壹.導言
材料是高科技發展和現代文明的物質基礎，材料科學壹直是活躍的科學前沿。材料是人類文明發展的裏程碑:歷史上所謂的石器-青銅-鐵器時代就是以材料為標誌的。材料是技術進步的關鍵。沒有半導體材料，就沒有計算機；沒有耐高溫、高強度、低堆積密度的結構材料，就沒有航空航天工業。在美國國家關鍵技術委員會列出的21項關鍵技術中，材料占了五項:光電材料、金屬及合金、陶瓷材料、高分子材料和先進復合材料。中國的863計劃涵蓋了航空航天、激光、生物工程、新材料、能源、信息、自動化七個方面。材料就是其中之壹。材料的開發、生產和應用對自然環境和人類社會有著無與倫比的影響。因此，人們將能源-材料-信息視為現代文明的三大支柱。
為什麽材料尤其是高性能新材料在世界範圍內得到如此多的關註和快速發展？主要有以下四個原因:(1)國際軍工行業的激烈競爭和航天技術發展的需要。下面舉幾個例子來證明。例1，如果飛船或衛星不加控制返回地面，表面溫度可達4000℃。合金鋼也在2000℃熔化。目前，沒有壹種單壹的材料能夠承受這種溫度。飛船在太空飛行時，外壁溫度為-110℃，返回地面時，高溫沖擊時間為30min，外壁溫度為1250℃。美國“哥倫比亞”號航天飛機覆蓋了30757塊可重復使用的聚合物基復合隔熱磚，成功解決了這壹問題。例2，飛船上的雷達天線被稱為“飛機眼”。為了減少信號損失，對其尺寸穩定性有嚴格的要求:變形小於萬分之壹，重量輕，強度高。但是工作環境非常惡劣:發射加速度沖擊振動，-200℃~70℃。高模量碳纖維/環氧樹脂復合材料幾乎是唯壹符合要求的材料。例3:根據計算，衛星可減重1kg，運載火箭可減重500kg。美國MX導彈發動機用碳纖維/環氧纏繞殼體代替鈦合金，射程從1000km提高到4000km。CFWRP的比重僅為合金鋼的65，438+0/5。例4，美國航天飛機使用了各種先進的復合材料:
發動機殼體用硼纖維/環氧聚合物基復合材料
壓力容器硼纖維/聚酰亞胺
後機身碳纖維/聚酰亞胺
發動機機體中心部分的硼纖維/鋁金屬基復合材料
碳/碳復合材料用於機頭和主翼前緣
哈爾濱飛機公司引進的法國海豚直升機中，碳纖維和凱夫拉纖維增強環氧先進復合材料的用量占到70%以上。以上例子說明了高性能新材料和聚合物基復合材料快速發展的第壹個原因。(2)新技術的需要促進了新材料的發展。(3)地球上金屬資源和化石能源的使用越來越少，石油和天然氣將在本世紀末枯竭，因此開發和節約能源勢在必行。據報道，世界上的汽車每天使用約300萬噸石油，約占世界石油總產量的30-40%。用陶瓷基復合材料制造汽車發動機，熱效率可提高50%，重量減輕20%，節油30%。碳纖維增強塑料汽車可節油20%。再比如:壹個年產4.5萬噸的人工合成橡膠廠，可以達到45萬畝天然橡膠園。(4)科學技術的進步為新材料的發展提供了條件。
材料分類，新材料以應用為主，可分為:信息材料、能源材料、功能高分子材料(如高效分離膜)、金屬新材料(非晶態金屬、新合金等)。)，先進復合材料等。從材料組成結構上，可分為四大類:金屬材料、無機非金屬材料(陶瓷、玻璃、水泥等。)、高分子材料(包括樹脂、橡膠、纖維等三種合成材料。)和復合材料。人們對材料的研究壹般歸結為兩個方面:壹是材料成分、結構與性能的關系(即微觀結構與宏觀性能的關系)。二是設計、制造工藝和產品性能的關系。代表結構材料發展趨勢的樹脂基復合材料脫穎而出，發揮著越來越重要的作用。經過幾十年的發展，20世紀以鋼鐵為主的時代正逐漸演變為復合材料時代。在發達國家，對鋼材的需求逐年減少，而對復合材料的需求卻在飆升。目前美國對塑料和樹脂基復合材料的需求是鋼鐵的0.8倍(體積比)。經過半個世紀的發展，樹脂基復合材料在理論研究和工業生產方面取得了長足的進步，其應用範圍已經擴展到人類生活的各個領域。
2.復合材料和樹脂基體
