1
复 合 材 料
化学化工学院 薄其兵
2
主要参考资料
1,现代复合材料 ----陈华辉 邓海金 李 明 （中国物质出版社,1998）
2、复合材料概论 ----王荣国 武卫莉 （哈尔滨工业大学出版社,1999）
3、复合材料 --------吴人洁（天津大学出版社,2000）
4、复合材料科学与工程 ---倪礼忠,陈麒 (科学出版社,2002)
5、复合材料及其应用 — 尹洪峰,任耘（陕西科学技术出版社,2003）
6、高性能复合材料学 ---郝元恺,肖加余 (化学工业出版社,2004)
7、新材料概论 --- 谭毅,李敬锋 (冶金工业出版社,2004)
8、先进复合材料 ----鲁 云 朱世杰 马鸣图 （机械工业已出版社,2004）
建议教材,复合材料 --------周曦亚（化学工业出版社,2005）
3
第一章 复合材料的概念、分类及其发展历程
第二章 复合材料基本特性、应用及其研究现状
第三章 复合材料的基体材料
第四章 复合材料的增强材料
第五章 复合材料的成型工艺
第六章 功能复合材料
第七章 复合材料的复合原则及界面
第八章 陶瓷基复合材料
第九章 金属基复合材料
目 录
4
第一章 复合材料的概念、分类及其发展历程
5
材料分类,金属、无机非金属、有机高分子材料
各有千秋
扬长避短
克服单一材料的缺点
产生原来单一材料没有本身所没有的新性能
复合材料
610000BC
各种材料在各个历史时期相对重要性
5000BC 0 1500 1900 1960 1980 1990 2000 2010 2020
金
铜
铁
钢
合金钢
高温合金
高分子
木材
皮肤
纤维
动物胶
橡胶
电木
尼龙
PE PCPS PPPAN
聚酯
高模聚合物
导电高分子
复合材料
金属基复合材料
陶瓷基复合材料
石材
陶瓷
陶器
玻璃
水泥
耐火材料 熔融硅 耐湿陶瓷 韧性机械陶瓷
3
7
１、复合材料的定义
什么是复合材料 (Composition Materials,Composite)?
要给复合材料下一个严格精确而又统一的定义是很困难
的。概括前人的观点，有关复合材料的定义或偏重于考虑 复
合后材料的性能,或偏重于考虑 复合材料的结构
8
诸如 （１） 复合材料是由两种或更多的组分材料结合在
一起，复合后的 整体性能 应超过组分材料，保留了所期
望的性能 (高强度、刚度、轻的重量 )，抑制了所不期望
的特性 (低延性 )。
偏重于考虑 复合后材料的性能
9
（２） 复合材料是多功能的材料系统，它们可提供任何
单一材料所无法获得的特性；它们是由两种或多种 成分
不同, 性质不同,有时 形状也不同 的相容性材料，以 物
理形式 结合而成的。
10
偏重于考虑 复合材料的结构,诸如：
（１） 复合材料是两种或多种材料 在宏观尺度上 组合而成的
一种有用的材料。
（２） 复合材料就是两种或两种以上的不同化学性质或不同
组织相的物质,以微观或宏观的形式 组合而成的材料。
（３） 复合材料是不同于合金的一种材料，在合金中，每一
种组分都保留着它们独立的特性，而构成复合材料时，仅取它
们的优点而避开其缺点，从而获得一种改善了的材料。
11
F,L,Matthews和Ｒ,D,Rawlings认为，复合材料
是两个或两个以上 组元或相 组成的混合物,并应满足下面
三个条件：
(1)组元含量大于 5％；
(2)复合材料的性能显著不同于各组元的性能，
(3)通过各种方法混合而成。
12
按这 Matthews和 Rawlings给出的定义，钢铁及其合
金不应属于复合材料，如 Co— Cr— Mo— Si合金不属于
复合材料，因为这种合金经过 熔化和凝固 过程；而仅有
像 SiC颗粒强化的 Al合金这种混合而成的材料才属于复
合材料。因此有人认为可将复合材料划分为 广义复合材
料 和 狭义复合材料 。
13
从广义上讲，复合材料是由 两种或两种以上不同 化学性质
的组分 组合而成的材料。但在现代材料学界中，复合材料专指
由 两种或两种以上不同 相态 的组分 所组成的材料。
复合材料可定义为：用经过选择的、含一定数量比的两种
或两种以上的组分（或称组元），通过人工复合、组成多相、
三维结合且各相之间有明显界面的、具有特殊性能的材料。
14
上述复合材料的定义较易被普遍接受，它不仅明确指
出复合材料是,通过人工复合的,和,有特殊性能的,材
料，而且还指明了复合材料的 组分、结构特点 及 与其他种
材料 （如简单混合物、化合物、合金） 的特征区别 。
根据上述复合材料的定义，复合材料应不包括 自然形
成的具有某些复合材料形态的物质、化合物、单相合金和
多相合金。
15
以下面五点概括了 复合材料的特点,
1、复合材料的 组分和相对含量 是由 人工选择和设计 的；
2、复合材料是以 人工制造 而非天然形成的（区别于具有
某些复合材料形态特征的天然物质）；
16
3、组成复合材料的某些组分在复合后仍然 保持其固有
的物理和化学性质 （区别于化合物和合金）；
4、复合材料的 性能 取决于 各组成相性能的协同 。复合
材料具有新的、独特的和可用的性能，这种性能是单个
组分材料性能所不及或不同的；
