復合材料（Composite Material）是將不同特性的材料進行優化組合，通過先進材料制備技術融合形成的材料，各組分之間有明顯的界面存在。復合材料兼具多種不同材料的特點和優勢，克服單一材料在性能上的足，從而滿足各個行業不同領域的需要。
復合材料的使用歷史可以追溯到古代。從古至今沿用的稻草或麥秸增強黏土，以及已使用百年的鋼筋混凝土均由兩種材料復合而成。20 世紀40年代，因航空工業的需要，發展了玻璃纖維增強塑料(俗稱玻璃鋼)，從此出現了復合材料這一名稱。50年代以后，陸續發展了碳纖維、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、橡膠等非金屬基體以及鋁、鎂、鈦等金屬基體復合，構成各具特色的復合材料。20世紀80年代，復合材料共性科技問題研究受到全球關注各項研究正式列入《1978一 1985年全國科學技術發展規劃綱要》。20世紀90年代，出現了多種復合材料新品種，提升了復合材料性能。進入21世紀后，初步建立起高性能纖維及復合材料的完整產業鏈，取得了標志性成果。
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、金屬等。復合材料的成型方法有手糊成型、噴射成型、纖維纏繞成型等。復合材料未來朝著高性能化、多功能化和智能化的方向發展。
簡介
復合材料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，各組分之間有明顯的界面存在。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從而滿足各種不同要求。復合材料的組分材料雖然保持其相對獨立性，但是復合材料的性能卻不是組分材料性能的簡單加和，而是有重要的改進。在復合材料中，通常有一相為連續相，稱為基體;另一相為分散相，稱為增強材料。分散相是以獨立的形態分布在整個連續相中的，兩相之間存在相界面。分散相可以是增強纖維，也可以是顆粒狀或彌散的填料。同時，復合材料可以是一個連續物理相與一個連續分散相的復合，也可以是兩個或多個連續相與一個或多個分散相在連續相中的復合，復合后的產物為固體時才稱為復合材料。
歷史沿革
出現
復合材料的使用歷史可以追溯到古代。從古至今沿用的稻草或麥秸增強黏土，以及已使用百年的鋼筋混凝土均由兩種材料復合而成。20 世紀40年代，因航空工業的需求，發展了玻璃纖維增強塑料(俗稱玻璃鋼)，從此出現了復合材料這一名稱。 50年代以后，陸續發展了碳纖維、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、橡膠等非金屬基體以及鋁、鎂、鈦等金屬基體復合，構成各具特色的復合材料。
研究
20世紀80年代，為使復合材料更好地發揮出不同材料的長處，復合材料共性科技問題研究受到全球關注，復合材料的成分-組織-結構缺陷與性能的相互關系、復合材料形變/斷裂/強度與損毀理論、碳化硅纖維的強度與微觀結構的關系等研究任務也正式列入《1978一 1985年全國科學技術發展規劃綱要》，這一時期取得的研究成果為后續發展奠定了良好的基礎。
20世紀90年代，中國國家重點工程建設對技術經濟效益顯著，應用前景廣闊的新型材料提出急迫需求，復合材料技術發展再一次得到推動，包括樹脂基、金屬基、陶瓷基、碳基復合材料在內的高性能復合材料的研發與應用全面列入《國家中長期科學和技術發展規劃綱要( 1990一2000- 2020年) 》，碳纖維/芳綸纖維/碳化硅纖維等復合材料用高性能增強劑、高性能改性環氧/聚酰亞胺等熱固性基體沒藥樹、耐輻照/耐介質/耐高低溫特殊性能的彈性體、高性能復合材料配套用各種輔材和助劑、功能梯度復合材料和多功能復合材料等研究在《科學技術發展十年規劃和“八五'計劃綱要( 1991一1995- 2000) 》中得到了具體部署。一系列規劃的實施，極大地推動了中國復合材料技術的發展，開發出了多種復合材料新品種，提升了復合材料性能，發展了具有市場前景的復合材料制品工業化生產技術，在一定程度上滿足了中國高技術發展和市場的需求。
