīng)成熟。在戰(zhàn)國時代，除了木胎漆器外，又出現(xiàn)皮胎漆器和夾苧胎（即用麻布作胎）的漆器。秦、漢時期至以后，油漆技術(shù)經(jīng)歷了大發(fā)展并基本定型。魏晉南北朝時期，在改革底胎和面漆的基礎(chǔ)上，創(chuàng)造了夾苧胎法制造佛像的工藝，即先塑出泥胎，再在泥胎外面粘貼麻布，在麻布上進(jìn)行涂漆和彩繪，當(dāng)油漆干燥后，挖出并用水沖去泥胎，得到中空的漆佛像。這種佛像十分輕巧且非常堅(jiān)固耐久。一丈多高的佛像，一個人就輕易舉起行走（故又稱“行像”）。其制造工藝與當(dāng)今的手糊成型幾乎沒有區(qū)別。大約在唐朝，脫胎漆佛像技術(shù)傳到日本。日本至今還保存著當(dāng)年唐代著名高僧鑒真和尚東渡日本在該國圓寂時塑制的夾苧座像，作為日本的“國寶”級文物，每年只對外開放數(shù)天供人瞻仰。這座佛像經(jīng)歷了一千多年仍然保持完好。充分說明了這種早期復(fù)合材料優(yōu)異的抗老化性能?，F(xiàn)代復(fù)合材料的發(fā)展只有60多年歷史，它的主要特征是基體采用合成材料。1940年，世界上第一次用玻璃纖維增強(qiáng)不飽和聚酯樹脂制造了軍用飛機(jī)雷達(dá)罩。1942年，用手糊工藝制成第一艘玻璃鋼漁船。至20世紀(jì)6070年代，玻璃纖維增強(qiáng)塑料（簡記為GFRP，俗稱玻璃鋼）制品已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空、機(jī)械、化學(xué)、體育和建筑工業(yè)中。這種復(fù)合材料中玻璃纖維的用量為30%60%，所用基體材料主要有不飽和聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂和酚醛樹脂。玻璃鋼的比強(qiáng)度（即抗拉強(qiáng)度/密度）比鋼還要高，而且耐腐蝕性能好，被稱之為第一代現(xiàn)代復(fù)合材料。20世紀(jì)80年代以后，由于人們豐富了復(fù)合材料設(shè)計(jì)、制造和測試等方面的知識與經(jīng)驗(yàn)，如層合板力學(xué)性能的準(zhǔn)確計(jì)算；短纖維或連續(xù)纖維的紗束、墊、氈或編織物、編織布及預(yù)浸料的制作；模壓、纏繞、拉擠、注射等成型工藝的出現(xiàn)；性能標(biāo)準(zhǔn)化以及玻璃纖維、樹脂等原材料的不斷改進(jìn)，使玻璃纖維增強(qiáng)塑料的發(fā)展達(dá)到成熟階段。但是，與現(xiàn)代高新技術(shù)所要求的性能相比，它的許多性能尤其是模量和使用溫度尚嫌不足，因此，玻璃鋼不屬于高級復(fù)合材料的范疇。現(xiàn)代技術(shù)對高級復(fù)合材料(advanced composite materials，簡記為ACM)的要求是：不僅比強(qiáng)度（強(qiáng)度/密度）高，而且要求比剛度（模量/密度）高，同時剪切強(qiáng)度和剪切模量也要高；高溫性能和耐熱性高。針對玻璃纖維楊氏模量較低的主要缺點(diǎn)，20世紀(jì)5060年代相繼開發(fā)了硼(B)纖維、碳(C)纖維和芳綸纖維(Kevlar)。這些纖維生產(chǎn)初期的性能示于表1-1。表1-1指出，硼、碳和芳綸纖維均具有比玻璃纖維高得多的楊氏模量和更低的密度。這種纖維被稱為高級纖維(advanced fibers)。另一方面，玻璃纖維增強(qiáng)不飽和聚酯樹脂的耐熱性能較差，當(dāng)溫度大于60，其力學(xué)性能開始下降，溫度為90時，力學(xué)性能保留率僅為60%。用硼纖維、碳纖維和芳綸纖維增強(qiáng)塑料基復(fù)合材料(BFRP、CFRP和KFRP)的最高使用溫度長期可達(dá)150以上，它們兼具高比剛度和比強(qiáng)度，稱為第二代現(xiàn)代復(fù)合材料。