5、复合材料是各组分之间 被明显界面区分 的多相材料。
17
吴人洁教授“在复合材料的未来发展”一文中指出：复
合材料将由 宏观复合形式 向 微观 (细观 )复合形式 发展。 微观
复合材料 包括：均质材料在加工过程中内部析出的增强相和
剩余的基体相构成的 原位复合材料 或 纤维增强复合材料,也
包括用纳米级增强体的复合材料以及刚强棒状分子增强的分
子复合材料等。
综上所述，复合材料定义所阐述的主要有两点，即 组成规
律 和 性能持征 。
18
国际标准化组织,由两种以上 在物理和化学上 不同的物质组
合起来而得到的一种 多相固体材料 。
,材料科学技术百科全书, 中关于复合材料的定义如下：
复合材料是由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材
料 通过复合工艺 组合而成的新型材料。它既保留原组成材料
的重要特色，又通过复合效应获得原组分所不具备的性能。
可以通过材料设计使各组分的性能互相补充并彼此关联，从
而获得更优越的性能，与一般材料的简便混合有本质区别。
19
《材料大辞典,中关于复合材料的定义为：
复合材料是根据应用的需要进行设计，把两种以上的有机
聚合物材料，或无机非金属材料，或金属材料组合在一起，
使之 互补性能优势,从而制成的一类新型材料。一般由基
体组元与增强材料或功能体组元所组成，因此亦属于多相
材料范畴。
20
根据,材料大辞典,中关于复合材料的定义可以看出,复
合材料具有两个鲜明的特点,
１、复合材料不仅能保持原组分的部分优点，而且产生原组
分所不具备的 新性能 。
２、复合材料具有 可设计性 。由于各种原材料都具有各自的
优点和缺点，所以在组合时可能出现如下图所示的结果。
21材料的优缺点组合示意图
22
因此复合材料必须通过对 原材料的选择, 各组分分
布的设计 和 工艺条件的保证 等，以使原组分材料的优点
互相补充，同时利用复合材料的 复合效应 使之出现新的
性能，最大限度地发挥优势。
23
综上所述，复合材料应具有以下三个特点：
(1)复合材料是由两种或两种以上不同性能的材料组元 通
过宏观或微观复合 形成的一种新型材料，组元之间存在着 明
显的界面 。
(2)复合材料中各组元不但 保持各自的固有特性 而且可 最
大限度发挥各种材料组元的特性,并赋予单一材料组元所不
具备的优良持殊性能。
24
(3) 复合材料具有 可设计性 。
复合材料的结构通常是一个相为连续相，称为 基体 ；而
另一相是以独立的形态分布在整个连续相中的分散相，与连
续相相比，这种分散相的性能优越，会使材料的性能显著增
强，故常称为 增强体 (也称为增强材料、增强相等 )。
在大多数情况下，分散相较基体 硬, 强度和刚度 较基体
大。分散相可以是纤维及其编织物，也可以是颗粒状或弥散
的填料。在基体与增强体之间存在着界面。
25
通过对各种定义、解释加以总结，复合材料应包括：
组元是人们根据材料设计的基本原则 有意识地选择，至
少包括两种 物理和力学性能不同的 独立组元,其中一组元的
体积分数一般不低于 20％，第二组元通常为纤维、晶须或颗
粒；
复合材料是 人工制造 的，而非天然形成的。
复合材料的性质取决于组元性质的优化组合，它应 优于
独立组元的性质,特别是强度、刚度、韧性和高温性能。
26
复合材料在世界各国还没有统一的名称和
命名方法，比较共同的趋势是根据 增强体和基
体的名称 来命名，通常有以下三种情况：
2、复合材料的命名
27
（ 1） 强调基体时 以基体材料的名称为主。如树脂基复合
材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料等。
（ 2） 强调增强体时 以增强体材料的名称为主。如玻璃纤
维增强复合材料、碳纤维增强复合材料、陶瓷颗粒增强
复合材料等。
28
（ 3） 基体材料 名称与 增强体材料 并用。这种命名方法
常用来表示某一种 具体的复合材料,习惯上把 增强体材
料的名称放在前面，基体材料的名称放在后面 。
29
例如：“玻璃纤维增强环氧树脂复合材料”，或
简称为,玻璃纤维 /环氧树脂复合材料 或 玻璃纤维 /环氧,。
而我国则常把这类复合材料通称为“玻璃钢”。 碳纤维
和金属基体构成的复合材料叫“金属基复合材料”，也
可写为,碳／金属复合材料,。碳纤维和碳构成的复合
材料叫,碳／碳复合材料,。
30
国外还常用 英文编号 来表示，如 MMC（ Metal Matrix
Composite） 表示金属基复合材料,FRP（ Fiber
Reinforced Plastics） 表示纤维增强塑料，而玻璃纤维 /环
氧则表示为 GF/Epoxy,或 G/Ep(G-Ep)
31
３,复合材料的分类
随着材料品种不断增加，人们为了更好地研究和使用材
料，需要对材料进行分类。
材料的分类,历史上有许多方法：
32
（１） 按材料的 化学性质 分类,有金属材料、非金属材料之分。
（２） 按 物理性质 分类,有绝缘材料、磁性材料、远光材料、
半导体材料、导电材料等。
（３） 按 用途 分类,有航空材料、电工材料、建筑材料、包装
材料等。
材料的分类
33
