第一章 复合材料学导论课件

复合材料学

材料学院卞军1第一章--复合材料学导论引言一、课程介绍1、课程性质：2、课程内容：3、课程目标：4、学科产生的背景：1第一章--复合材料学导论引言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。

1第一章--复合材料学导论

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。

1第一章--复合材料学导论科学中的复合思想复合是自然界的基本规律天然材料是最完美的材料，

人的心脏，75*60分*24小时*365天*80年

=3，153，600，000跳/一生

该完美的特性就来源于复合与自修复

1第一章--复合材料学导论生命体是多层次意义上的复合体系：生命体基本单位----细胞，是细胞膜、细胞基质、细胞核的复合体，各自担任营养、信息表达和力学支撑的作用。即使细胞膜也是有磷脂双分子层，蛋白质组成的复合功能体系。

1第一章--复合材料学导论

1第一章--复合材料学导论2.复合是科学的基本思想诺贝尔奖白川英树导电聚合物

vs导电复合材料

超分子科学3.材料的复合化是材料发展的基本趋势

1第一章--复合材料学导论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)performance1第一章--复合材料学导论复合材料的定义

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。1第一章--复合材料学导论复合材料的定义复合材料是由两种或两种以上异质、异形、异性的材料复合形成的新型材料。一般由基体组元与增强体或功能组装所组成。复合材料可经设计，即通过对原材料的选择、各组份分布的设计和工艺条件的保证等，使原组份材料优点互补，因而呈现出色的综合性能。1第一章--复合材料学导论1第一章--复合材料学导论1第一章--复合材料学导论复合材料的命名

把增强材料的名称放在前面，基体材料的名称放在后面来命名，如碳纤维环氧复合材料或碳/环氧复合材料。1第一章--复合材料学导论分类1、材料的分类：按化学性质分：金属和非金属材料按物理性质分：绝缘，磁性、透光，导电、半导体材料等。按用途分：航空、建筑、包装材料等。2、复合材料的分类：1第一章--复合材料学导论分类复合材料是一种混合物。在很多领域都发挥了很大的作用，代替了很多传统的材料。复合材料按其组成分为：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。1第一章--复合材料学导论分类按其结构特点又分为：①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。如纤维增强塑料、纤维增强金属等。②夹层复合材料。由性质不同的表面材料和芯材组合而成。通常面材强度高、薄；芯材质轻、强度低，但具有一定刚度和厚度。分为实心夹层和蜂窝夹层两种。③细粒复合材料。将硬质细粒均匀分布于基体中，如弥散强化合金、金属陶瓷等。④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。与普通单增强相复合材料比，其冲击强度、疲劳强度和断裂韧性显著提高，并具有特殊的热膨胀性能。分为层内混杂、层间混杂、夹芯混杂、层内／层间混杂和超混杂复合材料。1第一章--复合材料学导论复合材料按基体材料分类1第一章--复合材料学导论复合材料按功能分类1第一章--复合材料学导论复合材料的组成1第一章--复合材料学导论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、非均匀性等。

以聚合物基复合材料为例：1第一章--复合材料学导论

1.比强度和比模量高比强度（抗拉强度与密度之比）和比模量(弹性模量与密度之比)高，说明材料轻而且刚性大。

2.良好的抗疲劳性能

疲劳是材料在循环应力作用下的性质。复合材料能有效地阻止疲劳裂纹的扩展。1第一章--复合材料学导论

3.减振性能好在工作过程中振动问题十分突出，复合材料为多相系统，大量的界面对振动有反射吸收作用。且自振动频率高，不易产生共振。

4.高温性能好复合材料在高温下强度和模量基本不变。1第一章--复合材料学导论

5.各向异性和性能可设计性复合材料的性能与纤维，基体的种类和含量有关，还与纤维的排列方向，铺层次序和层数有关。可以根据实际使用时的载荷分布和使用条件，采取相应的材料和铺层设计来满足需要。

6.材料与结构的统一性复合材料的制造和制品的成型一次完成。1第一章--复合材料学导论复合材料的其它性能特点1、过载时安全性好2、具有多种功能性3、有很好的加工工艺性缺点：稳定性稍差，耐温和老化性差，层间剪切强度低等1第一章--复合材料学导论现代复合材料学科

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。

1第一章--复合材料学导论复合材料在21世纪中应起的作用

IT产业和航天航空领域：信息获得：热电材料信息处理：散热板信息存储：磁盘，光盘信息传输：光导纤维信息执行：压电复合材料在微操作中的应用生物医学（略）环境友好材料自增强的淀粉材料生活，房屋，汽车，体育军事

1第一章--复合材料学导论材料新秀一—热电材料热电材料是一种能将热能和电能相互转换的功能材料，1823年发现的塞贝克效应和1834年发现的帕尔帖效应为热电能量转换器和热电制冷的应用提供了理论依据。如随着空间探索兴趣的增加、医用物理学的进展以及在地球难于日益增加的资源考察与探索活动，需要开发一类能够自身供能且无需照看的电源系统，热电发电对这些应用尤其合适。

