復(fù)合材料緒論

復(fù) 合 材 料 書 籍 作 者 ： 周 曦 亞出 版 社 ： 化 學(xué) 工 業(yè) 出 版 社第 一 章 緒 論 人 類 為 了 謀 求 生 存 和 發(fā) 展 ， 企 求 用 理 想 材 料 制成 新 工 具 的 愿 望 總 是 隨 著 歷 史 的 發(fā) 展 不 斷 探 索 不斷 前 進(jìn) 。 因 此 ， 人 類 發(fā) 展 的 歷 史 就 和 材 料 的 發(fā) 展的 歷 史 息 息 相 關(guān) 。 研 究 人 類 歷 史 的 人 們 都 可 以 清 楚 地 知 道 ， 人 類 歷史 上 各 方 面 的 進(jìn) 步 是 與 新 材 料 的 發(fā) 現(xiàn) 、 制 造 和 應(yīng)用 分 不 開 的 。 歷 史 學(xué) 家 把 人 類 發(fā) 展 史 劃 分 為 ： 石 器 時(shí) 代 、 陶 器 時(shí) 代 、 青 銅 器 時(shí) 代 、 鐵 器 時(shí) 代 。 其 后 人 類 又 發(fā) 明 了 高 分 子 材 料 、 先 進(jìn) 復(fù) 合 材 料和 智 能 材 料 。 人 類 從 天 然 物 質(zhì) 中 選 擇 提 煉 出 人 類 生 活 所 必要 的 物 質(zhì) 而 加 以 利 用 。 制 造 這 些 物 質(zhì) 有 兩 種 方 法 ：一 種 是 利 用 了 化 學(xué) 反 應(yīng) 的 物 質(zhì) 合 成 ；另 一 種 是 通 過 組 合 兩 種 以 上 的 物 質(zhì) ， 制 成 具有 更 高 性 能 的 材 料 。 用 后 一 種 方 法 制 造 出 的物 質(zhì) 稱 之 為 復(fù) 合 材 料 。 The Materials Science Tetrahedron材 料 科 學(xué) 四 面 體 結(jié) 構(gòu)固 有 特 性制 作 方 法 測(cè) 定 性 能使 用 性 能性 能 價(jià) 格 比 Cost(price)performance復(fù) 合 材 料 按 基 體 材 料 分 類熱固性 熱塑性樹脂基 金 屬 基碳基 玻璃基 水泥基陶瓷基復(fù)合材料復(fù) 合 材 料 按 功 能 分 類力結(jié)構(gòu)復(fù)合材料電、磁、光、熱、放射性耐腐蝕、耐燒蝕、生物相容性、隱身等功能復(fù)合材料復(fù)合材料先 進(jìn) 復(fù) 合 材 料 的 發(fā) 展 史 40年 代 ， 玻 璃 纖 維 增 強(qiáng) 塑 料 （ GFRP） 復(fù) 合材 料 發(fā) 展 的 第 一 代 6080年 代 ， 先 進(jìn) 復(fù) 合 材 料 復(fù) 合 材 料 發(fā) 展 的 第 二 代 80 年 ， 先 進(jìn) 復(fù) 合 材 料 充 分 發(fā) 展 復(fù) 合 材 料 發(fā) 展 的 第 三 代復(fù) 合 材 料 的 定 義復(fù) 合 材 料 的 性 能 特 點(diǎn)比 強(qiáng) 度 、 比 剛 度 （ 比 模 量 ） 大 ； 性 能 可 設(shè) 計(jì) 、易 制 成 結(jié) 構(gòu) 件 ； 各 向 異 性 、 非 均 勻 性以 聚 合 物 基 復(fù) 合 材 料 為 例 ：1. 比 強(qiáng) 度 、 比 剛 度 （ 比 模 量 ） 大2. 耐 疲 勞 性 能 好3. 減 震 性 好4. 過 載 時(shí) 安 全 性 好5. 具 有 多 種 功 能 性6. 有 很 好 的 加 工 工 藝 性復(fù) 合 材 料 的 組 成一維：長(zhǎng)纖維、短纖維和晶須二維：碎片納米材料三維：粒子增強(qiáng)相 界面相陶瓷基金屬基高聚物基基體相復(fù)合材料的組成復(fù) 合 材 料 的 命 名 現(xiàn) 代 復(fù) 合 材 料 學(xué) 科 包 括 增 強(qiáng) 材 料 、 基 體 材 料 、 界 面 粘 結(jié) 、 結(jié)構(gòu) 設(shè) 計(jì) 、 成 型 工 藝 、 性 能 測(cè) 定 等 方 面 并 逐 步形 成 了 一 門 與 化 學(xué) 、 物 理 、 力 學(xué) 及 各 種 應(yīng) 用學(xué) 科 有 關(guān) 的 跨 學(xué) 科 的 、 有 著 廣 泛 內(nèi) 在 聯(lián) 系 并互 相 滲 透 和 互 相 推 動(dòng) 的 材 料 學(xué) 科 。 復(fù) 合 材 料 的 結(jié) 構(gòu) 通 常 是 一 個(gè) 相 為 連 續(xù) 相 ， 成 為 ；而 另 外 一 相 是 以 獨(dú) 立 的 形 態(tài) 分 布 在 整 個(gè) 連 續(xù) 相 中 的 分 散 相 ，它 顯 著 增 強(qiáng) 材 料 的 性 能 ， 故 常 稱 為 多 數(shù) 情 況 下 ， 較 基 體 ， 較 基 體 大 。分 散 相 可 以 是 纖 維 及 其 編 織 物 ， 也 可 以 是 顆 粒 狀 或 彌 散 的填 料 。 在 基 體 和 增 強(qiáng) 體 之 間 存 在 著 。 因 此 ， 復(fù) 合 材 料 是 由 兩 種 以 上 組 分 以 及 它 們 之間 的 界 面 構(gòu) 成 。 組 分 材 料 主 要 指 增 強(qiáng) 體 和 基 體 ， 它 們 也 被 稱 為復(fù) 合 材 料 的 增 強(qiáng) 相 和 基 體 相 。 增 強(qiáng) 相 與 基 體 相 之 間的 因 為 其 特 殊 的 結(jié) 構(gòu) 組 成 也 被 視 作 復(fù) 合 材料 中 的 “ 相 ” ， 即 界 面 相 。 增 強(qiáng) 相 和 基 體 相 是 根 據(jù) 它 們 組 分 的 物 理 和 化 學(xué) 性 質(zhì) 和 在最 終 復(fù) 合 材 料 中 的 形 態(tài) 來 區(qū) 分 的 。 其 中 一 個(gè) 組 分 是 細(xì) 絲 （ 連 續(xù) 的 或 短 切 的 ） 、 薄 片 或 顆 粒狀 ， 具 有 較 高 的 強(qiáng) 度 、 模 量 、 硬 度 和 脆 性 ， 在 復(fù) 合 材 料 承 受外 加 載 荷 時(shí) 是 主 要 承 載 相 ， 稱 為（ reinforced phase or reinforcement） 。 增 強(qiáng) 相 或 增 強(qiáng) 體 在 復(fù) 合 材 料 中 呈 分 散 形 式 ， 被 基 體 相 隔離 包 圍 ， 因 此 也 稱 作 ； 復(fù) 合 材 料 中 的 另 一 個(gè) 組 分 是 包 圍 增 強(qiáng) 相 并相 對(duì) 較 軟 和 韌 的 貫 連 材 料 ， 稱 為（ matrix phase） 。 復(fù) 合 材 料 的 各 種 形 態(tài) 示 意 于 圖 中 ：復(fù) 合 材 料 及 其 增 強(qiáng) 相 的 各 種 形 態(tài)纖 維 狀 顆 粒 狀 層 狀片 狀 填 充 狀 復(fù) 合 材 料 在 制 造 前 ， 可 以 是 薄 片 、 粉末 、 塊 體 或 無 定 形 的 流 體 ， 它 的 可 以 是 固 態(tài) 、 氣 態(tài) 、熔 融 態(tài) 或 半 固 半 液 態(tài) 。 