复合材料的 分类方法也很多，常见的 分类方法 有以下几种：
一、按 增强材料形态 分为以下三类
1,纤维 增强复合材料：
a.连续 纤维复合材料：作为分散相的长纤维的两个端点都
位于复合材料的边界处；
b.非连续 纤维复合材料：短纤维、晶须无规则地分散在基
体材料中；
34
2,颗粒 增强复合材料：微小颗粒状增强材料分散在基体中；
3,板状 增强体、编织复合材料：以 平面二维 或 立体三维物
为增强材料与基体复合而成。
其他增强体：层叠、骨架、涂层、片状、天然增强体
35
复合材料结构示意图
a)层叠复合 b)连续纤维复合 c)细粒复合 d)短切纤维复合
36
纤维 增强复合材料
纤维增强复合材料分为以下五种：
① 玻璃纤维 复合材料；
② 碳纤维 复合材料；
③ 有机纤维 （芳香族聚酰胺纤维、芳香族聚酯纤维、聚烯烃
纤维等）复合材料；
④ 金属纤维 （如钨丝、不锈钢丝等）复合材料；
⑤ 陶瓷纤维 （如氧化铝纤维、碳化硅纤维、硼纤维等）复合
材料。
37
混杂 复合材料,两种或两种以上增强体
同一种基体制成的复合材料。可以看成是两种
或多种 单一纤维或颗粒复合材料 的相互复合，
即复合材料的“复合材料”。
38
① 玻璃纤维复合材料
用玻璃纤维增强 工程塑料 的复合材料，即 玻璃钢 。
玻璃钢分为两种，即 热塑性玻璃钢 和 热固性玻璃钢 。
39
Ａ、热塑性玻璃钢
热塑性玻璃钢是以 玻璃纤维 为增强剂和以 热塑性树脂 为
粘结剂制成的复合材料。
Ｂ、热固性玻璃钢
热固性玻璃钢是以 玻璃纤维 为增强剂和以 热固性树脂 为
粘结剂制成的复合材料。
40
② 碳纤维复合材料
Ａ,碳纤维 复合材料：作基体的 树脂,目前应用最多的是 环
氧树脂, 酚醛树脂 和 聚四氟乙烯 。
Ｂ,碳纤维碳 复合材料：用 有机基体 浸渍纤维坯块，固化后
再进行热解，或纤维坯型经化学气相沉积，直接填入碳。
Ｃ,碳纤维金属 复合材料：主要用于熔点较低的金属或合金，
如在碳纤维表面镀金属，制成了碳纤维金属复合材料。
Ｄ,碳纤维陶瓷 复合材料：我国研制了一种碳纤维石英玻璃
复合材料。
41
③ 硼纤维复合材料
硼纤维 是由硼气相沉积在钨丝上来制取的。
Ａ、硼纤维 树脂 复合材料：基体主要为 环氧树脂, 聚苯并
咪唑 和 聚酰亚胺树脂 等。
Ｂ、硼纤维 金属 复合材料：常用的基体为 铝、镁及其合金,
还有 钛及其合金 等。
42
④ 金属纤维复合材料
作增强纤维的金属主要是 强度较高的高熔点金属 钨,
钼, 钢, 不锈钢, 钛, 铍 等，它们能被基体金属 润湿,也
能 增强 陶瓷。
Ａ,金属纤维 金属 复合材料,研究较多的增强剂为 钨钼丝,
基体为 镍合金 和 钛合金 。
Ｂ,金属纤维 陶瓷 复合材料,利用金属纤维的 韧性 和 抗拉
能力 改善陶瓷的 脆性 。
43
二、按材料作用分两类
① 结构 复合材料；
② 功能 复合材料。
44
① 结构复合材料
主要用于制造受力构件；结构复合材料主要是
作为 承力结构 使用的复合材料，它基本上是由 能承
受载荷的增强体 组元与 能联接增强体 成为整体承载
同时又起 分配与传递载荷作用 的基体组元构成。
45
结构 复合材料 又可按 基体材料类型 和 增强体
材料类型 来分类见下图所示：
46
聚合物基 复合材料
金属基 复合材料
陶瓷基 复合材料
水泥基 复合材料
碳基 复合材料
结构复合材料
热固 性树脂基
热塑 性树脂基
橡胶 基
高温陶瓷 基
玻璃基
玻璃陶瓷 基
轻金属 基
高熔点金属 基
金属间化合物 基
Ａ,按 基体类型 分类
47
B,按 增强体类型 分类
结构复合材料
叠层式 复合材料
片材增强 复合材料
颗粒增强 复合材料
纤维增强 复合材料
人工 晶片
天然 片状物
微米 颗粒
纳米 颗粒
不连续纤维 复合材料
连续纤维增强 复合材料
晶须 增强复合材料
短切纤维 增强复合材料
单向纤维 增强复合材料
二维织物 增强复合材料
三维织物 增强复合材料
48
结构复合材料的特点
可根据材料在使用中受力的要求进行 组元选材
和 增强体排布设计,从而充分发挥各组元的效能。
49
② 功能复合材料
指具备各种 特殊物理与化学性能 的材料。
例如,声, 光, 电, 磁, 热, 耐腐蚀, 零膨胀,
阻尼, 摩擦, 屏蔽 或 换能 等。
50
功能复合材料中的 增强体 又可称为 功能体组元,
它分布于 基体组元 中。
功能复合材料中的 基体 不仅起到 构成整体 的作
用，而且能够产生 协同或加强功能 的作用 。
51
除了上面的各种各样的复合材料以外，还有 同质复
合材料 和 异质复合材料 。
同质复合材料 （ 增强材料 和 基体材料 属于 同种物
质,如碳 /碳复合材料）
异质复合材料 （前面提及的复合材料多属此类）。
52
复合材料目前状况
（１）玻璃钢和树脂基复合材料
非常成熟
广泛的应用
（２）金属基复合材料
开发阶段
某些结构件的关键部位
（３）陶瓷基复合材料及功能复合材料等
尚处于研究阶段
有不少科学技术问题有待解决
53
４,复合材料发展概况
复合材料 发展简史：
学术界开始使用“复合材料”（ composite materials ）
