2025年高考什么是復(fù)合材料

　　一．緒言

　　材料是高新技術(shù)發(fā)展和現(xiàn)代文明的物質(zhì)基礎(chǔ)，材料科學(xué)一直是活躍的科學(xué)前沿。材料是人類文明發(fā)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(biāo)志。材料是技術(shù)進(jìn)步的關(guān)鍵。沒有半導(dǎo)體材料，就不會有計算機；沒有耐高溫、高強、低容重的結(jié)構(gòu)材料就沒有宇航事業(yè)。美國國家關(guān)鍵技術(shù)委員會列定了21項關(guān)鍵技術(shù)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(jìn)復(fù)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(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用對自然環(huán)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(xiàn)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(fā)展呢？主要有以下四點原因：（1）國際軍事工業(yè)激烈競爭，航空航天技術(shù)發(fā)展需要。下面舉幾個例子予以佐證。例1，宇宙飛船或衛(wèi)星返回地面若不控制，外表溫度可達(dá)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(fù)使用的聚合物基復(fù)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(dá)天線，稱為“飛行器眼睛”。為降低信號損失，對其尺寸穩(wěn)定性有嚴(yán)格要求：變形小于萬分之一，重量輕強度高。工作環(huán)境卻非常嚴(yán)苛：發(fā)射加速度沖擊與振動，-200℃~70℃。高模量碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料幾乎為唯一滿足要求的材料。例3，據(jù)計算，人造衛(wèi)星減重1kg，運載火箭可減輕500kg。美國MX導(dǎo)彈發(fā)動機由碳纖維/環(huán)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(jìn)復(fù)合材料：

　　發(fā)動機殼體硼纖維/環(huán)氧聚合物基復(fù)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(fù)合材料

　　機頭及主翼前緣碳/碳復(fù)合材料

　　哈爾濱飛機公司引進(jìn)的法國海豚直升機，碳纖維、Kevlar纖維增強環(huán)氧先進(jìn)復(fù)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(fù)合材料迅猛發(fā)展的第一個原因。（2）新技術(shù)的需要促進(jìn)了新材料的發(fā)展。（3）地球上金屬資源與化石能源越用越少，石油天燃?xì)獾缺臼兰o(jì)末將用盡，開發(fā)與節(jié)約能源為當(dāng)務(wù)之急。據(jù)報導(dǎo)，全世界汽車每天用油約300萬噸，約占世界產(chǎn)油總量的30—40%。采用陶瓷基復(fù)合材料制造汽車發(fā)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(chǎn)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(xué)技術(shù)的進(jìn)步為新材料的發(fā)展提供了條件中國樹脂在線。

　　材料的分類，新材料偏重于應(yīng)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(tài)金屬、新合金等）、先進(jìn)復(fù)合材料等。從物質(zhì)組成結(jié)構(gòu)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(fù)合材料。人們對材料的研究，總體歸結(jié)為兩大方面：一是材料組成、結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系（即微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能的關(guān)系）。二是設(shè)計、制造工藝與產(chǎn)品性能間的關(guān)系。代表著結(jié)構(gòu)材料發(fā)展趨勢的樹脂基復(fù)合材料脫穎而出，日益發(fā)揮重要作用。20世紀(jì)以鋼鐵為主的時代經(jīng)過數(shù)十年發(fā)展，正逐步演變?yōu)閺?fù)合材料時代。在發(fā)達(dá)國家鋼鐵需求量逐年下降，而復(fù)合材料需求量猛增。目前美國塑料與樹脂基復(fù)合材料需求量比鋼鐵多0.8倍（體積比）。樹脂基復(fù)合材料經(jīng)過半個世紀(jì)的發(fā)展歷程，其理論研究和工業(yè)生產(chǎn)已取得巨大進(jìn)展，應(yīng)用范圍已擴展至人類生活各領(lǐng)域。

　　二．復(fù)合材料與樹脂基體

　　1．什么是復(fù)合材料的定義國內(nèi)外業(yè)界有各種說法。英國人赫爾提出復(fù)合材料分三類：天然復(fù)合材料，如木材、骨骼、肌肉等；細(xì)觀復(fù)合材料，如合金、增強塑料等；宏觀復(fù)合材料，如鋼筋混凝土等。適合于工程結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料定義應(yīng)包含以下三點內(nèi)容：

