复合材料发展史

复合材料开展史材物0801班潘福森济南大学摘要人类在远古时代就从实践中认识到，可以根据用途需要，组合两种或多种材料，利用性能优势互补，制成原始的复合材料。所以，复合材料既是一种新型材料，也是一种古老的材料。复合材料的开展历史，可以从用途、构成、功能，以及设计思想和开展研究等，大体上分为古代复合材料和现代复合材料两个阶段。复合材料(Compositematerials)，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。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。关键词复合材料开展历史简介先进复合材料古代复合材料开展历史简介1.1中国古代复合材料开展状况古代复合材料在西安东郊半坡村仰韶文化遗址，发现早在公元前2000年以前，古代人已经用草茎增强土坯作住房墙体材料。中国沿用至今的漆器是用漆作基体，麻绒或丝绢织物作增强体的复合材料，这种漆器早在7000年前的新石器时代即有萌芽。1957年江苏吴江梅堰遗址出土有油漆彩绘陶器，1978年浙江余姚河姆渡遗址出土的朱漆木碗，就是两件最早的漆器实物。史料记载，距今4000多年的尧舜夏禹时期已创造漆器，用作食品和祭品。湖南长沙马王堆汉墓出土的漆器鼎壶、盆具和茶几等，用漆作胶粘剂，丝麻作增强体。在湖北随县出土的2000多年前曾侯乙墓葬中，发现有用于车战的长达3米多的戈戟和受，用木芯外包纵向竹丝，以漆作胶粘剂，丝线环向缠绕，其设计思想与近代复合材料相仿。1000多年以前，中国已用木料和牛角制弓，可在战车上放射。至元代，蒙古弓用木材芯子，受拉面贴单向纤维，受压面粘牛角片，丝线缠绕，漆作胶粘，弓轻巧有力，是古代复合材料中制造水平高超的夹层结构。在金属基复合材料方面，中国也有高超的技艺。如越王剑，是金属包层复合材料制品，不仅光亮锋利，而且韧性和耐蚀性优异，埋藏在潮湿环境中几千年，出土后依然寒光夺目，锋利无比。1.2外国古代复合材料开展状况5000年以前，中东地区用芦苇增强沥青造船。古埃及墓葬出土，发现有用名贵紫檀木在普通木材上装饰贴面的棺撑家具。古埃及修建金字塔，用石灰、火山灰等作粘合剂，混和砂石等作砌料，这是最早最原始的颗粒增强复合材料。但是，上述辉煌的历史遗产，只是人类在与自然界的斗争实践中不断改良而取得的，同时都是取材于天然材料，对复合材料还是处于不自觉的感性认识阶段。2现代复合材料现代复合材料20世纪40年代，玻璃纤维和合成树脂大量商品化生产以后，纤维复合材料开展成为具有工程意义的材料，同时相应地开展了与之有关的研究设计工作。这可以认为是现代复合材料的开始，也是对复合材料进入理性认识阶段。2.1现代复合材料简介早期开展出的现代复合材料，由于性能相对较低，生产量大，使用面广，被称之为常用复合材料。后来随着高技术开展的需要，在此根底上又开展出性能高的先进复合材料。常用树脂基复合材料第一次世界大战前，用胶粘剂将云母片热压制成人造云母板。20世纪初市场上有虫胶漆片与纸复合制成的层压板出售。但真正的纤维增强塑料工业，是在用合成树脂代替天然树脂、用人造纤维代替天然纤维以后才开展起来的。公元前，排尼基人在火山口附近发现玻璃纤维。1841年英国人制成玻璃纤维拉丝机。第一次世界大战期间，德国人拖动脚踏车轮拉拔玻璃纤维丝。20世纪30年代，美国创造用铂柑涡生产连续玻璃纤维的技术，从此在世界范围内大规模生产玻璃纤维，以其增强塑料制成复合材料。至60年代，在技术上臻于成熟，在许多领域开始取代金属材料。2.2常用树脂基复合材料的开展历史常用树脂基复合材料的开展历史，可按制成年份排列如下:1910年酚醛树脂复合材料1928年脉醛树脂复合材料1938年三聚氛胺甲醛复合材料1942年聚酷树脂复合材料1946年环氧树脂复合材料、玻璃纤维增强尼龙1951年玻璃纤维增强聚苯乙烯1956年酚醛石棉耐磨复合材料3、先进复合材料先进复合材料随着航天航空技术的开展，对结构材料要求比强度、比模量、韧性、耐热、抗环境能力和加工性能都好。针对各种不同需求，出现了高性能树脂基先进复合材料，标志在性能上区别于一般低性能的常用树脂基复合材料。以后又陆续出现金属基和陶瓷基先进复合材料。对结构用先进复合材料，除英国外，各技术兴旺国家均提出研制开发目标。如日本通商产业省制定的下一代材料工业根底开展方案(1981一1988)对复合材料提出的要求:树脂基复合材料的耐热性不低于250℃，拉伸强度到达2.5GPa以上;金属基复合材料的耐热性不低于45℃，拉伸强度到达1.5GPa以上。3.1树脂基先进复合材料树脂基先进复合材料:经60年代末期试用，树脂基高性能复合材料已用于制造军用和民用飞机的承力结构，近年来又逐步进入其他工业领域。其增强体纤维有破纤维、芳纶，或两者混杂使用;树脂基体主要是固化体系为120℃或175℃的环氧树脂，还有少量聚酞亚胺树脂，以适应耐热性高达250〞C的要求。几种树脂基先进复合材料的制成年份依次排列如下:1964年碳纤维增强树脂基复合材料1965年硼纤维增强树脂基复合材料1969年碳/玻璃混杂纤维增强树脂基复合材料1970年碳/芳纶混杂纤维增强树脂基复合材料3.2金属基先进复合材料金属基先进复合材料:70年代末期开展出来用高强度、高模量的耐热纤维与金属复合，特别是与轻金属复合而成金属基复合材料，克服了树脂基复合材料耐热性差和不导电、导热性低等缺乏。金属基复合材料由于金属基体的良导电和导热性，加上纤维增强体不仅提高了材料的强度和模量，而且降低了密度。此外，这种材料还具有耐疲劳、耐磨耗、高阻尼、不吸潮、不放气和低膨胀系数等特点，已经广泛用于航天航空等尖端技术领域作为理想的结构材料。金属基复合材料有纤维和颗粒增强两大类。纤维(包括连续纤维、短纤维和晶须)增强金属基复合材料的综合性能较好，但工艺复杂，本钱高。颗粒增强金属基复合材料可以用一般的金属加工工艺和设备生产各种型材，已经规模生产。3.3碳/碳复合材料碳/碳复合材料:60年代用碳纤维或石墨纤维作为增强体，以可碳化或石墨化的树脂浸渍，或用化学气相沉积碳作为基体，制成碳/碳复合材料。70年代初，主要用以制造导弹尖锥、发动机喷管，以及航天飞机机翼的前缘部件等。这种材料能在高温(可达2700℃)下仍保持其强度、模量、耐烧蚀性。现在还设法拓宽民用领域。3.4陶瓷基先进复合材料陶瓷基先进复合材料:80年代开始逐渐开展陶瓷基复合材料，采用纤维补强陶瓷基体以提高韧性。主要目标是希望用以制造燃气涡轮叶片和其他耐热部件，但仍在开展中。4应用领域复合材料的主要应用领域有：①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verton复合材料壳体、发动机壳体、航天飞机结构件等。②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。③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。④医学领域。碳纤维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。5复合材料的开展潜力和热点展望21世