一词大约是在 20世纪 40年代，当时出现了 玻璃纤维增强不
饱和聚酯,开辟了 现代复合材料 的新纪元。
54
从 20世纪 60年代开始，开发出多种 高性能纤维 。
20世纪 80年代以后，由于人们丰富了 设计, 制造 和
测试 等方面的知识和经验，加上各类作为复合材料
基体的材料的使用和改进，使 现代复合材料 的发展
达到了更高的水平，即进入 高性能复合材料 的发展
阶段。
55
复合材料的 整个发展过程 可表示为：
古代 近代 先进复合材料
56
天然复合材料
自然界中存在许许多多的天然复合材料。例
如,树木 和 竹子 是 纤维素 和 木质素 的复合体；
动物的骨骼 则由 无机磷酸盐 和 蛋白质胶原 复
合而成。
57
人类很早就 接触和使用 各种天然复合材料，并 仿效 自然
界制作各种各样的复合材料。例如
陕西半坡人－－草梗合泥筑墙，且延用至今；
漆器－－麻纤维和土漆复合而成，至今已四千多年；
敦煌壁画－－泥胎、宫殿建筑里园木表面的披麻覆漆。
58
近代,复合材料的发展始于 20世纪 40年代，
第二次世界大战中,玻璃纤维增强聚酯树脂 复合
材料被美国空军用于制造飞机构件开始算起。 50
年代得到了迅速发展。
我国 从 1958年开始发展复合材料
59
现代复合材料 的制作成功则要从 1942年，第
二次世界大战中,玻璃纤维增强聚酯树脂 复合材
料被美国空军用于制造飞机构件开始算起。
60
材料科学家们认为，就世界范围而论，从 1940
年到 1960年这 20年间，是玻璃纤维增强塑料时代，
可以称为 复合材料发展的第一代 。
第一代,1940年到 1960年，玻璃纤维增强塑料；
61
1965年英国科学家研制出碳纤维；
1971年美国杜邦公司开发出 Kevler-49 （开芙拉 -49 ） ；
1975年先进复合材料“碳纤维增强、及 Kevler纤维增
强环氧树脂复合材料”已用于飞机、火箭的主承力件上。
这一时期被称为 复合材料发展的第二代。
第二代,1960年到 1980年，先进复合材料的发展时期
62
1980年到 1990年间，是 纤维增强金属基复合
材料 的时代，其中以铝基复合材料的应用最为广
泛，这一时期是 复合材料发展的第三代 。
63
1990年以后则被认为是 复合材料发展的第四代,主要
发展 多功能复合材料,如 机敏（智能）复合材料 和 梯度功
能材料等 。
随着新型复合材料的不断涌现，复合材料不仅应用在
导弹、火箭、人造卫星等尖端工业中，在航空、汽车、造
船、建筑、电子、桥梁、机械、医疗和体育等各个部门都
得到应用。
64
纵观复合材料的发展过程，可以看到：
早期发展出现的复合材料，由于性能相对比较低，生产
量大，使用面广，可称之为 常用复合材料 。
后来随着高技术发展的需要，在此基础上又发展出性能
高的 先进复合材料 。
复 合 材 料
化学化工学院 薄其兵
2
主要参考资料
1,现代复合材料 ----陈华辉 邓海金 李 明 （中国物质出版社,1998）
2、复合材料概论 ----王荣国 武卫莉 （哈尔滨工业大学出版社,1999）
3、复合材料 --------吴人洁（天津大学出版社,2000）
4、复合材料科学与工程 ---倪礼忠,陈麒 (科学出版社,2002)
5、复合材料及其应用 — 尹洪峰,任耘（陕西科学技术出版社,2003）
6、高性能复合材料学 ---郝元恺,肖加余 (化学工业出版社,2004)
7、新材料概论 --- 谭毅,李敬锋 (冶金工业出版社,2004)
8、先进复合材料 ----鲁 云 朱世杰 马鸣图 （机械工业已出版社,2004）
建议教材,复合材料 --------周曦亚（化学工业出版社,2005）
3
第一章 复合材料的概念、分类及其发展历程
第二章 复合材料基本特性、应用及其研究现状
第三章 复合材料的基体材料
第四章 复合材料的增强材料
第五章 复合材料的成型工艺
第六章 功能复合材料
第七章 复合材料的复合原则及界面
第八章 陶瓷基复合材料
第九章 金属基复合材料
目 录
4
第一章 复合材料的概念、分类及其发展历程
5
材料分类,金属、无机非金属、有机高分子材料
各有千秋
扬长避短
克服单一材料的缺点
产生原来单一材料没有本身所没有的新性能
复合材料
610000BC
各种材料在各个历史时期相对重要性
5000BC 0 1500 1900 1960 1980 1990 2000 2010 2020
金
铜
铁
钢
合金钢
高温合金
高分子
木材
皮肤
纤维
动物胶
橡胶
电木
尼龙
PE PCPS PPPAN
聚酯
高模聚合物
导电高分子
复合材料
金属基复合材料
陶瓷基复合材料
石材
陶瓷
陶器
玻璃
水泥
耐火材料 熔融硅 耐湿陶瓷 韧性机械陶瓷
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１、复合材料的定义
什么是复合材料 (Composition Materials,Composite)?
要给复合材料下一个严格精确而又统一的定义是很困难
的。概括前人的观点，有关复合材料的定义或偏重于考虑 复
合后材料的性能,或偏重于考虑 复合材料的结构
8
诸如 （１） 复合材料是由两种或更多的组分材料结合在
