復合材料-第一章

1、復合材料復合材料第第 1 章章 復合材料發(fā)展概況及趨勢復合材料發(fā)展概況及趨勢 材料的復合化是材料發(fā)展的必然趨勢之一。古代就出現(xiàn)了原始型的復合材料，如用草莖和泥土作建筑材料；砂石和水泥基體復合的混凝土也有很長歷史。19世紀末復合材料開始進入工業(yè)化生產(chǎn)。20世紀60年代由于高新技術(shù)的發(fā)展，對材料性能的要求日益提高，單質(zhì)材料很難滿足性能的綜合要求和高指標要求。 圖1-1示出復合材料與其他單質(zhì)材料力學性能的比較。 復合材料因具有可設(shè)計性的特點受到各發(fā)達國家的重視，因而發(fā)展很快，開發(fā)出許多性能優(yōu)良的先進復合材料(成為航空、航天工業(yè)的首要關(guān)鍵材料)，各種基礎(chǔ)性研究也得到發(fā)展，使復合材料與金屬、陶瓷、高聚物

2、等材料并列為重要材料。 有人預言，21世紀將是進入復合材料的時代。 復合材料包括的類型、品種很多，受篇幅所限，本書僅向讀者展示復合材料中一部分新材料、新工藝，包括未來復合材料發(fā)展的新領(lǐng)域、復合材料新的設(shè)計和制備方法等。 本章將向讀者簡要介紹復合材料的基本知識。1.1 復合材料的分類和品種 復合材料是由兩種或兩種以上異質(zhì)、異形、異性的材料復合形成的新型材料。一般由基體組元與增強體或功能組元所組成。 復合材料可經(jīng)設(shè)計，即通過對原材料的選擇、各組分分布設(shè)計和工藝條件的保證等，使原組分材料優(yōu)點互補，因而呈現(xiàn)了出色的綜合性能。 復合材料按性能高低分為常用復合材料和先進復合材料。 先進復合材料是以碳、芳綸

3、、陶瓷等纖維和晶須等高性能增強體與耐高溫的高聚物、金屬、陶瓷和碳(石墨)等構(gòu)成的復合材料。 這類材料往往用于各種高技術(shù)領(lǐng)域中用量少而性能要求高的場合。 復合材料按用途可分為結(jié)構(gòu)復合材料和功能復合材料。 目前結(jié)構(gòu)復合材料占絕大多數(shù)，而功能材料有廣闊的發(fā)展前途。預計21世紀會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)復合材料與功能復合材料并重的局面，而且功能復合材料更具有與其他功能材料競爭的優(yōu)勢。 結(jié)構(gòu)復合材料主要用作承力和次承力結(jié)構(gòu)，要求它質(zhì)量輕、強度和剛度高，且能耐受一定溫度，在某種情況下還要求有膨脹系數(shù)小、絕熱性能好或耐介質(zhì)腐蝕等其他性能。 結(jié)構(gòu)復合材料基本上由增強體與基體組成。增強體承擔結(jié)構(gòu)使用中的各種載荷，基體則起到粘接

4、增強體予以賦形并傳遞應力和增韌的作用。復合材料所用基體主要是有機聚合物、也有少量金屬、陶瓷、水泥及碳(石墨)。 結(jié)構(gòu)復合材料通常按不同的基體來分類，如圖1-2所示。 在某些情況下也以增強體的形狀來分類，這種分類適用于各種基體，見圖1-3。1.1.1 高性能增強體 增強體是高性能結(jié)構(gòu)復合材料的關(guān)鍵組分，在復合材料中起著增加強度、改善性能的作用。 增強體按來源區(qū)分為天然與人造兩類，但天然增強體已很少使用。 按形態(tài)區(qū)分則有顆粒狀(零維)、纖維狀(一維)、片狀(二維)、立體編織物(三維)等。 一般按化學特征來區(qū)分，即無機非金屬類(共價鍵)、有機聚合物類(共價鍵、高分子鏈)和金屬類(金屬鍵)。 雖然可用

5、作增強體的材料品目繁多，但是，先進復合材料必須用高性能纖維以及用這些纖維制成的二維、三維織物作為增強體。 圖1-4示出一些常用纖維增強體的強度和模量(包括無機非金屬和聚合物纖維)。從圖中不難看出，高強度碳纖維和高模量碳纖維是出類拔萃的，碳化硅纖維、硼纖維和有機聚合物的聚芳酰胺、超高分子量聚乙烯等纖維也具有很好的力學性能。 下面簡單介紹幾種典型的高性能纖維增強體(詳細內(nèi)容參見第2章)。 (1) 碳纖維 碳纖維是先進復合材料最常用的增強體。一般采用有機先驅(qū)體進行穩(wěn)定化處理，再在1000以上高溫和惰性保護氣氛下碳化，成為具有六元環(huán)碳結(jié)構(gòu)的碳纖維。 這樣的碳纖維強度很高但還不是完整的石墨結(jié)構(gòu)，即雖然六

6、元環(huán)平面基本上平行于纖維軸向，但石墨晶粒較小。碳纖維進一步在保護氣氛下經(jīng)過28003000處理，就可以提高結(jié)構(gòu)的規(guī)整性，晶粒長大為石墨纖維，此時纖維的彈性模量進一步提高但強度卻有所下降。 商品碳纖維的強度可達3.5GPa以上，最高可達7GPa)，模量則為200GPa以上，最高可達920GPa。 (2) 高強有機纖維 高強、高模有機纖維通過兩種途徑獲得： 一是由分子設(shè)計并借助相應的合成方法制備具有剛性棒狀分子鏈的聚合物。例如，聚芳酰胺、聚芳脂和芳雜環(huán)類聚合物經(jīng)過干濕法液晶紡絲法制成分子高度取向的纖維。 另一途徑是合成超高分子量的柔性鏈聚合物，如聚乙烯。由分子中的CC鏈伸直，提供強度和模量。 這兩

