復(fù)合材料的研究與進(jìn)展

1、復(fù)合材料的研究與進(jìn)展摘要：所謂復(fù)合材料，指的是由兩種或兩種以上的材料經(jīng)過復(fù)合而制備的多相材料，是一種混合物。復(fù)合材料可以由金屬材料、陶瓷材料或高分子材料等復(fù)合而成，各種材料的性能之間相互補(bǔ)充或增強(qiáng)，取長補(bǔ)短，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，從而使復(fù)合材料的整體性能優(yōu)于原組成材料。復(fù)合材料具有許多優(yōu)點，如：質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、加工成型方便、彈性優(yōu)良、耐化學(xué)腐蝕性好等。被廣泛應(yīng)用于航空航天，汽車工業(yè)，化工紡織和醫(yī)療等領(lǐng)域。關(guān)鍵詞：復(fù)合材料碳纖維復(fù)合材料一.復(fù)合材料的發(fā)展歷史早在五千年年以前，在中東地區(qū)就有用蘆葦混合瀝青來造船的技術(shù)了，在古埃及，修建金字塔時用石灰、火山灰等作粘合劑，混和砂石等作砌料，這是最早最原始的顆粒

2、增強(qiáng)復(fù)合材料。而在古代中國，復(fù)合材料的應(yīng)用則更為瑰麗廣泛，如：從西安東郊半坡村仰韶文化遺址，發(fā)現(xiàn)早在公元前2000年以前，古代人已經(jīng)用草莖增強(qiáng)土坯作住房墻體材料；中國沿用至今的漆器是用漆作基體，麻絨或絲絹織物作增強(qiáng)體的復(fù)合材料；1957年江蘇吳江梅堰遺址出土有油漆彩繪陶器，1978年浙江余姚河姆渡遺址出土的朱漆木碗，就是兩件最早的漆器實物；漢墓出土的漆器鼎壺、盆具和茶幾等，用漆作膠粘劑，絲麻作增強(qiáng)體。在湖北隨縣出土的2000多年前曾侯乙墓葬中，發(fā)現(xiàn)有用于車戰(zhàn)的長達(dá)3米多的戈戟，用木芯外包縱向竹絲，以漆作膠粘劑，絲線環(huán)向纏繞，其設(shè)計思想與近代復(fù)合材料相仿；1000多年以前，中國已用木料和牛角制弓

3、，可在戰(zhàn)車上放射；至元代，蒙古弓用木材芯子，受拉面貼單向纖維，受壓面粘牛角片，絲線纏繞，漆作膠粘，弓輕巧有力，是古代復(fù)合材料中制造水平高超的夾層結(jié)構(gòu)；在金屬基復(fù)合材料方面，如越王劍，是金屬包層復(fù)合材料制品，不僅光亮鋒利，而且韌性和耐蝕性優(yōu)異，埋藏在潮濕環(huán)境中幾千年，出土后依然寒光奪目，鋒利無比?！?】到了近現(xiàn)代，隨著高技術(shù)發(fā)展的需要，在復(fù)合材料的基礎(chǔ)上又發(fā)展出性能高的先進(jìn)復(fù)合材料。例如在第一次世界大戰(zhàn)前，用膠粘劑將云母片熱壓制成人造云母板，在20世紀(jì)初市場上有蟲膠漆片與紙復(fù)合制成的層壓板出售，但真正的纖維增強(qiáng)塑料工業(yè)，是在用合成樹脂代替天然樹脂、用人造纖維代替天然纖維以后才發(fā)展起來的。第一次世

4、界大戰(zhàn)期間，德國人拖動腳踏車輪拉拔玻璃纖維絲。20世紀(jì)30年代，美國發(fā)明用鉑柑渦生產(chǎn)連續(xù)玻璃纖維的技術(shù)，從此在世界范圍內(nèi)領(lǐng)域開始取代金屬材料?！?】到了現(xiàn)代，隨著航空航天工業(yè)汽車工業(yè)對于具有質(zhì)量輕，強(qiáng)度高，耐腐蝕等優(yōu)越性能的材料的需求，發(fā)展了比強(qiáng)度、比模量、韌性、耐熱、抗環(huán)境能力和加工性能都好的先進(jìn)復(fù)合材料。二復(fù)合材料對于國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展、工業(yè)技術(shù)變革的作用復(fù)合材料的主要應(yīng)用領(lǐng)域有：航空航天領(lǐng)域、汽車工業(yè)、化工紡織領(lǐng)域還有醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。1.航空航天領(lǐng)域運用于航天航空領(lǐng)域的復(fù)合材料具有熱穩(wěn)定性好，比強(qiáng)度、比剛度高的特性，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、大型運載火箭的

5、verton復(fù)合材料殼體、發(fā)動機(jī)殼體、航天飛機(jī)結(jié)構(gòu)件等?！?】由于復(fù)合材料的出現(xiàn)，可以有效降低航天航空業(yè)的研究發(fā)展成本，而由于先進(jìn)復(fù)合材料本身的優(yōu)越性能，也使得航天飛機(jī)飛行器等的性能有了極大改善。例如高性能碳（石墨）纖維復(fù)合材料在導(dǎo)彈、運載火箭和衛(wèi)星飛行器上就發(fā)揮著不可替代的作用，它的應(yīng)用水平和規(guī)模已關(guān)系到武器裝備的跨越式提升和型號研制的成敗。碳纖維是一種力學(xué)性能優(yōu)異的新材料，以樹脂為基體，碳纖維為增強(qiáng)體的復(fù)合材料碳纖維具有碳材料的固有本征特性，又有紡織纖維的柔軟可加工性，它的比重不到鋼的1/4，碳纖維樹脂復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度一般都在3500Mpa以上，是鋼的79倍，抗拉彈性模量為23000430