表1-1 玻璃纖維和初期生產(chǎn)的硼纖維、碳纖維和芳綸纖維的性能纖維類型 拉伸強(qiáng)度(GPa) 楊氏模量(GPa) 密度(g/cm3) 備注（代號）E-玻璃 3.4 72.1 2.54S-玻璃 4.6 84.8 2.49硼(W芯) 2.8 411.9 2.60碳（瀝青基） 2.0 343.3 1.60 UCC-50碳(PAN基) 1.8 411.9 1.95 Morganite(PAN-1)芳綸 2.9 127.5 1.45 Kevlar-49用聚酰亞胺作基體，以上述高級纖維作增強(qiáng)體的復(fù)合材料，使用溫度較高，但不超過200，用金屬（鋁、鎂、鈦、金屬間化合物）作基體的復(fù)合材料，使用溫度范圍是175900。用陶瓷（碳化硅、氮化硅、碳等）作基體的復(fù)合材料，使用溫度范圍是10002000。20世紀(jì)70年代，開發(fā)了耐熱性更高的氧化鋁纖維和碳化硅纖維，還開發(fā)了各種晶須（如碳化硅晶須和氧化鋁晶須等），使現(xiàn)代復(fù)合材料的性能向耐熱、高韌性和多功能方向發(fā)展，稱為第三代現(xiàn)代復(fù)合材料。圖1-1示出現(xiàn)代復(fù)合材料的發(fā)展過程。第二代和第三代現(xiàn)代復(fù)合材料稱為高級復(fù)合材料或高性能復(fù)合材料（也稱為先進(jìn)復(fù)合材料）。高級復(fù)合材料是具有特殊優(yōu)異性能的材料，其制造過程涉及先進(jìn)技術(shù)。它主要應(yīng)用于尖端科學(xué)領(lǐng)域，如航天航空、體育等，也應(yīng)用于汽車、建筑、醫(yī)療及其他領(lǐng)域。高性能復(fù)合材料由各種高性能增強(qiáng)材料（纖維和織物、晶須、顆粒）與各種聚合物、金屬、碳及非碳陶瓷基體復(fù)合而成。高性能復(fù)合材料是具有高比模量、高比強(qiáng)度、優(yōu)異的高溫性能或特殊的多功能復(fù)合材料。按照增強(qiáng)纖維和顆粒的直徑大小，可將高性能復(fù)合材料分為宏觀復(fù)合材料和微觀復(fù)合材料。宏觀復(fù)合材料是指增強(qiáng)相的尺寸在微米(m)級的復(fù)合材料。采用混雜纖維（即兩種以上的纖維）或混雜基體（即兩種以上的基體）制成性能成型工藝成本最佳平衡匹配的復(fù)合材料，稱為混雜復(fù)合材料(hybrid composite materials，簡記為HCM)。不同類型的增強(qiáng)組分以疊層結(jié)構(gòu)形式組成的復(fù)合材料稱為混雜疊層復(fù)合材料。其增強(qiáng)組分可以為纖維、片材或蜂窩芯材，其基體可以為樹脂或金屬?；祀s疊層復(fù)合材料的典型例子是鋁-纖維/環(huán)氧疊層板。通常是將經(jīng)過表面處理的鋁片與纖維織物的環(huán)氧樹脂預(yù)浸片交替疊層后熱壓而成。常用的纖維有芳綸、碳、玻璃等。鋁-芳綸/環(huán)氧疊層板（商品名ARALL）已工業(yè)化，用作飛機(jī)的蒙皮材料。增強(qiáng)相的尺寸為納米(nm)等級的復(fù)合材料稱為納米復(fù)合材料。增強(qiáng)相尺寸控制在埃級，即原子或分子水平的稱為雜化材料，兩者統(tǒng)稱微觀復(fù)合材料，它們主要用作新型結(jié)構(gòu)材料或功能材料。圖1-1 復(fù)合材料發(fā)展簡圖近年來開發(fā)了宏觀-微觀復(fù)合為一體的各種新型復(fù)合材料，例如20世紀(jì)80年代后期出現(xiàn)了功能梯度復(fù)合材料（即梯度復(fù)合材料）。它以先進(jìn)的材料設(shè)計(jì)為依據(jù)，采用先進(jìn)的材料復(fù)合技術(shù)，通過控制構(gòu)成材料的要素（組成、結(jié)構(gòu)等）由一側(cè)向另一側(cè)呈連續(xù)梯度變化，使其內(nèi)部界面消失，從而獲得材料的性質(zhì)和功能相應(yīng)于組成和結(jié)構(gòu)的變化而呈現(xiàn)梯度變化的非均質(zhì)材料。該材料的研制初衷是用作新航天飛機(jī)緩和熱應(yīng)力超耐熱材料。其制備方法有相分布控制和粒子排列技術(shù)兩大類，包括物理真空鍍膜、化學(xué)氣相沉積、粒子排列燒結(jié)、等離子噴鍍、薄膜疊層和自蔓延高溫合成法等。梯度復(fù)合材料在核能、電子、光學(xué)、化學(xué)、電磁學(xué)、生物醫(yī)學(xué)仍至日常生活領(lǐng)域都有著一定的潛在應(yīng)用前景。