7、類有機纖維均有批量產(chǎn)品，其中以芳酰胺產(chǎn)量最大。 芳酰胺的性能以Kevlar(凱夫拉爾)49為例(杜邦公司生產(chǎn))，強度為2.8GPa，模量為104GPa。雖然比不上碳纖維，但由于其密度僅為1.45g/cm3，比碳纖維的1.81.9g/cm3低，因此在比強度和比模量上略有補償。 超高分子聚乙烯纖維也有一定規(guī)模的產(chǎn)量, 而且力學性能較好, 強度為4.4GPa,模量為157GPa、密度為0.97g/cm3，但其耐溫性較差，影響了它在復合材料中的廣泛使用。 最近開發(fā)的芳雜環(huán)類的聚對苯撐雙 噁唑纖維，尚處于試產(chǎn)階段，其性能具有吸引力，它的強度高達5.3GPa、模量為250GPa、密度為1.58g/cm3，

8、且耐600高溫。 但是這類纖維和芳酰胺一樣均屬液晶態(tài)結(jié)構(gòu)，都帶有抗壓性能差的缺點，有待于改善。 然而從發(fā)展的角度來看，這種纖維有應用前景，受到關(guān)注。 (3) 無機纖維 無機纖維的特點是高熔點，特別適合與金屬基、陶瓷基或碳基形成復合材料。 中期工業(yè)化生產(chǎn)的是硼纖維，它借助化學氣相沉積(CVD)的方法，形成直徑為50 315m的連續(xù)單絲。硼纖維強度為3.5GPa、模量約400GPa，密度約2.5g/cm3。這種纖維由于價格昂貴而暫時停止發(fā)展。 取而代之的是碳化硅纖維，它也用CVD法生產(chǎn)，但其芯材己由鎢絲改用碳絲，形成直徑為100150m的單絲，其強度為3.4GPa、模量為400GPa、密度為3.1

9、g/cm3。 另一種碳化硅纖維是用有機體的先驅(qū)纖維燒制成的。該種纖維直徑僅為1015m，強度為2.52.9GPa、模量為190GPa、密度為2.55g/cm3。 無機纖維類還有氧化鋁纖維、氮化硅纖維等，但產(chǎn)量較小。 1.1.2 聚合物基復合材料 聚合物基復合材料是目前復合材料的主要品種，其產(chǎn)量遠遠超過其他基體的復合材料。 習慣上常把橡膠基復合材料劃入橡膠材料中。 所以聚合物基體一般僅指熱固性聚合物(樹脂)與熱塑性聚合物。 熱固性樹脂是由某些低分子的合成樹脂(固態(tài)或液態(tài))在加熱、固化劑或紫外光等作用下，發(fā)生交聯(lián)反應并經(jīng)過凝膠化階段和固化階段形成不熔、不溶的固體，因此必須在原材料凝膠化之前成型，否

10、則就無法加工。 這類聚合物耐溫性較高，尺寸穩(wěn)定性也好，但是一旦成型后就無法重復加工。 熱塑性聚合物即通稱的塑料，該種聚合物(基本上是線形聚合物)在加熱到一定溫度時可以軟化甚至流動，從而在壓力和模具的作用下成形，并在冷卻后硬化固定。 這類聚合物一般軟化點較低(目前也有高軟化點的品種)，容易變形，但可再加工使用。 第3章詳細介紹了聚合物基復合材料的新進展，此處僅對其一般內(nèi)容作簡要介紹。 1.1.2.1 熱固性聚合物基復合材料 熱固性樹脂在初始階段流動性很好，容易浸透增強體，同時工藝過程比較容易控制，因此這類復合材料成為當前的主要品種。 熱固性樹脂早期有酚醛樹脂，隨后有不飽和聚酯樹脂和環(huán)氧樹脂，近來

11、又發(fā)展了性能更好的雙馬樹脂和聚酰亞胺樹脂。 這些樹脂幾乎適合于各種類型的增強體。 它們雖可以濕法成型(即浸漬后立即加工成型)，但通常都先制成預浸料(包括預浸絲、布、帶，或片狀和塊狀模塑料等)，使浸入增強體的樹脂處于半凝膠化階段，在低溫保存條件下限制固化反應的發(fā)展，并應在一定期間內(nèi)進行加工。 所用的加工工藝有手工鋪設(shè)法、模壓法、纏繞法、擠拉法、熱壓罐法、真空袋法以及最近才發(fā)展的樹脂傳遞模塑法(RTM)和增強式反應注射成型法(RRIM)等。 各種熱固性樹脂的固化反應機理各不相同，根據(jù)使用要求的差異，采用的固化條件也有很大差別。一般的固化條件有室溫固化、中溫固化(120左右)和高溫固化(170以上)

12、。 目前正在開發(fā)一類樹脂體系(包括固化劑、促進劑等助劑)，可以低溫成型，然后在脫離模具的自由狀態(tài)下加熱后固化定型，受到很大關(guān)注。 下面簡要介紹幾種重要的樹脂基體。 1) 環(huán)氧樹脂 環(huán)氧樹脂是目前聚合物基復合材料中最普遍使用的樹脂基體。環(huán)氧的種類很多，適合作為復合材料基體的有雙酚A環(huán)氧樹脂、多官能團環(huán)氧樹脂和酚醛環(huán)氧樹脂三種。 其中多官能團環(huán)氧樹脂的玻璃化溫度較高，因而耐溫性好；酚醛環(huán)氧固化后的交聯(lián)密度大，因此力學性能較好。環(huán)氧樹脂與增強體的粘接力強、固化時收縮少，基本上不放出低分子揮發(fā)物，因此尺寸穩(wěn)定性好。但環(huán)氧樹脂的耐溫性不僅取決于本身結(jié)構(gòu)，很大程度上還依賴于使用的固化劑和固化條件。 例如，

13、用脂肪族多元胺作為固化劑可在低溫下固化，但耐溫性很差；如果用芳香族多元胺和酸酐作固化劑，并在高溫下固化(100l50) 和后固化(150250)，則最高可耐250的溫度。這表明耐溫性也取決于固化溫度。實際上環(huán)氧基復合材料可在-55 177溫度范圍內(nèi)使用，并有很好的耐化學品腐蝕性和電絕緣性。 2) 熱固性聚酰亞胺樹脂 聚酰亞胺聚合物有熱塑性和熱固性兩種，均可作為復合材料基體。目前已正式付之應用的、耐溫性最好的是熱固性聚酰亞胺基體的復合材料。熱固性聚酰亞胺經(jīng)固化后與熱塑性聚合物一樣在主鏈上帶有大量芳雜環(huán)結(jié)構(gòu)，此外，由于其分子鏈端頭上帶有不飽和鏈而發(fā)生加成反應，變成交聯(lián)型聚合物，這樣就大大提高了其耐