1第一章--复合材料学导论材料新秀一—热电材料

对于遥远的太空探测器来说，放射性同位素供热的热电发电器是目前唯一的供电系统。已被成功的应用于美国宇航局发射的“旅行者一号”和“伽利略火星探测器”等宇航器上。利用自然界温差和工业废热均可用于热电发电，它能利用自然界存在的非污染能源，具有良好的综合社会效益。利用帕尔帖效应制成的热电制冷机具有机械压缩制冷机难以媲美的优点：尺寸小、质量轻、无任何机械转动部分，工作无噪声，无液态或气态介质，因此不存在污染环境的问题，可实现精确控温，响应速度快，器件使用寿命长。还可为超导材料的使用提供低温环境。另外利用热电材料制备的微型元件用于制备微型电源、微区冷却、光通信激光二极管和红外线传感器的调温系统，大大拓展了热电材料的应用领域。因此，热电材料是一种有着广泛应用前景的材料，在环境污染和能源危机日益严重的今天，进行新型热电材料的研究具有很强的现实意义。1第一章--复合材料学导论材料新秀一—热电材料

另外利用热电材料制备的微型元件用于制备微型电源、微区冷却、光通信激光二极管和红外线传感器的调温系统，大大拓展了热电材料的应用领域。因此，热电材料是一种有着广泛应用前景的材料，在环境污染和能源危机日益严重的今天，进行新型热电材料的研究具有很强的现实意义。1第一章--复合材料学导论热电材料的特点

制造热电产生器或热电致冷器的材料称为热电材料,是一种将电能与热能交互转变的材料。其优点如下:（1）体积小,重量轻，坚固,且工作中无噪音;（2）温度控制可在±0.1℃之内;（3）不必使用CFC(CFC氯氟碳类物质，氟里昂。被认为会破坏臭气层)，不会造成任何环境污染;（4）可回收热源并转变成电能(节约能源)，使用寿命长，易于控制。1第一章--复合材料学导论热电材料的特点

虽然其优点众多，但目前利用热电材料制成的装置其效率(<5%)仍远比传统冰箱或发电机小。所以若能大幅度提升这些热电材料的效率，将对广泛用于露营的手提式致冷器，太空应用和半导体晶片冷却等产生相当重要的影响。家庭与工业上的冷却将因热电装置无运动的部件，是坚固的，安静的，可靠的，且避免使用会破坏臭气层的含氯氟碳氢化合物。电热材料需要有高导电性以避免电阻所引起电功率之损失，同时亦需具有低热传导系数以使冷热两端的温差不会因热传导而改变。

1第一章--复合材料学导论热电材料的分类

目前电热材料的选择可依其运作温度分为三类：

(1)碲化铋及其合金：这是目前被广为使用于热电致冷器的材料，其最佳运作温度<450℃。

(2)碲化铅及其合金：这是目前被广为使用于热电产生器的材料，其最佳运作温度大约为1000℃。

(3)硅锗合金：此类材料亦常应用于热电产生器,其最佳运作温度大约为1300℃。

1第一章--复合材料学导论

近年来,纳米科技相关研究蓬勃发展，热电材料应用的相关研究亦是欧美日各国在纳米科技中全力发展的重点之一，目前不论在理论方面或实验方面均有很大的研究空间，纳米材料具有比块材更大的界面，以及量子局限化效应，故纳米结构的材料具有新的物理性质，产生新的界面与现象，这对提升ZT(热电优值)值遭遇瓶颈的热电材料预期应有突破性的改善，故纳米科技目前被视为寻找高ZT值热电材料的希望。1第一章--复合材料学导论热电材料未来展望

热电材料必将成为我国新材料研究领域的热点。今后研究重点应集中在几个方面：（1）利用传统半导体能带理论和现代量子理论，对具有不同晶体结构的材料进行塞贝克系数、电导率和热导率的计算，以求在更大范围内寻找热电优值ZT更高的新型热电材料。（2）从理论和实验上研究材料的显微结构、制备工艺等对其热电性能的影响，特别是对超晶格热电材料、纳米热电材料和热电材料薄膜的研究，以进一步提高材料的热电性能。