基 體 材 料 在 與 增 強(qiáng) 相 固 結(jié) 后 ， 基 體 相 在 復(fù) 合 材 料 中 就成 為 包 裹 增 強(qiáng) 相 的 連 續(xù) 體 。 因 此 ， 基 體 相 也 叫 做 。 基 體 相 具 有 增 強(qiáng) 相 的 作 用 ， 在 復(fù) 合 材 料 承受 外 加 載 荷 時(shí) ， 基 體 相 主 要 以 起 向 增 強(qiáng) 相的 作 用 。 在 復(fù) 合 材 料 中 ， 還 存在 著 明 顯 的 結(jié) 合 面 。 位 于 增 強(qiáng) 相 和 基 體 相 之 間 并 使 兩 相 彼 此 相連 的 、 化 學(xué) 成 分 和 力 學(xué) 性 質(zhì) 與 相 鄰 兩 相 有 明 顯區(qū) 別 、 能 夠 在 相 鄰 兩 相 間 起 傳 遞 載 荷 作 用 的 區(qū)域 ， 稱 為 （ interface） 。 復(fù) 合 材 料 中 界 面 層 的 厚 度 通 常 在 亞 微 米 以 下 ， 但在 復(fù) 合 材 料 中 很 大 ， 且 復(fù) 合 材 料 的 界面 特 征 對(duì) 復(fù) 合 材 料 的 性 能 、 破 壞 行 為 及 應(yīng) 用 效 能 有 很大 影 響 。 所 以 ， 人 們 以 極 大 的 注 意 力 開 展 對(duì)- （ surface and interface engineering） 。 取 決 于 組 分 材 料 的 種 類 、 性 能 、含 量 和 分 布 。 主 要 包 括 ： 增 強(qiáng) 體 的 性 能 和 它 的 表 面物 理 、 化 學(xué) 狀 態(tài) ； 基 體 的 結(jié) 構(gòu) 和 性 能 ； 增 強(qiáng) 體 的 配置 、 分 布 和 體 積 含 量 。 復(fù) 合 材 料 的 性 能 還 取 決 于 復(fù) 合 材 料 的 制 造 工 藝條 件 、 復(fù) 合 方 法 、 零 件 幾 何 形 狀 和 使 用 環(huán) 境 條 件 。 復(fù) 合 材 料 既 能 保 留 原 組 分 材 料 的 主 要 特 色 ， 并通 過 復(fù) 合 效 應(yīng) 獲 得 組 分 材 料 所 不 具 備 的 性 能 ， 還 可以 通 過 使 各 組 分 的 性 能 相 互 補(bǔ) 充 并 彼 此 關(guān)聯(lián) ， 從 而 獲 得 新 的 性 能 。 選 擇 復(fù) 合 材 料 的 組 分 、 增 強(qiáng) 體分 布 和 復(fù) 合 材 料 制 造 工 藝 、 使 其 具 有 使 用 所 要 求 的性 能 過 程 。 可 分 為 三 個(gè) 層 次 ： 設(shè) 計(jì) 、設(shè) 計(jì) 、 設(shè) 計(jì) 。 包 括 正 確 選 擇 增 強(qiáng) 材 料 、 基 體 材 料 及共 配 比 ， 該 層 次 決 定 單 層 板 的 性 能 ； 包 括 對(duì) 鋪 層 材 料 的 鋪 層 方 案 做 出 合 理 錢 財(cái)安 的 安 排 ， 該 層 次 決 定 層 合 板 的 性 能 ； 則 最 后 確 定 產(chǎn) 品 結(jié) 構(gòu) 的 形 狀 和 尺 寸 。 上 述 三 個(gè) 設(shè) 計(jì) 層 次 互 為 前 提 、 互 相 影 響 、 互 相 依 賴 。 因 此 ， 復(fù) 合 材 料 及 其 結(jié) 構(gòu) 的 設(shè) 計(jì) 打 破 了 材 料 研究 和 結(jié) 構(gòu) 研 究 的 傳 統(tǒng) 界 限 。 設(shè) 計(jì) 人 員 必 須 把和 統(tǒng) 一 考 慮 ， 換 言 之 ， 和必 須 同 時(shí) 進(jìn) 行 ， 并 將 它 們 統(tǒng) 一 在 同 一 個(gè) 設(shè) 計(jì) 方案 中 。 復(fù) 合 材 料 是 由 多 相 材 料 復(fù) 合 而 成 ， 它 的主 要 有 三 個(gè) ： ( )綜 合 發(fā) 揮 各 種 組 成 材 料 的 優(yōu) 點(diǎn) ， 使 一 種 材 料具 有 多 種 性 能 ， 具 有 天 然 材 料 所 沒 有 的 性 能 。 例 如 ，玻 璃 纖 維 增 強(qiáng) 環(huán) 氧 基 復(fù) 合 材 料 ， 既 具 有 類 似 鋼 材 的強(qiáng) 度 ， 又 具 有 塑 料 的 介 電 性 能 和 耐 腐 蝕 性 能 。 (2)可 按 進(jìn) 行 材 料 的 設(shè) 計(jì) 和制 造 。 如 ， 針 對(duì) 方 向 性 材 料 強(qiáng) 度 的 設(shè) 計(jì) ， 針 對(duì) 某種 介 質(zhì) 耐 腐 蝕 性 能 的 設(shè) 計(jì) 等 。 (3)可 制 成 所 需 的 任 意 形 狀 的 產(chǎn) 品 ， 可 避 免 多次 加 工 工 序 。 例 如 ， 可 避 免 金 屬 產(chǎn) 品 的 鑄 模 、 切削 、 磨 光 等 工 序 。 主 要 取 決 于 的 性 能 、 含 量 及 分 布 狀 況 ，的 性 能 、 含 量 ， 以 及 它 們 之 間 的 界 面 結(jié) 合情 況 ， 作 為 產(chǎn) 品 還 與 成 型 工 藝 和 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì) 有 關(guān) 。 因 此 ， 不 論 對(duì) 哪 一 類 復(fù) 合 材 料 ， 就 是 同 一 類 復(fù)合 材 料 的 性 能 也 不 是 一 個(gè) 定 值 ， 而 只 能 給 出 其 主 要性 能 。 一 般 材 料 的 簡(jiǎn) 單 混 合 與 復(fù) 合 材 料 的 ： （ ） 復(fù) 合 材 料 不 僅 保 留 了 原 組 成 材 料 的 特 點(diǎn) ，而 且 通 過 各 組 分 的 可 以 獲 得 原 組 分 所沒 有 的 新 的 優(yōu) 越 性 能 ； 如 結(jié) 構(gòu) 復(fù) 合 材 料 不 僅 可 根 據(jù) 材 料 在 使 用 中 受 力 的 要 求 進(jìn)行 ， 更 重 要 的 是 還 可 進(jìn) 行 ， 即 增強(qiáng) 體 的 比 例 、 分 布 、 排 列 和 取 向 等 的 設(shè) 計(jì) 。 對(duì) 于 結(jié) 構(gòu) 復(fù) 合 材料 來 說 ， 是 由 能 承 受 載 荷 的 與 能 連 接 增 強(qiáng) 體 又 起傳 遞 力 作 用 的 構(gòu) 成 。 由 不 同 的 增 強(qiáng) 體 和 不 同 的 基 體即 可 組 成 名 目 繁 多 的 結(jié) 構(gòu) 復(fù) 合 材 料 。 復(fù) 合 材 料 是 由 多 種 組 分 的 材 料 組 成 ， 許 多 性 能優(yōu) 于 單 一 組 分 的 材 料 。 例 如 ， 纖 維 增 強(qiáng) 的 樹 脂 基 復(fù) 合 材 料 ， 具 有 、 、 、 、 耐燒 蝕 及 等 優(yōu) 點(diǎn) 。 