復合材料發(fā)展史

復合材料開展史材物0801班潘福森濟南大學摘要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(yōu)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。復合材料的開展歷史，可以從用途、構成、功能，以及設計思想和開展研究等，大體上分為古代復合材料和現代復合材料兩個階段。復合材料(Compositematerials)，是由兩種或兩種以上不同性質的材料，通過物理或化學的方法，在宏觀上組成具有新性能的材料。各種材料在性能上互相取長補短，產生協同效應，使復合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料而滿足各種不同的要求。復合材料的基體材料分為金屬和非金屬兩大類。金屬基體常用的有鋁、鎂、銅、鈦及其合金。非金屬基體主要有合成樹脂、橡膠、陶瓷、石墨、碳等。增強材料主要有玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維、石棉纖維、晶須、金屬絲和硬質細粒等。關鍵詞復合材料開展歷史簡介先進復合材料古代復合材料開展歷史簡介1.1中國古代復合材料開展狀況古代復合材料在西安東郊半坡村仰韶文化遺址，發(fā)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。中國沿用至今的漆器是用漆作基體，麻絨或絲絹織物作增強體的復合材料，這種漆器早在7000年前的新石器時代即有萌芽。1957年江蘇吳江梅堰遺址出土有油漆彩繪陶器，1978年浙江余姚河姆渡遺址出土的朱漆木碗，就是兩件最早的漆器實物。史料記載，距今4000多年的堯舜夏禹時期已創(chuàng)造漆器，用作食品和祭品。湖南長沙馬王堆漢墓出土的漆器鼎壺、盆具和茶幾等，用漆作膠粘劑，絲麻作增強體。在湖北隨縣出土的2000多年前曾侯乙墓葬中，發(fā)現有用于車戰(zhàn)的長達3米多的戈戟和受，用木芯外包縱向竹絲，以漆作膠粘劑，絲線環(huán)向纏繞，其設計思想與近代復合材料相仿。1000多年以前，中國已用木料和牛角制弓，可在戰(zhàn)車上放射。至元代，蒙古弓用木材芯子，受拉面貼單向纖維，受壓面粘牛角片，絲線纏繞，漆作膠粘，弓輕巧有力，是古代復合材料中制造水平高超的夾層結構。在金屬基復合材料方面，中國也有高超的技藝。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(yōu)異，埋藏在潮濕環(huán)境中幾千年，出土后依然寒光奪目，鋒利無比。1.2外國古代復合材料開展狀況5000年以前，中東地區(qū)用蘆葦增強瀝青造船。古埃及墓葬出土，發(fā)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良而取得的，同時都是取材于天然材料，對復合材料還是處于不自覺的感性認識階段。2現代復合材料現代復合材料20世紀40年代，玻璃纖維和合成樹脂大量商品化生產以后，纖維復合材料開展成為具有工程意義的材料，同時相應地開展了與之有關的研究設計工作。這可以認為是現代復合材料的開始，也是對復合材料進入理性認識階段。2.1現代復合材料簡介早期開展出的現代復合材料，由于性能相對較低，生產量大，使用面廣，被稱之為常用復合材料。后來隨著高技術開展的需要，在此根底上又開展出性能高的先進復合材料。常用樹脂基復合材料第一次世界大戰(zhàn)前，用膠粘劑將云母片熱壓制成人造云母板。20世紀初市場上有蟲膠漆片與紙復合制成的層壓板出售。但真正的纖維增強塑料工業(yè)，是在用合成樹脂代替天然樹脂、用人造纖維代替天然纖維以后才開展起來的。公元前，排尼基人在火山口附近發(fā)現玻璃纖維。1841年英國人制成玻璃纖維拉絲機。第一次世界大戰(zhàn)期間，德國人拖動腳踏車輪拉拔玻璃纖維絲。20世紀30年代，美國創(chuàng)造用鉑柑渦生產連續(xù)玻璃纖維的技術，從此在世界范圍內大規(guī)模生產玻璃纖維，以其增強塑料制成復合材料。至60年代，在技術上臻于成熟，在許多領域開始取代金屬材料。