　�。�1）含兩種或兩種以上物理性質(zhì)不同并可用機械方法分離的多相材料（區(qū)別與混合物和合金）；

　�。�2）可人為控制將一種材料分布到其它材料中，以達(dá)最佳性能；

　�。�3）性能優(yōu)于單獨組分材料，并具獨特性能。

　　科學(xué)家把復(fù)合材料這種揚長避短的作用稱為復(fù)合效應(yīng)。人們利用復(fù)合效應(yīng)可自由選擇復(fù)合材料組成物質(zhì)，人為設(shè)計各種新型復(fù)合材料，把材料科學(xué)推進(jìn)到了一個新階段。因此，國外把復(fù)合材料稱為第四代材料，又稱“設(shè)計材料”。

　　2．復(fù)合材料的分類工程上生產(chǎn)與應(yīng)用的復(fù)合材料內(nèi)含兩類材料：增強材料與基體材料。

　　增強材料作用：提供強度與剛度

　　形態(tài)：多為纖維狀

　　材質(zhì)：玻璃纖維、碳纖維、芳倫（Kevlar）纖維、硼纖維、碳化硅纖維等。

　　基體材料作用：將增強材料粘接成固態(tài)整體，保護(hù)增強材料，傳遞荷載，阻止裂紋擴展；材質(zhì)：合成樹脂。分為熱固性樹脂與熱塑性樹脂兩大類；金屬；陶瓷；水泥

　　根據(jù)基體的不同復(fù)合材料又細(xì)分為：

　　聚合物基復(fù)合材料，又稱纖維增強塑料。分為纖維增強熱固性塑料FRP與纖維增強熱塑性塑料FRTP。應(yīng)用最廣的為玻璃纖維增強塑料GRP（GlassReforcedPlastics）；金屬基復(fù)合材料，如連續(xù)或非連續(xù)硼纖維、碳纖維增強鋁鎂、鈦、鎳等金屬基體；陶瓷基復(fù)合材料，如碳纖維、碳化硅（SiC）晶須增強陶瓷，極大提高了陶瓷的韌性（提高斷裂韌性最高可達(dá)9倍以上）；水泥基復(fù)合材料，如碳纖維、玻璃纖維、植物纖維增強水泥等；碳纖維增強碳基體稱為C/C復(fù)合材料。上述諸種復(fù)合材料，目前全世界產(chǎn)量最大應(yīng)用最廣（約90%以上）首推聚合物基復(fù)合材料。

　　3．聚合物基復(fù)合材料的特性

　�。�1）輕質(zhì)高強。以CFRP為例：與鋼相比，比重僅為鋼的1/5，比強度為鋼的8倍，比模量為3.6倍，疲勞強度為2.7倍，抗拉強度為1.4倍。

　�。�2）耐腐蝕性優(yōu)異。全世界每年腐蝕金屬約1.2億噸，我國金屬腐蝕損失每年約600億以上。FRP因根本不發(fā)生金屬的電化學(xué)腐蝕，可取代昂貴的不銹鋼。

　�。�3）制造容易，生產(chǎn)率高。美國阿特拉斯導(dǎo)彈，用纖維纏繞聚合物基復(fù)合材料殼體取代合金鋼，生產(chǎn)周期縮短為1/3。波音公司某型飛機由11000個金屬零部件組成，改用聚合物基復(fù)合材料僅為1500個零部件，減少90%。

　　（4）可設(shè)計性好。纖維增強材料的數(shù)量與方向可根據(jù)受力情況調(diào)變；以最大程度提高結(jié)構(gòu)抗力。如纖維纏繞成型的FRP容器或管道，選定纖維纏繞角為5444，則可實現(xiàn)軸向環(huán)向等強度。而金屬壓力容器與管道卻實現(xiàn)不了。

　　（5）抗震性優(yōu)良。CFRP的自振頻率為鋼的1.9倍。振動阻尼高，同尺寸梁實驗：CFRP梁2.5min停止振動，鋼梁需9min。

　�。�6）其它優(yōu)異性能如透波性、隔熱性等。

　　4．聚合物基復(fù)合材料的應(yīng)用

　　上世紀(jì)40年代美國最早用GRP制造飛機組合部件及航空氣瓶。先進(jìn)聚合物基復(fù)合材料在世界各國飛機上的應(yīng)用（占總重量百分比）：

　　美國F-2226%蘇-2720%

　　法EF-200043%中國殲-106%

　　波音-7779900kg/架空中客車A34011000kg/架

　　發(fā)達(dá)國家各型導(dǎo)彈發(fā)動機殼體90%以上采用纖維纏繞聚合物基復(fù)合材料。

　　民用方面大家所熟知的玻璃鋼就不想多說了，僅就幾個方面概略介紹一下。

　　汽車業(yè)的應(yīng)用上世紀(jì)90年代汽車鋼材應(yīng)用比例下降到14—15%。2000年美國每五輛汽車就有一輛為FRP制造車身。歐美SMC（纖維增強不飽和樹脂基體的片狀膜塑料）產(chǎn)量年遞增10%以上，美國SMC產(chǎn)量的80%以上用于汽車。我國SMC生產(chǎn)線引進(jìn)與自制共30余條，年設(shè)計產(chǎn)量9萬噸以上。玻璃氈增強熱塑性復(fù)合材料（GMT），全世界年增長率為25%以上，95%用于汽車工業(yè)。