(3)对己发现的高性能材料进行理论和实验研究，使其达到稳定的高热电性能。

(4)加强器件的制备工艺研究，以实现热电材料的产业化。1第一章--复合材料学导论直到1960年，美国科学家Maiman发明了世界上第一台激光器后，为光通讯提供了良好的光源。随后二十多年，人们对光传输介质进行了攻关，终于制成了低损耗光纤，从而奠定了光通讯的基石。从此，光通讯进入了飞速发展的阶段。材料新秀二—光导纤维1第一章--复合材料学导论光通讯是人类最早应用的通讯方式之一。从烽火传递信号，到信号灯﹑旗语等通讯方式，都是光通讯的范畴。但由于受到视距﹑大气衰减﹑地形阻挡等诸多因素的限制，光通讯的发展缓慢。1870年的一天，英国物理学家丁达尔到皇家学会的演讲厅讲光的全反射原理，他做了一个简单的实验：在装满水的木桶上钻个孔，然后用灯从桶上边把水照亮。结果使观众们大吃一惊。人们看到，放光的水从水桶的小孔里流了出来，水流弯曲，光线也跟着弯曲，光居然被弯弯曲曲的水俘获了（图4－11）。人们曾经发现，光能沿着从酒桶中喷出的细酒流传输；人们还发现，光能顺着弯曲的玻璃棒前进。这是为什么呢？难道光线不再直进了吗？这些现象引起了丁达尔的注意，经过他的研究，发现这是全反射的作用，即光从水中射向空气，当入射角大于某一角度时，折射光线消失，全部光线都反射回水中。表面上看，光好像在水流中弯曲前进。实际上，在弯曲的水流里，光仍沿直线传播，只不过在内表面上发生了多次全反射，光线经过多次全反射向前传播。1第一章--复合材料学导论通信用的激光一般在特殊的管道-------光导纤维里传播。目前，光导纤维的主要成分是二氧化硅。光导纤维的烧制1第一章--复合材料学导论材料新秀三—压电材料超声波传感器换能器压电材料压电石英晶体材料1第一章--复合材料学导论材料新秀三—压电材料压电材料是受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料。1880年，法国物理学家P.居里和J.居里兄弟发现，把重物放在石英晶体上，晶体某些表面会产生电荷，电荷量与压力成比例。这一现象被称为压电效应。随即，居里兄弟又发现了逆压电效应，即在外电场作用下压电体会产生形变。压电效应的机理是：具有压电性的晶体对称性较低，当受到外力作用发生形变时，晶胞中正负离子的相对位移使正负电荷中心不再重合，导致晶体发生宏观极化，而晶体表面电荷面密度等于极化强度在表面法向上的投影，所以压电材料受压力作用形变时两端面会出现异号电荷。反之，压电材料在电场中发生极化时，会因电荷中心的位移导致材料变形。利用压电材料的这些特性可实现机械振动（声波）和交流电的互相转换。因而压电材料广泛用于传感器元件中，例如地震传感器，力、速度和加速度的测量元件以及电声传感器等。现在，这类材料被广泛运用，举一个很生活化的例子，打火机的火花即运用此技术。1第一章--复合材料学导论压电效应的应用

压电现象是100多年前居里兄弟研究石英时发现的。那么，什么是压电效应呢？当你在点燃煤气灶或热水器时,就有一种压电陶瓷已悄悄地为你服务了一次。生产厂家在这类压电点火装置内，藏着一块压电陶瓷，当用户按下点火装置的弹簧时，传动装置就把压力施加在压电陶瓷上，使它产生很高的电压,进而将电能引向燃气的出口放电。于是，燃气就被电火花点燃了。压电陶瓷的这种功能就叫做压电效应。

1第一章--复合材料学导论压电效应的应用

压电效应的原理是，如果对压电材料施加压力，它便会产生电位差（称之为正压电效应），反之施加电压,则产生机械应力（称为逆压电效应）。如果压力是一种高频震动，则产生的就是高频电流。而高频电信号加在压电陶瓷上时，则产生高频声信号（机械震动），这就是我们平常所说的超声波信号。也就是说，压电陶瓷具有机械能与电能之间的转换和逆转换的功能，这种相互对应的关系确实非常有意思。

压电材料可以因机械变形产生电场，也可以因电场作用产生机械变形，这种固有的机-电耦合效应使得压电材料在工程中得到了广泛的应用。例如，压电材料已被用来制作智能结构，此类结构除具有自承载能力外,还具有自诊断性、自适应性和自修复性等功能，在未来的飞行器设计中占有重要的地位。

