【专业讲堂】关于复合材料的系列科普知识（一）：概念及组成

什么是复合材料？

复合材料是通过将两种或多种其他材料结合在一起制备而成的，因此它们可以互为补充、互相改善，但在最终产品中也会保持自己的独特特征。因此，复合材料不是化合物，也不是混合物。

通俗地讲，复合材料就像混凝土一样，在水泥之间点缀着各种尺寸的石头，也类似于钢筋混凝土结构，它是将钢置于湿混凝土，从效果上就是一种复合材料。

为什么需要复合材料？

之所以选择使用复合材料，至少一个重要的前提在于，复合材料比制造该材料的原材料性能更好，否则就没有意义了。再回到混凝土上，如果将其用于垂直梁以承受建筑物或建筑物向下推的重量，则它非常坚固。

但是如果将它压扁，它就变得相当脆弱，如果在拉伸状态下，沿着水平方向使用它，有时候它会发生弯曲。对于具有许多水平梁的建筑物，这显然是一个主要问题。一个很好的解决方案是将湿混凝土浇筑在紧密的钢筋周围，以使其凝固成称为钢筋混凝土的复合材料。

钢材在受拉时会拉紧混凝土并阻止其折断，而混凝土则可防止锈蚀和腐烂，最终得到的是一种在拉伸和压缩方面均能很好发挥作用的复合材料。

因此，增强强度是制造复合材料的最常见原因，但这不是唯一的原因。有时，我们正在寻求一种传统材料的改进材料，比如可能需要一个比金属具有更好耐疲劳性的飞机零件，当它在飞行中反复受到压力和张力时不会折断。

或者我们需要一个比普通陶瓷能够在更高温度下正常运转的发动机部件，又或者也许我们需要一种坚硬而又轻巧的塑料，可以比普通塑料携具有更好的导热性和导电性。复合材料正是在所有这些情况下为我们提供帮助。

复合材料是如何制成的？

复合材料通常由两种主要材料组成：一种称为基体，另外一种添加物则被称为增强物（或增强相）。虽然人们经常倾向于增强相是由纤维（如玻璃纤维、碳纤维）组成，但事实并非总是如此。

在钢筋混凝土中，所谓的“纤维”就是大型的扭曲钢丝。在玻璃纤维中，它们是玻璃的细须。有时，增强材料也可以由颗粒、晶须等组成，也可以由折叠的纺织品制成。

在颗粒增强复合材料中，增强颗粒在基体中的排列方式决定了复合材料在每个方向（isotropic, 各向同性）具有相同的机械性能还是在不同方向（anisotropic, 各向异性）具有不同的机械性能。所有指向相同方向的纤维都将形成复合各向异性：它将在一个方向上比另一个方向更牢固。另一方面，在复合材料中随机定向的微粒、晶须或纤维会使其在所有方向上均具有相同的强度。

无论采用哪种形式，钢筋的工作都是承受施加在材料上的力，而基体的工作将钢筋牢固地固定在适当的位置，并且保护它免受热、湿和其他环境损害。

在后续一期关于复合材料的科普讲堂中将会详细介绍复合材料的分类的未来的发展趋势。