第一章 復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論課件

復(fù)合材料學(xué)

材料學(xué)院卞軍1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論引言一、課程介紹1、課程性質(zhì)：2、課程內(nèi)容：3、課程目標(biāo)：4、學(xué)科產(chǎn)生的背景：1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論引言人類為了謀求生存和發(fā)展，企求用理想材料制成新工具的愿望總是隨著歷史的發(fā)展不斷探索不斷前進(jìn)。因此，人類發(fā)展的歷史就和材料的發(fā)展的歷史息息相關(guān)。研究人類歷史的人們都可以清楚地知道，人類歷史上各方面的進(jìn)步是與新材料的發(fā)現(xiàn)、制造和應(yīng)用分不開的。歷史學(xué)家把人類發(fā)展史劃分為： 石器時(shí)代、陶器時(shí)代、青銅器時(shí)代、鐵器時(shí)代。其后人類又發(fā)明了高分子材料、先進(jìn)復(fù)合材料和智能材料。

1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論

人類從天然物質(zhì)中選擇提煉出人類生活所必要的物質(zhì)而加以利用。制造這些物質(zhì)有兩種方法：一種是利用了化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)合成；另一種是通過組合兩種以上的物質(zhì)，制成具有更高性能的材料。用后一種方法制造出的物質(zhì)稱之為復(fù)合材料。

1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論科學(xué)中的復(fù)合思想復(fù)合是自然界的基本規(guī)律天然材料是最完美的材料，

人的心臟，75*60分*24小時(shí)*365天*80年

=3，153，600，000跳/一生

該完美的特性就來源于復(fù)合與自修復(fù)

1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論生命體是多層次意義上的復(fù)合體系：生命體基本單位----細(xì)胞，是細(xì)胞膜、細(xì)胞基質(zhì)、細(xì)胞核的復(fù)合體，各自擔(dān)任營(yíng)養(yǎng)、信息表達(dá)和力學(xué)支撐的作用。即使細(xì)胞膜也是有磷脂雙分子層，蛋白質(zhì)組成的復(fù)合功能體系。

1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論

1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論2.復(fù)合是科學(xué)的基本思想諾貝爾獎(jiǎng)白川英樹導(dǎo)電聚合物

vs導(dǎo)電復(fù)合材料

超分子科學(xué)3.材料的復(fù)合化是材料發(fā)展的基本趨勢(shì)

1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論TheMaterialsScienceTetrahedron

材料科學(xué)四面體結(jié)構(gòu)固有特性制作方法測(cè)定性能使用性能性能價(jià)格比Cost(price)performance1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論復(fù)合材料的定義

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。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(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。1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論復(fù)合材料的定義復(fù)合材料是由兩種或兩種以上異質(zhì)、異形、異性的材料復(fù)合形成的新型材料。一般由基體組元與增強(qiáng)體或功能組裝所組成。復(fù)合材料可經(jīng)設(shè)計(jì)，即通過對(duì)原材料的選擇、各組份分布的設(shè)計(jì)和工藝條件的保證等，使原組份材料優(yōu)點(diǎn)互補(bǔ)，因而呈現(xiàn)出色的綜合性能。1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論復(fù)合材料的命名

把增強(qiáng)材料的名稱放在前面，基體材料的名稱放在后面來命名，如碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料或碳/環(huán)氧復(fù)合材料。1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論分類1、材料的分類：按化學(xué)性質(zhì)分：金屬和非金屬材料按物理性質(zhì)分：絕緣，磁性、透光，導(dǎo)電、半導(dǎo)體材料等。按用途分：航空、建筑、包裝材料等。2、復(fù)合材料的分類：1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論分類復(fù)合材料是一種混合物。在很多領(lǐng)域都發(fā)揮了很大的作用，代替了很多傳統(tǒng)的材料。復(fù)合材料按其組成分為：金屬與金屬復(fù)合材料、非金屬與金屬復(fù)合材料、非金屬與非金屬復(fù)合材料。1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論分類按其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)又分為：①纖維復(fù)合材料。將各種纖維增強(qiáng)體置于基體材料內(nèi)復(fù)合而成。如纖維增強(qiáng)塑料、纖維增強(qiáng)金屬等。②夾層復(fù)合材料。由性質(zhì)不同的表面材料和芯材組合而成。通常面材強(qiáng)度高、?。恍静馁|(zhì)輕、強(qiáng)度低，但具有一定剛度和厚度。分為實(shí)心夾層和蜂窩夾層兩種。③細(xì)粒復(fù)合材料。將硬質(zhì)細(xì)粒均勻分布于基體中，如彌散強(qiáng)化合金、金屬陶瓷等。④混雜復(fù)合材料。由兩種或兩種以上增強(qiáng)相材料混雜于一種基體相材料中構(gòu)成。與普通單增強(qiáng)相復(fù)合材料比，其沖擊強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度和斷裂韌性顯著提高，并具有特殊的熱膨脹性能。分為層內(nèi)混雜、層間混雜、夾芯混雜、層內(nèi)／層間混雜和超混雜復(fù)合材料。1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論復(fù)合材料按基體材料分類1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論復(fù)合材料按功能分類1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論復(fù)合材料的組成1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論復(fù)合材料的性能特點(diǎn)

比強(qiáng)度、比剛度（比模量）大；性能可設(shè)計(jì)；易制成結(jié)構(gòu)件；各向異性、非均勻性等。

以聚合物基復(fù)合材料為例：1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論

1.比強(qiáng)度和比模量高比強(qiáng)度（抗拉強(qiáng)度與密度之比）和比模量(彈性模量與密度之比)高，說明材料輕而且剛性大。

2.良好的抗疲勞性能

疲勞是材料在循環(huán)應(yīng)力作用下的性質(zhì)。復(fù)合材料能有效地阻止疲勞裂紋的擴(kuò)展。1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論

3.減振性能好在工作過程中振動(dòng)問題十分突出，復(fù)合材料為多相系統(tǒng)，大量的界面對(duì)振動(dòng)有反射吸收作用。且自振動(dòng)頻率高，不易產(chǎn)生共振。

4.高溫性能好復(fù)合材料在高溫下強(qiáng)度和模量基本不變。1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論

5.各向異性和性能可設(shè)計(jì)性復(fù)合材料的性能與纖維，基體的種類和含量有關(guān)，還與纖維的排列方向，鋪層次序和層數(shù)有關(guān)?？梢愿鶕?jù)實(shí)際使用時(shí)的載荷分布和使用條件，采取相應(yīng)的材料和鋪層設(shè)計(jì)來滿足需要。

6.材料與結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一性復(fù)合材料的制造和制品的成型一次完成。1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論復(fù)合材料的其它性能特點(diǎn)1、過載時(shí)安全性好2、具有多種功能性3、有很好的加工工藝性缺點(diǎn)：穩(wěn)定性稍差，耐溫和老化性差，層間剪切強(qiáng)度低等1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論現(xiàn)代復(fù)合材料學(xué)科

包括增強(qiáng)材料、基體材料、界面粘結(jié)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、成型工藝、性能測(cè)定等方面并逐步形成了一門與化學(xué)、物理、力學(xué)及各種應(yīng)用學(xué)科有關(guān)的跨學(xué)科的、有著廣泛內(nèi)在聯(lián)系并互相滲透和互相推動(dòng)的材料學(xué)科。

1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論復(fù)合材料在21世紀(jì)中應(yīng)起的作用

IT產(chǎn)業(yè)和航天航空領(lǐng)域：信息獲得：熱電材料信息處理：散熱板信息存儲(chǔ)：磁盤，光盤信息傳輸：光導(dǎo)纖維信息執(zhí)行：壓電復(fù)合材料在微操作中的應(yīng)用生物醫(yī)學(xué)（略）環(huán)境友好材料自增強(qiáng)的淀粉材料生活，房屋，汽車，體育軍事

1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論材料新秀一—熱電材料熱電材料是一種能將熱能和電能相互轉(zhuǎn)換的功能材料，1823年發(fā)現(xiàn)的塞貝克效應(yīng)和1834年發(fā)現(xiàn)的帕爾帖效應(yīng)為熱電能量轉(zhuǎn)換器和熱電制冷的應(yīng)用提供了理論依據(jù)。如隨著空間探索興趣的增加、醫(yī)用物理學(xué)的進(jìn)展以及在地球難于日益增加的資源考察與探索活動(dòng)，需要開發(fā)一類能夠自身供能且無需照看的電源系統(tǒng)，熱電發(fā)電對(duì)這些應(yīng)用尤其合適。

1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論材料新秀一—熱電材料

對(duì)于遙遠(yuǎn)的太空探測(cè)器來說，放射性同位素供熱的熱電發(fā)電器是目前唯一的供電系統(tǒng)。已被成功的應(yīng)用于美國(guó)宇航局發(fā)射的“旅行者一號(hào)”和“伽利略火星探測(cè)器”等宇航器上。利用自然界溫差和工業(yè)廢熱均可用于熱電發(fā)電，它能利用自然界存在的非污染能源，具有良好的綜合社會(huì)效益。利用帕爾帖效應(yīng)制成的熱電制冷機(jī)具有機(jī)械壓縮制冷機(jī)難以媲美的優(yōu)點(diǎn)：尺寸小、質(zhì)量輕、無任何機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部分，工作無噪聲，無液態(tài)或氣態(tài)介質(zhì)，因此不存在污染環(huán)境的問題，可實(shí)現(xiàn)精確控溫，響應(yīng)速度快，器件使用壽命長(zhǎng)。還可為超導(dǎo)材料的使用提供低溫環(huán)境。另外利用熱電材料制備的微型元件用于制備微型電源、微區(qū)冷卻、光通信激光二極管和紅外線傳感器的調(diào)溫系統(tǒng)，大大拓展了熱電材料的應(yīng)用領(lǐng)域。因此，熱電材料是一種有著廣泛應(yīng)用前景的材料，在環(huán)境污染和能源危機(jī)日益嚴(yán)重的今天，進(jìn)行新型熱電材料的研究具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論材料新秀一—熱電材料

