复合材料的作用和地位迎接二十一世纪挑战

《复合材料的作用和地位迎接二十一世纪挑战》由会员分享，可在线阅读，更多相关《复合材料的作用和地位迎接二十一世纪挑战（9页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、2001年l月玻璃钢/复合材料!复合材料在材料科学技术中的作用和地位迎接二十一世纪挑战何宇声（北京望程复合材料研究所）材料科学和材料工业，是当代科学技术发展的重要领域之一，而复材料的发展又是材料科学技术中的一个重要组成部分。因此，大力研究和发展复合材料，并将其应用于生产实践，这对加快我国现代化建设，迎接伟大的二十一世纪挑战有着极其重要的现实意义。1材料-复合材料-人类进步与发展的里程碑材料的发展是人类文明进步的一种标志，也是人类生存和发展征服自然和改造自然的物质基础，同时也是直接衡量一个国家的科学技术和经济发展的重要因素之一。当今国际社会公认，材料、能源和信息技术是现代文明进步的三大支柱。人类

2、使用和制造材料由来已久，随着社会生产力的发展，人们对材料的需求不论在规模方面和质量方面都愈来愈高。这种要求的满足与材料本身的数量和质量之间，自古至今存在着相互依赖和相互矛盾的关系。材料的生产和使用就是在不断解决这个矛盾的过程中逐渐向前发展的。人类从认识材料到制造和使用材料，经历了漫长的历史演变过程。起初，人们对材料的认识，只是凭借生产实践中比较粗糙的经验和感官的直接观察，依赖于偶然的发现和单纯的经验积累。纵然有不少卓越的见解，终归带有臆测和空想的性质，是一些比较表面的朴素的知识。近代科学技术就不同了，由于随着生产的高度发展而越来越发达的科学实验作为人们认识的活动基础，因而对材料本质的了解就精细

3、和深刻得多了。随着冶炼技术、合成化学的发达，新的金属材料和人工合成高分子材料的出现，特别是二十世纪头几十年，由于固体力学、结晶学、结构学、X射线学等学科的建立，以及近四十年来微观分析技术的进步、电子计算机的出现，使人们对材料的认识产生了巨大的飞跃，进而形成了一门新兴的综合性学科材料科学。目前，国际上材料科学的发展非常迅速，研究的领域不断在扩大。结构材料朝着更高温度、更高比强度、更高比刚度和更苛刻工作环境的超高性能化的方向发展。特别是各种高新技术的发展，对材料的所要求的性质和性能远远超出原有材料的范围。对某些特定的结构和制品已经不大可能用单一材料来满足高新技术的要求，因此发展了近代复合材料，并且

4、以其广泛而优异的特性迅速发展着。复合材料的出现，大大地丰富了材料科学的内容，并且在材料科学发展中占据着重要的地位，人们把这种新型材料的出现，视为人类进步发展的里程碑。这充分显示了材料对社会进步的重要推动作用。2二十一世纪是复合材料的时代我们正处于世纪之交，一个富有竞争性和挑战性的二十一世纪正迎面向我们走来。众所周知，新材料、新技术的发展已成为当代工业发展与经济竞争的主要立足点。科学家预言“二十一世纪将是复合材料的时代”，“复合材料在二十一世纪中将支撑着科学技术的进步和挑起经济实力的脊梁”，“先进复合材料在二十一世纪中将在航空航天技术领域中发挥越来越重要的作用”。可见，复合材料将肩负着历史的重任

5、。材料对现代社会、经济、技术的影响如此巨大。可以说，没有先进的材料就没有先进的工业、农业和科学技术。历史学家将材料作为文明社会进步的标志，将历史划分为若干时代是不无道理的。纵观世界科技发展史，凡是重大的技术革新都往往起始于材料的革新。现代社会的发展更有赖于材料的的发展。20世纪下半叶开始的技术革命时代，新材料已成为各高新技术领域发展的突破口，并且在很大程度上影响着新兴产业的发展。具体来说，在新材料的应用中，没有复合材料的进步和工业化生产，就不可能有现代国民经济的发展和现代航空航天技术的飞速发展。复合材料已成为当今发展高新技术必不可少的重要组成部分，并且越来越被世界各国所重视。为了适应特种工业以