14、溫性和熱穩(wěn)定性。 聚酰亞胺聚合物是用芳香族四羧酸二酐(或二甲酯)與芳香族二胺通過酰胺化和亞胺化獲得的。熱固性聚酰亞胺則是在上述合成過程中加入某些不飽和二羧酸酐(或單脂)作為封頭的鏈端基制成的。 最近用N-炔丙基作為端基的樹脂(AL-600)制成的復合材料，可在316時保持76的彎曲強度。這類樹脂基的復合材料可供260以下長期使用。但是該種復合材料需在高壓(1.01.5MPa)和高溫(270340)下進行長時間的固化，使用受到限制，是目前努力改善的方向。1.1.2.2 熱塑性聚合物基復合材料 熱塑性聚合物基復合材料發(fā)展較晚，從目前產(chǎn)量來看，似乎遠比不上熱固性復合材料，但這類復合材料具有不少熱固性

15、材料所不具備的優(yōu)點：首先是聚合物本身的斷裂韌性好，提高了復合材料的抗沖擊性能；其次是吸濕性低，可改善復合材料的耐環(huán)境能力；最突出的是可以重復再加工，而且工藝過程短，成型效率高。該類材料一直在快速增長。 可以作復合材料基體的熱塑性聚合物品種很多，包括各種通用塑料(如聚丙烯、聚氯乙烯等)、工程塑料(如尼龍、聚碳酸酯等)以及特種耐高溫的聚合物(如聚醚醚酮、聚醚砜和雜環(huán)類聚合物)。 熱塑性聚合物基復合材料必須先將聚合物基體與各種增強體制成連續(xù)的片(布)狀、帶狀和粒狀預浸料，才能進一步加工成各種形狀的復合材料構(gòu)件。 特別是粒狀預浸料可使用塑料加工設(shè)備，如擠出機和注射成型機。然而由于熱塑性聚合物在熔融狀態(tài)

16、下的粘度也很高，因此帶來預浸的難度。 現(xiàn)用的預浸方法有： 薄膜法，將聚合物膜與增強體無緯布、織物、氈等交替層疊，再用熱滾筒或熱履帶熱壓成連續(xù)片材； 溶液法，用溶劑溶解聚合物后浸漬增強體，然后將溶劑揮發(fā)制成預浸料； 熔融法，以聚合物熔體對增強體進行浸漬； 粉末法，將聚合物磨細，以流態(tài)床法或靜電吸附法將其附著在增強體周圍，然后再熱壓使之熔化浸漬； 纖維法，將聚合物先紡成纖維再與增強體交織，然后熱壓； 造粒法，螺桿擠出機的螺桿將聚合物熔體與切短的增強體混合，由模口擠出細條狀，再切成粒料。幾種重要品種簡述如下。 1) 聚丙烯基復合材料 聚丙烯是通用大品種塑料，產(chǎn)量很大，有較好的使用和加工性能。用作復合

17、材料基體的聚丙烯一般為有規(guī)立構(gòu)并為半結(jié)晶的結(jié)構(gòu)體，熔點為176；所用的增強體主要是廉價的玻璃纖維，有時也加入一些無機填料，以滿足性能價格比的要求。采用造粒法制備預浸料(纖維體積分數(shù)一般低于40)，制成的復合材料比未增強塑料的相應性能提高一倍左右，同時制品收縮率低、熱穩(wěn)定性明顯提高(變形溫度可達150)。 由于該種復合材料原料來源豐富，力學及電學性能良好，特別因價格相對低廉、加工方便，受到汽車、家電、儀表等工業(yè)的青睞。 2) 聚酰胺基復合材料 聚酰胺商品名尼龍，是常用的工程塑料，具有半結(jié)晶結(jié)構(gòu)。聚酰胺類的品種較多，用于復合材料的為尼龍66(己二胺和己二酸的縮合物)。它可以與各種增強體進行復合，多

18、數(shù)仍是玻璃纖維布和氈(特別是連續(xù)氈)。用熔融法制成片材(GMT)可以沖壓成型。聚酰胺塑料本身就具有良好的強韌性、且有耐磨自潤滑性能，特別是耐油、抗化學腐蝕性很強。制成復合材料后能進一步提高力學性能和耐熱性并保留其他優(yōu)點，因此特別適合于制造汽車車殼部件和油箱，此外也可采用造粒法制造中小型齒輪和機械零件。 3) 聚醚醚酮基復合材料 聚醚醚酮是近來發(fā)展的典型耐高溫工程塑料。它是一種結(jié)晶度較高的聚合物，各種性能均很好，特別是耐溫性。 它適合制備高性能復合材料制品，基本上是與碳纖維或芳酰胺纖維采用薄膜疊層法復合制成預浸料，然后經(jīng)剪裁放入模具中熱壓成形。 復合材料的熱變形溫度為300, 在200以下能保持

19、良好的力學性能例如用60單向碳纖維增強，強度可達1.8GPa, 模量為120GPa； 另外還具有阻燃性和抗輻射性。 該種復合材料適合于航空、航天用制件，如機翼、天線部件、雷達罩等。1.1.3 金屬基復合材料 金屬基復合材料是20世紀60年代末才發(fā)展起來的。它的出現(xiàn)彌補了聚合物基復合材料的不足, 如耐溫性較差(一般不能超過300)，在高真空條件下(例如大空)容易釋放小分子而污染周圍的器件，以及不能滿足材料導電和導熱需要等。 迄今為止，金屬基復合材料由于加工工藝尚不夠完善、成本較高，還沒有形成大規(guī)模批量生產(chǎn)，但是仍有很大的發(fā)展?jié)摿蛻们熬啊?金屬基復合材料一般按增強體形式來分類，如顆粒增強、短纖

