要充分了解復(fù)合材料在結(jié)構(gòu)中的作用和應(yīng)用，就需要了解組成材料本身及其加工方式。本指南著眼于基本的復(fù)合材料理論，所使用的材料的性質(zhì)，然后是各種加工技術(shù)，通常用于將材料轉(zhuǎn)化為成品結(jié)構(gòu)。

復(fù)合材料最基本的形式是由至少兩種元素共同作用而產(chǎn)生的材料性質(zhì)不同于這些元素本身的性質(zhì)。在實(shí)踐中，大多數(shù)復(fù)合材料由塊狀材料(“基體”)和某種增強(qiáng)材料組成，這種增強(qiáng)材料的添加主要是為了增加基體的強(qiáng)度和剛度。這種強(qiáng)化物通常以纖維形式存在。今天，最常見(jiàn)的人造復(fù)合材料可以分為三大類:

聚合物基復(fù)合材料(PMC’s) —這些是最常見(jiàn)的，將在這里討論。也被稱為FRP -纖維增強(qiáng)聚合物(或塑料)-這些材料使用聚合物基樹(shù)脂作為基體，以及各種纖維，如玻璃纖維，碳纖維和芳綸作為增強(qiáng)。

金屬基復(fù)合材料(MMC’s) —在汽車(chē)工業(yè)中越來(lái)越多地發(fā)現(xiàn)，這些材料使用鋁等金屬作為基體，并用碳化硅等纖維進(jìn)行加固。

陶瓷基復(fù)合材料(CMC’s)—用于非常高溫的環(huán)境，這些材料使用陶瓷作為基體，并用短纖維或攪拌器(如由碳化硅和氮化硼制成的攪拌器)加強(qiáng)它。

樹(shù)脂體系，如環(huán)氧樹(shù)脂和聚酯，其本身用于結(jié)構(gòu)制造的用途有限，因?yàn)榕c大多數(shù)金屬相比，它們的機(jī)械性能不是很高。然而，他們有理想的性質(zhì)，最顯著的是他們的能力，很容易形成復(fù)雜的形狀。

玻璃、芳綸和硼等材料具有極高的抗拉和抗壓強(qiáng)度，但在“固體形態(tài)”時(shí)，這些性能并不明顯。這是因?yàn)?，?dāng)受到壓力時(shí)，隨機(jī)的表面缺陷會(huì)導(dǎo)致每種材料開(kāi)裂并在其理論“斷點(diǎn)”以下失效。為了克服這個(gè)問(wèn)題，材料以纖維的形式生產(chǎn)，因此，盡管會(huì)出現(xiàn)相同數(shù)量的隨機(jī)缺陷，但它們將被限制在少數(shù)纖維中，其余的都表現(xiàn)出材料的理論強(qiáng)度。因此，一束纖維將更準(zhǔn)確地反映該材料的最佳性能。然而，單獨(dú)的纖維只能在纖維的長(zhǎng)度上表現(xiàn)出拉伸性能，就像繩子中的纖維一樣。

當(dāng)樹(shù)脂系統(tǒng)與增強(qiáng)纖維(如玻璃、碳素和芳綸)結(jié)合在一起時(shí)，才能獲得優(yōu)異的性能。樹(shù)脂基體將施加在復(fù)合材料上的載荷分散到每個(gè)單獨(dú)的纖維之間，還可以保護(hù)纖維免受磨損和沖擊造成的損壞。高強(qiáng)度和剛度，易于塑造復(fù)雜形狀，高耐環(huán)境性，所有這些都與低密度相結(jié)合，使合成的復(fù)合材料在許多應(yīng)用中優(yōu)于金屬。

由于PMC結(jié)合了樹(shù)脂體系和增強(qiáng)纖維，所得到的復(fù)合材料的性能將結(jié)合樹(shù)脂自身的某些性能和纖維自身的某些性能。

總的來(lái)說(shuō)，復(fù)合材料的性能由以下因素決定:

• 纖維的性質(zhì)

• 樹(shù)脂的性能

• 復(fù)合材料中纖維與樹(shù)脂的比例

• 復(fù)合材料中纖維的幾何形狀和取向

后面將更詳細(xì)地討論前兩個(gè)問(wèn)題。纖維與樹(shù)脂的比例主要來(lái)自于將樹(shù)脂與纖維結(jié)合的制造工藝，這將在制造工藝一節(jié)中描述。然而，它也受到所使用的樹(shù)脂系統(tǒng)的類型和纖維被合并的形式的影響。一般來(lái)說(shuō)，由于纖維的機(jī)械性能比樹(shù)脂高得多，纖維體積分?jǐn)?shù)越高，合成復(fù)合材料的機(jī)械性能就越高。在實(shí)踐中，這是有限制的，因?yàn)槔w維需要完全涂上樹(shù)脂才能有效，而且一般圓形截面的纖維將有一個(gè)最佳的包裝。此外，用于將纖維與樹(shù)脂結(jié)合的制造過(guò)程會(huì)導(dǎo)致不同數(shù)量的缺陷和空氣夾雜物。