　　汽車用天燃?xì)鈿馄�，采用碳纖維纏繞樹脂基復(fù)合材料制造，市場潛力巨大。我國石油短缺，天燃?xì)獾膬α控S富。汽車燃料對環(huán)境污染小。氣瓶重量輕，耐腐蝕，工作壓力20—100Mpa，壽命15—20年。

　　土木工程結(jié)構(gòu)的補強修復(fù)應(yīng)用碳纖維增強聚合物基復(fù)合材料對橋梁、隧道、水工構(gòu)筑物及高層建筑等土木工程結(jié)構(gòu)的修復(fù)可謂方興未艾。與傳統(tǒng)修復(fù)技術(shù)比，輕質(zhì)高強，耐腐蝕；施工便捷，可在有限空間施工，不需大型機具；修復(fù)費用僅為傳統(tǒng)修復(fù)費用的1/4左右；施工周期為1/2—1/3；可修復(fù)復(fù)雜曲面形體。將特制光纖FBG傳感器置入碳纖維聚合物復(fù)合材料中，構(gòu)成智能先進(jìn)復(fù)合材料。用其對損壞的橋梁等重要構(gòu)筑物進(jìn)行補強加固修復(fù)，不僅具有傳統(tǒng)修復(fù)無可比擬的優(yōu)越性，而且可實現(xiàn)對構(gòu)筑物三維局部應(yīng)力、疲勞損傷進(jìn)行長期實時在線監(jiān)測，并及時作出評估。

　　化工環(huán)保耐腐蝕設(shè)備及玻璃鋼管道由于GRP具有優(yōu)良耐腐蝕性，美國、日本在化工環(huán)保設(shè)備方面的應(yīng)用已列GRP市場的3—4位。采用玻璃纖維纏繞成型不飽和聚酯與環(huán)氧樹脂基體的復(fù)合材料管道性能優(yōu)異，市場巨大，GRP管道已成為美國第三大運輸手段（裝備）。美國在德克薩斯、阿克拉荷馬、加利福尼亞三州的鹽堿地上與地下實際使用20年后，進(jìn)行爆破試驗，爆破壓力并沒有降低。此外，根據(jù)我的計算：由于GRP管道流體阻力小，泵能耗比金屬管降低30%左右；可直埋地下，安裝費用節(jié)省約15—50%。據(jù)意大利威德羅西那公司試驗：鑄鐵與GRP兩種管道，管徑500mm，管長6m。同樣施工條件，埋設(shè)管線長均為1000m。施工期GRP管僅用1天，而鑄鐵管卻需30天。綜合經(jīng)濟效益，玻璃鋼管不僅優(yōu)于普通碳鋼管而且也優(yōu)于不銹鋼管。

　　玻璃鋼船日本漁船的70%采用GRP制造。比木船輕30%，能耗降低；使用壽命：木船為10年，GRP船為20年；維修容易；可提高捕撈量35%。

　　三．先進(jìn)復(fù)合材料與樹脂基體的最新進(jìn)展中國樹脂在線

　　1．何謂先進(jìn)復(fù)合材料復(fù)合材料內(nèi)含的兩相材料，增強材料的強度、模量、耐溫性都遠(yuǎn)高于第一代的玻璃纖維，而比重又比玻璃纖維低（俗稱三高一低），如碳纖維、Kevlar纖維、硼纖維等。聚合物基體材料比普通環(huán)氧、不飽和聚酯、酚醛、聚丙烯等樹脂的耐高溫性、韌性（斷裂延伸率）都大幅提高，如雙馬來聚酰亞胺、聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚醚醚砜等。這類復(fù)合材料，國際上稱為AdvancedCompositeMaterial先進(jìn)復(fù)合材料ACM。