一起，复合后的 整体性能 应超过组分材料，保留了所期
望的性能 (高强度、刚度、轻的重量 )，抑制了所不期望
的特性 (低延性 )。
偏重于考虑 复合后材料的性能
9
（２） 复合材料是多功能的材料系统，它们可提供任何
单一材料所无法获得的特性；它们是由两种或多种 成分
不同, 性质不同,有时 形状也不同 的相容性材料，以 物
理形式 结合而成的。
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偏重于考虑 复合材料的结构,诸如：
（１） 复合材料是两种或多种材料 在宏观尺度上 组合而成的
一种有用的材料。
（２） 复合材料就是两种或两种以上的不同化学性质或不同
组织相的物质,以微观或宏观的形式 组合而成的材料。
（３） 复合材料是不同于合金的一种材料，在合金中，每一
种组分都保留着它们独立的特性，而构成复合材料时，仅取它
们的优点而避开其缺点，从而获得一种改善了的材料。
11
F,L,Matthews和Ｒ,D,Rawlings认为，复合材料
是两个或两个以上 组元或相 组成的混合物,并应满足下面
三个条件：
(1)组元含量大于 5％；
(2)复合材料的性能显著不同于各组元的性能，
(3)通过各种方法混合而成。
12
按这 Matthews和 Rawlings给出的定义，钢铁及其合
金不应属于复合材料，如 Co— Cr— Mo— Si合金不属于
复合材料，因为这种合金经过 熔化和凝固 过程；而仅有
像 SiC颗粒强化的 Al合金这种混合而成的材料才属于复
合材料。因此有人认为可将复合材料划分为 广义复合材
料 和 狭义复合材料 。
13
从广义上讲，复合材料是由 两种或两种以上不同 化学性质
的组分 组合而成的材料。但在现代材料学界中，复合材料专指
由 两种或两种以上不同 相态 的组分 所组成的材料。
复合材料可定义为：用经过选择的、含一定数量比的两种
或两种以上的组分（或称组元），通过人工复合、组成多相、
三维结合且各相之间有明显界面的、具有特殊性能的材料。
14
上述复合材料的定义较易被普遍接受，它不仅明确指
出复合材料是,通过人工复合的,和,有特殊性能的,材
料，而且还指明了复合材料的 组分、结构特点 及 与其他种
材料 （如简单混合物、化合物、合金） 的特征区别 。
根据上述复合材料的定义，复合材料应不包括 自然形
成的具有某些复合材料形态的物质、化合物、单相合金和
多相合金。
15
以下面五点概括了 复合材料的特点,
1、复合材料的 组分和相对含量 是由 人工选择和设计 的；
2、复合材料是以 人工制造 而非天然形成的（区别于具有
某些复合材料形态特征的天然物质）；
16
3、组成复合材料的某些组分在复合后仍然 保持其固有
的物理和化学性质 （区别于化合物和合金）；
4、复合材料的 性能 取决于 各组成相性能的协同 。复合
材料具有新的、独特的和可用的性能，这种性能是单个
组分材料性能所不及或不同的；
5、复合材料是各组分之间 被明显界面区分 的多相材料。
17
吴人洁教授“在复合材料的未来发展”一文中指出：复
合材料将由 宏观复合形式 向 微观 (细观 )复合形式 发展。 微观
复合材料 包括：均质材料在加工过程中内部析出的增强相和
剩余的基体相构成的 原位复合材料 或 纤维增强复合材料,也
包括用纳米级增强体的复合材料以及刚强棒状分子增强的分
子复合材料等。
综上所述，复合材料定义所阐述的主要有两点，即 组成规
律 和 性能持征 。
18
国际标准化组织,由两种以上 在物理和化学上 不同的物质组
合起来而得到的一种 多相固体材料 。
,材料科学技术百科全书, 中关于复合材料的定义如下：
复合材料是由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材
料 通过复合工艺 组合而成的新型材料。它既保留原组成材料
的重要特色，又通过复合效应获得原组分所不具备的性能。
可以通过材料设计使各组分的性能互相补充并彼此关联，从
而获得更优越的性能，与一般材料的简便混合有本质区别。
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《材料大辞典,中关于复合材料的定义为：
复合材料是根据应用的需要进行设计，把两种以上的有机
聚合物材料，或无机非金属材料，或金属材料组合在一起，
使之 互补性能优势,从而制成的一类新型材料。一般由基
体组元与增强材料或功能体组元所组成，因此亦属于多相
材料范畴。
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根据,材料大辞典,中关于复合材料的定义可以看出,复
合材料具有两个鲜明的特点,
１、复合材料不仅能保持原组分的部分优点，而且产生原组
分所不具备的 新性能 。
２、复合材料具有 可设计性 。由于各种原材料都具有各自的
优点和缺点，所以在组合时可能出现如下图所示的结果。
21材料的优缺点组合示意图
22
因此复合材料必须通过对 原材料的选择, 各组分分
布的设计 和 工艺条件的保证 等，以使原组分材料的优点
