《人类科学技术史-419》当代先进复合材料

复合材料是由两种或两种以上不同材料制成的。单一材料都有一定弱点，如金属材料不耐腐蚀，有机高分子材料不耐高温，无机非金属材料较脆。因此复合材料近年来倍受重视。

本世纪40年代出现了玻璃钢。它以玻璃纤维作骨料，以合成树酯作粘结剂和基体，是一种轻质、高强、耐腐蚀、绝缘性能好的复合材料。40年代中期以后，玻璃钢被广泛应用于飞机、火箭、舰艇、导弹等作为结构材料。

60年代以来，当代航空航天事业的迅猛发展，需要高强度、高模量、高耐温、低比重的复合材料。许多高性能的纤维增强材料应运而生，主要有碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维等。它们的比强度和比模量都分别在6.5×10↑6cm和6.5×10↑8cm以上，属于先进复合材料。它们与玻璃钢等近现代复合材料不同，具有低比重、高强度、高刚度、耐磨、导热、导电、膨胀系数小、抗疲劳性能好、阻尼性能好、耐烧蚀、耐冲刷、抗辐射、吸波、换能等众多优良性能，可以满足高技术对材料的苛刻要求。先进复合材料既可以做结构材料又可做功能材料及结构功能一体化材料，不仅应用于航空航天，在民用工业、能源技术、信息技术等方面也大有用武之地。

高性能增强材料是先进复合材料的关键组成部分。60年代，美国和日本开发出碳纤维，但其强度和弹性模量都不高。70年代以来，由于采用了热牵引碳化技术，强度大幅度提高；并采用其他工艺，使弹性模量进一步提高。

80年代以来，人们合理选择原料和工艺条件，有效改善和控制碳纤维的结构，使碳纤维性能朝高强度、高模量发展。1986年，日本东丽公司开发出高性能T1000碳纤维，实现了高强度、高模量、高延伸率这一目标。碳纤维增强塑料在先进飞机结构中所占比例越来越高，全碳纤维复合材料小汽车与壳体已经出现。在运动器材，如羽毛球拍、网球拍、撑杆、弓箭等制造中，碳纤维增强塑料已成为主角。

芳纶具有优异的力学性能。它的拉伸强度与石墨纤维相同而高于不锈钢丝，但它的抗冲击强度却为石墨纤维的6倍。它具有良好的耐热性、耐火性、不熔，使用温度很宽，在增强纤维中它的密度最低。由芳纶与高性能树脂基复合而成的有机纤维复合材料，除具有优异的力学性能外，最大优点是重量轻。这种复合材料已被广泛应用于航空航天和国防军工领域，如做火箭固体燃料发动机壳体、飞机机头雷达天线罩、波音757的机翼和机身的整流包皮等。

硼纤维是1958年美国发明的。实际上它是由钨丝包裹一层硼形成的复合材料。而在钨芯上直接沉淀碳化碴形成碳化硅纤维。硼纤维和碳化硅纤维的强度和弹性模量为纯铝的20-30倍，高强度铝合金的7-10倍，因此可用它们增强金属。目前，以碳化硅纤维增强铝合金发展最快，已获得商业规模应用。它的重量只有钢的1／3，强度比中碳钢好，模量高于钛合金。1983年，日本丰田汽车公司首先研制成功碳化硅纤维增强铝柴油机活塞。美国在战斗机的垂尾、机身、大梁蒙皮上选用了碳化硅纤维增强铝。

碳化硼纤维增强铁基高温合金的性能超过目前使用的强度最高的铸造高温合金，其强度比目前最好的单晶合金高30％，可减重40％。碳化硅纤维增强钛已广泛用于板材和管材，但其横向强度低，会引起芯材开裂。现在采用不对称排列增强纤维和真空扩散连接工艺，解决了开裂问题。这种全碳化硅纤维增强钛壁板将用于飞机重尾、导弹壳体和空间飞行器部件。

目前金属基复合材料多用于航空航天技术，小批量用于汽车工业和机械工业。随着制造工艺的不断完善、纤维类增强材料成本的下降，它们将在民用方面大显身手。预计到2000年，铝基金属复合材料的销售量仍居首位，而铜基、镁基的金属复合材料增长率将超过20％。

陶瓷基复合材料可以克服单一陶瓷材料脆性大的弱点。它使用的增强体有多种陶瓷纤维、晶须、颗粒等。目前，陶瓷基复合材料已实用化或即将实用化的领域有刀具、滑动构件、航空航天部件、发动机制件、能源构件等。法国已将长纤维增强碳化硅复合材料应用于制造超高速列车的制动件，显示出优异的摩擦磨损性能。

碳一碳复合材料是广义的陶瓷基复合材料。它具有比强度高、耐高温、抗烧蚀、抗磨损和抗热震性能好等优点，在航空航天领域已被广泛应用，如导弹的头锥、火箭的喷管、航天飞机的结构件。碳－碳刹车片用于飞机起落架的刹车构件。首先采用碳－碳刹车装置的民航机是欧洲的A310"空中客车"，减重400公斤以上。波音757和767也使用了这种材料。

在为下一世纪设计的航空航天飞机上，碳－碳复合材料占有重要位置。这种可作高超音速旅客机的第二代航天飞机，最高温度可达2760℃。在此条件下，唯一能够胜任的就是碳－碳复合材料。

先进复合材料问世只有20多年，现已成为当代高技术的重要组成部分。预计今后其发展将更迅猛。据美国预测，估计到2000年，聚合物基复合材料的全球市场规模将达120亿美元。中国已把先进复合材料作为发展高技术的关键新材料，列为国家高技术研究发展计划纲要的重要内容。"七五"期间已取得一定成果，今后将有更大发展。