復(fù)合材料界面前言

1、前言一、材料的發(fā)展與人類社會的進(jìn)步二、復(fù)合材料的出現(xiàn)、發(fā)展及其應(yīng)用1一、材料的發(fā)展與人類社會的進(jìn)步 材料是人類社會一切生產(chǎn)和生活水平提高的物質(zhì)基礎(chǔ)。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)。2一萬年前，人類使用石頭作為日常生活工具，人類進(jìn)入了舊石器時代，人類戰(zhàn)爭也進(jìn)入了冷兵器時代。7000年前人類在燒制陶器的同時創(chuàng)造了煉銅技術(shù)，青銅制品廣泛地得到應(yīng)用，同時又促進(jìn)了人類社會發(fā)展，人類進(jìn)入了青銅器時代。同時火藥的發(fā)明又使人類戰(zhàn)爭進(jìn)入了殺傷力更強(qiáng)的熱兵器時代。5000年前人類開始使用鐵，隨著煉鐵技術(shù)的發(fā)展，人

2、類又發(fā)明了煉鋼技術(shù)。十九世紀(jì)中期轉(zhuǎn)爐、平爐煉鋼的發(fā)展使得世界鋼產(chǎn)量迅猛增加，大大促進(jìn)了機(jī)械、鐵路交通的發(fā)展。 3隨著二十世紀(jì)中期合金鋼的大量使用，人類又進(jìn)入鋼鐵時代，鋼鐵在人類活動中起著舉足輕重的作用。核材料的發(fā)現(xiàn)，又將人類引入了可以毀滅自己的核軍備競賽，同時核材料的和平利用，又給人類帶來了光明。二十世紀(jì)中后期以來，高分子、陶瓷材料崛起以及復(fù)合材料的發(fā)展，又給人類帶來了新的材料和技術(shù)革命，樓房可以越蓋越高、飛機(jī)越飛越快，同時人類進(jìn)入太空的夢想成為了現(xiàn)實。當(dāng)前材料、能源、信息是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的三大支柱，發(fā)展新材料是發(fā)展創(chuàng)新技術(shù)的關(guān)鍵。 4二、 復(fù)合材料的提出 現(xiàn)代高科技的發(fā)展更緊密地依賴于新材料的

3、發(fā)展；同時也對材料提出了更高、更苛刻的要求。在現(xiàn)代高技術(shù)迅猛發(fā)展的今天，特別是航空、航天和海洋開發(fā)領(lǐng)域的發(fā)展，使材料的使用環(huán)境更加惡劣，因而對材料提出了越來越苛刻的要求。 5例如，航天飛機(jī)等空間飛行器在飛行過程中要受到大氣阻力、地球引力、太陽輻射力、空間熱環(huán)境、太陽風(fēng)、宇宙射線、宇宙塵埃、流星、磁矩等的作用。飛行器發(fā)動機(jī)還要受到其熱環(huán)境、內(nèi)流形成的氣動力、結(jié)構(gòu)振動、機(jī)件高速轉(zhuǎn)動、液體晃動、振蕩燃燒和POGO振動等非正常破壞力的作用。同時由于飛行范圍（M數(shù)、飛行高度）的擴(kuò)大、發(fā)動機(jī)的推力、比推力及推 / 重比大大提高，導(dǎo)致了發(fā)動機(jī)壓力比、涵道比、進(jìn)口溫度、燃燒室溫度、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等也日益提高。由此構(gòu)

4、成的力、熱、化學(xué)和物理等效應(yīng)的作用，最終都要集中到構(gòu)成飛行器和發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)的材料上去，因此對材料的質(zhì)輕、高強(qiáng)、高韌、耐熱、抗疲勞、抗氧化及抗腐蝕等特性也日益提出了更加苛刻的要求。6又如現(xiàn)代武器系統(tǒng)的發(fā)展對新材料提出了如下要求： 1、高比強(qiáng)、高比模； 2、耐高溫、抗氧化； 3、防熱、隔熱； 4、吸波、隱身； 5、全天候； 6、高抗破甲、抗穿甲性； 7、減振、降噪，穩(wěn)定、隱蔽、高精度和命中率； 8、抗激光、抗定向武器； 9、多功能；10、高可靠性和低成本。7很明顯，傳統(tǒng)的單一材料比如鋼、Al、Ti等純金屬或合金是無法滿足以上綜合要求，這是因為單一金屬材料的強(qiáng)度、模量和高溫性能等幾乎已開發(fā)到了極限；陶