1.復合材料的定義是什麽？英國人赫爾提出復合材料可分為三類:天然復合材料，如木材、骨骼、肌肉等。細觀復合材料，如合金和增強塑料；宏觀復合材料，如鋼筋混凝土。適用於工程結構的復合材料的定義應包括以下三點:
(1)包含兩種或兩種以上物理性質不同的多相物質，可以用機械方法分離(差異和混合物和合金)；
(2)可以人為地控制壹種材料向其他材料的分布，以達到最佳性能；
(3)性能優於單組分材料，具有獨特的性能。
科學家將復合材料的這種功能稱為“復合效應”。人們可以利用復合效應自由選擇復合材料的組成，人為設計各種新型復合材料，把材料科學推向了壹個新的階段。因此，復合材料在國外被稱為第四代材料，也稱為“設計材料”。
2.復合材料的分類工程中生產和應用的復合材料包括兩類材料:增強材料和基體材料。
增強材料功能:提供強度和剛度。
形態:多為纖維狀。
材料:玻璃纖維、碳纖維、凱夫拉纖維、硼纖維、碳化矽纖維等。
基體材料的作用:將增強材料粘結成堅固的整體，保護增強材料，傳遞載荷，阻止裂紋擴展；材料:合成樹脂。可分為熱固性樹脂和熱塑性樹脂。金屬；陶瓷；水泥
根據基體的不同，復合材料又細分為:
聚合物基復合材料，也稱為纖維增強塑料。它分為纖維增強熱固性塑料玻璃鋼和纖維增強熱塑性FRTP。應用最廣泛的是玻璃鋼GRP(玻璃重整塑料)；金屬基質復合材料，例如連續或不連續的硼纖維、碳纖維增強的鋁鎂、鈦、鎳和其他金屬基質；陶瓷基復合材料，如碳纖維、碳化矽(SiC)晶須增強陶瓷，大大提高了陶瓷的韌性(斷裂韌性可提高9倍以上)；水泥基復合材料，如碳纖維、玻璃纖維、植物纖維增強水泥等。碳纖維增強碳基體稱為C/C復合材料。目前世界上上述復合材料產量最大，應用最廣(約90%以上)，最先推廣的是聚合物基復合材料。
3.聚合物基復合材料的特性
(1)輕質高強。以CFRP為例:與鋼相比，其比重僅為1/5，比強度為8倍，比模量為3.6倍，疲勞強度為2.7倍，抗拉強度為1.4倍。
(2)優異的耐腐蝕性。全球每年腐蝕金屬約654.38+0.2億噸，我國每年金屬腐蝕損失約600億元。玻璃鋼可以代替昂貴的不銹鋼，因為它根本不會引起金屬的電化學腐蝕。
(3)制造容易，生產率高。美國的阿特拉斯導彈用纖維纏繞聚合物基復合材料殼體代替合金鋼，生產周期縮短到1/3。壹架波音飛機由11000個金屬零件組成，只有1500個零件改為聚合物基復合材料，減少了90%。
(4)良好的設計性。纖維增強材料的數量和方向可以根據受力情況進行調整；以便最大化結構阻力。比如纖維纏繞成型的玻璃鋼容器或管道，如果纖維纏繞角度為54°±44°，可以實現軸向周向等強度。而金屬壓力容器和管道是無法實現的。
(5)優異的抗震性能。CFRP的固有頻率是鋼的1.9倍。減振9ming高，同樣尺寸梁的實驗:CFRP梁振動2.5分鐘停止，鋼梁振動9分鐘。
(6)透波性、隔熱性等其他優良性能。
4.聚合物基復合材料的應用
20世紀40年代，玻璃鋼首次在美國用於制造飛機組件和航空氣缸。世界先進聚合物基復合材料在飛機上的應用(總重量百分比)；
美國F-22 26%蘇-27 20%
法國EF-2000 43%中國J -10 6%
波音-777 9900kg/空客A340 11000kg/架
發達國家90%以上的導彈發動機殼體采用纖維纏繞聚合物基復合材料。
眾所周知的民用玻璃鋼，我就不多說了，簡單介紹幾個方面。
90年代汽車工業的應用，汽車用鋼的應用比例下降到14-15%。2000年，美國每五輛汽車中就有壹輛制造玻璃鋼車身。歐美SMC(纖維增強不飽和樹脂基片材薄膜塑料)的產量正以每年10%以上的速度遞增，美國SMC產量的80%以上用於汽車。引進國產SMC生產線30多條，年設計產量9萬多噸。玻璃纖維氈增強熱塑性復合材料(GMT)在全世界的年增長率超過25%，其中95%用於汽車工業。
汽車用天然氣氣瓶采用碳纖維纏繞樹脂基復合材料，市場潛力巨大。中國石油短缺，天然氣豐富。汽車燃料對環境汙染小。氣瓶重量輕，耐腐蝕，工作壓力20-100 MPa，使用壽命15-20年。
