1、新型復(fù)合材料的發(fā)展和使用復(fù)合材料是應(yīng)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展而涌現(xiàn)出的一類(lèi)具有極大生命力的新材料，它們均由兩種或兩種以上物理和化學(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì)組合起來(lái)而得到的一種多相固材料。復(fù)合材料區(qū)別于單一材料的顯著特征是材料性能的可設(shè)計(jì)性，即經(jīng)過(guò)選擇性設(shè)計(jì)和加工，通過(guò)各組分性能間的相互補(bǔ)充，可獲得新的優(yōu)良性能。生活中有許許多多的復(fù)合材料，傳統(tǒng)的復(fù)合材料有鋼筋混凝土，玻璃鋼魚(yú)竿、一體 成型的鞋子、用于開(kāi)關(guān)絕緣的合成樹(shù)脂等。新型復(fù)合材料是具有更高性能的材料，具有 比強(qiáng)度高、比模量高、密度低等，它包括用碳、芳綸、陶瓷等纖維和晶體等高性能增強(qiáng) 體和耐熱性好的熱固性和熱塑性樹(shù)脂基構(gòu)成的高性能聚合物復(fù)合材料。人類(lèi)在遠(yuǎn)古時(shí)代

2、就從實(shí)踐中認(rèn)識(shí)到，可以根據(jù)用途需要，組合兩種或多種材料，利用性能優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，制成原始的復(fù)合材料。所以，復(fù)合材料既是一種新型材料，也是一種古老的材料。復(fù)合材料的發(fā)展歷 史，可以從用途、構(gòu)成、功能，以及設(shè)計(jì)思想和發(fā) 展研究等，大體上分為古代復(fù)合材料和現(xiàn)代復(fù)合材料兩個(gè)階段。古代復(fù)合材料在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。在金屬基復(fù)合材料方面， 中國(guó)也有高超的技藝。 最具代表性的如越王劍， 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?xún)?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(wú)比。5000年以前，中東地區(qū)用蘆葦增強(qiáng)

3、瀝青造船。古埃及墓葬出土，發(fā)現(xiàn)有用名貴紫檀木在普通木材上裝飾 貼面的棺撐家具。古埃及修建金字塔，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增強(qiáng)復(fù)合材料。 但是，上述輝煌的歷史遺產(chǎn)，只是人類(lèi)在和自然界 的斗爭(zhēng)實(shí)踐中不斷改進(jìn)而取得的，同時(shí)都是取材于天然 材料，對(duì)復(fù)合材料還是處于不自覺(jué)的感性認(rèn)識(shí)階段。到了 19世紀(jì)，兩次工業(yè)革命的進(jìn)行，天然聚合物的性能已經(jīng)不能滿(mǎn)足工業(yè)發(fā)展對(duì)材料性能的需要。工業(yè)革命的進(jìn)行、經(jīng)濟(jì)實(shí)力的迅速發(fā)展，帶動(dòng)科學(xué)技術(shù)巨大發(fā)展， 不同于天然材料的現(xiàn)代復(fù)合材料應(yīng)運(yùn)而生。而真正現(xiàn)代意義上的復(fù)合材料最早出現(xiàn)在 1847年。許許多多的科學(xué)家為復(fù)合材料的發(fā)展做出了重大

4、貢獻(xiàn)。1847年瑞典化學(xué)家Berzelius，這位現(xiàn)代化學(xué)的奠基人之一，首次在實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了 飽和聚酯。1894年Vorlander在實(shí)驗(yàn)室著手對(duì)乙二醇馬來(lái)酸的研究工作，成為記錄在案最早的一位研究不飽和聚酯樹(shù)脂的化學(xué)家。1920年先鋒人物 Wallace Carothers開(kāi)始對(duì)乙二醇和不飽和脂肪酸合成的聚酯的研究 工作。1922年首個(gè)聚酯樹(shù)脂被研發(fā)成功。1930年末 研究人員Bradley，Kropa和Johnson三人共同研究不飽和聚酯的固化情況， 在報(bào)告中提高，固化后，它們可以分為可熔性和不可溶性(熱固性)。1935年歐文斯科寧(Owe ns Corni ng )首次引入玻璃纖維1941年

