复合材料绪论.ppt

复合材料 第一章绪论 人类为了谋求生存和发展 企求用理想材料制成新工具的愿望总是随着历史的发展不断探索不断前进 因此 人类发展的历史就和材料的发展的历史息息相关 研究人类历史的人们都可以清楚地知道 人类历史上各方面的进步是与新材料的发现 制造和应用分不开的 历史学家把人类发展史划分为 石器时代 陶器时代 青铜器时代 铁器时代 其后人类又发明了高分子材料 先进复合材料和智能材料 人类从天然物质中选择提炼出人类生活所必要的物质而加以利用 制造这些物质有两种方法 一种是利用了化学反应的物质合成 另一种是通过组合两种以上的物质 制成具有更高性能的材料 用后一种方法制造出的物质称之为复合材料 TheMaterialsScienceTetrahedron材料科学四面体 结构 固有特性 制作方法 测定性能 使用性能 性能价格比Cost price performance 复合材料按基体材料分类 复合材料按功能分类 先进复合材料的发展史 40年代 玻璃纤维增强塑料 GFRP 复合材料发展的第一代60 80年代 先进复合材料复合材料发展的第二代80 年 先进复合材料充分发展复合材料发展的第三代 复合材料的定义 复合材料的性能特点 比强度 比刚度 比模量 大 性能可设计 易制成结构件 各向异性 非均匀性以聚合物基复合材料为例 比强度 比刚度 比模量 大耐疲劳性能好减震性好过载时安全性好具有多种功能性有很好的加工工艺性 复合材料的组成 复合材料的命名 现代复合材料学科 包括增强材料 基体材料 界面粘结 结构设计 成型工艺 性能测定等方面并逐步形成了一门与化学 物理 力学及各种应用学科有关的跨学科的 有着广泛内在联系并互相渗透和互相推动的材料学科 复合材料的结构和性能复合材料的结构通常是一个相为连续相 成为基体 而另外一相是以独立的形态分布在整个连续相中的分散相 它显著增强材料的性能 故常称为增强体 多数情况下 分散相较基体硬 刚度和强度较基体大 分散相可以是纤维及其编织物 也可以是颗粒状或弥散的填料 在基体和增强体之间存在着界面 因此 复合材料是由两种以上组分以及它们之间的界面构成 组分材料主要指增强体和基体 它们也被称为复合材料的增强相和基体相 增强相与基体相之间的界面区域因为其特殊的结构组成也被视作复合材料中的 相 即界面相 增强相和基体相是根据它们组分的物理和化学性质和在最终复合材料中的形态来区分的 其中一个组分是细丝 连续的或短切的 薄片或颗粒状 具有较高的强度 模量 硬度和脆性 在复合材料承受外加载荷时是主要承载相 称为增强相或增强体 reinforcedphaseorreinforcement 增强相或增强体在复合材料中呈分散形式 被基体相隔离包围 因此也称作分散相 复合材料中的另一个组分是包围增强相并相对较软和韧的贯连材料 称为基体相 matrixphase 复合材料的各种形态示意于图中 复合材料及其增强相的各种形态 纤维状 颗粒状 层状 片状 填充状 复合材料在制造前 基体材料的形状可以是薄片 粉末 块体或无定形的流体 它的状态可以是固态 气态 熔融态或半固 半液态 基体材料在与增强相固结后 基体相在复合材料中就成为包裹增强相的连续体 因此 基体相也叫做连续相 基体相具有支撑和保护增强相的作用 在复合材料承受外加载荷时 基体相主要以剪切变形的方式起向增强相分配和传递载荷的作用 在复合材料中 增强相和基体相之间还存在着明显的结合面 位于增强相和基体相之间并使两相彼此相连的 化学成分和力学性质与相邻两相有明显区别 能够在相邻两相间起传递载荷作用的区域 称为复合材料的界面 interface 复合材料中界面层的厚度通常在亚微米以下 但界面层的总面积在复合材料中很大 且复合材料的界面特征对复合材料的性能 破坏行为及应用效能有很大影响 所以 人们以极大的注意力开展对复合材料界面的研究 表面和界面工程 surfaceandinterfaceengineering 复合材料的性能取决于组分材料的种类 性能 含量和分布 主要包括 增强体的性能和它的表面物理 化学状态 基体的结构和性能 增强体的配置 分布和体积含量 复合材料的性能还取决于复合材料的制造工艺条件 复合方法 零件几何形状和使用环境条件 复合材料既能保留原组分材料的主要特色 并通过复合效应获得组分材料所不具备的性能 还可以通过材料设计使各组分的性能相互补充并彼此关联 从而获得新的性能 复合材料设计 选择复合材料的组分 增强体分布和复合材料制造工艺 使其具有使用所要求的性能过程 复合材料设计可分为三个层次 单层材料设计 铺层设计 结构设计 单层材料设计包括正确选择增强材料 基体材料及共配比 该层次决定单层板的性能 铺层设计包括对铺层材料的铺层方案做出合理钱财安的安排 该层次决定层合板的性能 结构设计则最后确定产品结构的形状和尺寸 上述三个设计层次互为前提 互相影响 互相依赖 因此 复合材料及其结构的设计打破了材料研究和结构研究的传统界限 设计人员必须把材料性能和结构性能统一考虑 换言之 材料设计和结构设计必须同时进行 并将它们统一在同一个设计方案中 复合材料是由多相材料复合而成 它的共同的特点主要有三个 综合发挥各种组成材料的优点 使一种材料具有多种性能 具有天然材料所没有的性能 例如 玻璃纤维增强环氧基复合材料 既具有类似钢材的强度 又具有塑料的介电性能和耐腐蚀性能 