1第一章--复合材料学导论材料分类无机压电材料

分为压电晶体和压电陶瓷，压电晶体一般是指压电单晶体；压电陶瓷则泛指压电多晶体。压电陶瓷是指用必要成份的原料进行混合、成型、高温烧结，由粉粒之间的固相反应和烧结过程而获得的微细晶粒无规则集合而成的多晶体。有机压电材料又称压电聚合物，如偏聚氟乙烯（PVDF）（薄膜）及其它为代表的其他有机压电（薄膜）材料。这类材料及其材质柔韧，低密度，低阻抗和高压电电压常数(g)等优点为世人瞩目，且发展十分迅速，现在水声超声测量，压力传感，引燃引爆等方面获得应用。不足之处是压电应变常数（d）偏低，使之作为有源发射换能器受到很大的限制。第三类是复合压电材料，这类材料是在有机聚合物基底材料中嵌入片状、棒状、杆状、或粉末状压电材料构成的。至今已在水声、电声、超声、医学等领域得到广泛的应用。如果它制成水声换能器，不仅具有高的静水压响应速率，而且耐冲击，不易受损且可用与不同的深度。1第一章--复合材料学导论复合材料的发展历史复合材料使用的历史可以追溯到古代。从古至今沿用的稻草增强粘土和已使用上百年的钢筋混凝土均由两种材料复合而成。20世纪40年代，因航空工业的需要，发展了玻璃纤维增强塑料（俗称玻璃钢），从此出现了复合材料这一名称。50年代以后，陆续发展了碳纤维、石墨纤维和硼纤维等高强度和高模量纤维。70年代出现了芳纶纤维和碳化硅纤维。这些高强度、高模量纤维能与合成树脂、碳、石墨、陶瓷、橡胶等非金属基体或铝、镁、钛等金属基体复合，构成各具特色的复合材料。

1第一章--复合材料学导论复合材料发展的几个阶段天然复合材料竹、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），并出现了复合材料的名称

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。

1第一章--复合材料学导论一种天然生物复合材料—

竹子1第一章--复合材料学导论先进复合材料的产生和发展60年代，为满足航空航天等尖端技术所用材料的需要，先后研制和生产了以高性能纤维（如碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维等）为增强材料的复合材料，其比强度大于4×106厘米（cm），比模量大于4×108cm。为了与第一代玻璃纤维增强树脂复合材料相区别，将这种复合材料称为先进复合材料。按基体材料不同，先进复合材料分为树脂基、金属基和陶瓷基复合材料。其使用温度分别达250～350℃、350～1200℃和1200℃以上。先进复合材料除作为结构材料外，还可用作功能材料，如梯度复合合材料(材料的化学和结晶学组成、结构、空隙等在空间连续梯变的功能复合材料)、机敏复合材料（具有感觉、处理和执行功能，能适应环境变化的功能复合材料）、仿生复合材料、隐身复合材料等。1第一章--复合材料学导论先进复合材料

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。1第一章--复合材料学导论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。1第一章--复合材料学导论隐身材料

隐身材料可以降低被探测率，提高自身的生存率，是隐身技术的重要组成部分。按频谱可分为声、雷达、红外、可见光、激光隐身材料。按材料用途可分为隐身涂层材料和隐身结构材料。隐身材料是隐身技术的重要组成部分，在装备外形不能改变的前提下，隐身材料（stealthmaterial）是实现隐身技术的物质基础。武器系统采用隐身材料可以降低被探测率，提高自身的生存率，增加攻击性，获得最直接的军事效益。因此隐身材料的发展及其在飞机、主战坦克、舰船、箭弹上应用，将成为国防高技术的重要组成部分。对于地面武器装备，主要防止空中雷达或红外设备探测、雷达制导武器和激光制导炸弹的攻击；对于作战飞机，主要防止空中预警机雷达、机载火控雷达和红外设备的探测，主动和半主动雷达、空对空导弹和红外格斗导弹的攻击。为此，常需要雷达、红外和激光隐身技术。F-117A隐身攻击机1第一章--复合材料学导论