5、瓷的脆性、有機(jī)高分子材料的低模量、低熔點等固有缺點，極大地限制了其應(yīng)用。這些都促使人們研究開發(fā)并按預(yù)定性能設(shè)計新型材料。8復(fù)合材料，特別是先進(jìn)復(fù)合材料就是為了滿足以上高技術(shù)發(fā)展的需求而開發(fā)的高性能的先進(jìn)材料。它由兩種或兩種以上性質(zhì)不同的材料組合而成，各組分之間性能“取長補(bǔ)短”，起到“協(xié)同作用”，可以得到單一材料無法比擬的優(yōu)秀的綜合性能，極大地滿足了人類發(fā)展對新材料的需求。因此，復(fù)合材料是應(yīng)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)而發(fā)展出來的具有極大生命力的材料。9三、復(fù)合材料的發(fā)展歷史復(fù)合材料的歷史一般可以分為兩個階段，即早期復(fù)合材料和現(xiàn)代復(fù)合材料。這里不包括具有復(fù)合材料特征的天然物質(zhì)（如木材、骨骼、貝殼和海帶等）。早期

6、復(fù)合材料的歷史較長，很多實例散見于現(xiàn)存的歷史遺跡中，并且多少可以從中發(fā)現(xiàn)現(xiàn)代復(fù)合材料的思想萌芽。10（一）、早期復(fù)合材料歷程6000年前人類就已經(jīng)會用稻草加粘土作為建筑材料砌建房屋墻壁，如在西安半坡村原始人遺址（原仰韶文化）中發(fā)現(xiàn)用草拌泥作的墻體和地面，即以天然纖維狀材料草作為粘土的增強(qiáng)劑，用來阻止粘土的干裂和剝落，提高墻體和地面耐受侵蝕的能力，增進(jìn)了粘土的實用性能，這可以算作是纖維復(fù)合材料的淵源；迄今在某些貧窮農(nóng)村仍然沿用著這種原始的非連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。11（一）、早期復(fù)合材料歷程公元前3000年左右，古埃及和美索不達(dá)米亞人用蘆葦、紙莎草加瀝青或樹膠制造小艇，也可以看作現(xiàn)代復(fù)合材料船的前

7、身；中國西周時期（公元前1000年）用木片或竹片、動物的腱和鬃、絲等制作弓，是混雜復(fù)合材料的祖先；古埃及干尸（木乃伊）是將用香料處理過的尸體纏繞亞麻布帶后再浸漬天然樹脂，它是纏繞工藝的一個雛形，與現(xiàn)代復(fù)合材料的管道、壓力容器等的成型工藝在原理上是一致的，同時也符合現(xiàn)代防腐工程的原理；12（一）、早期復(fù)合材料歷程日本繩紋文化（日本新石器時代）中期以后，已經(jīng)知道在礬士（粘士）中加云母和砂粒來改進(jìn)陶器性能，防止燒結(jié)時龜裂，這是粒子增強(qiáng)陶瓷復(fù)合材料思想的萌芽；中國春秋戰(zhàn)國時期（距今2500年），用含錫量較低的青銅作劍身，采用兩次澆注技術(shù)，在其刃部復(fù)合一層含錫量較高的青銅，并在錫青銅表面涂覆一層硫化銅（

8、含鉻和鎳）制成花紋，使其劍內(nèi)柔外剛，剛?cè)嵯酀?jì)，作為其代表的著名的越王勾踐劍，1965年在湖北江陵楚墓出土?xí)r，仍然光可鑒人，鋒利異常，被譽(yù)為“永不生銹的青銅劍”。它可看成是最早的包層金屬復(fù)合材料； 13（一）、早期復(fù)合材料歷程印度人用細(xì)砂和蟲膠制作磨刀石，這是現(xiàn)代砂輪的前身，是顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的又一例子；公元前埃及金字塔采用了砂石和火山灰制成的混凝土，這也可看成是顆粒復(fù)合材料；中國民間的布底鞋，代表著三向編織復(fù)合材料的雛形；古埃及文明時代，木材復(fù)合材料已有所應(yīng)用，人們利用紫檀木貼在普通木材上進(jìn)行表面裝飾（如棺槨），到了工業(yè)革命以后，歐、美等國發(fā)明了薄片加工機(jī)械和各種鋸，并與粘接劑（膠）技術(shù)結(jié)合，

