2025年高考什么是復合材料

　　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。

　　二．復合材料與樹脂基體

　　1．什么是復合材料的定義國內外業界有各種說法。英國人赫爾提出復合材料分三類：天然復合材料，如木材、骨骼、肌肉等；細觀復合材料，如合金、增強塑料等；宏觀復合材料，如鋼筋混凝土等。適合于工程結構的復合材料定義應包含以下三點內容：

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

　　（2）可人為控制將一種材料分布到其它材料中，以達最佳性能；

　　（3）性能優于單獨組分材料，并具獨特性能。

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

　　2．復合材料的分類工程上生產與應用的復合材料內含兩類材料：增強材料與基體材料。

　　增強材料作用：提供強度與剛度

　　形態：多為纖維狀

　　材質：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整體，保護增強材料，傳遞荷載，阻止裂紋擴展；材質：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

　　根據基體的不同復合材料又細分為：

　　聚合物基復合材料，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。應用最廣的為玻璃纖維增強塑料GRP（GlassReforcedPlastics）；金屬基復合材料，如連續或非連續硼纖維、碳纖維增強鋁鎂、鈦、鎳等金屬基體；陶瓷基復合材料，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9倍以上）；水泥基復合材料，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復合材料。上述諸種復合材料，目前全世界產量最大應用最廣（約90%以上）首推聚合物基復合材料。

　　3．聚合物基復合材料的特性

　　（1）輕質高強。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因根本不發生金屬的電化學腐蝕，可取代昂貴的不銹鋼。

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

　　（4）可設計性好。纖維增強材料的數量與方向可根據受力情況調變；以最大程度提高結構抗力。如纖維纏繞成型的FRP容器或管道，選定纖維纏繞角為5444，則可實現軸向環向等強度。而金屬壓力容器與管道卻實現不了。

　　（5）抗震性優良。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）其它優異性能如透波性、隔熱性等。

　　4．聚合物基復合材料的應用

　　上世紀40年代美國最早用GRP制造飛機組合部件及航空氣瓶。先進聚合物基復合材料在世界各國飛機上的應用（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

　　發達國家各型導彈發動機殼體90%以上采用纖維纏繞聚合物基復合材料。

　　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。

　　汽車業的應用上世紀90年代汽車鋼材應用比例下降到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）產量年遞增10%以上，美國SMC產量的80%以上用于汽車。我國SMC生產線引進與自制共30余條，年設計產量9萬噸以上。玻璃氈增強熱塑性復合材料（GMT），全世界年增長率為25%以上，95%用于汽車工業。

　　汽車用天燃氣氣瓶，采用碳纖維纏繞樹脂基復合材料制造，市場潛力巨大。我國石油短缺，天燃氣的儲量豐富。汽車燃料對環境污染小。氣瓶重量輕，耐腐蝕，工作壓力20—100Mpa，壽命15—20年。

　　土木工程結構的補強修復應用碳纖維增強聚合物基復合材料對橋梁、隧道、水工構筑物及高層建筑等土木工程結構的修復可謂方興未艾。與傳統修復技術比，輕質高強，耐腐蝕；施工便捷，可在有限空間施工，不需大型機具；修復費用僅為傳統修復費用的1/4左右；施工周期為1/2—1/3；可修復復雜曲面形體。將特制光纖FBG傳感器置入碳纖維聚合物復合材料中，構成智能先進復合材料。用其對損壞的橋梁等重要構筑物進行補強加固修復，不僅具有傳統修復無可比擬的優越性，而且可實現對構筑物三維局部應力、疲勞損傷進行長期實時在線監測，并及時作出評估。

　　化工環保耐腐蝕設備及玻璃鋼管道由于GRP具有優良耐腐蝕性，美國、日本在化工環保設備方面的應用已列GRP市場的3—4位。采用玻璃纖維纏繞成型不飽和聚酯與環氧樹脂基體的復合材料管道性能優異，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，進行爆破試驗，爆破壓力并沒有降低。此外，根據我的計算：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，安裝費用節省約15—50%。據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。綜合經濟效益，玻璃鋼管不僅優于普通碳鋼管而且也優于不銹鋼管。

　　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．先進復合材料與樹脂基體的最新進展中國樹脂在線

　　1．何謂先進復合材料復合材料內含的兩相材料，增強材料的強度、模量、耐溫性都遠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。這類復合材料，國際上稱為AdvancedCompositeMaterial先進復合材料ACM。

