復合材料(Composite materials)，是由兩種或兩種以上不同性質的材料，通過物理或化學的方法，在宏觀上組成具有新性能的材料。各種材料在性能上互相取長補短，產生協同效應，使復合材料的綜合性能優于原組成材料而滿足各種不同的要求。

 

復合材料是一種混合物。在很多領域都發揮了很大的作用，代替了很多傳統的材料。（如：混凝土的抗拉強度較低，通常只有抗壓強度的十分之一左右，任何顯著的拉彎作用都會使其微觀晶格結構開裂和分離從而導致結構的破壞。而絕大多數結構構件內部都有受拉應力作用的需求，故未加鋼筋的混凝土極少被單獨使用于工程。

 

鋼筋砼相較混凝土而言，鋼筋抗拉強度非常高，一般在200MPa以上，故通常人們在混凝土中加入鋼筋等加勁材料與之共同工作，由鋼筋承擔其中的拉力，混凝土承擔壓應力部分。）

 

復合材料的分類

 

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、金屬絲和硬質細粒等。

 

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。

 

復合材料按其結構特點又分為：1、纖維復合材料，將各種纖維增強體置于基體材料內復合而成。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。分為層內混雜、層間混雜、夾芯混雜、層內／層間混雜和超混雜復合材料。復合材料主要可分為結構復合材料和功能復合材料兩大類。

 

結構復合材料是作為承力結構使用的材料，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構復合材料，并以所用的基體來命名，如高聚物(樹脂)基復合材料等。

 

結構復合材料的特點是可根據材料在使用中受力的要求進行組元選材設計，更重要是還可進行復合結構設計，即增強體排布設計，能合理地滿足需要并節約用材。

 

功能復合材料一般由功能體組元和基體組元組成，基體不僅起到構成整體的作用，而且能產生協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：梯度復合材料(材料的化學和結晶學組成、結構、空隙等在空間連續梯變的功能復合材料)、機敏復合材料（具有感覺、處理和執行功能，能適應環境變化的功能復合材料）、仿生復合材料、隱身復合材料等。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)構成。由于它的價格低廉，得以大量發展，已廣泛用于船舶、車輛、化工管道和貯罐、建筑結構、體育用品等方面。

 

為滿足航空航天等尖端技術所用材料的需要，先后研制和生產了以高性能纖維（如碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維等）為增強材料的復合材料，其比強度大于4×106厘米（cm），比模量大于4×108cm。為了與第一代玻璃纖維增強樹脂復合材料相區別，將這種復合材料稱為先進復合材料。它們的性能雖然優良，但價格相對較高，主要用于國防工業、航空航天、精密機械、深潛器、機器人結構件和高檔體育用品等。

 

按基體材料不同，先進復合材料分為樹脂基、金屬基和陶瓷基復合材料。其使用溫度分別達250～350℃、350～1200℃和1200℃以上。

 

復合材料的發展歷史

 

復合材料是由不同元素組成的結構，結果是形成了一加一等于三。對于復合材料的理解，貌似昆蟲、鳥和蝙蝠等動物比我們要理解的更透徹一些，它們將這個原理應用到筑窩的過程中，以防天敵的攻擊。原始人用動物糞便、粘土、稻草和樹枝組成復合材料結構，這是人類將復合材料應用到生活中具有歷史意義的一步。甚至據人們傳說，圣經中的諾亞方舟也是由煤瀝青和稻草混合制成的，這也許真的是被報道出的復合材料船舶的鼻祖，當然這也僅是傳說。

 

1847年

瑞典化學家Berzelius，這位現代化學的奠基人之一，首次在實驗室發明了飽和聚酯。

 

1894年

Vorlander在實驗室著手對乙二醇馬來酸的研究工作，成為記錄在案最早的一位研究不飽和聚酯樹脂的化學家。

 

1920年

先鋒人物Wallace Carothers開始對乙二醇與不飽和脂肪酸合成的聚酯的研究工作。

 

1922年

首個聚酯樹脂被研發成功。

 

1930年末

研究人員Bradley， Kropa 和Johnson三人共同研究不飽和聚酯的固化情況，在報告中提高，固化后，它們可以分為可熔性和不可溶性（熱固性）。

 

1935年

歐文斯科寧（Owens Corning）首次引入玻璃纖維。

 

1941年

不飽和聚酯首次投入美國的壓鑄商業市場。

 

1942年

美國橡膠公司開發出玻璃纖維增強聚酯樹脂作為基體的復合材料。

 

1946年

船艇制造商開始意識到纖維增強復合材料為整個工業帶來了何種變革，在這年中首個復合材料船身的游艇在美國建成，還首次引入了冷固化系統。

 

1950年

早期閉模工藝開發完成。

 

1951年

中期不飽和聚酯樹脂在歐洲投入商業化生產。

 

1963年

碳纖維增強材料引入市場。

 

19世紀

隨著科學技術在物理化學領域的應用，自然界中的天然聚合物的性能已經不能滿足工業發展對材料性能的需要，這使當時的新型材料－早期的復合材料得到飛速的發展。

 

碳纖維復合材料

 