土木工程結構加固修復的應用碳纖維增強聚合物復合材料在橋梁、隧道、水工建築物、高層建築等土木工程結構的修復中方興未艾。與傳統修復技術相比，它具有質輕、強度高、耐腐蝕的特點；施工方便，可以在有限的空間內進行，不需要大型機具；修復費用僅為傳統修復費用的1/4左右；施工工期為1/2—1/3；可以修復復雜曲面。將壹種特殊的光纖FBG傳感器置於碳纖維聚合物復合材料中，形成智能先進復合材料。利用它對受損橋梁等重要結構進行加固修復，不僅具有傳統修復無法比擬的優勢，而且可以實現對結構三維局部應力和疲勞損傷的長期實時在線監測和及時評估。
化工環保防腐設備及玻璃鋼管道。由於玻璃鋼具有優異的耐腐蝕性能，美國和日本的化工環保設備的應用在玻璃鋼市場上已經排到了3-4名。玻璃纖維纏繞不飽和聚酯/環氧樹脂復合管道性能優異，市場巨大。玻璃鋼管道已成為美國第三大運輸工具(設備)。在得克薩斯、阿克拉、荷馬、加利福尼亞等地鹽堿地和地下實際使用20年後，在美國進行爆破試驗，爆破壓力不降反升。另外，根據我的計算，由於玻璃鋼管道的流體阻力小，泵的能耗比金屬管低30%左右；可直接埋於地下，安裝費用節省約15-50%。根據意大利德羅西公司的測試，鑄鐵和玻璃鋼管道的直徑為500mm，長度為6m。相同施工條件下，埋地管道長度為1000米。施工期間，玻璃鋼管道只需1天，而鑄鐵管需要30天。綜合經濟效益，玻璃鋼管道不僅優於普通碳鋼管道，也優於不銹鋼管道。
70%的日本漁船是玻璃鋼制造的。比木船輕30%，降低能耗；使用壽命:木質船10年，玻璃鋼船20年；易於維護；可以增加35%的捕獲量。
3.先進復合材料和樹脂基體的最新發展。中國樹脂在線
1.先進復合材料中包含的兩相材料是什麽？增強材料的強度、模量、耐溫性遠高於第壹代玻璃纖維，比重低於玻璃纖維(俗稱三高壹低)，如碳纖維、凱夫拉纖維、硼纖維等。聚合物基體材料與普通的環氧、不飽和聚酯、酚醛樹脂、聚丙烯等樹脂相比，耐高溫性和韌性(斷裂伸長率)都有很大提高，如雙馬來酰亞胺、聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚醚醚碸等。這種復合材料在國際上被稱為先進復合材料ACM。
2.國際先進復合材料的最新進展
(1)20世紀80年代，Roy等人提出了納米復合材料。納米材料與技術是21世紀三大技術(信息科學技術、生命科學技術、納米科學技術)之壹，納米科學技術是前兩者進壹步發展的同壹個基礎。納米是幾何尺寸的計量單位，其長度為壹米的十億分之壹，略等於4-5個原子排列的長度。它正好處於原子、分子所代表的微觀世界和人類活動空間所代表的宏觀世界的中間。當材料尺寸
(2)先進的纖維增強熱塑性復合材料纖維增強熱塑性樹脂復合材料(FRTP)以其高韌性、耐腐蝕、耐疲勞、成型工藝簡單、周期短、材料利用率高(無浪費)、預浸料儲存環境和時間不受限制等優異性能發展迅速。
1951年，美國人R.bradit首次成功使用玻璃纖維增強聚苯乙烯。1972年，英國帝國化學公司首次研制成功聚醚碸(PES)。1977 PEEK在英國研制成功。高分子量的接枝聚醚醚酮由美國杜邦公司於1985合成。在接下來的幾年裏，各種耐高溫的熱塑性樹脂相繼問世。目前國外開發應用的先進熱塑性聚合物有聚碸(PSF)、聚醚碸(PES)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚醚酮(PEEK)、聚酰亞胺(PEI、PI、PAI)、聚芳酯(PAR)等，用作先進復合材料的基體。現在發達國家都致力於研究和開發連續纖維增強高性能熱塑性復合材料。美國和德國取得了巨大的成就。為了進壹步減輕產品重量，提高剛度，美國將模量為960Gpa的碳纖維替換為模量為440Gpa的碳纖維。實驗結果表明，與鋁結構相比，先進復合材料的減振能力提高了60-80倍，剛度提高了70%。高性能熱塑性復合材料在20世紀90年代末被廣泛用於美國空間站的建設。美國國家航空航天局制造的空間站桁架采用CF/PEEK和CF/PEI型材。波音航空航天公司采用熱壓工藝制造了美軍AIW巡航導彈的殼體、蒙皮、框架、鼻錐等32個部件，全部采用Avtel玻璃纖維/PPS。美國新型戰鬥機YF-22使用了大量先進的熱塑性復合材料。