6、及航空航天技术的发展需要，各种轻质、高强、高韧性先进复合材料得到了迅猛发展。用途广泛的先进树脂基复合材料、不仅对其增强材料的品种质量和性能提出了更高的要求，树脂由热固性中温型向热塑性高温型发展。另外，FRP/CM2001.N0.1复合材料在材料科学技术中的作用和地位2001年1月!金属基复合材料也是先进复合材料开发中的重点之一，主要有碳纤维增强钴、碳化硅增强铝、粉末颗粒增强铝、石墨纤维增强镁、粉末颗粒挤压（或铸造）金属基复合材料等。此外，还有高温、耐磨损、耐腐蚀、抗热冲击等特性的陶瓷复合材料和具有高模量、超高温的碳/碳复合材料等也正在拓展之中。先进复合材料不仅对加速国防尖端技术的发展有着特殊的

7、意义，在民用工业中如汽车制造、民用飞机、交通、建筑、环保以及体育用品等方面也有着广阔的发展前景。确信，21世纪在科技进步和人类社会发展方面，复合材料将作出重要贡献，21世纪是复合材料的时代。3复合材料定义及其分类对于复合材料的发展没有进行确切的考证，但是人类社会的发展与材料有着密切的关系。早在古代就有人用稻草增强泥坯作墙体材料，用麻丝和泥塑造佛像，用麻刀涂料保护梁柱结构，用纸精石灰粉饰墙面等等，这些都是由来已久的复合材料，至今仍然在应用着。随着科学技术的发展，人们不断地革新和创造，制造出许多不同功能的复合材料。这些都是人类在使用材料上的进步和发展。到目前为止，所谓复合材料仍被认为仅仅是两种或两

8、种以上不同性质或不同形态的材料，通过特定的复合工艺组合而成的一种结构物。它既保持了原有组分材料的特点，又具有原有组分材料所没有的性能。但在现代技术中，它含有更为广泛的意义：它们无论是以微观或宏观的形式构成不同化学性质或不同结构的物体，都是属于复合材料的内容。复合材料具有它自己的独特性能。就其强度、耐热性或其它一些合乎要求的性能来说，复合材料就优于它的任一个组分或与它们都有不同的差别。就材料而言，不论是金属、无机非金属或高分子物，都有其优缺点，有些强而脆，有些韧而弱。为了改变这种单一材料的性质，必须走复合材料的道路。这种复合材料的发展是基于在已经认识的各种材料中将不同特性的材料通过材料设计，使各

9、组分材料的性能加以综合，发挥其指定效能，以达到某种结构或工程的要求，因此改变了材料单一的发展方向，从而打破了材料之间的界限，形成了一门以化学、物理学为基础的跨行业的综合性学科-复合材料学，同时也是一门多学科相互渗透的应用科学技术。复合材料主要是以一种材料为基体（如树脂、陶瓷、金属等），加入另一种称之为增强材料的纤维、晶须、颗粒等复合成的一种整体结构物，这种结构物品类繁多，应用很广。根据材料的性质作用，可归纳为结构复合材料和功能复合材料两大类。结构复合材料含高聚合物基（树脂）复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料、碳/碳复合材料、水泥基复合材料等。功能复合材料含导电功能复合材料、导磁功能复合材

10、料、换能功能复合材料、阻尼功能复合材料、屏蔽功能复合材料、医学功能复合材料等。本文重点讨论的问题主要是结构复合材料。在结构复合材料中重点是树脂基复合材料。目前这种材料应用最广、品种最多、产量最高，在复合材料中占据着重要地位。自从40年代初开始用玻璃纤维增强树脂玻璃钢以来，玻璃钢发展速度非常快，每年的产量几乎是直线上升，产品种类已达35000种以上，涉及各个领域，成为复合材料“家族”中最为活跃和应用最为广泛的成员。玻璃钢是复合材料的一种，之所以称谓“玻璃钢”，有它一定的时代性。我国玻璃钢是1958年大跃进年代的产物。在那个年代，工业发展一切“以钢为纲”。由于玻璃钢重量轻、强度高、某些性能优于钢材