、 增 強(qiáng) 劑 或 者 基 體 是 比 重 小 的 物 質(zhì) ， 或 兩 者的 比 重 都 不 高 ， 且 都 不 是 完 全 致 密 的 ； 、 增 強(qiáng) 劑 多 是 強(qiáng) 度 很 高 的 纖 維 。 （ 指 強(qiáng) 度 與 密 度 的 比 值 ） 和是 各 類 材 料 中 最 高 的 。 例 如 ， 的 密 度 為 7.8 g/cm3。復(fù) 合 材 料 的 密 度 為 1.52.0 g/cm3， 只 有普 通 碳 鋼 的 1/41/5， 比 鋁 合 金 還 要 輕 1/ 左 右 ，而 卻 能 超 過 普 通 碳 鋼 的 水 平 。 若 按 計(jì) 算 ， 基 復(fù) 合 材料 不 僅 超 過 ， 而 且 可 超 過 某 些 特 殊 。 復(fù) 合 材 料 、 復(fù) 合 材 料 具 有 比復(fù) 合 材 料 更 低 的 密 度 和 更 高 的 強(qiáng) 度 ， 因 此 具 有 更高 的 比 強(qiáng) 度 。 復(fù) 合 材 料 可 以 ， 靈 活 地 進(jìn)行 產(chǎn) 品 設(shè) 計(jì) ， 具 有 很 好 的 可 設(shè) 計(jì) 性 。 對(duì) 于 來 說 ， 可 以 根 據(jù) 合 理 布 置增 強(qiáng) 材 料 ， 達(dá) 到 節(jié) 約 材 料 、 減 輕 質(zhì) 量 的 目 的 。 對(duì) 于 有 要 求 的 產(chǎn) 品 ， 設(shè) 計(jì) 時(shí) 可 以選 用 耐 腐 蝕 性 能 好 的 和 ； 對(duì) 于 其 他 一 些 性 能 要 求 ， 如 介 電 性 能 、 耐 熱 性能 等 ， 都 可 以 方 便 地 通 過 來 滿 足要 求 。 復(fù) 合 材 料 良 好 的 可 設(shè) 計(jì) 性 還 可 以 最 大 限 度 地 克服 其 、 低 等 缺 點(diǎn) 。 復(fù) 合 材 料 具 有 優(yōu) 良 的 電 性 能 ， 通 過、 和 ， 可 以 將 其 制 成 絕 緣 材 料 或?qū)?電 材 料 。 例 如 ， 玻 璃 纖 維 增 強(qiáng) 的 樹 脂 基 復(fù) 合 材 料 具 有優(yōu) 良 的 ， 并 且 在 高 頻 下 仍 能 保 持 良 好 的， 因 此 可 作 為 高 性 能 電 機(jī) 、 電 器 的 絕 緣 材 料 ； 玻 璃 纖 維 增 強(qiáng) 的 樹 脂 基 復(fù) 合 材 料 還 具 有， 被 廣 泛 地 用 于 制 造 機(jī) 載 、 艦 載 和 地 面 雷達(dá) 罩 。 復(fù) 合 材 料 通 過 和可 以 制 得 。 這 是 一 種 功 能 復(fù) 合 材 料 ，在 冶 金 、 化 工 和 電 池 制 造 等 工 業(yè) 領(lǐng) 域 具 有 廣 泛 的 應(yīng)用 前 景 。 聚 合 物 基 復(fù) 合 材 料 具 有 優(yōu) 異 的 、 耐海 水 性 能 、 也 能 、 和 。 因 此 它 是一 種 優(yōu) 良 的 耐 腐 蝕 材 料 ， 用 其 制 造 的 化 工 管 道 、 貯罐 、 塔 器 等 具 有 較 長(zhǎng) 的 使 用 壽 命 、 極 低 的 維 修 費(fèi) 用 。 玻 璃 纖 維 增 強(qiáng) 的 聚 合 物 基 復(fù) 合 材 料 具 有， 是 一 種 優(yōu) 良 的 絕 熱 材 料 。 選 擇 適 當(dāng) 的 基 體 材 料 和 增 強(qiáng) 材 料 可 以 制 成和 ， 能 有 效 地 保 護(hù) 火 箭 、 導(dǎo) 彈 和宇 宙 飛 行 器 在 2000 以 上 承 受 用 溫 、 高 速 氣 流 的 沖刷 作 用 。 纖 維 增 強(qiáng) 的 聚 合 物 基 復(fù) 合 材 料 具 有， 能 滿 足 各 種 類 型 制 品 的 制 造 需要 ， 特 別 適 合 于 大 型 制 品 、 形 狀 復(fù) 雜 、 數(shù) 量少 制 品 的 制 造 ， 金 屬 基 和 陶 瓷 基 復(fù) 合 材 料 能 夠 在 較 高 的 溫 度下 長(zhǎng) 期 使 用 ， 但 是 聚 合 物 基 復(fù) 合 材 料 的。 因 此 ， 制 成 的 制 品 容 易 變 形 。 用 可 以 提高 復(fù) 合 材 料 的 彈 性 模 量 ， 另 外 ， 通 過 也可 以 克 服 其 彈 性 模 量 差 的 缺 點(diǎn) 。系 指 在 溫 度 為 23 2 和 相 對(duì) 濕 度 為50 5 的 條 件 下 測(cè) 量 的 楊 氏 模 量 (單 位 :N.m-2)除 以比 重 (單 位 :N.m-3)。就 是 指 表 達(dá) 物 體 在 變 形 時(shí) 所 受 的 應(yīng) 力與 應(yīng) 變 關(guān) 系 的 比 例 常 數(shù) 。 在 彈 性 范 圍 內(nèi) 大 多 數(shù) 材 料 服 從 虎 克 定 律 ， 即變 形 與 受 力 成 正 比 。 縱 向 應(yīng) 力 與 縱 向 應(yīng) 變 的 比 例 常 數(shù) 就 是 材 料 的E， 也 叫 。 橫 向 應(yīng) 變 與 縱 向 應(yīng) 變 之 比 值 稱 為 ， 也叫 ， 它 是 反 映 材 料 橫 向 變 形 的 彈 性常 數(shù) 。 復(fù) 合 材 料 的 突 出 優(yōu) 點(diǎn) 是 和 （ 即強(qiáng) 度 、 模 量 與 密 度 之 比 ） 高 。 比 強(qiáng) 度 和 比 模 量 是 度 量 的 一 個(gè)指 標(biāo) ， 比 強(qiáng) 度 愈 高 ， 同 一 零 件 的 比 重 愈 小 ； 比 模量 愈 高 ， 零 件 的 剛 性 愈 大 。 金 屬 基 和 陶 瓷 基 復(fù) 合 材 料 能 在 較 高 的 溫 度 下 長(zhǎng)期 使 用 ， 但 是 聚 合 物 基 復(fù) 合 材 料 不 能 在 高 溫 下 長(zhǎng) 期使 用 ， 即 使 耐 高 溫 的 聚 酰 亞 胺 基 復(fù) 合 材 料 ， 其 長(zhǎng) 期工 作 溫 度 也 只 能 在 300 左 右 。 在 白 然 條 件 下 ， 由 于 紫 外 光 、 濕 熱 、 機(jī) 械 應(yīng)力 、 化 學(xué) 侵 蝕 的 作 用 ， 會(huì) 導(dǎo) 致， 即 發(fā) 生 所 謂 的 老 化 現(xiàn) 象 。 復(fù) 合 材 料 在 使 用 過 程 中 發(fā) 牛 老 化 現(xiàn) 象 的 程 度與 其 組 成 、 結(jié) 構(gòu) 和 所 處 的 環(huán) 境 有 關(guān) 。 首 先 ， 缺 陷 少 的 纖 維 的 疲 勞 抗 力 很 高 ； 其 次 ， 基體 的 塑 性 好 ， 能 消 除 或 減 小 應(yīng) 力 集 中 區(qū) 的 大 小 和 數(shù) 量 。 復(fù) 合 材 料 的 比 模 量 高 ， 所 以 它 的 自 振 頻 率 很 高 ，不 容 易 發(fā) 生 共 振 而 快 速 脆 斷 ； 另 外 ， 復(fù) 合 材 料 是 一 種非 均 質(zhì) 多 相 體 系 ， 在 復(fù) 合 材 料 中 振 動(dòng) 衰 減 都 很 快 。 