另外利用熱電材料制備的微型元件用于制備微型電源、微區(qū)冷卻、光通信激光二極管和紅外線傳感器的調(diào)溫系統(tǒng)，大大拓展了熱電材料的應(yīng)用領(lǐng)域。因此，熱電材料是一種有著廣泛應(yīng)用前景的材料，在環(huán)境污染和能源危機(jī)日益嚴(yán)重的今天，進(jìn)行新型熱電材料的研究具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論熱電材料的特點(diǎn)

制造熱電產(chǎn)生器或熱電致冷器的材料稱為熱電材料,是一種將電能與熱能交互轉(zhuǎn)變的材料。其優(yōu)點(diǎn)如下:（1）體積小,重量輕，堅(jiān)固,且工作中無噪音;（2）溫度控制可在±0.1℃之內(nèi);（3）不必使用CFC(CFC氯氟碳類物質(zhì)，氟里昂。被認(rèn)為會(huì)破壞臭氣層)，不會(huì)造成任何環(huán)境污染;（4）可回收熱源并轉(zhuǎn)變成電能(節(jié)約能源)，使用壽命長(zhǎng)，易于控制。1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論熱電材料的特點(diǎn)

雖然其優(yōu)點(diǎn)眾多，但目前利用熱電材料制成的裝置其效率(<5%)仍遠(yuǎn)比傳統(tǒng)冰箱或發(fā)電機(jī)小。所以若能大幅度提升這些熱電材料的效率，將對(duì)廣泛用于露營(yíng)的手提式致冷器，太空應(yīng)用和半導(dǎo)體晶片冷卻等產(chǎn)生相當(dāng)重要的影響。家庭與工業(yè)上的冷卻將因熱電裝置無運(yùn)動(dòng)的部件，是堅(jiān)固的，安靜的，可靠的，且避免使用會(huì)破壞臭氣層的含氯氟碳?xì)浠衔铩ｋ姛岵牧闲枰懈邔?dǎo)電性以避免電阻所引起電功率之損失，同時(shí)亦需具有低熱傳導(dǎo)系數(shù)以使冷熱兩端的溫差不會(huì)因熱傳導(dǎo)而改變。

1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論熱電材料的分類

目前電熱材料的選擇可依其運(yùn)作溫度分為三類：

(1)碲化鉍及其合金：這是目前被廣為使用于熱電致冷器的材料，其最佳運(yùn)作溫度<450℃。

(2)碲化鉛及其合金：這是目前被廣為使用于熱電產(chǎn)生器的材料，其最佳運(yùn)作溫度大約為1000℃。

(3)硅鍺合金：此類材料亦常應(yīng)用于熱電產(chǎn)生器,其最佳運(yùn)作溫度大約為1300℃。

1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論

近年來,納米科技相關(guān)研究蓬勃發(fā)展，熱電材料應(yīng)用的相關(guān)研究亦是歐美日各國(guó)在納米科技中全力發(fā)展的重點(diǎn)之一，目前不論在理論方面或?qū)嶒?yàn)方面均有很大的研究空間，納米材料具有比塊材更大的界面，以及量子局限化效應(yīng)，故納米結(jié)構(gòu)的材料具有新的物理性質(zhì)，產(chǎn)生新的界面與現(xiàn)象，這對(duì)提升ZT(熱電優(yōu)值)值遭遇瓶頸的熱電材料預(yù)期應(yīng)有突破性的改善，故納米科技目前被視為尋找高ZT值熱電材料的希望。1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論熱電材料未來展望

熱電材料必將成為我國(guó)新材料研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。今后研究重點(diǎn)應(yīng)集中在幾個(gè)方面：（1）利用傳統(tǒng)半導(dǎo)體能帶理論和現(xiàn)代量子理論，對(duì)具有不同晶體結(jié)構(gòu)的材料進(jìn)行塞貝克系數(shù)、電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率的計(jì)算，以求在更大范圍內(nèi)尋找熱電優(yōu)值ZT更高的新型熱電材料。（2）從理論和實(shí)驗(yàn)上研究材料的顯微結(jié)構(gòu)、制備工藝等對(duì)其熱電性能的影響，特別是對(duì)超晶格熱電材料、納米熱電材料和熱電材料薄膜的研究，以進(jìn)一步提高材料的熱電性能。

(3)對(duì)己發(fā)現(xiàn)的高性能材料進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)研究，使其達(dá)到穩(wěn)定的高熱電性能。

(4)加強(qiáng)器件的制備工藝研究，以實(shí)現(xiàn)熱電材料的產(chǎn)業(yè)化。1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論直到1960年，美國(guó)科學(xué)家Maiman發(fā)明了世界上第一臺(tái)激光器后，為光通訊提供了良好的光源。隨后二十多年，人們對(duì)光傳輸介質(zhì)進(jìn)行了攻關(guān)，終于制成了低損耗光纖，從而奠定了光通訊的基石。從此，光通訊進(jìn)入了飛速發(fā)展的階段。材料新秀二—光導(dǎo)纖維1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論光通訊是人類最早應(yīng)用的通訊方式之一。從烽火傳遞信號(hào)，到信號(hào)燈﹑旗語等通訊方式，都是光通訊的范疇。但由于受到視距﹑大氣衰減﹑地形阻擋等諸多因素的限制，光通訊的發(fā)展緩慢。1870年的一天，英國(guó)物理學(xué)家丁達(dá)爾到皇家學(xué)會(huì)的演講廳講光的全反射原理，他做了一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)：在裝滿水的木桶上鉆個(gè)孔，然后用燈從桶上邊把水照亮。結(jié)果使觀眾們大吃一驚。人們看到，放光的水從水桶的小孔里流了出來，水流彎曲，光線也跟著彎曲，光居然被彎彎曲曲的水俘獲了（圖4－11）。人們?cè)?jīng)發(fā)現(xiàn)，光能沿著從酒桶中噴出的細(xì)酒流傳輸；人們還發(fā)現(xiàn)，光能順著彎曲的玻璃棒前進(jìn)。這是為什么呢？難道光線不再直進(jìn)了嗎？這些現(xiàn)象引起了丁達(dá)爾的注意，經(jīng)過他的研究，發(fā)現(xiàn)這是全反射的作用，即光從水中射向空氣，當(dāng)入射角大于某一角度時(shí)，折射光線消失，全部光線都反射回水中。表面上看，光好像在水流中彎曲前進(jìn)。實(shí)際上，在彎曲的水流里，光仍沿直線傳播，只不過在內(nèi)表面上發(fā)生了多次全反射，光線經(jīng)過多次全反射向前傳播。1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論通信用的激光一般在特殊的管道-------光導(dǎo)纖維里傳播。目前，光導(dǎo)纖維的主要成分是二氧化硅。光導(dǎo)纖維的燒制1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論材料新秀三—壓電材料超聲波傳感器換能器壓電材料壓電石英晶體材料1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論材料新秀三—壓電材料壓電材料是受到壓力作用時(shí)會(huì)在兩端面間出現(xiàn)電壓的晶體材料。1880年，法國(guó)物理學(xué)家P.居里和J.居里兄弟發(fā)現(xiàn)，把重物放在石英晶體上，晶體某些表面會(huì)產(chǎn)生電荷，電荷量與壓力成比例。這一現(xiàn)象被稱為壓電效應(yīng)。隨即，居里兄弟又發(fā)現(xiàn)了逆壓電效應(yīng)，即在外電場(chǎng)作用下壓電體會(huì)產(chǎn)生形變。壓電效應(yīng)的機(jī)理是：具有壓電性的晶體對(duì)稱性較低，當(dāng)受到外力作用發(fā)生形變時(shí)，晶胞中正負(fù)離子的相對(duì)位移使正負(fù)電荷中心不再重合，導(dǎo)致晶體發(fā)生宏觀極化，而晶體表面電荷面密度等于極化強(qiáng)度在表面法向上的投影，所以壓電材料受壓力作用形變時(shí)兩端面會(huì)出現(xiàn)異號(hào)電荷。反之，壓電材料在電場(chǎng)中發(fā)生極化時(shí)，會(huì)因電荷中心的位移導(dǎo)致材料變形。利用壓電材料的這些特性可實(shí)現(xiàn)機(jī)械振動(dòng)（聲波）和交流電的互相轉(zhuǎn)換。因而壓電材料廣泛用于傳感器元件中，例如地震傳感器，力、速度和加速度的測(cè)量元件以及電聲傳感器等?，F(xiàn)在，這類材料被廣泛運(yùn)用，舉一個(gè)很生活化的例子，打火機(jī)的火花即運(yùn)用此技術(shù)。1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論壓電效應(yīng)的應(yīng)用

壓電現(xiàn)象是100多年前居里兄弟研究石英時(shí)發(fā)現(xiàn)的。那么，什么是壓電效應(yīng)呢？當(dāng)你在點(diǎn)燃煤氣灶或熱水器時(shí),就有一種壓電陶瓷已悄悄地為你服務(wù)了一次。生產(chǎn)廠家在這類壓電點(diǎn)火裝置內(nèi)，藏著一塊壓電陶瓷，當(dāng)用戶按下點(diǎn)火裝置的彈簧時(shí)，傳動(dòng)裝置就把壓力施加在壓電陶瓷上，使它產(chǎn)生很高的電壓,進(jìn)而將電能引向燃?xì)獾某隹诜烹?。于是，燃?xì)饩捅浑娀鸹c(diǎn)燃了。壓電陶瓷的這種功能就叫做壓電效應(yīng)。

1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論壓電效應(yīng)的應(yīng)用

壓電效應(yīng)的原理是，如果對(duì)壓電材料施加壓力，它便會(huì)產(chǎn)生電位差（稱之為正壓電效應(yīng)），反之施加電壓,則產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力（稱為逆壓電效應(yīng)）。如果壓力是一種高頻震動(dòng)，則產(chǎn)生的就是高頻電流。而高頻電信號(hào)加在壓電陶瓷上時(shí)，則產(chǎn)生高頻聲信號(hào)（機(jī)械震動(dòng)），這就是我們平常所說的超聲波信號(hào)。也就是說，壓電陶瓷具有機(jī)械能與電能之間的轉(zhuǎn)換和逆轉(zhuǎn)換的功能，這種相互對(duì)應(yīng)的關(guān)系確實(shí)非常有意思。

