復(fù)合材料的發(fā)展歷程

【專家解說】：復(fù)合材料(Composite materials)，是以一種材料為基體(Matrix)，另一種材料為增強(qiáng)體(reinforcement)組合而成的材料。各種材料在性能上互相取長補(bǔ)短，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使復(fù)合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料而滿足各種不同的要求。復(fù)合材料的基體材料分為金屬和非金屬兩大類。金屬基體常用的有鋁、鎂、銅、鈦及其合金。非金屬基體主要有合成樹脂、橡膠、陶瓷、石墨、碳等。增強(qiáng)材料主要有玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維、石棉纖維、晶須、金屬絲和硬質(zhì)細(xì)粒等。 復(fù)合材料使用的歷史可以追溯到古代。從古至今沿用的稻草增強(qiáng)粘土和已使用上百年的鋼筋混凝土均由兩種材料復(fù)合而成。20世紀(jì)40年代，因航空工業(yè)的需要，發(fā)展了玻璃纖維增強(qiáng)塑料（俗稱玻璃鋼），從此出現(xiàn)了復(fù)合材料這一名稱。50年代以后，陸續(xù)發(fā)展了碳纖維、石墨纖維和硼纖維等高強(qiáng)度和高模量纖維。70年代出現(xiàn)了芳綸纖維和碳化硅纖維。這些高強(qiáng)度、高模量纖維能與合成樹脂、碳、石墨、陶瓷、橡膠等非金屬基體或鋁、鎂、鈦等金屬基體復(fù)合，構(gòu)成各具特色的復(fù)合材料。 復(fù)合材料按其組成分為金屬與金屬復(fù)合材料、非金屬與金屬復(fù)合材料、非金屬與非金屬復(fù)合材料。按其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)又分為：①纖維復(fù)合材料。將各種纖維增強(qiáng)體置于基體材料內(nèi)復(fù)合而成。如纖維增強(qiáng)塑料、纖維增強(qiáng)金屬等。②夾層復(fù)合材料。由性質(zhì)不同的表面材料和芯材組合而成。通常面材強(qiáng)度高、薄；芯材質(zhì)輕、強(qiáng)度低，但具有一定剛度和厚度。分為實(shí)心夾層和蜂窩夾層兩種。③細(xì)粒復(fù)合材料。將硬質(zhì)細(xì)粒均勻分布于基體中，如彌散強(qiáng)化合金、金屬陶瓷等。④混雜復(fù)合材料。由兩種或兩種以上增強(qiáng)相材料混雜于一種基體相材料中構(gòu)成。與普通單增強(qiáng)相復(fù)合材料比，其沖擊強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度和斷裂韌性顯著提高，并具有特殊的熱膨脹性能。分為層內(nèi)混雜、層間混雜、夾芯混雜、層內(nèi)／層間混雜和超混雜復(fù)合材料。 60年代，為滿足航空航天等尖端技術(shù)所用材料的需要，先后研制和生產(chǎn)了以高性能纖維（如碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維等）為增強(qiáng)材料的復(fù)合材料，其比強(qiáng)度大于4×106厘米（cm），比模量大于4×108cm。為了與第一代玻璃纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料相區(qū)別，將這種復(fù)合材料稱為先進(jìn)復(fù)合材料。按基體材料不同，先進(jìn)復(fù)合材料分為樹脂基、金屬基和陶瓷基復(fù)合材料。其使用溫度分別達(dá)250～350℃、350～1200℃和1200℃以上。先進(jìn)復(fù)合材料除作為結(jié)構(gòu)材料外，還可用作功能材料，如梯度復(fù)合材料(材料的化學(xué)和結(jié)晶學(xué)組成、結(jié)構(gòu)、空隙等在空間連續(xù)梯變的功能復(fù)合材料)、機(jī)敏復(fù)合材料（具有感覺、處理和執(zhí)行功能，能適應(yīng)環(huán)境變化的功能復(fù)合材料）、仿生復(fù)合材料、隱身復(fù)合材料等 復(fù)合材料中以纖維增強(qiáng)材料應(yīng)用最廣、用量最大。其特點(diǎn)是比重小、比強(qiáng)度和比模量大。例如碳纖維與環(huán)氧樹脂復(fù)合的材料，其比強(qiáng)度和比模量均比鋼和鋁合金大數(shù)倍，還具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、減摩耐磨、自潤滑、耐熱、耐疲勞、耐蠕變、消聲、電絕緣等性能。石墨纖維與樹脂復(fù)合可得到膨脹系數(shù)幾乎等于零的材料。纖維增強(qiáng)材料的另一個(gè)特點(diǎn)是各向異性，因此可按制件不同部位的強(qiáng)度要求設(shè)計(jì)纖維的排列。以碳纖維和碳化硅纖維增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料，在500℃時(shí)仍能保持足夠的強(qiáng)度和模量。碳化硅纖維與鈦復(fù)合，不但鈦的耐熱性提高，且耐磨損，可用作發(fā)動機(jī)風(fēng)扇葉片。碳化硅纖維與陶瓷復(fù)合，使用溫度可達(dá)1500℃，比超合金渦輪葉片的使用溫度（1100℃）高得多。碳纖維增強(qiáng)碳、石墨纖維增強(qiáng)碳或石墨纖維增強(qiáng)石墨，構(gòu)成耐燒蝕材料，已用于航天器、火箭導(dǎo)彈和原子能反應(yīng)堆中。非金屬基復(fù)合材料由于密度小，用于汽車和飛機(jī)可減輕重量、提高速度、節(jié)約能源。用碳纖維和玻璃纖維混合制成的復(fù)合材料片彈簧，其剛度和承載能力與重量大5倍多的鋼片彈簧相當(dāng)。 復(fù)合材料的主要應(yīng)用領(lǐng)域有：①航空航天領(lǐng)域。由于復(fù)合材料熱穩(wěn)定性好，比強(qiáng)度、比剛度高，可用于制造飛機(jī)機(jī)翼和前機(jī)身、衛(wèi)星天線及其支撐結(jié)構(gòu)、太陽能電池翼和外殼、大型運(yùn)載火箭的殼體、發(fā)動機(jī)殼體、航天飛機(jī)結(jié)構(gòu)件等。②汽車工業(yè)。由于復(fù)合材料具有特殊的振動阻尼特性，可減振和降低噪聲、抗疲勞性能好，損傷后易修理，便于整體成形，故可用于制造汽車車身、受力構(gòu)件、傳動軸、發(fā)動機(jī)架及其內(nèi)部構(gòu)件。③化工、紡織和機(jī)械制造領(lǐng)域。有良好耐蝕性的碳纖維與樹脂基體復(fù)合而成的材料，可用于制造化工設(shè)備、紡織機(jī)、造紙機(jī)、復(fù)印機(jī)、高速機(jī)床、精密儀器等。④醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。碳纖維復(fù)合材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能和不吸收X射線特性，可用于制造醫(yī)用X光機(jī)和矯形支架等。碳纖維復(fù)合材料還具有生物組織相容性和血液相容性，生物環(huán)境下穩(wěn)定性好，也用作生物醫(yī)學(xué)材料。此外，復(fù)合材料還用于制造體育運(yùn)動器件和用作建筑材料等。