與 傳 統(tǒng) 材 料 (如 金 屬 、 木 材 、 水 泥 等 )相 比 ， 復(fù) 合材 料 是 一 種 新 型 材 料 。 它 具 有 許 多 優(yōu) 良 的 性 能 ， 并且 其 成 本 在 逐 漸 地 下 降 ， 成 型 工 藝 的 機(jī) 械 化 、 白 動(dòng)化 程 度 也 在 不 斷 地 提 高 。 團(tuán) 此 ， 復(fù) 合 材 料 的 應(yīng) 用 領(lǐng)域 日 益 廣 泛 。氮 化 硅 結(jié) 構(gòu) 陶 瓷 被 用 作 航 天 飛 機(jī) 的 防 熱 瓦硼 纖 維 金 屬 基 復(fù) 合 材 料 制 成 的 火 箭 履 軸 的 管 道 輸 送 部 件美 國(guó) B-2隱 形 轟 炸 機(jī) 表 面 為 具 有 良 好 吸 波 性 能 的 碳 纖 維 復(fù) 合 材 料由 光 導(dǎo) 纖 維 構(gòu) 成 的 光 纜先 進(jìn) 橡 膠 輪 胎 使 汽 車 成 為 交 通 主 宰 賽 車 上 使 用 的 特 殊 輪 胎人 工 合 成 的 金 剛 石高 分 子 分 離 膜 已 被 用 來 制 造 高 效 家 庭 凈 水 器人 工 腎 臟生 物 陶 瓷 人 造 關(guān) 節(jié)可 調(diào) 節(jié) 的 太 陽 鏡 耐 高 溫 纖 維 制 成 的 消 防 人 員 的 服 裝 由 于 復(fù) 合 材 料 的 持 性 ， 使 其 在 航 空航 天 領(lǐng) 域 得 到 廣 泛 的 應(yīng) 用 。 在 航 空 方 面 ， 主 要 用作 戰(zhàn) 斗 機(jī) 的 機(jī) 冀 蒙 皮 、 機(jī) 身 、 垂 尾 、 副 翼 、 水 平尾 冀 、 雷 達(dá) 罩 、 側(cè) 壁 板 、 隔 框 、 翼 肋 和 加 強(qiáng) 筋 等主 承 力 構(gòu) 件 。 由 復(fù) 合 材 料 制 成 的 汽 車 質(zhì) 量 減 輕 ， 在 相 同 條 件 下的 耗 油 量 只 有 鋼 制 汽 車 的 1 4， 而 且 在 受 到 撞 擊 時(shí) 復(fù)合 材 料 能 大 幅 度 吸 收 沖 擊 能 量 ， 保 護(hù) 人 員 的 安 全 。 用 復(fù) 合 材 料 制 造 的 汽 車 部 件 較 多 ， 如 車 體 、駕 駛 室 、 擋 泥 板 、 保 險(xiǎn) 杠 、 引 擎 罩 、 儀 表 盤 、 驅(qū)動(dòng) 軸 、 板 黃 等 。 隨 著 列 車 速 度 的 不 斷 提 高 ， 火 車 部 件 用 復(fù) 合材 料 來 制 造 是 最 好 的 選 擇 。 復(fù) 合 材 料 常 被 用 于 制造 高 速 列 車 的 車 箱 外 殼 、 內(nèi) 裝 飾 材 料 、 整 體 衛(wèi) 生間 、 車 門 窗 、 水 箱 等 。 在 化 學(xué) 工 業(yè) 方 面 ， 復(fù) 合 材 料 主 要 被 用 于 制 造 防腐 蝕 制 品 。 聚 合 物 基 復(fù) 合 材 料 具 有 優(yōu) 異 的 耐 腐 蝕 性能 。 例 如 ， 在 酸 性 介 質(zhì) 中 ， 聚 合 物 基 復(fù) 合 材 料 的 耐腐 蝕 性 能 比 不 銹 鋼 優(yōu) 異 得 多 。 聚 合 物 基 復(fù) 合 材 料 是 一 種 優(yōu) 異 的 電 絕 緣 材 料 ，被 廣 泛 地 用 于 電 機(jī) 、 電 工 器 材 的 制 造 ， 如 絕 緣 板 、絕 緣 管 、 印 刷 線 路 板 、 電 機(jī) 護(hù) 環(huán) 、 槽 楔 、 高 壓 絕 緣子 、 帶 電 操 作 工 具 等 。 玻 璃 纖 維 增 強(qiáng) 的 聚 合 物 基 復(fù) 合 材 料 (玻 璃 鋼 )具 有 力學(xué) 性 能 優(yōu) 異 ， 隔 熱 、 隔 聲 性 能 良 好 ， 吸 水 率 低 ， 耐 腐蝕 性 能 好 和 裝 飾 性 能 好 的 特 點(diǎn) ， 因 此 ， 它 是 一 種 理 想的 建 筑 材 料 。 在 建 筑 上 ， 玻 璃 鋼 被 用 作 承 力 結(jié) 構(gòu) 、 圍 護(hù) 結(jié) 構(gòu) 、冷 卻 塔 、 水 箱 、 衛(wèi) 生 潔 具 、 門 窗 等 。 復(fù) 合 材 料 在 機(jī) 械 制 造 工 業(yè) 中 ， 用 于 制 造 各 種 葉 片 、風(fēng) 機(jī) 、 各 種 機(jī) 械 部 件 如 齒 輪 、 皮 帶 輪 和 防 護(hù) 罩 等 。 用 復(fù) 合 材 料 制 造 叫 片 具 力 制 造 容 易 、 質(zhì) 量 輕 、耐 腐 蝕 等 優(yōu) 點(diǎn) ， 各 種 風(fēng) 力 發(fā) 電 機(jī) 葉 片 都 是 由 復(fù) 合 材料 制 造 的 。 在 體 育 用 品 方 面 ， 復(fù) 合 材 料 被 用 于 制 造 賽 車 、賽 艇 、 皮 艇 、 劃 槳 、 撐 桿 、 球 拍 、 弓 箭 、 雪 橇 等 。 我 國(guó) 是 制 造 和 使 用 復(fù) 合 材 料 最 早 的 國(guó) 家 ， 遠(yuǎn) 在400余 年 前 就 發(fā) 明 了 以 麻 絲 增 強(qiáng) 大 漆 ， 構(gòu) 成 典 型 的 復(fù)合 材 料 器 皿 ， 并 一 直 沿 用 至 今 。 現(xiàn) 代 復(fù) 合 材 料 是 1958年 才 開 始 發(fā) 展 的 ， 是 以 玻璃 纖 維 增 強(qiáng) 熱 固 性 聚 合 物 為 主 要 品 種 。 除 聚 合 物 基 復(fù) 合 材 料 以 外 ， 目 前 已 展 開 金 屬基 、 陶 瓷 基 、 碳 基 、 水 泥 基 ， 以 及 功 能 復(fù) 合 材 料的 制 備 科 學(xué) 和 其 結(jié) 構(gòu) 與 性 能 的 研 究 ， 有 些 研 究 處于 國(guó) 際 復(fù) 合 材 料 前 沿 ， 如 納 米 復(fù) 合 材 料 ， 智 能 復(fù)合 材 料 等 。 結(jié) 構(gòu) 型 復(fù) 合 材 料 中 關(guān) 鍵 的 原 材 料 是 增 強(qiáng) 體 。 我 國(guó)于 20世 紀(jì) 50年 代 末 ， 開 始 研 制 ， 研究 了 各 種 玻 璃 纖 維 的 配 方 ， 包 括 中 堿 的 玻 璃 ， 無堿 的 玻 璃 以 及 高 強(qiáng) 度 的 玻 璃 等 。 工 藝 方 法 是 以 傳 統(tǒng) 的 為 主 ， 近 來 正 發(fā) 展到 先 進(jìn) 的 （ 直 接 熔 融 法 ） 。 高 性 能 增 強(qiáng) 體 如 碳 纖 維 、 芳 酰 胺 纖 維 （ 芳綸 ） 、 超 高 分 子 量 聚 已 乙 烯 纖 維 ， 以 及 一 些 陶 瓷纖 維 等 我 國(guó) 均 有 研 究 。 特 別 是 碳 纖 維 在 20世 紀(jì) 60年 代 即 從 聚 丙 烯 腈原 絲 開 始 研 究 ， 一 直 到 燒 成 碳 纖 維 。 隨 后 又 解 決了 連 續(xù) 化 的 問 題 ， 并 且 開 展 有 關(guān) 機(jī) 理 性 的 研 究 。 