互相补充，同时利用复合材料的 复合效应 使之出现新的
性能，最大限度地发挥优势。
23
综上所述，复合材料应具有以下三个特点：
(1)复合材料是由两种或两种以上不同性能的材料组元 通
过宏观或微观复合 形成的一种新型材料，组元之间存在着 明
显的界面 。
(2)复合材料中各组元不但 保持各自的固有特性 而且可 最
大限度发挥各种材料组元的特性,并赋予单一材料组元所不
具备的优良持殊性能。
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(3) 复合材料具有 可设计性 。
复合材料的结构通常是一个相为连续相，称为 基体 ；而
另一相是以独立的形态分布在整个连续相中的分散相，与连
续相相比，这种分散相的性能优越，会使材料的性能显著增
强，故常称为 增强体 (也称为增强材料、增强相等 )。
在大多数情况下，分散相较基体 硬, 强度和刚度 较基体
大。分散相可以是纤维及其编织物，也可以是颗粒状或弥散
的填料。在基体与增强体之间存在着界面。
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通过对各种定义、解释加以总结，复合材料应包括：
组元是人们根据材料设计的基本原则 有意识地选择，至
少包括两种 物理和力学性能不同的 独立组元,其中一组元的
体积分数一般不低于 20％，第二组元通常为纤维、晶须或颗
粒；
复合材料是 人工制造 的，而非天然形成的。
复合材料的性质取决于组元性质的优化组合，它应 优于
独立组元的性质,特别是强度、刚度、韧性和高温性能。
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复合材料在世界各国还没有统一的名称和
命名方法，比较共同的趋势是根据 增强体和基
体的名称 来命名，通常有以下三种情况：
2、复合材料的命名
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（ 1） 强调基体时 以基体材料的名称为主。如树脂基复合
材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料等。
（ 2） 强调增强体时 以增强体材料的名称为主。如玻璃纤
维增强复合材料、碳纤维增强复合材料、陶瓷颗粒增强
复合材料等。
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（ 3） 基体材料 名称与 增强体材料 并用。这种命名方法
常用来表示某一种 具体的复合材料,习惯上把 增强体材
料的名称放在前面，基体材料的名称放在后面 。
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例如：“玻璃纤维增强环氧树脂复合材料”，或
简称为,玻璃纤维 /环氧树脂复合材料 或 玻璃纤维 /环氧,。
而我国则常把这类复合材料通称为“玻璃钢”。 碳纤维
和金属基体构成的复合材料叫“金属基复合材料”，也
可写为,碳／金属复合材料,。碳纤维和碳构成的复合
材料叫,碳／碳复合材料,。
30
国外还常用 英文编号 来表示，如 MMC（ Metal Matrix
Composite） 表示金属基复合材料,FRP（ Fiber
Reinforced Plastics） 表示纤维增强塑料，而玻璃纤维 /环
氧则表示为 GF/Epoxy,或 G/Ep(G-Ep)
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３,复合材料的分类
随着材料品种不断增加，人们为了更好地研究和使用材
料，需要对材料进行分类。
材料的分类,历史上有许多方法：
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（１） 按材料的 化学性质 分类,有金属材料、非金属材料之分。
（２） 按 物理性质 分类,有绝缘材料、磁性材料、远光材料、
半导体材料、导电材料等。
（３） 按 用途 分类,有航空材料、电工材料、建筑材料、包装
材料等。
材料的分类
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复合材料的 分类方法也很多，常见的 分类方法 有以下几种：
一、按 增强材料形态 分为以下三类
1,纤维 增强复合材料：
a.连续 纤维复合材料：作为分散相的长纤维的两个端点都
位于复合材料的边界处；
b.非连续 纤维复合材料：短纤维、晶须无规则地分散在基
体材料中；
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2,颗粒 增强复合材料：微小颗粒状增强材料分散在基体中；
3,板状 增强体、编织复合材料：以 平面二维 或 立体三维物
为增强材料与基体复合而成。
其他增强体：层叠、骨架、涂层、片状、天然增强体
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复合材料结构示意图