　　2．國際先進(jìn)復(fù)合材料的最新進(jìn)展

　�。�1）20世紀(jì)80年代，Roy等人提出納米復(fù)合材料（Nanocomposite）。納米材料與技術(shù)是21世紀(jì)三大科技（信息科學(xué)技術(shù)、生命科學(xué)技術(shù)、納米科學(xué)技術(shù)）之一，而納米科學(xué)技術(shù)是前二者進(jìn)一步發(fā)展的共同基礎(chǔ)。納米是幾何尺寸的度量單位，其長度為一米的十億分之一，略等于4—5個原子排列起來的長度。它正好處于以原子、分子為代表的微觀世界和人類活動空間為代表的宏觀世界的中間地帶。當(dāng)物質(zhì)尺寸<0.1μm（100nm），其常溫物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)生顯著變化，顯示出奇異特性。它的力、熱、電、光、磁、化學(xué)性質(zhì)皆與傳統(tǒng)固相顯著不同。納米粒子一般在1—100nm。納米復(fù)合材料與單一納米材料不同，這是由兩種或兩種以上的固相至少在一方向上以納米級大小復(fù)合而成的材料。分為：樹脂基納米復(fù)合材料、金屬基納米復(fù)合材料、陶瓷基納米復(fù)合材料。當(dāng)前樹脂基納米復(fù)合材料當(dāng)前是將無機填加劑（硅酸鹽）在聚合物基體間達(dá)到納米尺度的高度分散，其性能發(fā)生優(yōu)異變化。

　�。�2）先進(jìn)的纖維增強熱塑性復(fù)合材料纖維增強熱塑性樹脂復(fù)合材料（FRTP），具韌性耐蝕性和抗疲勞性高，成型工藝簡單周期短，材料利用率高（無廢料），預(yù)浸料存放環(huán)境與時間無限制等優(yōu)異性能而得到快速發(fā)展。

　　1951年，美國人R.bradit首先用玻璃纖維增強聚苯乙烯獲成功。1972年，英帝國化學(xué)公司首先開發(fā)成功聚醚砜（PES）。1977年英國又研發(fā)成功PEEK。美國杜邦公司1985年合成了高分子量的接枝PEEK。以后幾年又有各種耐高溫的熱塑性樹脂相繼問世。目前，國外開發(fā)和應(yīng)用的先進(jìn)熱塑性聚合物有聚砜（PSF）、聚醚砜（PES）、聚苯硫醚（PPS）、聚醚醚酮（PEEK）、聚酰亞胺（PEI、PI、PAI）、聚芳脂（PAR）等，將其作為先進(jìn)復(fù)合材料的基體�，F(xiàn)在發(fā)達(dá)國家致力于連續(xù)纖維增強高性能熱塑性復(fù)合材料的研發(fā)。美國、德國已取得較大成果。為了進(jìn)一步降低制品重量和提高剛度，美國用模量960Gpa的碳纖維取代模量為440Gpa的碳纖維。實驗結(jié)果，與鋁結(jié)構(gòu)相比，先進(jìn)復(fù)合材料的減振能力提高60—80倍，剛度增加了70%。美國在90年代末建造空間站中大量采用高性能熱塑性復(fù)合材料。美國宇航局制造的空間站桁架，采用了CF/PEEK和CF/PEI型材。BoeingAerospace公司用熱壓成型技術(shù)制造了美國軍用AIW巡航導(dǎo)彈殼體、殼體外蒙皮、構(gòu)架和頭錐等32個構(gòu)件，都是用Avtel玻纖/PPS制的。美國新型殲擊機YF-22上采用大量先進(jìn)熱塑性復(fù)合材料。

　　近20年來，隨著剛性、耐熱性及耐介質(zhì)性能好的芳香族熱塑性樹脂基體的出現(xiàn)，以及具有高強度、高模量、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)異性能碳纖維、芳倫纖維、碳氟纖維（PTFE）等高性能纖維的發(fā)展，使先進(jìn)熱塑性復(fù)合材料克服了一般FRTP使用溫度低，模量小，強度差等缺點，使其在航空航天等高科技領(lǐng)域獲得越來越多的應(yīng)用。美國NASP計劃開發(fā)新樹脂，使其使用溫度能達(dá)371℃。美國航天飛機軌道器采用CF/PI復(fù)合材料代替目前使用的2219鋁合金，結(jié)構(gòu)耐熱能力可以從現(xiàn)在的177℃提高到316℃，結(jié)構(gòu)重量和熱防護(hù)系統(tǒng)重量可減輕30%。PEEK、PPS等樹脂基復(fù)合材料還可作隱身飛機的吸波結(jié)構(gòu)材料。