2 可按对材料性能的需要进行材料的设计和制造 如 针对方向性材料强度的设计 针对某种介质耐腐蚀性能的设计等 3 可制成所需的任意形状的产品 可避免多次加工工序 例如 可避免金属产品的铸模 切削 磨光等工序 影响复合材料性能的因素主要取决于增强材料的性能 含量及分布状况 基体材料的性能 含量 以及它们之间的界面结合情况 作为产品还与成型工艺和结构设计有关 因此 不论对哪一类复合材料 就是同一类复合材料的性能也不是一个定值 而只能给出其主要性能 一般材料的简单混合与复合材料的两点本质区别 复合材料不仅保留了原组成材料的特点 而且通过各组分的相互补充和关联可以获得原组分所没有的新的优越性能 复合材料的可设计性如结构复合材料不仅可根据材料在使用中受力的要求进行组元选材设计 更重要的是还可进行复合结构设计 即增强体的比例 分布 排列和取向等的设计 对于结构复合材料来说 是由能承受载荷的增强体组元与能连接增强体又起传递力作用的基体组元构成 由不同的增强体和不同的基体即可组成名目繁多的结构复合材料 2 复合材料的特性复合材料是由多种组分的材料组成 许多性能优于单一组分的材料 例如 纤维增强的树脂基复合材料 具有质量轻 强度高 可设计性好 耐化学腐蚀 介电性能好 耐烧蚀及容易成型加工等优点 轻质高强 比强度和比刚度高 增强剂或者基体是比重小的物质 或两者的比重都不高 且都不是完全致密的 增强剂多是强度很高的纤维 比强度 指强度与密度的比值 和比弹性模量是各类材料中最高的 例如 普通碳钢的密度为7 8g cm3 玻璃纤维增强树脂基复合材料的密度为1 5 2 0g cm3 只有普通碳钢的1 4 1 5 比铝合金还要轻1 左右 而机械强度却能超过普通碳钢的水平 若按比强度计算 玻璃纤维增强的树脂基复合材料不仅超过碳钢 而且可超过某些特殊合金纲 碳纤维复合材料 有机纤维复合材料具有比玻璃纤维复合材料更低的密度和更高的强度 因此具有更高的比强度 2 可设计性好复合材料可以根据不同的用途要求 灵活地进行产品设计 具有很好的可设计性 对于结构件来说 可以根据受力情况合理布置增强材料 达到节约材料 减轻质量的目的 对于有耐腐蚀性能要求的产品 设计时可以选用耐腐蚀性能好的基体树脂和增强材料 对于其他一些性能要求 如介电性能 耐热性能等 都可以方便地通过选择合适的原材料来满足要求 复合材料良好的可设计性还可以最大限度地克服其弹性模量 层间剪切强度低等缺点 3 电性能好复合材料具有优良的电性能 通过选择不同的树脂基体 增强材料和辅助材料 可以将其制成绝缘材料或导电材料 例如 玻璃纤维增强的树脂基复合材料具有优良的电绝缘性能 并且在高频下仍能保持良好的介电性能 因此可作为高性能电机 电器的绝缘材料 玻璃纤维增强的树脂基复合材料还具有良好的透波性能 被广泛地用于制造机载 舰载和地面雷达罩 复合材料通过原材料的选择和适当的成型工艺可以制得导电复合材料 这是一种功能复合材料 在冶金 化工和电池制造等工业领域具有广泛的应用前景 4 耐腐蚀性能好聚合物基复合材料具有优异的耐酸性能 耐海水性能 也能耐碱 盐和有机溶剂 因此 它是一种优良的耐腐蚀材料 用其制造的化工管道 贮罐 塔器等具有较长的使用寿命 极低的维修费用 5 热性能良好玻璃纤维增强的聚合物基复合材料具有较低的导热系数 是一种优良的绝热材料 选择适当的基体材料和增强材料可以制成耐烧蚀材料和热防护材料 能有效地保护火箭 导弹和宇宙飞行器在2000 以上承受用温 高速气流的冲刷作用 6 工艺性能优良纤维增强的聚合物基复合材料具有优良的工艺性能 能满足各种类型制品的制造需要 特别适合于大型制品 形状复杂 数量少制品的制造 7 弹性模量金属基和陶瓷基复合材料能够在较高的温度下长期使用 但是聚合物基复合材料的弹性模量很低 因此 制成的制品容易变形 用碳纤维等高模量纤维作为增强材料可以提高复合材料的弹性模量 另外 通过结构设计也可以克服其弹性模量差的缺点 比模量系指在温度为23 2 和相对湿度为50 5 的条件下测量的杨氏模量 单位 N m 2 除以比重 单位 N m 3 杨氏模量就是指表达物体在变形时所受的应力与应变关系的比例常数 在弹性范围内大多数材料服从虎克定律 即变形与受力成正比 纵向应力与纵向应变的比例常数就是材料的弹性模量E 也叫杨氏模量 横向应变与纵向应变之比值称为泊松比 也叫横向变性系数 它是反映材料横向变形的弹性常数 复合材料的突出优点是比强度和比模量 即强度 模量与密度之比 高 比强度和比模量是度量材料承载能力的一个指标 比强度愈高 同一零件的比重愈小 比模量愈高 零件的刚性愈大 8 长期耐热性金属基和陶瓷基复合材料能在较高的温度下长期使用 但是聚合物基复合材料不能在高温下长期使用 即使耐高温的聚酰亚胺基复合材料 其长期工作温度也只能在300 左右 9 老化现象在白然条件下 由于紫外光 湿热 机械应力 化学侵蚀的作用 会导致复合材料的性能变差 即发生所谓的老化现象 复合材料在使用过程中发牛老化现象的程度与其组成 结构和所处的环境有关 10 抗疲劳性能好首先 缺陷少的纤维的疲劳抗力很高 其次 基体的塑性好 能消除或减小应力集中区的大小和数量 11 减振能力强复合材料的比模量高 所以它的自振频率很高 不容易发生共振而快速脆断 另外 复合材料是一种非均质多相体系 在复合材料中振动衰减都很快 与传统材料 