壓電材料可以因機(jī)械變形產(chǎn)生電場(chǎng)，也可以因電場(chǎng)作用產(chǎn)生機(jī)械變形，這種固有的機(jī)-電耦合效應(yīng)使得壓電材料在工程中得到了廣泛的應(yīng)用。例如，壓電材料已被用來制作智能結(jié)構(gòu)，此類結(jié)構(gòu)除具有自承載能力外,還具有自診斷性、自適應(yīng)性和自修復(fù)性等功能，在未來的飛行器設(shè)計(jì)中占有重要的地位。

1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論材料分類無機(jī)壓電材料

分為壓電晶體和壓電陶瓷，壓電晶體一般是指壓電單晶體；壓電陶瓷則泛指壓電多晶體。壓電陶瓷是指用必要成份的原料進(jìn)行混合、成型、高溫?zé)Y(jié)，由粉粒之間的固相反應(yīng)和燒結(jié)過程而獲得的微細(xì)晶粒無規(guī)則集合而成的多晶體。有機(jī)壓電材料又稱壓電聚合物，如偏聚氟乙烯（PVDF）（薄膜）及其它為代表的其他有機(jī)壓電（薄膜）材料。這類材料及其材質(zhì)柔韌，低密度，低阻抗和高壓電電壓常數(shù)(g)等優(yōu)點(diǎn)為世人矚目，且發(fā)展十分迅速，現(xiàn)在水聲超聲測(cè)量，壓力傳感，引燃引爆等方面獲得應(yīng)用。不足之處是壓電應(yīng)變常數(shù)（d）偏低，使之作為有源發(fā)射換能器受到很大的限制。第三類是復(fù)合壓電材料，這類材料是在有機(jī)聚合物基底材料中嵌入片狀、棒狀、桿狀、或粉末狀壓電材料構(gòu)成的。至今已在水聲、電聲、超聲、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。如果它制成水聲換能器，不僅具有高的靜水壓響應(yīng)速率，而且耐沖擊，不易受損且可用與不同的深度。1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論復(fù)合材料的發(fā)展歷史復(fù)合材料使用的歷史可以追溯到古代。從古至今沿用的稻草增強(qiáng)粘土和已使用上百年的鋼筋混凝土均由兩種材料復(fù)合而成。20世紀(jì)40年代，因航空工業(yè)的需要，發(fā)展了玻璃纖維增強(qiáng)塑料（俗稱玻璃鋼），從此出現(xiàn)了復(fù)合材料這一名稱。50年代以后，陸續(xù)發(fā)展了碳纖維、石墨纖維和硼纖維等高強(qiáng)度和高模量纖維。70年代出現(xiàn)了芳綸纖維和碳化硅纖維。這些高強(qiáng)度、高模量纖維能與合成樹脂、碳、石墨、陶瓷、橡膠等非金屬基體或鋁、鎂、鈦等金屬基體復(fù)合，構(gòu)成各具特色的復(fù)合材料。

1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論復(fù)合材料發(fā)展的幾個(gè)階段天然復(fù)合材料竹、木、茅草、貝殼、骨骼傳統(tǒng)復(fù)合材料 麻刀（紙筋）石灰；土坯（草稈、粘土）；鋼筋混凝土；通用復(fù)合材料

1940年玻璃纖維增強(qiáng)塑料（GFRP），并出現(xiàn)了復(fù)合材料的名稱

先進(jìn)復(fù)合材料

1960—

年，復(fù)合材料從結(jié)構(gòu)復(fù)合材料→單功能復(fù)合材料→多功能復(fù)合材料→機(jī)敏材料和智能材料。智能材料具有接受、傳遞、處理和發(fā)射信息的功能，是信息科學(xué)溶入材料科學(xué)的產(chǎn)物。

1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論一種天然生物復(fù)合材料—

竹子1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論先進(jìn)復(fù)合材料的產(chǎn)生和發(fā)展60年代，為滿足航空航天等尖端技術(shù)所用材料的需要，先后研制和生產(chǎn)了以高性能纖維（如碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維等）為增強(qiáng)材料的復(fù)合材料，其比強(qiáng)度大于4×106厘米（cm），比模量大于4×108cm。為了與第一代玻璃纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料相區(qū)別，將這種復(fù)合材料稱為先進(jìn)復(fù)合材料。按基體材料不同，先進(jìn)復(fù)合材料分為樹脂基、金屬基和陶瓷基復(fù)合材料。其使用溫度分別達(dá)250～350℃、350～1200℃和1200℃以上。先進(jìn)復(fù)合材料除作為結(jié)構(gòu)材料外，還可用作功能材料，如梯度復(fù)合合材料(材料的化學(xué)和結(jié)晶學(xué)組成、結(jié)構(gòu)、空隙等在空間連續(xù)梯變的功能復(fù)合材料)、機(jī)敏復(fù)合材料（具有感覺、處理和執(zhí)行功能，能適應(yīng)環(huán)境變化的功能復(fù)合材料）、仿生復(fù)合材料、隱身復(fù)合材料等。1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論先進(jìn)復(fù)合材料

先進(jìn)復(fù)合材料是比原有的通用復(fù)合材料有更高性能的復(fù)合材料。 包括用各種高性能增強(qiáng)劑(纖維等)與耐溫性好的熱固性和熱塑性樹脂基體所構(gòu)成的高性能樹脂基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料、玻璃基復(fù)合材料、碳基復(fù)合材料。 包括使用其力學(xué)性能的結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和使用熱、電、磁、光、核、生物及其他性能的功能復(fù)合材料。1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論先進(jìn)復(fù)合材料功能材料是指除力學(xué)性能以外還提供其它物理、化學(xué)、生物等性能的復(fù)合材料。包括壓電、導(dǎo)電、雷達(dá)隱身、永磁、光致變色、吸聲、阻燃、生物自吸收等種類繁多的復(fù)合材料，具有廣闊的發(fā)展前途。未來的功能復(fù)合材料比重將超過結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，成為復(fù)合材料發(fā)展的主流。未來復(fù)合材料的研究方向主要集中在納米復(fù)合材料、仿生復(fù)合材料、和發(fā)展多功能、機(jī)敏、智能復(fù)合材料等領(lǐng)域。1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論隱身材料

隱身材料可以降低被探測(cè)率，提高自身的生存率，是隱身技術(shù)的重要組成部分。按頻譜可分為聲、雷達(dá)、紅外、可見光、激光隱身材料。按材料用途可分為隱身涂層材料和隱身結(jié)構(gòu)材料。隱身材料是隱身技術(shù)的重要組成部分，在裝備外形不能改變的前提下，隱身材料（stealthmaterial）是實(shí)現(xiàn)隱身技術(shù)的物質(zhì)基礎(chǔ)。武器系統(tǒng)采用隱身材料可以降低被探測(cè)率，提高自身的生存率，增加攻擊性，獲得最直接的軍事效益。因此隱身材料的發(fā)展及其在飛機(jī)、主戰(zhàn)坦克、艦船、箭彈上應(yīng)用，將成為國(guó)防高技術(shù)的重要組成部分。對(duì)于地面武器裝備，主要防止空中雷達(dá)或紅外設(shè)備探測(cè)、雷達(dá)制導(dǎo)武器和激光制導(dǎo)炸彈的攻擊；對(duì)于作戰(zhàn)飛機(jī)，主要防止空中預(yù)警機(jī)雷達(dá)、機(jī)載火控雷達(dá)和紅外設(shè)備的探測(cè)，主動(dòng)和半主動(dòng)雷達(dá)、空對(duì)空導(dǎo)彈和紅外格斗導(dǎo)彈的攻擊。為此，常需要雷達(dá)、紅外和激光隱身技術(shù)。F-117A隱身攻擊機(jī)1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論