由于這種材料性能在空間位置的梯度分布規(guī)律與材料使用中環(huán)境條件對材料性能的要求相適應(yīng)，因此，由它所制成的器件或結(jié)構(gòu)將具有最優(yōu)的環(huán)境匹配性。它也被稱為最先進(jìn)復(fù)合材料。機(jī)敏復(fù)合材料（smart composite）是現(xiàn)代復(fù)合材料發(fā)展的最新階段，機(jī)敏復(fù)合材料（或材料器件的復(fù)合結(jié)構(gòu)）能驗(yàn)知環(huán)境變化，并通過改變自身一個或多個性能參數(shù)對環(huán)境變化及時做出響應(yīng)，使之與變化后的環(huán)境相適應(yīng)，它一般也稱為機(jī)敏材料或機(jī)敏結(jié)構(gòu)。機(jī)敏材料具有自診斷、自適應(yīng)或自愈合功能，因此，它必然是驗(yàn)知材料和執(zhí)行材料的復(fù)合，有時還需要外接的電源、信息處理和反饋系統(tǒng)。例如，具有自診斷功能的機(jī)敏復(fù)合材料是把光導(dǎo)纖維與增強(qiáng)纖維一同與基體復(fù)合，每根光導(dǎo)纖維均接于獨(dú)立的光源和檢測系統(tǒng)。當(dāng)復(fù)合材料的某處發(fā)生應(yīng)力集中或破壞時，該處的光導(dǎo)纖維即發(fā)生相應(yīng)的應(yīng)變或斷裂，從而可據(jù)此診斷出該處的情況。又如，能對振動產(chǎn)生自適應(yīng)阻尼的機(jī)敏復(fù)合材料是由壓電材料和形狀記憶材料與高聚物構(gòu)成的執(zhí)行材料復(fù)合在一起。當(dāng)壓電材料驗(yàn)知振動時，信號啟動外接電路使形狀記憶合金發(fā)生形變，從而改變了復(fù)合材料的固有振動模態(tài)而減振。機(jī)敏復(fù)合材料已用于主動檢測振動與噪聲，主動探測復(fù)合材料構(gòu)件的損傷，根據(jù)環(huán)境變化主動改變構(gòu)件幾何尺寸等，也可用于控制樹脂基復(fù)合材料自身的固化過程。智能復(fù)合材料（intelligent composite）是機(jī)敏復(fù)合材料的高級形式。機(jī)敏材料對環(huán)境能做出線性反應(yīng)，而智能材料則能根據(jù)環(huán)境條件的變化程度非線性地使材料與之適應(yīng)以達(dá)到最佳效果。也就是說，在機(jī)敏復(fù)合材料自診斷、自適應(yīng)和自愈合的基礎(chǔ)上，增加了自決策、自修補(bǔ)的功能，體現(xiàn)具有智能的高級形式。但有的學(xué)者對二者并不嚴(yán)格區(qū)分而將它們統(tǒng)稱為智能材料。智能復(fù)合材料和系統(tǒng)也可簡稱為智能材料和系統(tǒng)，顯然，智能材料必然是復(fù)合材料而不可能是傳統(tǒng)的單一材料。已在研究的智能材料和系統(tǒng)有：自診斷斷裂的飛機(jī)機(jī)翼，自愈合裂紋的混凝土，控制湍流和噪聲的機(jī)械蒙皮，人工肌肉和皮膚等。在宇航、航空、艦艇、汽車、建筑、機(jī)器人、仿生和醫(yī)藥領(lǐng)域已顯示出潛在的應(yīng)用前景。隨著復(fù)合工藝、集成化和微細(xì)加工技術(shù)的發(fā)展，將會有更多種實(shí)用的智能材料問世。12 復(fù)合材料的定義和分類121 復(fù)合材料的定義復(fù)合材料既然屬于材料族譜，它的定義也應(yīng)與材料定義的內(nèi)涵相符，同時還必需反映出復(fù)合材料區(qū)別于傳統(tǒng)材料的獨(dú)特性質(zhì)。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。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)復(fù)合材料的定義，我們可以從下列幾點(diǎn)來進(jìn)一步了解復(fù)合材料的特點(diǎn)：復(fù)合材料的組分和它們的相對含量是經(jīng)人工選擇和有意設(shè)計(jì)的；復(fù)合材料是經(jīng)人工制造而非天然的（區(qū)別于具有某些復(fù)合材料形態(tài)特征的天然物質(zhì)）；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）；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，這種性能是單個組分材料性能所不及或不同的；復(fù)合材料是被明顯界面區(qū)分的多相材料。