复合材料综述

一、复合材料的定义与分类

由两个或两个以上独立的物理相，包括粘结材料（基体）和粒料、纤维或片状材料所组成的一种固体产物称为复合材料。

复合材料的组成分为两大部分：基体与增强材料。

基体：构成复合材料连续相的单一材料。如玻璃钢中的树脂就是基体。

增强材料：复合材料中不构成连续相的材料。如玻璃钢中的玻璃纤维就是增强材料。

复合材料的分类方法颇多，通常按其基休不同，可分为三大类：

1.       聚合物基复合材料。通常说的树脂复合材料归属此类。

2.       金属基复合材料。

3.       无机非金属基复合材料。

三种复合材料中，以树脂基复合材料用量为大，占所有复合材料用量的90％以上。

树脂基复合材料中，又以玻璃纤维增塑料（俗称玻璃钢）用量最大，占树脂基复合材料用量的90％以上。

二、复合材料的最大特点

复合材料的最大特点是复合后的材料特性优于组成该复合材料的各单一材料之特性。增强材料的性能随其组成材料含量及分布情况而变，基体材料的性能、含量，增强材料与基体材料间界面结合情况及其复合方式与工艺等决定复合材料性能的基本因素。

树脂基、金属基、无机非金属基这三大类复合材料都可达到或优于传统金属材料的强度与模量等力学指标。尤其是其比强度、比模量特性更为突出。

复合材料的性能与其生产工艺关系颇大。如树脂基复合材料中，采用纤维缠绕法制造的产品具有优异的力学性能；拉挤产品轴向强度高。

同一类复合材料，同一类生产工艺亦因材料选择、配比的不同，而导致产品性能上的差异。

对树脂基复合材料而言，其力学性能主要取决于增强材料。如碳纤维增强塑料的弹性模量较玻璃纤维增强塑料高，盖因碳纤维弹性模量高之故。而耐化学性与工作温度，则主要取决于所用的基体树脂。

三、树脂基复合材料的特性

与传统材料相比，在设计与制造上树脂基复合材料有3个明显的特点：

1)        材料性能指标的自由设计性；

2)        材料与结构的一致性；

3)        产品型体设计的自由性。

树脂基复合材料的特性概括如下。

1.         轻质高强——比强度、比模量高强度、模量分别除以密度之值，是衡量材料承载能力的指标之一。玻璃钢的比强度可达钢材和4倍，但（玻璃钢的比模量不算高）；碳纤维增强环氧树脂复合材料的比强度可达钛的4.9倍，比模量可达铝的5.7倍多。这对要求自重轻的产品意义颇大。

2.         抗疲劳性能好　　疲劳破坏是材料在交变载荷作用下，由于微观裂缝的形成和扩展而造成的低应力破坏。金属材料的疲劳破坏是由里向外突然发展的，往往事先无征兆；而纤维复合材料中纤维与基体的界面能阻止裂纹扩展，其疲劳破坏总是从材料的薄弱环节开始，逐渐扩展，破坏前有明显的征兆。大多数金属材料的疲劳极限是其拉伸强度的40％～50％，碳纤维复合材料则达70％～80％。纤维增强树脂基复合材料的抗声振疲劳性能亦甚佳。

3.         破损安全性好　　纤维复合材料基体中有大量独立的纤维，每平方厘米上的纤维少则几根，多至上万根。从力学观点上看，是典型的静不定体系。当构件超载并有少量纤维断裂时，载荷会迅速重新分配在未破坏的纤维上。这样，在短期内不至于使整个构件丧失承载能力。

4.         耐化学腐蚀　　常见的热固性玻璃钢一般都耐酸、稀碱、盐、有机溶剂、海水并耐湿。热塑性玻璃钢耐化学腐蚀性一般较热固性为佳。一般而言，耐化学腐蚀性主要决定于基体。玻璃纤维不耐氢氟酸等氟化物，生产适应氢氟酸等氟化物的复合材料产品时，接触氟化物表面的增强材料不能用玻璃纤维，可采用饱和聚酯或丙纶纤维（薄毡），基体亦须采用耐氢氟酸的树脂，如乙烯基酯树脂。

5.         电性能好　　绝缘性可达到甚高水平，但亦可做成防静电的或导电的。在高频下能保持良好的介电性能。不受电磁作用，不反射电磁波，能透过微波。这些性能远非金属材料所能比拟。

6.         热导率底、线膨胀系数小，在有温差时所产生的热应力比金属低得多。有的玻璃钢（酚醛基体）耐瞬时高温（3800℃），是很好的耐烧蚀材料。

7.         可制得透明及各种色彩的产品；藉助加强肋、夹芯结构、波纹等可使制品获得所需的强度与模量；各种组件、构件可在主体成型中一并嵌入成型，脱模后工时大为缩减；易于修补与保养；隔磁、隔音。

8.         成型工艺性优越　　可根据产品的结构与使用要求及生产数量，合理地灵活选择原辅材料及成型工艺。

三、树脂基复合材料生产工艺分类

树脂基复合材料生产工艺可分为三大类。

1.         对模成型

1)        模压成型　　可以SMC（片状模塑料）、BMC（团状模塑料）、预成型件等在一定温度与压力下成型。

2)        树脂传递成型（RTM）  将配有固化系统的树脂在一定压力下（或伴有真空辅助）注入已铺覆增强材料的模具内（增强材料可用连续玻璃纤维原丝毡、织物与短切原丝复合毡、方格布等，预覆于下模内），经固化后脱模。此法制品两面光、尺寸与树脂含量较稳定。工艺设备投资少，劳动环境好。

3)        注射成型　　与热塑性塑料相似，可以长纤维或短纤维的BMC料注射之。它包括热固性塑料，如BMC、ZMC、TMC等，热塑性塑料，如增强PA、PP、PC、PBT等注塑。此法生产效率高，劳动成本低，产品力学性能好。

4)        冷压成型　　不采用外加热，仅赖复合材料在室温下自身放热固化。

5)        结构反应注射成型（SRIM——structural reaction injection molding）　　此法与RTM相似，但基体多用聚氨脂。产品两面光，但不好作成Ａ级表面。此法适于中到大量生产，要求韧性或弹性较好的高强度制品。

2.         接触成型

1)        手糊成型

2)        喷射成型

3)        真空袋成型

4)        压力袋成型

5)        高压釜成型

3.         其他重要的成型方法

1)        纤维缠绕法；

2)        拉挤成型法；

3)        连续板材成型法；

4)        离心铸型法。

不同的生产工艺，适应不同的制品性能与生产规模。尽管机械化、自动化日益发展，手糊与喷射成型仍将作为基本的成型工艺而占有相当的比例。不难发现，迄今除手糊、喷射、缠绕3种工艺为开模成型外，余均为闭模成型工艺。