　　20世紀(jì)90年代中期，在經(jīng)歷“挑戰(zhàn)者”號航天飛機爆炸等事件后，美國宇航局為確保美國稱霸太空戰(zhàn)略的順利實施，決定開發(fā)下一代太空飛機—-空天飛機X-33，作為美國爭霸太空的利器�？仗祜w機是一種航天飛機和普通飛機之間的飛行器。它能以普通飛機方式起飛，能在30—100公里高大氣層中以15馬赫的速度作極超聲速飛行，能夠直接進(jìn)入低地球軌道，返回大氣層并能水平著陸�？仗祜w機可作為反衛(wèi)星武器平臺和太空監(jiān)視偵察平臺，用于快速部署或回收衛(wèi)星。它具有航空與航天雙重功能和兩個空間層次作戰(zhàn)功能�？仗祜w機將是21世紀(jì)的超級空中“全能明星”�？仗祜w機X-33采用大量先進(jìn)纖維增強復(fù)合材料，且較大部分為高性能熱塑性復(fù)合材料。如推力結(jié)構(gòu)、尾翼、機身、燃料箱、電子設(shè)備艙、有效荷載艙等。復(fù)合材料用量占到了結(jié)構(gòu)總量的80%以上。

　　3．國內(nèi)發(fā)展概況

　　國內(nèi)樹脂基復(fù)合材料自“六五”以來，經(jīng)歷20多年研究與應(yīng)用，以取得很大進(jìn)步。研制成功成功一批高性能樹脂基體。包括高韌性BMI樹脂基體、高韌性高溫和中溫固化環(huán)氧樹脂基體、阻燃環(huán)氧樹脂基體等。其中北京航空材料研究所研制的5428和5429高韌性BMI復(fù)合材料的CAI值分別達(dá)到260MPa和290Mpa,長期使用溫度為150℃和170℃。LP15聚酰亞胺復(fù)合材料具有無毒、工藝性優(yōu)異、韌性好等特點，可在280℃下長期使用。北京航空工藝研究所研制的QY8911系列樹脂具有良好的綜合力學(xué)性能。西北工業(yè)大學(xué)研制的4503ABMI具有良好的電性能，可制造高性能雷達(dá)罩。

　　國家從“七五”開始，對高性能熱塑性樹脂的研究開發(fā)，在國家重點科技攻關(guān)計劃和863計劃中立項。由吉林大學(xué)承擔(dān)研究“九五”末已完成PES樹脂300噸/年的放大技術(shù)和PEEK樹脂30噸/年中試，已通過鑒定驗收。由大連理工大學(xué)蹇錫高教授等承擔(dān)的國家“八五”“九五”重點科技攻關(guān)項目，雜萘聯(lián)苯聚醚酮（PPEK）、雜萘聯(lián)苯聚醚砜（PPES）及其系列共聚物，雜萘聯(lián)苯聚醚砜酮（PPESK）中試化生產(chǎn)已于2001年3月通過國家鑒定，評為國際領(lǐng)先水平。

　　對纖維增強熱塑性基體先進(jìn)復(fù)合材料研究，特別是碳纖維增強聚醚砜、聚醚酮類先進(jìn)復(fù)合材料的研究，國家在“八五”“九五“計劃中給予重點支持。由曾漢民教授主持，由中山大學(xué)、703所、621所、中科院金屬所、化學(xué)所等單位參與研究的國家自然科學(xué)基金重大項目“復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)與性能研究”，對復(fù)合材料界面層的形成、控制和機理、界面微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能、復(fù)合工藝等方面進(jìn)行了創(chuàng)造性工作，成果處于國際先進(jìn)水平。哈爾濱玻璃鋼研究院承擔(dān)了863項目中連續(xù)纖維增強熱塑性樹脂基復(fù)合材料以及中長纖維增強熱塑性片材的工藝研究課題，重點研究了連續(xù)纖維增強聚醚醚酮復(fù)合材料的熔融浸漬技術(shù)、纏繞和拉擠工藝技術(shù)。

　　目前，國內(nèi)雖然形成了研究高性能熱塑性樹脂基復(fù)合材料熱潮，但多集中在短纖維增強熱塑性復(fù)合材料方面。而連續(xù)纖維增強熱塑性復(fù)合材料雖然作為后起之秀，性能上比短纖維復(fù)合材料好得多，但由于起步晚、成本高、成型相對困難等，目前仍處于研究開發(fā)階段。經(jīng)過業(yè)界同仁努力，相信前景將相當(dāng)誘人和廣闊。

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