结构型雷达吸波材料是一种多功能复合材料，它既能承载作结构件，具备复合材料质轻、高强的优点，又能较好地吸收或透过电磁波，已成为当前隐身材料重要的发展方向。近年来，复合材料的高速发展为结构吸波材料的研制提供了保障。新型热塑性PEEK(聚醚醚酮)、PES(聚醚砜)、PPS(聚苯硫醚)以及热固性的环氧树脂、双马来酰亚胺、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺和异氰酸酯等都具有比较好的介电性能，由它们制成的复合材料具有较好的雷达传输和透射性。采用的纤维包括有良好介电透射性的石英纤维、电磁波透射率高的聚乙烯纤维、聚四氟乙烯纤维、陶瓷纤维，以及玻纤、聚酰胺纤维。碳纤维对吸波结构具有特殊意义，近年来，国外对碳纤维作了大量改良工作，如改变碳纤维的横截面形状和大小，对碳纤维表面进行表面处理，从而改善碳纤维的电磁特性，以用于吸波结构。美国空军研究发现将PEEK、PEK和PPS抽拉的单丝制成复丝分别与碳纤维、陶瓷纤维等按一定比例交替混杂成纱束，编织成各种织物后再与PEEK或PPS制成复合材料，具有优良的吸收雷达波性能，又兼具有重量轻、强度大、韧性好等特点。据称美国先进战术战斗机(ATF)结构的50%将采用这一类结构吸波材料，材料牌号为APC(HTX)。在结构吸波材料领域，西方国家中以美国和日本的技术最为先进，尤其在复合材料、碳纤维、陶瓷纤维等研究领域，日本显示出强大的技术实力。英国的Plesey公司也是该领域的主要研究机构。1第一章--复合材料学导论永磁材料对于磁感应强度以及磁极化强度具有高矫顽性的磁性材料。矫顽力相当大、磁能积相当高的磁性材料。又称“硬磁材料”。一经磁化即能保持恒定磁性的材料。具有宽磁滞回线、高矫顽力和高剩磁。实用中，永磁材料工作于深度磁饱和及充磁后磁滞回线的第二象限退磁部分。常用的永磁材料分为铝镍钴系永磁合金、铁铬钴系永磁合金、永磁铁氧体、稀土永磁材料和复合永磁材料。铝镍钴系永磁合金以铁、镍、铝元素为主要成分，还含有铜、钴、钛等元素。具有高剩磁和低温度系数，磁性稳定。分铸造合金和粉末烧结合金两种。20世纪30～60年代应用较多，现多用于仪表工业中制造磁电系仪表、流量计、微特电机、继电器等其它：铁铬钴系永磁合金；稀土永磁材料；复合永磁材料1第一章--复合材料学导论光致变色材料光致变色材料，是指受到光源激发后能够发生颜色变化的一类材料。化合物在一定的波长和强度的光作用下分子结构会发生变化，从而导致其对光的吸收峰值即颜色的相应改变，且这种改变一般是可逆的。人类发现光致变色现象已有一百多年的历史。第一个成功的商业应用始于20世纪60年代，美国的Corning工作室的两位材料学家Amistead和Stooky首先发现了含卤化银(AgX)玻璃的可逆光致变色性能，随后人们对其机理和应用作了大量研究并开发出变色眼镜。但由于其较高的成本及复杂的加工技术，不适于制作大面积光色玻璃，限制了其在建筑领域的商业应用。此后AgX光致变色的应用重心转向了价格便宜且质量较轻的聚合物基材料，而各种新型光致变色材料的性能及其应用也开始了系统研究。1第一章--复合材料学导论光致变色材料的分类1、有机光致变色化合物

(l)螺毗喃类：螺毗喃是有机光致变色材料中研究和应用最早、最广泛的体系之一，在紫外光照射下，无色螺毗喃结构中的C一O键断裂开环，分子局部发生旋转且与叫噪形成一个共平面的部花青结构而显色(3)二芳基乙烯类：二芳基乙烯类具有非常好的热稳定性、化学稳定性以及优良的灵敏度和抗疲劳性，其研究正受到国内外材料工作者越来越多的关注。

(4)偶氮苯类：偶氮苯类化合物光致变色性能良好，并其有超高存储密度和非破坏性信息读出等特点一’7}，其光致变色原理见图7。行。2、无机光致变色化合物

(1)过渡金属氧化物：这类物质主要有WO3、、MoO3、TiO2等。

(2)金属卤化物:金属卤化物具有一定的光致变色性.如碘化钙和碘化汞混合晶体、氯化铜、氯化银等。

3)稀土配合物：目前对稀土配合物光致变色的研究较少。1第一章--复合材料学导论光致变色材料应用前景(l)信息存储元件：利用光致变色化合物受不同强度和波长光照射时可反复循环变色的特点，可以将其制成计算机的记忆存储兀件，实现信息的记忆与消除过程.其记录信息的密度大得难以想象，而且抗疲劳性能好，能快速写人和擦除信息。这是新型记忆存储材料的一个新的发展方向。(2)装饰和防护包装材料：光致变色化合物可用作指甲漆、漆雕工艺品、T恤衫、墙壁纸等装饰品。为了适应不同的需要，可将光致变色化合物加入到一般油墨或涂料用的胶粘剂、稀释剂等助剂中混合制成丝网印刷油墨或涂料;还可将光致变色化合物制成包装膜、建筑物的调光玻璃窗、汽车及飞机的屏风玻璃等，防护日光照射，保证全。

1第一章--复合材料学导论(3)自显影全息记录照相：这是利用光致变色材料的光敏性制作的一种新型自显影+法照相技术。在透明胶片等支持体上涂一层很薄的光致变色物质(如螺毗喃、俘精酸醉等)，其对可见光不感光，只对紫外光感光，从而形成有色影像。这种成像方法分辨率高，不会发生操作误差，而且影像可以反正录制和消除。(4)国防上的用途：光致变色材料对强光特别敏感，因此可以用来制作强光辐剂量剂。它能测量电离辐射，探测紫外线、X射线、y射线等的剂量。如将其涂在飞船的外部，能快速精确地计量出高辐射的剂量。光致变色材料还可以制成多层滤光器，控制辐射光的强度，防止紫外线对人眼及身体的伤害。如果把高灵敏度的光致变色体系指示屏用于武器上，可记录飞机、军舰的行踪，形成可褪色的暂时痕迹。1第一章--复合材料学导论吸声材料吸声材料，是具有较强的吸收声能、减低噪声性能的材料。借自身的多孔性、薄膜作用或共振作用而对入射声能具有吸收作用的材料，超声学检查设备的元件之一。吸声材料要与周围的传声介质的声特性阻抗匹配，使声能无反射地进入吸声材料，并使入射声能绝大部分被吸收。金字塔型吸声材料吸声材料1第一章--复合材料学导论智能材料智能材料（Intelligentmaterial），是一种能感知外部刺激，能够判断并适当处理且本身可执行的新型功能材料。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。一般说来，智能材料有七大功能，即传感功能、反馈功能、信息识别与积累功能、响应功能、自诊断能力、自修复能力和自适应能力。1第一章--复合材料学导论应用