如金属 木材 水泥等 相比 复合材料是一种新型材料 它具有许多优良的性能 并且其成本在逐渐地下降 成型工艺的机械化 白动化程度也在不断地提高 团此 复合材料的应用领域日益广泛 3 复合材料的应用 氮化硅结构陶瓷被用作航天飞机的防热瓦 硼纤维金属基复合材料制成的火箭履轴的管道输送部件 美国B 2隐形轰炸机表面为具有良好吸波性能的碳纤维复合材料 由光导纤维构成的光缆 先进橡胶轮胎使汽车成为交通主宰 赛车上使用的特殊轮胎 人工合成的金刚石 高分子分离膜已被用来制造高效家庭净水器 人工肾脏 生物陶瓷人造关节 可调节的太阳镜 耐高温纤维制成的消防人员的服装 在航空 航天方面的应用由于复合材料的轻质高强持性 使其在航空航天领域得到广泛的应用 在航空方面 主要用作战斗机的机冀蒙皮 机身 垂尾 副翼 水平尾冀 雷达罩 侧壁板 隔框 翼肋和加强筋等主承力构件 在交通运输方面的应用由复合材料制成的汽车质量减轻 在相同条件下的耗油量只有钢制汽车的1 4 而且在受到撞击时复合材料能大幅度吸收冲击能量 保护人员的安全 用复合材料制造的汽车部件较多 如车体 驾驶室 挡泥板 保险杠 引擎罩 仪表盘 驱动轴 板黄等 随着列车速度的不断提高 火车部件用复合材料来制造是最好的选择 复合材料常被用于制造高速列车的车箱外壳 内装饰材料 整体卫生间 车门窗 水箱等 在化学工业方面的应用在化学工业方面 复合材料主要被用于制造防腐蚀制品 聚合物基复合材料具有优异的耐腐蚀性能 例如 在酸性介质中 聚合物基复合材料的耐腐蚀性能比不锈钢优异得多 4 在电气工业方面的应用聚合物基复合材料是一种优异的电绝缘材料 被广泛地用于电机 电工器材的制造 如绝缘板 绝缘管 印刷线路板 电机护环 槽楔 高压绝缘子 带电操作工具等 在建筑工业方面的应用玻璃纤维增强的聚合物基复合材料 玻璃钢 具有力学性能优异 隔热 隔声性能良好 吸水率低 耐腐蚀性能好和装饰性能好的特点 因此 它是一种理想的建筑材料 在建筑上 玻璃钢被用作承力结构 围护结构 冷却塔 水箱 卫生洁具 门窗等 在机械工业方面的应用复合材料在机械制造工业中 用于制造各种叶片 风机 各种机械部件如齿轮 皮带轮和防护罩等 用复合材料制造叫片具力制造容易 质量轻 耐腐蚀等优点 各种风力发电机叶片都是由复合材料制造的 在体育用品方面的应用在体育用品方面 复合材料被用于制造赛车 赛艇 皮艇 划桨 撑杆 球拍 弓箭 雪橇等 我国是制造和使用复合材料最早的国家 远在400余年前就发明了以麻丝增强大漆 构成典型的复合材料器皿 并一直沿用至今 现代复合材料是1958年才开始发展的 是以玻璃纤维增强热固性聚合物为主要品种 我国复合材料科学的研究现状 除聚合物基复合材料以外 目前已展开金属基 陶瓷基 碳基 水泥基 以及功能复合材料的制备科学和其结构与性能的研究 有些研究处于国际复合材料前沿 如纳米复合材料 智能复合材料等 原材料的研究结构型复合材料中关键的原材料是增强体 我国于20世纪50年代末 开始研制玻璃纤维增强体 研究了各种玻璃纤维的配方 包括中碱的 玻璃 无碱的 玻璃以及高强度的 玻璃等 工艺方法是以传统的坩埚法为主 近来正发展到先进的池窑法 直接熔融法 高性能增强体如碳纤维 芳酰胺纤维 芳纶 超高分子量聚已乙烯纤维 以及一些陶瓷纤维等我国均有研究 特别是碳纤维在20世纪60年代即从聚丙烯腈原丝开始研究 一直到烧成碳纤维 随后又解决了连续化的问题 并且开展有关机理性的研究 各种基体复合材料的研究聚合物基复合材料热固性聚合物基体主要为不饱和聚酯 环氧树脂 酚醛树脂 双马树脂 以及少量的耐高温聚酰亚胺树脂 其中的研究工作集中在合成新型树脂 同时也对其结构表征和固化过程进行了研究 热塑性聚合物基体除聚丙烯外 还有常用的工程塑料 如聚醚醚酮 聚苯硫醚 聚醚砜和热塑性聚酰亚胺等的合成 改性和表征等 聚合物基复合材料加工成型方面 除手糊 喷射 模压 缠绕 拉挤 热压罐成型等常规方法的研究外 也研究一些新型的加工方法 如树脂传递法 RTM 的充模过程 包括其模拟计算等 金属基复合材料目前主要集中在以轻金属 如铝 镁 钛 等为基体的复合材料研究 少量研究致力于铜 铁 铅基体的复合材料 增强的形式包括连续纤维 短纤维 晶须和颗粒 其他基体复合材料陶瓷基复合材料方面的研究工作 如热压烧结的碳化硅晶须增强氧化硅 或碳化硅基体的复合材料 氧化锆颗粒增强碳化物陶瓷复合材料等的制备科学和结构性能研究 降低成本由于复合材料的性能优于传统材料 如能降低复合材料的成本 其应用前景将是非常广阔的 复合材料今后的发展方向 高性能复合材料的研制高性能复合材料是指具有高强度 高模量 耐高温等特性的复合材料 随着人类向太空发展 航空航天工业对高性能复合材料的需求量越来越大 而且也会提出更高的性能要求 如更高的强度要求 更高的耐温要求等 功能性复合材料功能复合材料是指具有导电 超导 微波 摩擦 吸声 阻尼 烧蚀等功能的复合材料 智能复合材料智能复合材料是指具有感知 识别及处理能力的复合材料 在技术上是通过传感器 驱动器 控制器来实现复合材料的上述能力 例如 当用智能复合材料制造的飞机部件发生损伤时 可由埋入的传感器在线检测到该损伤 通过控制器决策后 控制埋入的形状记忆合金动作 在损伤周围产生压应力 从而防止损伤的继续发展 大大提高了飞机的安全性能 仿生复合材料复合材料的设计从常规设计向仿生设计发展 