6、00Mpa亦高于鋼。因此CFRP的比強(qiáng)度即材料的強(qiáng)度與其密度之比可達(dá)到2000Mpa/(g/cm3)以上，而A3鋼的比強(qiáng)度僅為59Mpa/(g/cm3)左右，其比模量也比鋼高。碳纖維復(fù)合材料的發(fā)展推動了航天整體技術(shù)的發(fā)展。碳纖維復(fù)合材料主要應(yīng)用于導(dǎo)彈彈頭、彈體箭體和發(fā)動機(jī)殼體的結(jié)構(gòu)部件和衛(wèi)星主體結(jié)構(gòu)承力件上，碳/碳和碳/酚醛是彈頭端頭和發(fā)動機(jī)噴管喉襯及耐燒蝕部件等重要防熱材料，在美國侏儒、民兵、三叉戟等戰(zhàn)略導(dǎo)彈上均已成熟應(yīng)用，美國、日本、法國的固體發(fā)動機(jī)殼體主要采用碳纖維復(fù)合材料。在美國75%的碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于航天航空領(lǐng)域?！?】在二十一世紀(jì)人們對于地球的探索已臻完善，下一步是對太空的探索

7、，一個國家只有掌握了更高的航空航天技術(shù)，能研制出性能更優(yōu)越的航空器才能在對太空的探索中占得先機(jī)。而復(fù)合材料五一是一個很好的發(fā)展方向。2.汽車工業(yè)從全球范圍看，汽車工業(yè)是復(fù)合材料最大的用戶，可降解復(fù)合材料由于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，而受到汽車工業(yè)的青睞。復(fù)合材料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。同時復(fù)合材料在汽車中的應(yīng)用仍有極大的發(fā)展空間，例如：為降低發(fā)動機(jī)噪聲，增加轎車的舒適性，正著力開發(fā)兩層冷軋板間粘附熱塑性樹脂的減振鋼板【5】；為滿足發(fā)動機(jī)向高速、增壓、高負(fù)荷方向發(fā)展的要求，發(fā)動機(jī)活塞、連桿、軸瓦已開始應(yīng)

8、用金屬基復(fù)合材料。為滿足汽車輕量化要求，必將會有越來越多的新型復(fù)合材料將被應(yīng)用到汽車制造業(yè)中。就我國來看，汽車工業(yè)是我國經(jīng)濟(jì)的一個重要組成部分，在汽車工業(yè)方面，復(fù)合材料應(yīng)用前景廣闊，產(chǎn)生的利潤高，生產(chǎn)成本較低，可以很好的推動我國汽車工業(yè)的發(fā)展，從而促進(jìn)我國的經(jīng)濟(jì)，使我國更好更快地發(fā)展?；?、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。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，復(fù)合材料已用于制造人工心臟、人工肺及人工血管等，用人造復(fù)合材料器官挽救生命的設(shè)想將成為現(xiàn)實，而復(fù)合材料牙齒，復(fù)合材料骨骼及用于創(chuàng)傷外科的復(fù)合材料呼吸器、支架、假肢、

9、人工肌肉、人工皮膚等均有成功事例【。6】由于碳纖維復(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，在生物醫(yī)療器材方面也有著光明的應(yīng)用前景。此外，復(fù)合材料還用于制造體育運動器件和用作建筑材料等。正因為復(fù)合材料能在如此之多的產(chǎn)業(yè)中得到運用，所以復(fù)合材料的發(fā)展前景是美好的，所含有的經(jīng)濟(jì)意義也是不可忽視的，復(fù)合材料不再是單一的運用各種材料，而是有機(jī)的將各種材料結(jié)合起來，揚(yáng)其所長避其所短，這種協(xié)同作用在現(xiàn)代的材料研究中也是非常有利的。同時正因為復(fù)合材料的巨大潛力，必將推動我國的國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和引領(lǐng)一個材料風(fēng)

10、潮。三.復(fù)合材料的發(fā)展前景21世紀(jì)的高性能樹脂基復(fù)合材料技術(shù)是賦予復(fù)合材料自修復(fù)性、自分解性、自診斷性、自制功能等為一體的智能化材料。以開發(fā)高剛度、高強(qiáng)度、高濕熱環(huán)境下使用的復(fù)合材料為重點，構(gòu)筑材料、成型加工、設(shè)計、檢查一體化的材料系統(tǒng)。組織系統(tǒng)上將是聯(lián)盟和集團(tuán)化，這將更充分的利用各方面的資源(技術(shù)資源、物質(zhì)資源)，緊密聯(lián)系各方面的優(yōu)勢，以推動復(fù)合材料工業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。由材料、結(jié)構(gòu)和電子互相融合而構(gòu)成的智能材料與結(jié)構(gòu)，是當(dāng)今材料與結(jié)構(gòu)高新技術(shù)發(fā)展的方向。隨著智能材料與結(jié)構(gòu)的發(fā)展還將出現(xiàn)一批新的學(xué)科與技術(shù)。包括：綜合材料學(xué)、精細(xì)工藝學(xué)、材料仿生學(xué)、生物工藝學(xué)、分子電子學(xué)、自適應(yīng)力學(xué)以及神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)和人工智能學(xué)等。智能材料與結(jié)構(gòu)已被許多國家確認(rèn)為必須重點發(fā)展的一門新技術(shù)，成為21世紀(jì)復(fù)合材料一個重要