复合材料的发展和应用摘 要新材料的研究、发展与应用一直是当代高新技术的重要内容之一。而复合材料，特别是先进复合材料在新材料技术领域占有重要的地位，在世界各国的军用和民用领域起到了至关重要的作用，因此近年来倍受重视。本文从复合材料的定义入手，介绍了其组成分类以及发展历程，进一步介绍了聚合物基复合材料、金属基复合材料和陶瓷基符合材料的特点和性能，最后介绍了复合材料在航空航天领域、体育休闲领域以及工业领域的应用，并对高性能复合材料的发展前景提出了展望。关键词：复合材料；发展；应用 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）3.1.3 高强度、高模量纤维增强塑料高强度、高模量纤维增强塑料主要是指以环氧树脂为基体，以各种高强度、高模量的纤维(包括碳纤维、硼纤维、芳香族聚酰胺纤维和各种晶须等)作为增强材料的高强度、高模量纤维增强塑料。主要产品有碳纤维增强塑料、芳香族聚酰胺纤维增强塑料、硼纤维增强塑料及碳化硅纤维增强塑料等[8]。3.1.4 其他纤维增强塑料其他纤维增强塑料是以石棉纤维、矿棉纤维、棉纤维、麻纤维、木质纤维、合成纤维等为增强材料，以各种热塑性塑料和热固性塑料为基体的复合材料 主要产品有石棉纤维增强聚丙烯复合材料、矿物纤维增强塑料等。3.2 金属基复合材料金属基复合材料是以金属或合金为基体，以高性能的第二相为增强体的复合材料[9]。金属基复合材料的性能：比强度、比模量高；导热、导电性能好；热膨胀系数小、尺寸稳定性好；优良的高温性能；耐磨性好：良好的疲劳性能和断裂韧性；不吸潮、不老化、气密性好。金属基复合材料品种繁多，有各种分类方法，归纳为以下 3 种。按增强体类型分为颗粒增强、层状及纤维增强复合材料；按基体的类型分为铝基、镁基、锌基、铜基、钛基、镍基、耐热金属基、金属间化合物基等复合材料。3.2.1 铝基复合材料铝基复合材料是以铝、铝合金为基体，以颗粒(晶须)、纤维为增强体的金属基复合材料。铝基复合材料包括颗粒(晶须)增强铝基复合材料和纤维增强铝基复合材料两类，产品主要有碳纤维增强铝合金复合材料、SiC 颗粒(晶须)增强铝基复合材料、Bf/Al、Cf/Al、SiCf/Al、Al2O3/Al 和不锈钢丝/Al、氧化铝纤维增强铝基复合材料、硅酸铝短纤维增强 6061 铝复合材料等。7 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）3.2.2 钛基复合材料钛基复合材料是以钛及钛合金为基体，以颗粒及连续纤维为增强体的金属基复合材料。钛基复合材料主要分为颗粒增强钛基复合材料和连续纤维增强钛基复合材料两大类，主要产品有 SiC 颗粒增强钛基复合材料、TiC 颗粒增强钛基复合材料、SiC 纤维增强钛基复合材料、金属纤维增强钛基复合材料等。钛基复合材料具有比钛合金更高的比强度、比模量，极佳的耐疲劳和抗蠕变性能和优异的高温性能和耐蚀性能，克服了原钛合金耐磨性和弹性模量低等缺点，可减少废料和降低成本。它可用作高温、高压、酸、碱、盐等条件下的结构材料，被认为是一种很有希望的新材料。3.2.3 镁基复合材料镁基复合材料是以 C 纤维、Ti 纤维、B 纤维、A12O3短纤维、SiC 晶须、B4C 颗粒、SiC 颗粒和 A12O3颗粒为增强体，以镁合金为基体(因纯镁强度较低、性能不高，不适于作为镁基复合材料的基体)的金属基复合材料。其主要产品有 SiC(晶须、颗粒)增强镁基合金复合材料、硼的长纤维增强镁合金基复合材料。镁基复合材料的密度仅为铝基复合材料的 66%，是密度最小的金属基复合材料，而且具有更高的比强度和比刚度以及优良的力学和物理性能，在新兴高新技术领域的应用潜力比传统金属材料和铝基复合材料更大。3.3 陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料具有熔点高、密度低、抗氧化、耐高温、耐磨损等特点。但陶瓷材料的抗弯曲度不高、断裂韧性低，这限制了其作为结构复合材料使用。陶瓷基复合材料与其他复合材料相比发展仍较缓慢，主要原因一是制备工艺复杂，二是缺少耐高温的纤维。陶瓷基复合材料的分类方法也很多，常见的分类方法有以下几种。按材料作用分类有结构陶瓷及功能陶瓷复合材料：按增强材料形态分为颗粒增强8 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）陶瓷、纤维(晶须)增强陶瓷及片材增强陶瓷复合材料：按基体材料分为氧化物基陶瓷复合材料、非氧化物基陶瓷复合材料、微晶玻璃基复合材料、碳/碳复合材料。