9、才演變到膠合板和裝飾板的工業(yè)生產(chǎn)，這是疊層復(fù)合材料的前身。14（二）、現(xiàn)代復(fù)合材料發(fā)展在現(xiàn)代，復(fù)合材料的應(yīng)用更比目皆是，與日常生活和國民經(jīng)濟(jì)密不可分。如由沙石、鋼筋和水泥構(gòu)成的水泥復(fù)合材料已廣泛地應(yīng)用于高樓大廈和河堤大壩等的建筑，發(fā)揮著極為重要的作用；玻璃纖維增強(qiáng)塑料（玻璃鋼）更是一種廣泛應(yīng)用的較現(xiàn)代化復(fù)合材料。15現(xiàn)代高科技的發(fā)展更是離不開復(fù)合材料。例如就航天、航空飛行器減輕結(jié)構(gòu)重量這點而言，噴氣發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)重量減1kg ，飛機(jī)結(jié)構(gòu)可減重4 kg ，升限可提高10米；一枚小性洲際導(dǎo)彈第三級結(jié)構(gòu)重量減輕1kg ，整個運載火箭的起飛重量就可減輕50 kg ，地面設(shè)備的結(jié)構(gòu)重量就可減輕100 kg

10、，在有效載荷不變的條件下，可增加射程15 20 km ；而航天飛機(jī)的重量每減輕1kg ，其發(fā)射成本費用就可以減少15000美元 。因此，現(xiàn)代航空、航天領(lǐng)域?qū)︼w行器結(jié)構(gòu)的減重要求已經(jīng)不是“斤斤計較”，而是“克克計較”。16先進(jìn)復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高比模量的優(yōu)點，可以顯著減輕結(jié)構(gòu)重量，是理想的現(xiàn)代飛行器結(jié)構(gòu)材料。先進(jìn)復(fù)合材料的使用，不僅極大地提高了現(xiàn)代飛行器的性能，使得人類飛天、登月的夢想變成現(xiàn)實，同時也創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益?？湛虯380飛機(jī)制造擁有380多項技術(shù)專利，在這些知識創(chuàng)新中，一項空客首創(chuàng)的技術(shù)則是大量使用像碳纖維增強(qiáng)高分子（塑料）這樣的先進(jìn)輕型復(fù)合材料制造A380飛機(jī)的主要大結(jié)構(gòu)件。

11、A380飛機(jī)的25%的結(jié)構(gòu)都是由復(fù)合材料制成，使得A380飛機(jī)的總重量減輕了15噸，具有耗油量低且噪音小的優(yōu)點。先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在新型衛(wèi)星結(jié)構(gòu)中已占了85%以上，因此復(fù)合材料在現(xiàn)代高科技領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景 。17（二）、現(xiàn)代復(fù)合材料發(fā)展歷程現(xiàn)代復(fù)合材料的發(fā)展只有60多年歷史，它的主要特征是基體采用合成材料。1940年，世界上第一次用玻璃纖維增強(qiáng)不飽和聚酯樹脂制造了軍用飛機(jī)雷達(dá)罩。1942年，用手糊工藝制成第一艘玻璃鋼漁船。至20世紀(jì)6070年代，玻璃纖維增強(qiáng)塑料（簡記為GFRP，俗稱玻璃鋼）制品已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空、機(jī)械、化學(xué)、體育和建筑工業(yè)中。這種復(fù)合材料中玻璃纖維的用量為30%60%，所

12、用基體材料主要有不飽和聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂和酚醛樹脂。玻璃鋼的比強(qiáng)度（即抗拉強(qiáng)度/密度）比鋼還要高，而且耐腐蝕性能好，被稱之為第一代現(xiàn)代復(fù)合材料。18（二）、現(xiàn)代復(fù)合材料發(fā)展20世紀(jì)80年代以后，由于人們豐富了復(fù)合材料設(shè)計、制造和測試等方面的知識與經(jīng)驗，如層合板力學(xué)性能的準(zhǔn)確計算；短纖維或連續(xù)纖維的紗束、墊、氈或編織物、編織布及預(yù)浸料的制作；模壓、纏繞、拉擠、注射等成型工藝的出現(xiàn)；性能標(biāo)準(zhǔn)化以及玻璃纖維、樹脂等原材料的不斷改進(jìn)，使玻璃纖維增強(qiáng)塑料的發(fā)展達(dá)到成熟階段。但是，與現(xiàn)代高新技術(shù)所要求的性能相比，它的許多性能尤其是模量和使用溫度尚嫌不足，因此，玻璃鋼不屬于高級復(fù)合材料的范疇。19（二）、現(xiàn)