仿照竹子从表皮到内层纤维由密排到疏松的特点 成功地制备出具有明显组织梯度与性能梯度的新型梯度复合材料 仿照鲍鱼壳的结构 由碳 铝和硼混合成陶瓷细带制成了10微米厚的薄层 由此得到的层状复合材料比其原材料坚固40 环保型复合材料从环境保护的角度看 目前的复合材料大多注重材料性能和加工工艺性能 而在回收利用上存在与环境不相协调的问题 因此 开发 使用与环境相协调的复合材料 是复合材料今后的发展方向之 复合材料发展史 天然复合材料竹 木 茅草 贝壳 骨骼传统复合材料麻刀 纸筋 石灰 土坯 草秆 粘土 钢筋混凝土 通用复合材料1940年玻璃纤维增强塑料 GFRP 先进复合材料1960 年 复合材料从结构复合材料 单功能复合材料 多功能复合材料 机敏材料和智能材料 智能材料具有接受 传递 处理和发射信息的功能 是信息科学溶入材料科学的产物 一种天然生物复合材料 竹子 先进复合材料 先进复合材料是比原有的通用复合材料有更高性能的复合材料 包括用各种高性能增强剂 纤维等 与耐温性好的热固性和热塑性树脂基体所构成的高性能树脂基复合材料 金属基复合材料 陶瓷基复合材料 玻璃基复合材料 碳基复合材料 包括使用其力学性能的结构复合材料和使用热 电 磁 光 核 生物及其他性能的功能复合材料 先进复合材料 功能材料是指除力学性能以外还提供其它物理 化学 生物等性能的复合材料 包括压电 导电 雷达隐身 永磁 光致变色 吸声 阻燃 生物自吸收等种类繁多的复合材料 具有广阔的发展前途 未来的功能复合材料比重将超过结构复合材料 成为复合材料发展的主流 未来复合材料的研究方向主要集中在纳米复合材料 仿生复合材料 和发展多功能 机敏 智能复合材料等领域 飞机上用的复合材料 碳纤维 环氧树脂 碳纤维 芳纶 环氧树脂 玻璃纤维增强塑料 芳纶 杜邦聚酰胺 芳纶 泡沫芯板 碳纤维 杜邦聚酰胺 飞机上用的复合材料 增韧石墨 石墨 混杂复合材料 玻璃纤维 车身 开创性的大量应用源自F1赛车的碳纤维复合材料 GLARE蒙皮用于A380飞机的上机身蒙皮 中国自研大飞机面临发动机与复合材料两大难题 大推力 高涵道比涡扇发动机大量运用了复合材料或钛合金空心宽弦叶片 整体叶盘 B 2隐形轰炸机除主体结构是钛复合材料外 其它部分均由碳纤维和石墨等复合材料构成 不易反射 轻巧的碳 碳复合材料 全复合材料机身 轻型机的价格 中型机的宽敞客舱 客舱内站立高度为1 65米 目前商用飞机上复合材料仅占全机重量的50 而某些直升机早已达到90 荷兰计划研发新型绿色环保飞机外形将酷似飞碟 另一个设想就是使用复合材料 如纤维增强塑料 这种复合材料强度可与金属媲美 而重量却比金属轻得多 因此可以节省燃油 复合材料军用吉普车 玻璃纤维 碳纤维 增强树脂美洲轻木泡沫 超级跑车车身大量应用碳纤维复合材料 生产充气船及其胶布制品 采用国际上先进的A级RTP复合材料 新型日光温室复合材料温室骨架和纵拉杆全部采用复合材料制成 绿可木 生态木塑复合材料 木塑复合材料吸音板 复合材料 玻璃钢 制品 采用高分子复合材料制作浮雕和雕塑 碳纤维 树脂复合材料 碳 碳复合材料 生物医学制品和体育运动 复合材料被用来预防受伤 矫正生理机能 和帮助病人复原 生物医学制品和以体育运动器材为主的碳纤维复合材料制品 热塑性复合材料再近20年中 增长速率持续较快 是热固性的3倍 JS系列自润滑复合材料与部件 三维纺织预成型技术和RTM技术是研制和开发高性能复合材料结构件的关键技术 RTM成型的复合材料头盔 锂 复合材料聚合物电解质 热电池 聚合物纳米复合材料 聚合物 层状粘土 传统的复合材料 插入的纳米复合材料 片状剥离的纳米复合材料 新型的纳米黏土 片层越小 分散得越好 则复合材料的性能越好 复合材料的铺层优化设计 模压成型工艺 当前常用的模压料品种有热固性复合材料 包括SMC 片状模塑料 BMC 团状模塑料 和TMC 散状模塑料 等 热塑性复合材料 国际上的材料专家普遍认为当前人类已经从合成材料的时代进入复合材料时代 因为想要合成一种新的单一材料使之满足各种高要求的综合指标是非常困难的 即使能研制出某种满意的单一材料 则从实验室到生产的周期也很长 如果把现有的有机高分子 无机非金属和金属材料通过复合工艺组成复合材料 则可以利用它们所特有的复合效应使之产生原组成材料不具备的性能 而且还可以通过材料设计以达到预期的性能指标 并起到节约材料和费用的作用 复合材料概念的提出只有50年左右 上世纪60年代的中后期由于出现了碳纤维和芳酰胺纤维等高性能增强剂和一些耐高温树脂基体 从而构成性能更高的复合材料 虽然由于技术难度大 造价高因而产量小 但是它们能满足当时高技术进展的需要 所以仍能迅速发展起来 为了与一般通用复合材料 指玻璃纤维增强塑料 有所区别 而获得了 先进复合材料 的名称 随后又把金属基复合材料 陶瓷基复合材料 碳基复合材料以及功能复合材料等充实到先进复合材料的范畴里来 充分体现出先进复合材料量小但性能特殊而优异的特点 虽然它所包括的各种基体的复合材料和功能复合材料各有特点和缺陷 但综合起来看 先进复合材料可以通过选择 使之具备密度小 强度和刚度高 耐温 耐磨 导热 导电 膨胀系数小 抗疲劳性好 阻尼性能好 耐烧蚀 耐冲刷 抗辐射 吸波 换能以及其他物理功能等特点 这些正是推动高技术的发展中迫切需要解决的问题 因此 