20、維與晶須增強以及連續(xù)纖維增強等。下面簡述一些已經(jīng)應用和發(fā)展前景很好的典型品種。 1) 顆粒增強鋁基復合材料 顆粒增強鋁基復合材料是金屬基復合材料中最成熟的一個品種，國外(如美國、加拿大)已有小批量生產(chǎn)。 該種復合材料所用的增強體主要為碳化硅和氧化鋁，亦有少量氧化鈦和硼化鈦等顆粒(粒徑一般為10m左右)。 基體可以是純鋁，但大多數(shù)為各種鋁合金(包括高性能的鋁鋰合金)。 顆粒增強鋁基復合材料的成型方法有兩種： 一是粉末冶金法，即將顆粒與鋁合金粉混合，按常規(guī)粉末冶金法加工，特點是工藝和制品質(zhì)量易控制和復合材料中顆粒的體積含量高，但是成本較高，影響了發(fā)展。 其次是各種液相復合法，其工藝如圖1-5所示，

21、該方法(特別是攪拌法)可以規(guī)模生產(chǎn)，成本相對較低，但顆粒體積分數(shù)一般不超過25，工藝過程控制較難，且制品質(zhì)量穩(wěn)定性也較粉末冶金法差。 此種復合材料的性能比原基體合金有明顯提高。 例如，以20的碳化硅顆粒增強6061鋁合金，其強度從原合金的310MPa提高到496MPa，模量則從68GPa增至103GPa，此外，耐磨性、尺寸穩(wěn)定性、耐熱性也比原合金有很大改善；但斷裂伸長率卻從原來的12降至5.5 。 該種復合材料已經(jīng)在超大規(guī)模集成電路基板、各種結(jié)構(gòu)型材和耐磨部件(如車輛的剎車環(huán))方面獲得滿意的使用效果。 2) 晶須增強鋁基復合材料 晶須不僅本身的力學性能優(yōu)越，而且有一定的長徑比，因此比顆粒對金屬

22、基體的增強效果更顯著。 所用的晶須主要為碳化硅晶須，其性能雖然好但價格昂貴。最近發(fā)展的硼酸鋁晶須，性能與碳化硅晶須相當而價格僅為其1/10，但須改善其與鋁基體產(chǎn)生反應的問題(尤其鋁合金中含鎂時更為嚴重)。 晶須增強鋁合金復合材料的制備工藝，可用上述粉末冶金法和液態(tài)復合法的擠壓鑄造和真空壓力浸滲工藝，使晶須在復合材料中分布均勻。 晶須增強鋁基復合材料的性能以20碳化硅晶須增強6061鋁合金為例，其強度為608MPa、模量為122GPa，可以看出其增強效果比顆粒好。 3) 纖維增強鈦合金及其金屬間化合物基復合材料 航空航天技術(shù)需要有一定耐溫性與輕質(zhì)高強的材料，如制造噴氣發(fā)動機風扇葉片等高溫結(jié)構(gòu)件。

23、 目前用碳芯碳化硅連續(xù)纖維(SCS型)增強鈦及鈦-鋁金屬間化合物已進入實用階段。該種復合材料采用等離子噴涂工藝把金屬熔噴在已排列好的纖維上，制成單層片的復合材料，然后把層片按設(shè)計需要鋪設(shè)疊層再用熱等靜壓法成型。這種工藝的制品質(zhì)量可靠，成本也較合適，性能令人滿意。 例如以SCS-6碳化硅纖維增強鈦合金，其強度可達1.9GPa，模量為240GPa。另外，以SCS-6纖維增強的鈦基金屬間化合物Ti3Al-21Nb，從室溫到1150的比強度超過形變高溫合金和鎳基單晶合金, 由于纖維的存在也明顯改善了金屬間化合物的脆性。1.1.4 無機非金屬基復合材料 無機非金屬基復合材料包括陶瓷基復合材料、碳基復合材

24、料和水泥基復合材料。 盡管這些材料目前產(chǎn)量尚不大，但陶瓷基和碳基復合材料是耐高溫及高力學性能的首選材料，碳/碳復合材料是目前耐溫最高的材料。 水泥基復合材料則在建筑材料中越來越顯示其重要性，可以預計將會有可觀的產(chǎn)量。1.1.4.1 陶瓷基復合材料 陶瓷基復合材料的基體包括陶瓷、玻璃和玻璃陶瓷。 雖然各種增強體均可應用，但由于工藝條件關(guān)系，主要使用的增強體是晶須和顆粒。 陶瓷基復合材料的耐溫性，以高溫多晶(或非晶)陶瓷為基體的最高(10001400)，玻璃和玻璃陶瓷為基體的復合材料則不能超過1000。 陶瓷基復合材料的復合工藝有下列幾種。 類似傳統(tǒng)的陶瓷成型工藝，即原料混合、壓制和燒結(jié)，但由于增

25、強體的存在，影響了材料的致密化,因此必須使用熱壓和熱等靜壓來促進致密化。這種工藝僅適合于顆粒、晶須、晶片和短纖維。 適合于連續(xù)纖維增強的方法為有機先驅(qū)體法，即將纖維增強體與含無機元素的聚合物先驅(qū)體(如聚碳硅烷)復合,再在保護氣氛下高溫燒成陶瓷(如碳化硅)。 由于有機先驅(qū)體分解并放出部分小分子，必然造成體積收縮和形成疏松結(jié)構(gòu)，因此常在液態(tài)先驅(qū)體內(nèi)加入一定的陶瓷粉體加以改善。 這種方法設(shè)備投資小、能夠達到凈形成型效果、工藝能耗低，是很有發(fā)展前景的工藝方法，問題在于如何完善工藝和合成各種適用的有機先驅(qū)聚合物。 氣相浸滲法和原位生長法等。 下面舉例說明這類復合材料的特點。 1) 碳化硅晶須補強氮化硅復

26、合材料 氮化硅是一種性能很好的高溫陶瓷，以其為基體制成碳化硅晶須補強復合材料可提高韌性。由于其原子擴散系數(shù)小，所以致密化很困難，需要在熱等靜壓條件下進行燒結(jié)。 致密化可使密度大于99，在1300下的強度可達600700MPa(保持室溫強度的70以上)，模量為310330GPa，特別是斷裂韌性達到9.012.0MPam1/2。可以制作應用于1350左右的噴氣渦輪發(fā)動機轉(zhuǎn)子和定子葉片，以及其他陶瓷發(fā)動機部件、刀具、拉絲模具和軸承等。 2) 碳化硅纖維補強碳化硅復合材料 碳化硅陶瓷具有優(yōu)異的高溫力學性能、熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性，但是由于韌性差而影響應用，如果用碳化硅纖維進行增強，則可明顯改善韌性。 目