主要的产品有颗粒强化 Al2O3。基复合材料、晶须强化 A12O3基复合材料、ZrO2基复合材料、SiC 陶瓷基复合材料、Si3N4陶瓷基复合材料等。9 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）第四章 复合材料的应用及发展前景4.1 航空航天领域的应用以航空航天领域为代表的军用领域历来是先进复合材料重要的传统的应用领域。由于复合材料具有比强度高，比刚度高，耐腐蚀疲劳性能好，可设计性强等一系列独特的优点，在各种武器装备上的轻量化、小型化和高性能化上起到了无可代替的至关重要的作用，使之成为飞机、导弹、火箭、人造卫星、舰船、兵工武器等结构上不可或缺的战略材料和技术。先进复合材料 30 多年的应用历史证明了其优异的使用性能，在各种飞机上的应用日渐扩大。各种军用机和直升机上的应用已多有叙述，目前两个突出的亮点是在大型民用机和无人机上的应用。欧洲的空客集团正在研制超大型客机 A380，该机的机翼，包括中央翼和部分外翼，垂直尾翼和水平尾翼，地板梁和后承压框、各种整流罩等多由碳纤维复合材料制成，特别是机身壁板计划大规模采用名为 Glare 的超混杂复合材料层板。据说仅碳纤维复合材料就用了 30 多吨，复合材料用量占结构总质量的 16%左右，远远超过美国 B777 的应用水平，开创了大型民用机上大规模应用复合材料的先河。为此欧洲已全面启动了发展应用的预研工作，2002 年已开始了复合材料件的生产和制造，2004 年首飞，2006 年将交付航线使用。随着通用航空技术的发展，复合材料在各种轻型飞机上应用亦会有明显的增长。在该领域，特别是在各种轻型飞机的拥有数量和使用上国内与国外有较大的差距，因而也存在着较大的发展空间，预计这将会给复合材料的应用提供一个新的机遇。10 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）4.2 体育休闲领域的应用体育休闲用品领域复合材料的应用开发较早，目前仍有稳定的市场和需求，大约占有 30%以上的市场份额。其中高尔夫球杆、网球拍和钓鱼杆是其三大支柱产品，约占该领域产品的 80%以上。其次则有复合材料自行车、赛艇、赛车、弓箭、滑雪板、杆以及乐器外壳等。我国的台湾号称“复合材料体育用品王国”，曾在该领域处于领先地位，不过近期已有逐步向大陆转移的趋势。转移过来的企业多分布在我国东南沿海一带，经几年的发展均已有了一定的规模。该应用领域近期亦会有所发展，如不久前在美国拉斯维加斯举办的世界自行车展会上，有许多自行车零件由复合材料制成。但该领域的产品质量要求越来越高，制作要求越来越精细，市场竞争亦日趋激烈。4.3 工业领域的应用4.3.1 基础设施领域基础设施主要指房屋、桥梁、隧道及其相关的混凝土工程等，复合材料可以多种形式用于该领域中,目前应用最广的是以包缠料、层压板等形式用于基础设施的修复、更新和加固上。国内该方面的工作开展得亦较好，冶金部建筑研究总院工程结构研究所等单位最早进行了该项技术的研究和推广应用，从材料、工艺到规范国内均已解决了应用的问题，据知现已修复、加固了几百个工程项目，仅此一项国内碳纤维年耗量已达 200 多吨。台湾、香港亦不同程度地开发了此项技术，并均有不同程度的应用，特别是台湾“9．21”大地震后的修复工作使得该项技术更是有了用武之地。4.3.2 汽车领域复合材料用于汽车代替钢件有 40％或以上的减重潜力，以前限于复合材料成本较高，应用进展一直不如人意。但近年来随大丝束纤维出现、RTM 等11 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）低成本工艺发展，汽车上复合材料的应用呈良好发展势头，预计近期会有较大发展。赛车上已开始大量应用复合材料，电动汽车的主体结构以及储能飞轮等亦必须用到复合材料。环保汽车上的压缩天然气瓶为减重起见亦多用先进复合材料制成，有前景的是铝内胆加上碳纤维缠绕制成，北京航空制造工程研究所等单位已开发出此种产品。应该指出的是汽车不同于飞机，是典型的量大面广的产品，单车上只要用到少量的复合材料制件，总用量就非常可观，因此汽车领域的应用必将是复合材料潜在的应用大户之一[10]。4.3.3 沿海油气田的应用树脂基复合材料实质上是一种增强塑料，其耐腐蚀的独特优点越来越受到人们的青睐，在岸基和沿海油气田领域获得了日益广泛的应用。