通常情況下，與普通手糊工藝一樣廣泛應(yīng)用于造船行業(yè)中，纖維體積分?jǐn)?shù)的限制約為30-40%。隨著航空航天工業(yè)中應(yīng)用的高質(zhì)量、高精密工藝，纖維體積分?jǐn)?shù)可達(dá)到70%左右。

復(fù)合材料中纖維的幾何形狀也很重要，因?yàn)槔w維在其長(zhǎng)度上具有最高的機(jī)械性能，而不是在其寬度上。這導(dǎo)致了復(fù)合材料的高度各向異性特性，與金屬不同，當(dāng)在不同方向測(cè)試時(shí)，復(fù)合材料的力學(xué)性能可能會(huì)有很大的不同。這意味著在考慮使用復(fù)合材料時(shí)，在設(shè)計(jì)階段了解應(yīng)用載荷的大小和方向是非常重要的。當(dāng)正確解釋時(shí)，這些各向異性特性是非常有利的，因?yàn)橹恍枰獙⒉牧戏旁趯⑹┘虞d荷的地方，從而避免了冗余材料。

同樣重要的是要注意，金屬材料的性能在很大程度上是由材料供應(yīng)商決定的，而將材料制造成成品結(jié)構(gòu)的人幾乎無(wú)法改變這些“內(nèi)置”性能。然而，復(fù)合材料是在結(jié)構(gòu)本身被制造的同時(shí)形成的。這意味著制造結(jié)構(gòu)的人正在創(chuàng)造合成復(fù)合材料的性能，因此他們使用的制造工藝在決定合成結(jié)構(gòu)的性能方面起著異常關(guān)鍵的作用。

結(jié)構(gòu)中的任何材料都必須承受四種主要的直接載荷:拉伸、壓縮、剪切和彎曲。

拉伸

圖2顯示了施加到復(fù)合材料上的拉伸載荷。復(fù)合材料對(duì)拉伸載荷的響應(yīng)非常依賴于增強(qiáng)纖維的拉伸剛度和強(qiáng)度性能，因?yàn)檫@些遠(yuǎn)高于樹(shù)脂體系本身。

壓縮

圖3顯示了壓縮載荷下的復(fù)合材料。在這里，樹(shù)脂系統(tǒng)的粘合劑和剛度特性是至關(guān)重要的，因?yàn)闃?shù)脂的作用是保持纖維為直柱并防止它們屈曲。

剪切

圖4顯示了經(jīng)歷剪切載荷的復(fù)合材料。這種負(fù)荷試圖使相鄰的纖維層相互滑動(dòng)。在剪切載荷下，樹(shù)脂起主要作用，將應(yīng)力傳遞到整個(gè)復(fù)合材料。為了使復(fù)合材料在剪切載荷下表現(xiàn)良好，樹(shù)脂元件不僅必須表現(xiàn)出良好的機(jī)械性能，而且必須與增強(qiáng)纖維具有高附著力。復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度(ILSS)通常用于表示多層復(fù)合材料(“層狀材料”)的這一特性。

彎曲

彎曲荷載實(shí)際上是拉伸、壓縮和剪切荷載的組合。如圖所示加載時(shí)，上面受壓，下面受拉，層合板中部受剪切。

由于上述因素，復(fù)合材料的機(jī)械性能有非常大的波動(dòng)范圍。即使單獨(dú)考慮一種纖維類型，復(fù)合材料的性能也會(huì)隨著纖維含量和取向而變化10倍。因此，下面的比較顯示了復(fù)合材料的一系列力學(xué)性能。每種材料的最低性能都與簡(jiǎn)單的制造工藝和材料形式有關(guān)(例如噴涂玻璃纖維)，而較高的性能則與更高技術(shù)制造有關(guān)(例如單向玻璃纖維預(yù)浸料的蒸壓成型)，例如在航空航天工業(yè)中。

對(duì)于所示的其他材料，還給出了強(qiáng)度和剛度(模量)的范圍，以表明與不同合金相關(guān)的性能的擴(kuò)展，例如。

圖6 普通結(jié)構(gòu)材料的抗拉強(qiáng)度

圖7 常用結(jié)構(gòu)材料的拉伸模量

圖8 常用結(jié)構(gòu)材料的密度

圖9 常用結(jié)構(gòu)材料的比抗拉強(qiáng)度

圖10 常用結(jié)構(gòu)材料的比拉伸模量