复合材料发展史

　　复合材料发展史 材物0801 班 潘福森 济南大学 摘要 人类在远古时代就从实践中认识到，可以根据用途需要，组合两种或多种材 料，利用性能优势互补，制成原始的复合材料。所以，复合材料既是一种新型材 料，也是一种古老的材料。复合材料的发展历史，可以从用途、构成、功能，以 及设计思想和发展研究等，大体上分为古代复合材料和现代复合材料两个阶段。 复合材料(Composite materials)，是由两种或两种以上不同性质的材料， 通过 物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互 相 取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种 不同的要求。复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有 铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳 等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉 纤维、品须、金属丝和硬质细粒等。 关键词复合材料发展历史简介先进复合材料 1.古代复合材料发展历史简介 1.1 中国古代复合材料发展状况 古代复合材料在西安东郊半坡村仰韶文化遗址，发现早在公元前 2000 年以 前，古代人已经用草茎增强土坯作住房墙体材料。中国沿用至今的漆器是用漆作 基体，麻绒或丝绢织物作增强体的复合材料，这种漆器早在 7000 年前的新石器 时代即有萌芽。1957 年江苏吴江梅堰遗址出土有油漆彩绘陶器，1978 年浙江余 姚河姆渡遗址出土的朱漆木碗，就是两件最早的漆器实物。史料记载，距今4000 多年的尧舜夏禹时期已发明漆器，用作食品和祭品。湖南长沙马王堆汉墓出土的 漆器鼎壶、盆具和茶几等，用漆作胶粘剂，丝麻作增强体。在湖北随县出土的 2000 多年前曾侯乙墓葬中，发现有用于车战的长达3 米多的戈戟和受，用木芯 外 包纵向竹丝，以漆作胶粘剂，丝线环向缠绕，其设计思想与近代复合材料相仿。 1000 多年以前，中国已用木料和牛角制弓，可在战车上放射。全元代，蒙古弓 用木材芯子，受拉面贴单向纤维，受压面粘牛角片，丝线缠绕，漆作胶粘，弓轻 巧有力，是古代复合材料中制造水平高超的夹层结构。在金属基复合材料方面， 中国也有高超的技艺。如越王剑，是金属包层复合材料制品，不仅光亮锋利，而 且韧性和耐蚀性优异，埋藏在潮湿环境中几千年，出土后依然寒光夺目，锋利无 比。 1.2 外国古代复合材料发展状况 5000 年以前，中东地区用芦苇增强沥青造船bat365正版唯一官网。古埃及墓葬出土，发现有用 名贵紫檀木在普通木材上装饰贴面的棺撑家具。古埃及修建金字塔，用石灰、火 山灰等作粘合剂，混和砂石等作砌料，这是最早最原始的颗粒增强复合材料。 但是，上述辉煌的历史遗产，只是人类在与自然界的斗争实践中不断改进而 取得的，同时都是取材于天然材料，对复合材料还是处于不自觉的感性认识阶段。 2 现代复合材料 现代复合材料 20 世纪 40 年代，玻璃纤维和合成树脂大量商品化生产以后， 纤维复合材料发展成为具有工程意义的材料，同时相应地开展了与之有关的研究 设计工作。这可以认为是现代复合材料的开始，也是对复合材料进入理性认识阶 段。 2.1 现代复合材料简介 早期发展出的现代复合材料，由于性能相对较低，生产量大，使用面广，被 称之为常用复合材料。后来随着高技术发展的需要，在此基础上又发展出性能高 的先进复合材料。常用树脂基复合材料第一次世界大战前，用胶粘剂将云母片热 压制造云母板。20 世纪初市场上有虫胶漆片与纸复合制成的层压板出售。 但真正的纤维增强塑料工业，是在用合成树脂代替天然树脂、用人造纤维代替天 然纤维以后才发展起来的。公元前，排尼基人在火山口附近发现玻璃纤维。1841 年英国人制成玻璃纤维拉丝机。第一次世界大战期间，德国人拖动脚踏车轮拉拔 玻璃纤维丝。20 世纪 30 年代，美国发明用铂柑涡生产连续玻璃纤维的技术，从 此在世界范围内大规模生产玻璃纤维，以其增强塑料制成复合材料。至60年代， 在技术上臻于成熟，在许多领域开始取代金属材料。 