先进复合材料在该领域主要用在沿海油田的钻井平台上，如护栏、扶手、通道、竖井等部位，油田的抽油杆以及各种管道系统、油箱和油罐等。设备的不腐蚀减少了修理、维护和更换程序，降低了使用周期成本。此外减重、改进安全性、便于现场安装等优点也带来了一定的经济效益，形成了复合材料另一个较有前途的应用市场。4.3.4 其他领域的应用防弹产品领域，包括防弹头盔、防弹服、防弹运钞车和防弹汽车等；电子工业领域，包括各种反射面天线、印刷电路板、壳架等；生物工程和人体医学领域，包括人造关节、骨骼、CT 扫描床板等；地铁车辆、高速列车箱体；发热材料和电热用品以及机械制造工业等复合材料产品多种多样，层出不穷，充分体现了其应用多元化的趋势和特点。4.4 高性能复合材料的发展前景目前，复合材料已经与金属、无机非金属、高分子并列为四大材料。复12 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）合材料的产量与其他结构材料相比仍很少，复合材料还有很大的发展余地。1.在解决资源和能源短缺方面。复合材料可用于制造风力发电机的叶片和塔身、太阳能发电电池支架、核电发电机的转子及潮汕发电装置等。在建筑业方面。从节约资源的角度，一是可提高使用寿命；二是复合材料可根据结构的力学需要来进行设计和整体净形制造，起到节约能源、原材料和加工中的各种消耗。例如高强纤维增强混泥土可有效扼制开裂。碳纤维/环氧复合材料在修复基础设施方面是最经济有效的方案等；2.在信息服务领域复合材料也将占一席之地。例如，复合材料可用于制造集成电路的基板、电磁屏蔽罩、板，通讯光缆的缆芯和保护套管、敏感元件等；3.在军事领域方面，复合材料仍是重要的材料。如高性能复合材料可实现军用飞机的隐身效果，碳复合材料的耐高温抗烧蚀性是各种材料之冠，可用于制造导弹的再入鼻锥和发动机喷管。复合材料在军事上的用途很广，在常规武器上也可应用。13 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业论文（论文）参考文献[1] 胡保全.先进复合材料.北京：国防工业出版社，2006 年 6 月. [2] 周曦亚.复合材料.北京：化学工业出版社，2004 年.[3] 杨左.复合材料工业应用与发展动向. 新材料产业.2009：17-18.[4] 翁蕾.高性能碳纤维的生产和应用. 印染助剂，2006.[5] 李振西.离心泵汽蚀的原因及防治措施.科技信息，2009（6）：367.[6] 付锴.复合材料在北京地铁 5 号线接触轨系统中的应用.铁道标准设计，2007.[7] 杨富强.客车轻量化概述，客车技术，2006（12）：40.[8] 宋焕成.聚合物基复合材料.北京：国防工业出版社，1990 年.[9] 陈绍杰.先进复合材料的民用研究与发展. 材料导报，2000 年.[10] 赵渠森.先进复合材料手册. 北京：机械工业出版社.2003 年.14 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）目 录第一章 引 言............................................................1第二章 复合材料概述..................................................22.1 复合材料定义..........................................................................................22.2 复合材料的组成......................................................................................22.3 复合材料分类..........................................................................................22.4 复合材料的性能......................................................................................32.5 复合材料的发展历程..............................................................................3第三章 