非金属基复合材料

玻璃钢是人们熟悉的一种多用途的复合材料，它的学名叫玻璃纤维增强塑料，诞生于 30 年代。人们发现玻璃原来很脆，但拉成纤维后柔软如丝，可以像棉纱一样纺织。玻璃纤维愈细，强度愈高。玻璃网所用的增强纤维直径为 5～9 微米，只有头发的十几分之一，但单丝的拉伸强度高达 100～300 公斤每平方毫米，比天然纤维和化学纤维高 5～10 倍，比高强度钢高 1～2 倍。在复合之前，应把玻璃纤维制成毡垫或纺织品，或根据需要切成短纤维。

目前广泛使用的玻璃钢有玻璃纤维增强尼龙、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯、环氧、酚醛及有机硅树脂等品种。玻璃钢的特长是质量轻、强度高、耐腐蚀性好，同时具有良好的隔热、隔音、抗冲击和透波能力。玻璃钢最早用于航空和军事工业，现在已推广到各行各业。军事用途包括自动枪托、火炮发射管、钢盔、登陆艇、飞机机头罩、机翼、尾翼、副油箱、雷达罩等，一般比采用金属部件重量轻 20～25％。在化工和石油工业中，玻璃钢管道、泵槽节约了大量的不锈钢、铜、铝等金属，还延长了使用寿命。例如一台石油裂化冷风机采用玻璃钢叶片后，可节省 50 公斤不锈钢和 35 公斤铝合金。采

用一吨玻璃钢代替棉布层压板，可节省棉布 4000 米。近年来许多先进体育器械也有用玻璃钢制造的，如网球拍、高尔夫球棍、滑雪板等。

长期以来，玻璃钢都是用手糊法加工的，就是说在手工铺好的玻璃纤维或织物上糊上树脂，经过固化成形，费工费时，质量也没有保证。近年来，半自动化和自动化的液压注射和短切纤维喷射工艺相继出现，加速了玻璃钢的普及。液压注射同金属压铸工艺类似，采用闭合模具，在模具内放置好玻璃纤维铺层后压入树脂，固化后脱模得到光洁度很高的产品。短切喷射法的效率高，连续的玻璃粗纱在喷枪内被短切刀具切断，和催化后的树脂一起由喷枪口喷出，在开式模具表面上堆积，逐步固化成形。这种方法不需要预先铺玻璃纤维，所以大大简化了操作过程，缩短了工期。

有一些大型玻璃钢制作，如管道和容器可用缠绕的玻璃纤维为骨架，现在发展到电子计算机控制的自动缠绕机来加工，效率更高，可以加工出直径数米、长度几十米的开口或闭口管道。闭口管道的半圆盖是单独加工的，在缠绕过程中再结合在一起。

目前使用最广泛的玻璃钢大型部件是直升机旋翼和风车旋翼。 1982

年美国哈米顿公司生产出世界上最大的风车旋翼。旋翼长 39 米，桨毂直径五

米，重达 13.6 吨，三只旋翼装在 80 米高的塔架上，风速以每小时 52 公里计

算，可以发电 4000 千瓦。

70 年代以来，传统的建筑材料也发生了很大的变化。以合成树脂为粘接剂，加入各种填料的人造大理石和塑料混凝土异军突起，迅速打入高层建筑和豪华的宾馆中。人造大理石色泽鲜明，纹理清晰，在外观和性能上与天然大理石相似，而价格只有它的二分之一至五分之一，特别是一些异型制品，如浴盆和洗面池等，使用人造大理石的优点更为突出。人造大理石是在聚酯树脂中加入粉末填料，如碳酸钙、氧化铝、石英砂、玻璃粉和天然大理石粉等混合浇注而成。为了追求色泽和花纹的美观典雅，还可以加入各种颜料，如二氧化钛、三氧化二铁等。

人造大理石中填料的用量可达 75％以上，这样不仅提高了产品的耐火性和抗腐蚀性，同时也降低了成本。人造大理石通常是一种基色和两种不同的花纹，也可以根据需要增加或变化花纹颜色。

人造大理石的另一关键是表层的凝胶薄膜，又称胶衣。凝胶必须有足够的强度、耐磨性、抗老化性、光泽度和透明度，它直接影响产品的使用寿命。专用凝胶喷涂机可以变换喷涂多至六种颜色的凝胶。神话传说中的女蜗曾炼五彩石补天，现在这种奇异的五彩石已进入人们的生活。

塑料混凝土不追求人造大理石那样的光泽和花纹，而以性能取胜。塑料混凝土的比重比水泥混凝土轻，而抗拉和抗压强度为后者的四倍。此外，耐酸性和抗冻性都比水泥混凝土好。因此，塑料混凝土大都制成薄而轻的结构，只是其硬度稍低，耐火性也不及普通混凝土。

在施工过程中，塑料混凝土的优点十分显著，它的硬化脱模时间少于一小时，而普通混凝土为 7～28 天，从而大大提高了模具周转和缩短了工期。塑料混凝土所用树脂的品种很广泛，有聚酯、丙烯酸、呋喃、苯乙烯和

