什么是復合材料（1）

玄武

一．緒言
　　
　　材料是高新技術發展和現代文明的物質基礎，材料科學一直是活躍的科學前沿。材料是人類文明發展的里程碑：歷史上所謂石器—青銅—鐵器時代，就以材料作為時代標志。材料是技術進步的關鍵。沒有半導體材料，就不會有計算機；沒有耐高溫、高強、低容重的結構材料就沒有宇航事業。美國國家關鍵技術委員會列定了21項關鍵技術中材料占五項：光電子材料、金屬與合金、陶瓷材料、高分子材料、先進復合材料。我國863計劃涵括的七大方面：航天、激光、生物工程、新材料、能源、信息、自動化。材料是其中之一。材料的開發、生產和應用對自然環境和人類社會的影響是無與倫比的。因此，人們把能源—材料—信息作為現代文明的三大支柱。
　　
　　為什么材料，特別是高性能新材料受到世界各國如此重視，得到迅速發展呢？主要有以下四點原因：（1）國際軍事工業激烈競爭，航空航天技術發展需要。下面舉幾個例子予以佐證。例1，宇宙飛船或衛星返回地面若不控制，外表溫度可達4000℃。合金鋼2000℃也熔化了。目前沒有任一種單一材料可抵此溫度。飛船宇宙飛行時，外壁溫度為零下110℃，返回地面，高溫沖擊時間30min，外壁溫度為1250℃。美國航天飛機“哥倫比亞號”外表覆蓋了可重復使用的聚合物基復合材料隔熱瓦片30757塊，成功解決了難題。例2，宇宙飛行器上的雷達天線，稱為“飛行器眼睛”。為降低信號損失，對其尺寸穩定性有嚴格要求：變形小于萬分之一，重量輕強度高。工作環境卻非常嚴苛：發射加速度沖擊與振動，-200℃~70℃。高模量碳纖維/環氧樹脂復合材料幾乎為唯一滿足要求的材料。例3，據計算，人造衛星減重1kg，運載火箭可減輕500kg。美國MX導彈發動機由碳纖維/環氧纏繞殼體取代鈦合金，射程由1千公里增至4千公里,CFWRP的比重僅為合金鋼的確1/5。例4，美國航天飛機采用了各種先進復合材料：
　　
　　發動機殼體硼纖維/環氧聚合物基復合材料
　　
　　壓力容器硼纖維/聚酰亞胺
　　
　　后部機體碳纖維/聚酰亞胺
　　
　　機體中央部分硼纖維/鋁金屬基復合材料
　　
　　機頭及主翼前緣碳/碳復合材料
　　
　　哈爾濱飛機公司引進的法國海豚直升機，碳纖維、Kevlar纖維增強環氧先進復合材料用量占70%以上。以上例子說明高性能新材料、聚合物基復合材料迅猛發展的第一個原因。（2）新技術的需要促進了新材料的發展。（3）地球上金屬資源與化石能源越用越少，石油天燃氣等本世紀末將用盡，開發與節約能源為當務之急。據報導，全世界汽車每天用油約300萬噸，約占世界產油總量的30—40%。采用陶瓷基復合材料制造汽車發動機，熱效率提高50%，可減重20%，省油30%。碳纖維增強塑料汽車可省油20%。再如:一個年產4．5萬噸的人工合成橡膠廠就能抵上45萬畝天然橡膠園。（4）科學技術的進步為新材料的發展提供了條件中國樹脂在線。
　　
　　材料的分類，新材料偏重于應用可分為：信息材料、能源材料、功能高分子材料（如高效分離膜）、新型金屬材料（非晶態金屬、新合金等）、先進復合材料等。從物質組成結構上分為四大類：金屬材料、無機非金屬材料（陶瓷、玻璃、水泥等）、高分子材料（包括三大合成材料：樹脂、橡膠、纖維等）、復合材料。人們對材料的研究，總體歸結為兩大方面：一是材料組成、結構與性能關系（即微觀結構與宏觀性能的關系）。二是設計、制造工藝與產品性能間的關系。代表著結構材料發展趨勢的樹脂基復合材料脫穎而出，日益發揮重要作用。20世紀以鋼鐵為主的時代經過數十年發展，正逐步演變為復合材料時代。在發達國家鋼鐵需求量逐年下降，而復合材料需求量猛增。目前美國塑料與樹脂基復合材料需求量比鋼鐵多0.8倍（體積比）。樹脂基復合材料經過半個世紀的發展歷程，其理論研究和工業生產已取得巨大進展，應用范圍已擴展至人類生活各領域。
　　


摘自：http://www.zxxk.com/huodong/2009jsj/Info.aspx?InfoID=113088