發展
進入21世紀后，復合材料技術的地位得到進一步提升，高性能復合材料及復合結構部件制備技術、高性能纖維及復合材料產業化工程先后被列入中國國家“十一五”規劃和“十二五”規劃。前者成為“十一五”期間中國加強材料領域技術攻關的一項重點任務;后者則被作為“十二五”、國家高技術研究發展計劃新材料領域的一項重大項目予以實施。該重大項目聚焦一項重要任務一高性能纖維的低成本化、規模化、穩定化制備技術研究，要求形成高強、高強中模、高模和高模高強碳纖維產品系列。通過5年研究，中國的新一代高性能纖維技術得到了快速發展，并初步建立起高性能纖維及復合材料的完整產業鏈，取得了以下標志性成果:進入21世紀以來，全球復合材料市場快速增長，亞洲尤其中國市場增長較快。2003～2008年間中國年均增速為15%，印度為9.5%，而歐洲和北美年均增幅僅為4%。建成了首套基于廢舊紡織品的物理化學法聚酯再生生產線和低熔點聚酯[zhǐ]再生纖維熔體直紡生產線;芳綸及其復合材料技術得到跨越式發展，聚對苯二甲酰對苯二胺實現批量制備;基本掌握百噸級濕法紡絲碳纖維生產線建設及部分關鍵裝備設計制造技術，干噴濕紡碳纖維生產線及工業級碳纖維生產線建設已初見成效;實現了CCF-1 級碳纖維工業規模生產，突破了CCF-3級碳纖維工程制備關鍵技術，制備出CCF-4和高模碳纖維。上述成果為中國碳纖維產業從試制型走向規模型奠定了基礎。
主要分類
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。
按基體類型
復合材料按基體類型分類，可分為金屬基復合材料、有機材料基復合材料和無機化合物非金屬基復合材料三大類如圖1.1所示。其中，碳纖維增強樹脂基復合材料（CFRP，屬于有機材料基復合材料）應用于飛機結構件；碳化硅纖維增強碳化硅基復合材料（SiCf/SiC，屬于無機非金屬基復合材料）則用于航空發動機渦輪葉片等熱端部件。
按增強體類型
復合材料按增強體類型分類，可以分為顆粒增強復合材料、晶須增強復合材料、纖維增強復合材料和層疊增強復合材料等。不同類型的增強體在基體中的狀態如圖12.1所示。顆粒增強體通常是等效直徑小于100μm的粉狀材料;晶須增強體則是等效直徑小于100μm，長徑比為10~1000甚至更高的單晶纖維材料;纖維增強體通常是直徑尺寸為微米級、長度尺寸為厘米級甚至更高的絲狀材料。常見的這三類的增強體的尺寸大小如圖12.2所示。層疊增強材料使用的類似“三明治”的多層結構，增強層的厚度應大于微米級。
按材料性能
復合材料主要可分為結構復合材料和功能復合材料;按照基體和增強體的性質，分為同質和異質復合材料。
性能參數
不同化學成分的材料的性能有 一定的共性，比如金屬材料通常強韌性好、導熱導電;陶瓷材料通常硬度高、韌性差，絕緣絕熱;高分子材料強度低，密度低，熱穩定性差，絕緣易燃。使用不同化學成分的材料復合成新材料，應該有著綜合優勢。
高比強度、比模量
纖維增強復合材料的比強度及比模量遠高于金屬材料，特別是碳纖維強化ep復合材料的比強度是鋼的8倍，比模量是鋼的4倍。
抗疲勞和破斷安全性好
纖維增強復合材料對缺口及應力集中的敏感性小，纖維與基體界面能阻止疲勞裂紋的擴展，改變裂紋擴展的方向。
熱膨脹系數小、尺寸穩定性好
石墨纖維增強鎂基復合材料，當石墨纖維含量達到48%時，復合材料的熱膨脹系數為零，在溫度變化時使用這種復合材料做成的零件，在冷熱環境變化時不發生變形。