13、代復(fù)合材料發(fā)展現(xiàn)代技術(shù)對高級復(fù)合材料(advanced composite materials，簡記為ACM)的要求是：不僅比強(qiáng)度（強(qiáng)度/密度）高，而且要求比剛度（模量/密度）高，同時剪切強(qiáng)度和剪切模量也要高；高溫性能和耐熱性高。針對玻璃纖維楊氏模量較低的主要缺點，20世紀(jì)5060年代相繼開發(fā)了硼(B)纖維、碳(C)纖維和芳綸纖維(Kevlar)。這些纖維均具有比玻璃纖維高得多的楊氏模量和更低的密度。因此被稱為高級纖維(advanced fibers)。另一方面，玻璃纖維增強(qiáng)不飽和聚酯樹脂的耐熱性能較差，當(dāng)溫度大于60，其力學(xué)性能開始下降，溫度為90時，力學(xué)性能保留率僅為60%。用硼纖維、碳纖

14、維和芳綸纖維增強(qiáng)塑料基復(fù)合材料(BFRP、CFRP和KFRP)的最高使用溫度長期可達(dá)150以上，它們兼具高比剛度和比強(qiáng)度，稱為第二代現(xiàn)代復(fù)合材料。20（二）、現(xiàn)代復(fù)合材料發(fā)展用聚酰亞胺作基體，以上述高級纖維作增強(qiáng)體的復(fù)合材料，使用溫度較高，但不超過200，用金屬（鋁、鎂、鈦、金屬間化合物）作基體的復(fù)合材料，使用溫度范圍是175900。用陶瓷（碳化硅、氮化硅、碳等）作基體的復(fù)合材料，使用溫度范圍是10002000。20世紀(jì)70年代，開發(fā)了耐熱性更高的氧化鋁纖維和碳化硅纖維，還開發(fā)了各種晶須（如碳化硅晶須和氧化鋁晶須等），使現(xiàn)代復(fù)合材料的性能向耐熱、高韌性和多功能方向發(fā)展，稱為第三代現(xiàn)代復(fù)合材料。

15、第二代和第三代現(xiàn)代復(fù)合材料稱為高級復(fù)合材料或高性能復(fù)合材料（也稱為先進(jìn)復(fù)合材料）。高級復(fù)合材料是具有特殊優(yōu)異性能的材料，其制造過程涉及先進(jìn)技術(shù)。它主要應(yīng)用于尖端科學(xué)領(lǐng)域，如航天航空、體育等，也應(yīng)用于汽車、建筑、醫(yī)療及其他領(lǐng)域。21（二）、現(xiàn)代復(fù)合材料發(fā)展高性能復(fù)合材料由各種高性能增強(qiáng)材料（纖維和織物、晶須、顆粒）與各種聚合物、金屬、碳及非碳陶瓷基體復(fù)合而成。高性能復(fù)合材料是具有高比模量、高比強(qiáng)度、優(yōu)異的高溫性能或特殊的多功能復(fù)合材料。按照增強(qiáng)纖維和顆粒的直徑大小，可將高性能復(fù)合材料分為宏觀復(fù)合材料和微觀復(fù)合材料。宏觀復(fù)合材料是指增強(qiáng)相的尺寸在微米(m)級的復(fù)合材料。采用混雜纖維（即兩種以上的纖

16、維）或混雜基體（即兩種以上的基體）制成性能成型工藝成本最佳平衡匹配的復(fù)合材料，稱為混雜復(fù)合材料(hybrid composite materials，簡記為HCM)。22（二）、現(xiàn)代復(fù)合材料發(fā)展不同類型的增強(qiáng)組分以疊層結(jié)構(gòu)形式組成的復(fù)合材料稱為混雜疊層復(fù)合材料。其增強(qiáng)組分可以為纖維、片材或蜂窩芯材，其基體可以為樹脂或金屬?；祀s疊層復(fù)合材料的典型例子是鋁-纖維/環(huán)氧疊層板。通常是將經(jīng)過表面處理的鋁片與纖維織物的環(huán)氧樹脂預(yù)浸片交替疊層后熱壓而成。常用的纖維有芳綸、碳、玻璃等。鋁-芳綸/環(huán)氧疊層板（商品名ARALL）已工業(yè)化，用作飛機(jī)的蒙皮材料。增強(qiáng)相的尺寸為納米(nm)等級的復(fù)合材料稱為納米復(fù)合材