碳纖維增強樹脂基復合材料是以有機高分子材料為基體、碳纖維為增強材料,通過復合工藝制備而成,具有明顯優于原組分性能的一類新型材料”。它具有高比強度、高比模量、抗疲勞、耐腐蝕、可設計一性強、便于大面積整體成型以及具有特殊電磁性能等特點,已經成為最重要的航空結構材料之一。

 

碳纖維增強樹脂基復合材料所用基體樹脂主要分為兩大類，一類是熱固性樹脂，另一類是熱塑性樹脂。熱固性樹脂由反應性低分子量預聚體或帶有活性基團高分子量聚合物組成,成型過程中,在固化劑或熱作用下進行交聯、縮聚,形成不熔不溶的交聯體型結構。常用的有環氧樹脂、酚醛樹脂、雙馬來亞酞胺樹脂等。熱塑性樹脂由線型高分子量聚合物組成，在一定條件下溶解和熔融，只發生物理變化。常用的有聚乙烯、尼龍、聚醚醚酮等。

 

常見碳纖維材料品種：

 

1、碳纖維增強陶瓷基復合材料

陶瓷具有優異的耐蝕性、耐磨性、耐高溫性和化學穩定性,廣泛應用于工和民用產品。但是,它的致命弱點是脆性大,并且對裂紋、氣孔和夾雜物等細微的缺陷很敏感。用碳纖維增強陶瓷可有效地改善韌性,改變陶瓷的脆性斷裂形態,同時阻止裂紋在陶瓷基體中的迅速傳播、擴展。目前國內外比較成熟的碳纖維增強陶瓷材料是碳纖維增強碳化硅材料,因其具有優良的高溫力學性能，在高溫下服役不需要額外的隔熱措施,因而在航空發動機、可重復使用航天飛行器等領域具有廣泛應用。

 

2、碳/碳復合材料

碳/碳復合材料是碳纖維增強碳基復合材料的簡稱,也是一種高級復合材料。它是由碳纖維或織物、編織物等增強碳基復合材料構成。碳/碳復合材料主要由各類碳組成,即纖維碳、樹脂碳和沉積碳。這種完全由人工設計、制造出來的純碳元素構成的復合材料具有許多優異性能,除具備高強度、高剛性、尺寸穩定、抗氧化和耐磨損等特性外,還具有較高的斷裂韌性和假塑性。特別是在高溫環境中,強度高、不熔不燃,僅是均勻燒蝕.這是任何金屬材料無法與其比擬的。因此廣泛應用于導彈彈頭,固體火箭發動機噴管以及飛機剎車盤等高科技領。

 

3、碳纖維增強金屬基復合材料

碳纖維增強金屬基復合材料是以碳纖維為增強纖維,金屬為基體的復合材料。碳纖維增強金屬基復合材料與金屬材料相比,具有高的比強度和比模量；與陶瓷相比,具有高的韌性和耐沖擊性能。金屬基體多采用鋁、鎂、鎳、鈦及它們的合金等。其中,碳纖維增強鋁、鎂復合材料的制備技術比較成熟。制造碳纖維增強金屬基復合材料的主要技術難點是碳纖維的表面涂層,以防止在復合過中損傷碳纖維,從而使復合材料的整體性能下降.目前,在制備碳纖維增強金屬基復合材料時碳纖維的表面改性主要采用氣相沉積、液鈉法等,但因其過程復雜、成本高,限制了碳纖維增強金屬基復合材料的推廣應用。

 

4、碳纖維增強水泥基復合材料

將碳纖維加人到水泥基體中即制成碳纖維增強水泥基復合材料(Carbon Fiber Reinforced Ce-ment Compoistes,簡稱CFRC），稱纖維增強混凝土。在水泥基材料中摻入高強碳纖維是提高水泥復合材料抗裂、抗滲、抗剪強度和彈性模量,控制裂紋擴展，提高耐強堿性，增強變形能力的重要措施。

 

此外，碳纖維還具有震動阻尼特性，可吸收震動波，使防地震能力和抗彎強度提高十幾倍。更為可貴的是，碳纖維具有導電性，將其加入到水泥基體中，賦于水泥基體智能性，極大地擴大了混凝土的應用范圍。

 

CFRC復合材料在承受負荷時表面不產生龜裂，其抗拉強度和抗彎強度、斷裂韌性比不增強的高幾倍到十幾倍，其沖擊韌性也相當可觀。短切碳纖維增強水泥所用碳纖維的長度一般為3一6nm,直徑為7一20μm，抗拉強度范圍在0.5一0.8GPa。普通水泥的強度通常為11.76MPa，若按重量摻入15%的碳纖維，其強度可達到245MPa；若摻人量為20%時，強度可高達548.8MPa。

 

此外，與普通混凝土相比，CFRC具有質輕、強度高、流動性好、擴散性強、成型后表面質量高等優點,將其用作隔墻時,比普通混凝土制作的隔墻薄1/2~1/3,重量減輕1/2一1/3。CFRC有多種規格，其中短切碳纖維增強混凝土主要用在屋面、外墻、內墻、地面、天棚等方面;長纖維混凝土用在承重構件方面,由它制成的構件尺寸穩定,同時還具有防靜電性、耐磨耗、耐腐蝕等性能,因此,CFRC性能的研究近年來發展迅猛。

