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一.绪言

材料是高新技术发展和现代文明的物质基础，材料科学一直是活跃的科学前沿。材料是人类文明发展的里程碑：历史上所谓石器—青铜—铁器时代，就以材料作为时代标志。材料是技术进步的关键。没有半导体材料，就不会有计算机;没有耐高温、高强、低容重的结构材料就没有宇航事业。美国国家关键技术委员会列定了21项关键技术中材料占五项：光电子材料、金属与合金、陶瓷材料、高分子材料、先进复合材料。我国863计划涵括的七大方面：航天、激光、生物工程、新材料、能源、信息、自动化。材料是其中之一。材料的开发、生产和应用对自然环境和人类社会的影响是无与伦比的。因此，人们把能源—材料—信息作为现代文明的三大支柱。

为什么材料，特别是高性能新材料受到世界各国如此重视，得到迅速发展呢?主要有以下四点原因：(1)国际军事工业激烈竞争，航空航天技术发展需要。下面举几个例子予以佐证。例1，宇宙飞船或卫星返回地面若不控制，外表温度可达4000℃。合金钢2000℃也熔化了。目前没有任一种单一材料可抵此温度。飞船宇宙飞行时，外壁温度为零下110℃，返回地面，高温冲击时间30min，外壁温度为1250℃。美国航天飞机“哥伦比亚号”外表覆盖了可重复使用的聚合物基复合材料隔热瓦片30757块，成功解决了难题。例2，宇宙飞行器上的雷达天线，称为“飞行器眼睛”。为降低信号损失，对其尺寸稳定性有严格要求：变形小于万分之一，重量轻强度高。工作环境却非常严苛：发射加速度冲击与振动，-200℃~70℃。高模量碳纤维/环氧树脂复合材料几乎为唯一满足要求的材料。例3，据计算，人造卫星减重1kg，运载火箭可减轻500kg。美国MX导弹发动机由碳纤维/环氧缠绕壳体取代钛合金，射程由1千公里增至4千公里,CFWRP的比重仅为合金钢的确1/5。例4，美国航天飞机采用了各种先进复合材料：

发动机壳体硼纤维/环氧聚合物基复合材料

压力容器硼纤维/聚酰亚胺

后部机体碳纤维/聚酰亚胺

机体中央部分硼纤维/铝金属基复合材料

机头及主翼前缘碳/碳复合材料

哈尔滨飞机公司引进的法国海豚直升机，碳纤维、Kevlar纤维增强环氧先进复合材料用量占70%以上。以上例子说明高性能新材料、聚合物基复合材料迅猛发展的第一个原因。(2)新技术的需要促进了新材料的发展。(3)地球上金属资源与化石能源越用越少，石油天燃气等本世纪末将用尽，开发与节约能源为当务之急。据报导，全世界汽车每天用油约300万吨，约占世界产油总量的30—40%。采用陶瓷基复合材料制造汽车发动机，热效率提高50%，可减重20%，省油30%。碳纤维增强塑料汽车可省油20%。再如:一个年产4.5万吨的人工合成橡胶厂就能抵上45万亩天然橡胶园。(4)科学技术的进步为新材料的发展提供了条件中国树脂在线。

材料的分类，新材料偏重于应用可分为：信息材料、能源材料、功能高分子材料(如高效分离膜)、新型金属材料(非晶态金属、新合金等)、先进复合材料等。从物质组成结构上分为四大类：金属材料、无机非金属材料(陶瓷、玻璃、水泥等)、高分子材料(包括三大合成材料：树脂、橡胶、纤维等)、复合材料。人们对材料的研究，总体归结为两大方面：一是材料组成、结构与性能关系(即微观结构与宏观性能的关系)。二是设计、制造工艺与产品性能间的关系。代表着结构材料发展趋势的树脂基复合材料脱颖而出，日益发挥重要作用。20世纪以钢铁为主的时代经过数十年发展，正逐步演变为复合材料时代。在发达国家钢铁需求量逐年下降，而复合材料需求量猛增。目前美国塑料与树脂基复合材料需求量比钢铁多0.8倍(体积比)。树脂基复合材料经过半个世纪的发展历程，其理论研究和工业生产已取得巨大进展，应用范围已扩展至人类生活各领域。

二.复合材料与树脂基体

1.什么是复合材料的定义国内外业界有各种说法。英国人赫尔提出复合材料分三类：天然复合材料，如木材、骨骼、肌肉等;细观复合材料，如合金、增强塑料等;宏观复合材料，如钢筋混凝土等。适合于工程结构的复合材料定义应包含以下三点内容：

(1)含两种或两种以上物理性质不同并可用机械方法分离的多相材料(区别与混合物和合金);

(2)可人为控制将一种材料分布到其它材料中，以达最佳性能;

(3)性能优于单独组分材料，并具独特性能。

科学家把复合材料这种扬长避短的作用称为复合效应。人们利用复合效应可自由选择复合材料组成物质，人为设计各种新型复合材料，把材料科学推进到了一个新阶段。因此，国外把复合材料称为第四代材料，又称“设计材料”。