5、不飽和聚酯首次投入美國(guó)的壓鑄商業(yè)市場(chǎng)1942年美國(guó)橡膠公司開(kāi)發(fā)出玻璃纖維增強(qiáng)聚酯樹(shù)脂作為基體的復(fù)合材料。1946年船艇制造商開(kāi)始意識(shí)到纖維增強(qiáng)復(fù)合材料為整個(gè)工業(yè)帶來(lái)了何種變革，在這年中首個(gè)復(fù)合材料船身的游艇在美國(guó)建成，還首次引入了冷固化系統(tǒng)。1950年早期閉模工藝開(kāi)發(fā)完成1951年中期不飽和聚酯樹(shù)脂在歐洲投入商業(yè)化生產(chǎn) 1963年碳纖維增強(qiáng)材料引入市場(chǎng)過(guò)20世界60年代末期使用，樹(shù)脂基高性能復(fù)合材料被用于飛機(jī)的承力結(jié)構(gòu)，后又逐漸進(jìn)入工業(yè)其他領(lǐng)域。70年代末期發(fā)展出了用高強(qiáng)度、高模量的耐熱碳纖維和陶瓷 纖維和金屬?gòu)?fù)合，特別是魚(yú)輕金屬?gòu)?fù)合，形成了金屬基復(fù)合材料，克服了樹(shù)脂基復(fù)合材 料耐熱性差、導(dǎo)熱

6、性低等缺點(diǎn)，已廣泛使用于航空航天等高科技領(lǐng)域。80年代開(kāi)始，逐漸出現(xiàn)了陶瓷復(fù)合材料。復(fù)合材料因其具有可設(shè)計(jì)的特點(diǎn)受到廣泛的重視，因而發(fā)展 極快。目前全世界復(fù)合材料的年產(chǎn)量已達(dá)550多萬(wàn)噸，年產(chǎn)值達(dá)1300億美元以上，若將歐、美的軍事航空航天的高價(jià)值產(chǎn)品計(jì)入，其產(chǎn)值將更為驚人。從使用上看，復(fù)合材 料在美國(guó)和歐洲主要用于航空航天、汽車(chē)等行業(yè)。2000年美國(guó)汽車(chē)零件的復(fù)合材料用量達(dá)14.8萬(wàn)噸，歐洲汽車(chē)復(fù)合材料用量到2003年估計(jì)可達(dá)10.5萬(wàn)噸。而在日本，復(fù)合材料主要用于住宅建設(shè)，如衛(wèi)浴設(shè)備等，此類(lèi)產(chǎn)品在2000年的用量達(dá)7.5萬(wàn)噸，汽車(chē)等領(lǐng)域的用量?jī)H為2.4萬(wàn)噸。纖維復(fù)合材料是當(dāng)今世界發(fā)展最快運(yùn)

7、用最多的新型多功能復(fù)合材料，其中碳纖維以?xún)?yōu)良的性能而使用最多。碳纖維密度小、耐酸、熱膨脹系數(shù)小，具有良好的耐高溫蠕變 性能，而且碳纖維根據(jù)力學(xué)性能不同而有多種分類(lèi)，如高強(qiáng)型、高模量型等分別用于不 同場(chǎng)所。F1中復(fù)合材料的使用1950年初，主流的F1賽車(chē)底盤(pán)主要由鋁合金制造。隨著二戰(zhàn)開(kāi)發(fā)成功的玻纖增強(qiáng)樹(shù)脂由于能廉價(jià)生產(chǎn)，開(kāi)始得到廣泛使用，并逐步替代了鋁合金，這種狀況一直持續(xù)到 1980年。最早的真正意義上的復(fù)合材料底盤(pán)是cooper車(chē)隊(duì)在20世紀(jì)60年代早期開(kāi)發(fā)的，以“切割一折疊”的方法，將鋁合金外殼和蜂窩狀鋁合金內(nèi)核和玻璃鋼的內(nèi)殼用樹(shù)脂粘合在一起。雖然這部車(chē)沒(méi)有真正上過(guò)賽道，但它確是后20年F

8、1底盤(pán)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)業(yè)內(nèi)公認(rèn)碳纖維復(fù)合材料底盤(pán)首先由麥克勞倫車(chē)隊(duì)在1980年引入，雖然蓮花車(chē)隊(duì)對(duì)此頗有爭(zhēng)議，但在隨后的1981年賽季，該底盤(pán)以其優(yōu)異的機(jī)械性能、自重輕、修補(bǔ)高效和方便獲得了廣泛認(rèn)同。在1981年意大利大獎(jiǎng)賽中麥克勞倫車(chē)隊(duì)的約翰一沃特僧由于賽車(chē)失控，劇烈撞擊了保護(hù)墻，然而他毫發(fā)無(wú)傷地走出來(lái)，徹底打消了人們對(duì)碳纖維復(fù)合材料底盤(pán)承受高應(yīng)力負(fù)載的懷疑。2007年加拿大站庫(kù)比卡的賽車(chē)以超過(guò) 300km/h的速度撞到防護(hù)墻，賽車(chē)被彈到空中掉落翻滾在賽道的另一頭從，賽車(chē)基本粉碎，可是座 艙保持完好，車(chē)內(nèi)的庫(kù)比卡事后檢查只是扭傷了腳踝，竟然沒(méi)耽誤下一次的比賽。由此 可見(jiàn)，碳纖維復(fù)合材料在F1中所表

