复合材料

【重点难点】

重点：复合材料的优越性及在生产生活中的应用。

难点：激发同学们的学习激情，为祖国制造出新的复合材料。

【知识讲解】

“神州五号”载人飞船穿过大气层时，外壳和大气层摩擦产生几千摄氏度的高温，是什么材料经受了这种考验而使飞船安然无恙呢？运动员在撑杆跳项目中使用的撑杆极富弹性，你知道它是用什么材料制成的吗？是金属材料、无机非金属材料(比如：陶瓷)，还是有机合成材料(如：塑料)？

下面我们先讨论一下各种单一材料的优缺点：

从上面可以看出，金属材料、无机非金属材料、有机合成材料都各有其优缺点，故飞船、撑杆不可能是由这样的单一材料制成的。

那么，它们究竟是用什么材料制成的呢？

一、认识复合材料

1、人们是怎样想到制造复合材料的

木材坚固、耐用，可作为建筑材料。它由木质长纤维组成，靠被称为木质素的物质黏结起来。木质纤维比较柔软，木质素较脆，它们各自都不能承受重压，但这两种物质复合后就构成了强壮的树干。

人们做泥砖时，往泥中掺入禾秸，这样可以提高泥砖的强度。将沙子、砾石与水泥混合在一起，其强度比单纯水泥的强度大得多。人们还把钢筋嵌入混凝土中，制成了更为坚固的钢筋混凝土，用来建造高楼。

其实，人们正是根据这种将不同性质的材料复合在一起有可能获得性能更佳的材料的想法来制造复合材料的。

2、什么是复合材料？

复合材料是将两种或两种以上性质不同的材料经特殊加工而制成的，具有比单一材料更优越性能的材料称为复合材料。

复合材料由两部分组成，一部分称为基体，在复合材料中起黏结作用；另一部分称为增强体，在复合材料中起骨架作用。

复合材料既保持了原有材料的特点，又使各组分之间协同作用，形成了优于原材料的特性。例如，金属材料易被腐蚀，有机合成材料易老化、不耐高温，陶瓷材料易破碎，这些缺点都可以通过复合的方法予以改善和克服。

3、复合材料

将复合材料按基体分类：可分为树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料。

将复合材料按增强体的形状分类：颗粒增强复合材料、夹层增强复合材料、纤维增强复合材

料。

二、形形色色的复合材料

组成复合材料的基体材料多种多样，增强体又可做成不同的形状，因而复合材料的种类繁多。在复合材料这个大家族中，发展较快、应用较广的是纤维做增强体的复合材料。

1、生产、生活中常用的复合材料

知识储备：

玻璃纤维：玻璃纤维是将熔化的玻璃以极快的速度拉成的极细的丝。这种纤维柔软如蚕丝，可以像棉纱一样纺织。直径为5～10μm的玻璃纤维，只有头发丝直径的1/10左右，但其拉伸强度却接近高强度钢的拉伸强度，为天然纤维或合成纤维拉伸强度的5～30倍。为了节约成本、简化工艺，一般采用直径为10～20μm的玻璃纤维，只有在制造一些具有特殊用途的制品如防火衣、宇航服和宇宙飞船时，才采用直径为3～5μm的超细玻璃纤维或中空玻璃纤维，以提高制品的柔性、减轻制品的质量。

合成树脂：合成树脂是有机高分子化合物，无固定熔点，一般不导电，受热会变软并逐渐熔化，大多不溶于水，可溶于乙醇和乙醚等有机溶剂。合成树脂是塑料最基本的成分。

在上面知识储备的基础上，让我们来认识两种常用的复合材料——玻璃钢和碳纤维复合材料。

(1)玻璃钢：是一种以合成树脂做基体，以玻璃纤维做增强体的复合材料。做为增强体的玻璃纤维除了普通玻璃纤维(主要成分为SiO2、Al2O3、Na2O等)外，还可以根据需要选用耐化学腐蚀、耐高温或强度高的特种玻璃纤维做玻璃钢增强体。

在制造玻璃钢时，可以将玻璃纤维制成纱或织物加到合成树脂中，也可以把玻璃纤维切成短玻璃丝加到合成树脂中。玻璃钢的强度可达到甚至超过合金钢的强度，而密度只有钢铁的1/5左右；同时，这种材料保持着较好的耐化学腐蚀性、电绝缘性和机械加工性能，而且又不像普通玻璃那样硬脆。

玻璃钢已大量用于游乐车、水上滑梯、运输罐、电话亭、餐桌椅等产品的生产，这些产品充分发挥了玻璃钢重量轻、强度高、耐水、耐磨、耐撞、产品美观及制造方便等特点。玻璃钢在排水管道工程中也得到了广泛的应用。最近几年，越来越多的废水处理系统的管道用玻璃钢制造，一个重要的原因是废水所含的腐蚀物质的种类在不断增加，腐蚀作用在不断增强，这就要求管道材料具有更好的耐腐蚀性，玻璃钢便是一种理想材料。