复合材料的分类...............................................53.1 聚合物基复合材料..................................................................................53.1.1 玻璃纤维增强热塑性塑料......................................................53.1.2 玻璃纤维增强热固性塑料......................................................53.1.3 高强度、高模量纤维增强塑料................................................53.1.4 其他纤维增强塑料................................................................53.2 金属基复合材料......................................................................................63.2.1 铝基复合材料......................................................................63.2.2 钛基复合材料......................................................................63.2.3 镁基复合材料......................................................................63.3 陶瓷基复合材料......................................................................................7第四章 复合材料的应用及发展前景..................................8ii 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）4.1 航空航天领域的应用..............................................................................84.2 体育休闲领域的应用..............................................................................84.3 工业领域的应用......................................................................................94.3.1 基础设施领域......................................................................94.3.2 汽车领域............................................................................94.3.3 沿海油气田的应用................................................................94.3.4 其他领域的应用.................................................................104.4 高性能复合材料的发展前景................................................................10参考文献..............................................................11 iii 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）第一章 引 言随着国民经济的迅速发展以及各种新技术、新产业的出现，对具有各种不同性能的工程材料的需求越来越广泛，单一的材料或受自然资源的局限，或因综合性能不足，其应用领域受到极大地限制，在这种情况下，复合材料的研制、生产和应用越来越显示出其重要的地位。