【专业讲堂】详解复合材料的定义、组分及主要应用领域
1、复合材料的定义
复合材料通常由两个组成部分，即增强材料和基体。通过将两种或更多种天然或人造材料与基体材料组合在一起而获得的复合材料，其性能比单独使用两种材料更好。
与传统材料相比，复合材料具有更坚固、更轻且更便宜等特性。但是复合材料的开发通常会考虑到特定的应用程序，这通常需要漫长的开发和测试过程才能确保其能够完成预期的工作。从建筑行业到汽车行业，从海洋行业到航空航天行业，它们的使用越来越广泛。
复合材料广泛用于：
混凝土，最常见的人造复合材料
增强塑料，例如纤维增强聚合物（FRP）
金属基复合材料（MMC）
陶瓷基复合材料（CMC）
复合材料生产涉及多个阶段。增强相提供了刚性和刚度，而且在大多数情况下，增强材料比基体更坚硬、更坚固。
增强材料通常是纤维或颗粒，其中颗粒复合材料往往比纤维复合材料更弱并且更具柔韧性。纤维增强又可以分为两种类型，连续纤维增强材料和不连续（短）纤维增强材料，如下图1所示。连续的纤维增强材料通常将具有分层或层压结构（图1a），而不连续的（短）纤维增强材料将具有随机取向（图1b）。
图1 连续纤维与短切纤维
最常见的纤维包括玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维和碳纤维，所有这些纤维可以是连续的或不连续的。复合材料中连续纤维与短切（不连续）纤维增强相结构如图2所示。
图2 连续纤维与短切纤维复合材料中纤维增强相状态
增强通常会增加复合材料的强度和刚度，从而大大减少了开裂的机会，并且如果它们能够很好地附着在基体上，还能显着改善复合材料的性能。
2.2 基体材料
常见的基体材料主要包括聚合物、金属和陶瓷，其中聚合物具有较低的强度和刚度，金属具有中等的强度和刚度，但可以具有较高的延展性，而陶瓷具有较高的强度和刚度，但也更易碎。
按照化学性能，基体又可分为有机和无机两种类型。有机基体（例如聚合物）非常普遍（尤其是用于纤维增强塑料），通常用于制造包含玻璃纤维、碳纤维或芳纶纤维的复合材料；无机基体通常用于混凝土、金属、陶瓷和玻璃中。
复合材料中基体的主要作用体现在：
将纤维保持在所需的方向
减少磨损和压缩
聚合物基和金属基复合材料在纤维和基体之间具有牢固的结合力，这使得负载应力可以传递到纤维上。在陶瓷基复合材料中，基体主要用于增加复合材料的韧性，而不是强度或刚度。
聚合物基体进一步可以分为热固性塑料和热塑性塑料两种，许多先进的热固性聚合物基体通常将碳纤维掺入环氧树脂基体中。
3、复合材料的应用
3.1 建筑工程领域
作为建筑材料，混凝土是最常见的人造复合材料，通常由松散的石头和基质水泥组成。它是水泥和骨料的混合物，在世界范围内广泛使用。仅在美国，混凝土生产是一个年产值300亿美元的行业，而在全球范围内，预拌混凝土行业是混凝土市场中最大的部分，2015年的收入超过了1000亿美元。
混凝土对制造商来说并不昂贵，而且抗压强度很高。但是，混凝土的抗拉强度差，因此在拉伸时容易破裂。为了减少这种情况，将其他材料（例如钢筋，某些塑料或陶瓷棒）嵌入混凝土中，混凝土主要成分如图3所示。这些高抗拉强度的材料可帮助混凝土在张紧时承受更大的载荷。
图3 混凝土的主要成分
通常，在需要高刚度和轻质的领域会使用高性能但更经济有效的碳纤维复合材料。虽然玻璃纤维复合材料成本要低得多，但是由于性能有限，因此只能用于强度和重量要求不高的应用中。
在军用飞机中，出于性能和有效载荷的原因，重量轻是王道。因此，当前，碳纤维复合材料和芳纶纤维复合材料是用于制造飞机的最佳材料。现在，商用飞机行业也发生了同样的情况，也许，最引人注目的例子是波音787，机身材料中碳纤维复合材料占比超过50%（图4），且多数为碳纤维层压板复合材料和碳纤维夹芯复合材料结构。
图4 波音787飞机中的复合材料
如今全球一些主要的汽车制造商越来越多地转向复合材料，以帮助他们达到日益严格的性能和重量目标，从而最终提高燃油效率并降低制造成本。使用的最典型材料是玻璃纤维/聚氨酯和玻璃纤维/聚酯。
除了上面提到的复合材料外，一些更高端的制造商也使用碳纤维并取得了很大的效果。特斯拉（Tesla，图5）、法拉利（Ferrari）、兰博基尼（Lamborghini）和其他许多制造商都增加了碳纤维的使用，以减轻重量，增加刚度和强度，从内部到小型车身零件再到整个底盘部件。
图5 特斯拉内部碳纤维套件
通过在内部设计、门槛、上门槛、仪表盘、立体声和中控台饰板中采用碳纤维，特斯拉极大地提高了汽车的外观和运动性，并具有减轻汽车整体重量的额外好处。
家用家电：炊具、洗碗机、冰箱、洗衣房、制冰机和小家电。
能源领域：风力涡轮机、燃料电池、太阳能电池板和水泵。
船体材料：引擎盖、个人船只、船上通道盖、马达罩。
家庭厨卫：水龙头、水槽、下水道、淋浴和浴缸。
其他产品：手机盒、笔记本电脑盒、仪器盒、珠宝、手表等。