可以说先进复合材料的发展有力地促进了高技术的进步 同时高技术的进展也带动和加速了先进复合材料的不断更新 到上世纪90年代初 复合材料的世界总产量约为三百万吨 已在建筑 交通运输 化工 船舶 航空航天和通用机械等领域广泛应用 先进复合材料在高技术中的作用 高技术对材料的选用是非常严格和苛刻的 先进复合材料的优越性能比一般材料更能适合各种高技术发展的需要 几种典型先进复合材料和常用材料性能对比 复合材料的比强度和比模量 玻璃纤维 环氧树脂 芳纶纤维 环氧树脂 石墨纤维 环氧树脂 硼纤维 环氧树脂 石墨纤维 环氧树脂 铍 石墨纤维 环氧树脂 比拉伸模量 弹性模量 密度 任意单位 比拉伸强度 拉伸强度 密度 任意单位 开发空间是人类进步的重要标志 巳所需要的各种结构材料如运载火箭的壳体 航天飞机的支架 桁条 蒙皮 卫星的支架 蒙皮 天线 空间站的各种结构件 都要求用轻质高强和高刚度材料以节约推动所需的燃料 先进复合材料能满足这些要求 特别是像导弹的头部防热材料 航天飞机的防热前缘和火箭发动机的喷管等需要耐高温 抗烧蚀材树 更是非先进复合材料莫属 其他如抗粒子流 隐身功能等方而 先进复合材料也是候选的优先对象 先进复合材料在航天技术的建立方面已经作出了不可磨灭的贡献 而且在未来的发展中还将继续起关键作用 开发新能源 节能和储能等能源新技术是高技术的另一重要组成部分 能源技术同样也需要轻质高强 耐温耐腐蚀的材料 先进复合材料也是理想的选用对象 见下表 在能源技术中先进复合材料的应用范例 信息技术是现代发展最迅速的高技术 在信息技术中包括信息的检测 传输 贮存 处理运算和执行等方面 先进复合材料也能起到重要的作用 见下表 先进复合材料在信息技术中的应用 在高技术的生物工程方面 先进复合材料不仅在力学性能上能满足各种生物工程用容器的要求 同时还能满足耐腐蚀 抗生物破坏以及生物相容性的要求 此外 功能复合材料还可以制造用于生物工程的物质分离的各种膜材料 上世纪70年代以来 先进复合材料的发展非常迅速 特别是80年代更为显著 1 高性能增强剂 碳 石墨 纤维的发展是非常突出的 以PAN 聚丙烯腈 为先驱体碳纤维基本解决了过去的提高模量则会牺牲强度和断裂伸长的矛盾 因此特别适合树脂基先进复合材料的需要 P系列沥青基超高模量石墨纤维 其模量已接近石墨晶须 它适合用作金属基复合材料的增强剂 有机纤维中熔致液晶的聚芳酰胺类发展很快 现已出现许多牌号 性能很好 目前重点是解决该类纤维的吸湿性大的问题 为此热致液晶型聚芳酯纤维得以发展 它虽然热稳定性稍差 但不吸湿而且强度与模量与聚芳酰胺相当 值得一提的是用先进的冻胶纺丝法制成超高分子量的聚乙烯纤维 强度与模量均很高 其缺点是耐温性差只能适合于低温使用 用无机高分子作为先驱体 经纺丝后烧成陶瓷纤维 是当前受到关注的工艺路线 继SiC纤维开发成功 最近又推出含Ti的SiC纤维 其性能相当但耐温性明显高于SiC纤维 用这类方法现已制成Si3N4纤维 但尚未商品化 晶须已有较长的历史 尽管它强度和模量极高 但由于分散困难一直未能发挥作用 当前由于金属基 高温型 和陶瓷基复合材料的要求 又重新活跃起来 但是又面临它带有细纤维污染环境的问题 能否允许使用有待裁决 2 高性能树脂基复合材料 制备树脂基复合材料首先需要有高性能的热固性和热塑性树脂基体 关于热固性树脂基体已提出一系列要求 即满足200 300 长期使用的条件 并能对原来的力学性能有一定的保持率 容易制成预浸料并有较长的贮存期 在加工过程中基本上没有挥发物逸出 在工艺上容易掌握并能监控其质量以及具有合适的价格 目前新型的多官能团环氧 已经接近上述的部分要求 如用热塑性高分子固化剂的延长贮存期等 但耐温性尚不够理想 达到200 以上使用温度的树脂 目前主要用热固性聚酰亚胺 现在已有PMR 15 等牌号的商品出现 其耐温性最高可达300 这类树脂可以通过共聚 改变封头结构和主链结构来进行改性 双马聚酰亚胺耐温性虽不如聚酰亚胺 但略高于环氧 可以满意地在200 使用 它的工艺性能比聚酰亚胺好 交联度高从而刚度高和耐溶剂性好是其优点 但是它也存在脆性大的缺点 现在这种树脂已有许多商品牌号 耐温更高的树脂基体只有杂环类高分子如共聚喹恶啉树脂 聚苯并咪唑树脂等 但由于价格昂贵 加工性能又差 所以只有在特殊情况下才少量使用 目前发展的趋势表明 热塑性树脂基体正在逐步与热固性树脂争夺先进树脂基复合材料基体的主流地位 这是因为最近出现一大批高性能热塑性高分子材料 其力学性能和耐温性均能满足先进复合材料的要求 同时它还有明显节约加工周期和提高韧性的优点 特别是它的可修复性 二次加工成形和长期贮存等热固性树脂所不具有的特点 另一种值得注意的新型树脂基体是半互穿网络高聚物 SIPN 它是由热固性网状高分子与线型高分子互穿而成的高聚物 所以兼有热固性和热塑性树脂的优点 由于它在较苛刻的环境条件下仍有良好的刚度和韧性 因此是应用于宇航结构复合材料中有潜力的树脂基体 例如以二腈基双酚A作为其热固性部分 而以聚碳酸酯或聚醚砜作为热塑性部分 在加工过程中双腈单体受热互聚成交联网络 而聚碳酸酯等线型高分子则贯穿其中构成半互穿网络 3 金属基复合材料 上世纪80年代以来金属基复合材料发展很快 这是由于高新技术对材料的耐温性和其他性能要求日益提高而起了推动作用 金属基复合材料除了和树脂基复合材料同样具有高强度 