根據(jù)上述復(fù)合材料定義，復(fù)合材料應(yīng)不包括自然形成具有某些復(fù)合材料形態(tài)的物質(zhì)、化合物、單相合金和多相合金。122 復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)復(fù)合材料由兩種以上主要組分以及它們之間的界面構(gòu)成。組分材料主要指增強(qiáng)體和基體，它們也被稱為復(fù)合材料的增強(qiáng)相和基體相。增強(qiáng)相與基體相之間的界面區(qū)域因?yàn)槠涮厥獾慕Y(jié)構(gòu)與組成也被視作復(fù)合材料中的“相”，即界面相。增強(qiáng)相和基體相是根據(jù)它們組分的物理和化學(xué)性質(zhì)和在最終復(fù)合材料中的形態(tài)來區(qū)分的。其中一個組分是細(xì)絲（連續(xù)長的或短切的）、薄片或顆粒，具有較高的強(qiáng)度、模量、硬度和脆性，在復(fù)合材料承受外加載荷時是主要承載相，稱為增強(qiáng)相或增強(qiáng)體（reinforced phase or reinforcement）。它們在復(fù)合材料中呈分散形式，被基體相隔離包圍，因此也稱作分散相；另一個組分是包圍增強(qiáng)相并相對軟和韌的貫連材料，稱為基體相（matrix phase）。各類復(fù)合材料示意于圖1-2。在制造前基體材料的形狀可以是箔片、粉末、塊體或無定形的流體，它的狀態(tài)可以是固態(tài)、氣態(tài)、熔融態(tài)或半固-半液態(tài)的。但是在與增強(qiáng)相固結(jié)后，基體相在復(fù)合材料中就成為包裹增強(qiáng)相的連續(xù)的塊體。因此，基體相也叫做連續(xù)相?；菹嗑哂兄魏捅Ｗo(hù)增強(qiáng)相的作用，在復(fù)合材料承受外加載荷時，基體相主要以剪切變形的方式起向增強(qiáng)相分配和傳遞載荷的作用。在復(fù)合材料中，增強(qiáng)相和基體相之間存在著明顯的接合面。位于增強(qiáng)相和基體相之間并使這兩相彼此相連的、化學(xué)成分和力學(xué)性質(zhì)與相鄰兩相有明顯區(qū)別、能夠在相鄰兩相間起傳遞載荷作用的區(qū)域，稱為復(fù)合材料的界面（interfaces）。通常復(fù)合材料中界面層的厚度在亞微米以下，但界面層的總面積在復(fù)合材料中相當(dāng)可觀，且復(fù)合材料的界面特征對復(fù)合材料的性能、破壞行為及應(yīng)用效能有很大影響。所以，人們以極大的注意力開展對復(fù)合材料界面的研究，為追求制得具有最佳綜合性能的復(fù)合材料所進(jìn)行的這類研究，稱為復(fù)合材料的表面和界面工程（surface and interface engineering）。復(fù)合材料的性能取決于下列因素：組分材料的種類、性能、含量和分布，增強(qiáng)體的性能和它的表面物理、化學(xué)狀態(tài)；基體本身的結(jié)構(gòu)和性能；增強(qiáng)體的配置、分布和體積含量。復(fù)合材料的性能還取決于復(fù)合材料的制造工藝條件、復(fù)合方法、零件幾何結(jié)構(gòu)和使用環(huán)境條件。復(fù)合材料既能保留原組分材料的主要特色，并通過復(fù)合效應(yīng)獲得原組分材料所不具備的性能，可以通過材料設(shè)計(jì)使各組分的性能相互補(bǔ)充并彼此關(guān)聯(lián)，從而獲得新的性能。選擇復(fù)合材料的組分、增強(qiáng)體分布和復(fù)合材料制造工藝，使其具有使用要求的性能的過程，就是復(fù)合材料設(shè)計(jì)。本書為了簡化文字，將具體的復(fù)合材料體系表示為“增強(qiáng)相（名稱、化學(xué)符號或?qū)Ｓ么枺?