材料的复合是材料发展的必然规律，随着各种高新技术的进步。不断地向材料提出更高的要求。由于复合材料是把金属、无机非金属、高分子等材料组合起来的一种多相材料，它的设计自由度很大，不仅可在组分选择上调整，还可以改变各组分的体积百分数以满足所需的性能要求，使复合材料具有轻质高强以及其他优越的综合性能及复合效应。复合材料的上述特点，使其在高技术领域，如航天、航空、信息等产业中得到了广泛的应用。复合材料产品也将在越来越多的领域显示出其广阔的应用前景和巨大的经济效益和社会效益[1]。以碳纤维增强树脂基复合材料为代表的先进复合材料自 20 世纪 60 年代中期问世之初，主要用于航空航天领域，可占 70%～80%的份额。但近年来迅速扩展成航空航天、体育休闲用品和工业应用等三大领域。目前航空航天等军用领域只占 20%～25%的应用份额，体育休闲用品大约占有 30%左右的份额，近年来发展较快的是各种工业应用领域，大约占有近 50%左右的份额。先进复合材料技术是典型的军民两用技术，高技术向民用转移已是世界普遍的潮流，各种工业领域应用的迅速发展正体现了其多元化发展的趋势和特点。复合材料不仅具有比强度高、比刚度大和重量轻等独特优点，而且还具有能和机械、电子等学科进行交叉，开发出可设计性材料结构的潜力，其应用领域不断扩大，已由早期单一的军事领域拓展到民用、交通、工业装置、1 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）航空航天、体育、娱乐等领域。在纤维材料，基体材料，预制件生产技术，表面处理技术等方面发展很快。但复合材料构件的成本远高于铝合金构件，高成本已经成为其更广泛应用的障碍。纺织复合材料低成本制造技术显得越来越重要。可以预见，不久的将来复合材料研究生产工作将以降低制造成本为核心展开。第二章 复合材料概述2.1 复合材料定义复合材料是由两种或两种以上的不同性能、不同形态的组分材料、通过复合工艺组合而成的一种多相材料、它既保持了原组分材料的主要特点，又显示了原组分材料所没有的新性能。《材料大词典》中定义为：复合材料是由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料，它既能保持原组分材料的主要特色，又通过复合效应获得原组分所不具备的性能[2]。2.2 复合材料的组成复合材料由增强相(增强体)、基体相(基体)和界面相组成。连续的基体称为基体相，具有支撑和保护增强相的作用。基体相在制造前形状有薄片、粉末、块体或无定形的流体，其状态可以是固态、气态、熔融态或半固一半液态。在与增强相固结后，成为包裹增强相的连续体。被基体包容的基体称为增强相，增强相是指复合材料的主要承载相，也称为增强体或分散相。其具有较高的强度、模量、硬度和脆性，在复合材料中呈分散形式，形态为细丝(连续的或断切的)、薄片或颗粒状。2 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）增强相和基体相之间的交界面为复合材料的第三相，称为界面相。界面相为增强体和基体之间的结合面，其化学成分和力学性质与增强体和基体有明显的区别，能够在相邻两相之间传递载荷。其厚度通常在亚微米以下，界面的特征对复合材料的性能、破坏行为及应用效能有很大的影响。2.3 复合材料分类复合材料的分类方法很多。常见的有以下几种：1.按增强体的几何形态分类：连续纤维增强复合材料、短纤维复合材料颗粒增强复合材料、薄片增强复合材料。2.按增强纤维种类分类：玻璃纤维复合材料、碳纤维复合材料、有机纤维复合材料、金属纤维复合材料、陶瓷纤维复合材料。3.按材料使用功能分类：结构复合材料、功能复合材料4.按增强体和基体的材质分类：同质复合材料、异质复合材料。5.按基体材料分类：金属基复合材料和非金属基复合材料．非金属基复合材料又分为两类：聚合物基复合材料和陶瓷基复合材料。2.4 复合材料的性能复合材料能保留原组分材料的主要性能，并可通过复合效应获得原组分材料所不具备的性能，还可通过材料设计使组分的性能相互补充并彼此关联，从而获得新的性能[3]。复合材料的性能取决于增强体和基体材料的种类、性能、含量和分布，包括：增强体的性能和它们的表面物理、化学状态：基体的结构和性能；增强体的配置、分布和体积含量。复合材料的性能还取决于复合材料的制造工艺条件、复合方法、零件几何形态和使用环境条件。因此，不论哪一类复合材料，就是同一种复合材料的性能也不是一个定值。