2.复合材料的分类工程上生产与应用的复合材料内含两类材料：增强材料与基体材料。

增强材料作用：提供强度与刚度

形态：多为纤维状

材质：玻璃纤维、碳纤维、芳伦(Kevlar)纤维、硼纤维、碳化硅纤维等。

基体材料作用：将增强材料粘接成固态整体，保护增强材料，传递荷载，阻止裂纹扩展;材质：合成树脂。分为热固性树脂与热塑性树脂两大类;金属;陶瓷;水泥

根据基体的不同复合材料又细分为：

聚合物基复合材料，又称纤维增强塑料。分为纤维增强热固性塑料FRP与纤维增强热塑性塑料FRTP。应用最广的为玻璃纤维增强塑料GRP(GlassReforcedPlastics);金属基复合材料，如连续或非连续硼纤维、碳纤维增强铝镁、钛、镍等金属基体;陶瓷基复合材料，如碳纤维、碳化硅(SiC)晶须增强陶瓷，极大提高了陶瓷的韧性(提高断裂韧性最高可达9倍以上);水泥基复合材料，如碳纤维、玻璃纤维、植物纤维增强水泥等;碳纤维增强碳基体称为C/C复合材料。上述诸种复合材料，目前全世界产量最大应用最广(约90%以上)首推聚合物基复合材料。

3.聚合物基复合材料的特性

(1)轻质高强。以CFRP为例：与钢相比，比重仅为钢的1/5，比强度为钢的8倍，比模量为3.6倍，疲劳强度为2.7倍，抗拉强度为1.4倍。

(2)耐腐蚀性优异。全世界每年腐蚀金属约1.2亿吨，我国金属腐蚀损失每年约600亿以上。FRP因根本不发生金属的电化学腐蚀，可取代昂贵的不锈钢。

(3)制造容易，生产率高。美国阿特拉斯导弹，用纤维缠绕聚合物基复合材料壳体取代合金钢，生产周期缩短为1/3。波音公司某型飞机由11000个金属零部件组成，改用聚合物基复合材料仅为1500个零部件，减少90%。

(4)可设计性好。纤维增强材料的数量与方向可根据受力情况调变;以最大程度提高结构抗力。如纤维缠绕成型的FRP容器或管道，选定纤维缠绕角为5444，则可实现轴向环向等强度。而金属压力容器与管道却实现不了。

(5)抗震性优良。CFRP的自振频率为钢的1.9倍。振动阻尼高，同尺寸梁实验：CFRP梁2.5min停止振动，钢梁需9min。

(6)其它优异性能如透波性、隔热性等。

4.聚合物基复合材料的应用

上世纪40年代美国最早用GRP制造飞机组合部件及航空气瓶。先进聚合物基复合材料在世界各国飞机上的应用(占总重量百分比)：

美国F-2226%苏-2720%

法EF-200043%中国歼-106%

波音-7779900kg/架空中客车A34011000kg/架

发达国家各型导弹发动机壳体90%以上采用纤维缠绕聚合物基复合材料。

民用方面大家所熟知的玻璃钢就不想多说了，仅就几个方面概略介绍一下。

汽车业的应用上世纪90年代汽车钢材应用比例下降到14—15%。2000年美国每五辆汽车就有一辆为FRP制造车身。欧美SMC(纤维增强不饱和树脂基体的片状膜塑料)产量年递增10%以上，美国SMC产量的80%以上用于汽车。我国SMC生产线引进与自制共30余条，年设计产量9万吨以上。玻璃毡增强热塑性复合材料(GMT)，全世界年增长率为25%以上，95%用于汽车工业。

汽车用天燃气气瓶，采用碳纤维缠绕树脂基复合材料制造，市场潜力巨大。我国石油短缺，天燃气的储量丰富。汽车燃料对环境污染小。气瓶重量轻，耐腐蚀，工作压力20—100Mpa，寿命15—20年。

土木工程结构的补强修复应用碳纤维增强聚合物基复合材料对桥梁、隧道、水工构筑物及高层建筑等土木工程结构的修复可谓方兴未艾。与传统修复技术比，轻质高强，耐腐蚀;施工便捷，可在有限空间施工，不需大型机具;修复费用仅为传统修复费用的1/4左右;施工周期为1/2—1/3;可修复复杂曲面形体。将特制光纤FBG传感器置入碳纤维聚合物复合材料中，构成智能先进复合材料。用其对损坏的桥梁等重要构筑物进行补强加固修复，不仅具有传统修复无可比拟的优越性，而且可实现对构筑物三维局部应力、疲劳损伤进行长期实时在线监测，并及时作出评估。

化工环保耐腐蚀设备及玻璃钢管道由于GRP具有优良耐腐蚀性，美国、日本在化工环保设备方面的应用已列GRP市场的3—4位。采用玻璃纤维缠绕成型不饱和聚酯与环氧树脂基体的复合材料管道性能优异，市场巨大，GRP管道已成为美国第三大运输手段(装备)。美国在德克萨斯、阿克拉荷马、加利福尼亚三州的盐碱地上与地下实际使用20年后，进行爆破试验，爆破压力并没有降低。此外，根据我的计算：由于GRP管道流体阻力小，泵能耗比金属管降低30%左右;可直埋地下，安装费用节省约15—50%。据意大利威德罗西那公司试验：铸铁与GRP两种管道，管径500mm，管长6m。同样施工条件，埋设管线长均为1000m。施工期GRP管仅用1天，而铸铁管却需30天。综合经济效益，玻璃钢管不仅优于普通碳钢管而且也优于不锈钢管。