結(jié)構(gòu)型雷達(dá)吸波材料是一種多功能復(fù)合材料，它既能承載作結(jié)構(gòu)件，具備復(fù)合材料質(zhì)輕、高強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，又能較好地吸收或透過電磁波，已成為當(dāng)前隱身材料重要的發(fā)展方向。近年來，復(fù)合材料的高速發(fā)展為結(jié)構(gòu)吸波材料的研制提供了保障。新型熱塑性PEEK(聚醚醚酮)、PES(聚醚砜)、PPS(聚苯硫醚)以及熱固性的環(huán)氧樹脂、雙馬來酰亞胺、聚酰亞胺、聚醚酰亞胺和異氰酸酯等都具有比較好的介電性能，由它們制成的復(fù)合材料具有較好的雷達(dá)傳輸和透射性。采用的纖維包括有良好介電透射性的石英纖維、電磁波透射率高的聚乙烯纖維、聚四氟乙烯纖維、陶瓷纖維，以及玻纖、聚酰胺纖維。碳纖維對(duì)吸波結(jié)構(gòu)具有特殊意義，近年來，國(guó)外對(duì)碳纖維作了大量改良工作，如改變碳纖維的橫截面形狀和大小，對(duì)碳纖維表面進(jìn)行表面處理，從而改善碳纖維的電磁特性，以用于吸波結(jié)構(gòu)。美國(guó)空軍研究發(fā)現(xiàn)將PEEK、PEK和PPS抽拉的單絲制成復(fù)絲分別與碳纖維、陶瓷纖維等按一定比例交替混雜成紗束，編織成各種織物后再與PEEK或PPS制成復(fù)合材料，具有優(yōu)良的吸收雷達(dá)波性能，又兼具有重量輕、強(qiáng)度大、韌性好等特點(diǎn)。據(jù)稱美國(guó)先進(jìn)戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)斗機(jī)(ATF)結(jié)構(gòu)的50%將采用這一類結(jié)構(gòu)吸波材料，材料牌號(hào)為APC(HTX)。在結(jié)構(gòu)吸波材料領(lǐng)域，西方國(guó)家中以美國(guó)和日本的技術(shù)最為先進(jìn)，尤其在復(fù)合材料、碳纖維、陶瓷纖維等研究領(lǐng)域，日本顯示出強(qiáng)大的技術(shù)實(shí)力。英國(guó)的Plesey公司也是該領(lǐng)域的主要研究機(jī)構(gòu)。1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論永磁材料對(duì)于磁感應(yīng)強(qiáng)度以及磁極化強(qiáng)度具有高矯頑性的磁性材料。矯頑力相當(dāng)大、磁能積相當(dāng)高的磁性材料。又稱“硬磁材料”。一經(jīng)磁化即能保持恒定磁性的材料。具有寬磁滯回線、高矯頑力和高剩磁。實(shí)用中，永磁材料工作于深度磁飽和及充磁后磁滯回線的第二象限退磁部分。常用的永磁材料分為鋁鎳鈷系永磁合金、鐵鉻鈷系永磁合金、永磁鐵氧體、稀土永磁材料和復(fù)合永磁材料。鋁鎳鈷系永磁合金以鐵、鎳、鋁元素為主要成分，還含有銅、鈷、鈦等元素。具有高剩磁和低溫度系數(shù)，磁性穩(wěn)定。分鑄造合金和粉末燒結(jié)合金兩種。20世紀(jì)30～60年代應(yīng)用較多，現(xiàn)多用于儀表工業(yè)中制造磁電系儀表、流量計(jì)、微特電機(jī)、繼電器等其它：鐵鉻鈷系永磁合金；稀土永磁材料；復(fù)合永磁材料1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論光致變色材料光致變色材料，是指受到光源激發(fā)后能夠發(fā)生顏色變化的一類材料?；衔镌谝欢ǖ牟ㄩL(zhǎng)和強(qiáng)度的光作用下分子結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致其對(duì)光的吸收峰值即顏色的相應(yīng)改變，且這種改變一般是可逆的。人類發(fā)現(xiàn)光致變色現(xiàn)象已有一百多年的歷史。第一個(gè)成功的商業(yè)應(yīng)用始于20世紀(jì)60年代，美國(guó)的Corning工作室的兩位材料學(xué)家Amistead和Stooky首先發(fā)現(xiàn)了含鹵化銀(AgX)玻璃的可逆光致變色性能，隨后人們對(duì)其機(jī)理和應(yīng)用作了大量研究并開發(fā)出變色眼鏡。但由于其較高的成本及復(fù)雜的加工技術(shù)，不適于制作大面積光色玻璃，限制了其在建筑領(lǐng)域的商業(yè)應(yīng)用。此后AgX光致變色的應(yīng)用重心轉(zhuǎn)向了價(jià)格便宜且質(zhì)量較輕的聚合物基材料，而各種新型光致變色材料的性能及其應(yīng)用也開始了系統(tǒng)研究。1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論光致變色材料的分類1、有機(jī)光致變色化合物

(l)螺毗喃類：螺毗喃是有機(jī)光致變色材料中研究和應(yīng)用最早、最廣泛的體系之一，在紫外光照射下，無色螺毗喃結(jié)構(gòu)中的C一O鍵斷裂開環(huán)，分子局部發(fā)生旋轉(zhuǎn)且與叫噪形成一個(gè)共平面的部花青結(jié)構(gòu)而顯色(3)二芳基乙烯類：二芳基乙烯類具有非常好的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性以及優(yōu)良的靈敏度和抗疲勞性，其研究正受到國(guó)內(nèi)外材料工作者越來越多的關(guān)注。

(4)偶氮苯類：偶氮苯類化合物光致變色性能良好，并其有超高存儲(chǔ)密度和非破壞性信息讀出等特點(diǎn)一’7}，其光致變色原理見圖7。行。2、無機(jī)光致變色化合物

(1)過渡金屬氧化物：這類物質(zhì)主要有WO3、、MoO3、TiO2等。

(2)金屬鹵化物:金屬鹵化物具有一定的光致變色性.如碘化鈣和碘化汞混合晶體、氯化銅、氯化銀等。

3)稀土配合物：目前對(duì)稀土配合物光致變色的研究較少。1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論光致變色材料應(yīng)用前景(l)信息存儲(chǔ)元件：利用光致變色化合物受不同強(qiáng)度和波長(zhǎng)光照射時(shí)可反復(fù)循環(huán)變色的特點(diǎn)，可以將其制成計(jì)算機(jī)的記憶存儲(chǔ)兀件，實(shí)現(xiàn)信息的記憶與消除過程.其記錄信息的密度大得難以想象，而且抗疲勞性能好，能快速寫人和擦除信息。這是新型記憶存儲(chǔ)材料的一個(gè)新的發(fā)展方向。(2)裝飾和防護(hù)包裝材料：光致變色化合物可用作指甲漆、漆雕工藝品、T恤衫、墻壁紙等裝飾品。為了適應(yīng)不同的需要，可將光致變色化合物加入到一般油墨或涂料用的膠粘劑、稀釋劑等助劑中混合制成絲網(wǎng)印刷油墨或涂料;還可將光致變色化合物制成包裝膜、建筑物的調(diào)光玻璃窗、汽車及飛機(jī)的屏風(fēng)玻璃等，防護(hù)日光照射，保證全。

1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論(3)自顯影全息記錄照相：這是利用光致變色材料的光敏性制作的一種新型自顯影+法照相技術(shù)。在透明膠片等支持體上涂一層很薄的光致變色物質(zhì)(如螺毗喃、俘精酸醉等)，其對(duì)可見光不感光，只對(duì)紫外光感光，從而形成有色影像。這種成像方法分辨率高，不會(huì)發(fā)生操作誤差，而且影像可以反正錄制和消除。(4)國(guó)防上的用途：光致變色材料對(duì)強(qiáng)光特別敏感，因此可以用來制作強(qiáng)光輻劑量劑。它能測(cè)量電離輻射，探測(cè)紫外線、X射線、y射線等的劑量。如將其涂在飛船的外部，能快速精確地計(jì)量出高輻射的劑量。光致變色材料還可以制成多層濾光器，控制輻射光的強(qiáng)度，防止紫外線對(duì)人眼及身體的傷害。如果把高靈敏度的光致變色體系指示屏用于武器上，可記錄飛機(jī)、軍艦的行蹤，形成可褪色的暫時(shí)痕跡。1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論吸聲材料吸聲材料，是具有較強(qiáng)的吸收聲能、減低噪聲性能的材料。借自身的多孔性、薄膜作用或共振作用而對(duì)入射聲能具有吸收作用的材料，超聲學(xué)檢查設(shè)備的元件之一。吸聲材料要與周圍的傳聲介質(zhì)的聲特性阻抗匹配，使聲能無反射地進(jìn)入吸聲材料，并使入射聲能絕大部分被吸收。金字塔型吸聲材料吸聲材料1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論智能材料智能材料（Intelligentmaterial），是一種能感知外部刺激，能夠判斷并適當(dāng)處理且本身可執(zhí)行的新型功能材料。智能材料是繼天然材料、合成高分子材料、人工設(shè)計(jì)材料之后的第四代材料，是現(xiàn)代高技術(shù)新材料發(fā)展的重要方向之一，將支撐未來高技術(shù)的發(fā)展，使傳統(tǒng)意義下的功能材料和結(jié)構(gòu)材料之間的界線逐漸消失，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能化、功能多樣化?？茖W(xué)家預(yù)言，智能材料的研制和大規(guī)模應(yīng)用將導(dǎo)致材料科學(xué)發(fā)展的重大革命。一般說來，智能材料有七大功能，即傳感功能、反饋功能、信息識(shí)別與積累功能、響應(yīng)功能、自診斷能力、自修復(fù)能力和自適應(yīng)能力。1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論應(yīng)用

在建筑方面，科學(xué)家正集中力量研制使橋梁、高大的建筑設(shè)施以及地下管道等能自診其“健康”狀況，并能自行“醫(yī)治疾病”的材料。英國(guó)科學(xué)家已開發(fā)出了兩種“自愈合”纖維。這兩種纖維能分別感知混凝土中的裂紋和鋼筋的腐蝕，并能自動(dòng)粘合混凝土的裂紋或阻止鋼筋的腐蝕。粘合裂紋的纖維是用玻璃絲和聚丙烯制成的多孔狀中空纖維，將其摻入混凝土中后，在混凝土過度撓曲時(shí)，它會(huì)被撕裂，從而釋放出一些化學(xué)物質(zhì)，來充填和粘合混凝土中的裂縫。防腐蝕纖維則被包在鋼筋周圍。當(dāng)鋼筋周圍的酸度達(dá)到一定值時(shí)，纖維的涂層就會(huì)溶解，從纖維中釋放出能阻止混凝土中的鋼筋被腐蝕的物質(zhì)。

在飛機(jī)制造方面，科學(xué)家正在研制具有如下功能的智能材料：當(dāng)飛機(jī)在飛行中遇到渦流或猛烈的逆風(fēng)時(shí)，機(jī)翼中的智能材料能迅速變形，并帶動(dòng)機(jī)翼改變形狀，從而消除渦流或逆風(fēng)的影響，使飛機(jī)仍能平穩(wěn)地飛行?？蛇M(jìn)行損傷評(píng)估和壽命預(yù)測(cè)的飛機(jī)自診斷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可自行判斷突然的結(jié)構(gòu)損傷和累積損傷，根據(jù)飛行經(jīng)歷和損傷數(shù)據(jù)預(yù)計(jì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)的壽命，從而在保證安全的情況下，大大減少停飛檢修次數(shù)和常規(guī)維護(hù)費(fèi)用，使商業(yè)飛機(jī)能獲得可觀的經(jīng)濟(jì)效益。此外，還有人設(shè)想用智能材料制成涂料，涂在機(jī)身和機(jī)翼上，當(dāng)機(jī)身或機(jī)翼內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力時(shí)，涂料會(huì)改變顏色，以此警告。