11、，进而可以代替钢材，因此便将“玻璃纤维增强塑料”，这一术语改成为通俗易懂，富有形象的称呼“玻璃钢”（是当时建材部部长赖际发定名的），这一名称一直沿用至今。由于它的发展和深入人心，“玻璃钢”已不再是人们生疏和陌生的名称或产品，甚至许多国家对中国这一用语也都普遍比较理解和认可，尤其日本在和我国交往中，在参加中国多次举办的国际复合材料会议或展览会中多次引用了“玻璃钢”这一专业用语。需要指出的是，只有用玻璃纤维增强有机或无机材料才称之为玻璃钢。由于玻璃钢是一种复合材料，因此把它称其为玻璃钢复合材料或玻璃钢/复合材料也是合理的。事实上，我国北京、上海、哈尔滨三大玻璃钢研究院所，其名称一直沿用至今，也无需

12、可疑。4复合材料的特点复合材料和常规材料有着完全不同的特点。复合材料是一种多相的材料，主要包括基体相和增强相。这种相的细节非常复杂，而且通常随着加工过程而变化。所谓基体相，是一种连续相材料，与改善性能的增强材料固化结成一体，并起传递应力的作用；增强相起承受应力和显示功能的作用。因此，复合材料是由两种或两种以上物质以物理结合的方式组成的结构物。常规材料由于有它一定性能特性和FRP/CM2001.No.l2001年1月玻璃钢/复合材料!性能范围，所以有它发挥其性能长处的一定应用范围。因此这决定了复合材料有其广阔应用前景，并得到迅速发展。除此之外，复合材料还具有其它方面的许多特点。主要特点如下（1）

13、给设计者提供了较多的设计自由度。可以在设计结构的同时，设计材料。按照产品的指定要求，通过组分材料的选择与配合，确定它们在构件中的分布与取向。这些选择基本上就确定了复合材料的性能。因此，把适当选择这些因素的方法和途径搞清楚，对有效地利用材料是件重要的工作。为了全面改善结构的完整性，确保制品的性能，电子计算机应成为复合材料设计能力的一个组成部分，这也是促使复合材料设计技术加速进展的关键。（2）材料在加工过程中不发生组分化学变化，构件与材料是同时形成的产品（或结构物）。由于这一特点，使之结构整体性好，可以大大地节省部件连接的复杂性与连接件的数量，从而缩短加工周期、降低了成本，提高了构件的可靠性。（3

14、）用复合材料制成的产品或构件，在长期高载荷条件下工作，其疲劳强度极限要高于金属材料，具有较长的使用寿命和较大的破坏安全性。（4）复合材料产品当发生破坏时，不会像金属或陶瓷等传统材料那样发生突然破坏，而是经历基体损伤、开裂、界面脱胶、部分纤维首先断裂，、其它纤维仍承受一定荷载，从而延缓突然发生灾难性的破坏，或者在产品的局部发生破坏面不致造成大面积碎片爆破现象，如高压气瓶的破坏特征。除了上述特点之外，复合材料还有它自身固有的而其它材料不具备的一些特点。这里特别需要说明的是玻璃钢复合材料。它可以通过手工操作，即手糊法制备某些量少、异形、体积大、强度要求不高的产品，而且投资小，见效快。由于这一特点，引