在建筑方面，科学家正集中力量研制使桥梁、高大的建筑设施以及地下管道等能自诊其“健康”状况，并能自行“医治疾病”的材料。英国科学家已开发出了两种“自愈合”纤维。这两种纤维能分别感知混凝土中的裂纹和钢筋的腐蚀，并能自动粘合混凝土的裂纹或阻止钢筋的腐蚀。粘合裂纹的纤维是用玻璃丝和聚丙烯制成的多孔状中空纤维，将其掺入混凝土中后，在混凝土过度挠曲时，它会被撕裂，从而释放出一些化学物质，来充填和粘合混凝土中的裂缝。防腐蚀纤维则被包在钢筋周围。当钢筋周围的酸度达到一定值时，纤维的涂层就会溶解，从纤维中释放出能阻止混凝土中的钢筋被腐蚀的物质。

在飞机制造方面，科学家正在研制具有如下功能的智能材料：当飞机在飞行中遇到涡流或猛烈的逆风时，机翼中的智能材料能迅速变形，并带动机翼改变形状，从而消除涡流或逆风的影响，使飞机仍能平稳地飞行。可进行损伤评估和寿命预测的飞机自诊断监测系统。该系统可自行判断突然的结构损伤和累积损伤，根据飞行经历和损伤数据预计飞机结构的寿命，从而在保证安全的情况下，大大减少停飞检修次数和常规维护费用，使商业飞机能获得可观的经济效益。此外，还有人设想用智能材料制成涂料，涂在机身和机翼上，当机身或机翼内出现应力时，涂料会改变颜色，以此警告。

1第一章--复合材料学导论应用

在医疗方面，智能材料和结构可用来制造无需马达控制并有触觉响应的假肢。这些假肢可模仿人体肌肉的平滑运动，利用其可控的形状回复作用力，灵巧地抓起易碎物体，如盛满水的纸杯等。药物自动投放系统也是智能材料一显身手的领地。日本推出了一种能根据血液中的葡萄糖浓度而扩张和收缩的聚合物。葡萄糖浓度低时，聚合物条带会缩成小球，葡萄糖浓度高时，小球会伸展成带。借助于这一特性，这种聚合物可制成人造胰细胞。将用这种聚合物包封的胰岛素小球，注入糖尿病患者的血液中，小球就可以模拟胰细胞工作。血液中的血糖浓度高时，小球释放出胰岛素，血糖浓度低时，胰岛素被密封。这样，病人血糖浓度就会始终保持在正常的水平上。应用在人体中1第一章--复合材料学导论智能材料的再一个重要进展标志就是形状记忆合金，或称记忆合金。这种合金在一定温度下成形后，能记住自己的形状。当温度降到一定值（相变温度）以下时，它的形状会发生变化；当温度再升高到相变温度以上时，它又会自动恢复原来的形状。目前记忆合金的基础研究和应用研究已比较成熟。一些国家用记忆合金制成了卫星用自展天线。在稍高的温度下焊接成一定形状后，在室温下将其折叠，装在卫星上发射。卫星上天后，由于受到强的日光照射，温度会升高，天线自动展开。除此之外，还有人用记忆合金制成了窗户自动开闭器。当温度升至一定程度后窗户自动打开，温度下降时自动关闭。形状记忆合金1第一章--复合材料学导论研究方向

智能材料是一种集材料与结构、智然处理、执行系统、控制系统和传感系统于一体的复杂的材料体系。它的设计与合成几乎横跨所有的高技术学科领域。构成智然材料的基本材料组元有压电材料、形状记忆材料、光导纤维、电（磁）流变液、磁致伸缩材料和智能高分子材料等。智能材料的出现将使人类文明进入一个新的高度，但目前距离实用阶段还有一定的距离。今后的研究重点包括以下六个方面：（1）智能材料概念设计的仿生学理论研究（2）材料智商评价体系的研究（3）耗散结构理论应用于智能材料的研究（4）机敏材料的复合-集成原理及设计理论（5）智能结构集成的非线性理论（6）仿人智能控制理论1第一章--复合材料学导论智能材料的选材一般来说智能材料由基体材料、敏感材料、驱动材料和信息处理器四部分构成。（1）基体材料