27、前已經(jīng)采用化學氣相浸滲工藝成功地制成碳化硅纖維補強碳化硅基復合材料，并取得應用的成果。 用Nicalon碳化硅纖維單向增強碳化硅基體的復合材料，強度為1000MPa，斷裂韌性高達1030MPam1/2，且在1500時尚有一定強度，可作為高溫熱交換器、燃氣輪機的燃燒室材料和航天器的防熱材料等。1.1.4.2 碳基復合材料 碳基復合材料是以碳為基體、碳或其他物質(zhì)為增強體組合成的復合材料。 主要的碳/碳復合材料是耐溫最高的材料，其強度隨溫度升高而增加，在2500左右達到最大值，同時它有良好的抗燒蝕性能和抗熱震性能。 但是碳/碳復合材料不能在氧化性氣氛下耐受高溫，因此它的抗氧化措施是當前研究的重點。

28、碳/碳復合材料的成型工藝分為氣相沉積法和浸漬法，后者容易致密化。其性能主要取決于增強體，所用的增強體為碳纖維的三維編織物，但也用二維布層疊后穿刺或用碳氈。 碳基復合材料目前主要應用于導彈頭部的再入熱防護、固體發(fā)動機噴管和飛機剎車片等方面。 以上所述為較成熟的各種結(jié)構(gòu)復合材料。 1.1.5 功能復合材料 功能復合材料目前正處于發(fā)展的起步階段，根據(jù)復合材料的特點來看，它具備非常優(yōu)越的發(fā)展基礎(chǔ)。 功能復合材料，是指除力學性能以外還提供其他物理性能的復合材料，是由功能體(提供物理性能的基本組成單元)和基體組成的?；w除了起賦形的作用外，某些情況下還能起到協(xié)同和輔助的作用。 功能復合材料品種繁多,包括具

29、有電、磁、光、熱、聲、機械(指阻尼、摩擦)等功能作用的各種材料,目前已有不少功能復合材料付之應用。 1.2 復合材料在21世紀中應起的作用 討論復合材料在21世紀應起的作用之前，首先應分析和預測人類社會在下世紀面臨的問題、社會的特點和重點需求，特別要涉及我國的客觀實際。世界的發(fā)展趨勢是人類將進入高度信息化的社會，同時對生活質(zhì)量和健康水平的追求也會更高。 另一方面，地球存在非常嚴重的問題：首先是環(huán)境污染已經(jīng)到了不可容忍的地步；人口的極度膨脹使地球能提供的清潔淡水日趨緊張，提供食物的可耕地已經(jīng)達到不堪重負的境地；更為嚴重的是，陸地可開采的資源在本世紀將面臨枯竭和短缺，社會將會陷入能源危機和原材料匱

30、乏。這些情況無疑使復合材料的發(fā)展面臨很大的機遇和挑戰(zhàn)。1.2.1 對信息技術(shù)提供服務(wù) 信息技術(shù)包括信息獲得、信息處理、信息存儲、信息傳輸和信息執(zhí)行幾部分。復合材料對這些均有一定的貢獻。 1) 復合材料用于信息的獲得 獲得信息主要依靠各敏感器件的檢測，而敏感器件則由各種換能材料組成。換能材料把對外界的感知通過物理量表現(xiàn)的信息(如光、熱、聲、磁、輻射等)轉(zhuǎn)換成電信號。 不僅可依靠功能復合材料設(shè)計自由度大的特點獲得高優(yōu)值的換能材料，還可利用復合效應，特別是其中的“乘積效應”設(shè)計出高效的新型換能材料。 2) 復合材料用于信息處理 信息處理主要依靠電子技術(shù)。隨著電子技術(shù)的進步，電子芯片的集成度將越來越高

31、，而芯片的散熱問題將是發(fā)展的障礙。研究表明，碳化硅顆粒增強鋁復合材料的導熱系數(shù)以及與集成電路硅片的熱膨脹匹配均能滿足要求。這是一種用于芯片封裝的廉價材料，可以預計在本世紀會得到進一步提高與發(fā)展。 此外，電子設(shè)備的電路板都是織物增強聚合物復合材料，其用量可觀。由于信息處理的速度越來越快，因此研制具有優(yōu)良超高頻介電性能的復合材料是當前和今后的重要內(nèi)容；此外，機殼和屏蔽板也大量使用復合材料。 3) 復合材料用于信息存儲 目前用于信息寫入、記錄、存儲和讀出的磁性材料如磁帶、磁盤等，大都是軟磁質(zhì)細粉混入聚合物基體制成的復合材料。盡管目前光盤記錄已經(jīng)普遍，但是磁記錄仍有寫、讀方便的優(yōu)點，在一定時期內(nèi)仍會向

32、高記錄密度方向發(fā)展。 4) 復合材料用于信息傳輸 信息的傳輸，在地面上用光纜和微波，遠距離要用人造衛(wèi)星。 光纜中的光導纖維本身就是一種復合纖維，光纜護套管也大量采用復合材料。 微波通訊設(shè)備中，拋物形天線反射板以及波導管等均用先進復合材料制造，因而重量輕、剛度好。 至于通訊衛(wèi)星，更是大量采用先進復合材料作為基體結(jié)構(gòu)和天線。因此復合材料在這方面大有用武之地。 5) 信息執(zhí)行對復合材料的要求 信息的執(zhí)行除了聲、光、圖像外，重要的是在機械動作上。例如信息指揮機械手和機器人以及其他一些自控機械進行動作。對前兩種,要求其動作臂的運動慣性小，從而使動作快速而準確，這就需要運動部位的結(jié)構(gòu)材料具有低密度、高剛度