高模量和低膨胀系数的特点外 它能耐300 500 或更高的温度 同时不燃 不吸潮 高导热与导电 抗辐射性能好 而且在较高温度情况下不会放出气体污染环境 这是树脂基复合材料所不能比拟的 但金属基复合材料也存在一些缺点 如密度较大 造价较高 有些金属基复合材料工艺较复杂 还不成熟 特别是它容易发生界面化学反应从而对性能产生明显的影响 这些都有待不断地改进和完善 尽管如此 一些发达国家仍大力进行开发和研究 已有明显成效 金属基复合材料 金属基复合材料基本上可分为纤维增强型 包括短纤维和毡 颗粒和晶须增强型 交替叠层型和共晶定向凝固型几类 低温用 350 600 纤维增强金属基复合材料 目前已有碳 石墨 纤维 硼纤维 碳化硅纤维 氧化铝纤维等增强铝 镁和钛及其合金 最近以高性能的铝 锂合金和金属间化合物作为基体受到较大的关注 高温用 1000 1400 纤维增强金属基复合材料则以碳化硅纤维 CVD法 钨与钼丝等增强镍基超合金 金属间化合物 钛 铝 镍 铝等 颗粒与晶须增强的金属基复合材料目前多数用碳化硅颗粒和晶须与上述各种金属基体复合 金属基复合材料 特别应指出的是SiC颗粒增强铝合金发展最快 它是当前金属基复合材料最早能实现大规模产业化的品种 这是因为它的重量仅为钢的1 3 为钛合金的2 3 而与铝合金相近 它的强度比中碳钢好 与钛合金相近而比铝合金略高 模量略高于钛合金但比铝合金高很多 在耐磨性上与钢相似 优于钛合金 比铝合金要大1倍 在价格方面大致与铝合金相当 而仅为钛合金的1 5 目前已经小批量应用于汽车工业和机械工业中 交替叠层型金属复合材料是金属与陶瓷 金属与金属以及金属与高性能纤维增强树脂交替叠合而成的超混杂型复合材料 前两种系用溅射或其他涂层方法交替叠合 现仅在实验室阶段 而后一种已经在航空工业中试用 例如一种称为ARALL的芳酰胺纤维增强环氧层与铝箔构成的叠层金属基复合材料 由于它的强度高 刚度好 尤其耐疲劳性能优良 而受到重视 关于共晶定向凝固型金属基复合材料有较长的研究历史 但由于工艺复杂一直未能得到发展 4 无机非金属基复合材料 无机非金属基复合材料包括纤维和晶须增强陶瓷和玻璃 目前研究较多的以碳化硅或氧化铝纤维和晶须增强碳化硅 氮化硅 氧化铝等陶瓷或包括石英在内的各种高温玻璃 由于陶瓷基复合材构成型加工困难 尽管现在已经开发了热压烧结法 气相沉积法 高分子先驱体法和溶胶凝胶法等工艺 但是复合后的效果不太理想 特别是较大工件的可靠性较差 目前比较成熟的是玻璃基复合材料 它的耐热性虽不及陶瓷基复合材料可在1200 或更高的温度下使用 但也能较满意地应用于600 1000 范围内 而且其性能特别是韧性比陶瓷基复合材料高很多 无机非金属基复合材料 虽然这类复合材料目前仍处于实验室研究阶段 离工业化水平较远 但是它的高温性能具有很大的吸引力 所以研究工作仍然很活跃 值得一提的是这类复合材料 特别是陶瓷基的不像其他结构复合材料那样依靠增强剂来提高强度和刚度 陶瓷基体本身就有足够的强度和刚度 问题在于韧性太差 在这里纤维是起到阻止裂纹扩展分散应力集中的增韧作用 因此在复合工艺条件的设计中 应该考虑这个概念上的差别 5 碳基复合材料 这种复合材料即以石墨纤维增强石墨的复合材料 又称碳 碳复合材料它主要是以碳 石墨 纤维毡 布或二维及多维编织物与可碳化物质 如树脂 沥青等 复合 再碳化与石墨化 如此反复进行多次直到所要求的密度为止 或者用化学气相沉积法把碳沉积在纤维上 这样反复进行亦可得到碳 碳复合材料 但密度较低 这种碳 碳复合材料已经能满意地在瞬时高温下作为烧蚀材料使用 但是由于碳素不耐氧化 所以无法在高温又含氧的气氛中长期使用 为此目前大量工作正致力于在碳 碳复合材料表面涂一层陶瓷抗氧化层 由于两种材料的热不匹配性带来很大的困难 但是设计热过渡层的工作最近已有一定的突破 这种耐温性最好的材料 将可能长期工作于2000 以上的条件下 6 功能复合材料 目前已经发展了不少功能复合材料 而且有的已获得应用 如复合压电材料 导电和超导材料 磁性材料 阻尼材料 摩擦磨耗材料 吸声材料 隐身吸波材料以及各种敏感换能材料等等 PZT 锆钛酸铅 压电材料 就是与树脂复合后降低了材料的介电常数 从而使其压电系数提高了一个数量级左右 但是这些功能复合材料大都应用了线性复合效应 关于非线性的复合效应还仅仅有极少量地运用 例如有一个实例可以说明乘积效应的作用 即树脂基自控发热带 它是由导电颗粒与树脂以一定的形式复合成半导电材料 使之通电时产生热 变形与变形 变阻的乘积效应 使通电所发生的热自动控制材料的电阻以达到恒温的目的 这种材料已经有产品在石油化工上应用 另外某些功能复合材料还可能具有多种功能的综合效果 或者兼有结构和功能的双重效能 特别值得指出的是各种新型的换能材料正需要通过功能复合的途径来提高它的性能 或者得到新的换能材料和综合换能材料 功能材料发展趋势 功能材料是一大类具有特殊电 磁 光 声 热 力 化学以及生物功能的新型材料 是信息技术 生物技术 能源技术等高技术领域和国防建设的重要基础材料 同时也对改造某些传统产业 如农业 化工 建材等起着重要作用 功能材料种类繁多 用途广泛 正在形成一个规模宏大的高技术产业群 有着十分广阔的市场前景和极为重要的战略意义 功能材料按使用性能分 可分为微电子材料 光电子材料 