基體相（名稱、化學(xué)符號或?qū)Ｓ么枺?。如碳纖維增強(qiáng)鋁復(fù)合材料表示為“碳/鋁”或“Cf/Al”。圖1-2 復(fù)合材料的各種形態(tài)123 復(fù)合材料的分類按照不同的著眼點(diǎn)，復(fù)合材料有許多種分類方法，例如復(fù)合材料可以按照使用功能、增強(qiáng)相的幾何形態(tài)或基體材料的性質(zhì)進(jìn)行分類。復(fù)合材料按照使用強(qiáng)度和使用功能要求分為兩類：結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和功能復(fù)合材料。結(jié)構(gòu)復(fù)合材料主要是作為承力結(jié)構(gòu)使用的復(fù)合材料，它基本上是由能承受載荷的增強(qiáng)體組元與能聯(lián)結(jié)增強(qiáng)體成為整體承載同時又起分配與傳遞載荷作用的基體組元構(gòu)成。結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的特點(diǎn)是可根據(jù)材料在使用中受力的要求進(jìn)行組元選材和增強(qiáng)體排布設(shè)計(jì)，從而充分發(fā)揮各組元的效能。功能復(fù)合材料具有某種特殊的物理或化學(xué)特性。如聲、光、電、磁、熱、耐腐蝕、零膨脹、阻尼、摩擦、換能等。功能復(fù)合材料中的增強(qiáng)體又可稱為功能體組元，它分布于基體組元中。基體不僅起到構(gòu)成整體的作用，而且能夠產(chǎn)生協(xié)同或加強(qiáng)功能的作用。復(fù)合材料按增強(qiáng)體的幾何形態(tài)分為4類，即纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料、薄片增強(qiáng)復(fù)合材料和疊層復(fù)合材料。纖維復(fù)合材料又分為連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和非連續(xù)纖維（包括晶須和短切纖維）增強(qiáng)復(fù)合材料。連續(xù)纖維復(fù)合材料又分為單向纖維（一維）、無緯布疊層（正交、斜交）、二維織物層合、多向編織物復(fù)合材料和混雜纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。定向凝固共晶復(fù)合材料中的增強(qiáng)相是原位生長的纖維（或薄片），因此有時也歸入纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中。顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的增強(qiáng)體是不同尺寸的顆粒（球形或者非球形）。顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料按照分散相的尺寸大小和間距又分為彌散增強(qiáng)復(fù)合材料（顆粒等效直徑為0.010.1m，顆粒間距為0.010.3m）和粒子增強(qiáng)復(fù)合材料（顆粒等效直徑為150m，顆粒間距為125m）。還有一類顆粒增強(qiáng)體是空心微球（微球直徑1030m，壁厚14m），分為有機(jī)微球、無機(jī)微球和金屬微球三種，主要用作熱固性與熱塑性高聚物的增強(qiáng)體或填料。顆粒型增強(qiáng)體的主要作用是調(diào)節(jié)復(fù)合材料的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性，改善摩擦磨損性、降低熱膨脹系數(shù)、提高耐受溫度及調(diào)節(jié)復(fù)合材料的密度。薄片增強(qiáng)復(fù)合材料的增強(qiáng)材料是長與寬尺寸相近的薄片。薄片增強(qiáng)體由天然、人造和在復(fù)合材料工藝過程中自身生長三種途徑獲得。天然的片狀增強(qiáng)體的典型代表是礦產(chǎn)云母，人造的片狀增強(qiáng)體有玻璃（又稱玻璃鱗片）、鋁、鈹、銀、二硼化鋁（AlB2）等。