復(fù)合材料開(kāi)展史

材物0801班潘福森濟(jì)南大學(xué)

摘要

人類(lèi)在遠(yuǎn)古時(shí)代就從實(shí)踐中認(rèn)識(shí)到，可以根據(jù)用途需要，和合兩種或多種材料，利用

性能優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，制成原始的復(fù)合材料。所以，復(fù)合材料既是一種新型材料，也是一種古老

的材料。復(fù)合材料的開(kāi)展歷史，可以從用途、構(gòu)成、功能，以及設(shè)計(jì)思想和開(kāi)展研究等，

大體上分為古代復(fù)合材料和現(xiàn)代復(fù)合材料兩個(gè)階段。

復(fù)合材料(Compositematerials),是由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料，通過(guò)物理或

化學(xué)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(zhǎng)補(bǔ)短，產(chǎn)生協(xié)

同效應(yīng)，使復(fù)合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料而滿(mǎn)足各種不同的要求。復(fù)合材料的基體

材料分為金屬和非金屬兩大類(lèi)。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(shù)脂、橡膠、陶瓷、石墨、碳等。增強(qiáng)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(zhì)細(xì)粒等。

關(guān)鍵詞復(fù)合材料開(kāi)展歷史簡(jiǎn)介先進(jìn)復(fù)合材料

1.古代復(fù)合材料開(kāi)展歷史簡(jiǎn)介

1.1中國(guó)古代復(fù)合材料開(kāi)展?fàn)顩r

古代復(fù)合材料在西安東郊半坡村仰韶文化遺址，發(fā)現(xiàn)早在公元前2000年以前，古代人

已經(jīng)用草莖增強(qiáng)土坯作住房墻體材料。中國(guó)沿用至今的漆器是用漆作基體，麻絨或絲絹織

物作增強(qiáng)體的復(fù)合材料，這種漆器早在7000年前的新石器時(shí)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(shí)物。史料記載，距今4000多年的堯舜夏禹時(shí)期已創(chuàng)造漆器，用作食品和祭品。

湖南長(zhǎng)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(qiáng)體。在

湖北隨縣出土的2000多年前曾侯乙墓葬中，發(fā)現(xiàn)有用于車(chē)戰(zhàn)的長(zhǎng)達(dá)3米多的戈戟和受，用

木芯外包縱向竹絲，以漆作狡粘劑，絲線環(huán)向纏繞，其設(shè)計(jì)思想與近代復(fù)合材料相仿。1000

多年以前，中國(guó)已用木料和牛角制弓，可在戰(zhàn)車(chē)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(fù)合材料

中制造水平高超的夾層結(jié)構(gòu)。在金屬基復(fù)合材料方面，中國(guó)也有高超的技藝。如越王劍，

是金屬包層復(fù)合材料制品，不僅光亮鋒利，而且韌性和耐蝕性?xún)?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(wú)比。

1.2外國(guó)古代復(fù)合材料開(kāi)展?fàn)顩r

5000年以前，中東地區(qū)用蘆葦增強(qiáng)瀝青造船。古埃及墓葬出土，發(fā)現(xiàn)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(qiáng)復(fù)合材料。

但是，上述輝煌的歷史遺產(chǎn)，只是人類(lèi)在與自然界的斗爭(zhēng)實(shí)踐中不斷改良而取得的，

同時(shí)都是取材于天然材料，對(duì)復(fù)合材料還是處于不自覺(jué)的感性認(rèn)識(shí)階段。

2現(xiàn)代復(fù)合材料

現(xiàn)代復(fù)合材料20世紀(jì)40年代，玻璃纖維和合成樹(shù)脂大量商品化生產(chǎn)以后，纖維復(fù)合

材料開(kāi)展成為具有工程意義的材料?，同時(shí)相應(yīng)地開(kāi)展了與之有關(guān)的研究設(shè)計(jì)工作。這可以

認(rèn)為是現(xiàn)代復(fù)合材料的開(kāi)始，也是對(duì)復(fù)合材料進(jìn)入理性認(rèn)識(shí)階段。

2.1現(xiàn)代復(fù)合材料簡(jiǎn)介

早期開(kāi)展出的現(xiàn)代復(fù)合材料，由于性能相對(duì)較低，生產(chǎn)量大，使用面廣，被稱(chēng)之為常

用復(fù)合材料。后來(lái)隨著高技術(shù)開(kāi)展的需要，在此根底上又開(kāi)展出性能高的先進(jìn)復(fù)合材料。

常用樹(shù)脂基復(fù)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(jì)