a)层叠复合 b)连续纤维复合 c)细粒复合 d)短切纤维复合
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纤维 增强复合材料
纤维增强复合材料分为以下五种：
① 玻璃纤维 复合材料；
② 碳纤维 复合材料；
③ 有机纤维 （芳香族聚酰胺纤维、芳香族聚酯纤维、聚烯烃
纤维等）复合材料；
④ 金属纤维 （如钨丝、不锈钢丝等）复合材料；
⑤ 陶瓷纤维 （如氧化铝纤维、碳化硅纤维、硼纤维等）复合
材料。
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混杂 复合材料,两种或两种以上增强体
同一种基体制成的复合材料。可以看成是两种
或多种 单一纤维或颗粒复合材料 的相互复合，
即复合材料的“复合材料”。
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① 玻璃纤维复合材料
用玻璃纤维增强 工程塑料 的复合材料，即 玻璃钢 。
玻璃钢分为两种，即 热塑性玻璃钢 和 热固性玻璃钢 。
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Ａ、热塑性玻璃钢
热塑性玻璃钢是以 玻璃纤维 为增强剂和以 热塑性树脂 为
粘结剂制成的复合材料。
Ｂ、热固性玻璃钢
热固性玻璃钢是以 玻璃纤维 为增强剂和以 热固性树脂 为
粘结剂制成的复合材料。
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② 碳纤维复合材料
Ａ,碳纤维 复合材料：作基体的 树脂,目前应用最多的是 环
氧树脂, 酚醛树脂 和 聚四氟乙烯 。
Ｂ,碳纤维碳 复合材料：用 有机基体 浸渍纤维坯块，固化后
再进行热解，或纤维坯型经化学气相沉积，直接填入碳。
Ｃ,碳纤维金属 复合材料：主要用于熔点较低的金属或合金，
如在碳纤维表面镀金属，制成了碳纤维金属复合材料。
Ｄ,碳纤维陶瓷 复合材料：我国研制了一种碳纤维石英玻璃
复合材料。
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③ 硼纤维复合材料
硼纤维 是由硼气相沉积在钨丝上来制取的。
Ａ、硼纤维 树脂 复合材料：基体主要为 环氧树脂, 聚苯并
咪唑 和 聚酰亚胺树脂 等。
Ｂ、硼纤维 金属 复合材料：常用的基体为 铝、镁及其合金,
还有 钛及其合金 等。
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④ 金属纤维复合材料
作增强纤维的金属主要是 强度较高的高熔点金属 钨,
钼, 钢, 不锈钢, 钛, 铍 等，它们能被基体金属 润湿,也
能 增强 陶瓷。
Ａ,金属纤维 金属 复合材料,研究较多的增强剂为 钨钼丝,
基体为 镍合金 和 钛合金 。
Ｂ,金属纤维 陶瓷 复合材料,利用金属纤维的 韧性 和 抗拉
能力 改善陶瓷的 脆性 。
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二、按材料作用分两类
① 结构 复合材料；
② 功能 复合材料。
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① 结构复合材料
主要用于制造受力构件；结构复合材料主要是
作为 承力结构 使用的复合材料，它基本上是由 能承
受载荷的增强体 组元与 能联接增强体 成为整体承载
同时又起 分配与传递载荷作用 的基体组元构成。
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结构 复合材料 又可按 基体材料类型 和 增强体
材料类型 来分类见下图所示：
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聚合物基 复合材料
金属基 复合材料
陶瓷基 复合材料
水泥基 复合材料
碳基 复合材料
结构复合材料
热固 性树脂基
热塑 性树脂基
橡胶 基
高温陶瓷 基
玻璃基
玻璃陶瓷 基
轻金属 基
高熔点金属 基
金属间化合物 基
Ａ,按 基体类型 分类
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B,按 增强体类型 分类
结构复合材料
叠层式 复合材料
片材增强 复合材料
颗粒增强 复合材料
纤维增强 复合材料
人工 晶片
天然 片状物
微米 颗粒
纳米 颗粒
不连续纤维 复合材料
连续纤维增强 复合材料
晶须 增强复合材料
短切纤维 增强复合材料
单向纤维 增强复合材料
二维织物 增强复合材料
三维织物 增强复合材料
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结构复合材料的特点
可根据材料在使用中受力的要求进行 组元选材
和 增强体排布设计,从而充分发挥各组元的效能。
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② 功能复合材料
