1、精選優質文檔-傾情為你奉上新型復合材料的發展與應用復合材料是應現代科學技術發展而涌現出的一類具有極大生命力的新材料，它們均由兩種或兩種以上物理和化學性質不同的物質組合起來而得到的一種多相固材料。復合材料區別于單一材料的顯著特征是材料性能的可設計性，即經過選擇性設計和加工，通過各組分性能間的相互補充，可獲得新的優良性能。生活中有許許多多的復合材料，傳統的復合材料有鋼筋混凝土，玻璃鋼魚竿、一體成型的鞋子、用于開關絕緣的合成樹脂等。新型復合材料是具有更高性能的材料，具有比強度高、比模量高、密度低等，它包括用碳、芳綸、陶瓷等纖維和晶體等高性能增強體與耐熱性好的熱固性和熱塑性樹脂基構成的高性能聚合物復合

2、材料。人類在遠古時代就從實踐中認識到， 可以根據用途需要，組合兩種或多種材料，利用性能優 勢互補，制成原始的復合材料。所以，復合材料既是一 種新型材料，也是一種古老的材料。復合材料的發展歷 史，可以從用途、構成、功能，以及設計思想和發展研 究等，大體上分為古代復合材料和現代復合材料兩個階 段。 古代復合材料在西安東郊半坡村仰韶文化遺址， 發現早在公元前2000年以前，古代人已經用草莖增強 土坯作住房墻體材料。    在金屬基復合材料方面，中國也有高超的技藝。最具代表

3、性的如越王劍，是金屬包層復合材料制品，不僅光亮鋒利，而 且韌性和耐蝕性優異，埋藏在潮濕環境中幾千年，出土 后依然寒光奪目，鋒利無比。    5000年以前，中東地區用蘆葦增強瀝青造船。古 埃及墓葬出土，發現有用名貴紫檀木在普通木材上裝飾 貼面的棺撐家具。古埃及修建金字塔，用石灰、火山灰 等作粘合劑，混和砂石等作砌料，這是最早最原始的顆 粒增強復合材料。 但是，上述輝煌的歷史遺產，只是人類在與自然界 的斗爭實踐中不斷改進而取得的，同時都是取材于天然 材料，對復合材料還

4、是處于不自覺的感性認識階段。   到了19世紀，兩次工業革命的進行，天然聚合物的性能已經不能滿足工業發展對材料性能的需要。工業革命的進行、經濟實力的迅速發展，帶動科學技術巨大發展，不同于天然材料的現代復合材料應運而生。而真正現代意義上的復合材料最早出現在1847年。許許多多的科學家為復合材料的發展做出了重大貢獻。1847年 瑞典化學家Berzelius，這位現代化學的奠基人之一，首次在實驗室發明了飽和聚酯。1894年 Vorlander在實驗室著手對乙二醇馬來酸的研究工作，成為記錄在案最早的一位研究不飽和聚酯樹脂的化學家。1920年 

5、先鋒人物Wallace Carothers開始對乙二醇與不飽和脂肪酸合成的聚酯的研究工作。1922年 首個聚酯樹脂被研發成功。1930年末 研究人員Bradley， Kropa 和Johnson三人共同研究不飽和聚酯的固化情況，在報告中提高，固化后，它們可以分為可熔性和不可溶性（熱固性）。1935年 歐文斯科寧（Owens Corning）首次引入玻璃纖維1941年 不飽和聚酯首次投入美國的壓鑄商業市場1942年 美國橡膠公司開發出玻璃纖維增強聚酯樹脂作為基體的復合材料。1946年 船艇制造商開

6、始意識到纖維增強復合材料為整個工業帶來了何種變革，在這年中首個復合材料船身的游艇在美國建成，還首次引入了冷固化系統。1950年早期 閉模工藝開發完成。1951年中期 不飽和聚酯樹脂在歐洲投入商業化生產。1963年 碳纖維增強材料引入市場過20世界60年代末期使用，樹脂基高性能復合材料被用于飛機的承力結構，后又逐漸進入工業其他領域。70年代末期發展出了用高強度、高模量的耐熱碳纖維和陶瓷纖維與金屬復合，特別是魚輕金屬復合，形成了金屬基復合材料，克服了樹脂基復合材料耐熱性差、導熱性低等缺點，已廣泛應用于航空航天等高科技領域。80年代開始，逐漸出現了陶瓷復合材料。復合材料