自身生長薄片增強(qiáng)體的實(shí)例為二元共晶合金Al-Cu中的CuAl2片狀晶。天然和人造片狀增強(qiáng)體的含量可以在較大范圍內(nèi)變動。片狀增強(qiáng)體在片的方向提供各向均衡的性能，當(dāng)它緊密堆疊時，由重疊形成的曲折途徑可以有效地阻礙流體的滲漏，同時也可以減少沿片的法線方向擴(kuò)展的機(jī)械損傷。云母和玻璃鱗片增強(qiáng)復(fù)合材料可用于防腐蝕、防滲漏、隔熱和電絕緣。金屬薄片增強(qiáng)復(fù)合材料也可提供防腐蝕和防滲漏性能。當(dāng)金屬薄片緊密堆疊時，還可在片的平面方向提供導(dǎo)電和導(dǎo)熱性，而在片的法線方向提供電磁波屏蔽。金屬薄片還可產(chǎn)生表面裝飾效果和調(diào)節(jié)復(fù)合材料的透光度。疊層復(fù)合材料指復(fù)合材料中的增強(qiáng)相是分層鋪疊的，即按相互平行的層面配置增強(qiáng)相，而各層之間通過基體材料聯(lián)結(jié)。疊層復(fù)合材料中的“層”，可以是前述的單向無緯布、浸膠纖維布，如玻璃纖維布、碳纖維布或棉布、合成纖維布、石棉布等。也可以是片狀材料，如紙張、木材以及前述的鋁箔（在混雜疊層復(fù)合材料中）。也有人將雙金屬層合片、涂覆金屬和夾層玻璃歸于疊層復(fù)合材料。疊層復(fù)合材料在其層面方向可以提供優(yōu)良的性能。高性能復(fù)合材料按照其基體材料的性質(zhì)通常分成兩類：金屬基復(fù)合材料（metal matrix composite，簡記為MMC）和非金屬基體復(fù)合材料。后者又可以分為兩類：聚合物基復(fù)合材料（polymer matrix composite，簡記為PMC）和陶瓷基復(fù)合材料（ceramic matrix composite，簡記為CMC）。金屬基復(fù)合材料包括鋁基、鎂基、銅基、鈦基、高溫合金基、金屬間化合物基和難熔金屬基復(fù)合材料。有時把金屬疊層材料也歸入此范疇。聚合物基復(fù)合材料又稱樹脂基復(fù)合材料，它是以高聚物（通稱樹脂）為基體的復(fù)合材料。當(dāng)其增強(qiáng)體是纖維或纖維編織物時，因其高強(qiáng)度與高模量，常作為結(jié)構(gòu)材料；當(dāng)增強(qiáng)體為粒狀、片狀或纖維狀填充組分時，由于其組成和性能不同，有的作為結(jié)構(gòu)材料，有的作為功能材料。按樹脂類型不同，樹脂基復(fù)合材料又分為熱固性樹脂基復(fù)合材料和熱塑性樹脂基復(fù)合材料。前者的基體樹脂有不飽和聚酯、環(huán)氧、酚醛、雙馬來酰亞胺等；后者的基體樹脂有聚酰胺、聚丙烯、聚苯硫醚、聚醚醚酮等。陶瓷基復(fù)合材料主要是為改善陶瓷材料的脆性而開發(fā)的，包括氧化鋁陶瓷基、碳化硅陶瓷基、氧化鋯陶瓷基、氮化硅陶瓷基、玻璃基和玻璃陶瓷基復(fù)合材料以及無機(jī)高聚物基復(fù)合材料。陶瓷基復(fù)合材料還可以按其使用溫度分為高溫陶瓷基復(fù)合材料（它以多晶陶瓷為基體，耐受溫度為10001400）和低溫陶瓷基復(fù)合材料（它以玻璃及玻璃陶瓷為基體，耐受溫度在1000以下）。復(fù)合材料分類見圖1-3。按照增強(qiáng)體和基體材料的金屬和非金屬性質(zhì)，又可將復(fù)合材料歸納為如下幾類：非金屬增強(qiáng)體與非金屬基體復(fù)合；非金屬增強(qiáng)體與金屬基體復(fù)合；金屬增強(qiáng)體與非金屬基體復(fù)合；金屬增強(qiáng)體與金屬增強(qiáng)體復(fù)合。此外，增強(qiáng)體也可能由金屬與非金屬兩種混雜于非金屬基體中。圖1-3 復(fù)合材料分類13 復(fù)合材料的基本特點(diǎn)本節(jié)將簡述復(fù)合材料在設(shè)計(jì)、制造和性能方面有別于傳統(tǒng)材料的基本特點(diǎn)。復(fù)合材料的兩個主要特點(diǎn)是性能可設(shè)計(jì)性和材料與構(gòu)件成型的一致性。復(fù)合材料所期望的復(fù)合效果是原材料（即組分材料）的性能互補(bǔ)，并產(chǎn)生疊加效果。