传感器材料 信息材料 生物医用材料 生态环境材料 能源材料和机敏 智能 材料 由于我们已把电子信息材料单独作为一类新材料领域 所以这里所指的新型功能材料是除电子信息材料以外的主要功能材料 功能材料是新材料领域的核心 对高新技术的发展起着重要的推动和支撑作用 在全球新材料研究领域中 功能材料约占85 随着信息社会的到来 特种功能材料对高新技术的发展起着重要的推动和支撑作用 是二十一世纪信息 生物 能源 环保 空间等高技术领域的关键材料 成为世界各国新材料领域研究发展的重点 也是世界各国高技术发展中战略竞争的热点 当前国际功能材料及其应用技术正面临新的突破 诸如超导材料 微电子材料 光子材料 信息材料 能源转换及储能材料 生态环境材料 生物医用材料及材料的分子 原子设计等正处于日新月异的发展之中 发展功能材料技术正在成为一些发达国家强化其经济及军事优势的重要手段 生物医用材料 作为高技术重要组成部分的生物医用材料已进入一个快速发展的新阶段 其市场销售额正以每年16 的速度递增 预计20年内 生物医用材料所占的份额将赶上药物市场 成为一个支柱产业 生物活性陶瓷已成为医用生物陶瓷的主要方向 生物降解高分子材料是医用高分子材料的重要方向 医用复合生物材料的研究重点是强韧化生物复合材料和功能性生物复合材料 带有治疗功能的HA生物复合材料的研究也十分活跃 能源材料 太阳能电池材料是新能源材料研究开发的热点 IBM公司研制的多层复合太阳能电池 转换率高达40 美国能源部在全部氢能研究经费中 大约有50 用于储氢技术 固体氧化物燃料电池的研究十分活跃 关键是电池材料 如固体电解质薄膜和电池阴极材料 还有质子交换膜型燃料电池用的有机质子交换膜等 都是目前研究的热点 生态环境材料 生态环境材料是20世纪90年代在国际高技术新材料研究中形成的一个新领域 其研究开发在日 美 德等发达国家十分活跃 主要研究方向是 直接面临的与环境问题相关的材料技术 例如 生物可降解材料技术 CO2气体的固化技术 SOx NOx催化转化技术 废物的再资源化技术 环境污染修复技术 材料制备加工中的洁净技术以及节省资源 节省能源的技术 开发能使经济可持续发展的环境协调性材料 如仿生材料 环境保护材料 氟里昂 石棉等有害物质的替代材料 绿色新材料等 材料的环境协调性评价 智能材料 智能材料是继天然材料 合成高分子材料 人工设计材料之后的第四代材料 是现代高技术新材料发展的重要方向之一 将支撑未来高技术的发展 使传统意义下的功能材料和结构材料之间的界线逐渐消失 实现结构功能化 功能多样化 科学家预言 智能材料的研制和大规模应用将导致材料科学发展的重大革命 国外在智能材料的研发方面取得很多技术突破 如英国宇航公司的导线传感器 用于测试飞机蒙皮上的应变与温度情况 英国开发出一种快速反应形状记忆合金 寿命期具有百万次循环 且输出功率高 以它作制动器时 反应时间 仅为10分钟 在压电材料 磁致伸缩材料 导电高分子材料 电流变液和磁流变液等智能材料驱动组件材料在航空上的应用取得大量创新成果 功能材料的国内需求分析 中国作为一个12亿人口的大国 正在实施宏伟的第三步发展战略 这一根本国情加之特种功能材料在经济社会发展中的重要作用和地位 决定了我国对功能材料的需求将是巨大的 功能材料不仅是发展我国信息技术 生物技术 能源技术等高技术领域和国防建设的重要基础材料 而且是改造与提升我国基础工业和传统产业的基础 直接关系到我国资源 环境及社会的可持续发展 我国国防现代化建设一直受到以美国为首的西方国家的封锁和禁运 所以我国国防用关键特种功能材料是不可能依靠进口来解决的 必须要走独立自主 自力更生的道路 如军事通信 航空 航天 导弹 热核聚变 激光武器 激光雷达 新型战斗机 主战坦克以及军用高能量密度组件等 都离不开特种功能材料的支撑 我国经济的快速增长和社会可持续发展 对发展新型能源及能源材料具有迫切的需求 能源材料是发展能源技术 提高能源生产和利用效率的关键因素 我国目前是世界上能源消费增长最快的国家 同时也是能源紧缺的国家 发展电动汽车 使用清洁能源 节约石油资源等政策措施使得新型能源转换及储能材料的需求不断增加 近年来 随着电子信息技术的迅猛发展 我国便携式电器如手提电话 笔记本计算机用户每年均以超过20 的速度增加 形成了一个对小型高能量密度电池的巨大社会需求 随着移动通信等新一代电子信息技术的迅速崛起 作为一大批基础电子元器件技术核心的信息功能陶瓷日益成为我国发展相关高技术的需求重点 按照5 的世界市场占有率计 2010年我国信息功能陶瓷材料及制品的年销售额将达300亿元人民币 对信息通讯产业发展具有举足轻重的作用 我国是一个稀土大国 其工业储量占世界总储量的70 以上 发展稀土功能材料我国有着独特的资源优势 例如 稀土永磁材料全世界的年平均增长率为23 而我国高达60 1995年全球的钕铁硼永磁材料的生产总量为6000吨 其中我国为2000吨 占总量的1 3 预测2010年全球钕铁硼永磁材料的产量将达14 6万吨 产值达80亿美元 其中我国的产量将达5 4万吨 产值达20多亿美元 相关器件产值达100 150亿美元 稀土在发光 催化等领域的应用也具有广阔的市场需求 我国西部还拥有一些储量丰富的资源 如稀土 钨 钛 钼 钽 铌 钒 锂等 有的工业储量甚至占世界总储量的一半以上 