什么是复合材料

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一．绪言
材料是高新技术发展和现代文明的物质基础，材料科学一直是活跃的科学前沿。

材料是人类文明发展的里程碑：历史上所谓石器—青铜—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、低容重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、陶瓷材料、高分子材料、先进复合材料。

我国863计划涵括的七大方面：航天、激光、生物工程、新材料、能源、信息、自动化。

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—材料—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，得到迅速发展呢？主要有以下四点原因：〔1〕国际军事工业激烈竞争，航空航天技术发展需要。

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℃。

合金钢2019℃也熔化了。

目前没有任一种单一材料可抵此温度。

飞船宇宙飞行时，外壁温度为零下110℃，返回地面，高温冲击时间30min，外壁温度为1250℃。

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，-200℃~70℃。

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的比重仅为合金钢的确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
机体中央部分硼纤维/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发展的第一个原因。

〔2〕新技术的需要促进了新材料的发展。

〔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，全世界汽车每天用油约300万吨，约占世界产油总量的30—40%。

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%。

碳纤维增强塑料汽车可省油20%。

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〕科学技术的进步为新材料的发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〔如高效分离膜〕、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。

代表着结构材料发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发展，正逐步演变为复合材料时代。

在发达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〔体积比〕。

树脂基复合材料经过半个世纪的发展历程，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用机械方法分离的多相材料〔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、镍等金属基体；陶瓷基复合材料，如碳纤维、碳化硅〔SiC〕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1.2亿吨，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1500个零部件，减少90%。

〔4〕可设计性好。

纤维增强材料的数量与方向可根据受力情况调变；以最大程度提高结构抗力。

如纤维缠绕成型的FRP容器或管道，选定纤维缠绕角为5444，那么可实现轴向环向等强度。

而金属压力容器与管道却实现不了。

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