良好的高溫性能
石墨纖維增強鋁基復合材料500度高溫下，仍具600MPa的高溫強度，而鋁基體在300C下強度已下降到100MPa以下。鎢纖維增強耐熱合金，在1100度、100h 高溫持久強度為207MPa，而基體合金在同樣條件下只有48MPa。
良好的耐磨性
碳化硅顆粒增強鋁基復合材料的耐磨性比基體金屬高出2倍以上;與鑄鐵比較，SiCp/AI 復合材料的耐磨性比鑄鐵還好。可用于汽車發動機、剎車盤、活塞等重要零件，能明顯提高零件的性能和使用壽命。
生產工藝
復合材料的成型方法按基體材料不同各異。樹脂基復合材料的成型方法較多，有手糊成型、噴射成型、纖維纏繞成型、模壓成型、拉擠成型、RTM成型、熱壓罐成型、隔膜成型、遷移成 型、反應注射成型、軟膜膨脹成型、沖壓成型等。金屬基復合材料成型方法分為固相成型法和液相成型法。前者是在低于基體熔點溫度下，通過施加壓力實現成型，包括擴散焊接、粉末冶金、熱軋、熱拔、熱等靜壓和爆炸焊接等。后者是將基體熔化后，充填到增強體材料中，包括傳統鑄造、真空吸鑄、真空反壓鑄造、擠壓鑄造及噴鑄等、陶瓷基復合材料的成型方法主要有固相燒結、化學氣相浸滲成型、化學氣相沉積成型等。
應用領域
復合材料已廣泛應用于軍事、航天航空、石油化工、汽車交通、能源電力和體育休閑等眾多領域。
軍事領域
復合材料在各種武器裝備上的輕量化、小型化和高性能化上起到了無可代替的重要作用，是飛機、導彈、火箭、人造衛星、艦船、兵工武器等結構上不可或缺的戰略材料。圖1.3展示了相對于使用金屬殼體材料的火箭，使用其他殼體材料制作的火箭能增加射程之間的關系。
航天航空領域
航天航空領域。在"哥倫比亞"號航天飛機上，不同部位使用的復合材料情況如表1.2所示。
中國國產大型運輸機C919，機身所用復合材料比例只有20%。根據C919機身重量來計算，20%的復合材料比重如果能夠提升到國際領先水平的50%，可以為飛機節省10噸以上的機身重量，這相當于C919設計最大載客重量的1/2。 目前，C919的最大座位數為178座，那么多1/2之后就可以達到接近270座，這種提升的空間是相當可觀的。
石油化工領域
沿海油田的鉆井平臺上如護欄、扶手、通道、豎井等部位，油田的抽油桿，以及各種管道系統，油箱、油罐等設備采用耐腐蝕的復合材料，減少了修理.維護和更換程序，降低了使用周期成本;此外，減重、改進安全性、便于現場安裝等優點也帶來了一定的經濟效益。
汽車領域
提高燃油效率，是汽車工業首要關注的問題。設計與制造比強度、比剛度高的汽車零部件，有助于車身的整體減重，提高車輛行駛里程。復合材料代替鋼件有40%以上的減重潛力，以前限于復合材料成本較高，應用進展一直不盡如人意。近年來，隨大絲束纖維出現以及RTM等低成本工藝發展，汽車上復合材料的應用呈良好發展勢頭，將會有較大發展。
能源領域
風電設備的工作環境中風力壓強很大，如果沒有質量輕、抗沖擊力高的復合材料，風電設備將不堪一擊。風電市場上現有的風力發電機葉片絕大部分是由熱固性復合材料打造的，它們通常都很難在自然環境中降解，對環境會造成很多危害，采用熱塑性復合材料則更加環保。
體育休閑領域
羽毛球。網球、自行車、滑雪等多種運動項目中，應用復合材料制造的體育休閑用品層出不窮，甚至推動了相關項目新的世界紀錄的誕生。在這一領域，復合材料的應用仍有穩定的市場和需求，且市場前景非常大。如某型號的網球拍的拍框應用了高性能鈦碳合金，并在柄頸處加入智能纖維，可以將球撞擊球拍的機械能轉化為電能，經過內置于拍柄中的芯片處理，能主動消除有害震動。這項技術原本應用于宇航飛船和超音速飛機上，可提高關鍵部位處的抗疲勞能力。
特點
可設計性