15、起了人们的兴趣，并发展很快，特别是在7080年代，一大批乡镇企业像雨后春笋般地迅速茁起，形成了一支劳动密集型的产业大军，对复合材料的发展起到了一定的推动作用。这也符合中国国情和市场需求。但是也带来一些负面影响，认为玻璃钢很简单，谁都能搞，于是蜂拥而上，造成产品质次，声誉下降，对行业发展带来不少麻烦，经过了将近一二十年的努力，方使玻璃钢复合材料恢复了本来面目。这里需要强调的是，实践证明玻璃钢并不是人们所想像的那么简单。它是一门比较复杂的技术，涉及的知识面和专业很广。例如从模具制作开始，选材、配方、结构、设计、工艺、固化、表面处理、修复维护等一整套技术。因此，它是一种劳动密集、知识密集和技术密集型

16、的综合技术。同时也是集古老、传统和现代化于一身的边缘学科。从生产方式而言，它又是一门手工作业机械化自动化相辅相承的专门技术，因此，我们不可轻而视之。从技术应用的角度证明，由于玻璃钢轻质高强、结构造型以及设计自由等特点，发挥这方面的长处，它同时可以适应艺术和形象构体的需要，制造出意想不到的效果，如各种艺术形像、雕塑制品等。因此，它不仅具有专业化程度很高的工程结构材料的特点，而且是一种具有“得之于心，应之于手”的艺术造型材料。这一领域的发展前景也是非常广阔的。“仁者见仁，智者见智”，从时代的发展，长远建设需要来看，玻璃钢不失为是复合材料“家族”中的重要成员之一，同时也是二十一世纪仍然不可缺少的重要

17、工程材料之一，我们万万不要强调了复合材料、先进复合材料而忘记了最基本的最广泛的玻璃钢复合材料。5复合材料的主要任务由于复合材料的结构是一个错综复杂而又相互关联的体系，因此所需要解决的问题很多。这里仅从材料研究和发展的角度提出一些看法进行商榷。众所周知，材料科学技术主要是研究材料的性质、性能、工艺和用途的科学技术，所涉及的领域很广。它的任务是：一方面研究材料的微观结构和宏观性能相互关联的规律，并在这个基础上改善现有材料的性能，拓展应用面；另一方面探索和发现具有特殊性能的新材料，向着按预定性能设计的产品目标进行工作。（1）首先，复合材料的研究和发展，必须立足于应用。因为复合材料不是一门纯理论性的学

18、科，它必须结合应用发挥其特定的效用，才具有它的价值。不搞应用研究，出路是不大的。应用的前途，关键在于合理的技术经济指标以及合理的选材、工艺、结构设计的定位。今天，材料科学和材料工业正处于飞速发展阶段，各种材料都在竞相增长。从技术经济效益、可设计性分析，复合材料无疑是极有生命力的。它的应用范围很广，品种及产量增长的比例是较快的。由于价格偏高而影响市场竞争原因是多方面的，因此必须探索低成本高效能的材料，以适应这一技术发展的需要。（2）研究复合材料质量稳定和可靠性问题，因为FRP/CM2001.N0.1复合材料在材料科学技术中的作用和地位2001年1月!复合材料在制造过程中，材料的与产品同时完成。影

19、响产品性能的因素很多，要充分研究纤维的品种、规格及质量问题，尤其是碳纤维质量跟不上先进复合材料的发展，同时开展纤维织物结构、毡材均匀性以及与之密切相关的纤维浸润剂和偶联剂的研究等。除玻璃纤维外，其它硅酸盐繁纤维为高强度、高弹性模量、高硅氧等纤维及其织物都是发展复合材料的基本原材料。一切纤维型增强的复合材料、纤维是复合材料发展的基础，因此必须优先研究发展。（3）根据产品性能要求以及经济和使用效果上的考虑，需要研究复合材料组分，特别是在原材料配方中加入适量的填料或其它物质以改善制品性能等方法发挥复合材料多相功能的作用。同时深入研究利用无机矿物填料、超微细粒料等对复合材料的性能改善及其效果等。这方面