131 復(fù)合材料的性能具有可設(shè)計(jì)性材料設(shè)計(jì)（marterials design）是指在材料科學(xué)的理論知識和已有經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，按預(yù)定性能要求，確定材料組分和結(jié)構(gòu)，并預(yù)測達(dá)到預(yù)定性能要求應(yīng)選擇的工藝手段和工藝參數(shù)。材料設(shè)計(jì)的方法有演繹法和歸納法兩類。演繹法是根據(jù)有關(guān)理論，從基本原理出發(fā)，采用“從頭算起（a-b initio）”的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)；歸納法則是根據(jù)已有的經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出規(guī)律，利用數(shù)據(jù)庫、知識庫和推理，組成用以解決材料設(shè)計(jì)問題的計(jì)算機(jī)程序系統(tǒng)（即材料設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)）。這兩種方法還可以結(jié)合運(yùn)用，以獲得滿足要求的新材料。通過改變材料的組分，結(jié)構(gòu)、工藝方法和工藝參數(shù)來調(diào)節(jié)材料的性能，就是材料性能的可設(shè)計(jì)性。顯而易見，復(fù)合材料中所包含的諸多影響最終性能的、可調(diào)節(jié)的因素，賦予了復(fù)合材料的性能可設(shè)計(jì)性以極大的自由度。復(fù)合材料設(shè)計(jì)的首要步驟是選擇構(gòu)成復(fù)合材料的基本組分材料（增強(qiáng)體和基體）。這一步驟可簡稱為選材，它包括確定增強(qiáng)體和基體的種類（即確定復(fù)合體系），并根據(jù)復(fù)合體系初步確定增強(qiáng)體在復(fù)合材料中的體積分?jǐn)?shù)（即各組元之間的體積比例）。在選擇增強(qiáng)體時，作為設(shè)計(jì)依據(jù)的原始數(shù)據(jù)包括對復(fù)合材料性能的一般性要求和特殊要求。一般性要求如：強(qiáng)度、模量、密度、化學(xué)穩(wěn)定性、形狀和尺寸、生產(chǎn)加工性、成本、經(jīng)濟(jì)性、性能再現(xiàn)性或一致性、對損傷及磨損的抵抗與耐受能力、與基體材料的粘接性；特殊要求如：熱性能（導(dǎo)熱性、熱膨脹系數(shù)）、高溫性能（抗氧化性、再結(jié)晶、老化性）等。在選擇基體時，作為設(shè)計(jì)依據(jù)的原始數(shù)據(jù)一般要求為：對增強(qiáng)體的包容、充填變形性、基體本身的固結(jié)性、斷裂韌性、耐腐蝕性、抗疲勞性、強(qiáng)度；特殊要求如：高溫抗氧化性和抗蠕變能力、焊接性、二次加工（鍛、軋、擠、切削）性等。選材的目的是根據(jù)復(fù)合材料中各組分的職能和所需承擔(dān)的載荷及載荷分布情況，再根據(jù)所了解的具體使用條件下要求復(fù)合材料提供的各種性能，來確定復(fù)合材料體系。從幾種復(fù)合材料體系的候選方案經(jīng)定性和定量比較篩選。鋪層設(shè)計(jì)是根據(jù)受力要求和剛度（變形）要求通過承受指定載荷下各層應(yīng)力分布、強(qiáng)度與變形（包括若干層失效后層合板強(qiáng)度與剛度退化后的情況），來確定某種鋪疊次序下層合板的承受能力與變形，從而確定增強(qiáng)體在復(fù)合材料中的理想配置與鋪疊次序。除顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料外，定向的晶須和長纖維復(fù)合材料的力學(xué)及物理性質(zhì)是非均質(zhì)和各向異性的，與可視為均質(zhì)的和各向同性的傳統(tǒng)材料有顯著不同，這是復(fù)合材料可以進(jìn)行鋪層設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。