復(fù)合材料(Composite materials)，是由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料，通過物理或化學(xué)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(zhǎng)補(bǔ)短，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使復(fù)合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料而滿足各種不同的要求。
復(fù)合材料是一種混合物。在很多領(lǐng)域都發(fā)揮了很大的作用，代替了很多傳統(tǒng)的材料。（如：混凝土的抗拉強(qiáng)度較低，通常只有抗壓強(qiáng)度的十分之一左右，任何顯著的拉彎作用都會(huì)使其微觀晶格結(jié)構(gòu)開裂和分離從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞。而絕大多數(shù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)部都有受拉應(yīng)力作用的需求，故未加鋼筋的混凝土極少被單獨(dú)使用于工程。
鋼筋砼相較混凝土而言，鋼筋抗拉強(qiáng)度非常高，一般在200MPa以上，故通常人們?cè)诨炷林屑尤脘摻畹燃觿挪牧吓c之共同工作，由鋼筋承擔(dān)其中的拉力，混凝土承擔(dān)壓應(yīng)力部分。）
復(fù)合材料的分類
復(fù)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(qiáng)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(zhì)細(xì)粒等。
復(fù)合材料按其組成分為金屬與金屬?gòu)?fù)合材料、非金屬與金屬?gòu)?fù)合材料、非金屬與非金屬?gòu)?fù)合材料。
復(fù)合材料按其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)又分為：1、纖維復(fù)合材料，將各種纖維增強(qiáng)體置于基體材料內(nèi)復(fù)合而成。如纖維增強(qiáng)塑料、纖維增強(qiáng)金屬等。2、夾層復(fù)合材料，由性質(zhì)不同的表面材料和芯材組合而成。通常面材強(qiáng)度高、薄；芯材質(zhì)輕、強(qiáng)度低，但具有一定剛度和厚度。分為實(shí)心夾層和蜂窩夾層兩種。3、細(xì)粒復(fù)合材料，將硬質(zhì)細(xì)粒均勻分布于基體中，如彌散強(qiáng)化合金、金屬陶瓷等。4、混雜復(fù)合材料，由兩種或兩種以上增強(qiáng)相材料混雜于一種基體相材料中構(gòu)成。
與普通單增強(qiáng)相復(fù)合材料比，其沖擊強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)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(nèi)混雜、層間混雜、夾芯混雜、層內(nèi)／層間混雜和超混雜復(fù)合材料。復(fù)合材料主要可分為結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和功能復(fù)合材料兩大類。
結(jié)構(gòu)復(fù)合材料是作為承力結(jié)構(gòu)使用的材料，基本上由能承受載荷的增強(qiáng)體組元與能連接增強(qiáng)體成為整體材料同時(shí)又起傳遞力作用的基體組元構(gòu)成。增強(qiáng)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(qiáng)體和不同基體即可組成名目繁多的結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，并以所用的基體來命名，如高聚物(樹脂)基復(fù)合材料等。
結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的特點(diǎn)是可根據(jù)材料在使用中受力的要求進(jìn)行組元選材設(shè)計(jì)，更重要是還可進(jìn)行復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即增強(qiáng)體排布設(shè)計(jì)，能合理地滿足需要并節(jié)約用材。
功能復(fù)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(gòu)成整體的作用，而且能產(chǎn)生協(xié)同或加強(qiáng)功能的作用。功能復(fù)合材料是指除機(jī)械性能以外而提供其他物理性能的復(fù)合材料。如：梯度復(fù)合材料(材料的化學(xué)和結(jié)晶學(xué)組成、結(jié)構(gòu)、空隙等在空間連續(xù)梯變的功能復(fù)合材料)、機(jī)敏復(fù)合材料（具有感覺、處理和執(zhí)行功能，能適應(yīng)環(huán)境變化的功能復(fù)合材料）、仿生復(fù)合材料、隱身復(fù)合材料等。復(fù)合材料也可分為常用和先進(jìn)兩類。
常用復(fù)合材料如玻璃鋼，便是用玻璃纖維等性能較低的增強(qiáng)體與普通高聚物(樹脂)構(gòu)成。由于它的價(jià)格低廉，得以大量發(fā)展，已廣泛用于船舶、車輛、化工管道和貯罐、建筑結(jié)構(gòu)、體育用品等方面。