(2)碳纤维复合材料：这种复合材料是在合成树脂的基体中加入了碳纤维做增强体。

这种纤维的特性是：耐高温、耐磨擦、耐腐蚀、韧性好、导电、导热等，其外形有显著的各向异性、柔软，可加工成各种织物，沿纤维轴方向表现出很高的强度，而且碳纤维比重小、质轻。此外，还有耐低温性能，在－200℃时也不会发脆。

碳纤维是50年代初应火箭、宇航及航空等尖端科学技术的需要而产生的，目前还广泛应用于体育器械(比如制造高尔夫球杆、网球拍、羽毛球拍、赛车、赛艇、滑雪板、冲浪板等)、纺织机械、化工机械及医学领域(例如制作人体组织中的韧带)。

2、航天、航空领域中的复合材料

在火箭、导弹、卫星、宇宙飞船、航天飞机上，复合材料有着更广泛的应用。

(1)金属基复合材料：飞机、火箭的机翼和机身以及导弹的壳体、尾翼中用的复合材料是金属基复合材料。

这种复合材料是以金属为基体，大多以纤维为增强体。作为基体的金属用得较多的是铝、镁、

钛等密度小的轻金属。作为增强体的纤维有碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维和氧化铝纤维等耐热性能好的纤维，其中应用最广泛的是碳纤维。这种复合材料具有耐高温、强度高、导电性好、导热性好、不吸湿、不易老化等优点。因此，是令人注目的航空航天用耐高温材料，可用做飞机涡轮发动机、火箭发动机热区和超音速飞机的表面材料。

目前发展最快的金属基复合材料是以碳化硅颗粒为增强体的铝合金复合材料。这种金属基复合材料的比重只有钢的1/3，为钛合金的2/3，与铝合金相近。它的强度比中碳钢好，与钛合金相近而又比铝合金略高。其耐磨性也比钛合金、铝合金好。目前已小批量应用于汽车工业和机械工业。

金属基复合材料虽然有很多优点，但由于生产工艺复杂，造价昂贵，故尚未能在工业生产中大规模使用。

(2)陶瓷复合材料：这种复合材料的基体是陶瓷，增强体多为碳纤维、碳化硅纤维、氧化硅纤维，基体的主要成分有Al2O3陶瓷、MgO·Al2O3陶瓷、SiO2陶瓷、Al2O3·ZrO2陶瓷、Si3N4陶瓷、SiC陶瓷等。

航天飞机机身上使用的隔热陶瓷瓦就是由陶瓷复合材料制成的。纤维的加入使陶瓷保持了耐高温的特性，又增加了陶瓷的韧性，使航天飞机能安全地穿越大气层返回地球。

(3)纳米瓷塑复合板：这种复合材料是由超高分子量聚乙烯和一种新型的纳米陶瓷材料经多道工艺处理后，在高温高压下成型。该材料兼具了超高分子量聚乙烯的优良润滑性能和陶瓷的优良耐磨性能、并具有重量轻、面积大、安装方便、吸水率低、不与其它物料粘接等特点，该板材可广泛应用于电力、煤炭、焦化、钢铁、水泥等行业的块状物料仓体内衬和各种溜槽、矿槽内衬。

(4)高分子复合材料：它是由高分子材料和另外不同组成、不同形状、不同性质的物质复合粘结而成的多相材料。

高分子复合材料的最大优点是博各种材料之长, 如高强度、质轻、耐高温、耐腐蚀、绝热、绝缘等性质。根据应用目的，选取高分子材料和其他具有特殊性质的材料，制成满足需要的复合材料。

高分子复合材料分为两大类：①高分子结构复合材料；②高分子功能复合材料。其中高分子结构复合材料由两部分组成——基体材料和增强剂。高分子复合材料中的基体材料主要是起粘合作用的胶粘剂，如不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂等热固性树脂及苯乙烯等热塑性树脂；增强剂是具有高强度、耐高温的纤维及须物，如玻璃纤维、氮化硅晶须、硼纤维等。这种复合材料的强度，比金属还高，是国防、尖端技术方面不可缺少的材料。高分子功能复合材料也是由树脂类基体材料和具有某种特殊功能的材料构成，如某些电导、半导、磁性、发光、电压等性质的材料复合而成，使之具有新的功能。如冰箱的磁性密封条即是这类复合材料。

(5)智能复合材料：是机敏复合材料的高级形式。机敏材料对环境能做出线性反应，而智能材料则能根据环境条件的变化程度非线性地使材料与之适应以达到最佳效果。也就是说，在机敏复合材料自诊断、自适应、自愈合的基础上，增加了自决策、自修补的功能，体现具有智能的高级形式。

显然，智能材料必然是复合材料而不可能是传统的单一材料。已在研究的智能材料和系统有：自诊断断裂的飞机机翼、自愈合裂纹的混凝土，控制湍流和噪声的机械蒙皮，人工肌肉和皮肤等。在宇航、航空、舰艇、汽车、建筑、机器人、仿生和医药领域已显示出潜在的应用前景。

随着科学技术的进步，复合材料展现出不可估量的应用前景。材料科学专家普遍认为，当前人类已经从合成材料时代步入复合材料时代。不久的将来，复合材料大家族中将会增添更多性能优异、功能独特的新成员。

【例题分析】