精选
强度性质“1+1大于2”的复合
宿舍正在安装楼外电梯，前几天从窗户向下看去，工人们正准备浇注混凝土的地井。先用钢筋扎好地基和墙体，然后用金属模板围在墙的两边。下图中，这位工人正在把模板拼装起来。然后才可以往墙体之间浇注混凝土。
看到这种浇注混凝土墙体的过程，就想起来近半个世纪前在农村盖房子的情况。东北农村盖房子打墙的过程，从原理上来说，与上面所说的浇铸混凝土墙体是基本上一样的，相差的仅仅是材料的不同。
这里所说的打墙就是筑墙，可不是现在城市里房子装修把间壁墙打掉。过去盖房子总要先打墙，《红楼梦》里凤姐说：“打墙也是动土，已经惊动了人，今日乐得还去逛逛。 ”俗话“鬼打墙”也是说“鬼”在人前“筑墙”。
这种打墙的原理，其实至少在两千多年前就已经被人们运用了。过去这种筑墙方式，称为版筑。版筑先得有版，即八尺或一丈长、二尺来宽的木板。在需要筑墙处的两边分别立下木桩，称为“榦（干的繁体字，音gan4，去声）”，把两块版分别靠着两边的“榦”放好，然后往两块版中间夯土。但是，上面已经说了，每一块版有八尺或一丈长，那么在版的两端也需要立上木头，不然墙打高时土就要从两端塌下。这立在两端之木就称为“桢”。“桢”字的原意是硬木，筑墙时立在两端。如果没有桢和榦，就无法放版，也就无法筑墙。《尚书·费誓》：“峙乃桢榦”。唐·孔颖达疏：“桢当墙兩端者也，榦在墙两边者也。”这种打墙的方法，一直沿用到现代，我在农村盖房子或者筑围墙时还是那样做的。
现在建电梯地井的模板是金属板，农村打墙用的是木板。这里浇注的是混凝土，里面放着钢筋。农村打墙用的是泥土，里面的“筋骨”是麦秸。
虽然打墙所用的材料不同，可是在材料的分类中，二者都属于复合材料。所谓复合材料是指将不同性质的材料组分优化组合而成的新材料。
把水泥、沙子和砾石组成了混凝土本身就是一种复合材料。它的强度比单纯的水泥块高，价格却低得多。混凝土的抗压性能很好，却不抗拉伸。钢筋的抗拉伸性能却很好。把两者符合在一起，成为钢筋混凝土，就既抗压又抗拉，强度大大提高，其成本却比钢铸件低了很多。所以，钢筋混凝土就是一种传统的优秀典型复合材料。
北方农村的土墙也因为里面放置了麦秸而强度提高了不少。当然，南方用土墙较少，原因是多雨，虽然加上了“草筋骨”，土墙还是容易被水淋坏，这是材料本身的问题，掺上石灰就好一些。过去在砖墙外抹上墙皮，要用石灰、纸筋或麻刀（碎麻丝）组成的纸筋灰、麻刀灰等，使得墙皮牢固、不容易开裂。等到时间长了，石灰在空气中形成碳酸钙就比较不怕雨淋了。这种放了麦秸的土，放了纸筋、麻刀的纸筋灰、麻刀灰等都可以算是复合材料的滥觞。
复合材料是两种或多种组分按一定方式复合而成的。所谓复合，是宏观上可以看得见的，最多用放大镜或者一般的显微镜能够看得到的一种“放在一起”，而不是发生了化学反应，进行了微观上结合。这种方法是发挥每一种组分材料的优势而避免单一材料的缺陷。
虽然现在我们有很多现代化的复合材料，但是，从这些复合的形态来说，都有很古老的起源。
例如，民间盖房子脱坯（打土坯），如果用的土过于细（黏土），往往太阳一晒就开裂了，这就需要往黏土里面掺沙子。这就是现今所谓“颗粒增强复合材料”的原理。混凝土也是颗粒增强复合材料。
传统的三合板，利用木材在两个方向上强度的差别，重新组合，就比相同厚度的木板强度许多倍。这是“夹层增强复合材料”最原始的应用。
上面已经所说的纸筋灰、麻刀灰那就是“纤维增强复合材料”的古典范例了。
当然，虽然现在流行的这三种增强复合的方式都有很古老的传统，但是，毕竟现在的材料比过去先进得多。
现在我们所使用的材料大致分为：金属材料、无机非金属材料以及有机高分子材料。这些材料各有它们的优缺点。
众所周知，金属材料有韧度好、硬度大的优点，但是普通的金属材料如钢铁等有比重大、易腐蚀等缺陷。而无机非金属材料即各种氧化物、氮化物、碳化物、硅化物、磞化物等有特别硬、特别耐高温的优点，但是往往比较脆。合成高分子材料则都很轻、比较软、抗酸碱腐蚀而不耐高温。
而现代复合材料则要想办法发挥上面这些材料的长处而克服其缺陷。
例如，我们常用的普通塑料（树脂）制品，强度往往是很低的，但是人们把玻璃纤维掺入聚酯类树脂之中，其强度就大大提高了，而且可以和塑料一样注塑成型。这就是玻璃钢。过去，我们去公园游玩，公园湖泊里的游船都是木头的，强度低而且容易腐烂。现在都是玻璃钢的，又不怕腐烂，又不怕碰撞（游人划船，船间碰撞，船与湖岸石条碰撞是常事）。
玻璃钢现在已经被广泛应用与航空、汽车、船舶、建筑和家具行业。
又如，撑杆跳高运动所用的撑杆，最早欧洲人用木杆，笨重而强度低，后来日本人用竹竿，就好得多。金属杆强度也更大，但是过于刚硬。到了使用玻璃纤维树脂，就有了质的飞跃，当然，如今用碳纤维复合树脂的，那就更好了。
碳纤维强度大，又比较耐高温。在环氧树脂、聚酰亚胺树脂等热固性树脂中加入碳纤维成为增强复合材料，是用于航天器材如某些航天器外壳的好材料。它也大量被用于体育运动器材，例如自行车、球拍、球杆、弓箭、滑雪板等等。这些材料都很轻，却有非常高的强度。
玻璃钢、碳纤维增强树脂的基体都是树脂，它们耐高温的性能毕竟较差。金属也可以做增强复合材料的基体，与树脂基体相比较，金属材料基体更耐高温、导电、导热的性能也好，有更好的韧性、更能够抗疲劳。用于做纤维增强复合材料基体的金属有铝、镁、钛和它们的合金，纤维有碳纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维等。这些增强金属复合材料主要用在航空、航天器材、汽车中做结构材料。
如果要求材料能够耐极高的温度，那就需要用无机非金属材料即所谓陶瓷材料做复合材料的基体了。例如，在氧化铝、二氧化硅、氧化锆、氮化硅等陶瓷材料中加入碳纤维、碳化硅晶须等可增加陶瓷的韧性。像航天器进入大气层时将遭遇极高的温度，这时候能够抵抗这种高温的就需要这些增强的陶瓷材料了。
现在，复合材料正越来越多地进入人们的日常生活中，像汽车、火车等交通设备中的各种器材、手机、电脑等日用电器等。很多已经不算什么高科技的东西了，像汽车中的用滑石粉增强聚丙烯（这是一个颗粒增强复合材料的例子）的零件如仪表盘、控制杆等就到处可见。
转载本文请联系原作者获取授权，同时请注明本文来自冯大诚科学网博客。
链接地址：https://wap.sciencenet.cn/blog-612874-1205436.html?mobile=1
收藏