為滿足航空航天等尖端技術(shù)所用材料的需要，先后研制和生產(chǎn)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(qiáng)材料的復(fù)合材料，其比強(qiáng)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(qiáng)樹脂復(fù)合材料相區(qū)別，將這種復(fù)合材料稱為先進(jìn)復(fù)合材料。它們的性能雖然優(yōu)良，但價(jià)格相對(duì)較高，主要用于國(guó)防工業(yè)、航空航天、精密機(jī)械、深潛器、機(jī)器人結(jié)構(gòu)件和高檔體育用品等。
按基體材料不同，先進(jìn)復(fù)合材料分為樹脂基、金屬基和陶瓷基復(fù)合材料。其使用溫度分別達(dá)250～350℃、350～1200℃和1200℃以上。
復(fù)合材料的發(fā)展歷史
復(fù)合材料是由不同元素組成的結(jié)構(gòu)，結(jié)果是形成了一加一等于三。對(duì)于復(fù)合材料的理解，貌似昆蟲、鳥和蝙蝠等動(dòng)物比我們要理解的更透徹一些，它們將這個(gè)原理應(yīng)用到筑窩的過程中，以防天敵的攻擊。原始人用動(dòng)物糞便、粘土、稻草和樹枝組成復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，這是人類將復(fù)合材料應(yīng)用到生活中具有歷史意義的一步。甚至據(jù)人們傳說，圣經(jīng)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(bào)道出的復(fù)合材料船舶的鼻祖，當(dāng)然這也僅是傳說。
1847年
瑞典化學(xué)家Berzelius，這位現(xiàn)代化學(xué)的奠基人之一，首次在實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了飽和聚酯。
1894年
Vorlander在實(shí)驗(yàn)室著手對(duì)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(xué)家。
1920年
先鋒人物Wallace Carothers開始對(duì)乙二醇與不飽和脂肪酸合成的聚酯的研究工作。
1922年
首個(gè)聚酯樹脂被研發(fā)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(bào)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(guó)的壓鑄商業(yè)市場(chǎng)。
1942年
美國(guó)橡膠公司開發(fā)出玻璃纖維增強(qiáng)聚酯樹脂作為基體的復(fù)合材料。
1946年
船艇制造商開始意識(shí)到纖維增強(qiáng)復(fù)合材料為整個(gè)工業(yè)帶來了何種變革，在這年中首個(gè)復(fù)合材料船身的游艇在美國(guó)建成，還首次引入了冷固化系統(tǒng)。
1950年
早期閉模工藝開發(fā)完成。
1951年
中期不飽和聚酯樹脂在歐洲投入商業(yè)化生產(chǎn)。
1963年
碳纖維增強(qiáng)材料引入市場(chǎng)。
19世紀(jì)
隨著科學(xué)技術(shù)在物理化學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，自然界中的天然聚合物的性能已經(jīng)不能滿足工業(yè)發(fā)展對(duì)材料性能的需要，這使當(dāng)時(shí)的新型材料－早期的復(fù)合材料得到飛速的發(fā)展。
碳纖維復(fù)合材料
碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料是以有機(jī)高分子材料為基體、碳纖維為增強(qiáng)材料,通過復(fù)合工藝制備而成,具有明顯優(yōu)于原組分性能的一類新型材料”。它具有高比強(qiáng)度、高比模量、抗疲勞、耐腐蝕、可設(shè)計(jì)一性強(qiáng)、便于大面積整體成型以及具有特殊電磁性能等特點(diǎn),已經(jīng)成為最重要的航空結(jié)構(gòu)材料之一。
碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)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(yīng)性低分子量預(yù)聚體或帶有活性基團(tuán)高分子量聚合物組成,成型過程中,在固化劑或熱作用下進(jìn)行交聯(lián)、縮聚,形成不熔不溶的交聯(lián)體型結(jié)構(gòu)。常用的有環(huán)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(fā)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(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料
陶瓷具有優(yōu)異的耐蝕性、耐磨性、耐高溫性和化學(xué)穩(wěn)定性,廣泛應(yīng)用于工和民用產(chǎn)品。但是,它的致命弱點(diǎn)是脆性大,并且對(duì)裂紋、氣孔和夾雜物等細(xì)微的缺陷很敏感。用碳纖維增強(qiáng)陶瓷可有效地改善韌性,改變陶瓷的脆性斷裂形態(tài),同時(shí)阻止裂紋在陶瓷基體中的迅速傳播、擴(kuò)展。目前國(guó)內(nèi)外比較成熟的碳纖維增強(qiáng)陶瓷材料是碳纖維增強(qiáng)碳化硅材料,因其具有優(yōu)良的高溫力學(xué)性能，在高溫下服役不需要額外的隔熱措施,因而在航空發(fā)動(dòng)機(jī)、可重復(fù)使用航天飛行器等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。