3 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）2.5 复合材料的发展历程材料科学的发展经历了天然材料、无机非金属材料、金属材料、有机合成材料、复合材料这 5 个阶段[4]。其中，无机非金属材料主要包括陶瓷材料、玻璃材料、无机非金属涂层材料等。此类材料一般耐高温、抗腐蚀，有些材料还有独特的光电特性。硅酸盐材料主要指水泥、玻璃、陶瓷等，是传统的无机非金属材料。而半导体材料、超硬耐高温材料、发光材料等是新型无机非金属材料。复合材料最早的原型，可追溯到 2000 多年前中国祖先，曾采用黏性泥浆中加入稻草做成土坯建造房子这一实例。这实际上表明祖先们已使用稻草纤维增强黏土的复合材料。自然界中，许多天然材料都可看作是复合材料。树木、竹子是由纤维素和木质素复合而成的。纤维素抗拉强度大，但刚性小，比较柔软，而木质素则把众多的纤维素粘结成刚性体。动物的骨骼是由硬而脆的磷酸盐和软而韧的蛋白质骨胶组成的复合材料。人类很早就仿效天然复合材料，在生活和生产中制成了初期复合材料。例如在建筑房屋时，人们将麦秸或稻草掺入泥浆中以增强泥土的强度；在现代建筑上大量使用的混凝土，特别是钢筋混凝土制成的复合材料等等。近代复合材料的发展是从 1932 年玻璃纤维增强塑料问世开始的。上世纪30 年代末期，美国因航空通讯的需要，发展了一种玻璃纤维与合成树脂结合的复合材料。不过一般人公认的复合材料起源于 1942 年，美国一家公司发明玻璃钢[5]。玻璃钢材料实际上是一种玻璃纤维强化高分子材料而形成的一种复合材料，它是将玻璃纤维织网浸于芳基酯系非饱和聚酯树脂中，然后将含浸织网叠起来，施以固化处理后，十分意外地得到了一种性能上过去从未达到的高弹性率，高强度的树脂板。从此，在全世界范围内激发了研究复合材料的热潮。4 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）一般可把复合材料的发展分为三个阶段。第一阶段，即发现了玻璃钢复合材料，1942 年研制成功，20 世纪 60 年代工业化生产。第二阶段，第二代复合材料碳纤维增强塑料复合材料，此阶段 10 年一个台阶，即 20 世纪 60 年代开始研制，70 年代进入提高阶段，80 年代进入推广应用阶段。第三阶段，出现纤维增强金属基复合材料阶段，即进入先进复合材料发展阶段。制造出比原先的复合材料具有更高的优异性能的复合材料，包括各种高性能的增强剂(纤维等)与耐高温性好的热固性、热塑性树脂基体所构成的高性能树脂复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料、玻璃基复合材料、碳基复合材料。这些先进的复合材料已在结构件、能源技术、信息技术和高技术生物工程诸多方面获得了广泛的应用。5 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）第三章 复合材料的分类3.1 聚合物基复合材料凡是以聚合物为基体的复合材料统称为聚合物基复合材料。聚合物基复合材料的性能比强度、比模量高、耐疲劳性能好、破损安全性能高、阻尼减振性好、具有多种功能性、良好的加工工艺性、各向异性和性能的可设计性。但聚合物基复合材料的缺点是工艺方法的自动化，机械化程度低，材料性能的一致性和产品质量的稳定性差，质量检测方法不完善，长期耐高温和环境老化性能不好[6]。聚合物基复合材料是一个很大的材料体系，该体系的分类具有多种不同的划分标准，按增强纤维的种类可分为：玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维及其他纤维增强聚合物基复合材料；按基体的性能可分为通用型、耐化学介质腐蚀型、耐高温型、阻燃型聚合物基复合材料；最能反映聚合物基复合材料本质的是按聚合物基体的结构形式来分类．分为热固性树脂、热塑性树脂及橡胶基复合材料。3.1.1 玻璃纤维增强热塑性塑料玻璃纤维增强热塑性塑料是指玻璃纤维（包括长纤维和短纤维)作为增强材料，热塑性塑料为基体的纤维增强塑料[7]。主要产品有玻璃纤维增强聚丙烯、玻璃纤维增强聚酰胺、玻璃纤维增强聚苯乙烯类塑料、玻璃纤维增强聚碳酸酯、玻璃纤维增强聚酯、玻璃纤维增强聚甲醛和玻璃纤维增强聚苯醚。3.1.2 玻璃纤维增强热固性塑料玻璃纤维增强热固性塑料是指玻璃纤维作为增强体，热固性塑料为基体的纤维增强塑料，俗称玻璃钢。主要产品有 3 类，即聚酯玻璃钢、环氧玻璃钢、酚醛玻璃钢。6