【复合材料发展概述2000字】

复合材料发展概述1953年，在中国西安挖掘出的原始半坡遗址，经证实属于有6000~6700多年历史的新石器时代前期原始社会，考古发现其墙壁和坯砖使用草掺入泥中制成，这是迄今为止人类发现的最古老的复合材料。公元前3400年，美索不达米亚人(Mesopotamians)将木条以不同角度粘在一起形成胶合板制造出了更具代表意义的复合材料[11]。由于生产工艺的限制及制品强度的不足，早期的复合材料更多的是以经验传播的方式应用在民用领域，还未建立起复合材料的相关理论依据。现代复合材料技术始于20世纪40年代，玻璃纤维和合成树脂开始大量商品化生产，玻璃纤维增强树脂基复合材料发展成为重要的工程材料，并得到了系统的研究和积极的应用。由于产品性能低、产量大、使用面广，早期发展出的复合材料被称为常用复合材料[12,13]。到20世纪60年代时，随着国际航空航天技术的发展及国防军备的竞赛，以碳纤维、硼纤维等高性能纤维为增强材料的复合材料逐渐发展起来，被称为先进复合材料[14,15]。图1-1显示了复合材料的发展历程及各时期相对重要程度，可以看出从20世纪中叶开始出现了具有现代意义的复合材料，与金属、高分子聚合物和陶瓷一起构成了四大重要结构材料。美国国防部(DOD)对2025年国防材料发展预测中指出，目前唯有复合材料才能既满足耐高温要求，又能保证强度及模量在现有基础上提高25%[16]。与其他材料相比，复合材料具有丰富的多尺度、多层次结构，且各尺度、各层次结构与复合材料宏微观性能之间关联更加丰富[3,4,9]。复合材料由基体与增强材料构成，两者在功能上相辅相成而产生复合效应，使得复合材料兼顾了两者的优势而获得了超越单一材料的性能和功能。与传统的金属及合金材料相比，复合材料具有更高的比强度、比刚度和比模量。同时，复合材料的各项性能都能根据产品的服役环境要求通过组分选材、基体改性或界面控制等技术实现，具有很灵活的可设计性[17]。此外，复合材料还具有耐疲劳、抗磨损和各向异性等优点，在工程应用领域展现了极大的优势[18]。图1-1复合材料的发展历程及各时期相对重要程度复合材料按其基体材料的不同，通常可分为金属基复合材料、陶瓷基复合材料、聚合物基复合材料、碳/碳复合材料和纳米复合材料。其中，聚合物基复合材料也被称为树脂基复合材料，由树脂基体和纤维增强材料复合而成，是技术比较成熟且应用最为广泛的一类复合材料[19]。增强材料能起到提高强度、改善性能的作用，常用的树脂基复合材料增强材料包括玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维和超高分子量聚乙烯纤维等。同时，树脂基体有助于将纤维粘接成一个整体，并保持纤维的方向和位置，起到了传递与分散载荷的作用。通常树脂基复合材料中使用的树脂可以分为热塑性树脂、热固性树脂、以及相应的改性或共混基体。热塑性树脂具有可反复加热软化、冷却固化的特点，常用的有聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯等；而热固性树脂加热到一定温度后就会变成固体，固化后即使加热温度再上升也不会溶化，主要有酚醛、环氧、氨基和不饱和聚酯等。由于热固性树脂更容易浸润纤维，相应的纤维增强复合材料更容易成型相对复杂的制件，具有更好的耐高温、耐辐射和耐热湿环境的性能[20]，因此热固性复合材料在航空航天飞行器的壳体和耐高温部件中的应用大于热塑性复合材料[21]。先进复合材料主要以纤维增强树脂基复合材料为主，在实际发展中，碳纤维增强树脂基复合材料以其具有轻质高强、耐热耐腐蚀和可塑性强等优点，逐渐应用到能源汽车、航空航天及国防装备领域中[22-27](图1-2)。世界上处于领先地位的风机叶片制造商丹麦LMGlassfiber公司，大量采用了碳纤维/环氧树脂预浸料生产复合材料风力发电机叶片，能有效地保证在极端风载下叶片具有足够的刚度，同时具有更轻的叶片质量，如图1-2(a)所示。图1-2(b)为中国暗物质粒子探测卫星“悟空”，实现了全复合材料结构的高精度制造，极大的降低了空间飞行器的重量和发射成本，而在承载能力、刚度等方面完全不亚于同类金属材质结构。美国超级跑车HennesseyVenomF5(图1-2(c))采用了全碳纤维车身，车重仅1360kg，其轻重量、低阻力和超强动力组合使得该车最高时速超过480km/h。欧洲“台风”战斗机EF-2000(图1-2(d))广泛采用了碳纤维和玻璃纤维增强复合材料制造，复合材料占全机比例约40%，在不使用矢量发动机的情况下就具有优异的超机动性能。瑞士皮拉图斯公司(Pilatus)生产的PC-24公用机(图1-2(e))大量使用了由碳纤维和玻璃纤维制成的部件，重量轻到足以在简易跑道和平整草地起飞和降落。此外，碳纤维树脂基复合材料在国防装备领域主要应用于导弹弹头、弹体箭体和发动机壳体的结构部件上，如碳纤维/酚醛树脂是弹头端头、发动机喷管喉衬及耐烧蚀部件等重要防热材料，在侏儒、民兵、三叉戟等美军战略导弹上均已成熟应用[28]。树脂基复合材料的大量运用不仅使导弹的性价比达到最佳值，同时使得整个导弹系统的性能得到了显著提升，图1-2(f)为装备于美国海军俄亥俄级核潜艇上的三叉戟战略导弹UGM-133A。图1-2先进树脂基复合材料在能源汽车、航空航天及国防装备领域的应用航空航天及国防装备行业的发展代表了一