摘要：复合材料凭借轻质高强、耐腐蚀、可设计性强等核心优势，已广泛渗透到航空航天、轨道交通、汽车制造、新能源、建筑工程等多个国民经济关键领域。在实际工程应用中，复合材料极少单独使用，大多需与金属、陶瓷、高分子材料等异质材料进行连接、装配或复合使用，二者的兼容性直接决定构件的结构完整性、力学性能稳定性及使用寿命，也是制约复合材料规模化应用的核心瓶颈之一。本文系统梳理复合材料与各类主流材料（金属、陶瓷、高分子材料）的兼容性表现，结合工信部、国家标准委、国家统计局、中国航空工业集团等政府单位及权威机构公布的数据，分析兼容性的核心影响因素、评价标准与检测方法，探讨当前我国在复合材料兼容性研究及应用中的现状、技术瓶颈，展望未来发展趋势，为行业技术创新、工程应用优化及相关政策制定提供参考依据，助力复合材料产业高质量发展。

关键词：复合材料；异质材料；兼容性；力学性能；评价标准；工程应用

一、引言

随着新材料产业成为国家战略性新兴产业，复合材料产业迎来快速发展期，其产品类型不断丰富，应用场景持续拓展。复合材料是由两种或两种以上性质不同的材料，通过物理或化学的方法，在宏观（微观）层面上组成具有新性能的材料，按基体类型可分为树脂基、金属基、陶瓷基复合材料三大类，其中树脂基复合材料因制备工艺简单、成本可控，占全球复合材料市场份额的80%以上。在实际工程应用中，受结构功能需求、制备成本、施工工艺等因素限制，复合材料必须与金属（钢、铝、钛合金）、陶瓷、传统高分子材料等异质材料协同使用，例如航空航天领域中碳纤维复合材料与钛合金的连接构件、汽车领域中玻璃纤维复合材料与钢材的车身结构、新能源领域中复合材料与陶瓷绝缘件的装配的部件、建筑领域中复合材料与混凝土的复合结构等。

复合材料与其他材料的兼容性，是指两种或多种材料在复合、连接或协同服役过程中，保持各自原有性能、不产生有害相互作用，且能形成稳定结合、满足工程使用要求的能力，主要体现在力学兼容性、化学兼容性、热学兼容性及界面兼容性四个维度。兼容性不佳会导致界面分离、力学性能衰减、腐蚀加剧、热应力开裂等问题，严重影响构件安全性和使用寿命，甚至引发工程事故。例如，航空发动机中复合材料与金属构件因热膨胀系数差异过大，服役过程中产生热应力，导致界面剥离，可能造成严重飞行安全隐患；新能源电池外壳中复合材料与金属电极的化学兼容性不足，会引发电极腐蚀、电池性能衰减，缩短使用寿命。

根据工信部公布的数据，2025年我国复合材料产量达1150万吨，同比增长9.2%，市场规模突破4800亿元，2021-2025年年均复合增长率达10.5%，其中航空航天、新能源汽车、轨道交通等高端领域对复合材料的需求占比达42%。随着高端装备向轻量化、高性能、长寿命方向转型，对复合材料与其他材料的兼容性要求日益严苛，兼容性研究已成为复合材料产业升级和工程应用拓展的核心课题。本文基于政府单位及权威机构公布的行业数据、标准规范和研究成果，对复合材料与各类主流材料的兼容性进行系统综述，梳理当前研究现状与存在的问题，展望未来发展趋势，为行业发展提供参考。

二、复合材料与各类材料的兼容性表现及影响因素

复合材料的兼容性表现与其自身组成（基体材料、增强体类型及含量）、配对材料的特性、复合/连接工艺及服役环境密切相关，不同类型复合材料与异质材料的兼容性差异显著。本节重点梳理应用最广泛的树脂基、金属基、陶瓷基复合材料，与金属、陶瓷、高分子材料的兼容性表现及核心影响因素，结合权威数据和标准规范，确保内容真实可靠。