1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論應(yīng)用

在醫(yī)療方面，智能材料和結(jié)構(gòu)可用來制造無需馬達(dá)控制并有觸覺響應(yīng)的假肢。這些假肢可模仿人體肌肉的平滑運(yùn)動(dòng)，利用其可控的形狀回復(fù)作用力，靈巧地抓起易碎物體，如盛滿水的紙杯等。藥物自動(dòng)投放系統(tǒng)也是智能材料一顯身手的領(lǐng)地。日本推出了一種能根據(jù)血液中的葡萄糖濃度而擴(kuò)張和收縮的聚合物。葡萄糖濃度低時(shí)，聚合物條帶會(huì)縮成小球，葡萄糖濃度高時(shí)，小球會(huì)伸展成帶。借助于這一特性，這種聚合物可制成人造胰細(xì)胞。將用這種聚合物包封的胰島素小球，注入糖尿病患者的血液中，小球就可以模擬胰細(xì)胞工作。血液中的血糖濃度高時(shí)，小球釋放出胰島素，血糖濃度低時(shí)，胰島素被密封。這樣，病人血糖濃度就會(huì)始終保持在正常的水平上。應(yīng)用在人體中1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論智能材料的再一個(gè)重要進(jìn)展標(biāo)志就是形狀記憶合金，或稱記憶合金。這種合金在一定溫度下成形后，能記住自己的形狀。當(dāng)溫度降到一定值（相變溫度）以下時(shí)，它的形狀會(huì)發(fā)生變化；當(dāng)溫度再升高到相變溫度以上時(shí)，它又會(huì)自動(dòng)恢復(fù)原來的形狀。目前記憶合金的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究已比較成熟。一些國(guó)家用記憶合金制成了衛(wèi)星用自展天線。在稍高的溫度下焊接成一定形狀后，在室溫下將其折疊，裝在衛(wèi)星上發(fā)射。衛(wèi)星上天后，由于受到強(qiáng)的日光照射，溫度會(huì)升高，天線自動(dòng)展開。除此之外，還有人用記憶合金制成了窗戶自動(dòng)開閉器。當(dāng)溫度升至一定程度后窗戶自動(dòng)打開，溫度下降時(shí)自動(dòng)關(guān)閉。形狀記憶合金1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論研究方向

智能材料是一種集材料與結(jié)構(gòu)、智然處理、執(zhí)行系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和傳感系統(tǒng)于一體的復(fù)雜的材料體系。它的設(shè)計(jì)與合成幾乎橫跨所有的高技術(shù)學(xué)科領(lǐng)域。構(gòu)成智然材料的基本材料組元有壓電材料、形狀記憶材料、光導(dǎo)纖維、電（磁）流變液、磁致伸縮材料和智能高分子材料等。智能材料的出現(xiàn)將使人類文明進(jìn)入一個(gè)新的高度，但目前距離實(shí)用階段還有一定的距離。今后的研究重點(diǎn)包括以下六個(gè)方面：（1）智能材料概念設(shè)計(jì)的仿生學(xué)理論研究（2）材料智商評(píng)價(jià)體系的研究（3）耗散結(jié)構(gòu)理論應(yīng)用于智能材料的研究（4）機(jī)敏材料的復(fù)合-集成原理及設(shè)計(jì)理論（5）智能結(jié)構(gòu)集成的非線性理論（6）仿人智能控制理論1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論智能材料的選材一般來說智能材料由基體材料、敏感材料、驅(qū)動(dòng)材料和信息處理器四部分構(gòu)成。（1）基體材料

基體材料擔(dān)負(fù)著承載的作用，一般宜選用輕質(zhì)材料。一般基體材料首選高分子材料，因?yàn)槠渲亓枯p、耐腐蝕，尤其具有粘彈性的非線性特征。其次也可選用金屬材料，以輕質(zhì)有色合金為主。

（2）敏感材料敏感材料擔(dān)負(fù)著傳感的任務(wù)，其主要作用是感知環(huán)境變化（包括壓力、應(yīng)力、溫度、電磁場(chǎng)、PH值等）。常用敏感材料如形狀記憶材料、壓電材料、光纖材料、磁致伸縮材料、電致變色材料、電流變體、磁流變體和液晶材料等。

1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論智能材料的選材

（3）驅(qū)動(dòng)材料因?yàn)樵谝欢l件下驅(qū)動(dòng)材料可產(chǎn)生較大的應(yīng)變和應(yīng)力，所以它擔(dān)負(fù)著響應(yīng)和控制的任務(wù)。常用有效驅(qū)動(dòng)材料如形狀記憶材料、壓電材料、電流變體和磁致伸縮材料等?？梢钥闯觯@些材料既是驅(qū)動(dòng)材料又是敏感材料，顯然起到了身兼二職的作用，這也是智能材料設(shè)計(jì)時(shí)可采用的一種思路。

（4）其它功能材料包括導(dǎo)電材料、磁性材料、光纖和半導(dǎo)體材料等1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論機(jī)敏材料機(jī)敏材料smartmaterial

能檢知環(huán)境變化，并通過改變自身一個(gè)或多個(gè)性能參數(shù)對(duì)環(huán)境變化作出響應(yīng)，使之與變化后的環(huán)境相適應(yīng)的材料。

1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論先進(jìn)復(fù)合材料的發(fā)展史40年代，玻璃纖維增強(qiáng)塑料（GFRP）復(fù)合材料發(fā)展的第一代

60

80年代，先進(jìn)復(fù)合材料 復(fù)合材料發(fā)展的第二代

80

年，先進(jìn)復(fù)合材料充分發(fā)展 復(fù)合材料發(fā)展的第三代1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論飛機(jī)上用的復(fù)合材料碳纖維/環(huán)氧樹脂碳纖維/芳綸/環(huán)氧樹脂玻璃纖維增強(qiáng)塑料芳綸/杜邦聚酰胺芳綸/泡沫芯板碳纖維/杜邦聚酰胺1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論飛機(jī)上用的復(fù)合材料增韌石墨石墨混雜復(fù)合材料玻璃纖維1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論開創(chuàng)性的大量應(yīng)用源自F1賽車的碳纖維復(fù)合材料1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論GLARE蒙皮用于A380飛機(jī)的上機(jī)身蒙皮1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論中國(guó)自研大飛機(jī)面臨發(fā)動(dòng)機(jī)與復(fù)合材料兩大難題1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論大推力、高涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)大量運(yùn)用了復(fù)合材料或鈦合金空心寬弦葉片、整體葉盤。1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論B-2隱形轟炸機(jī)

除主體結(jié)構(gòu)是鈦復(fù)合材料外，其它部分均由碳纖維和石墨等復(fù)合材料構(gòu)成，不易反射。1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論輕巧的碳/碳復(fù)合材料1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論全復(fù)合材料機(jī)身：輕型機(jī)的價(jià)格，中型機(jī)的寬敞客艙，客艙內(nèi)站立高度為1.65米。1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論目前商用飛機(jī)上復(fù)合材料僅占全機(jī)重量的50%，而某些直升機(jī)早已達(dá)到90%1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論荷蘭計(jì)劃研發(fā)新型綠色環(huán)保飛機(jī)

外形將酷似飛碟,另一個(gè)設(shè)想就是使用復(fù)合材料，如纖維增強(qiáng)塑料。這種復(fù)合材料強(qiáng)度可與金屬媲美，而重量卻比金屬輕得多，因此可以節(jié)省燃油。1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論復(fù)合材料軍用吉普車玻璃纖維/碳纖維/增強(qiáng)樹脂美洲輕木泡沫1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論凱夫拉防彈衣“凱夫拉”材料于1935年誕生在美國(guó)杜邦公司，它是一種芳香族聚酰胺有機(jī)纖維，我國(guó)稱它為芳綸復(fù)合材料，“凱夫拉”有多種化學(xué)物質(zhì)融合而成，其特點(diǎn)是密度高，重量輕，強(qiáng)度高，韌性好，耐高溫，耐化學(xué)腐蝕，絕緣性能和紡織性好，它于1972年投入工業(yè)生產(chǎn)，并付諸實(shí)用。美國(guó)用了6年時(shí)間，花費(fèi)了250萬美元，研制出用“凱夫拉”材料制成的頭盔，從而結(jié)束了作為美國(guó)陸軍象征有名的“鋼盔”時(shí)代。這種頭盔僅重1.45千克，其防彈性能比原標(biāo)準(zhǔn)鋼盔高出了33%。同時(shí)，這種新頭盔更貼近頭部，使用者感覺更加舒適。1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論凱夫拉防彈衣?lián)娛聦＜医y(tǒng)計(jì)，戰(zhàn)場(chǎng)人員傷亡總數(shù)的75％是由低速或中速流彈和炸彈的碎片造成的，而子彈造成的直接傷亡僅占25％，為了提高作戰(zhàn)人員的生存能力，人們對(duì)避彈衣的研制越來越重視。在制造避彈衣的眾多防彈材料中，“凱夫拉”纖維后來居上，一躍成為材料技術(shù)領(lǐng)域的佼佼者。用“凱夫拉”代替尼龍和玻璃纖維，可使避彈衣的重量減輕50%：在單位面積質(zhì)量相同的情況下，其防護(hù)力至少可增加1倍，并且具有很好的柔韌性。用這種材料制成的防彈衣僅重2-3千克，而且穿著舒適，行動(dòng)方便，很快就被世界上許多國(guó)家的軍隊(duì)采用。

1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論復(fù)合材料制防彈衣1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論凱夫拉纖維防彈頭盔救了英國(guó)大兵一條命

英國(guó)海軍陸戰(zhàn)隊(duì)40突擊隊(duì)士兵艾力克-沃爾德曼在26日烏姆蓋斯?fàn)柕膽?zhàn)斗中頭部中彈。幸虧有“凱夫拉纖維”(kevlar)防彈頭盔，他才撿了一條命。圖為沃爾德曼戴著留有彈孔的救命頭盔。

