1、復合材料的定義

復合材料通常由兩個組成部分，即增強材料和基體。通過將兩種或更多種天然或人造材料與基體材料組合在一起而獲得的復合材料，其性能比單獨使用兩種材料更好。

與傳統材料相比，復合材料具有更堅固、更輕且更便宜等特性。但是復合材料的開發通常會考慮到特定的應用程序，這通常需要漫長的開發和測試過程才能確保其能夠完成預期的工作。從建筑行業到汽車行業，從海洋行業到航空航天行業，它們的使用越來越廣泛。

復合材料廣泛用于：

•混凝土，最常見的人造復合材料

•增強塑料，例如纖維增強聚合物（FRP）

•金屬基復合材料（MMC）

•陶瓷基復合材料（CMC）

2、復合材料的組成部分

2.1 增強相

復合材料生產涉及多個階段。增強相提供了剛性和剛度，而且在大多數情況下，增強材料比基體更堅硬、更堅固。

增強材料通常是纖維或顆粒，其中顆粒復合材料往往比纖維復合材料更弱并且更具柔韌性。纖維增強又可以分為兩種類型，連續纖維增強材料和不連續（短）纖維增強材料，如下圖1所示。連續的纖維增強材料通常將具有分層或層壓結構（圖1a），而不連續的（短）纖維增強材料將具有隨機取向（圖1b）。

圖1 連續纖維與短切纖維

最常見的纖維包括玻璃纖維、芳族聚酰胺纖維和碳纖維，所有這些纖維可以是連續的或不連續的。復合材料中連續纖維與短切（不連續）纖維增強相結構如圖2所示。

圖2 連續纖維與短切纖維復合材料中纖維增強相狀態

增強通常會增加復合材料的強度和剛度，從而大大減少了開裂的機會，并且如果它們能夠很好地附著在基體上，還能顯著改善復合材料的性能。

2.2 基體材料

常見的基體材料主要包括聚合物、金屬和陶瓷，其中聚合物具有較低的強度和剛度，金屬具有中等的強度和剛度，但可以具有較高的延展性，而陶瓷具有較高的強度和剛度，但也更易碎。

按照化學性能，基體又可分為有機和無機兩種類型。有機基體（例如聚合物）非常普遍（尤其是用于纖維增強塑料），通常用于制造包含玻璃纖維、碳纖維或芳綸纖維的復合材料；無機基體通常用于混凝土、金屬、陶瓷和玻璃中。

復合材料中基體的主要作用體現在：

•將纖維保持在所需的方向

•減少磨損和壓縮

聚合物基和金屬基復合材料在纖維和基體之間具有牢固的結合力，這使得負載應力可以傳遞到纖維上。在陶瓷基復合材料中，基體主要用于增加復合材料的韌性，而不是強度或剛度。

聚合物基體進一步可以分為熱固性塑料和熱塑性塑料兩種，許多先進的熱固性聚合物基體通常將碳纖維摻入環氧樹脂基體中。

3、復合材料的應用

3.1 建筑工程領域

作為建筑材料，混凝土是最常見的人造復合材料，通常由松散的石頭和基質水泥組成。它是水泥和骨料的混合物，在世界范圍內廣泛使用。僅在美國，混凝土生產是一個年產值300億美元的行業，而在全球范圍內，預拌混凝土行業是混凝土市場中最大的部分，2015年的收入超過了1000億美元。

混凝土對制造商來說并不昂貴，而且抗壓強度很高。但是，混凝土的抗拉強度差，因此在拉伸時容易破裂。為了減少這種情況，將其他材料（例如鋼筋，某些塑料或陶瓷棒）嵌入混凝土中，混凝土主要成分如圖3所示。這些高抗拉強度的材料可幫助混凝土在張緊時承受更大的載荷。

圖3 混凝土的主要成分

3.2 航空航天及軍事領域

通常，在需要高剛度和輕質的領域會使用高性能但更經濟有效的碳纖維復合材料。雖然玻璃纖維復合材料成本要低得多，但是由于性能有限，因此只能用于強度和重量要求不高的應用中。

在軍用飛機中，出于性能和有效載荷的原因，重量輕是王道。因此，當前，碳纖維復合材料和芳綸纖維復合材料是用于制造飛機的最佳材料。現在，商用飛機行業也發生了同樣的情況，也許，最引人注目的例子是波音787，機身材料中碳纖維復合材料占比超過50%（圖4），且多數為碳纖維層壓板復合材料和碳纖維夾芯復合材料結構。

圖4 波音787飛機中的復合材料

3.3 汽車工業

如今全球一些主要的汽車制造商越來越多地轉向復合材料，以幫助他們達到日益嚴格的性能和重量目標，從而最終提高燃油效率并降低制造成本。使用的最典型材料是玻璃纖維/聚氨酯和玻璃纖維/聚酯。

除了上面提到的復合材料外，一些更高端的制造商也使用碳纖維并取得了很大的效果。特斯拉（Tesla，圖5）、法拉利（Ferrari）、蘭博基尼（Lamborghini）和其他許多制造商都增加了碳纖維的使用，以減輕重量，增加剛度和強度，從內部到小型車身零件再到整個底盤部件。

通過在內部設計、門檻、上門檻、儀表盤、立體聲和中控臺飾板中采用碳纖維，特斯拉極大地提高了汽車的外觀和運動性，并具有減輕汽車整體重量的額外好處。

3.4 其他領域的應用

家用家電：炊具、洗碗機、冰箱、洗衣房、制冰機和小家電。

能源領域：風力渦輪機、燃料電池、太陽能電池板和水泵。

船體材料：引擎蓋、個人船只、船上通道蓋、馬達罩。

家庭廚衛：水龍頭、水槽、下水道、淋浴和浴缸。

其他產品：手機盒、筆記本電腦盒、儀器盒、珠寶、手表等。