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若不控制，外表温度可达4000℃。合金钢2000℃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，以达最佳性能；
（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，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，则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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