1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論超級(jí)跑車

車身大量應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論生產(chǎn)充氣船及其膠布制品，采用國(guó)際上先進(jìn)的A級(jí)RTP復(fù)合材料1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論新型日光溫室復(fù)合材料

溫室骨架和縱拉桿全部采用復(fù)合材料制成1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論綠可木，生態(tài)木塑復(fù)合材料，木塑復(fù)合材料吸音板復(fù)合材料（玻璃鋼）制品1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論采用高分子復(fù)合材料制作浮雕和雕塑1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論碳纖維/樹脂復(fù)合材料1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論碳/碳復(fù)合材料1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論生物醫(yī)學(xué)制品和體育運(yùn)動(dòng)復(fù)合材料被用來預(yù)防受傷，矯正生理機(jī)能，和幫助病人復(fù)原。生物醫(yī)學(xué)制品和以體育運(yùn)動(dòng)器材為主的碳纖維復(fù)合材料制品1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論熱塑性復(fù)合材料再近20年中，增長(zhǎng)速率持續(xù)較快，是熱固性的3倍。1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論JS系列自潤(rùn)滑復(fù)合材料與部件1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論三維紡織預(yù)成型技術(shù)和RTM技術(shù)是研制和開發(fā)高性能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的關(guān)鍵技術(shù)。RTM成型的復(fù)合材料頭盔。1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論鋰/復(fù)合材料聚合物電解質(zhì)-熱電池1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論聚合物納米復(fù)合材料聚合物層狀粘土傳統(tǒng)的復(fù)合材料插入的納米復(fù)合材料片狀剝離的納米復(fù)合材料1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論新型的納米黏土片層越小，分散得越好，則復(fù)合材料的性能越好1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論復(fù)合材料的鋪層優(yōu)化設(shè)計(jì)1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論當(dāng)前常用的模壓料品種有熱固性復(fù)合材料，包括SMC、BMC和TMC等；熱塑性復(fù)合材料1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論

國(guó)際上的材料專家普遍認(rèn)為當(dāng)前人類已經(jīng)從合成材料的時(shí)代進(jìn)入復(fù)合材料時(shí)代。因?yàn)橄胍铣梢环N新的單一材料使之滿足各種高要求的綜合指標(biāo)是非常困難的。 即使能研制出某種滿意的單一材料，則從實(shí)驗(yàn)室到生產(chǎn)的周期也很長(zhǎng)。 如果把現(xiàn)有的有機(jī)高分子、無機(jī)非金屬和金屬材料通過復(fù)合工藝組成復(fù)合材料．則可以利用它們所特有的復(fù)合效應(yīng)使之產(chǎn)生原組成材料不具備的性能．而且還可以通過材料設(shè)計(jì)以達(dá)到預(yù)期的性能指標(biāo)，并起到節(jié)約材料和費(fèi)用的作用。1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論

復(fù)合材料概念的提出只有50年左右。上世紀(jì)60年代的中后期由于出現(xiàn)了碳纖維和芳酰胺纖維等高性能增強(qiáng)劑和一些耐高溫樹脂基體，從而構(gòu)成性能更高的復(fù)合材料。雖然由于技術(shù)難度大，造價(jià)高因而產(chǎn)量小，但是它們能滿足當(dāng)時(shí)高技術(shù)進(jìn)展的需要，所以仍能迅速發(fā)展起來。 為了與一般通用復(fù)合材料(指玻璃纖維增強(qiáng)塑料)有所區(qū)別，而獲得了“先進(jìn)復(fù)合材料”的名稱。隨后又把金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料、碳基復(fù)合材料以及功能復(fù)合材料等充實(shí)到先進(jìn)復(fù)合材料的范疇里來，充分體現(xiàn)出先進(jìn)復(fù)合材料量小但性能特殊而優(yōu)異的特點(diǎn)。

1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論

雖然它所包括的各種基體的復(fù)合材料和功能復(fù)合材料各有特點(diǎn)和缺陷，但綜合起來看，先進(jìn)復(fù)合材料可以通過選擇，使之具備密度小、強(qiáng)度和剛度高、耐溫、耐磨、導(dǎo)熱、導(dǎo)電、膨脹系數(shù)小、抗疲勞性好、阻尼性能好、耐燒蝕、耐沖刷、抗輻射、吸波、換能以及其他物理功能等特點(diǎn)。這些正是推動(dòng)高技術(shù)的發(fā)展中迫切需要解決的問題，因此，可以說先進(jìn)復(fù)合材料的發(fā)展有力地促進(jìn)了高技術(shù)的進(jìn)步。同時(shí)高技術(shù)的進(jìn)展也帶動(dòng)和加速了先進(jìn)復(fù)合材料的不斷更新，到上世紀(jì)90年代初，復(fù)合材料的世界總產(chǎn)量約為三百萬噸，已在建筑、交通運(yùn)輸、化工、船舶、航空航天和通用機(jī)械等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論先進(jìn)復(fù)合材料在高技術(shù)中的作用

高技術(shù)對(duì)材料的選用是非常嚴(yán)格和苛刻的，先進(jìn)復(fù)合材料的優(yōu)越性能比一般材料更能適合各種高技術(shù)發(fā)展的需要。

1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論幾種典型先進(jìn)復(fù)合材料和常用材料性能對(duì)比材料密度(g/cm3)拉伸強(qiáng)度(GPa)比強(qiáng)度

107(mm)拉伸模量(GPa)比模量

109(mm)沖擊強(qiáng)度(kg·cm/cm2)線脹系數(shù)

10-6(℃-1)復(fù)合材料碳纖維(高強(qiáng))/環(huán)氧1.61.811.31288.0760.2芳綸/環(huán)氧1.41.510.7805.72001.8硼纖維/環(huán)氧2.11.67.622010.5-4.0碳化硅纖維/環(huán)氧2.01.57.51306.52602.6石墨纖維/鋁2.20.83.623110.5-2.0金屬鋼7.81.41.82102.7-12鋁合金2.80.51.7772.8-23鈦合金4.51.02.21102.4-9.0高聚物尼龍61.20.070.062.70.0212401第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論復(fù)合材料的比強(qiáng)度和比模量玻璃纖維/環(huán)氧樹脂芳綸纖維/環(huán)氧樹脂石墨纖維/環(huán)氧樹脂硼纖維/環(huán)氧樹脂石墨纖維/環(huán)氧樹脂鈹石墨纖維/環(huán)氧樹脂比拉伸模量=彈性模量/密度（任意單位）比拉伸強(qiáng)度=拉伸強(qiáng)度/密度（任意單位）1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論

開發(fā)空間是人類進(jìn)步的重要標(biāo)志，已所需要的各種結(jié)構(gòu)材料如運(yùn)載火箭的殼體，航天飛機(jī)的支架、桁條、蒙皮，衛(wèi)星的支架、蒙皮、天線，空間站的各種結(jié)構(gòu)件，都要求用輕質(zhì)高強(qiáng)和高剛度材料以節(jié)約推動(dòng)所需的燃料，先進(jìn)復(fù)合材料能滿足這些要求。 特別是像導(dǎo)彈的頭部防熱材料、航天飛機(jī)的防熱前緣和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的噴管等需要耐高溫、抗燒蝕材樹，更是非先進(jìn)復(fù)合材料莫屬。 其他如抗粒子流、隱身功能等方而，先進(jìn)復(fù)合材料也是候選的優(yōu)先對(duì)象。 先進(jìn)復(fù)合材料在航天技術(shù)的建立方面已經(jīng)作出了不可磨滅的貢獻(xiàn)，而且在未來的發(fā)展中還將繼續(xù)起關(guān)鍵作用。1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論

開發(fā)新能源、節(jié)能和儲(chǔ)能等能源新技術(shù)是高技術(shù)的另一重要組成部分。能源技術(shù)同樣也需要輕質(zhì)高強(qiáng)、耐溫耐腐蝕的材料，先進(jìn)復(fù)合材料也是理想的選用對(duì)象(見下表)。1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論在能源技術(shù)中先進(jìn)復(fù)合材料的應(yīng)用范例功能構(gòu)件先進(jìn)復(fù)合材料新能源太陽能發(fā)電太陽能電池結(jié)構(gòu)支架碳纖維／樹脂基太陽能發(fā)電熱變換器的吸熱層吸熱功能風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片及塔身混雜碳纖維／樹脂基核能源核同位素分離離心機(jī)轉(zhuǎn)子碳纖維／樹脂基核能源核燃料包覆管碳纖維／碳節(jié)能汽車轉(zhuǎn)動(dòng)軸、輪箍活塞碳纖維／樹脂基汽車活塞連桿及銷子氧化鋁纖維／鋁燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片陶瓷基和耐高溫金屬基儲(chǔ)能高效鉛酸蓄電磁電極碳纖維／鉛高能鋰電池固體電解質(zhì)離子導(dǎo)電功能1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論

信息技術(shù)是現(xiàn)代發(fā)展最迅速的高技術(shù)。在信息技術(shù)中包括信息的檢測(cè)、傳輸、貯存、處理運(yùn)算和執(zhí)行等方面，先進(jìn)復(fù)合材料也能起到重要的作用(見下表)。

1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論先進(jìn)復(fù)合材料在信息技術(shù)中的應(yīng)用功能部件先進(jìn)復(fù)合材料檢測(cè)換能敏感元件換能功能傳輸光纖光纜的纜芯和管碳纖維或芳綸/樹脂基存儲(chǔ)磁記錄和磁光記錄盤片磁性功能處理與計(jì)算大規(guī)模集成電路基片碳纖維/銅計(jì)算機(jī)及終端用屏幕罩高頻覆銅電路板半導(dǎo)體及導(dǎo)電性鍵盤觸點(diǎn)柔性導(dǎo)電執(zhí)行打印機(jī)機(jī)械零件碳纖維/樹脂基機(jī)械手與機(jī)器人碳纖維/樹脂基或金屬基1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論