2.2 常用树脂基复合材料的发展历史 常用树脂基复合材料的发展历史，可按制成年份排列如下： 1910 年酚醛树脂复合材料 1928 年脉醛树脂复合材料 1938 年三聚氛胺甲醛复合材料 1942 年聚酷树脂复合材料 1946 年环氧树脂复合材料、玻璃纤维增强尼龙 1951 年玻璃纤维增强聚苯乙烯 1956 年酚醛石棉耐磨复合材料 3、先进复合材料 先进复合材料随着航天航空技术的发展，对结构材料要求比强度、比模量、 韧性、耐热、抗环境能力和加工性能都好。针对各种不同需求，出现了高性能树 脂基先进复合材料，标志在性能上区别于一般低性能的常用树脂基复合材料。以 后又陆续出现金属基和陶瓷基先进复合材料。对结构用先进复合材料，除英国外， 各技术发达国家均提出研制开发目标。如日本通商产业省制定的下一代材料工业 基础发展计划(1981 — 1988)对复合材料提出的要求:树脂基复合材料的耐热性 不 低于 250°C，拉伸强度达到 2.5GPa 以上;金属基复合材料的耐热性不低于 45°C， 拉伸强度达到1.5GPa 以上。 3・1 树脂基先进复合材料 树脂基先进复合材料:经 60 年代末期试用，树脂基高性能复合材料已用于制 造军用和民用飞机的承力结构，近年来又逐步进入其他工业领域。其增强体纤维 有破纤维、芳纶，或两者混杂使用;树脂基体主要是固化体系为120C或175C的 环 氧树脂，还有少量聚酞亚胺树脂，以适应耐热性高达250” C的要求。几种树 脂基 先进复合材料的制成年份依次排列如下： 1964 年碳纤维增强树脂基复合材料 1965 年硼纤维增强树脂基复合材料 1969 年碳/玻璃混杂纤维增强树脂基复合材料 1970 年碳/芳纶混杂纤维增强树脂基复合材料 3・2 金属基先进复合材料 金属基先进复合材料：70 年代末期发展出来用高强度、高模量的耐热纤维与 金属复合，特别是与轻金属复合而成金属基复合材料，克服了树脂基复合材料耐 热性差和不导电、导热性低等不足。金属基复合材料由于金属基体的良导电和导 热性，加上纤维增强体不仅提高了材料的强度和模量，而且降低了密度。此外， 这种材料还具有耐疲劳、耐磨耗、高阻尼、不吸潮、不放气和低膨胀系数等特点， 已经广泛用于航天航空等尖端技术领域作为理想的结构材料。金属基复合材料有 纤维和颗粒增强两大类。纤维（包括连续纤维、短纤维和晶须）增强金属基复合 材 料的综合性能较好，但工艺复杂，成本高。颗粒增强金属基复合材料可以用一 般 的金属加工工艺和设备生产各种型材，已经规模生产。 3・3 碳/碳复合材料 碳/碳复合材料：60 年代用碳纤维或石墨纤维作为增强体，以可碳化或石墨 化的树脂浸渍，或用化学气相沉积碳作为基体，制成碳/碳复合材料。70 年代初， 主要用以制造导弹尖锥、发动机喷管，以及航天飞机机翼的前缘部件等。这种材 料能在高温（可达2700°C）下仍保持其强度、模量、耐烧蚀性。现在还设法拓宽 民用领域。 3・4 陶瓷基先进复合材料 陶瓷基先进复合材料：80 年始逐渐发展陶瓷基复合材料，采用纤维补强 陶瓷基体以提高韧性。主要目标是希望用以制造燃气涡轮叶片和其他耐热部件， 但仍在发展中。 4 应用领域 复合材料的主要应用领域有：①航空航天领域。由于复合材料热稳定性好， 比强度、比刚度高，可用于制造飞机机翼和前机身、卫星天线及其支撑结构、太 阳能电池翼和外壳、大型运载火箭的verton 复合材料 壳体、发动机壳体、航天飞机结构件等。②汽车工业。由于复合材料具有特 殊的振动阻尼特性，可减振和降低噪声、抗疲劳性能好，损伤后易修理，便于整 体成形，故可用于制造汽车车身、受力构件、传动轴、发动机架及其内部构件。 ③ 化工、纺织和机械制造领域。有良好耐蚀性的碳纤维与树脂基体复合而成的 材 料，可用于制造化工设备、纺织机、造纸机、复印机、高速机床、精密仪器 等。 ④ 医学领域。碳纤维复合材料具有优异的力学性能和不吸收X 射线特性，可用于 制造医用X 光机和矫形支架等。碳纤维复合材料还具有生物组织相容性和血液相 容性，生物环境下稳定性好，也用作生物医学材料。此外，复合材料还用于制造 体育运动器件和用作建筑材料等。 5 复合材料的发展潜力和热点展望 21 世纪的高性能树脂基复合材料技术是赋予复合材料自修复性、自分解性、 自诊断性、自制功能等为一体的智能化材料。以开发高刚度、高强度、高湿热环 境下使用的复合材料为重点，构筑材料、成型加工、设计、检查一体化的材料系 统。组织系统上将是联盟和集团化，这将更充分的利用各方面的资源（技术资源、 物质资源），紧密联系各方面的优势，以推动复合材料工业的进一步发展。