33、和高強度，復合材料是最能勝任的。可以預見復合材料在這方面會有好的發(fā)展前景。 綜上所述，隨著信息技術(shù)在下世紀的大發(fā)展，將給復合材料提供很多機遇；同時復合材料由于自身的發(fā)展與進步，會在信息技術(shù)所用的材料中占有重要地位。1.2.2 對提高人類生活質(zhì)量做出貢獻 社會在不斷進步，人們對生活質(zhì)量的要求主要是提高舒適性、安全性和健康水平等。 在人類生活中，衣、食、住、行是四大基本要素，復合材料在衣、食方面的作用是間接的(如紡織機械與農(nóng)用大棚支架及溫室透光板等)，在住和行方面則起著直接而重要的作用。 1) 改善舒適性 復合材料有輕質(zhì)高強、隔音隔熱、減振降燥的特點，正是提高舒適性所需要的。 例如在建筑方面，用復

34、合材料制造的墻體、門窗、內(nèi)裝飾件和生活必須設(shè)施(如整體潔具)，既美觀耐用，又隔音保溫。 復合材料在交通運輸方面更是占其總產(chǎn)量的最大份額，優(yōu)勢更為突出。 無論是飛機、中小船艇，還是車輛，無不大量使用復合材料，以達到舒適、節(jié)能的效果。 例如，美國正在計劃和設(shè)計中的超音速中程客機HSCT，其結(jié)構(gòu)材料的半數(shù)以上將采用碳纖維增強復合材料。 另外，國外各種鐵路車輛和微型汽車(包括電動車)均計劃采用復合材料，以保持車輛內(nèi)的溫度，降低運行時的噪聲和減少振動。 例如：瑞士用玻璃纖維和碳纖維纏繞并鑲有泡沫塑料制成車體結(jié)構(gòu)；日本也計劃用碳纖維-酚醛樹脂制造車廂，用于新干線高速列車。 此外，未來的磁懸浮超高速列車的車

35、身結(jié)構(gòu)為了不受強磁場的影響更是非復合材料莫屬。 2) 提高安全性 復合材料的特點之一是抗沖韌性好，能吸收沖擊能量。 目前復合材料已用來制造汽車保險杠和轎車底板，主要是利用其無可比擬的抗撞擊性能和彈性回復性能。在發(fā)生車禍時能較大地減少人體受到的傷害。 在航空方面，空難事故一直困擾著人類。最近美國正在軍用飛機上嘗試將光導纖維埋入結(jié)構(gòu)復合材料中，制成一種具有自診斷功能的機敏復合材料，試圖用這種材料來制造飛機主體結(jié)構(gòu)。通過光波的傳導和產(chǎn)生的干涉作用，來監(jiān)視飛機各部位發(fā)生的異常應變和斷裂現(xiàn)象，從而給出預警。從目前試驗結(jié)果看，本世紀將會推廣到民用航空，以明顯減少空難的發(fā)生。 此外，在高層建筑抗地震災害方面

36、，由于復合材料具有損傷容限大的特點，因此被視為優(yōu)選材料。 3) 提高人類健康水平 人發(fā)生疾病或傷殘是不可避免的客觀事實，人們一直期待著在發(fā)生疾病或傷殘后對已損壞的臟器與骨骼進行修復和更換的時機。這種可能性已經(jīng)得到初步證實，成為研究的熱門課題。 復合材料既具有選材的自由度，又有綜合多種材料特點的可設(shè)計性，最適合制造用于修復和更換臟器與骨骼的植入型人造代用品。 例如，修復骨骼的人工關(guān)節(jié)、骨釘、骨夾板等過去用金屬制造，由于金屬的強度和剛度太高，無法與骨骼相適配，產(chǎn)生了應力遮擋效應，使新生骨質(zhì)萎縮疏松。復合材料則可以用組分配比設(shè)計調(diào)整到最佳狀態(tài)，而且可采用與人體組織相容性好的原材料，使之促進生長與配合

37、。 可以預言，未來的植人材料將大量采用復合材料。1.2.3 在解決資源短缺和能源危機方面的貢獻 目前人類使用的能源大部分是不可再生的石油、天然氣、煤和鈾等。最近對世界上能源資源貯量的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，除煤以外的其他三種資源均在下世紀內(nèi)枯竭，陸地上用作原材料的礦藏中有相當部分也會陸續(xù)短缺。 這意味著下世紀中，人類必須大力開發(fā)新能源，盡量節(jié)約能源和資源，并且尋找陸地上尚未充分利用的資源加以開發(fā)，更重要的是設(shè)法大量開采海洋資源甚至空間資源。 1) 在開發(fā)新能源和節(jié)約能源方面的作用 在新能源方面，太陽能是取之不竭的最干凈的理想能源，目前的利用尚不理想。 近來各國均在努力提高各種光電池的轉(zhuǎn)換效率，其中包括功能復

38、合材料的光電池。另外，光電池的框架采用復合材料制造是最理想的，因為它輕質(zhì)高強，非常適合于大面積的光電池結(jié)構(gòu)板框和支架。 風力也是一種來源于自然界的清潔能源。 據(jù)報道，1996年全世界風能利用容量已達6000MW，美國居第一位。 風力發(fā)電裝置，包括葉片和支柱均用復合材料制造。特別是大型化的發(fā)展趨勢更需要高性能結(jié)構(gòu)復合材料。 我國已有14個風力電場以及大量分散在草原地區(qū)的小型單機組。這是獲取能源行之有效的技術(shù)，本世紀中將會快速發(fā)展。 此外用于核燃料鈾的離心分離機的轉(zhuǎn)子也是用先進復合材料制成的。 值得一堤的是，正在研究設(shè)計中的潮汐發(fā)電裝置也計劃采用復合材料，因為它既能滿足力學性能的要求又能耐海水腐蝕

39、。 關(guān)于節(jié)約能源和資源方面，復合材料可以充分發(fā)揮其生產(chǎn)工藝耗能少、能夠整體近終形成型(或凈形成型)，以及使運載工具輕量化(包括車輛、飛機和船舶)的優(yōu)勢達到節(jié)約能源的目的。 此外用于貯藏能量以達到合理平衡能源輸出的大型飛輪，已選定用復合材料制造，這也是節(jié)能措施的重要部分。 2) 在開發(fā)海洋和空間方面所具備的優(yōu)勢 人類尚未充分利用海底蘊藏的資源是由于開采有難度，但是受陸地資源即將出現(xiàn)短缺的形勢所迫，不能不把注意力轉(zhuǎn)向海洋。 現(xiàn)已初步探明，海底有相當豐厚的貯量，而且以不同的形式存在(如錳結(jié)核)。但勘探和開采海底資源需要用耐高壓和耐海水腐蝕的深潛裝置。 由于復合材料具有輕質(zhì)高強且耐各種介質(zhì)腐蝕的特點，