这些资源均是特种功能材料的重要原材料 研究开发与上述元素相关的特种功能材料 拓宽其应用领域 取得自主知识产权 将大幅度地提高我国相关特种功能材料及制品的国际市场竞争力 这对实现西部资源的高附加值利用 将西部的资源优势转化为技术优势和经济优势具有重要意义 将有力地支持国家的西部大开发 随着我国人民生活质量的进一步改善和提高 我国潜在的生物医用材料市场将很快转化为充满勃勃生机的现实市场 从而创造出巨大的社会经济效益 成为国民经济的一个支柱产业 我国已确定 在发展中解决保护 在保护环境的基础上实现持续发展 的原则 签署了有关国际公约 并通过了国家有关环境保护的法律 法规 这些都为生态环境材料需求发展创造了有利条件 发展生态环境材料 除了在社会和经济方面具有巨大的需求之外 在政治上还对我国加入WTO 融入国际社会 提升国际地位具有重要作用 此外 生态环境材料还对我国的 科技 人文 绿色 奥运工程起着特殊的作用 总之 在未来的五到十年 我国经济 社会及国家安全对功能材料有着巨大的需求 功能材料是关系到我国能否顺利实现第三步战略目标的关键新材料 发展重点 高温超导材料制备与应用技术稀土功能材料新型能量转换材料与技术 能源材料 生物医用材料绿色奥运工程材料与技术分离膜材料与技术 海水 氯碱膜 印刷 制版 感光 显示 OLED 材料高新技术改造传统产业技术 关键技术选择 能源材料 固体氧化物燃料电池 固体氧化物燃料电池是一种新型绿色能源装置 比质子交换膜燃料电池有更高的转换效率和节能效果 可减少二氧化碳排放50 不产生NOx 已成为发达国家重点研究开发的新能源技术 但目前研究的固体氧化物燃料电池的工作温度达800 900 其关键部件的材料制备总是成为制约固体氧化物燃料电池发展的瓶颈 应突破的关键技术主要有 a 高性能电极材料及其制备技术 b 新型电解质材料及电极支撑电解质隔膜的制备技术 c 电池结构优化设计及其制备技术 d 电池的结构 性能与表征的研究 光电转换效率大于18 的硅基太阳能电池商品化 研制出光电转换效率大于18 的低成本 大面积 可商业化的硅基太阳能电池及其组件 太阳能的综合利用 光电 热电 热交换 及其与风力发电的耦合技术 建立总体利用效率达15 的追尾聚集光式太阳能光电 热电 热交换系统并实用化 建立太阳能综合利用与风力发电耦合的实用型分布式地面电站 并可并网供电 稀土材料 稀土催化材料 稀土永磁材料突破高性能 N50 高均匀性 高工作温度 低温度系数的烧结稀土永磁材料和高性能 磁能积20MGOe 粘结稀土永磁材料的产业化关键技术 高亮度 长寿命白光LED节能照明系统低成本 高亮度 长寿命白光LED节能照明系统产业化并进入普通百姓家庭 生物医用材料 生物芯片 生物兼容性好 可降解或可诱导再生的人体软 硬组织替换材料 具有分子识别和特异免疫功能的血液净化材料和装置 生态环境材料 有机膜分离技术 海水 或盐碱水 淡化效率达50 的有机膜实用化和产业化 固沙植被材料与技术 节能 环保的建筑材料及其关键工艺技术 突破日产2000吨的流态化水泥烧成技术 其单位能耗与粉尘排放低于目前的新型干法工艺 实现纯氧燃烧生产浮法建筑玻璃的产业化 特种功能材料 无机分离催化膜 突破无机分离催化膜 透氧膜 分子筛膜 透氢膜 的关键制备技术 建立无机分离催化膜用于天然气催化转化制备合成气和液体燃料 天然气直接转化制备乙烯 生物质原料制备乙醇 天然气制氢等方面的示范性生产装置 大尺寸光学金刚石膜 有机磁性材料 突破本征有机磁性材料的关键技术 敏感材料与传感器 超导材料高温超导材料的制备与应用技术 树脂基复合材料的发展史 树脂基复合材料 ResinMatrixComposite 也称纤维增强塑料 FiberReinforcedPlastics 是目前技术比较成熟且应用最为广泛的一类复合材料 这种材料是用短切的或连续纤维及其织物增强热固性或热塑性树脂基体 经复合而成 以玻璃纤维作为增强相的树脂基复合材料在世界范围内已形成了产业 在我国俗称玻璃钢 树脂基复合材料的发展史 树脂基复合材料于1932年在美国出现 1940年以手糊成型制成了玻璃纤维增强聚酯的军用飞机的雷达罩 其后不久 美国莱特空军发展中心设计制造了一架以玻璃纤维增强树脂为机身和机翼的飞机 并于1944年3月在莱特 帕特空军基地试飞成功 从此纤维增强复合材料开始受到军界和工程界的注意 第二次世界大战以后这种材料迅速扩展到民用 风靡一时 发展很快 1946年纤维缠绕成型技术在美国出现 为纤维缠绕压力容器的制造提供了技术贮备 1949年研究成功玻璃纤维预混料并制出了表面光洁 尺寸 形状准确的复合材料模压件 树脂基复合材料的发展史 1950年真空袋和压力袋成型工艺研究成功 并制成直升飞机的螺旋桨 60年代在美国利用纤维缠绕技术 制造出北极星 土星等大型固体火箭发动机的壳体 为航天技术开辟了轻质高强结构的最佳途径 在此期间 玻璃纤维 聚酯树脂喷射成型技术得到了应用 使手糊工艺的质量和生产效率大为提高 1961年片状模塑料 SheetMoldingCompound 简称SMC 在法国问世 利用这种技术可制出大幅面表面光洁 尺寸 形状稳定的制品 如汽车 船的壳体以及卫生洁具等大型制件 从而更扩大了树脂基复合材料的应用领域 1963年前后在美 法 日等国先后开发了高产量 大幅宽 连续生产的玻璃纤维复合材料板材生产