复合材料与功能材料

1、复合材料与功能材料复合材料与功能材料暖101许晶晶王雪琰 王思月肖璇 暖102于哲韩兴元一、复合材料（一）概念复合材料（Composite materials）是由两种或两种以上不同性 质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的 材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材 料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。（二）分类复合材料按其组成可分为：金属与金属复合材料非金属与金属复合材料非金属与非金属复合材料按其结构特点又可以分为：纤维复合材料，将各种纤维增强体置于基体材料内复合而成。夹层复合材料，由性质不同的表面材料和芯材组合而成。细粒复合材料，将硬质细粒均

2、匀分布于基体中。混杂复合材料，由两种或两种以上增强相材料混杂于一种基体 相材料中构成。（三）生产与组成复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常 用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、 橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬 质细粒等。复合材料的生产成型方法按基体材料不同各异。其中用树脂 基复合材料的有：手糊成型、喷射成型、纤维缠绕成型、模压成 型、拉挤成型、RTM成型、热压罐成型、隔膜成型、迁移成型、软 膜膨胀成型、冲压成型等。而用陶瓷基复合材料的则有：固相烧 结成型、化学气相浸渗成型、化学

3、气相沉积成型等。此外，金属 基复合材料成型方法分为固相成型法和液相成型法。前者是在低 于基体熔点温度下，通过施加压力实现成型，包括扩散焊接、粉 末冶金、热轧、热拔、热等静压和爆炸焊接等。后者是将基体熔 化后，充填到增强体材料中，包括传统铸造、真空吸铸、真空反 压铸造、挤压铸造及喷铸等。（四）应用特点比重小。可应用于汽车和飞机减轻重量、提高速度、节约能源。 比强度和比模量大。例如碳纤维与环氧树脂复合的材料，其比强度和比模量均比钢和铝合金大数倍，还具 有优良的化学稳定性、减摩耐磨、自润滑、 耐热、耐疲劳、耐蠕变、消声、电绝缘等性 能。各向异性。可按制件不同部位的强度要求设计纤维的排列。 （五）国内

4、外研究与应用现状1、应用现状目前复合材料主要应用于航空航天、汽车工业、化工、纺织 和机械制造、医学等领域。航空航天领域。由于复合材料热稳定性好，比强度、比刚度高，可用于制造 飞机机翼和前机身、卫星天线及其支撑结构、太阳能电池翼和外 壳、大型运载火箭的壳体、发动机壳体等。汽车工业。由于复合材料具有特殊的振动阻尼特性，可减振和降低噪声、 抗疲劳性能好，损伤后易修理，便于整体成形，故可用于制造汽 车车身、受力构件、传动轴、发动机架及其内部构件。化工、纺织和机械制造领域。有良好耐蚀性的碳纤维与树脂基体复合而成的材料，可用于 制造化工设备、纺织机、造纸机、复印机、高速机床、精密仪器 等。医学领域。碳纤维

5、复合材料具有优异的力学性能和不吸收X射线特性， 可用于制造医用X光机和矫形支架等。碳纤维复合材料还具有生 物组织相容性和血液相容性，生物环境下稳定性好，也用作生物 医学材料。此外，复合材料还用于制造体育运动器件和用作建筑 材料等。2、研究现状聚合物基复合材料。研究工作集中在合成新型树脂及对其结构表征和固化过程进 行了研究。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。热塑性聚 合物基体除聚丙烯外，还有常用的工程塑料，如聚酰酷酮、聚苯 硫酸、聚醒根和热塑性聚酰亚胺等的合成，改性和表征等。加工成型方面除了常规方法的研究外，也研究一些新型的加 工方法

6、。如树脂传递法（RTM）的充模过程。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，少量研究于铜、铁、铅基体的复合材料。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；氧化错颗粒增强碳化物 陶瓷复合材料等的制备科学和结构性能研究。（五）发展趋势降低成本由于复合材料的性能优于传统材料，若降低复合材料的成本， 其应用前景将非常广阔。高性能复合材料的研制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。功能性复合材料的研制功能

7、复合材料是指具有导电、超导、微波、摩擦、吸声、等 功能的复合材料。智能复合材料的研制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，提高飞机的安全性能。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。（六）技术难题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，

8、是复合材料今后的发 展方向之一。二、功能材料（一）概念功能材料是指那些具有优良的电学、磁学、光学、热学、声 学、力学、化学、生物医学功能，特殊的物理、化学、生物学效 应，能完成功能相互转化，主要用来制造各种功能元器件而被广 泛应用于各类高科技领域的高新技术材料。（二）分类（1）功能金属材料。传统：如电性、磁性、弹性等功能材料。新型：如非晶合金、贮氢合金、形状记忆合金、超塑性合金及金 属薄膜等。（2）功能无机非金属材料。功能陶瓷材料；功能玻璃材料；功能半导体材料；功能晶体材料; 氧化物无机非金属超导材料和氧化物磁性材料等。（3）功能高分子材料。光功能高分子材料、光磁（电）功能高分子材料、生物医用

9、（机 体外与机体内）功能高分子材料，生功能高分子材料等（三）国内外研究与应用现状当前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。超导材料以NbTi、Nb3Sn为代表的实用超导材料已实现了商品化，在 核磁共振人体成像、超导磁体及大型加速器磁体等多个领域获得 了应用；SQUID作为超导体弱电应用的典范巳在微弱电磁信号测量 方面起到了重要作用，其灵敏度是其它任何非超导的装置无法达 到的。但是，

10、由于常规低温超导体的临界温度太低，必须在昂贵 复杂的液氨(4. 2K)系统中使用，因而严重地限制了低温超导应用 的发展。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，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。生物活性陶瓷巳成为医用生物陶瓷的 主要方向；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。

11、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，二氧化碳气体的固化技术，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。（四）技术发展与难题我国非常重视功能材料的发展。在“九五”“十五”国防计划 中还将特种功能材料

12、列为“国防尖端”材料。这些科技行动的实 施，使我国在功能材料领域取得了丰硕的成果。在“863”计划支 持下，开辟了超导材料、平板显示材料、稀土功能材料、生物医 用材料、储氢等新能源材料，金刚石薄膜，高性能固体推进剂材 料，红外隐身材料，材料设计与性能预测等功能材料新领域，取 得了一批接近或达到国际先进水平的研究成果，在国际上占有了 一席之地。镁氢电池、锂离子电池的主要性能指标和生产工艺技术均达 到了国外的先进水平，推动了银氢电池的产业化；功能陶瓷材料 的研究开发取得了显著进展，以片式电子组件为目标，我国在高 性能瓷料的研究上取得了突破，并在低烧瓷料和贱金属电极上形 成了自己的特色并实现了产业化，使片式电容材料及其组件进入 了世界先进行列；功能材料还在“两弹一星”、“四大装备四颗 星”等国防工程中作出了举足轻重的贡献。目