聚 合 物 基 復(fù) 合 材 料 主 要 為 不 飽 和 聚 酯 、 環(huán) 氧 樹 脂 、 酚 醛樹 脂 、 雙 馬 樹 脂 ， 以 及 少 量 的 耐 高 溫 聚 酰 亞 胺 樹 脂 ， 其 中 的研 究 工 作 集 中 在 合 成 新 型 樹 脂 ， 同 時(shí) 也 對(duì) 其 結(jié) 構(gòu) 表 征 和 固 化過 程 進(jìn) 行 了 研 究 。 除 聚 丙 烯 外 ， 還 有 常 用的 工 程 塑 料 ， 如 聚 醚 醚 酮 、 聚 苯 硫 醚 、 聚 醚 砜和 熱 塑 性 聚 酰 亞 胺 等 的 合 成 ， 改 性 和 表 征 等 。 聚 合 物 基 復(fù) 合 材 料 ， 除成 型 等 常 規(guī) 方 法 的研 究 外 ， 也 研 究 一 些 新 型 的 加 工 方 法 ， 如 樹 脂 傳 遞法 （ RTM） 的 充 模 過 程 ， 包 括 其 模 擬 計(jì) 算 等 。金 屬 基 復(fù) 合 材 料 目 前 主 要 集 中 在 以 （ 如 鋁 、 鎂 、 鈦 ）等 為 基 體 的 復(fù) 合 材 料 研 究 ， 少 量 研 究 致 力 于 銅 、鐵 、 鉛 基 體 的 復(fù) 合 材 料 。 增 強(qiáng) 的 形 式 包 括 連 續(xù) 纖維 、 短 纖 維 、 晶 須 和 顆 粒 。其 他 基 體 復(fù) 合 材 料 方 面 的 研 究 工 作 ， 如 熱 壓 燒結(jié) 的 增 強(qiáng) 氧 化 硅 ， 或 碳 化 硅 基 體 的 復(fù)合 材 料 ； 增 強(qiáng) 碳 化 物 陶 瓷 復(fù) 合 材 料 等的 制 備 科 學(xué) 和 結(jié) 構(gòu) 性 能 研 究 。 由 于 復(fù) 合 材 料 的 性 能 優(yōu) 于 傳 統(tǒng) 材 料 ， 如 能 降低 復(fù) 合 材 料 的 成 本 ， 其 應(yīng) 用 前 景 將 是 非 常 廣 闊 的 。 高 性 能 復(fù) 合 材 料 是 指 具 有 、 、 等 特 性的 復(fù) 合 材 料 。 隨 著 人 類 向 太 空 發(fā) 展 ， 航 空 航 天 工 業(yè) 對(duì) 高 性 能 復(fù) 合 材 料的 需 求 量 越 來 越 大 ， 而 且 也 會(huì) 提 出 更 高 的 性 能 要 求 ， 如 更 高的 強(qiáng) 度 要 求 、 更 高 的 耐 溫 要 求 等 。 功 能 復(fù) 合 材 料 是 指 具 有 、 、 、 、 、 等 功 能 的 復(fù) 合 材 料 。 智 能 復(fù) 合 材 料 是 指 具 有 、 及 的 復(fù) 合 材 料 。在 技 術(shù) 上 是 通 過 、 、 來 實(shí) 現(xiàn) 復(fù) 合 材 料 的上 述 能 力 。 例 如 ， 當(dāng) 用 智 能 復(fù) 合 材 料 制 造 的 飛 機(jī) 部 件 發(fā) 生 損 傷 時(shí) ，可 由 埋 入 的 傳 感 器 在 線 檢 測(cè) 到 該 損 傷 ， 通 過 控 制 器 決 策 后 ，控 制 埋 入 的 形 狀 記 憶 合 金 動(dòng) 作 ， 在 損 傷 周 圍 產(chǎn) 生 壓 應(yīng) 力 ， 從而 防 止 損 傷 的 繼 續(xù) 發(fā) 展 ， 大 大 提 高 了 飛 機(jī) 的 安 全 性 能 。 復(fù) 合 材 料 的 設(shè) 計(jì) 從 常 規(guī) 設(shè) 計(jì) 向 仿 生 設(shè) 計(jì) 發(fā) 展 。 仿 照 竹 子 從 表 皮 到 內(nèi) 層 纖 維 由 密 排 到 疏 松 的 特 點(diǎn) ，成 功 地 制 備 出 具 有 明 顯 與 的 新 型 梯 度復(fù) 合 材 料 。 仿 照 鮑 魚 殼 的 結(jié) 構(gòu) ， 由 碳 、 鋁 和 硼 混 合 成陶 瓷 細(xì) 帶 制 成 了 10微 米 厚 的 薄 層 ， 由 此 得 到 的層 狀 復(fù) 合 材 料 比 其 原 材 料 堅(jiān) 固 40 。 從 環(huán) 境 保 護(hù) 的 角 度 看 ， 目 前 的 復(fù) 合 材 料 大 多 注 重 材 料性 能 和 加 工 工 藝 性 能 ， 而 在 回 收 利 用 上 存 在 與 環(huán) 境 不 相 協(xié)調(diào) 的 問 題 。 因 此 ， 開 發(fā) 、 使 用 與 環(huán) 境 相 協(xié) 調(diào) 的 復(fù) 合 材 料 ，是 復(fù) 合 材 料 今 后 的 發(fā) 展 方 向 之 。復(fù) 合 材 料 發(fā) 展 史 天 然 復(fù) 合 材 料 竹 、 木 、 茅 草 、 貝 殼 、 骨 骼 傳 統(tǒng) 復(fù) 合 材 料麻 刀 （ 紙 筋 ） 石 灰 ； 土 坯 （ 草 稈 、 粘 土 ） ； 鋼 筋 混凝 土 ； 通 用 復(fù) 合 材 料1940年 玻 璃 纖 維 增 強(qiáng) 塑 料 （ GFRP） 先 進(jìn) 復(fù) 合 材 料 1960 年 ， 復(fù) 合 材 料 從 結(jié) 構(gòu) 復(fù) 合 材 料 單 功 能 復(fù)合 材 料 多 功 能 復(fù) 合 材 料 q 機(jī) 敏 材 料 和 智 能 材 料 。 智 能 材 料 具 有 接 受 、 傳 遞 、 處 理 和 發(fā) 射 信 息 的 功 能 ，是 信 息 科 學(xué) 溶 入 材 料 科 學(xué) 的 產(chǎn) 物 。 一 種 天 然 生 物 復(fù) 合 材 料 竹 子先 進(jìn) 復(fù) 合 材 料 先 進(jìn) 復(fù) 合 材 料 是 比 原 有 的 通 用 復(fù) 合 材 料 有 更 高 性能 的 復(fù) 合 材 料 。包 括 用 各 種 高 性 能 增 強(qiáng) 劑 (纖 維 等 )與 耐 溫 性 好 的熱 固 性 和 熱 塑 性 樹 脂 基 體 所 構(gòu) 成 的 高 性 能 樹 脂 基復(fù) 合 材 料 、 金 屬 基 復(fù) 合 材 料 、 陶 瓷 基 復(fù) 合 材 料 、玻 璃 基 復(fù) 合 材 料 、 碳 基 復(fù) 合 材 料 。包 括 使 用 其 力 學(xué) 性 能 的 結(jié) 構(gòu) 復(fù) 合 材 料 和 使 用 熱 、電 、 磁 、 光 、 核 、 生 物 及 其 他 性 能 的 功 能 復(fù) 合 材料 。先 進(jìn) 復(fù) 合 材 料v 功 能 材 料 是 指 除 力 學(xué) 性 能 以 外 還 提 供 其 它 物 理 、 化學(xué) 、 生 物 等 性 能 的 復(fù) 合 材 料 。v 包 括 壓 電 、 導(dǎo) 電 、 雷 達(dá) 隱 身 、 永 磁 、 光 致 變 色 、 吸聲 、 阻 燃 、 生 物 自 吸 收 等 種 類 繁 多 的 復(fù) 合 材 料 ， 具有 廣 闊 的 發(fā) 展 前 途 。v 未 來 的 功 能 復(fù) 合 材 料 比 重 將 超 過 結(jié) 構(gòu) 復(fù) 合 材 料 ， 成為 復(fù) 合 材 料 發(fā) 展 的 主 流 。