什么是复合材料

什么是复合材料

一.绪言

材料是高新技术开展和现代文明的物质根底，材料科学一直是活泼的科

学前沿。材料是人类文明开展的里程碑：历史上所谓石器一青铜一铁器时

代，就以材料作为时代标志。材料是技术进步的关键。没有半导体材料，

就不会有计算机；没有耐高温、高强、低容量的结构材料就没有宇航事业。

美国国家关键技术委员会列定了21项关键技术中材料占五项：光电子材

料、金属与合金、陶瓷方才料、高分子材料、先进复合材料。我国863方案

涵括的七大方面：航天、激光、生物工程、新材料、能源、信息、自动化C

材料是其中之一。材料的开发、生产和应用对自然环境和人类社会的影响

是无与伦比的。因此，人们把能源一材料一信息作为现代文明的三大支

柱。

为什么材料，特别是高性能新材料受到世界各国如此重视，得到迅速开

展呢？主要有以下四点原因：(1〕国际军事工业剧烈竞争，航空航天技术

开展需要。下面举几个例子予以佐证。例1,宇宙飞船或卫星返回地面假

设不控制，外表温度可达4000寸。合金钢2019C也熔化了。目前没有任

一和单一材料可抵此温度。飞船宇宙飞行时，外壁温度为零下llOt，返

回地面，高温冲击时间30min,外壁温度为125(TC。美国航天飞机“哥伦

比亚号〃外表覆盖了可重复使用的聚合物基复合材料隔热瓦片30757块，

成功解决了难题。例2,宇宙飞行器上的雷达天线，称为“飞行器眼睛〃。

为降低信号损失，对其尺寸稳定性有严格要求：变形小于万分之一，重量

轻强度高。工作环境却非常严苛：发射加速度冲击与振动，-20(rc-7(rc。

高模量碳纤维/环氧树脂复合材料几乎为唯一满足要求的材料。例3,据计

算，人造卫星减重1kg,运载火箭可减轻500kg。美国MX导弹发动机由碳

纤维/环氧缠绕壳体取代钛合金，射程由1千公里增至4千公里,CFWRP的

比重仅为合金钢确实1/5。例4,美国航天飞机采用了各种先进复合材料：

发动机壳体硼纤维/环氧聚合物基复合材料

压力容器硼纤维/聚酰亚胺

后部机体碳纤维/聚酰亚胺

机体中央局部硼纤维/铝金属基复合材料

机头及主翼前缘碳/碳复合材料

哈尔滨飞机公司引进的法国海豚直升机，碳纤维、Kevlar纤维增强环氧

先进复合材料用量占70%以上。以上例子说明高性能新材料、聚合物基复

合材料迅猛开展的第一个原因。（2）新技术的需要促进了新材料的开展。

[3）地球上金属资源与化石能源越用越少，石油天燃气等本世纪末将用

尽，开发与节约能源为当务之急。据报导，全世界汽车每天用泊约300万

吨，约占世界产油总量的30—40吼采用陶瓷基复合材料制造汽车发动机，

热效率提高50%,可减重20%,省油30%o碳纤维增强塑料汽车可省油20%o

再如：一个年产4.5万吨的人工合成橡胶厂就能抵上45万亩天然橡胶园。

[4）科学技术的进步%新材料的开展提供了条件中国树脂在线。

材料的分类，新材料偏重于应用可分为：信息材料、能源材料、功能高分

子材料（如高效别离膜二新型金属材料〔非晶态金属、新合金等）、先进

复合材料等。从物质组成结构上分为四大类：金属材料、无机非金属材料

（陶瓷、玻璃、水泥等：、高分子材料〔包括三大合成材料：树脂、橡胶、

纤维等）、复合材料。人们对材料的研究，总体归结为两大方面：一是材

料组成、结构与性能关系〔即微观结构与宏观性能的关系〕。二是设计、

制造工艺与产品性能间的关系。代表着结构材料开展趋势的树脂基复合材

料脱颖而出，日益发挥重要作用。20世纪以钢铁为主的时代经过数十年开

展，正逐步演变为复合材料时代。在兴旺国家钢铁需求量逐年下降，而复

合材料需求量猛增。目前美国塑料与树脂基复合材料需求量比钢铁多0.8

倍1体积比)。树脂基复合材料经过半个世纪的开展历程，其理论研究和

工业生产已取得巨大进展，应用范围已扩展至人类生活各领域。

二.复合材料与树脂基体

1.什么是复合材料的定义国内外业界有各种说法。英国人赫尔提出复合

材料分三类：天然复合材料，如木材、骨骼、肌肉等；细观复合材料，如

合金、增强塑料等；宏观复合材料，如钢筋混凝土等。适合于工程结构的

复合材料定义应包含以下三点内容：

(1)含两种或两种以上物理性质不同并可月机械方法别离的多相材料(区

别与混合物和合金)；

(2)可人为控制将一种材料分布到其它材料中，以达最正确性能；

(3)性能优于单独组分材料，并具独特性能。

科学家把复合材料这种扬长避短的作用称为复合效应。人们利用复合效应

可自由选择复合材料组成物质，人为设计各种新型复合材料，把材料科

学推进到了一个新阶段。因此，国外把复合材料称为第四代材料，又称

“设计材料〃。

2.复合材料的分类工程上生产与应用的复合材料内含两类材料：增强材

料与基体材料。

增强材料作用：提供强度与刚度

形态：多为纤维状

材质：玻璃纤维、碳纤维、芳伦〔Kevlar)纤维、硼纤维、碳化硅纤维等。

基体材料作用：将增强材料粘接成固态整体，保护增强材料，传递荷载，

阻止裂纹扩展；材质：合成树脂。分为热固性树脂与热塑性树脂两大类；

金属；陶瓷；水泥

根据基体的不同复合材料又细分为：

聚合物基复合材料，又称纤维增强塑料。分为纤维增强热固性塑料FRP

与纤维增强热塑性塑料FRTP。应用最广的为玻璃纤维增强塑料GRP

(GlassReforcedPlastics)；金属基复合材料，如连续或非连续硼纤维、

碳纤维增强铝镁、钛、银等金属基体；陶瓷基复合材料，如碳纤维、碳化

硅1SiC)晶须增强陶瓷，极大提高了陶瓷的韧性(提高断裂韧性最高可

达9倍以上)；水泥基复合材料，如碳纤维、玻璃纤维、植物纤维增强水

泥等；碳纤维增强碳基体称为C/C复合材料。上述诸种复合材料，目前全

世界产量最大应用最广〔约90%以上)首推聚合物基复合材料。

3.聚合物基复合材料的特性

(1)轻质高强。以CFRP为例：与钢相比，比重仅为钢的1/5,比强度为

钢的8倍，比模量为3.6倍，疲劳强度为2.7倍，抗拉强度为1.4倍。

(2)耐腐蚀性优异。全世界每年腐蚀金属约L2亿吨，我国金属腐蚀损

失每年约600亿以上。FRP因根本不发生金属的电化学腐蚀，可取代昂贵

的不锈钢。

(3)制造容易，生产率高。美国阿特拉斯导弹，用纤维缠绕聚合物基复

合材料壳体取代合金钢，生产周期缩短为1/3。波音公司某型飞机由11000

个金属零部件组成，改用聚合物基复合材料仅为150