復(fù)合材料可以根據(jù)結(jié)構(gòu)各處工作環(huán)境及載荷類型與大小，分別選用和配置不同的增強(qiáng)體和基體。材料性能梯度變化的思想，使復(fù)合材料優(yōu)化設(shè)計(jì)更臻完善。傳統(tǒng)材料只能選擇現(xiàn)成的牌號與規(guī)格，在這一點(diǎn)上，復(fù)合材料將賦予結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者更大的自由度，也為力學(xué)工作者提供了更廣闊的施展才華的空間。發(fā)展成熟的均質(zhì)材料的力學(xué)分析和力學(xué)原理，以及各向異性材料力學(xué)和彈性理論、層合板理論、有限元分析，均可應(yīng)用于復(fù)合材料設(shè)計(jì)中，成為復(fù)合材料性能可設(shè)計(jì)性的理論依據(jù)和工具。132 材料與構(gòu)件制造的一致性將通過材料設(shè)計(jì)入選的復(fù)合材料組分（增強(qiáng)體和基體）數(shù)量（即相對體積含量）確定后，根據(jù)鋪層設(shè)計(jì)的要求進(jìn)行排列和配置，經(jīng)復(fù)合（即組合或制造）以后，就可以得到復(fù)合材料的構(gòu)件。傳統(tǒng)材料構(gòu)件需先選用以板、塊、棒、管和型材等形式供應(yīng)的材料，再將這些材料經(jīng)各種加工制成構(gòu)件。與此顯著不同的是，復(fù)合材料與復(fù)合材料構(gòu)件是同時成型，即在采用某種方法把增強(qiáng)體摻入基體形成復(fù)合材料的同時，通常也就形成了復(fù)合材料的構(gòu)件，稱為復(fù)合材料與構(gòu)件制造的一致性。制造復(fù)合材料與制造構(gòu)件往往是同步的。根據(jù)構(gòu)件形狀設(shè)計(jì)模具，再根據(jù)鋪層設(shè)計(jì)來敷設(shè)增強(qiáng)體，使基體材料與增強(qiáng)體組合、固結(jié)后獲得復(fù)合材料構(gòu)件，這種制造過程稱為一次成型。構(gòu)件的連接（螺接、鉚接、焊接、粘接等）、機(jī)械切削加工及坯件的進(jìn)一步塑性變形（主要是金屬基復(fù)合材料的擠制、軋制和滾壓）稱為復(fù)合材料的二次加工。多數(shù)復(fù)合材料不必經(jīng)過二次加工。一次成型后，復(fù)合材料構(gòu)件即可供直接使用的成形方法稱為凈成形。為了使增強(qiáng)體與基體按要求復(fù)合起來，需要解決兩個問題：基體向增強(qiáng)體中摻入的方法；增強(qiáng)體與基體之間的粘接。前一個問題要求在基體摻入增強(qiáng)體的過程中增強(qiáng)體盡量不受或少受損傷，并保證增強(qiáng)體在基體中按要求的方向和數(shù)量有規(guī)則地排列和分布。增強(qiáng)體的損傷分為機(jī)械損傷和化學(xué)損傷兩種。機(jī)械損傷與纖維的脆性有關(guān)。韌性纖維（如金屬纖維）不易被機(jī)械損傷，脆性纖維（如陶瓷纖維）對表面劃傷十分敏感，而這些機(jī)械損傷幾乎在人們的手工操作、工具操作，甚至在纖維間相互接觸、擺放、纏繞過程中都可能發(fā)生。固態(tài)法制造過程也會直接損傷纖維?；瘜W(xué)損傷主要為熱損傷，它是在高溫制造過程中，增強(qiáng)體與基體之間化學(xué)反應(yīng)過量，增強(qiáng)體中某些元素參與反應(yīng)，增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)被破壞而造成的增強(qiáng)體性能降級或損壞。增強(qiáng)體的化學(xué)損傷與復(fù)合工藝條件及復(fù)合方法有關(guān)。在熱損傷的同時，將伴隨增強(qiáng)體與基體之間界面結(jié)構(gòu)的改變，一般是產(chǎn)生界面反應(yīng)層使界面脆性增大、造成界面?zhèn)鬟f載荷的能力下降。因此，在復(fù)合材料制造過程中，應(yīng)盡量避免增強(qiáng)體的損傷，尤其應(yīng)減少導(dǎo)致界面脆性的增強(qiáng)體熱損傷。第二要解決的問題要求在復(fù)合材料中增強(qiáng)體