（材料化学的故事）---新型复合材料

所谓复合材料是将两种或两种以上，具有不同性质的材料，用某种工艺方法均匀地合成为一体而形成的一种新的材料。复合材料是当今实现材料性能设计的一个重要途径，通过材料的“复合”，可以使新的复合材料在性能上不仅兼备原来材料各自的优点，而且在某些性能上会远远超出原有组成材料的性能，这将适应当今新技术革命对新材料所提出的更多更高的要求。

复合材料的应用，在人们生活中并不少见，如工程建筑中钢筋混凝土结构材料，其中混凝土有保温、耐磨等性能，但不能承受弯曲、剪拉等负荷，而钢筋则具有良好的各种抗机械负荷的性能，“复合”后取长补短，综合了两者的优点，从而得到广泛的应用。

新型复合材料通常是指近代各种高性能的复合材料，它是当今新一代的动力机械、航空和航天等高新科技中发挥突出贡献的新一代材料。通常以40年代开始出现的以玻璃纤维与树脂复合而成的所谓玻璃钢复合材料为起点，经过四十多年的发展，新型复合材料在品种、性能和应用上均取得了可喜的成果。

复合材料是由基体材料和增强剂材料两部分所组成。

（l）基体材料主要

有高分子聚合物、金属及陶瓷，而以高分子聚合物的应用最广。高分子聚合物包括有人工合成分子聚合物，如环氧树脂、聚酯、酚醛树脂、聚酰亚胺等；天然高分子聚合物，如沥青、天然橡胶、泥炭等，以人工合成高分子聚合物应用最广。

（2）增强剂材料主要有纤维增强剂和颗粒增强剂，以纤维增强剂应用最广。纤维增强剂有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、氧化铝纤维、碳化硅纤维、芳纶纤维等。颗粒增强剂有二氧化钛、二氧化硅等。当今复合材料的研究，着重于结构和功能两个方面，而以前者所取得的应用成果更为突出，下面将择要进行介绍。

一、树脂基体复合材料是复合材料中应用最早，亦是当今应用最广的一类材料

（一）玻璃纤维复合材料。利用玻璃纤维作增强剂与合成树脂经一定制造工艺形成的玻璃纤维增强塑料（简称玻璃钢）是最早出现的第一代纤维增强复合材料，它具有强度高、重量轻、耐腐蚀、成型简单、价格低廉等综合优异性能而闻名于世，因而受到广泛应用，小至民用浴盆，大至船体结构，已是众所周知的，用玻璃钢代替钢材将在今后汽车、造船、航空和军工工业中进一步获得发展，玻璃钢的制作可以因用途的不同，而选用不同的树脂基体，如一般无特殊性能要求而量大面广的产品，像各类容器、船体等可采用聚脂为基体的玻璃钢，不仅价格相对便宜，且制作工艺更简单；有绝缘性能要求的玻璃钢制品可采用环氧树脂为基体；有耐高温要求的制品可采用酚醛树脂为基体的玻璃钢。

（二）碳纤维复合材料，用碳纤维代替玻璃纤维作增强剂的树脂基复合材料被认为是第二代的纤维增强复合材料。它具有比玻璃纤维更轻的比重和更高的模量，是一种性能更为优良的增强剂，用它和树脂形成的复合材料，其比重只有钢的 1/4～1/3，而强度则比钢要高出 3～4 倍，较玻璃钢则高出6倍，它为汽车、航空以及宇航等事业的发展开辟了良好前景。当今碳纤维树脂复合材料是汽车工业中寻找质量轻而强度高的材料，来替代钢材的一个方面，在保持汽车强度要求下，大幅度减轻汽车重量，可以大量节约汽油的消耗，如美国已在一部分汽车制造中改用纤维复合材料，其年节约汽油达10亿加仑以上。碳纤维树脂合成材料在航空工业中已从不承力部位的应用进入承力部位的应用，如飞机尾翼、主翼、及其他承力部位的结构均可使用这类材料，当今的波音757和300、301、A310等大型客机，均大量使用此种材料。

大型民用航机的运输成本中有60％为燃料费用，因此减轻飞机重量以降低成本是飞机工业的一项重要任务。据计算，如果将飞机主体结构材料的40％改用此类材料，则相应可减少燃料的消耗费用达30％。比起航空工业来说，宇航工业在材料方面使用质轻、高强的纤维树脂复合材料更具有特殊的意义。