40、因此在開發(fā)海洋方面具備明顯優(yōu)勢。試驗表明，用碳纖維增強樹脂制造的深潛器已潛入近1000m的深海。 最新報道，海上石油平臺如果采用復合材料，不僅能有效降低建造成本，而且大大節(jié)約鋼鐵平臺必需的油漆防護費用。這方面將會創(chuàng)造很大的產(chǎn)值和效益。 至于實現(xiàn)未來開發(fā)宇宙空間的設(shè)想，需制造各式航天器和空間站，無疑需要采用復合材料作為主體材料。 3) 在挖掘尚未充分利用的資源上發(fā)揮作用 地球上資源的開采使用并不平衡，某些資源短缺而另一些則沒有充分利用。 例如鎂的貯藏量頗為豐富，目前僅少量作為合金成分加入其他金屬中(如鋁合金)。這是因為以鎂為主的合金力學性能較差。但鎂具有質(zhì)量輕、阻尼性能好的特點，采用顆?；蚓ы氃?/p>

41、強鎂則可明顯改善其力學性能，擴大其應用范圍。 此外，許多野生植物和麥桿中的纖維有一定強度, 可以作為增強物增強水泥等基體, 甚至一些無機礦土(高嶺土、蒙脫土等)也都可以作為增強體或填料使用。原則上可以通過復合的途徑把一些尚未利用或利用率不高的資源變成有用之材。 4) 使基礎(chǔ)設(shè)施延長壽命 基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)是體現(xiàn)社會進步的標志之一，我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)更是處于重要地位。 基礎(chǔ)設(shè)施的建造要花費大量的材料(如鋼鐵和水泥)，而生產(chǎn)這些能耗很大的原材料要消耗很多能源。如能延長基礎(chǔ)設(shè)施的使用壽命，即可起到節(jié)約能源相資源的作用，又可減少環(huán)境污染。 鋼筋水泥結(jié)構(gòu)已經(jīng)使用了上百年，實踐表明，鋼長期存在于堿性水泥和濕氣的

42、條件下會發(fā)生銹蝕，不僅降低其原有性能而且鐵銹脹大會導致水泥開裂。 為此，目前正致力于研究高性能的纖維增強混凝土以及聚合物水泥混凝土、復合材料代鋼筋等（第5章對比將有詳細論述）。 另外復合材料用于修復受損的基礎(chǔ)設(shè)施方面已受到廣泛重視。美國洛杉磯和日本關(guān)西大地震后，采用了碳纖維/樹脂復合材料修復被損壞的基礎(chǔ)設(shè)施。實踐證明，該修復方法不僅行之有效而且比其他方法更經(jīng)濟。預期在21世紀中將成為重要的產(chǎn)業(yè)。1.2.4 復合材料對治理環(huán)境可起的作用 隨著人口的極度膨脹，生活需求推動生產(chǎn)迅速增長，在創(chuàng)造物質(zhì)的同時也排出大量的固體、液體和氣體廢物，造成對生活環(huán)境非常嚴重的污染。 從某種角度來看，目前某些復合材料

43、確實難以回收、再生，似乎不利于環(huán)境；但從天然材料幾乎全是復合材料的事實來看，表明復合材料是最合理的組成方式，能夠接受自然界的長期考驗并與之相容，有關(guān)復合材料的回收與再生問題也正在研究(第11章將有詳細論述)。 復合材料還具有改善環(huán)境的積極作用。 1) 復合材料在降低污染方面的作用 通過合理設(shè)計并采用整體、凈形的成型方法，使用復合材料可以降低原材料的用量、節(jié)約加工能耗和降低廢棄邊角料；還可以延長工件和設(shè)施的使用壽命，也起到減少廢棄物的效果。 其次，很多治理污染的措施需要用到復合材料，例如各種治理氣、水污染裝置中所采用的功能膜需要與支撐網(wǎng)格構(gòu)成復合材料才能有效地使用。 目前汽車尾氣是一項主要的污染

44、源，其治理措施之一就是用低污染的天然氣作為燃料，為此需要安全的高壓氣瓶與之配套使用。實踐表明，以碳纖維/環(huán)氧復合材料經(jīng)纏繞成型的氣瓶是最佳選擇，既輕又強，萬一發(fā)生車禍也不致爆炸傷人。 其他如廢水治理廠的容器、管道采用復合材料可避免腐蝕損壞等。 2) 利用廢棄物構(gòu)成復合材料化害為利 復合材料的特點是能充分發(fā)揮材料互補的優(yōu)勢。根據(jù)這個原則可以把許多廢棄物如礦渣、木屑、廢塑料、麥桿等復合成材，供某些低檔要求使用。 3) 開發(fā)可自然降解的“綠色”復合材料 為了防止使用后的遺棄物污染環(huán)境，正在努力尋找可以自然降解的材料，用來制造日常消耗品。復合的形式對這類材料很有幫助。一些能自然降解(如生物降解)材料的

45、使用性能常常達不到要求。 例如淀粉和化學改性的淀粉雖然可制成一定結(jié)構(gòu)形狀，但強度、耐濕性很差。如果用植物纖維等天然材料來增強，則可明顯改善其性能。根據(jù)這種思路，通過復合的方法可設(shè)計制造一批能生物降解的材料，如透明農(nóng)膜、一次性餐具等消耗品，并設(shè)法使這些材料降解后變成肥料或直接作為飼料，成為名副其實的綠色材料。1.3 復合材料新的生長點和有待深入研究、開拓的問題 為了使復合材料在下世紀中能持續(xù)發(fā)展,必須確定若干新的生長點并加以研究推動，使之逐步成為復合材料發(fā)展中的生力軍。 此外，也要針對復合材料發(fā)展中存在的問題和暴露的矛盾進行深入研究，使之不斷完善。這樣，才可能使復合材料在與其他傳統(tǒng)材料的競爭中具

