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

復合材料中各種材料在性能上互相取長補短，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使復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。復合材料較以往的材料能夠具有許多優(yōu)點：高的強度重量比、高抗疲勞性和耐腐蝕性、增強的耐摩擦和耐磨損性、低導熱系數(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，為了增強它的韌性，采用高強度、高彈性的纖維與陶瓷基復合后，這種復合材料就可以用作液體火箭發(fā)動機噴管、導彈天線罩、航天飛機鼻錐、飛機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合而成。我們現(xiàn)在所說的復合材料當然不是指這些，而是指二十世紀40年代以后發(fā)展起來的新的復合材料，有時稱為先進復合材料。

20世紀40年代，因航空工業(yè)的需要，發(fā)展了玻璃纖維增強塑料（俗稱玻璃鋼），從此出現(xiàn)了復合材料這一名稱。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、鈦等金屬基體復合，構(gòu)成各具特色的復合材料。

在這種新的復合材料出現(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——復合材料，就是以上三類材料復合而成的材料。以上三類材料都可以作為復合材料的基體，也都可以作為增強相加入基體中。

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

(i) 復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) 復合材料必須由兩種或兩種以上化學、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，可進行復合結(jié)構(gòu)設(shè)計;

(iv) 復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和關(guān)聯(lián)可以獲得單一組成材料所不能達到的綜合性能。 

復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。復合材料按其組成分為金屬與金屬復合材料、非金屬與金屬復合材料、非金屬與非金屬復合材料。按其結(jié)構(gòu)特點又分為：①纖維增強復合材料。將各種纖維增強體置于基體材料內(nèi)復合而成。如纖維增強塑料、纖維增強金屬等。②夾層復合材料。由性質(zhì)不同的表面材料和芯材組合而成。通常面材強度高、薄；芯材質(zhì)輕、強度低，但具有一定剛度和厚度。分為實心夾層和蜂窩夾層兩種。③細粒復合材料。將硬質(zhì)細粒均勻分布于基體中，如彌散強化合金、金屬陶瓷等。④混雜復合材料。由兩種或兩種以上增強相材料混雜于一種基體相材料中構(gòu)成。與普通單增強相復合材料比，其沖擊強度、疲勞強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合材料。

復合材料主要可分為結(jié)構(gòu)復合材料和功能復合材料兩大類。

結(jié)構(gòu)復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體組元與能連接增強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。由不同的增強體和不同基體即可組成名目繁多的結(jié)構(gòu)復合材料，并以所用的基體來命名，如高聚物(樹脂)基復合材料等。結(jié)構(gòu)復合材料的特點是可根據(jù)材料在使用中受力的要求進行組元選材設(shè)計，更重要是還可進行復合結(jié)構(gòu)設(shè)計，即增強體排布設(shè)計，能合理地滿足需要并節(jié)約用材。

功能復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)同或加強功能的作用。功能復合材料是指除機械性能以外而提供其他物理性能的復合材料。如：導電、超導、半導、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)稱為功能復合材料。功能復合材料主要由功能體和增強體及基體組成。功能體可由一種或以上功能材料組成。多元功能體的復合材料可以具有多種功能。同時，還有可能由于復合效應(yīng)而產(chǎn)生新的功能。多功能復合材料是功能復合材料的發(fā)展方向。

復合材料也可分為常用和先進兩類。

常用復合材料如玻璃鋼，便是用玻璃纖維等性能較低的增強體與普通高聚物(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。

先進復合材料指用高性能增強體如碳纖維、芳綸等于高性能耐熱高聚物構(gòu)成的復合材料，后來又把金屬基、陶瓷基和碳(石墨)基以及功能復合材料包括在內(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、精密機械、深潛器、機器人結(jié)構(gòu)件和高檔體育用品等。 

性能

復合材料中以纖維增強材料應(yīng)用最廣、用量最大。其特點是比重小、比強度和比模量大。例如碳纖維與環(huán)氧樹脂復合的材料，其比強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。石墨纖維與樹脂復合可得到熱膨脹系數(shù)幾乎等于零的材料。纖維增強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度要求設(shè)計纖維的排列。以碳纖維和碳化硅纖維增強的鋁基復合材料，在500℃時仍能保持足夠的強度和模量。碳化硅纖維與鈦復合，不但鈦的耐熱性提高，且耐磨損，可用作發(fā)動機風扇葉片。碳化硅纖維與陶瓷復合， 使用溫度可達1500℃，比超合金渦輪葉片的使用溫度（1100℃）高得多。碳纖維增強碳、石墨纖維增強碳或石墨纖維增強石墨，構(gòu)成耐燒蝕材料，已用于航天器、火箭導彈和原子能反應(yīng)堆中。非金屬基復合材料由于密度小，用于汽車和飛機可減輕重量、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。

關(guān)于復合材料，最重要的，有以下三方面的問題需要研究。

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

復合材料的構(gòu)成結(jié)構(gòu)是多種多樣的，如下面圖示。有增強體無規(guī)則分散的，有纖維單向增強的，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 增強體的各種分布方式

圖2 增強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)

在復合材料加工中需要特別說明的是，復合材料加工經(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)建造是分開進行的，而復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合材料制成。下邊的飛機機身也是一次性制成的。

圖5 復合材料制成的汽車外殼和機身

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

由于復合材料的多樣性和復雜性，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。例如層合板的復合材料計算方法，纖維增強復合材料的計算方法等等。這方面的文獻和書籍已經(jīng)非常多，在遇到這類問題時需要查閱有關(guān)的文獻。

在具體計算復合材料結(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)強度的判斷。

由于復合材料的復雜性，所有關(guān)于復合材料的計算與設(shè)計，需要借助于計算機進行。好在現(xiàn)有不少固體力學，包括針對復合材料的計算力學商用軟件可以使用。盡管如此，對復合材料力學的研究仍然需要投入巨大的人力物力。

最后，是復合材料中各組分之間的界面問題。

復合材料既然是由兩種或兩種以上的材料復合而成的，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，研究復合材料界面行為，可以說是研究復合材料機理的關(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、擴散、界面相容、界面自由能互相穿透的物理變化；導致界面上化學反應(yīng)，產(chǎn)生新的物質(zhì)形成新的界面層的化學變化；界面上的應(yīng)力分布。由于界面上有這許多復雜的事情，所以有時在進行復合材料加工之前先要對界面進行處理。

從力學的角度很關(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)成為計算力學和復合材料力學一類十分受關(guān)注的課題。

復合材料興起雖然只有半個多世紀，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，就可能在航空、航天、國防上領(lǐng)先。有能力的力學家們，到復合材料中顯一下身手吧！