复合材料有哪些种类（简述复合材料分类与应用）

1、定义

复合材料是人们运用先进的材料制备技术将不同性质的材料组分优化组合而成的新材料。一般定义的复合材料需满足以下条件:

(i) 复合材料必须是人造的，是人们根据需要设计制造的材料;

(ii) 复合材料必须由两种或两种以上化学、物理性质不同的材料组分，以所设计的形式、比例、分布组合而成，各组分之间有明显的界面存在;

(iii)它具有结构可设计性，可进行复合结构设计;

(iv) 复合材料不仅保持各组分材料性能的优点，而且通过各组分性能的互补和关联可以获得单一组成材料所不能达到的综合性能。

复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属。

2、分类

复合材料是一种混合物。在很多领域都发挥了很大的作用，代替了很多传统的材料。复合材料按其组成分为金属与金属复合材料、非金属与金属复合材料、非金属与非金属复合材料。按其结构特点又分为：

①纤维增强复合材料。将各种纤维增强体置于基体材料内复合而成。如纤维增强塑料、纤维增强金属等。

②夹层复合材料。由性质不同的表面材料和芯材组合而成。通常面材强度高、薄；芯材质轻、强度低，但具有一定刚度和厚度。分为实心夹层和蜂窝夹层两种。

③细粒复合材料。将硬质细粒均匀分布于基体中，如弥散强化合金、金属陶瓷等。

④混杂复合材料。由两种或两种以上增强相材料混杂于一种基体相材料中构成。与普通单增强相复合材料比，其冲击强度、疲劳强度和断裂韧性显著提高，并具有特殊的热膨胀性能。分为层内混杂、层间混杂、夹芯混杂、层内/层间混杂和超混杂复合材料。

复合材料主要可分为结构复合材料和功能复合材料两大类。

结构复合材料是作为承力结构使用的材料，基本上由能承受载荷的增强体组元与能连接增强体成为整体材料同时又起传递力作用的基体组元构成。增强体包括各种玻璃、陶瓷、碳素、高聚物、金属以及天然纤维、织物、晶须、片材和颗粒等，基体则有高聚物(树脂)、金属、陶瓷、玻璃、碳和水泥等。由不同的增强体和不同基体即可组成名目繁多的结构复合材料，并以所用的基体来命名，如高聚物(树脂)基复合材料等。结构复合材料的特点是可根据材料在使用中受力的要求进行组元选材设计，更重要是还可进行复合结构设计，即增强体排布设计，能合理地满足需要并节约用材。

功能复合材料一般由功能体组元和基体组元组成，基体不仅起到构成整体的作用，而且能产生协同或加强功能的作用。功能复合材料是指除机械性能以外而提供其他物理性能的复合材料。如：导电、超导、半导、磁性、压电、阻尼、吸波、透波、磨擦、屏蔽、阻燃、防热、吸声、隔热等凸显某一功能。统称为功能复合材料。功能复合材料主要由功能体和增强体及基体组成。功能体可由一种或以上功能材料组成。多元功能体的复合材料可以具有多种功能。同时，还有可能由于复合效应而产生新的功能。多功能复合材料是功能复合材料的发展方向。

复合材料也可分为常用和先进两类。

常用复合材料如玻璃钢，便是用玻璃纤维等性能较低的增强体与普通高聚物(树脂)构成。由于它的价格低廉，得以大量发展，已广泛用于船舶、车辆、化工管道和贮罐、建筑结构、体育用品等方面。

先进复合材料指用高性能增强体如碳纤维、芳纶等于高性能耐热高聚物构成的复合材料，后来又把金属基、陶瓷基和碳(石墨)基以及功能复合材料包括在内。它们的性能虽然优良，但价格相对较高，主要用于国防工业、航空航天、精密机械、深潜器、机器人结构件和高档体育用品等。

3、应用

复合材料的主要应用领域有：

①航空航天领域。由于复合材料热稳定性好，比强度、比刚度高，可用于制造飞机机翼和前机身、卫星天线及其支撑结构、太阳能电池翼和外壳、大型运载火箭的 壳体、发动机壳体、航天飞机结构件等。

②汽车工业。由于复合材料具有特殊的振动阻尼特性，可减振和降低噪声、抗疲劳性能好，损伤后易修理，便于整体成形，故可用于制造汽车车身、受力构件、传动轴、发动机架及其内部构件。

③化工、纺织和机械制造领域。有良好耐蚀性的碳纤维与树脂基体复合而成的材料，可用于制造化工设备、纺织机、造纸机、复印机、高速机床、精密仪器等。

④医学领域。碳纤维复合材料具有优异的力学性能和不吸收X射线特性，可用于制造医用X光机和矫形支架等。碳纤维复合材料还具有生物组织相容性和血液相容性，生物环境下稳定性好，也用作生物医学材料。此外，复合材料还用于制造体育运动器件和用作建筑材料等。

4、磷酸锆改性复合材料

近年来，聚合物／无机层状纳米复合材料由于其多方面的优异性能已经引起人们广泛的关注，大量的研究表明，在纳米无机填料含量很小的情况下，复合材料的力学性能、热性能等即可得到明显的改善。目前，对蒙脱土、凹凸棒土等无机层状物与聚合物的纳米复合材料已有不少研究，但对聚合物／磷酸锆纳米复合材料的研究相对较少。

α-ZrP层板结构稳定，在客体引入层间后依然能保持较为稳定的层板，而且其离子交换容量大，并具有长径比可控和粒子尺寸分布较窄等特点，可应用于聚合物／层状无机纳米复合材料的制备。为增大磷酸锆片层间距，促进其在聚合物基体中的剥离，同时增加磷酸锆片层与聚合物基体的相容性，需对a-ZrP进行有机修饰。α-ZrP一般是用小分子的胺或醇通过与其层板内外的-OH质子化反应或氢键作用进行有机修饰，也可进行大分子插层，但由于其层板间距较小，大分子直接插层较困难，通常需经小分子预撑后再与大分子交换。

采用十八烷基二甲基叔胺(DMA)与对氯甲基化苯乙烯(CMS)合成了长链季铵盐(DMA—CMS)，α-ZrP经甲胺预撑后再与DMA-CMS进行交换得到有机修饰磷酸锆(ZrP．DMA．CMS)。该有机化处理的磷酸锆再与PS熔融共混制得了PS／有机修饰磷酸锆纳米复合材料，并对其结构和性能进行了研究。

XRD分析表明长链季胺盐DMA-CMS在甲胺预撑之后，比较容易插入α-ZrP的层板之间，插层后，磷酸锆层间距离由0.8 nm扩大为4.0 nm，插层效果明显。经DMA-CMS修饰后的磷酸锆(ZrP-DMA-CMS)与PS通过双螺杆挤出而制备的纳米复合材料，相较ZrP-DMA-CMS，层间距由4.0 nm进一步扩大为4.3nm，部分聚苯乙烯进入磷酸锆的层板间。

力学分析表明，磷酸锆含量为1％时，PS／有机修饰磷酸锆纳米复合材料的拉伸强度、弹性模量、断裂伸长率及冲击强度分别提高了4％、21％、8％、43％。但随着磷酸锆含量的增加，纳米复合材料的拉伸强度、弹性模量、断裂伸长率及冲击强度呈下将的趋势，材料的强度、刚性和韧性都开始下降。适量的有机修饰磷酸锆ZrP-DMA-CMS的加入对PS具有一定的增强增韧效果。