基体材料担负着承载的作用，一般宜选用轻质材料。一般基体材料首选高分子材料，因为其重量轻、耐腐蚀，尤其具有粘弹性的非线性特征。其次也可选用金属材料，以轻质有色合金为主。

（2）敏感材料敏感材料担负着传感的任务，其主要作用是感知环境变化（包括压力、应力、温度、电磁场、PH值等）。常用敏感材料如形状记忆材料、压电材料、光纤材料、磁致伸缩材料、电致变色材料、电流变体、磁流变体和液晶材料等。

1第一章--复合材料学导论智能材料的选材

（3）驱动材料因为在一定条件下驱动材料可产生较大的应变和应力，所以它担负着响应和控制的任务。常用有效驱动材料如形状记忆材料、压电材料、电流变体和磁致伸缩材料等。可以看出，这些材料既是驱动材料又是敏感材料，显然起到了身兼二职的作用，这也是智能材料设计时可采用的一种思路。

（4）其它功能材料包括导电材料、磁性材料、光纤和半导体材料等1第一章--复合材料学导论机敏材料机敏材料smartmaterial

能检知环境变化，并通过改变自身一个或多个性能参数对环境变化作出响应，使之与变化后的环境相适应的材料。

1第一章--复合材料学导论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1第一章--复合材料学导论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1第一章--复合材料学导论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1第一章--复合材料学导论1第一章--复合材料学导论开创性的大量应用源自F1赛车的碳纤维复合材料1第一章--复合材料学导论GLARE蒙皮用于A380飞机的上机身蒙皮1第一章--复合材料学导论中国自研大飞机面临发动机与复合材料两大难题1第一章--复合材料学导论大推力、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。1第一章--复合材料学导论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。1第一章--复合材料学导论轻巧的碳/碳复合材料1第一章--复合材料学导论全复合材料机身：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。1第一章--复合材料学导论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%1第一章--复合材料学导论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。1第一章--复合材料学导论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1第一章--复合材料学导论凯夫拉防弹衣“凯夫拉”材料于1935年诞生在美国杜邦公司，它是一种芳香族聚酰胺有机纤维，我国称它为芳纶复合材料，“凯夫拉”有多种化学物质融合而成，其特点是密度高，重量轻，强度高，韧性好，耐高温，耐化学腐蚀，绝缘性能和纺织性好，它于1972年投入工业生产，并付诸实用。美国用了6年时间，花费了250万美元，研制出用“凯夫拉”材料制成的头盔，从而结束了作为美国陆军象征有名的“钢盔”时代。这种头盔仅重1.45千克，其防弹性能比原标准钢盔高出了33%。同时，这种新头盔更贴近头部，使用者感觉更加舒适。1第一章--复合材料学导论凯夫拉防弹衣据军事专家统计，战场人员伤亡总数的75％是由低速或中速流弹和炸弹的碎片造成的，而子弹造成的直接伤亡仅占25％，为了提高作战人员的生存能力，人们对避弹衣的研制越来越重视。在制造避弹衣的众多防弹材料中，“凯夫拉”纤维后来居上，一跃成为材料技术领域的佼佼者。用“凯夫拉”代替尼龙和玻璃纤维，可使避弹衣的重量减轻50%：在单位面积质量相同的情况下，其防护力至少可增加1倍，并且具有很好的柔韧性。用这种材料制成的防弹衣仅重2-3千克，而且穿着舒适，行动方便，很快就被世界上许多国家的军队采用。

1第一章--复合材料学导论复合材料制防弹衣1第一章--复合材料学导论凯夫拉纤维防弹头盔救了英国大兵一条命

英国海军陆战队40突击队士兵艾力克-沃尔德曼在26日乌姆盖斯尔的战斗中头部中弹。幸亏有“凯夫拉纤维”(kevlar)防弹头盔，他才捡了一条命。图为沃尔德曼戴着留有弹孔的救命头盔。

1第一章--复合材料学导论超级跑车

车身大量应用碳纤维复合材料1第一章--复合材料学导论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1第一章--复合材料学导论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1第一章--复合材料学导论绿可木，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1第一章--复合材料学导论采用高分子复合材料制作浮雕和雕塑1第一章--复合材料学导论碳纤维/树脂复合材料1第一章--复合材料学导论碳/碳复合材料1第一章--复合材料学导论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1第一章--复合材料学导论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。1第一章--复合材料学导论JS系列自润滑复合材料与部件1第一章--复合材料学导论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。1第一章--复合材料学导论锂/复合材料聚合物电解质-热电池1第一章--复合材料学导论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1第一章--复合材料学导论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1第一章--复合材料学导论复合材料的铺层优化设计1第一章--复合材料学导论当前常用的模压料品种有热固性复合材料，包括SMC、BMC和TMC等；热塑性复合材料1第一章--复合材料学导论