7、因其具有可設計的特點受到廣泛的重視，因而發展極快。目前全世界復合材料的年產量已達550多萬噸，年產值達1300億美元以上，若將歐、美的軍事航空航天的高價值產品計入，其產值將更為驚人。從應用上看，復合材料在美國和歐洲主要用于航空航天、汽車等行業。2000年美國汽車零件的復合材料用量達14.8萬噸，歐洲汽車復合材料用量到2003年估計可達10.5萬噸。而在日本，復合材料主要用于住宅建設，如衛浴設備等，此類產品在2000年的用量達7.5萬噸，汽車等領域的用量僅為2.4萬噸。 纖維復合材料是當今世界發展最快運用最多的新型多功能復合材料，其中碳纖維以優良的性能而應用最多。碳纖維密度小、耐酸、熱

8、膨脹系數小，具有良好的耐高溫蠕變性能，而且碳纖維根據力學性能不同而有多種分類，如高強型、高模量型等分別用于不同場所。F1中復合材料的應用1950年初，主流的F1賽車底盤主要由鋁合金制造。隨著二戰開發成功的玻纖增強樹脂由于能廉價生產，開始得到廣泛應用，并逐步替代了鋁合金，這種狀況一直持續到1980年。最早的真正意義上的復合材料底盤是cooper車隊在20世紀60年代早期開發的，以“切割一折疊”的方法，將鋁合金外殼和蜂窩狀鋁合金內核和玻璃鋼的內殼用樹脂粘合在一起。雖然這部車沒有真正上過賽道，但它確是后20年F1底盤設計的基礎。業內公認碳纖維復合材料底盤首先由麥克勞倫車隊在1980年引入，雖然蓮花車

9、隊對此頗有爭議，但在隨后的1981年賽季，該底盤以其優異的機械性能、自重輕、修補高效和方便獲得了廣泛認同。在1981年意大利大獎賽中麥克勞倫車隊的約翰一沃特僧由于賽車失控，劇烈撞擊了保護墻，然而他毫發無傷地走出來，徹底打消了人們對碳纖維復合材料底盤承受高應力負載的懷疑。2007年加拿大站庫比卡的賽車以超過300km/h的速度撞到防護墻，賽車被彈到空中掉落翻滾在賽道的另一頭從，賽車基本粉碎，可是座艙保持完好，車內的庫比卡事后檢查只是扭傷了腳踝，竟然沒耽誤下一次的比賽。由此可見，碳纖維復合材料在F1中所表現出的優異性能。現在，除了底盤，變速箱，懸掛，剎車等都可以采用碳纖維復合材料。現代F1賽車約8

10、5體積和30的質量都是碳纖維復合材料。碳纖維復合材料的能量吸收特點對提高賽車運動的安全性做出了很大貢獻。現在，不僅專業比賽中的汽車使用高性能復合材料，許多民用汽車也開始使用復合材料，許多跑車為追求加速性能，不得不降低整車質量，這使復合材料低密度這一特性便有了很大用處。全碳車身的帕加尼Zonda R超級跑車，摸上去手感與塑料差不多，卻有著鋼鐵一般強度和韌性的碳纖維組件，不僅能夠幫助整車有效減重，更由于其昂貴的特性而變成奢華的象征。以法拉利、蘭博基尼、帕加尼等為代表的意大利超級跑車想必大家非常熟悉，為了追求輕量化，由于制造過程幾乎不計成本，所以在車上大規模應用碳纖維組件甚至整車使用碳纖維

11、材料。奔馳嘗試應用碳纖維材料作為潰縮區域，首先在SLR McLaren上得到了應用。呈尖塔狀的碳纖維潰縮柱由無數根粗壯的碳纖維經過編織而成，雖然結構依舊無比堅硬，但是在設計上讓它能夠在正面碰撞時破碎成無數細小的碎片，來吸收大量的能量，并且碎片不會對人造成傷害，這一點非常類似于汽車鋼化玻璃的破碎原理。目前碳纖維材料在民用量產汽車，尤其是中檔產品應用也十分廣泛，很多廠商也已經開始提供碳纖維材料的小組件，如后視鏡殼、內飾門板、門把手、排擋桿、賽車座椅、空氣套件等，同時可以原裝位安裝到發動機艙的風箱、進氣歧管等碳纖維改裝件也是品種繁多。在飛機中的應用2013年6月2日上午，中國首架波音787