2、碳/碳復(fù)合材料
碳/碳復(fù)合材料是碳纖維增強(qiáng)碳基復(fù)合材料的簡(jiǎn)稱,也是一種高級(jí)復(fù)合材料。它是由碳纖維或織物、編織物等增強(qiáng)碳基復(fù)合材料構(gòu)成。碳/碳復(fù)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(shè)計(jì)、制造出來的純碳元素構(gòu)成的復(fù)合材料具有許多優(yōu)異性能,除具備高強(qiáng)度、高剛性、尺寸穩(wěn)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(huán)境中,強(qiáng)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(yīng)用于導(dǎo)彈彈頭,固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管以及飛機(jī)剎車盤等高科技領(lǐng)。
3、碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料
碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料是以碳纖維為增強(qiáng)纖維,金屬為基體的復(fù)合材料。碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料與金屬材料相比,具有高的比強(qiáng)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(qiáng)鋁、鎂復(fù)合材料的制備技術(shù)比較成熟。制造碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的主要技術(shù)難點(diǎn)是碳纖維的表面涂層,以防止在復(fù)合過中損傷碳纖維,從而使復(fù)合材料的整體性能下降.目前,在制備碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料時(shí)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(fù)雜、成本高,限制了碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的推廣應(yīng)用。
4、碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料
將碳纖維加人到水泥基體中即制成碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料(Carbon Fiber Reinforced Ce-ment Compoistes,簡(jiǎn)稱CFRC），稱纖維增強(qiáng)混凝土。在水泥基材料中摻入高強(qiáng)碳纖維是提高水泥復(fù)合材料抗裂、抗?jié)B、抗剪強(qiáng)度和彈性模量,控制裂紋擴(kuò)展，提高耐強(qiáng)堿性，增強(qiáng)變形能力的重要措施。
此外，碳纖維還具有震動(dòng)阻尼特性，可吸收震動(dòng)波，使防地震能力和抗彎強(qiáng)度提高十幾倍。更為可貴的是，碳纖維具有導(dǎo)電性，將其加入到水泥基體中，賦于水泥基體智能性，極大地?cái)U(kuò)大了混凝土的應(yīng)用范圍。
CFRC復(fù)合材料在承受負(fù)荷時(shí)表面不產(chǎn)生龜裂，其抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度、斷裂韌性比不增強(qiáng)的高幾倍到十幾倍，其沖擊韌性也相當(dāng)可觀。短切碳纖維增強(qiáng)水泥所用碳纖維的長(zhǎng)度一般為3一6nm,直徑為7一20μm，抗拉強(qiáng)度范圍在0.5一0.8GPa。普通水泥的強(qiáng)度通常為11.76MPa，若按重量摻入15%的碳纖維，其強(qiáng)度可達(dá)到245MPa；若摻人量為20%時(shí)，強(qiáng)度可高達(dá)548.8MPa。
此外，與普通混凝土相比，CFRC具有質(zhì)輕、強(qiáng)度高、流動(dòng)性好、擴(kuò)散性強(qiáng)、成型后表面質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn),將其用作隔墻時(shí),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(guī)格，其中短切碳纖維增強(qiáng)混凝土主要用在屋面、外墻、內(nèi)墻、地面、天棚等方面;長(zhǎng)纖維混凝土用在承重構(gòu)件方面,由它制成的構(gòu)件尺寸穩(wěn)定,同時(shí)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(fā)展迅猛。
石墨烯復(fù)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(qiáng)度最高的材料，斷裂強(qiáng)度比最好的鋼材還要高200倍，同時(shí)它又有很好的彈性，拉伸幅度能達(dá)到自身尺寸的20%。但是，石墨烯很難作為單一原料生產(chǎn)某種產(chǎn)品，而主要是利用其突出特性與其它材料體系進(jìn)行復(fù)合，從而獲得具有優(yōu)異性能的新型復(fù)合材料。
