什么是复合材料 下一页 1 2 什么是复合材料 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 能承受压力的容器硼纤维/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的新趋势的树脂基复合材料脱颖而出， 日益发挥及其重要的作用。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年年在下降，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史， 其理论研究和工业生产已取得巨大进展，应用场景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〕抵抗腐蚀能力优异。全世界每年腐蚀金属约 1.2 亿吨，我们国家金属 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；以最大限度提高结构抗力。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。 下一页 1 2

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