初市場(chǎng)上有蟲(chóng)膠漆片與紙復(fù)合制成的層壓板出售。但真正的纖維增強(qiáng)塑料工業(yè)，是在用合

成樹(shù)脂代替天然樹(shù)脂、用人造纖維代替天然纖維以后才開(kāi)展起來(lái)的。公元前，排尼基人在

火山口附近發(fā)現(xiàn)玻璃纖維。1841年英國(guó)人制成玻璃纖維拉絲機(jī)。第一次世界大戰(zhàn)期間，德

國(guó)人拖動(dòng)腳踏車(chē)輪拉拔玻璃纖維絲。20世紀(jì)30年代，美國(guó)創(chuàng)造用伯柑渦生產(chǎn)連續(xù)玻璃纖

維的技術(shù)，從此在世界范闈內(nèi)大規(guī)模生產(chǎn)玻璃纖維，以其增強(qiáng)塑料制成復(fù)合材料°至60年

代，在技術(shù)上臻于成熟，在許多領(lǐng)域開(kāi)始取代金屬材料。

22常用樹(shù)脂基復(fù)合材料的開(kāi)展歷史

常用樹(shù)脂基復(fù)合材料的開(kāi)展歷史，可按制成年份排列如下：

1910年酚醛樹(shù)脂復(fù)合材料

1928年脈醛樹(shù)脂復(fù)合材料

1938年三聚氛胺甲醛復(fù)合材料

1942年聚酷樹(shù)脂復(fù)合材料

1946年環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料、玻璃纖維增強(qiáng)尼龍

1951年玻璃纖維增強(qiáng)聚苯乙烯

1956年酚醛石棉耐磨復(fù)合材料

3、先進(jìn)復(fù)合材料

先進(jìn)復(fù)合材料隨著航天航空技術(shù)的開(kāi)展，對(duì)結(jié)構(gòu)材料要求比強(qiáng)度、比模量、韌性、耐

熱、抗環(huán)境能力和加工性能都好。針對(duì)各種不同需求，出現(xiàn)了高性能樹(shù)脂基先進(jìn)復(fù)合材料,

標(biāo)志在性能上區(qū)別于一般低性能的常用樹(shù)脂基復(fù)合材料。以后乂陸續(xù)出現(xiàn)金屬基和陶瓷基

先進(jìn)復(fù)合材料。對(duì)結(jié)構(gòu)用先進(jìn)復(fù)合材料，除英國(guó)外，各技術(shù)興旺國(guó)家均提出研制開(kāi)發(fā)目標(biāo)。

