新型复合材料的发展与应用

新型复合材料的发展与应用复合材料是应现代科学技术发展而涌现出的一类具有极大生命力的新材料，它们均由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合起来而得到的一种多相固材料。复合材料区别于单一材料的显著特征是材料性能的可设计性，即经过选择性设计和加工，通过各组分性能间的相互补充，可获得新的优良性能。

生活中有许许多多的复合材料，传统的复合材料有钢筋混凝土，玻璃钢鱼竿、一体成型的鞋子、用于开关绝缘的合成树脂等。新型复合材料是具有更高性能的材料，具有比强度高、比模量高、密度低等，它包括用碳、芳纶、瓷等纤维和晶体等高性能增强体与耐热性好的热固性和热塑性树脂基构成的高性能聚合物复合材料。

人类在远古时代就从实践中认识到，可以根据用途需要，组合两种或多种材料，利用性能优势互补，制成原始的复合材料。所以，复合材料既是一种新型材料，也是一种古老的材料。复合材料的发展历史，可以从用途、构成、功能，以及设计思想和发展研究等，大体上分为古代复合材料和现代复合材料两个阶段。

古代复合材料在东郊半坡村仰韶文化遗址，发现早在公元前2000年以前，古代人已经用草茎增强土坯作住房墙体材料。

在金属基复合材料方面，中国也有高超的技艺。最具代表性的如越王剑，是金属包层复合材料制品，不仅光亮锋利，而且韧性和耐蚀性优异，埋藏在潮湿环境中几千年，出土后依然寒光夺目，锋利无比。

5000年以前，中东地区用芦苇增强沥青造船。古埃及墓葬出土，发现有用名贵紫檀木在普通木材上装饰贴面的棺撑家具。古埃及修建金字塔，用石灰、火山灰等作粘合剂，混和砂石等作砌料，这是最早最原始的颗粒增强复合材料。但是，上述辉煌的历史遗产，只是人类在与自然界的斗争实践中不断改进而取得的，同时都是取材于天然材料，对复合材料还是处于不自觉的感性认识阶段。。

到了19世纪，两次工业革命的进行，天然聚合物的性能已经不能满足工业发展对材料性能的需要。工业革命的进行、经济实力的迅速发展，带动科学技术巨大发展，不同于天然材料的现代复合材料应运而生。而真正现代意义上的复合材料最早出现在1847年。许许多多的科学家为复合材料的发展做出了重大贡献。

1847年瑞典化学家Berzelius，这位现代化学的奠基人之一，首次在实验室发明了饱和聚酯。

1894年Vorlander在实验室着手对乙二醇马来酸的研究工作，成为记录在案最早的一位研究不饱和聚酯树脂的化学家。

1920年先锋人物Wallace Carothers开始对乙二醇与不饱和脂肪酸合成的聚酯的研究工作。

1922年首个聚酯树脂被研发成功。

1930年末研究人员Bradley，Kropa和Johnson三人共同研究不饱和聚酯的固化情况，在报告中提高，固化后，它们可以分为可熔性和不可溶性（热固性）。

1935年欧文斯科宁（Owens Corning）首次引入玻璃纤维

1941年不饱和聚酯首次投入美国的压铸商业市场

1942年美国橡胶公司开发出玻璃纤维增强聚酯树脂作为基体的复合材料。

1946年船艇制造商开始意识到纤维增强复合材料为整个工业带来了何种变革，在这年中首个复合材料船身的游艇在美国建成，还首次引入了冷固化系统。

1950年早期闭模工艺开发完成。

1951年中期不饱和聚酯树脂在欧洲投入商业化生产。

1963年碳纤维增强材料引入市场

过20世界60年代末期使用，树脂基高性能复合材料被用于飞机的承力结构，后又逐渐进入工业其他领域。70年代末期发展出了用高强度、高模量的耐热碳纤维和瓷纤维与金属复合，特别是鱼轻金属复合，形成了金属基复合材料，克服了树脂基复合材料耐热性差、导热性低等缺点，已广泛应用于航空航天等高科技领域。80年代开始，逐渐出现了瓷复合材料。复合材料因其具有可设计的特点受到广泛的重视，因而发展极快。目前全世界复合材料的年产量已达550多万吨，年产值达1300亿美元以上，若将欧、美的军事航空航天的高价值产品计入，其产值将更为惊人。从应用上看，复合材料在美国和欧洲主要用于航空航天、汽车等行业。2000年美国汽车零件的复合材料用量达14.8万吨，欧洲汽车复合材料用量到2003年估计可达10.5万吨。而在日本，复合材料主要用于住宅建设，如卫浴设备等，此类产品在2000年的用量达7.5万吨，汽车等领域的用量仅为2.4万吨。

纤维复合材料是当今世界发展最快运用最多的新型多功能复合材料，其中碳纤维以优良的性能而应用最多。碳纤维密度小、耐酸、热膨胀系数小，具有良好的耐高温蠕变性能，而且碳纤维根据力学性能不同而有多种分类，如高强型、高模量型等分别用于不同场所。

F1中复合材料的应用

1950年初，主流的F1赛车底盘主要由铝合金制造。随着二战开发成功的玻纤增强树脂由于能廉价生产，开始得到广泛应用，并逐步替代了铝合金，这种状况一直持续到1980年。最早的真正意义上的复合材料底盘是cooper车队在20世纪60年代早期开发的，以“切割一折叠”的方法，将铝合金外壳和蜂窝状铝合金核和玻璃钢的壳用树脂粘合在一起。虽然这部车没有真正上过赛道，但它确是后20年F1底盘设计的基础。业公认碳纤维复合材料底盘首先由麦克劳伦车队在1980年引入，虽然莲花车队对此颇有争议，但在随后的1981年赛季，该底盘以其优异的机械性能、自重轻、修补高效和方便获得了广泛认同。在1981年意大利大奖赛中麦克劳伦车队的约翰一沃特僧由于赛车失控，剧烈撞击了保护墙，然而他毫发无伤地走出来，彻底打消了人们对碳纤维复合材料底盘承受高应力负载的怀疑。2007年加拿大站库比卡的赛车以超过300km/h的速度撞到防护墙，赛车被弹到空中掉落翻滚在赛道的另一头从，赛车基本粉碎，可是座舱保持完好，车的库比卡事后检查只是扭伤了脚踝，竟然没耽误下一次的比赛。由此可见，碳纤维复合材料在F1中所表现出的优异性能。现在，除了底盘，变速箱，悬挂，刹车等都可以采用碳纤维复合材料。现代F1赛车约85％体积和30％的质量都是碳纤维复合材料。碳纤维复合材料的能量吸收特点对提高赛车运动的安全性做出了很大贡献。

现在，不仅专业比赛中的汽车使用高性能复合材料，许多民用汽车也开始使用复合材料，许多跑车为追求加速性能，不得不降低整车质量，这使复合材料低密度这一特性便有了很大用处。全碳车身的帕加尼Zonda R超级跑车，摸上去手感与塑料差不多，却有着钢铁一般强度和韧性的碳纤维组件，不仅能够帮助整车有效减重，更由于其昂贵的特性而变成奢华的象征。以法拉利、兰博基尼、帕加尼等为代表的意大利超级跑车想必大家非常熟悉，为了追求轻量化，由于制造过程几乎不计成本，所以在车上大规模应用碳纤维组件甚至整车使用碳纤维材料。

奔驰尝试应用碳纤维材料作为溃缩区域，首先在SLR McLaren上得到了应用。呈尖塔状的碳纤维溃缩柱由无数根粗壮的碳纤维经过编织而成，虽然结构依旧无比坚硬，但