在高技術(shù)的生物工程方面，先進(jìn)復(fù)合材料不僅在力學(xué)性能上能滿足各種生物工程用容器的要求，同時(shí)還能滿足耐腐蝕、抗生物破壞以及生物相容性的要求。此外，功能復(fù)合材料還可以制造用于生物工程的物質(zhì)分離的各種膜材料。

1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論

上世紀(jì)70年代以來。先進(jìn)復(fù)合材料的發(fā)展非常迅速．特別是80年代更為顯著。1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論復(fù)合材料網(wǎng)站和網(wǎng)頁1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論復(fù)合材料網(wǎng)站和網(wǎng)頁中國(guó)復(fù)合材料網(wǎng)中國(guó)復(fù)合材料學(xué)會(huì)西安航天復(fù)合材料研究所--復(fù)合材料專家材料復(fù)合新技術(shù)信息門戶中國(guó)玻璃纖維復(fù)合材料信息網(wǎng)武漢理工大學(xué)復(fù)合材料系—復(fù)合材料技術(shù)網(wǎng)北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論復(fù)合材料的基元和種類介紹1、高性能增強(qiáng)劑2、樹脂基復(fù)合材料3、金屬基復(fù)合材料4、無機(jī)非金屬基復(fù)合材料5、C/C復(fù)合材料6、功能復(fù)合材料7、功能復(fù)合材料的發(fā)展趨勢(shì)1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論

(1)高性能增強(qiáng)劑

碳(石墨)纖維的發(fā)展是非常突出的。以PAN(聚丙烯腈)為先驅(qū)體的MJ系列碳纖維基本解決了過去的提高模量則會(huì)犧牲強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)的矛盾。因此特別適合樹脂基先進(jìn)復(fù)合材料的需要。P系列瀝青基超高模量石墨纖維，其模量已接近石墨晶須。它適合用作金屬基復(fù)合材料的增強(qiáng)劑。 有機(jī)纖維中溶致液晶的聚芳酰胺類發(fā)展很快，現(xiàn)已出現(xiàn)許多牌號(hào)，性能可與Kavlar系列媲美。目前重點(diǎn)是解決該類纖維的吸濕性大的問題。為此熱致液晶型聚芳酯纖維得以發(fā)展，它雖然熱穩(wěn)定性稍差．但不吸濕而且強(qiáng)度與模量與聚芳酰胺相當(dāng)。1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論

值得一提的是用先進(jìn)的凍膠紡絲法制成超高分子量的聚乙烯纖維，強(qiáng)度與模量均超過Kavlar49，其缺點(diǎn)是耐溫性差只能適合于低溫使用。用無機(jī)高分子作為先驅(qū)體，經(jīng)紡絲后燒成陶瓷纖維，是當(dāng)前受到關(guān)注的工藝路線。繼NicalonSiC纖維開發(fā)成功,最近又推出Tyranno(含Ti的SiC)纖維．其性能相當(dāng)?shù)蜏匦悦黠@高于Nicalon。用這類方法現(xiàn)已制成Si3N4纖維，但尚未商品化，晶須已有較長(zhǎng)的歷史，盡管它強(qiáng)度和模量極高。但由于分散困難一直未能發(fā)揮作用。當(dāng)前由于金屬基(高溫型)和陶瓷基復(fù)合材料的要求，又重新活躍起來，但是又面臨它帶有細(xì)纖維污染環(huán)境的問題、能否允許使用有待裁決。

1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論(2)高性能樹脂基復(fù)合材料

制備樹脂基復(fù)合材料首先需要有高性能的熱固性和熱塑性樹脂基體。關(guān)于熱固性樹脂基體已提出一系列要求，即滿足200－300℃長(zhǎng)期使用的條件，并能對(duì)原來的力學(xué)性能有一定的保持率，容易制成預(yù)浸料并有較長(zhǎng)的貯存期，在加工過程中基本上沒有揮發(fā)物逸出。在工藝上容易掌握并能監(jiān)控其質(zhì)量以及具有合適的價(jià)格。目前新型的多官能團(tuán)環(huán)氧，已經(jīng)接近上述的部分要求，如用熱塑性高分子固化劑的延長(zhǎng)貯存期等，但耐溫性尚不夠理想。達(dá)到200℃以上使用溫度的樹脂，目前主要用熱固性聚酰亞胺?，F(xiàn)在已有PMR－15，LARC－160和LR600等牌號(hào)的商品出現(xiàn)，其耐溫性最高可達(dá)300℃。這類樹脂可以通過共聚、改變封頭結(jié)構(gòu)和主鏈結(jié)構(gòu)來進(jìn)行改性。

1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論

雙馬聚酰亞胺耐溫性雖不如聚酰亞胺．但略高于環(huán)氧，可以滿意地在200℃使用。它的工藝性能比聚酰亞胺好，交聯(lián)度高從而剛度高和耐溶劑性好是其優(yōu)點(diǎn)，但是它也存在脆性大的缺點(diǎn)。 現(xiàn)在這種樹脂已有許多商品牌號(hào)，如FE7003、Xu295、H795和EA9102等等。耐溫更高的樹脂基體只有雜環(huán)類高分子如共聚喹惡啉樹脂，聚苯并咪唑樹脂等，但由于價(jià)洛昂貴，加工性能又差，所以只有在特殊情況下才少量使用。

1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論

目前發(fā)展的趨勢(shì)表明，熱塑性樹脂基體正在逐步與熱固性樹脂爭(zhēng)奪先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料基體的主流地位。這是因?yàn)樽罱霈F(xiàn)一大批高性能熱塑性高分子材料，其力學(xué)性能和耐溫性均能滿足先進(jìn)復(fù)合材料的要求。同時(shí)它還有明顯節(jié)約加工周期和提高韌性的優(yōu)點(diǎn)，特別是它的可修復(fù)性、二次加工成形和長(zhǎng)期貯存等熱固性樹脂所不具有的特點(diǎn)。1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論

另一種值得注意的新型樹脂基體是半互穿網(wǎng)絡(luò)高聚物(SIPN)。它是由熱固性網(wǎng)狀高分子與線型高分子互穿而成的高聚物、所以兼有熱固性和熱塑性樹脂的優(yōu)點(diǎn)。由于它在較苛刻的環(huán)境條件下仍有良好的剛度和韌性，因此是應(yīng)用于宇航結(jié)構(gòu)復(fù)合材料中有潛力的樹脂基體。 例如以二腈基雙酚A作為其熱固性部分，而以聚碳酸酯或聚醚砜作為熱塑性部分。在加工過程中雙腈單體受熱互聚成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，而聚碳酸酯等線型高分子則貫穿其中構(gòu)成半互穿網(wǎng)絡(luò)。

1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論(3)金屬基復(fù)合材料

上世紀(jì)80年代以來金屬基復(fù)合材料發(fā)展很快。這是由于高新技術(shù)對(duì)材料的耐溫性和其他性能要求日益提高而起了推動(dòng)作用。 金屬基復(fù)合材料除了和樹脂基復(fù)合材料同樣具有高強(qiáng)度、高模量和低膨脹系數(shù)的特點(diǎn)外，它能耐300－500℃或更高的溫度、同時(shí)不燃、不吸潮、高導(dǎo)熱與導(dǎo)電、抗輻射性能好，而且在較高溫度情況下不會(huì)放出氣體污染環(huán)境。這是樹脂基復(fù)合材料所不能比擬的，但金屬基復(fù)合材料也存在一些缺點(diǎn)，如密度較大、造價(jià)較高，有些金屬基復(fù)合材料工藝較復(fù)雜，還不成熟。特別是它容易發(fā)生界面化學(xué)反應(yīng)從而對(duì)性能產(chǎn)生明顯的影響，這些都有待不斷地改進(jìn)和完善。 盡管如此，一些發(fā)達(dá)國(guó)家仍大力進(jìn)行開發(fā)和研究，已有明顯成效。

1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論金屬基復(fù)合材料

金屬基復(fù)合材料基本上可分為纖維增強(qiáng)型(包括短纖維和氈)、顆粒和晶須增強(qiáng)型、交替疊層型和共晶定向凝固型幾類。低溫用(350℃－600℃)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，目前已有碳(石墨)纖維、硼纖維、碳化硅纖維、氧化鋁纖維等增強(qiáng)鋁、鎂和鈦及其合金。最近以高性能的鋁－鋰合金和金屬間化合物作為基體受到較大的關(guān)注。高溫用(1000－1400℃)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料則以碳化硅纖維(CVD法)、鎢與鉬絲等增強(qiáng)鎳基超合金、金屬間化合物(鈦－鋁、鎳－鋁等)。顆粒與晶須增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料目前多數(shù)用碳化硅顆粒和晶須與上述各種金屬基體復(fù)合。1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論金屬基復(fù)合材料

特別應(yīng)指出的是SiC顆粒增強(qiáng)鋁合金發(fā)展最快，它是當(dāng)前金屬基復(fù)合材料最早能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的品種。這是因?yàn)樗闹亓績(jī)H為鋼的1／3，為鈦合金的2／3，而與鋁合金相近。它的強(qiáng)度比中碳鋼好，與鈦合金相近而比鋁合金略高，模量略高于鈦合金但比鋁合金高很多。在耐磨性上與鋼相似，優(yōu)于鈦合金，比鋁合金要大1倍。在價(jià)格方面大致與鋁合金相當(dāng)，而僅為鈦合金的1／5。目前已經(jīng)小批量應(yīng)用于汽車工業(yè)和機(jī)械工業(yè)中。

1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論金屬基復(fù)合材料

交替疊層型金屬復(fù)合材料是金屬與陶瓷、金屬與金屬以及金屬與高性能纖維增強(qiáng)樹脂交替疊合而成的超混雜型復(fù)合材料。前兩種系用濺射或其他涂層方法交替疊合，現(xiàn)僅在實(shí)驗(yàn)室階段。而后一種已經(jīng)在航空工業(yè)中試用，例如一種稱為ARALL的芳酰胺纖維增強(qiáng)環(huán)氧層與鋁箔構(gòu)成的疊層金屬基復(fù)合材料，由于它的強(qiáng)度高、剛度好，尤其耐疲勞性能優(yōu)良，而受到重視。關(guān)于共晶定向凝固型金屬基復(fù)合材料有較長(zhǎng)的研究歷史，但由于工藝復(fù)雜一直未能得到發(fā)展。1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論(4)無機(jī)非金屬基復(fù)合材料