9、現(xiàn)出的優(yōu)異性能。 現(xiàn)在，除了底盤(pán)，變速箱，懸掛， 剎車(chē)等都可以采用碳纖維復(fù)合材料。 現(xiàn)代F1賽車(chē)約85%體積和30%的質(zhì)量都是碳纖維 復(fù)合材料。碳纖維復(fù)合材料的能量吸收特點(diǎn)對(duì)提高賽車(chē)運(yùn)動(dòng)的安全性做出了很大貢獻(xiàn)。現(xiàn)在，不僅專(zhuān)業(yè)比賽中的汽車(chē)使用高性能復(fù)合材料，許多民用汽車(chē)也開(kāi)始使用復(fù)合材料，許多跑車(chē)為追求加速性能，不得不降低整車(chē)質(zhì)量，這使復(fù)合材料低密度這一特性便有了很大用處。全碳車(chē)身的帕加尼Zonda R超級(jí)跑車(chē)，摸上去手感和塑料差不多，卻有著鋼鐵一般強(qiáng)度和韌性的碳纖維組件，不僅能夠幫助整車(chē)有效減重，更由于其昂貴的特性而變成奢華的象征。以法拉利、蘭博基尼、帕加尼等為代表的意大利超級(jí)跑車(chē)想必 大家非

10、常熟悉，為了追求輕量化，由于制造過(guò)程幾乎不計(jì)成本，所以在車(chē)上大規(guī)模使用碳纖維組件甚至整車(chē)使用碳纖維材料。奔馳嘗試使用碳纖維材料作為潰縮區(qū)域，首先在SLR McLaren上得到了使用。呈尖塔狀的碳纖維潰縮柱由無(wú)數(shù)根粗壯的碳纖維經(jīng)過(guò)編織而成，雖然結(jié)構(gòu)依舊無(wú)比堅(jiān)硬，但 是在設(shè)計(jì)上讓它能夠在正面碰撞時(shí)破碎成無(wú)數(shù)細(xì)小的碎片，來(lái)吸收大量的能量，并且碎 片不會(huì)對(duì)人造成傷害，這一點(diǎn)非常類(lèi)似于汽車(chē)鋼化玻璃的破碎原理。目前碳纖維材料在民用量產(chǎn)汽車(chē)，尤其是中檔產(chǎn)品使用也十分廣泛，很多廠(chǎng)商也已 經(jīng)開(kāi)始提供碳纖維材料的小組件，如后視鏡殼、內(nèi)飾門(mén)板、門(mén)把手、排擋桿、賽車(chē)座椅、空氣套件等，同時(shí)可以原裝位安裝到發(fā)動(dòng)機(jī)艙的風(fēng)箱

11、、進(jìn)氣歧管等碳纖維改裝件也是品 種繁多。在飛機(jī)中的使用2013年6月2日上午，中國(guó)首架波音787夢(mèng)想飛機(jī)”抵達(dá)廣州白云機(jī)場(chǎng)，這一噴繪 著 夢(mèng)想之翼”涂裝的787飛機(jī)從此將加入南航機(jī)隊(duì)。南航成為中國(guó)首家、全球第10家接收787夢(mèng)想飛機(jī)的航空公司。波音 787擁有多項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新，其中最引人注目的是波 音787機(jī)體結(jié)構(gòu)的50%都用更輕、更堅(jiān)固的碳纖維合成材料代替鋁合金，是第一款以 碳纖維合成物為主體材料的民用噴氣式客機(jī)，也是是迄今為止復(fù)合材料用量最多的一個(gè) 機(jī)型：其機(jī)身、機(jī)尾翼采用碳纖維層合結(jié)構(gòu)；而升降舵、方向舵卻保留了過(guò)去采用的碳 纖維夾芯結(jié)構(gòu)；發(fā)動(dòng)機(jī)艙除受力大的發(fā)動(dòng)機(jī)吊架外均采用碳纖維夾芯結(jié)構(gòu)；整

12、流罩采用玻璃纖維夾芯結(jié)構(gòu)。在使用復(fù)合材料方面，空中客車(chē) A380在研制中使用了創(chuàng)新的 GLARE （玻璃纖維增 強(qiáng)鋁材料）材料，和傳統(tǒng)鋁材料相比，重量輕、強(qiáng)度高、抗疲勞特性好，維修性能和使 用壽命也得到大大改善，不需要特別的加工工藝。飛機(jī)約25%由高級(jí)減重材料制造，其中22%為碳纖維混合型增強(qiáng)塑料（CFRP）, 3%為首次用于民用飛機(jī)的 GLARE纖維-金屬板。空中客車(chē)A380首次采用了復(fù)合材料碳纖維制成的連接機(jī)翼和機(jī)身的中央翼盒。 此外，空中客車(chē) A380還首次在后壓力艙后部的后機(jī)身采用了 復(fù)合材料。被叫做空中巨 無(wú)霸的大型客機(jī)空客 A380，約有25%由先進(jìn)輕質(zhì)復(fù)合材料制造，其中 22%為