20、工作是很有潜力的，应注意加以发挥。（4）研究复合材料的制备过程，对保证产品质量关系十分重要。材料的组分、结构和缺陷首先受制备过程的影响，包括原材料的处理、工艺参数的确定以及制备过程中各个环节的严格控制等。只有深入研究它们的机制及其对结构物性能的影响，才能有效地控制材质与性能。在制备过程中必须研究运用精密的仪器与控制技术进行监视与检验。这是保证整个生产过程顺利进行的必须手段。为了提高和改善加热固化效应，采用电子束辐射加热固化方法，可使产品热收缩应力减小，降低能耗，提高穿透性，加快固化速度，从而缩短生产周期，保证产品质量。（5）由于复合材料是由纤维和基体材料组成的多相结构物，它具有非均匀性和各向异

21、性的特特点，因此需要研究建立表征参数的测试方法及其标准，这是复合材料技术发展过程中的另一个重要环节。同时还应强调力学、电子计算机、设计、材料和工艺等技术的密切配合，集成相关技术，以利于更好地充分发挥复合材料的特点。（6）加强复合材料基础理论的研究。基础理论研究要和应用技术结合起来。今天，科学技术的发展已经不能满足于测量和罗列一些材料的宏观性质的数据来作为选择材料的依据，还必须借助于近代物理、化学、力学等理论和现代测试技术与高新技术来了解材料的微观世界及其行为通过对材料的微观结构及性质的研究，进一步洞察复合材料的结合状态，界面机理、力学行为、断裂韧性、失效问题等。在这一基础上总结规律、不断提高探

22、索的自觉性，逐步实现按指定性能要求研制出更多更好的材料，促使复合材料科学技术的发展。因此，复合材料的基本任务就是进一步研究材料结构、性能、工艺和使用状况四者之间的关系。这四个关键问题也可以称为复合材料的四要素，也即复合材料是研究四要素之间的关系的一门新型学科。6复合材料的发展与展望复合材料经过了半个多世纪的发展，已经基本形成了集科研、教学、设计、生产和应用一整套的体系。自从二十世纪40年代初，美国推出玻璃钢雷达罩以来，首先在军工产品上得到应用。第二次世界大战以后发展很快。玻璃钢最初是从美国开始的，随后传入英国、德国、法国、前苏联和日本等国家是在五十年代初期发展起来的。我国是从1958年兴起。到

23、了六十年代以后，由于玻璃钢的优异特性，许多国家都在广泛地应用和发展。据八十年代的统计，玻璃钢品种达到了三万五千种以上。并且在生产工艺上已从单个产品成型发展到多个产品的连续成型；在制品上已从几厘米大小的产品，发展到大型贮罐；在技术上从手工操作发展到高度自动化及电子计算机控制。由此可见，新的生产方式出现和新技术的应用不断地推动着复合材料工业的发展。我国玻璃钢工业的发展，经历了由军到民，军民结合和以民为主的发展阶段。这一发展过程基本上与一些先进发达国家所走的道路是一致的。目前我国的产品、品种仅次于美国、日本，处于第三位（包括台湾在内），并继续不断发展，在国民经济和国防建设中发挥着越来越重要的作用。进

24、入二十世纪70年代后，由于高新技术的发展，玻璃钢在性能结构上已不能满足高比强度、高比刚度在尖端技术领域里的要求。因此开展了高硅氧纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶（有机纤维）等高性能先进复合材料的研究，并相应地开发了高性能树脂基、金属基和陶瓷基材料制成先进复合材料。这种先进复合材料主要用于航空、航天、火箭导弹、人造卫星和宇宙飞船等方面。为了促使我国复合材料工业的进一步发展，更好地用于生产实践，对于一些基础性的问题仍需要认真地加以解决，以便适应二十一世纪工业技术的发展需要。（1）为了更好地发挥复合材料的特性，当前除应加强研究玻璃纤维方面所需要解决的问题之外，更FRP/CM2001.NO.12001年1月