46、有優(yōu)勢。1.3.1 未來復合材料發(fā)展的新領(lǐng)域 確定下世紀復合材料發(fā)展的新領(lǐng)域，首先應看領(lǐng)域的科學性，其次要依據(jù)時代的需求，最后是考察能否充分體現(xiàn)復合材料的持色和優(yōu)勢。根據(jù)這些原則，以下領(lǐng)域具備作為未來發(fā)展重點的要求。1.3.1.1 發(fā)展功能、多功能、機敏、智能復合材料 過去復合材料主要用于結(jié)構(gòu)，其實，它的設(shè)計自由度大的特點更適合于發(fā)展功能復合材料、特別在由功能多功能機敏智能復合材料，即從低級形式到高級形式的過程中體現(xiàn)出來。 設(shè)計自由度大是由于復合材料可以任意調(diào)節(jié)其復合度、選擇其連接形式和改變其對稱性等因素，以期達到功能材料所追求的高優(yōu)值。 此外，復合材料所持有的復合效應更提供了廣闊的設(shè)計途徑（

47、詳見第4章）。 1) 功能復合材料 已經(jīng)提到的功能復合材料目前已有不少品種得到應用，但從發(fā)展的眼光看還遠遠不夠。功能復合材料涉及的范圍非常寬。 在電功能方面有導電、超導、絕緣、吸波(電磁波)、半導電、屏蔽或透過電磁波、壓電與電致伸縮等。 在磁功能方面有永磁、軟磁、磁屏蔽和磁致伸縮等。 在光功能方面有透光、選擇濾光、光致變色、光致發(fā)光、抗激光、X線屏蔽和透X光等。 在聲學功能方面有吸聲、聲納、抗聲納等。 在熱功能方面有導熱、絕熱與防熱、耐燒蝕、阻燃、熱輻射等。 在機械功能方面則有阻尼減振、自潤滑、耐磨、密封、防彈裝甲等。 在化學功能方面有選擇吸附和分離、抗腐蝕等。在此不一一列舉。 在上述各種功能

48、中，復合材料均能夠作為主要材料或作為必要的輔助材料而發(fā)揮作用。 可以預言，不遠的將來會出現(xiàn)功能復合材料與結(jié)構(gòu)復合材料并駕齊驅(qū)的局面。 2) 多功能復合材料 復合材料具有多組分的特點，因此必然會發(fā)展成多功能的復合材料，首先是形成兼具功能與結(jié)構(gòu)的復合材料。這一點已經(jīng)在實際應用中得到證實。 例如，美國的軍用飛機具有自我保存的隱身功能，即在飛機的蒙皮上應用了吸收電磁波的功能復合材料來躲避雷達跟蹤，而這種復合材料又是高性能的結(jié)構(gòu)復合材料。目前正在研制兼有吸收電磁波、紅外線并且可以作為結(jié)構(gòu)的多功能復合材料。 可以說向多功能方向發(fā)展是發(fā)揮復合材料優(yōu)勢的必然趨勢。 3) 機敏復合材料 人類一直期望著材料具有能

49、感知外界作用而且作出適當反應的能力。 目前已經(jīng)開始嘗試將傳感功能材料和具有執(zhí)行功能的材料通過某種基體復合在一起，并且連接外部信息處理系統(tǒng)，把傳感器給出的信息傳達給執(zhí)行材料，使之產(chǎn)生相應的動作。這樣就構(gòu)成了機敏復合材料及其系統(tǒng)。 它能夠感知外部環(huán)境的變化，作出主動的響應，其作用可表現(xiàn)在自診斷、自適應和自修復的能力上。 預計機敏復合材料將會在國防尖端技術(shù)、建筑、交通運輸、水利、醫(yī)療衛(wèi)生、海洋漁業(yè)等方面有很大的應用前景，同時也會在節(jié)約能源、減少污染和提高安全性上發(fā)揮很大的作用（這方面可參閱本書第4章）。 4) 智能復合材料 智能復合材料是功能類材料的最高形式。 實際上它是在機敏復合材料基礎(chǔ)上向自決策

50、能力上的發(fā)展，依靠在外部信息處理系統(tǒng)中增加的人工智能系統(tǒng)，對信息進行分析、給出決策，指揮執(zhí)行材料做出優(yōu)化動作。 這樣就對材料的傳感部分和執(zhí)行部分的靈敏度、精確度和響應速度提出更高的要求。盡管難度很大，但具有重要的意義, 是21世紀追求的目標。1.3.1.2 納米復合材料 當材料尺寸進入納米范圍時，材料的主要成分集中在表面。例如直徑為2nm的顆粒其表面原子數(shù)將占有整體的80%。巨大的表面所產(chǎn)生的表面能使具有納米尺寸的物體之間存在極強的團聚作用而使顆粒尺寸變大。 如果能將這些納米單元體分散在某種基體之中構(gòu)成復合材料，使之不團聚而保持納米尺寸的單個體(顆?；蚱渌螤钗矬w)，則可發(fā)揮其納米效應。 這種

51、效應的產(chǎn)生是來源于其表面原子呈無序分布狀態(tài)而具有特殊的性質(zhì)，表現(xiàn)為量子尺寸效應、宏觀量子隧道效應、表面與界面效應等。 由于這些效應的存在使納米復合材料不僅具有優(yōu)良的力學性質(zhì)，而且會產(chǎn)生光學、非線性光學、光化學和電學的功能作用（有關(guān)納米復合材料的內(nèi)容將在第7章中介紹）。 1) 有機-無機納米復合材料 目前有機-無機分子間存在相互作用的納米復合材料發(fā)展很快，因為該種材料料在結(jié)構(gòu)與功能兩方面均有很好的應用前景，而且具備工業(yè)化的可能性。 有機-無機分子間的相互作用有共價鍵型、配位鍵型和離子鍵型，各種類型的納米復合材料均有其對應的制備方法。 例如制備共價鍵型納米復合材料基本上采用凝膠溶膠法。該種復合體系中的無機組分是用硅或金屬的烷氧基化合物經(jīng)水解、縮聚等反應形成硅或金屬氧化物的納米粒子網(wǎng)絡(luò)，有機組分則以高分子單體引入此網(wǎng)絡(luò)并進行原位聚合形成納米復合材料。該材料能達到分子級的分散水平，所以能賦予它優(yōu)異的性能。 關(guān)于配位型納米復合