如日本通商產(chǎn)業(yè)省制定的下一代材料工業(yè)根底開(kāi)展方窠(1981—1988)對(duì)復(fù)合材料提出的

要求:樹(shù)脂基復(fù)合材料的耐熱性不低于250℃,拉伸強(qiáng)度到達(dá)2.5GPa以上;金屬基復(fù)合材料

的耐熱性不低于45℃,拉伸強(qiáng)度到達(dá)1.5GPa以上。

3.1樹(shù)脂基先進(jìn)復(fù)合材料

樹(shù)脂基先進(jìn)復(fù)合材料:經(jīng)60年代末期試用，樹(shù)脂基高性能復(fù)合材料己用于制造軍用和

民用飛機(jī)的承力結(jié)構(gòu)，近年來(lái)又逐步進(jìn)入其他工業(yè)領(lǐng)域.其增弼體纖維有破纖維、芳綸，

或兩者混雜使用；樹(shù)脂基體主要是固化體系為120℃或175℃的環(huán)氧樹(shù)脂，還有少量聚釀亞

胺樹(shù)脂，以適應(yīng)耐熱性高達(dá)250〃C的要求。幾種樹(shù)脂基先進(jìn)復(fù)合材料的制成年份依次排列

如下：

1964年碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料

1965年硼纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料

1969年碳/玻璃混雜纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料

1970年碳/芳綸混雜纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料

3.2金屬基先進(jìn)復(fù)合材料

金屬基先進(jìn)復(fù)合材料：70年代末期開(kāi)展出來(lái)用高強(qiáng)度、高模量的耐熱纖維與金屬?gòu)?fù)合,

特別是與輕金屬?gòu)?fù)合而成金屬基復(fù)合材料，克服了樹(shù)脂基復(fù)合材料耐熱性差和不導(dǎo)電、導(dǎo)

熱性低等缺乏。金屬基復(fù)合材料由于金屬基體的良導(dǎo)電和導(dǎo)熱性，加上纖維增強(qiáng)體不僅提

高了材料的強(qiáng)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(shù)等特點(diǎn)，已經(jīng)廣泛月于航天航空等尖端技術(shù)領(lǐng)域作為理

想的結(jié)構(gòu)材料。金屬基復(fù)合材料有纖維和顆粒增強(qiáng)兩大類(lèi)。纖維（包括連續(xù)纖維、短纖維和

晶須）增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的綜合性能較好，但工藝復(fù)雜，本錢(qián)高。顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材

料可以用一般的金屬加工工藝和設(shè)備生產(chǎn)各種型材，已經(jīng)規(guī)模生產(chǎn)。

3.3碳/碳復(fù)合材料

碳/碳復(fù)合材料：60年代用碳纖維或石墨纖維作為增強(qiáng)體，以可碳化或石墨化的樹(shù)脂浸

演，或用化學(xué)氣相沉積碳作為基體，制成碳/碳復(fù)合材料。70年代初，主要用以制造導(dǎo)彈

尖錐、發(fā)動(dòng)機(jī)噴管，以及航天飛機(jī)機(jī)翼的前緣部件等。這種材料能在高溫（可達(dá)2700℃）下

仍保持其強(qiáng)度、模量、耐燒迎性?，F(xiàn)在還設(shè)法拓寬民用領(lǐng)域。

3.4陶瓷基先進(jìn)復(fù)合材料

陶瓷基先進(jìn)復(fù)合材料：83年代開(kāi)始逐漸開(kāi)展陶瓷基復(fù)合材料，采用纖維補(bǔ)強(qiáng)陶瓷基體

以提高韌性。主要目標(biāo)是希望用以制造燃?xì)鉁u輪葉片和其他耐熱部件，但仍在開(kāi)展中。

4應(yīng)用領(lǐng)域

復(fù)合材料的主要應(yīng)用領(lǐng)域有：①航空航天領(lǐng)域。由于復(fù)合材料熱穩(wěn)定性好，比強(qiáng)度、

比剛度高，可用于制造飛機(jī)磯翼和前機(jī)身、衛(wèi)星天線及其支撐結(jié)構(gòu)、太陽(yáng)能電池翼和外殼、

大型運(yùn)載火箭的verton復(fù)合材料

殼體、發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、航天飛機(jī)結(jié)構(gòu)件等。②汽車(chē)工業(yè)。由于復(fù)合材料具有特殊的振動(dòng)

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(chē)車(chē)身、受力構(gòu)件、傳動(dòng)軸、發(fā)動(dòng)機(jī)架及其內(nèi)部構(gòu)件。③化工、紡織和機(jī)械制造領(lǐng)

域。有良好耐蝕性的碳纖維與樹(shù)脂基體復(fù)合而成的材料，可用于制造化工設(shè)備、紡織機(jī)、

造紙機(jī)、復(fù)印機(jī)、高速機(jī)床、精密儀器等。④醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。碳纖維復(fù)合材料具有優(yōu)異的力學(xué)

性能和不吸收X射線特性，可用于制造醫(yī)用X光機(jī)和矯形支架等。碳纖維復(fù)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(xué)材料P此外，復(fù)合

材料還用于制造體育運(yùn)動(dòng)器件和