25、玻璃钢/复合材料!要加强碳纤维制造工艺的研究，要解决长期存在碳纤维质量不稳定的问题以及降低成本和国产化的问题；对芳纶等高聚物类有机纤维的应用研究也应积极组织力量开展工作，以适应现代科学技术发展的需要。（2）复合材料除了组成材料的强度、模量等方面的差异而带来的复杂性外，一般都具有均质的或不均质的各向异性，并且破坏的形式是多样的。这是复合材料可靠性差的一面。到目前为止，复合材料还是个新领域。许多理论和试验工作还在进行阶段，实际使用的经验还不多。例如结构设计中复合材料总的安全因素究竟取多少适合；复合材料的强度标准等，对待复合材料，既要了解它的长处，更要了解它的短处，以便全面地考虑它的使用效果。（3）

26、复合材料的各向异性使得它的应用比传统的各向同性材料要复杂得多。今后研究和发展的重点，一方面要加强应用技术的研究，另一方面要重视基础理论的探讨。界面性能，通常被认为对复合材料的性能起着决定性的作用。在任何复合材料中，界面和改善界面性能的方法是关系到这种复合材料是否有使用价值和能否推广使用的一个重要问题。对于碳纤维/树脂基复合材料，由于碳纤维表面能低，致使复合过程中与基体的粘附性差。通常用纤维表面处理的方法，使纤维表面洁净，与树脂更好的浸润，尤其使纤维表面产生活性基团与树脂产生化学反应，形成化学结合，提高层间剪切强度。因此深入研究界面的性状和整体理解的本质联系，使复合材料的性能实现最佳化，减少性能

27、波动，也是值得注意的问题。（4）为了满足高速飞行器、宇宙飞船和大型承载火箭技术的发展，不仅需要研究解决高性能先进复合材料，还需要研究解决高性能表面涂层和与之相配合的有机与无机高聚物的复合工艺，以满足耐高温和消融隔热的要求；为了满足航空、航天和原子能工业发展的需要，要研究解决高性能热塑性塑料与高强度玻璃纤维、碳纤维、芳纶及其它特种纤维或混杂纤维的增强复合工艺制作耐高温、防幅射以及冷热交变环境下所要求的部件；研究适用于未来空间、高速列车、高速船体和超高压容器等以及在特殊条件下用轻型多功能结构的先进复合材料；研究“晶须”与基体高分子之间的相界面交联结构以及提高界面强度，满足航空航天技术所需的低密度高

28、强材料和烧蚀材料；为了适应多功能高效益方面所需的产品，需要进一步研究复合材料力学性能优化、隔热、隔音、防火、抗辐射、防蒸发、防腐蚀、耐老化、无毒无臭、廉价、美观等相关领域中的综合效应。（5）除了上述复合材料所需要兼备各种性能特点之外，需要了解的是现代工业的发展，从根本上改变了人类的生活方式和生产方式，而促进工业发展和方式改变的原动力之一则是设计与美学或生产与美学的两个相关领域里的创新运动。作为材料科学工作者，我们要尽力做到材料适用的合理性、科学性和完美性，力求多增加一点美学意识和艺术观点，以利于充分发挥复合材料本身所赋予的美感特征和艺术效果，求得产品外观造型的形、色、质的完美统一。为了实现这一

29、目标，我们应当重视建立产品造型设计或工业设计的专门人才和专门队伍，这对推动复合材料工业全方位发展具有重要的现实意义。科学技术正面临着经历一个新的的发展时期，许多传统学科正呈现出新的面貌。从知识结构到方法体系都已出现了重大更新。各学科显示出了强大的生命力，各学科间的相互渗透或集成应用正成为一种普遍的趋势。对于材料科学和材料工程这也将产生广泛和深刻的影响。在二十一世纪到来之际对我们复合材料技术工作者也将是一个崭新的、严峻的挑战。COMPOSITEFUCTIONANDPOSITIONINMATERIALSCIENCEANDTECHNOLOGYHeYushen(BeijinWanchenCompositeResearchInstitute)收稿日期：2000!08!25FRP/CM2001.No.1