　　2．國際先進復合材料的最新進展

　　（1）20世紀80年代，Roy等人提出納米復合材料（Nanocomposite）。納米材料與技術是21世紀三大科技（信息科學技術、生命科學技術、納米科學技術）之一，而納米科學技術是前二者進一步發展的共同基礎。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。當物質尺寸<0.1μm（100nm），其常溫物理化學性質發生顯著變化，顯示出奇異特性。它的力、熱、電、光、磁、化學性質皆與傳統固相顯著不同。納米粒子一般在1—100nm。納米復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合而成的材料。分為：樹脂基納米復合材料、金屬基納米復合材料、陶瓷基納米復合材料。當前樹脂基納米復合材料當前是將無機填加劑（硅酸鹽）在聚合物基體間達到納米尺度的高度分散，其性能發生優異變化。

　　（2）先進的纖維增強熱塑性復合材料纖維增強熱塑性樹脂復合材料（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），預浸料存放環境與時間無限制等優異性能而得到快速發展。

　　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，英帝國化學公司首先開發成功聚醚砜（PES）。1977年英國又研發成功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，國外開發和應用的先進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，將其作為先進復合材料的基體。現在發達國家致力于連續纖維增強高性能熱塑性復合材料的研發。美國、德國已取得較大成果。為了進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。實驗結果，與鋁結構相比，先進復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制造了美國軍用AIW巡航導彈殼體、殼體外蒙皮、構架和頭錐等32個構件，都是用Avtel玻纖/PPS制的。美國新型殲擊機YF-22上采用大量先進熱塑性復合材料。

　　近20年來，隨著剛性、耐熱性及耐介質性能好的芳香族熱塑性樹脂基體的出現，以及具有高強度、高模量、耐高溫、耐腐蝕等優異性能碳纖維、芳倫纖維、碳氟纖維（PTFE）等高性能纖維的發展，使先進熱塑性復合材料克服了一般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域獲得越來越多的應用。美國NASP計劃開發新樹脂，使其使用溫度能達371℃。美國航天飛機軌道器采用CF/PI復合材料代替目前使用的2219鋁合金，結構耐熱能力可以從現在的177℃提高到316℃，結構重量和熱防護系統重量可減輕30%。PEEK、PPS等樹脂基復合材料還可作隱身飛機的吸波結構材料。

　　20世紀90年代中期，在經歷“挑戰者”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略的順利實施，決定開發下一代太空飛機—-空天飛機X-33，作為美國爭霸太空的利器。空天飛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，能夠直接進入低地球軌道，返回大氣層并能水平著陸。空天飛機可作為反衛星武器平臺和太空監視偵察平臺，用于快速部署或回收衛星。它具有航空與航天雙重功能和兩個空間層次作戰功能。空天飛機將是21世紀的超級空中“全能明星”。空天飛機X-33采用大量先進纖維增強復合材料，且較大部分為高性能熱塑性復合材料。如推力結構、尾翼、機身、燃料箱、電子設備艙、有效荷載艙等。復合材料用量占到了結構總量的80%以上。

　　3．國內發展概況

　　國內樹脂基復合材料自“六五”以來，經歷20多年研究與應用，以取得很大進步。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氧樹脂基體、阻燃環氧樹脂基體等。其中北京航空材料研究所研制的5428和5429高韌性BMI復合材料的CAI值分別達到260MPa和290Mpa,長期使用溫度為150℃和170℃。LP15聚酰亞胺復合材料具有無毒、工藝性優異、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性能。西北工業大學研制的4503ABMI具有良好的電性能，可制造高性能雷達罩。

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

　　對纖維增強熱塑性基體先進復合材料研究，特別是碳纖維增強聚醚砜、聚醚酮類先進復合材料的研究，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、703所、621所、中科院金屬所、化學所等單位參與研究的國家自然科學基金重大項目“復合材料微觀結構與性能研究”，對復合材料界面層的形成、控制和機理、界面微觀結構與宏觀性能、復合工藝等方面進行了創造性工作，成果處于國際先進水平。哈爾濱玻璃鋼研究院承擔了863項目中連續纖維增強熱塑性樹脂基復合材料以及中長纖維增強熱塑性片材的工藝研究課題，重點研究了連續纖維增強聚醚醚酮復合材料的熔融浸漬技術、纏繞和拉擠工藝技術。

　　目前，國內雖然形成了研究高性能熱塑性樹脂基復合材料熱潮，但多集中在短纖維增強熱塑性復合材料方面。而連續纖維增強熱塑性復合材料雖然作為后起之秀，性能上比短纖維復合材料好得多，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階段。經過業界同仁努力，相信前景將相當誘人和廣闊。

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