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。1第一章--复合材料学导论

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。

1第一章--复合材料学导论

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。

1第一章--复合材料学导论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。

1第一章--复合材料学导论几种典型先进复合材料和常用材料性能对比材料密度(g/cm3)拉伸强度(GPa)比强度

107(mm)拉伸模量(GPa)比模量

109(mm)冲击强度(kg·cm/cm2)线胀系数

10-6(℃-1)复合材料碳纤维(高强)/环氧1.61.811.31288.0760.2芳纶/环氧1.41.510.7805.72001.8硼纤维/环氧2.11.67.622010.5-4.0碳化硅纤维/环氧2.01.57.51306.52602.6石墨纤维/铝2.20.83.623110.5-2.0金属钢7.81.41.82102.7-12铝合金2.80.51.7772.8-23钛合金4.51.02.21102.4-9.0高聚物尼龙61.20.070.062.70.0212401第一章--复合材料学导论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）1第一章--复合材料学导论

开发空间是人类进步的重要标志，已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。1第一章--复合材料学导论

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)。1第一章--复合材料学导论在能源技术中先进复合材料的应用范例功能构件先进复合材料新能源太阳能发电太阳能电池结构支架碳纤维／树脂基太阳能发电热变换器的吸热层吸热功能风力发电机叶片及塔身混杂碳纤维／树脂基核能源核同位素分离离心机转子碳纤维／树脂基核能源核燃料包覆管碳纤维／碳节能汽车转动轴、轮箍活塞碳纤维／树脂基汽车活塞连杆及销子氧化铝纤维／铝燃气涡轮发动机涡轮叶片陶瓷基和耐高温金属基储能高效铅酸蓄电磁电极碳纤维／铅高能锂电池固体电解质离子导电功能1第一章--复合材料学导论

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)。

1第一章--复合材料学导论先进复合材料在信息技术中的应用功能部件先进复合材料检测换能敏感元件换能功能传输光纤光缆的缆芯和管碳纤维或芳纶/树脂基存储磁记录和磁光记录盘片磁性功能处理与计算大规模集成电路基片碳纤维/铜计算机及终端用屏幕罩高频覆铜电路板半导体及导电性键盘触点柔性导电执行打印机机械零件碳纤维/树脂基机械手与机器人碳纤维/树脂基或金属基1第一章--复合材料学导论

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。

1第一章--复合材料学导论

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第一章--复合材料学导论复合材料网站和网页1第一章--复合材料学导论复合材料网站和网页中国复合材料网中国复合材料学会西安航天复合材料研究所--复合材料专家材料复合新技术信息门户中国玻璃纤维复合材料信息网武汉理工大学复合材料系—复合材料技术网北京航空航天大学材料科学与工程学院1第一章--复合材料学导论复合材料的基元和种类介绍1、高性能增强剂2、树脂基复合材料3、金属基复合材料4、无机非金属基复合材料5、C/C复合材料6、功能复合材料7、功能复合材料的发展趋势1第一章--复合材料学导论

(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)为先驱体的MJ系列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。 有机纤维中溶致液晶的聚芳酰胺类发展很快，现已出现许多牌号，性能可与Kavlar系列媲美。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。1第一章--复合材料学导论

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，强度与模量均超过Kavlar49，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NicalonSiC纤维开发成功,最近又推出Tyranno(含Ti的SiC)纤维．其性能相当但耐温性明显高于Nicalon。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。

1第一章--复合材料学导论(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，LARC－160和LR600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。

1第一章--复合材料学导论

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，如FE7003、Xu295、H795和EA9102等等。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，但由于价洛昂贵，加工性能又差，所以只有在特殊情况下才少量使用。

1第一章--复合材料学导论

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。1第一章--复合材料学导论

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。

1第一章--复合材料学导论(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。

1第一章--复合材料学导论金属基复合材料

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。1第一章--复合材料学导论金属基复合材料

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。

1第一章--复合材料学导论金属基复合材料

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。1第一章--复合材料学导论(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。

1第一章--复合材料学导论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。1第一章--复合材料学导论(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。

1第一章--复合材料学导论

(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。 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。

1第一章--复合材料学导论功能材料发展趋势

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。1第一章--复合材料学导论

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。1第一章--复合材料学导论

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。1第一章--复合材料学导论生物医用材料

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。1第一章--复合材料学导论能源材料

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。

1第一章--复合材料学导论生态环境材料

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：①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；②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；③材料的环境协调性评价。

1第一章--复合材料学导论智能材料

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。1第一章--复合材料学导论功能材料的国内需求分析

中国作为一个13亿人口的大国，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。1第一章--复合材料学导论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