环氧等。所用填料种类也很多，例如日本曾利用发电厂的煤灰和烟灰，专门研究了一种结构混凝土，用于制造纺织机轴、床料和屋瓦等。目前，塑料混凝土的用途比人造大理石更广，如排水管、电气设备外壳、化工糟、地板、墙壁、水下餐厅、露天桌面、城市雕塑等，色彩可以任意选择。在大型飞机跑道和高速公路损坏时，用塑料混凝土修补更为方便，加有强烈催化剂的树脂在几分钟内即可固化。使用塑料混凝土最著名的例子是日本北部贯穿津轻海峡的青函隧道，这条隧道全长 54 公里，海水渗漏是致命的弱点，筛选的若干种防漏材料中以塑料混凝土效果最佳而入选。

人造大理石和塑料混凝土同玻璃钢相比，它们在使用的填料和用途上都有着很大的不同，基本上不再使用玻璃纤维，但人们往往为了习惯，仍把它们列入玻璃钢的家族。

碳纤维是 60 年代发展起来的另一种新型增强纤维。碳纤维的诞生是在百年之前，直到人们在寻求复合材料的新增强纤维时才想到它。现代的碳纤维是以聚丙烯腈、人造丝或木质素为原丝，在高温分解和碳化后得到的，具有强度高、重量轻、比重小、刚性好、抵抗变形能力强等特点，是现代良好的复合材料。

碳纤维复合材料的出现只不过几十年的时间。用它代替金属，已经在化工、机电、造船、特别是航天航空工业中得到广泛应用。例如：用碳纤维屑加塑料制成的轴承，摩擦系数小，抗磨蚀性好，甚至可用在重型轧机上；用碳纤维与聚四氟乙烯制成的复合材料密封圈具有耐热、耐磨和耐腐蚀的特点，适用于高压化工泵和液压系统的密封；碳纤维复合材料制作的齿轮，重量轻、强度高，完全可以代替金属而又无需用润滑剂等。

碳纤维复合材料最主要的用户是航天航空工业，在飞机上机翼尖、翼尾、起落架支柱、直升机旋翼均使用了碳纤维和硼纤维复合材料。美国战斗机的平均空重约 14 吨，碳纤维复合材料约占总重量的 10％，现在已增至 15％。AV—8B 改型鹞式飞机是美国军用飞机中使用复合材料最多的机种，其机翼、前机身都用了石墨环氧大型部件，全机所用碳纤维的重量约占飞机结构总重量的 26％，使整机减重 9％，有效载荷比 AV—8A 飞机增加了一倍。

在航天在工业中，碳纤维复合材料用于制造火箭和导弹头锥、喷嘴、人造卫星支承架等。像直径和长度数米的轨道转移器壳体、大型卫星电站、空间结构和空间站，都是采用石墨环氧复合材料制造的。

碳碳复合材料是一种性能特殊的复合材料，它是由多孔碳素基体和埋在其中的碳纤维骨架组成的。在极高的温度下，仍有可以抵抗腐蚀性介质的作用，保持很高的强度。它的耐热、耐腐蚀性也十分优异，因而是一种高温结构和热防护的理想材料。在所有的复合材料中，它的工作温度居第一位。它用于制造先进飞机的刹车盘，以代替过去用的钢和烧结材料，可以减重 60％左右，提高寿命 2～3 倍。首先采用碳碳刹车盘的为 A310“空中公共汽车” 旅客机，减重 400 公斤以上。在火箭和航天飞机上，碳碳复合材料用于受热最高的再返大气层头锥、前缘、热屏蔽、激光屏蔽和火箭喷嘴等部位。

在修复医学上，碳碳人工骨和人工关节已被植入人体，其密度、强度和生物相容性都比金属件和陶瓷件优越。

在民用工业中，使用碳纤维最多的是汽车和运动器具。1979 年美国福特汽车公司，展出了全部使用碳纤维复合材料制成的小轿车。重量比钢制的轻60％以上，疲劳性能和抗冲击性能都更好。

70 年代以来，碳纤复合材料被大量用于先进体育器材，使之面貌一新。碳纤维和混纤（硼纤维、芳纶纤维和玻璃纤维等）复合材料制品包括弓箭、滑雪板、滑雪杖、高尔夫杆、掌杆跳杆、标枪、网球拍、羽毛球拍、赛艇等，总计 40 余种。到 80 年代世界各国用于体育竞赛器具上的碳纤维已超过用于航天航空上的数量。

在一些重大的竞赛中，著名运动员已把碳纤维器具视为克敌制胜的法宝。例如，这种新型碳纤维弓箭，发力均衡、射程远；球拍轻盈，返应迅速，特别是具有良好的手感。至于撑杆跳，借助于碳纤维的高强度和高弹性模具，撑杆几乎可以弯曲成 C 形而不折断，其反弹力相当强。

硼纤维是一种新增强剂，硼的熔点和硬度都很高，硼化物被称为人造金刚石。硼纤维是以直径 10～13 微米的钨丝为芯，在高温下沉积一层硼后制成的，直径达到 100～200 微米。硼纤维的强度是玻璃纤维的五倍。新型的硼硅克（Borsic）和氮硼尔（Nitboral）是改性硼纤维，在硼上积有一层碳化硅氮化硼，能经受更高的温度。硼一环氧、还沉硼铝复合材料还处于试用阶段。

复合材料工艺到目前还不够成熟，纤维的铺设和缠绕大多用手工或半自动化进行，不仅成本高，而且性能也不稳定。国外发展了数控机床，制造了整机设备。此外，改进增强材料和基体材料的工作也一直在进行。