指具备各种 特殊物理与化学性能 的材料。
例如,声, 光, 电, 磁, 热, 耐腐蚀, 零膨胀,
阻尼, 摩擦, 屏蔽 或 换能 等。
50
功能复合材料中的 增强体 又可称为 功能体组元,
它分布于 基体组元 中。
功能复合材料中的 基体 不仅起到 构成整体 的作
用，而且能够产生 协同或加强功能 的作用 。
51
除了上面的各种各样的复合材料以外，还有 同质复
合材料 和 异质复合材料 。
同质复合材料 （ 增强材料 和 基体材料 属于 同种物
质,如碳 /碳复合材料）
异质复合材料 （前面提及的复合材料多属此类）。
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复合材料目前状况
（１）玻璃钢和树脂基复合材料
非常成熟
广泛的应用
（２）金属基复合材料
开发阶段
某些结构件的关键部位
（３）陶瓷基复合材料及功能复合材料等
尚处于研究阶段
有不少科学技术问题有待解决
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４,复合材料发展概况
复合材料 发展简史：
学术界开始使用“复合材料”（ composite materials ）
一词大约是在 20世纪 40年代，当时出现了 玻璃纤维增强不
饱和聚酯,开辟了 现代复合材料 的新纪元。
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从 20世纪 60年代开始，开发出多种 高性能纤维 。
20世纪 80年代以后，由于人们丰富了 设计, 制造 和
测试 等方面的知识和经验，加上各类作为复合材料
基体的材料的使用和改进，使 现代复合材料 的发展
达到了更高的水平，即进入 高性能复合材料 的发展
阶段。
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复合材料的 整个发展过程 可表示为：
古代 近代 先进复合材料
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天然复合材料
自然界中存在许许多多的天然复合材料。例
如,树木 和 竹子 是 纤维素 和 木质素 的复合体；
动物的骨骼 则由 无机磷酸盐 和 蛋白质胶原 复
合而成。
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人类很早就 接触和使用 各种天然复合材料，并 仿效 自然
界制作各种各样的复合材料。例如
陕西半坡人－－草梗合泥筑墙，且延用至今；
漆器－－麻纤维和土漆复合而成，至今已四千多年；
敦煌壁画－－泥胎、宫殿建筑里园木表面的披麻覆漆。
58
近代,复合材料的发展始于 20世纪 40年代，
第二次世界大战中,玻璃纤维增强聚酯树脂 复合
材料被美国空军用于制造飞机构件开始算起。 50
年代得到了迅速发展。
我国 从 1958年开始发展复合材料
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现代复合材料 的制作成功则要从 1942年，第
二次世界大战中,玻璃纤维增强聚酯树脂 复合材
料被美国空军用于制造飞机构件开始算起。
60
材料科学家们认为，就世界范围而论，从 1940
年到 1960年这 20年间，是玻璃纤维增强塑料时代，
可以称为 复合材料发展的第一代 。
第一代,1940年到 1960年，玻璃纤维增强塑料；
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1965年英国科学家研制出碳纤维；
1971年美国杜邦公司开发出 Kevler-49 （开芙拉 -49 ） ；
1975年先进复合材料“碳纤维增强、及 Kevler纤维增
强环氧树脂复合材料”已用于飞机、火箭的主承力件上。
这一时期被称为 复合材料发展的第二代。
第二代,1960年到 1980年，先进复合材料的发展时期
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1980年到 1990年间，是 纤维增强金属基复合
材料 的时代，其中以铝基复合材料的应用最为广
泛，这一时期是 复合材料发展的第三代 。
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1990年以后则被认为是 复合材料发展的第四代,主要
发展 多功能复合材料,如 机敏（智能）复合材料 和 梯度功
能材料等 。
随着新型复合材料的不断涌现，复合材料不仅应用在
导弹、火箭、人造卫星等尖端工业中，在航空、汽车、造
船、建筑、电子、桥梁、机械、医疗和体育等各个部门都
得到应用。
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纵观复合材料的发展过程，可以看到：
早期发展出现的复合材料，由于性能相对比较低，生产
量大，使用面广，可称之为 常用复合材料 。
后来随着高技术发展的需要，在此基础上又发展出性能
高的 先进复合材料 。