12、“夢想飛機”抵達廣州白云機場，這一噴繪著“夢想之翼”涂裝的787飛機從此將加入南航機隊。南航成為中國首家、全球第10家接收787夢想飛機的航空公司。波音787擁有多項技術創新，其中最引人注目的是波音787機體結構的50%都用更輕、更堅固的碳纖維合成材料代替鋁合金，是第一款以碳纖維合成物為主體材料的民用噴氣式客機，也是是迄今為止復合材料用量最多的一個機型：其機身、機尾翼采用碳纖維層合結構；而升降舵、方向舵卻保留了過去采用的碳纖維夾芯結構；發動機艙除受力大的發動機吊架外均采用碳纖維夾芯結構；整流罩采用玻璃纖維夾芯結構。在使用方面，空中客車A380在研制中使用了創新的GLARE（玻璃纖維增強鋁材料）

13、材料，與傳統鋁材料相比，重量輕、強度高、抗疲勞特性好，維修性能和使用壽命也得到大大改善，不需要特別的加工工藝。飛機約25%由高級減重材料制造，其中22%為碳纖維混合型增強塑料 （CFRP），3%為首次用于民用飛機的GLARE纖維-金屬板。空中客車A380首次采用了碳纖維制成的連接機翼與機身的中央翼盒。此外，空中客車A380還首次在后壓力艙后部的后機身采用了。被叫做空中巨無霸的大型客機空客A380，約有25%由先進輕質復合材料制造，其中22%為碳、玻璃或者石英纖維增強塑料，3%為GLARE(一種玻璃纖維鋁層壓板)材料。高鐵意大利ETR500 高速列車的車頭前突部分采用的是芳綸

14、纖維增強環氧樹脂的FRP，用這種材料模型成型的符合空氣動力學線型要求的車頭，具有優異的抗沖擊能力，當列車以300 km/h 速度行駛時有很好的尺寸穩定性法國國營鐵路公司（SNCF）認為對于未來的TGV 高速列車，考慮到迫切需要進一步減輕車體質量，采用碳和玻璃纖維強化環氧樹脂包覆發泡蜂窩材料芯,制造雙層掛車，并進行線路運行試驗，對其耐火性、抗沖擊強度等進行運行測試，結果表明：Ø復合材料車體的制造工藝是有效的，它比鋁制或鋼制車體的強度大，用碳纖維復材預計可比鋁制車的質量減少25 %；Ø復合材料車體在振動性能、透聲性能和絕熱性能方面的優點，

15、提高了車體的舒適性。轉向架的構架是特別重要的高強度部件，關系到整個車輛安全性。轉向架必須滿足安全、運行舒適度以及耐磨損、易檢修等要求。多采用優質碳素鋼、低合金低碳高強度鋼、耐候鋼制造的構架。近來研究熱點為高分子復合材料和鋁合金制造的構架。德國開發了世界上第一個纖復合材料的轉向架構架，并過了靜態模擬實驗、耐久試驗、運行試驗，運營了100 多萬km后檢測未現任何損壞、磨損或撕裂。現狀目前全球復合材料從業人員約45萬人，總產值約1000億歐元。 我國2009年產量達323萬噸，已先后超過德國、日本而居世界第二位，并接近居世界首位的美國水平。全球復合材料行業的重心正在從歐美發達國家

16、轉向亞洲， 亞洲復合材料產量高速增長是行業發展最明顯的趨勢之一，產量到2015年有望翻番，達1000萬噸。預計亞洲在全球復合材料市場所占比重將從本世紀初的25%提升至2013年的51%。      隨著風能和航空航天等高精尖技術的發展，復合材料在高附加值領域的應用將更多。     中國將成為全球復合材料最活躍、發展最快的地區。未來幾年隨著中國經濟結構的轉變、經濟的轉型以及國民經濟的高速發展，復合材料在中國將獲得更大發展。     印度在復合材料方面也蘊藏著不可忽視的增長潛力，汽車等應用領域的快速發展將帶動印度復合材料行業成長。     中東、馬來西亞、越南和印度尼西亞也是高增長潛力的國