 

石墨烯復合材料

 

石墨烯（Graphene）是從石墨材料中剝離出來、由碳原子組成的只有一層原子厚度的二維晶體。它是目前自然界最薄、強度最高的材料，斷裂強度比最好的鋼材還要高200倍，同時它又有很好的彈性，拉伸幅度能達到自身尺寸的20%。但是，石墨烯很難作為單一原料生產某種產品，而主要是利用其突出特性與其它材料體系進行復合，從而獲得具有優異性能的新型復合材料。

 

石墨烯負載的復合材料：在石墨烯表面引入第二組分并在其表面進行外延伸展得到的復合材料。石墨烯包裹的復合材料：用石墨烯片將第二組分包裹得到的復合材料，可以更有效地防止第二組分的聚合。

 

石墨烯內嵌的復合材料：將石墨烯納米片作為填充物充分分散在第二組分的基體相中得到的復合材料。其中，基體相可以是納米材料，也可以是塊體材料組成。基于石墨烯的層狀復合材料：將第二組分和石墨烯片交替堆積而成，該結構可以使石墨烯與第二組分的接觸面積最大化，并有利于電子的產生、傳輸和分離。

 

石墨烯基復合材料的分類

 

石墨烯具有諸多優異的性能，如導電導熱性好、韌性好、比表面積大等等，這些性能使得石墨烯基復合材料呈現出許多優異的特性。如以石墨烯為載體負載納米粒子，可以提高這些粒子的催化性能、傳導性能；利用石墨烯較好的韌性，將其添加到高分子中，可以提高高分子材料的機械性能和導電性能。按第二組分的不同，可將石墨烯復合材料分為石墨烯-納米粒子復合材料、石墨烯-聚合物復合材料和石墨烯-碳基材料復合材料。

 

1、石墨烯-納米粒子復合材料

納米粒子獨特的物理化學性質引起納米科學工作者的極大興趣，但尋找合適的載體成為納米粒子廣泛應用的一個難題。石墨烯與其他碳材料（碳納米管、富勒烯等）相比，表現出優異的電學、光學等物理化學性質，以及有較低的制備成本，使得石墨烯成為了納米粒子的潛在載體。由于片層間范德華力的作用，石墨烯往往存在著不可逆的團聚現象，而存在于石墨烯層間的納米粒子正好起到分離鄰近石墨烯片層、 防止發生團聚的作用。近年來，人們創造性地將石墨烯與納米粒子復合起來，形成了一個新的研究領域。

 

2、石墨烯-聚合物復合材料

之前已經有許多關于碳基材料-聚合物復合材料的報道，特別是基于碳納米線、碳納米管和富勒烯-聚合物復合材料的研究，作為碳材料家族獨特的一員，石墨烯同樣可以作為添加材料或載體與聚合物進行復合。石墨烯由于其獨特的結構和性能，在改善聚合物的熱性能、力學性能和電性能等方面具有相當大的應用價值。

 

3、石墨烯-碳基材料復合材料

石墨烯除了能夠和納米粒子、高聚物復合外，還可以與其他碳基材料（碳納米管、富勒烯等）組裝形成復合材料，這些碳基材料可以相互組合而呈現出一些優越的性能。

 

石墨烯復合材料的應用

 

1、在催化領域的應用

由于石墨烯具有優異的導電性、導熱性和結構穩定性等性能，并具有改性擔載金屬催化劑的作用，使得石墨烯基催化劑擁有了許多特殊的催化活性。

 

2、在電化學領域的應用

為了得到高比容超級電容器，一些研究組設計合成了多種石墨烯復合材料，并將其應用于電極材料，如：聚苯胺/石墨烯、MnO2/石墨烯等。但是石墨烯易發生團聚而不能有效利用，這也是石墨烯在電化學領域廣泛應用的一個難題。

 

3、在生物醫藥領域的應用

石墨烯的部分雙鍵被氧化以后轉化為石墨烯氧化物，其所攜帶的羥基、羧基、環氧基、羰基等親水性官能團，讓石墨烯氧化物可以在水溶液或生理溶液中穩定存在，具有較高的水溶性，有望像溶液一樣適應于靜脈注射；另外，石墨烯還具備低毒性、比表面積大等特點，在藥物載體中有潛在的應用價值。目前石墨烯復合材料在生物醫藥領域的應用存在載藥種類少和治愈范圍小等缺點，其負載抗癌藥物主要為鹽酸阿霉素、三苯氧胺檸檬酸鹽和喜樹堿類等，未來可將石墨烯復合物應用于蛋白和基因藥物靶向運輸和治療等更深層次方面。

 

4、在含能材料領域的應用

炸藥在國防、民用等各個領域都是不可替代的，所以它的安全性是很重要的，既要能穩定的存在又要便于檢測。而石墨烯具有一定的鈍感性和導電導熱性，在含能材料領域有一定的應用價值，目前主要體現在炸藥傳感器和包覆降感上。