先进的复合材料

先进的复合材料

提到材料，人们自然会想到金属材料，如钢铁、铝、铜等；无机非金属材料，如水泥、砖瓦、陶瓷、玻璃等；高分子材料，包括塑料、橡胶、合成纤维等。两种或两种以上不同化学成分的材料能否通过一定的工艺方法复合在一起，制成既能保留组成材料的特性，又可克服其不足，还能显示出某些新性能的材料？能，这就是复合材料。

“复合材料”一词大约出现在20世纪50年代。“复合”含有多元多相的意思。从其组成和结构来分析，其中有一相是连续的，称为基体相，另一相是分散的、被基体包容的称为增强相。增强相与基体相之间的交界面称为复合材料界面。研究发现，复合材料的界面并非一个简单的几何分界面，而是具有一定厚度的过渡区域，其结构与形态对复合材料的宏观性能起着举足轻重的作用，这一区域称为界面相。因此复合材料可以看作是由基体相、增强相和界面相组成。

复合材料有多种分类方法，如按分散相的形态可分为纤维增强型、颗粒增强型；按基体材料类型可分为聚合物基复合材料、金属基复合材料和无机非金属基复合材料；此外还有许多其他的分类方法。

那么，与传统材料相比，复合材料究竟有哪些优点呢？

首先，复合材料具有“轻质高强”的特点。如碳纤维增强环氧树脂复合材料，其拉伸强度与密度之比是钢的6倍、铝合金的5倍、钛合金的4.5倍。其次，复合材料的耐疲劳性能好，破损安全性高。复合材料可制成在长期交变载荷条件下工作的构件，使用寿命长，而且不像传统材料那样发生突然破坏，而是经历基体材料损伤、开裂、界面脱粘、纤维断裂等一系列过程。当少数增强纤维断裂时，载荷又会通过基体传递迅速分散到其他完好的纤维上去，从而迟滞了灾难性破坏突然发生的情况。

除此之外，复合材料的优点还在于它的可设计性。复合材料的力学、机械及热、光、电、磁、防腐、抗老化等物理和化学性能都可按制件的使用要求和环境条件要求进行设计，其性能可通过组成材料的选择和匹配以及界面控制等手段进行调节，从而最大限度地达到预期目的，以满足工程设备的使用性能。此外，尽管复合材料是由不同的材料经复合工艺而形成的，但其性能并非组成材料性能的简单加和，而是会出现1＋1＞2的情况，这种复合效应是复合材料仅有的。

由于上述的优点和特点，复合材料正在国民经济和科技发展中发挥着极为重要的作用，特别是先进复合材料（即高性能的复合材料）在未来的高新技术领域将起到基础和先导作用。下面的一些例子可清楚地表明这一点。

1.信息技术领域。信息技术是当前高技术群的核心。用于信息技术中接收、处理、储存和传播信息的材料被称为信息材料，而复合材料在其中占有重要地位。任何一个信息装备都离不开导线和电缆，导线和电缆是由导电金属和包围其周围的绝缘塑胶材料构成的一种具有特殊功能的复合材料，它不可能由单一材料来完成。计算机等所用多层印刷电路板是典型的层压复合材料，这种多层的层压板具有高散热性、高度的尺寸稳定性，从而能满足大规模集成电路高密度的装配要求。此外磁带、磁盘等信息记录材料是将粉末状磁性材料均匀涂抹在塑料基材上经复合处理制成的一种复合材料。

2.新能源技术领域。由于能源危机和环境问题，人们迫切地希望开发和利用新能源。据报道，20世纪80年代美国已拟定了一个在太空中建造一座太阳能发电站的规划，发电站长25千米，宽3.8千米，所有构件全部由碳纤维复合材料制成。电站上由太阳能转换成的电能用安装在两端的直径为70米的微波天线发送到地面接收站。这个电站所生产的电能可供一个大城市用电。原子能发电站的核燃料是具有放射性的铀235。从天然铀矿中提取铀235是利用高速旋转的离心机，提取效率随离心机旋转的线速度的增大而提高。为提高效率需加大转数，这就要求转筒材料经得住高速旋转的离心载荷作用。经过试验，高强铝合金的最大允许线速度为357米/秒，钛合金为400～460米/秒，碳纤维复合材料是800～900米/秒，由此可见碳纤维复合材料是提取铀235离心机的理想转筒材料。

3.航空航天技术领域。根据当前的推进技术，如果飞机的重量每减少1千克可提高升限40米；对于发射到太空中的卫星，若重量减少1千克，运载它的火箭可减轻1吨。轻质高强的复合材料作为宇航材料的实施和应用有效地促进了航空航天技术的发展。

航天工程由于其特殊的工作环境，对材料提出了非常苛刻的要求，如重返大气层的火箭头部由于气流的阻滞、摩擦，可产生8000℃～10000℃的高温，这是任何传统的材料都无法承受的，但采用新型烧蚀防热复合材料即可解决这一问题。固体火箭发动机喷管是受热极为严重的构件，从燃烧室喷出的气流高达3000℃～3500℃，喷管要经受高温、化学腐蚀、气流及固体粒子的高速冲刷。由三维编织的碳－碳复合材料制成的喷管在20世纪70年代末已在美国用于火箭发动机上。

人造地球卫星的框架结构几乎全部是由复合材料制造。如地球同步通信卫星的天线反射面始终要准确地对准地面上的接收站，卫星反复处于地球的向阳面和背阳面的交变过程中，卫星上的温差可达200℃。在这种情况下要求天线的支架不热胀冷缩。目前只有经过精心设计的复合材料具备“零膨胀”这一特殊要求。

4.医学技术领域。用碳纤维复合材料制成的心脏瓣膜在二十几年前已经成功地植入人体，以尼龙为增强材料的人造血管也已投入使用，还有用硅橡胶、尼龙等高分子复合材料制成鼻、耳等器官。研究表明碳－碳复合材料与人体有很好的相容性，做成的人体器官无排异反应，据预测可制成人造心脏、人造肾脏、人造肝脏等重要器官。此外复合材料在医疗设备的制造方面也有宽广的用武之地。

我们不可能一一列举复合材料的所有用途，但从上面的这些例子我们不难看出其重要性。鉴于材料的性能极限化、功能多样化的发展趋势，21世纪必将是先进复合材料大发神威的时代，称之为21世纪材料的“大哥大”并不为过。