复合材料

近代科学技术的发展，对材料性能的要求越来越高，所要求的性能中甚至有些相互矛盾。例如：航空和空间技术要求强度高、重量轻的材料；造船工业需要耐高压、耐腐蚀的结构材料。这使得单一的材料很难同时满足需要，而且三大类材料都有它们本身的弱点。唯一可行的有效办法就是把两种或两种以上的材料按一定方法组合起来，使它们互相取长补短，相得益彰，制成兼有几种优良性能的新材料，这就叫复合材料。

其实，复合材料并不是什么新的发明创造。古代就用稻草拌泥土制成粘土坯房屋，还有钢筋混凝土，这都是早期的复合材料。仅把水泥、砂子和水混合制成水泥块，很容易断裂。如果在里面加上钢筋，水泥块的强度就会大大地提高，钢筋在混凝土中起了增强作用。又如，金属比较坚韧，但大多数金属不耐高温；陶瓷能耐高温，却又很脆，它们各有所长，又各有缺点。如果用粉末冶金的方法，把它们掺合在一起制成金属陶瓷，就既具有金属的高强度、高韧性，又具有陶瓷的耐高温特性。

现代复合材料是由基体材料和增强剂复合而成的。这种复合可在不同的非金属之间、金属之间以及非金属与金属之间进行。通常使用的基体材料是塑料、树脂、橡胶、金属和陶瓷，而增强剂为玻璃纤维、碳纤维、硼纤维或金属丝，有时也采用粉末和颗粒增强剂。

按照基体所用的材料不同，可将复合材料分为非金属基复合材料和金属基复合材料两大类。

复合材料在一定程度上克服了原有材料的缺点，如金属不耐腐蚀、有机高分子材料不耐高温、陶瓷材料脆性高等，因此在综合性能上超过了单一的材料。

制造复合材料最常用的工艺是纤维增强，即采用熔铸、浸渍、层压等方法把玻璃纤维、碳纤维、硼纤维及其织物嵌入树脂和塑料基体中，也可采用熔铸、轧制等方法把硼纤维、高强度钢丝嵌入铝、镁、钛合金中。此外，常用的工艺还有层叠和骨架复合等，如纸、铝箔和塑料薄膜组成的复合包装材料、带塑料面板或不锈钢面板的复合钢板、包含数百条 Nb3Sn 蕊线的 Cn-Sn 合金超导电缆、纸芯、塑料芯和金属芯的蜂窝夹层结构等，就是用上述工艺制造的。

复合材料的关键是增强材料，它的弹性模量和强度都必须大大超过基体，因而才能使制得的复合材料的机械性能优于未增强的基体。另一方面，基体在抗腐蚀性、韧性等方面又弥补了增强材料的缺点，因此可以说复合材料具有人工设计的特点。

非全属基复合材料

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。玻璃钢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 千克每平方毫米，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、火箭发射管、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 千克不锈钢和 35 千克铝合金。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，如管道和容器可以缠绕的玻璃纤维为骨架，现在发展到用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到一起。

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 5 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，而普遍混凝土为 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，例如日本曾为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、化工槽、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，用塑料混凝土修补最为方便，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中选。

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中。

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须用润滑剂等。

碳纤维复合材料最主要的用户是航天航空工业，飞机机翼尖、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％，到现在已增至 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、前机身都使用了石墨—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％，有效载荷活动半径比 AV—8A 飞机增加了一倍。

在航天工业中，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。如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。在极高的温度下，仍旧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。

7O 年代以来，碳纤维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、高尔夫球杆、撑杆跳杆、标枪、网球拍、羽毛球拍、赛艇等，总计四十余种。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，新型碳纤维弓箭，发力均衡、射程远；球拍轻盈，反应迅速，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。

硼纤维也是一种新型的增强剂，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和氮化硼，能承受更高的温度。硼—环氧、环沉硼—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。想使其性能更加完美则需要人们不断的努力。

金属基复合材料

与非金属基复合材料相比，金属基复合材料的潜力尚未充分发挥，应用面比较窄，成熟的品种很少。这种情况一直到 70 年代中期才略有好转。1974 年美国材料咨询局第一次肯定了研制和使用金属基复合材料的正确性，表示对这项工作要重视和支持。这主要是航空、航天、能源工业的发展提出的一系列严格的要求，看来只有依赖金属基复合材料和精陶瓷才能够解决。金属基复合材料所用的增强剂除了石墨、硼（硼硅克）纤维外，还有高强度钢丝、高熔点合金丝（钨、钼）和晶须（氧化铝、碳化硅）等。这些纤维分别用来与铝、镁、钛、铜和镍钴基高温合金组成复合材料。

硼—铝复合材料的研制起步最早，取得了一定效果。这种材料用于航天飞机的中机身构架管，可减重 80 千克。采用硼—铝复合材料的飞机为数不多，目前只有 F—111、S—3A 等，此外还有“阿特拉斯”导弹的壳体。

硼—铝复合材料最有希望的潜在用途是制造喷气发动机的压气机及风扇叶片，如用其代替钛合金可减重 33％，节省成本 45％左右。美国几家主要发动机公司如普拉特·惠特尼、通用电器、TRW 等均进行过硼—铝复合材料风扇叶片的研究。JT8D 发动机上试用硼—铝压气机叶片，工作温度达到 300℃，此外，在 TF—41—P3 发动机上还试用了铍—铝压气机叶片。

石墨—铝复合材料也具有很高的比强度和比模量，适合直升机、导弹、坦克和突击浮桥使用。CH47 直升机的传动机，采用了多层石墨—铝护板，大大减少了振动噪音，此外石墨—铝和石墨—镁将被用在人造卫星和大型空间结构上，如卫星支撑架、平面天线体、可折式抛物面天线肋等。

镍基和钴基高温合金使用高熔点钼、钨丝式晶须增强后成为耐热复合材料。这项工作在许多国家开展多年，目的是为了满足工作温度和载荷日益提高的先进涡轮发动机的需要。利用这种耐热复合材料制成实心涡轮叶片，可以提高涡轮的温度和转数，减少涡轮级数和冷却气体的消耗，为改进发动机创造了条件。采用加有二氧化钍和碳化铪的钨丝增强复合材料，工作温度为1160～1200℃，至少比目前的涡轮工作温度提高 100℃。

利用氧化铝晶须毡或单晶纤维增强熔点钼钨后，可以耐更高的温度，在1650℃时的强度为钨的两倍，作为火箭喷口材料已通过试验。

以钢板为基体的各种层压板也是一种通用的复合材料。例如波音 767 和

757 飞机上采用的一种包不锈钢铝板，可以代替钛合金作为发动机的防火材料，重量轻而价格低。

另一种是以钢板为基、多孔青铜的中间层、聚四氟乙烯塑料为表面层的三层复合材料，可用于制造载重汽车底盘衬套、机床导轨和在高温腐蚀介质中工作的轴承。

超导电缆也是一种复合材料，它是以铜—锡合金为基体，埋入 295 根铌线后组成，经过扩散处理在界面形成七微米厚的 Nb2Sn 金属化合物，它具有超导性，可以用于制造磁悬浮高速列车、核聚变反应堆电磁铁、储能超导感应器、超导发电机等新产品。