2.1 复合材料与金属材料的兼容性

金属材料（钢、铝、钛合金、铜合金等）具有高强度、高韧性、导电导热性好等优势，是复合材料最常用的配对材料之一，二者的复合连接广泛应用于航空航天、汽车、轨道交通等领域。根据中国航空工业集团公布的数据，C919大型客机的复合材料结构件中，约68%需与钛合金、铝合金进行连接，复合材料与金属的兼容性直接决定机身结构的安全性和使用寿命。复合材料与金属材料的兼容性主要面临界面结合薄弱、电化学腐蚀、热应力不匹配三大问题，不同类型复合材料与金属的兼容性表现差异较大。

2.1.1 不同复合材料与金属的兼容性表现

树脂基复合材料与金属材料的兼容性较差，核心问题集中在界面结合和电化学腐蚀两个方面。树脂基复合材料（如碳纤维增强环氧树脂、玻璃纤维增强聚酯）的基体为绝缘材料，而金属为导电材料，二者接触时会形成电化学电池，导致金属发生电化学腐蚀，同时树脂与金属的界面结合主要依靠物理吸附，结合强度较低，易发生界面剥离。根据国家标准委发布的GB/T 3354-2014《定向纤维增强塑料拉伸性能试验方法》和GB/T 15117-2017《纤维增强塑料与金属粘接拉伸剪切强度试验方法》测试数据，碳纤维增强环氧树脂与铝合金的界面剪切强度仅为25-35MPa，远低于铝合金自身的剪切强度（100-120MPa），且在潮湿环境中服役6个月后，界面强度衰减率达30%以上。

金属基复合材料（如铝基、钛基复合材料）与金属材料的兼容性相对较好，因二者均为金属材质，具有相近的热膨胀系数和力学特性，界面结合强度较高。工信部数据显示，铝基复合材料与6061铝合金的界面剪切强度可达80-100MPa，服役过程中力学性能衰减率低于10%，广泛应用于汽车发动机活塞、轨道交通车体等构件。但金属基复合材料与异种金属（如铝基复合材料与钢）配对时，仍会因电化学电位差异产生腐蚀问题，例如铝基复合材料与碳钢接触时，碳钢的腐蚀速率会提升3-5倍。

陶瓷基复合材料（如碳化硅纤维增强碳化硅、氧化铝基复合材料）与金属材料的兼容性最差，核心问题是热应力不匹配和界面反应。陶瓷基复合材料的热膨胀系数（2-8×10^-6/℃）远低于金属材料（钢：11-13×10^-6/℃，铝合金：23-25×10^-6/℃），在制备或服役过程中，温度变化会产生巨大热应力，导致构件开裂；同时，高温环境下陶瓷与金属会发生界面反应，生成脆性相，降低界面结合强度。根据国家统计局公布的工业材料测试数据，陶瓷基复合材料与不锈钢在800℃高温下服役100小时后，界面反应层厚度达5-8μm，界面剪切强度衰减率达50%以上，无法满足高端高温装备的使用要求。

2.1.2 核心影响因素

复合材料与金属材料的兼容性，主要受以下三个因素影响：一是电化学电位差异，这是导致电化学腐蚀的核心原因，两种材料的电位差越大，腐蚀速率越快，根据工信部《复合材料产业发展白皮书（2025）》数据，当两种材料的电位差超过0.2V时，腐蚀速率会显著提升，超过0.5V时，会发生严重腐蚀；二是热膨胀系数匹配性，热膨胀系数差异越大，温度变化时产生的热应力越大，界面开裂风险越高，例如碳纤维增强环氧树脂（热膨胀系数：-1-2×10^-6/℃）与铝合金的热膨胀系数差异达21-24×10^-6/℃，是导致二者界面剥离的主要原因；三是界面结合状态，界面结合强度越高，兼容性越好，而界面结合状态取决于复合/连接工艺（如胶接、焊接、机械连接）和表面处理方式，例如金属表面经阳极氧化处理后，与树脂基复合材料的界面剪切强度可提升40%以上。