v 未 來 復(fù) 合 材 料 的 研 究 方 向 主 要 集 中 在 納 米 復(fù) 合 材 料 、仿 生 復(fù) 合 材 料 、 和 發(fā) 展 多 功 能 、 機(jī) 敏 、 智 能 復(fù) 合 材料 等 領(lǐng) 域 。 飛 機(jī) 上 用 的 復(fù) 合 材 料碳 纖 維 /環(huán) 氧 樹 脂碳 纖 維 /芳 綸 /環(huán) 氧 樹 脂玻 璃 纖 維 增 強(qiáng) 塑 料 芳 綸 /杜 邦 聚 酰 胺芳 綸 /泡 沫 芯 板碳 纖 維 /杜 邦 聚 酰 胺飛 機(jī) 上 用 的 復(fù) 合 材 料增 韌 石 墨石 墨混 雜 復(fù) 合 材 料玻 璃 纖 維車 身 ： 開 創(chuàng) 性 的 大 量 應(yīng) 用 源 自 F1賽 車 的 碳 纖維 復(fù) 合 材 料GLARE蒙 皮 用 于 A380飛 機(jī) 的 上 機(jī) 身 蒙 皮中 國(guó) 自 研 大 飛 機(jī) 面 臨 發(fā) 動(dòng) 機(jī) 與 復(fù) 合 材 料 兩 大 難 題大 推 力 、 高 涵 道 比 渦 扇 發(fā) 動(dòng) 機(jī) 大 量 運(yùn) 用 了 復(fù)合 材 料 或 鈦 合 金 空 心 寬 弦 葉 片 、 整 體 葉 盤 。B-2隱 形 轟 炸 機(jī) 除 主 體 結(jié) 構(gòu) 是 鈦 復(fù) 合 材 料 外 ， 其 它 部 分 均 由碳 纖 維 和 石 墨 等 復(fù) 合 材 料 構(gòu) 成 ， 不 易 反 射 。輕 巧 的 碳 /碳 復(fù) 合 材 料全 復(fù) 合 材 料 機(jī) 身 ： 輕 型 機(jī) 的 價(jià) 格 ， 中 型 機(jī)的 寬 敞 客 艙 ， 客 艙 內(nèi) 站 立 高 度 為 1.65米 。目 前 商 用 飛 機(jī) 上 復(fù) 合 材 料 僅 占 全 機(jī) 重量 的 50%， 而 某 些 直 升 機(jī) 早 已 達(dá) 到 90%荷 蘭 計(jì) 劃 研 發(fā) 新 型 綠 色 環(huán) 保 飛 機(jī) 外 形 將 酷 似 飛 碟 ,另 一 個(gè) 設(shè) 想 就 是 使 用 復(fù) 合 材 料 ， 如 纖 維 增 強(qiáng) 塑 料 。 這 種 復(fù)合 材 料 強(qiáng) 度 可 與 金 屬 媲 美 ， 而 重 量 卻 比 金 屬 輕 得 多 ， 因 此 可 以 節(jié) 省 燃 油 。復(fù) 合 材 料 軍 用 吉 普 車 玻 璃 纖 維 /碳 纖 維 /增 強(qiáng) 樹 脂美 洲 輕 木泡 沫超 級(jí) 跑 車車 身 大 量 應(yīng) 用 碳 纖 維 復(fù) 合 材 料生 產(chǎn) 充 氣 船 及 其 膠 布 制 品 ， 采 用國(guó) 際 上 先 進(jìn) 的 A級(jí) RTP復(fù) 合 材 料新 型 日 光 溫 室 復(fù) 合 材 料溫 室 骨 架 和 縱 拉 桿 全 部 采 用 復(fù) 合 材 料 制 成綠 可 木 ， 生 態(tài) 木 塑 復(fù) 合 材料 ， 木 塑 復(fù) 合 材 料 吸 音 板 復(fù) 合 材 料 （ 玻 璃 鋼 ） 制 品采 用 高 分 子 復(fù) 合 材 料 制 作 浮 雕 和 雕 塑碳 纖 維 /樹 脂 復(fù) 合 材 料碳 /碳 復(fù) 合 材 料生 物 醫(yī) 學(xué) 制 品 和 體 育 運(yùn) 動(dòng)復(fù) 合 材 料 被 用 來 預(yù) 防 受 傷 ， 矯正 生 理 機(jī) 能 ， 和 幫 助 病 人 復(fù) 原 。 生 物 醫(yī) 學(xué) 制 品 和 以 體 育 運(yùn) 動(dòng) 器材 為 主 的 碳 纖 維 復(fù) 合 材 料 制 品熱 塑 性 復(fù) 合 材 料 再 近 20年 中 ， 增 長(zhǎng)速 率 持 續(xù) 較 快 ， 是 熱 固 性 的 3倍 。JS系 列 自 潤(rùn) 滑 復(fù) 合 材 料 與 部 件三 維 紡 織 預(yù) 成 型 技 術(shù) 和 RTM技 術(shù) 是 研 制 和 開 發(fā) 高 性 能 復(fù)合 材 料 結(jié) 構(gòu) 件 的 關(guān) 鍵 技 術(shù) 。 RTM成 型 的 復(fù) 合 材 料 頭 盔 。v 鋰 /復(fù) 合 材 料 聚 合 物 電 解 質(zhì) -熱 電 池聚 合 物 納 米 復(fù) 合 材 料聚 合 物層 狀 粘 土 傳 統(tǒng) 的復(fù) 合 材 料插 入 的納 米 復(fù) 合 材 料片 狀 剝 離 的納 米 復(fù) 合 材 料新 型 的 納 米 黏 土片 層 越 小 ， 分 散 得 越 好 ， 則 復(fù) 合 材 料 的 性 能 越 好復(fù) 合 材 料 的 鋪 層 優(yōu) 化 設(shè) 計(jì)模 壓 成 型 工 藝 ： 當(dāng) 前 常 用 的 模 壓 料 品 種 有 熱 固 性 復(fù) 合 材 料 ， 包 括 SMC（ 片 狀 模塑 料 ） 、 BMC （ 團(tuán) 狀 模 塑 料 ） 、 和 TMC （ 散 狀 模 塑 料 ） 、 等 ； 熱 塑 性 復(fù) 合 材 料 國(guó) 際 上 的 材 料 專 家 普 遍 認(rèn) 為 當(dāng) 前 人 類 已 經(jīng) 從 合 成材 料 的 時(shí) 代 進(jìn) 入 復(fù) 合 材 料 時(shí) 代 。 因 為 想 要 合 成 一種 新 的 單 一 材 料 使 之 滿 足 各 種 高 要 求 的 綜 合 指 標(biāo)是 非 常 困 難 的 。即 使 能 研 制 出 某 種 滿 意 的 單 一 材 料 ， 則 從 實(shí) 驗(yàn) 室到 生 產(chǎn) 的 周 期 也 很 長(zhǎng) 。如 果 把 現(xiàn) 有 的 有 機(jī) 高 分 子 、 無 機(jī) 非 金 屬 和 金 屬 材料 通 過 復(fù) 合 工 藝 組 成 復(fù) 合 材 料 則 可 以 利 用 它 們所 特 有 的 復(fù) 合 效 應(yīng) 使 之 產(chǎn) 生 原 組 成 材 料 不 具 備 的性 能 而 且 還 可 以 通 過 材 料 設(shè) 計(jì) 以 達(dá) 到 預(yù) 期 的 性能 指 標(biāo) ， 并 起 到 節(jié) 約 材 料 和 費(fèi) 用 的 作 用 。復(fù) 合 材 料 概 念 的 提 出 只 有 50年 左 右 。 上 世 紀(jì) 60年代 的 中 后 期 由 于 出 現(xiàn) 了 碳 纖 維 和 芳 酰 胺 纖 維 等 高性 能 增 強(qiáng) 劑 和 一 些 耐 高 溫 樹 脂 基 體 ， 從 而 構(gòu) 成 性能 更 高 的 復(fù) 合 材 料 。 雖 然 由 于 技 術(shù) 難 度 大 ， 造 價(jià)高 因 而 產(chǎn) 量 小 ， 但 是 它 們 能 滿 足 當(dāng) 時(shí) 高 技 術(shù) 進(jìn) 展的 需 要 ， 所 以 仍 能 迅 速 發(fā) 展 起 來 。