石墨烯負(fù)載的復(fù)合材料：在石墨烯表面引入第二組分并在其表面進(jìn)行外延伸展得到的復(fù)合材料。石墨烯包裹的復(fù)合材料：用石墨烯片將第二組分包裹得到的復(fù)合材料，可以更有效地防止第二組分的聚合。
石墨烯內(nèi)嵌的復(fù)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(fù)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(fù)合材料：將第二組分和石墨烯片交替堆積而成，該結(jié)構(gòu)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(chǎn)生、傳輸和分離。
石墨烯基復(fù)合材料的分類
石墨烯具有諸多優(yōu)異的性能，如導(dǎo)電導(dǎo)熱性好、韌性好、比表面積大等等，這些性能使得石墨烯基復(fù)合材料呈現(xiàn)出許多優(yōu)異的特性。如以石墨烯為載體負(fù)載納米粒子，可以提高這些粒子的催化性能、傳導(dǎo)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(jī)械性能和導(dǎo)電性能。按第二組分的不同，可將石墨烯復(fù)合材料分為石墨烯-納米粒子復(fù)合材料、石墨烯-聚合物復(fù)合材料和石墨烯-碳基材料復(fù)合材料。
1、石墨烯-納米粒子復(fù)合材料
納米粒子獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)引起納米科學(xué)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(yīng)用的一個(gè)難題。石墨烯與其他碳材料（碳納米管、富勒烯等）相比，表現(xiàn)出優(yōu)異的電學(xué)、光學(xué)等物理化學(xué)性質(zhì)，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(tuán)聚現(xiàn)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(fā)生團(tuán)聚的作用。近年來，人們創(chuàng)造性地將石墨烯與納米粒子復(fù)合起來，形成了一個(gè)新的研究領(lǐng)域。
2、石墨烯-聚合物復(fù)合材料
之前已經(jīng)有許多關(guān)于碳基材料-聚合物復(fù)合材料的報(bào)道，特別是基于碳納米線、碳納米管和富勒烯-聚合物復(fù)合材料的研究，作為碳材料家族獨(dú)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(jìn)行復(fù)合。石墨烯由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性能，在改善聚合物的熱性能、力學(xué)性能和電性能等方面具有相當(dāng)大的應(yīng)用價(jià)值。
3、石墨烯-碳基材料復(fù)合材料
石墨烯除了能夠和納米粒子、高聚物復(fù)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(fù)合材料，這些碳基材料可以相互組合而呈現(xiàn)出一些優(yōu)越的性能。
石墨烯復(fù)合材料的應(yīng)用
1、在催化領(lǐng)域的應(yīng)用
由于石墨烯具有優(yōu)異的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等性能，并具有改性擔(dān)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(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用
為了得到高比容超級(jí)電容器，一些研究組設(shè)計(jì)合成了多種石墨烯復(fù)合材料，并將其應(yīng)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(fā)生團(tuán)聚而不能有效利用，這也是石墨烯在電化學(xué)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的一個(gè)難題。
3、在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用
石墨烯的部分雙鍵被氧化以后轉(zhuǎn)化為石墨烯氧化物，其所攜帶的羥基、羧基、環(huán)氧基、羰基等親水性官能團(tuán)，讓石墨烯氧化物可以在水溶液或生理溶液中穩(wěn)定存在，具有較高的水溶性，有望像溶液一樣適應(yīng)于靜脈注射；另外，石墨烯還具備低毒性、比表面積大等特點(diǎn)，在藥物載體中有潛在的應(yīng)用價(jià)值。目前石墨烯復(fù)合材料在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用存在載藥種類少和治愈范圍小等缺點(diǎn)，其負(fù)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(fù)合物應(yīng)用于蛋白和基因藥物靶向運(yùn)輸和治療等更深層次方面。
4、在含能材料領(lǐng)域的應(yīng)用
炸藥在國(guó)防、民用等各個(gè)領(lǐng)域都是不可替代的，所以它的安全性是很重要的，既要能穩(wěn)定的存在又要便于檢測(cè)。而石墨烯具有一定的鈍感性和導(dǎo)電導(dǎo)熱性，在含能材料領(lǐng)域有一定的應(yīng)用價(jià)值，目前主要體現(xiàn)在炸藥傳感器和包覆降感上。
文章來源：化工最前沿