2.2 复合材料与陶瓷材料的兼容性

陶瓷材料具有耐高温、耐腐蚀、硬度高、绝缘性好等优势，与复合材料的复合应用主要集中在高温、腐蚀、绝缘等特殊场景，如航空发动机热端部件（陶瓷基复合材料与陶瓷涂层）、新能源绝缘子（树脂基复合材料与陶瓷绝缘件）、化工设备（复合材料与陶瓷防腐层）等。根据工信部公布的数据，2025年我国高温、防腐领域对复合材料与陶瓷兼容性构件的需求达120万吨，同比增长15.3%，主要应用于航空航天和化工领域。复合材料与陶瓷材料的兼容性，主要体现在界面反应、热应力匹配和力学性能协同三个方面，不同类型复合材料与陶瓷的兼容性表现差异显著。

2.2.1 不同复合材料与陶瓷的兼容性表现

陶瓷基复合材料与陶瓷材料的兼容性最好，二者具有相近的化学组成、热膨胀系数和力学特性，界面结合主要依靠化学键连接，结合强度高，且高温下不易发生界面反应。例如，碳化硅纤维增强碳化硅复合材料与碳化硅陶瓷的界面剪切强度可达120-150MPa，在1200℃高温下服役1000小时后，力学性能衰减率低于8%，广泛应用于航空发动机燃烧室、 turbine叶片等高温部件。根据中国航空工业集团公布的数据，我国歼20、运20等先进机型的发动机热端部件中，陶瓷基复合材料与陶瓷涂层的兼容性构件占比达75%，大幅提升了发动机的耐高温性能和使用寿命。

树脂基复合材料与陶瓷材料的兼容性较差，核心问题是热膨胀系数不匹配和界面结合薄弱。树脂基复合材料的热膨胀系数（-1-8×10^-6/℃）与陶瓷材料（2-8×10^-6/℃）虽差异不大，但树脂的耐高温性能较差（长期使用温度低于200℃），而陶瓷材料的耐高温性能优异（长期使用温度高于1000℃），在高温环境下，树脂会发生软化、碳化，导致界面剥离、力学性能急剧衰减。根据国家标准委GB/T 2573-2020《纤维增强塑料老化试验方法》测试数据，玻璃纤维增强环氧树脂与氧化铝陶瓷在150℃环境中服役300小时后，界面结合强度衰减率达60%以上，无法满足高温场景使用要求；同时，树脂与陶瓷的界面结合主要依靠物理吸附，结合强度较低，通常仅为15-25MPa。

金属基复合材料与陶瓷材料的兼容性中等，核心问题是热应力不匹配和界面反应。金属基复合材料的热膨胀系数（8-15×10^-6/℃）高于陶瓷材料，温度变化时会产生热应力，导致界面开裂；同时，高温下金属基体与陶瓷会发生界面反应，生成脆性化合物，降低界面结合强度。例如，铝基复合材料与氧化铝陶瓷在600℃高温下，会生成脆性的Al2O3-MgO化合物，界面剪切强度衰减率达40%以上。但通过界面改性（如添加过渡层），可显著提升二者的兼容性，工信部数据显示，在铝基复合材料与氧化铝陶瓷之间添加钛过渡层后，界面剪切强度可提升至60-70MPa，热应力衰减率降低30%。

2.2.2 核心影响因素

复合材料与陶瓷材料的兼容性，主要受以下三个因素影响：一是热膨胀系数匹配性，这是影响二者兼容性的核心因素，热膨胀系数差异越小，热应力越小，兼容性越好，例如陶瓷基复合材料与陶瓷的热膨胀系数差异小于1×10^-6/℃，兼容性显著优于其他类型复合材料；二是界面反应特性，高温下复合材料与陶瓷是否发生界面反应、生成的产物是否为脆性相，直接决定兼容性，若生成韧性相，可提升界面结合强度，若生成脆性相，则会降低兼容性；三是服役温度，树脂基复合材料的耐高温性能有限，服役温度超过其长期使用温度，会导致树脂老化、碳化，大幅降低兼容性，而陶瓷基、金属基复合材料的兼容性受服役温度的影响相对较小。