近20年來，隨著具有良好剛性、耐熱性和耐介質性的芳香族熱塑性樹脂基體的出現，以及具有高強度、高模量、耐高溫、耐腐蝕等優異性能的碳纖維、芳綸纖維、氟碳纖維(PTFE)等高性能纖維的發展，先進熱塑性復合材料克服了壹般FRTP低溫、低模量、強度差的缺點，已廣泛應用於航空航天等高科技領域。NASP計劃開發新樹脂，使其使用溫度達到3765438±0℃。美國航天飛機軌道器采用CF/PI復合材料代替目前使用的2219鋁合金，結構熱阻可從177℃提高到316℃，結構重量和熱防護系統重量可減輕30%。PEEK、PPS等樹脂基復合材料也可用作隱身飛機的吸波結構材料。
20世紀90年代中期，在挑戰者號航天飛機爆炸後，美國國家航空航天局決定開發下壹代空天飛機，即空天飛機X-33，作為美國爭奪太空的武器。空天飛機是介於航天飛機和普通飛機之間的壹種飛行器。它可以像普通飛機壹樣起飛，在30-100公裏的高層大氣中以15馬赫的超音速飛行，直接進入近地軌道，返回大氣層，水平著陸。空天飛機可以用作反衛星武器平臺和空間監視和偵察平臺，用於快速部署或回收衛星。它具有航空航天雙重功能和兩種太空級作戰功能。空天飛機將是21世紀的超級“全能明星”。空天飛機X-33采用了大量先進的纖維增強復合材料，其中大部分是高性能熱塑性復合材料。如推力結構、尾翼、機身、油箱、電子設備艙、有效載荷艙等。復合材料的用量占總結構的80%以上。
3.國內發展概況
國產樹脂基復合材料從六五開始研究和應用已有20多年，取得了很大進展。已經成功地開發了許多高性能樹脂基體。包括高韌性身體質量指數樹脂基體、高韌性高溫和中溫固化環氧樹脂基體、阻燃環氧樹脂基體等。其中，北航院研制的5428和5429高韌性身體質量指數復合材料的CAI值分別達到260MPa和290Mpa，長期服役溫度分別為150℃和170℃。LP15聚酰亞胺復合材料具有無毒、工藝性優良、韌性好的特點，可在280℃下長期使用。北京航空學院研制的QY8911系列樹脂具有良好的綜合力學性能。西北工業大學研制的4503ABMI具有良好的電性能，可用於制造高性能天線罩。
“七五”以來，高性能熱塑性樹脂的研究開發被批準列入國家科技攻關計劃和863計劃。“九五”末，吉林大學承擔的研究已完成300噸/年聚醚碸樹脂放大技術和30噸/年聚醚醚酮樹脂中試，並通過鑒定驗收。大連理工大學簡教授承擔的國家科技攻關項目聚二氮雜萘酮醚酮(PPEK)、聚二氮雜萘酮醚碸(PPES)及其* * *系列聚合物聚二氮雜萘酮醚碸酮(PPESK)的中試生產於2001年3月通過國家鑒定，被評為國際領先水平。
纖維增強熱塑性樹脂基先進復合材料，特別是碳纖維增強聚醚碸和聚醚酮先進復合材料的研究，是國家八五和九五重點支持的項目。由曾教授主持，中山大學、703所、621所、中科院金屬所、化物所參與的國家自然科學基金重大項目“復合材料微觀結構與性能研究”，在復合界面層的形成、控制與機理、界面微觀結構與宏觀性能、復合工藝等方面做了創造性工作，成果處於國際先進水平。哈爾濱玻璃鋼研究院承擔了863項目中的連續纖維增強熱塑性樹脂基復合材料和中長纖維增強熱塑性片材的研究項目，重點研究了連續纖維增強聚醚醚酮復合材料的熔融浸漬技術、纏繞成型和拉擠成型技術。
目前，雖然國內出現了研究高性能熱塑性樹脂基復合材料的熱潮，但大多集中在短纖維增強熱塑性復合材料上。連續纖維增強熱塑性復合材料作為後起之秀，雖然在性能上比短纖維復合材料要好得多，但由於起步晚、成本高、成型相對困難，目前仍處於研發階段。通過業內同仁的努力，相信前景會相當誘人和廣闊。