17、料。增強(qiáng)相尺寸控制在埃級，即原子或分子水平的稱為雜化材料，兩者統(tǒng)稱微觀復(fù)合材料，它們主要用作新型結(jié)構(gòu)材料或功能材料。23（二）、現(xiàn)代復(fù)合材料發(fā)展近年來開發(fā)了宏觀-微觀復(fù)合為一體的各種新型復(fù)合材料，例如20世紀(jì)80年代后期出現(xiàn)了功能梯度復(fù)合材料（即梯度復(fù)合材料）。它以先進(jìn)的材料設(shè)計為依據(jù)，采用先進(jìn)的材料復(fù)合技術(shù)，通過控制構(gòu)成材料的要素（組成、結(jié)構(gòu)等）由一側(cè)向另一側(cè)呈連續(xù)梯度變化，使其內(nèi)部界面消失，從而獲得材料的性質(zhì)和功能相應(yīng)于組成和結(jié)構(gòu)的變化而呈現(xiàn)梯度變化的非均質(zhì)材料。24該材料的研制初衷是用作新航天飛機(jī)緩和熱應(yīng)力超耐熱材料。其制備方法有相分布控制和粒子排列技術(shù)兩大類，包括物理真空鍍膜、化學(xué)氣相

18、沉積、粒子排列燒結(jié)、等離子噴鍍、薄膜疊層和自蔓延高溫合成法等。梯度復(fù)合材料在核能、電子、光學(xué)、化學(xué)、電磁學(xué)、生物醫(yī)學(xué)仍至日常生活領(lǐng)域都有著一定的潛在應(yīng)用前景。由于這種材料性能在空間位置的梯度分布規(guī)律與材料使用中環(huán)境條件對材料性能的要求相適應(yīng)，因此，由它所制成的器件或結(jié)構(gòu)將具有最優(yōu)的環(huán)境匹配性。它也被稱為最先進(jìn)復(fù)合材料。25（二）、現(xiàn)代復(fù)合材料發(fā)展機(jī)敏復(fù)合材料（smart composite）是現(xiàn)代復(fù)合材料發(fā)展的最新階段，機(jī)敏復(fù)合材料（或材料器件的復(fù)合結(jié)構(gòu)）能驗知環(huán)境變化，并通過改變自身一個或多個性能參數(shù)對環(huán)境變化及時做出響應(yīng)，使之與變化后的環(huán)境相適應(yīng)，它一般也稱為機(jī)敏材料或機(jī)敏結(jié)構(gòu)，具有自診斷

19、、自適應(yīng)或自愈合功能，因此，它是驗知材料和執(zhí)行材料的復(fù)合，有時還需要外接的電源、信息處理和反饋系統(tǒng)。例如，具有自診斷功能的機(jī)敏復(fù)合材料是把光導(dǎo)纖維與增強(qiáng)纖維一同與基體復(fù)合，每根光導(dǎo)纖維均接于獨立的光源和檢測系統(tǒng)。當(dāng)復(fù)合材料的某處發(fā)生應(yīng)力集中或破壞時，該處的光導(dǎo)纖維即發(fā)生相應(yīng)的應(yīng)變或斷裂，從而可據(jù)此診斷出該處的情況。26又如，能對振動產(chǎn)生自適應(yīng)阻尼的機(jī)敏復(fù)合材料是由壓電材料和形狀記憶材料與高聚物構(gòu)成的執(zhí)行材料復(fù)合在一起。當(dāng)壓電材料驗知振動時，信號啟動外接電路使形狀記憶合金發(fā)生形變，從而改變了復(fù)合材料的固有振動模態(tài)而減振。機(jī)敏復(fù)合材料已用于主動檢測振動與噪聲，主動探測復(fù)合材料構(gòu)件的損傷，根據(jù)環(huán)境變化主動改變構(gòu)件幾何