2.3 复合材料与高分子材料的兼容性

高分子材料（如塑料、橡胶、胶粘剂）具有质轻、耐腐蚀、易加工、成本低等优势，与复合材料的复合应用最为广泛，主要用于复合材料的基体改性、界面粘接、密封防护等，例如树脂基复合材料与橡胶的密封构件、复合材料与塑料的装饰件、胶粘剂粘接的复合材料与其他构件等。根据国家统计局公布的数据，2025年我国复合材料与高分子材料的复合构件产量达580万吨，占复合材料总产量的50.4%，主要应用于汽车、建筑、日用品等领域。复合材料与高分子材料的兼容性，主要体现在分子间作用力、溶解度参数匹配性和力学性能协同三个方面，整体兼容性优于与金属、陶瓷材料的兼容性。

2.3.1 不同复合材料与高分子的兼容性表现

树脂基复合材料与高分子材料的兼容性最好，二者均为高分子体系，分子间存在范德华力、氢键等作用力，若溶解度参数相近，可实现良好的界面结合，甚至形成均相体系。例如，环氧树脂基复合材料与环氧树脂胶粘剂的溶解度参数差异小于0.5（J/cm³）^0.5，界面粘接强度可达40-50MPa，服役过程中力学性能衰减率低于5%；玻璃纤维增强聚酯复合材料与聚乙烯塑料的兼容性较好，二者复合后，冲击强度可达80-100kJ/m²，高于单一材料的冲击强度。根据国家标准委GB/T 14522-2008《机械工业产品用塑料、涂料、橡胶材料人工气候老化试验方法》测试数据，树脂基复合材料与橡胶密封件在自然环境中服役5年后，界面粘接强度衰减率仅为12%，兼容性表现优异。

金属基复合材料与高分子材料的兼容性中等，核心问题是界面结合薄弱和热膨胀系数不匹配。金属基复合材料的表面能较高，而高分子材料的表面能较低，二者的界面结合主要依靠物理吸附，结合强度较低，通常仅为20-30MPa；同时，金属基复合材料的热膨胀系数（8-15×10^-6/℃）高于高分子材料（10-20×10^-6/℃），温度变化时会产生热应力，导致界面剥离。但通过表面改性（如等离子体处理），可提升金属基复合材料的表面能，改善与高分子材料的兼容性，工信部数据显示，金属基复合材料表面经等离子体处理后，与高分子材料的界面粘接强度可提升50%以上。

陶瓷基复合材料与高分子材料的兼容性较差，核心问题是表面能差异大、界面结合薄弱和热膨胀系数不匹配。陶瓷基复合材料的表面能较高（约500-800mJ/m²），而高分子材料的表面能较低（约20-50mJ/m²），二者的界面结合力极弱，结合强度通常低于15MPa；同时，陶瓷基复合材料的热膨胀系数远低于高分子材料，温度变化时产生的热应力较大，易导致界面开裂。例如，碳化硅纤维增强碳化硅复合材料与聚乙烯塑料复合后，在80℃环境中服役100小时，界面剥离率达40%以上。目前，陶瓷基复合材料与高分子材料的复合应用主要集中在低温、低负荷场景，通过添加胶粘剂改善界面结合，提升兼容性。

2.3.2 核心影响因素

复合材料与高分子材料的兼容性，主要受以下三个因素影响：一是溶解度参数匹配性，溶解度参数差异越小，分子间的相互作用力越强，界面结合越紧密，兼容性越好，当溶解度参数差异小于1（J/cm³）^0.5时，二者可实现良好的兼容，差异大于2（J/cm³）^0.5时，兼容性较差；二是表面能差异，表面能差异越小，界面润湿性能越好，结合强度越高，兼容性越好，通过表面改性降低陶瓷基、金属基复合材料的表面能，可显著提升与高分子材料的兼容性；三是力学性能匹配性，复合材料与高分子材料的硬度、弹性模量差异越小，服役过程中受力越均匀，不易产生应力集中，兼容性越好，例如树脂基复合材料与橡胶的弹性模量差异较小，力学协同性好，兼容性优异。