為 了 與 一 般 通 用 復(fù) 合 材 料 (指 玻 璃 纖 維 增 強(qiáng) 塑 料 )有 所 區(qū) 別 ， 而 獲 得 了 “ 先 進(jìn) 復(fù) 合 材 料 ” 的 名 稱 。隨 后 又 把 金 屬 基 復(fù) 合 材 料 、 陶 瓷 基 復(fù) 合 材 料 、 碳基 復(fù) 合 材 料 以 及 功 能 復(fù) 合 材 料 等 充 實(shí) 到 先 進(jìn) 復(fù) 合材 料 的 范 疇 里 來 ， 充 分 體 現(xiàn) 出 先 進(jìn) 復(fù) 合 材 料 量 小但 性 能 特 殊 而 優(yōu) 異 的 特 點(diǎn) 。 雖 然 它 所 包 括 的 各 種 基 體 的 復(fù) 合 材 料 和 功 能 復(fù) 合材 料 各 有 特 點(diǎn) 和 缺 陷 ， 但 綜 合 起 來 看 ， 先 進(jìn) 復(fù) 合材 料 可 以 通 過 選 擇 ， 使 之 具 備 密 度 小 、 強(qiáng) 度 和 剛度 高 、 耐 溫 、 耐 磨 、 導(dǎo) 熱 、 導(dǎo) 電 、 膨 脹 系 數(shù) 小 、抗 疲 勞 性 好 、 阻 尼 性 能 好 、 耐 燒 蝕 、 耐 沖 刷 、 抗輻 射 、 吸 波 、 換 能 以 及 其 他 物 理 功 能 等 特 點(diǎn) 。 這些 正 是 推 動(dòng) 高 技 術(shù) 的 發(fā) 展 中 迫 切 需 要 解 決 的 問 題 ，因 此 ， 可 以 說 先 進(jìn) 復(fù) 合 材 料 的 發(fā) 展 有 力 地 促 進(jìn) 了高 技 術(shù) 的 進(jìn) 步 。 同 時(shí) 高 技 術(shù) 的 進(jìn) 展 也 帶 動(dòng) 和 加 速了 先 進(jìn) 復(fù) 合 材 料 的 不 斷 更 新 ， 到 上 世 紀(jì) 90年 代初 ， 復(fù) 合 材 料 的 世 界 總 產(chǎn) 量 約 為 三 百 萬 噸 ， 已 在建 筑 、 交 通 運(yùn) 輸 、 化 工 、 船 舶 、 航 空 航 天 和 通 用機(jī) 械 等 領(lǐng) 域 廣 泛 應(yīng) 用 。 先 進(jìn) 復(fù) 合 材 料 在 高 技 術(shù) 中 的 作 用 高 技 術(shù) 對(duì) 材 料 的 選 用 是 非 常 嚴(yán) 格 和 苛 刻的 ， 先 進(jìn) 復(fù) 合 材 料 的 優(yōu) 越 性 能 比 一 般 材料 更 能 適 合 各 種 高 技 術(shù) 發(fā) 展 的 需 要 。 幾 種 典 型 先 進(jìn) 復(fù) 合 材 料 和 常 用 材 料 性 能 對(duì) 比材 料 密 度(g/cm3) 拉 伸 強(qiáng) 度(GPa) 比 強(qiáng) 度107(mm) 拉 伸 模 量(GPa) 比 模 量109(mm) 沖 擊 強(qiáng) 度(kgcm/cm2) 線 脹 系 數(shù)10-6( -1)復(fù) 合 材 料碳 纖 維 (高強(qiáng) )/環(huán) 氧 1.6 1.8 11.3 128 8.0 76 0.2芳 綸 /環(huán) 氧 1.4 1.5 10.7 80 5.7 200 1.8硼 纖 維 /環(huán) 氧 2.1 1.6 7.6 220 10.5 - 4.0碳 化 硅 纖 維 /環(huán) 氧 2.0 1.5 7.5 130 6.5 260 2.6石 墨 纖 維 /鋁 2.2 0.8 3.6 231 10.5 - 2.0金 屬 鋼 7.8 1.4 1.8 210 2.7 - 12鋁 合 金 2.8 0.5 1.7 77 2.8 - 23鈦 合 金 4.5 1.0 2.2 110 2.4 - 9.0高 聚 物尼 龍 6 1.2 0.07 0.06 2.7 0.02 12 40復(fù) 合 材 料 的 比 強(qiáng) 度 和 比 模 量玻 璃 纖 維 /環(huán) 氧 樹 脂芳 綸 纖 維 /環(huán) 氧 樹 脂石 墨 纖 維 /環(huán) 氧 樹 脂硼 纖 維 /環(huán) 氧 樹 脂石 墨 纖 維 /環(huán) 氧 樹 脂鈹石 墨 纖 維 /環(huán) 氧 樹 脂比 拉 伸 模 量 =彈 性 模 量 /密 度 （ 任 意 單 位 ）比拉伸強(qiáng)度=拉伸強(qiáng)度/密度 （任意單位）開 發(fā) 空 間 是 人 類 進(jìn) 步 的 重 要 標(biāo) 志 ， 巳 所 需 要 的各 種 結(jié) 構(gòu) 材 料 如 運(yùn) 載 火 箭 的 殼 體 ， 航 天 飛 機(jī) 的支 架 、 桁 條 、 蒙 皮 ， 衛(wèi) 星 的 支 架 、 蒙 皮 、 天 線 ，空 間 站 的 各 種 結(jié) 構(gòu) 件 ， 都 要 求 用 輕 質(zhì) 高 強(qiáng) 和 高剛 度 材 料 以 節(jié) 約 推 動(dòng) 所 需 的 燃 料 ， 先 進(jìn) 復(fù) 合 材料 能 滿 足 這 些 要 求 。特 別 是 像 導(dǎo) 彈 的 頭 部 防 熱 材 料 、 航 天 飛 機(jī) 的 防熱 前 緣 和 火 箭 發(fā) 動(dòng) 機(jī) 的 噴 管 等 需 要 耐 高 溫 、 抗燒 蝕 材 樹 ， 更 是 非 先 進(jìn) 復(fù) 合 材 料 莫 屬 。其 他 如 抗 粒 子 流 、 隱 身 功 能 等 方 而 ， 先 進(jìn) 復(fù) 合材 料 也 是 候 選 的 優(yōu) 先 對(duì) 象 。先 進(jìn) 復(fù) 合 材 料 在 航 天 技 術(shù) 的 建 立 方 面 已 經(jīng) 作 出了 不 可 磨 滅 的 貢 獻(xiàn) ， 而 且 在 未 來 的 發(fā) 展 中 還 將繼 續(xù) 起 關(guān) 鍵 作 用 。 開 發(fā) 新 能 源 、 節(jié) 能 和 儲(chǔ) 能 等 能 源 新 技 術(shù) 是 高技 術(shù) 的 另 一 重 要 組 成 部 分 。 能 源 技 術(shù) 同 樣 也需 要 輕 質(zhì) 高 強(qiáng) 、 耐 溫 耐 腐 蝕 的 材 料 ， 先 進(jìn) 復(fù)合 材 料 也 是 理 想 的 選 用 對(duì) 象 (見 下 表 )。 在 能 源 技 術(shù) 中 先 進(jìn) 復(fù) 合 材 料 的 應(yīng) 用 范 例功 能 構(gòu) 件 先 進(jìn) 復(fù) 合 材 料新 能 源 太 陽 能 發(fā) 電 太 陽 能 電 池 結(jié) 構(gòu) 支 架 碳 纖 維 樹 脂 基太 陽 能 發(fā) 電 熱 變 換 器 的 吸 熱 層 吸 熱 功 能風(fēng) 力 發(fā) 電 機(jī) 葉 片 及 塔 身 混 雜 碳 纖 維 樹 脂 基核 能 源 核 同 位 素 分 離 離 心 機(jī) 轉(zhuǎn) 子 碳 纖 維 樹 脂 基核 能 源 核 燃 料 包 覆 管 碳 纖 維 碳節(jié) 能 汽 車 轉(zhuǎn) 動(dòng) 軸 、 輪 箍 活 塞 碳 纖 維 樹 脂 基汽 車 活 塞 連 桿 及 銷 子 氧 化 鋁 纖 維 鋁燃 氣 渦 輪 發(fā) 動(dòng) 機(jī) 渦 輪 葉 片 陶 瓷 基 和 耐 高 溫 金 屬 基儲(chǔ) 能 高 效 鉛 酸 蓄 電 磁 電 極 碳 纖 維 鉛高 能 鋰 電 池 固 體 電 解 質(zhì) 離 子 導(dǎo) 電 功 能信 息 技 術(shù) 是 現(xiàn) 代 發(fā) 展 最 迅 速 的 高 技 術(shù) 。 