目前碳纤维树脂复合材料已在人造卫星和航天飞机中加以应用，并将进一步发挥作用。当前使用的碳纤维主要是聚丙烯腈为主，但聚丙烯腈碳纤维的原料价较高，降低碳纤维的成本是该项技术的一个努力方向。目前除了通过寻找更新纤维材料外，已经研究采用碳纤维与玻璃纤维、开普纶纤维合用的混杂纤维增强复合材料，具有良好的经济效果。

（三）芳纶纤维复合材料。芳纶纤维树脂复合材料是继碳纤维后新开发的第三代纤维复合材料，因为它较碳纤维价格便宜、制取容易，同时具有高强度、低比重、耐热，耐腐蚀等优异性能，目前已开始应用于航空及宇航等工业。其与碳纤维混杂的复合材料已在波音767及波音757客机上使用，使飞机重量减轻1吨，与同机种波音727机相比，可减少燃料费用35％，光年节约燃料费用就有百万美元之多。

二、金属基体复合材料，主要有纤维增强金属基复合材料和颗粒增强金属基复合材料。

（一）纤维增强金属基复合材料。纤维增强金属基复合材料其所用纤维增强剂主要有硼纤维、碳纤维、氧化铝纤维及金属丝等。其基本材料有铝、钢、钛、镍等及其合金。与非金属基复合材料相比，其具有更好的性能，如高的机械性能、高耐磨性、高耐腐蚀性、高导热等性能，如氧化铝和碳纤维为增强剂的铝基复合材料其比强度为一般铝合金的 2～3 倍，是用于汽车、航空、航天工业的理想材料。又如巴氏合金经纤维增强后，所形成的复合材料具耐热性能大大提高，熔点由原来 228℃提高到 1000℃，耐磨性要比一般金属高出近百倍之多。

（二）颗粒增强金属基复合材料。以金属微粒子或非金属粒子为增强剂的金属基复合材料，同样可以制取得新的一代具有高性能的金属基复合材料。如由陶瓷粉末颗粒与金属基粉末烧结而成的金属陶瓷复合材料，兼有金属与陶瓷各自的优异性能，是一种既耐高温又韧而不脆的材料，如切削加工中已应用的硬质合金刀具材料。同样可以用它来制作航天飞机和火箭的外壳构件和喷口等等。

金属基复合材料价格高、工艺相对复杂，目前还不能像非金属基复合材料那样广泛应用。但由于其性能的优异而可以肩负更艰巨的任务，显然在新材料的发展领域中，仍不乏其重要的地位，可以预见随着金属基复合材料的大量涌现，关于金属的概念将作出新的调整。

三、在陶瓷基体材料中加入各种增强剂如碳纤维、氮化硅、玻璃纤维、石墨纤维等，可以使陶瓷的脆性降低；韧性、抗疲劳和耐磨性等大大提高，这是既发挥陶瓷的优异性能又消除其固有缺点的一项重要措施。其主要用于耐高温、超硬性、耐腐蚀等场合，如以氮化硅、碳化物纤维增强的高温陶瓷复合材料可代替耐热合金用于制作燃气轮机，其耐高温达1400℃；用作耐热柴油机可节能30％；用作切削加工刀具，其耐用度比硬质合金要高出30倍之多。故它是当前具有发展意义的一种新型材料。

四、功能复合材料是一种利用两种或多种具有不同功能的材料，使之复合成一体，其所形成的新的功能具有原功能的相乘效应。如某种具有 A→B转换功能的材料，与另一种具有B→C转换功能的材料相复合，其最终所得的复合材料，其功能是二者功能相乘的结果，即成为具有A→C转换功能的材料。如将一种具有压电转换功能的材料与另一种具有电光转换功能的材料相复合，而得到所需要的压光功能的材料。

复合功能材料的上述特点，使人们对功能材料的开发和促使材料性能设计的思想进入一个新的领域，使人们有可能按照预想的材料性能与功能来制取相应的材料。这一成果目前已在国内外取得一定的进展，例如利用合成高分子聚合物与石墨粉的复合材料，已用于石油输油管道的加热体，来达到自动控制油温，它是利用合成高分子聚合物质热膨胀，以及石墨因膨胀而改变电阻的相乘效应，而达到自动控温的功能。

随着科技事业的发展，组成复合材料的基体材料和增强剂材料将有更多的选择余地，而功能复合的途径亦会渐趋扩大，这将为新技术的发展作出更多的贡献