2.2常用樹脂基復合材料的開展歷史常用樹脂基復合材料的開展歷史，可按制成年份排列如下:1910年酚醛樹脂復合材料1928年脈醛樹脂復合材料1938年三聚氛胺甲醛復合材料1942年聚酷樹脂復合材料1946年環(huán)氧樹脂復合材料、玻璃纖維增強尼龍1951年玻璃纖維增強聚苯乙烯1956年酚醛石棉耐磨復合材料3、先進復合材料先進復合材料隨著航天航空技術的開展，對結構材料要求比強度、比模量、韌性、耐熱、抗環(huán)境能力和加工性能都好。針對各種不同需求，出現了高性能樹脂基先進復合材料，標志在性能上區(qū)別于一般低性能的常用樹脂基復合材料。以后又陸續(xù)出現金屬基和陶瓷基先進復合材料。對結構用先進復合材料，除英國外，各技術興旺國家均提出研制開發(fā)目標。如日本通商產業(yè)省制定的下一代材料工業(yè)根底開展方案(1981一1988)對復合材料提出的要求:樹脂基復合材料的耐熱性不低于250℃，拉伸強度到達2.5GPa以上;金屬基復合材料的耐熱性不低于45℃，拉伸強度到達1.5GPa以上。3.1樹脂基先進復合材料樹脂基先進復合材料:經60年代末期試用，樹脂基高性能復合材料已用于制造軍用和民用飛機的承力結構，近年來又逐步進入其他工業(yè)領域。其增強體纖維有破纖維、芳綸，或兩者混雜使用;樹脂基體主要是固化體系為120℃或175℃的環(huán)氧樹脂，還有少量聚酞亞胺樹脂，以適應耐熱性高達250〞C的要求。幾種樹脂基先進復合材料的制成年份依次排列如下:1964年碳纖維增強樹脂基復合材料1965年硼纖維增強樹脂基復合材料1969年碳/玻璃混雜纖維增強樹脂基復合材料1970年碳/芳綸混雜纖維增強樹脂基復合材料3.2金屬基先進復合材料金屬基先進復合材料:70年代末期開展出來用高強度、高模量的耐熱纖維與金屬復合，特別是與輕金屬復合而成金屬基復合材料，克服了樹脂基復合材料耐熱性差和不導電、導熱性低等缺乏。金屬基復合材料由于金屬基體的良導電和導熱性，加上纖維增強體不僅提高了材料的強度和模量，而且降低了密度。此外，這種材料還具有耐疲勞、耐磨耗、高阻尼、不吸潮、不放氣和低膨脹系數等特點，已經廣泛用于航天航空等尖端技術領域作為理想的結構材料。金屬基復合材料有纖維和顆粒增強兩大類。纖維(包括連續(xù)纖維、短纖維和晶須)增強金屬基復合材料的綜合性能較好，但工藝復雜，本錢高。顆粒增強金屬基復合材料可以用一般的金屬加工工藝和設備生產各種型材，已經規(guī)模生產。3.3碳/碳復合材料碳/碳復合材料:60年代用碳纖維或石墨纖維作為增強體，以可碳化或石墨化的樹脂浸漬，或用化學氣相沉積碳作為基體，制成碳/碳復合材料。70年代初，主要用以制造導彈尖錐、發(fā)動機噴管，以及航天飛機機翼的前緣部件等。這種材料能在高溫(可達2700℃)下仍保持其強度、模量、耐燒蝕性。現在還設法拓寬民用領域。3.4陶瓷基先進復合材料陶瓷基先進復合材料:80年代開始逐漸開展陶瓷基復合材料，采用纖維補強陶瓷基體以提高韌性。主要目標是希望用以制造燃氣渦輪葉片和其他耐熱部件，但仍在開展中。4應用領域復合材料的主要應用領域有：①航空航天領域。由于復合材料熱穩(wěn)定性好，比強度、比剛度高，可用于制造飛機機翼和前機身、衛(wèi)星天線及其支撐結構、太陽能電池翼和外殼、大型運載火箭的verton復合材料殼體、發(fā)動機殼體、航天飛機結構件等。②汽車工業(yè)。由于復合材料具有特殊的振動阻尼特性，可減振和降低噪聲、抗疲勞性能好，損傷后易修理，便于整體成形，故可用于制造汽車車身、受力構件、傳動軸、發(fā)動機架及其內部構件。③化工、紡織和機械制造領域。有良好耐蝕性的碳纖維與樹脂基體復合而成的材料，可用于制造化工設備、紡織機、造紙機、復印機、高速機床、精密儀器等。④醫(yī)學領域。碳纖維復合材料具有優(yōu)異的力學性能和不吸收X射線特性，可用于制造醫(yī)用X光機和矯形支架等。碳纖維復合材料還具有生物組織相容性和血液相容性，生物環(huán)境下穩(wěn)定性好，也用作生物醫(yī)學材料。此外，復合材料還用于制造體育運動器件和用作建筑材料等。5復合材料的開展?jié)摿蜔狳c展望21世