在 信息 技 術(shù) 中 包 括 信 息 的 檢 測(cè) 、 傳 輸 、 貯 存 、 處理 運(yùn) 算 和 執(zhí) 行 等 方 面 ， 先 進(jìn) 復(fù) 合 材 料 也 能 起到 重 要 的 作 用 (見 下 表 )。 先 進(jìn) 復(fù) 合 材 料 在 信 息 技 術(shù) 中 的 應(yīng) 用功 能 部 件 先 進(jìn) 復(fù) 合 材 料檢 測(cè) 換 能 敏 感 元 件 換 能 功 能傳 輸 光 纖 光 纜 的 纜 芯 和 管 碳 纖 維 或 芳 綸 /樹 脂 基存 儲(chǔ) 磁 記 錄 和 磁 光 記 錄 盤 片 磁 性 功 能處 理 與 計(jì) 算 大 規(guī) 模 集 成 電 路 基 片 碳 纖 維 /銅計(jì) 算 機(jī) 及 終 端 用 屏 幕 罩高 頻 覆 銅 電 路 板 半 導(dǎo) 體 及 導(dǎo) 電 性鍵 盤 觸 點(diǎn) 柔 性 導(dǎo) 電執(zhí) 行 打 印 機(jī) 機(jī) 械 零 件 碳 纖 維 /樹 脂 基機(jī) 械 手 與 機(jī) 器 人 碳 纖 維 /樹 脂 基 或 金 屬 基在 高 技 術(shù) 的 生 物 工 程 方 面 ， 先 進(jìn) 復(fù) 合 材 料 不僅 在 力 學(xué) 性 能 上 能 滿 足 各 種 生 物 工 程 用 容 器的 要 求 ， 同 時(shí) 還 能 滿 足 耐 腐 蝕 、 抗 生 物 破 壞以 及 生 物 相 容 性 的 要 求 。 此 外 ， 功 能 復(fù) 合 材料 還 可 以 制 造 用 于 生 物 工 程 的 物 質(zhì) 分 離 的 各種 膜 材 料 。 上 世 紀(jì) 70年 代 以 來 。 先 進(jìn) 復(fù) 合 材 料 的 發(fā) 展 非常 迅 速 特 別 是 80年 代 更 為 顯 著 。 (1)高 性 能 增 強(qiáng) 劑 碳 (石 墨 )纖 維 的 發(fā) 展 是 非 常 突 出 的 。 以 PAN(聚丙 烯 腈 )為 先 驅(qū) 體 碳 纖 維 基 本 解 決 了 過 去 的 提 高模 量 則 會(huì) 犧 牲 強(qiáng) 度 和 斷 裂 伸 長(zhǎng) 的 矛 盾 。 因 此 特別 適 合 樹 脂 基 先 進(jìn) 復(fù) 合 材 料 的 需 要 。 P系 列 瀝青 基 超 高 模 量 石 墨 纖 維 ， 其 模 量 已 接 近 石 墨 晶須 它 適 合 用 作 金 屬 基 復(fù) 合 材 料 的 增 強(qiáng) 劑 。有 機(jī) 纖 維 中 熔 致 液 晶 的 聚 芳 酰 胺 類 發(fā) 展 很 快 ，現(xiàn) 已 出 現(xiàn) 許 多 牌 號(hào) ， 性 能 很 好 目 前 重 點(diǎn) 是 解決 該 類 纖 維 的 吸 濕 性 大 的 問 題 。 為 此 熱 致 液 晶型 聚 芳 酯 纖 維 得 以 發(fā) 展 ， 它 雖 然 熱 穩(wěn) 定 性 稍差 但 不 吸 濕 而 且 強(qiáng) 度 與 模 量 與 聚 芳 酰 胺 相 當(dāng) 。 值 得 一 提 的 是 用 先 進(jìn) 的 凍 膠 紡 絲 法 制 成 超 高 分子 量 的 聚 乙 烯 纖 維 ， 強(qiáng) 度 與 模 量 均 很 高 ， 其 缺點(diǎn) 是 耐 溫 性 差 只 能 適 合 于 低 溫 使 用 。 用 無 機(jī) 高分 子 作 為 先 驅(qū) 體 ， 經(jīng) 紡 絲 后 燒 成 陶 瓷 纖 維 ， 是當(dāng) 前 受 到 關(guān) 注 的 工 藝 路 線 。 繼 SiC纖 維 開 發(fā) 成功 ,最 近 又 推 出 含 Ti的 SiC纖 維 其 性 能 相 當(dāng) 但耐 溫 性 明 顯 高 于 SiC纖 維 。 用 這 類 方 法 現(xiàn) 已 制成 Si3N4纖 維 ， 但 尚 未 商 品 化 ， 晶 須 已 有 較 長(zhǎng) 的歷 史 ， 盡 管 它 強(qiáng) 度 和 模 量 極 高 。 但 由 于 分 散 困難 一 直 未 能 發(fā) 揮 作 用 。 當(dāng) 前 由 于 金 屬 基 (高 溫 型 )和 陶 瓷 基 復(fù) 合 材 料 的 要 求 ， 又 重 新 活 躍 起 來 ，但 是 又 面 臨 它 帶 有 細(xì) 纖 維 污 染 環(huán) 境 的 問 題 、 能否 允 許 使 用 有 待 裁 決 。 (2)高 性 能 樹 脂 基 復(fù) 合 材 料 制 備 樹 脂 基 復(fù) 合 材 料 首 先 需 要 有 高 性 能 的 熱 固 性和 熱 塑 性 樹 脂 基 體 。 關(guān) 于 熱 固 性 樹 脂 基 體 已 提 出一 系 列 要 求 ， 即 滿 足 200 300 長(zhǎng) 期 使 用 的 條件 ， 并 能 對(duì) 原 來 的 力 學(xué) 性 能 有 一 定 的 保 持 率 ， 容易 制 成 預(yù) 浸 料 并 有 較 長(zhǎng) 的 貯 存 期 ， 在 加 工 過 程 中基 本 上 沒 有 揮 發(fā) 物 逸 出 。 在 工 藝 上 容 易 掌 握 并 能監(jiān) 控 其 質(zhì) 量 以 及 具 有 合 適 的 價(jià) 格 。 目 前 新 型 的 多官 能 團(tuán) 環(huán) 氧 ， 已 經(jīng) 接 近 上 述 的 部 分 要 求 ， 如 用 熱塑 性 高 分 子 固 化 劑 的 延 長(zhǎng) 貯 存 期 等 ， 但 耐 溫 性 尚不 夠 理 想 。 達(dá) 到 200 以 上 使 用 溫 度 的 樹 脂 ， 目前 主 要 用 熱 固 性 聚 酰 亞 胺 。 現(xiàn) 在 已 有 PMR 15，等 牌 號(hào) 的 商 品 出 現(xiàn) ， 其 耐 溫 性 最 高 可 達(dá) 300 。這 類 樹 脂 可 以 通 過 共 聚 、 改 變 封 頭 結(jié) 構(gòu) 和 主 鏈 結(jié)構(gòu) 來 進(jìn) 行 改 性 。 雙 馬 聚 酰 亞 胺 耐 溫 性 雖 不 如 聚 酰 亞 胺 但略 高 于 環(huán) 氧 ， 可 以 滿 意 地 在 200 使 用 。它 的 工 藝 性 能 比 聚 酰 亞 胺 好 ， 交 聯(lián) 度 高 從而 剛 度 高 和 耐 溶 劑 性 好 是 其 優(yōu) 點(diǎn) ， 但 是 它也 存 在 脆 性 大 的 缺 點(diǎn) ?，F(xiàn) 在 這 種 樹 脂 已 有 許 多 商 品 牌 號(hào) ， 耐 溫 更高 的 樹 脂 基 體 只 有 雜 環(huán) 類 高 分 子 如 共 聚 喹惡 啉 樹 脂 ， 聚 苯 并 咪 唑 樹 脂 等 ， 但 由 于 價(jià)格 昂 貴 ， 加 工 性 能 又 差 ， 所 以 只 有 在 特 殊情 況