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一文了解復(fù)合材料

編輯：轉(zhuǎn)自：材料科學(xué)與工程技術(shù) 發(fā)布時間：2024-02-02

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？簡單來說，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?？梢哉J(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(diǎn)：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(diǎn)，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)復(fù)合材料（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：

01 金屬材料

鋼鐵、鋁與鋁合金、銅、鎂、鈦等；

02 無機(jī)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。

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(shí)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。

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。

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(diǎn)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！

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