复合材料（Composite Materials）

领域概述：复合材料是由两种或两种以上物质在微观尺度上组成的新材料，通过各组元的协同作用获得单一材料难以兼得的性能组合。典型的复合材料包括纤维增强复合材料（如玻璃纤维/碳纤维增强树脂基复合材料）、颗粒增强复合材料（如碳化硅颗粒增强铝基复合材料）、层状复合材料（如金属-陶瓷层状装甲、防弹玻璃等）。以纤维增强聚合物基复合材料（FRP）为例，增强纤维提供高强度和刚性，聚合物基体则传递应力并赋予材料整体形状，可设计出比强度和比模量远超钢铝的结构件（这使其在航空航天、赛车等对重量敏感的领域大显身手）。复合材料设计的关键在于界面（interface） 工程：纤维与基体之间的界面结合需要足够强以有效传递载荷，但又不能过于脆弱，否则复合材料会过早发生界面脱粘失效。“界面对复合材料性能至关重要，因为载荷正是通过界面从基体传递到纤维”。因此，在制造时常对纤维表面进行处理（偶联剂涂覆等）以改善界面粘结。复合材料另一个重要特点是可设计性：通过改变增强体的类型（纤维、织物、颗粒等）、体积分数、取向和基体种类，可以定制材料在不同方向的性能。比如，单向碳纤维复合材料在纤维方向的强度极高，但垂直纤维方向则需要层压多轴织物来提升各向同性。 

制备工艺方面，不同形式的复合材料有各自适用的方法。对于连续纤维增强的热固性树脂基复合材料，预浸料-热压罐成型是常用工艺：将浸有树脂的纤维预浸料按设计铺层，置于真空袋内抽真空并在热压罐中升温加压，使树脂流动并固化，得到高性能层合板。树脂传递模塑 (RTM) 则是一种高效工艺：将干燥的纤维预成型件放入密闭模具，真空或加压注入低粘度树脂使其浸透纤维，然后加热固化。RTM 适合中等批量生产复杂结构件，在汽车和风能叶片等领域应用广泛。针对热塑性基体的复合材料，可采用熔融纤维铺放、热压直层成型等工艺，由于热塑基体黏度大，工艺难度相对更高。颗粒/短纤维增强复合材料往往通过粉末冶金、搅拌铸造等方法制备，如将陶瓷颗粒混入金属熔体中铸造成形，或将短纤维和基体粉末混压烧结。层状复合材料可以通过轧制复合法或爆炸焊接等方法连接不同材料层。无论何种工艺，复合材料制备过程中的关键在于：确保增强相在基体中均匀分散，避免团聚或偏析；控制工艺参数以减少孔隙等缺陷；以及通过适当固化/烧结周期获得理想的界面和显微结构。

复合材料的应用覆盖航空航天（机身蒙皮、火箭壳体）、汽车（车身板件、传动轴）、能源（风机叶片、压力容器）、体育用品（球拍、自行车架）等诸多领域。在这些应用中，复合材料充分利用其高比强度/比刚度、抗疲劳和耐腐蚀等优势，实现了减重和性能提升。但复合材料也有挑战，例如层间剪切强度较低、损伤检测困难、回收利用不易等，需要通过设计和结构冗余加以克服。总之，复合材料是一个高度工程化的领域，要求材料科学者具备材料学知识与结构力学思维，把材料设计与结构设计融为一体，才能开发出满足苛刻服役要求的新型复合材料。

参考学习资料

1) 课程 / 公开课

学银在线：复合材料力学（南京航空航天大学）
中文线上课；适合已修材料力学的本科生/工程师。覆盖单向层合板的各向异性弹性、铺层设计与经典层合板理论、失效准则与工程算例；配套视频与题库。
链接：https://www.ulearning.cn（课程门户，检索“复合材料力学—南京航空航天大学”）。

Swayam：Mechanics of Composite Materials and Structures（IISc Bangalore）
英文 MOOC，建议具备材料力学与弹性基础。主题含本构与各向异性弹性、单层/层合板分析、夹层结构与黏弹行为；提供讲义与作业。
链接：https://onlinecourses.swayam2.ac.in/（课程平台目录，检索课程名）。

Georgia Tech：Introduction to Engineering Composite Materials（线上开放）
面向工程实践的入门课程；讲授增强体/基体、界面与载荷传递、铺层与制造工艺的工程要点；含讲义与算例。官方独立课程页不稳定，可据学院课程目录检索。

2) 教材 / 书籍

Springer：Composite Materials—Science and Engineering（K. K. Chawla，3e，2012/2013）
经典教材，适合本科高年级/研究生；关键词：纤维与基体性质、界面与载荷传递、断裂与增韧、疲劳与环境效应；配有图示与实例，兼顾概念与推导。
链接：https://link.springer.com/book/10.1007/978-0-387-74365-3。

清华大学出版社：《复合材料原理（第3版）》〔朱和国 等，2021〕
中文系统教材；覆盖复合材料分类、增强体/基体特性、界面原理、力学性能分析与制造工艺，新增纳米/生物复合材料章节；配习题。
链接：https://www.tup.tsinghua.edu.cn/booksCenter/book_09411601.html。

CRC Press：Mechanics of Composite Materials（Autar K. Kaw，2e，2005）
偏重复合材料力学与计算；涵盖各向异性弹性、层合理论、渐进破坏与失效准则，配大量例题，适合工程计算与课程配套。
链接：https://www.routledge.com/Mechanics-of-Composite-Materials/Autar/p/book/9780849313438。

4) 手册 / 标准 / 数据库

ASM Handbook Vol.21：Composites（ASM International，Updated Edition）
工程实践参考，面向材料与制造工程师；系统收录各类复合材料的加工、检测、设计与行业应用案例，便于查阅工艺窗口与失效经验。
链接：https://dl.asminternational.org/handbooks/pages/Handbooks_by_Volume（卷目目录），https://dl.asminternational.org/handbooks/edited-volume/62/Composites-Volume-21。

顶级期刊： 包括 Composites Science and Technology、Composite Structures 等。