13、碳、玻璃 或者石英纖維增強(qiáng)塑料，3%為GLARE（一種玻璃纖維一鋁層壓板）材料。高鐵意大利ETR500高速列車(chē)的車(chē)頭前突部分采用的是芳綸纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂的FRP,具有優(yōu)異的抗沖擊能力，當(dāng)列用這種材料模型成型的符合空氣動(dòng)力學(xué)線(xiàn)型要求的車(chē)頭， 車(chē)以300 km/h速度行駛時(shí)有很好的尺寸穩(wěn)定性法國(guó)國(guó)營(yíng)鐵路公司（SNCF）認(rèn)為對(duì)于未來(lái)的 TGV高速列車(chē)，考慮到迫切需要進(jìn)步減輕車(chē)體質(zhì)量，采用碳和玻璃纖維強(qiáng)化環(huán)氧樹(shù)脂包覆發(fā)泡蜂窩材料芯，制造雙層掛車(chē)，并進(jìn)行線(xiàn)路運(yùn)行試驗(yàn)，對(duì)其耐火性、抗沖擊強(qiáng)度等進(jìn)行運(yùn)行測(cè)試，結(jié)果表明：?復(fù)合材料車(chē)體的制造工藝是有效的，它比鋁制或鋼制車(chē)體的強(qiáng)度大，用碳纖維復(fù)材預(yù)計(jì)可比鋁制車(chē)的

14、質(zhì)量減少 25 % ； ?復(fù)合材料車(chē)體在振動(dòng)性能、透聲性能和絕熱性 能方面的優(yōu)點(diǎn)，提高了車(chē)體的舒適性。轉(zhuǎn)向架的構(gòu)架是特別重要的高強(qiáng)度部件，關(guān)系到整個(gè)車(chē)輛安全性。轉(zhuǎn)向架必須滿(mǎn)足 安全、運(yùn)行舒適度以及耐磨損、易檢修等要求。多采用優(yōu)質(zhì)碳素鋼、低合金低碳高強(qiáng)度 鋼、耐候鋼制造的構(gòu)架。近來(lái)研究熱點(diǎn)為高分子復(fù)合材料和鋁合金制造的構(gòu)架。德國(guó)開(kāi)發(fā)了世界上第一個(gè)纖復(fù)合材料的轉(zhuǎn)向架構(gòu)架， 并過(guò)了靜態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)、耐久試驗(yàn)、運(yùn)行試驗(yàn)，運(yùn)營(yíng)了 100多萬(wàn) km后檢測(cè)未現(xiàn)任何損壞、磨損或撕裂。現(xiàn)狀目前全球復(fù)合材料從業(yè)人員約 45萬(wàn)人，總產(chǎn)值約1000億歐元。我國(guó)2009年產(chǎn)量達(dá)323萬(wàn)噸，已先后超過(guò)德國(guó)、日本而居世界第二位

15、，并接近居世界首位的美國(guó)水平。全球復(fù)合材料行業(yè)的重心正在從歐美發(fā)達(dá)國(guó)家轉(zhuǎn)向亞洲，亞洲復(fù)合材料產(chǎn)量高速增長(zhǎng)是行業(yè)發(fā)展最明顯的趨勢(shì)之一，產(chǎn)量到 2015年有望翻番，達(dá)1000萬(wàn)噸。預(yù)計(jì)亞洲 在全球復(fù)合材料市場(chǎng)所占比重將從本世紀(jì)初的 25%提升至2013年的51%。隨著風(fēng)能和航空航天等高精尖技術(shù)的發(fā)展，復(fù)合材料在高附加值領(lǐng)域的使用將更多。中國(guó)將成為全球復(fù)合材料最活躍、發(fā)展最快的地區(qū)。未來(lái)幾年隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變、經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)型以及國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，復(fù)合材料在中國(guó)將獲得更大發(fā)展。印度在復(fù)合材料方面也蘊(yùn)藏著不可忽視的增長(zhǎng)潛力，汽車(chē)等使用領(lǐng)域的快速發(fā)展將帶動(dòng)印度復(fù)合材料行業(yè)成長(zhǎng)。中東、馬來(lái)西亞、越南和印度尼西亞也是高增長(zhǎng)潛力的國(guó)家和地區(qū)。復(fù)合材料