復合材料的力學性能、機械性能及熱、光、聲、電、防腐蝕、抗老化等性能，都可以按照制品的使用條件和環境要求進行設計，以極大限度地滿足工程設備的使用性能需要。更重要的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。
材料和結構的同一性
傳統材料的構件成型，是通過對材料的再加工實現的。再加工過程中材料本身并不發生組分和化學變化;復合材料制品則是材料和結構同時完成，一般不再由復合材料加工成復合材料制品。這一特點使復合材料制品整體性好，可大幅度減少制品的零件和組裝連接，從而提高制品的生產效率，降低成本，提高制品的可靠性。
復合效應
復合材料是由不同組分材料通過復合工藝制成的新材料。它不是幾種材料的簡單組合，而是通過復合效應獲得單一材料無法達到的新性能，而這種性能是其他材料無法具備的。
復合材料的復合效應包括線性效應和非線性效應兩類。線性效應包括平均效應、平行效應、相補效應和相抵效應。相補效應和相抵效應常常是共同存在的，相補效應是希望得到的，而相抵效應要盡量能夠避免。平均效應、相乘效應、平行效應、誘導效應.相補效應、共振效應、相抵效應、系統效應等各種復合效應，都是復合材料科學所研究的對象和重要內容，這也是開拓新型復合材料，特別是功能型復合材料的基礎理論問題。所有這些，可通過相應復合材料的設計來加以實現。
性能對工藝的依賴性
復合材料制品的形成過程，是一個非常復雜的物理、化學變化過程。因此，制品的結構性能、物理及化學性能，對成型工藝方法、工藝參數、組成材料的比例及增強材料的分布方式、工藝過程的控制等，依賴性很大。
缺點
復合材料的缺點:①材料的各向異性嚴重,垂直纖維方向的力學性能與平行纖維方向的力學性能差異比較大,一般來說垂直纖維方向的力學性能相對較弱,其主要取決于基體的力學性能,還有基體與纖維的結合程度。這也導致了復合材料抗沖擊性能不是很好。②高強度高性能的復合材料,成本相對較高。相對于金屬材料而言，高性能的碳纖維增強復合材料較為昂貴。③機械連接性差,復合材料層合板不宜開口。復合材料層板構件，如有開口,對構件的強度影響較大。所以,對于具有開口的復合材料層板類制件,要慎用。④內部出現裂縫損傷難以及時發現，現有的金屬探傷設備起不到作用,給質量的檢測與控制帶來了一定的難度。
發展趨勢
復合材料未來朝著高性能化、多功能化和智能化的方向發展。
高性能化
復合材料將不斷朝著高性能化的方向發展。比如20世紀90年代T300類型的碳纖維/ep復合材料，壓縮強度較低，一般在200MPa以下。21世紀新一代戰斗機和新一代戰略核武器，要求壓縮強度達到300MPa以上。所添加碳纖維增強體的性能，是決定此類復合材料性能的關鍵，為此，各國都致力提高和改進碳纖維增強體的性能。
多功能化
高技術的發展要求材料不再是單一的結構材料或功能材料，高新技術的發展要求由一種材料承擔多種功能，如防熱、抗核、承載、吸波、透波、隱身、減震、降噪等，這是實現戰略武器的小型化.輕質化、強突防和全天候的關鍵因素之-。
材料發展中的一種新趨勢是結構材料和功能材料的互相滲透，即結構材料的功能化(如結構吸波材料)和功能材料的結構化(如熱結構材料)。這就是材料發展中的綜合集成。
智能化
由材料、結構和電子互相融合而構成的智能材料與結構，是當今材料與結構高新技術發展的方向。隨著智能材料與結構的發展，還將出現- .批新的學科與技術，如綜合材料學、精細工藝學、材料仿生學、生物工藝學、分子電子學、自適應力學，以及.神經元網絡和人工智能學等。智能材料與結構已被許多國家確認為必須重點發展的一門新技術，成為未來復合材料一個重要發展方向。
參考資料 >
【Phys.org】Engineered electrode material moves battery development closer to fast charging.中國科學技術大學新聞網.2024-04-23