無機(jī)非金屬基復(fù)合材料包括纖維和晶須增強(qiáng)陶瓷和玻璃。 目前研究較多的以碳化硅或氧化鋁纖維和晶須增強(qiáng)碳化硅、氮化硅、氧化鋁等陶瓷或包括石英在內(nèi)的各種高溫玻璃。由于陶瓷基復(fù)合材構(gòu)成型加工困難、盡管現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)了熱壓燒結(jié)法、氣相沉積法、高分子先驅(qū)體法和溶膠凝膠法等工藝，但是復(fù)合后的效果不太理想，特別是較大工件的可靠性較差。 目前比較成熟的是玻璃基復(fù)合材料。它的耐熱性雖不及陶瓷基復(fù)合材料可在1200℃或更高的溫度下使用、但也能較滿意地應(yīng)用于600－1000℃范圍內(nèi)。而且其性能特別是韌性比陶瓷基復(fù)合材料高很多。

1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論無機(jī)非金屬基復(fù)合材料

雖然這類復(fù)合材料目前仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，離工業(yè)化水平較遠(yuǎn)，但是它的高溫性能具有很大的吸引力，所以研究工作仍然很活躍。值得一提的是這類復(fù)合材料，特別是陶瓷基的不像其他結(jié)構(gòu)復(fù)合材料那樣依靠增強(qiáng)劑來提高強(qiáng)度和剛度。陶瓷基體本身就有足夠的強(qiáng)度和剛度，問題在于韌性太差。在這里纖維是起到阻止裂紋擴(kuò)展分散應(yīng)力集中的增韌作用。因此在復(fù)合工藝條件的設(shè)計(jì)中，應(yīng)該考慮這個(gè)概念上的差別。1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論(5)碳基復(fù)合材料

這種復(fù)合材料即以石墨纖維增強(qiáng)石墨的復(fù)合材料，又稱碳／碳復(fù)合材料它主要是以碳(石墨)纖維氈、布或二維及多維編織物與可碳化物質(zhì)(如樹脂、瀝青等)復(fù)合，再碳化與石墨化，如此反復(fù)進(jìn)行多次直到所要求的密度為止，或者用化學(xué)氣相沉積法把碳沉積在纖維上，這樣反復(fù)進(jìn)行亦可得到碳／碳復(fù)合材料，但密度較低。 這種碳／碳復(fù)合材料已經(jīng)能滿意地在瞬時(shí)高溫下作為燒蝕材料使用。但是由于碳素不耐氧化，所以無法在高溫又含氧的氣氛中長(zhǎng)期使用。 為此目前大量工作正致力于在碳／碳復(fù)合材料表面涂一層陶瓷抗氧化層。由于兩種材料的熱不匹配性帶來很大的困難，但是設(shè)計(jì)熱過渡層的工作最近已有一定的突破。這種耐溫性最好的材料，將可能長(zhǎng)期工作于2000℃以上的條件下。

1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論

(6)功能復(fù)合材料

目前已經(jīng)發(fā)展了不少功能復(fù)合材料，而且有的已獲得應(yīng)用。如復(fù)合壓電材料、導(dǎo)電和超導(dǎo)材料、磁性材料、阻尼材料、摩擦磨耗材料、吸聲材料、隱身吸波材料以及各種敏感換能材料等等。 另外某些功能復(fù)合材料還可能具有多種功能的綜合效果，或者兼有結(jié)構(gòu)和功能的雙重效能，特別值得指出的是各種新型的換能材料正需要通過功能復(fù)合的途徑來提高它的性能，或者得到新的換能材料和綜合換能材料。

1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論功能材料發(fā)展趨勢(shì)

功能材料是一大類具有特殊電、磁、光、聲、熱、力、化學(xué)以及生物功能的新型材料，是信息技術(shù)、生物技術(shù)、能源技術(shù)等高技術(shù)領(lǐng)域和國(guó)防建設(shè)的重要基礎(chǔ)材料，同時(shí)也對(duì)改造某些傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，如農(nóng)業(yè)、化工、建材等起著重要作用。功能材料種類繁多，用途廣泛，正在形成一個(gè)規(guī)模宏大的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)群，有著十分廣闊的市場(chǎng)前景和極為重要的戰(zhàn)略意義。功能材料按使用性能分，可分為微電子材料、光電子材料、傳感器材料、信息材料、生物醫(yī)用材料、生態(tài)環(huán)境材料、能源材料和機(jī)敏（智能）材料。由于我們已把電子信息材料單獨(dú)作為一類新材料領(lǐng)域，所以這里所指的新型功能材料是除電子信息材料以外的主要功能材料。1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論

功能材料是新材料領(lǐng)域的核心，對(duì)高新技術(shù)的發(fā)展起著重要的推動(dòng)和支撐作用，在全球新材料研究領(lǐng)域中，功能材料約占85%。隨著信息社會(huì)的到來，特種功能材料對(duì)高新技術(shù)的發(fā)展起著重要的推動(dòng)和支撐作用，是二十一世紀(jì)信息、生物、能源、環(huán)保、空間等高技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵材料，成為世界各國(guó)新材料領(lǐng)域研究發(fā)展的重點(diǎn)，也是世界各國(guó)高技術(shù)發(fā)展中戰(zhàn)略競(jìng)爭(zhēng)的熱點(diǎn)。1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論

當(dāng)前國(guó)際功能材料及其應(yīng)用技術(shù)正面臨新的突破，諸如超導(dǎo)材料、微電子材料、光子材料、信息材料、能源轉(zhuǎn)換及儲(chǔ)能材料、生態(tài)環(huán)境材料、生物醫(yī)用材料及材料的分子、原子設(shè)計(jì)等正處于日新月異的發(fā)展之中，發(fā)展功能材料技術(shù)正在成為一些發(fā)達(dá)國(guó)家強(qiáng)化其經(jīng)濟(jì)及軍事優(yōu)勢(shì)的重要手段。1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論生物醫(yī)用材料

作為高技術(shù)重要組成部分的生物醫(yī)用材料已進(jìn)入一個(gè)快速發(fā)展的新階段，其市場(chǎng)銷售額正以每年16%的速度遞增，預(yù)計(jì)20年內(nèi)，生物醫(yī)用材料所占的份額將趕上藥物市場(chǎng)，成為一個(gè)支柱產(chǎn)業(yè)。生物活性陶瓷已成為醫(yī)用生物陶瓷的主要方向；生物降解高分子材料是醫(yī)用高分子材料的重要方向；醫(yī)用復(fù)合生物材料的研究重點(diǎn)是強(qiáng)韌化生物復(fù)合材料和功能性生物復(fù)合材料，帶有治療功能的HA生物復(fù)合材料的研究也十分活躍。1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論能源材料

太陽能電池材料是新能源材料研究開發(fā)的熱點(diǎn)，IBM公司研制的多層復(fù)合太陽能電池，轉(zhuǎn)換率高達(dá)40%。美國(guó)能源部在全部氫能研究經(jīng)費(fèi)中，大約有50%用于儲(chǔ)氫技術(shù)。固體氧化物燃料電池的研究十分活躍，關(guān)鍵是電池材料，如固體電解質(zhì)薄膜和電池陰極材料，還有質(zhì)子交換膜型燃料電池用的有機(jī)質(zhì)子交換膜等，都是目前研究的熱點(diǎn)。

1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論生態(tài)環(huán)境材料

生態(tài)環(huán)境材料是20世紀(jì)90年代在國(guó)際高技術(shù)新材料研究中形成的一個(gè)新領(lǐng)域，其研究開發(fā)在日、美、德等發(fā)達(dá)國(guó)家十分活躍，主要研究方向是：①直接面臨的與環(huán)境問題相關(guān)的材料技術(shù)，例如，生物可降解材料技術(shù)，CO2

氣體的固化技術(shù)，SOx、NOx催化轉(zhuǎn)化技術(shù)、廢物的再資源化技術(shù)，環(huán)境污染修復(fù)技術(shù)，材料制備加工中的潔凈技術(shù)以及節(jié)省資源、節(jié)省能源的技術(shù)；②開發(fā)能使經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的環(huán)境協(xié)調(diào)性材料，如仿生材料、環(huán)境保護(hù)材料、氟里昂、石棉等有害物質(zhì)的替代材料、綠色新材料等；③材料的環(huán)境協(xié)調(diào)性評(píng)價(jià)。

1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論智能材料

智能材料是繼天然材料、合成高分子材料、人工設(shè)計(jì)材料之后的第四代材料，是現(xiàn)代高技術(shù)新材料發(fā)展的重要方向之一，將支撐未來高技術(shù)的發(fā)展，使傳統(tǒng)意義下的功能材料和結(jié)構(gòu)材料之間的界線逐漸消失，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能化、功能多樣化?？茖W(xué)家預(yù)言，智能材料的研制和大規(guī)模應(yīng)用將導(dǎo)致材料科學(xué)發(fā)展的重大革命。 國(guó)外在智能材料的研發(fā)方面取得很多技術(shù)突破，如英國(guó)宇航公司的導(dǎo)線傳感器，用于測(cè)試飛機(jī)蒙皮上的應(yīng)變與溫度情況；英國(guó)開發(fā)出一種快速反應(yīng)形狀記憶合金，壽命期具有百萬次循環(huán)，且輸出功率高，以它作制動(dòng)器時(shí)、反應(yīng)時(shí)間，僅為10分鐘；在壓電材料、磁致伸縮材料、導(dǎo)電高分子材料、電流變液和磁流變液等智能材料驅(qū)動(dòng)組件材料在航空上的應(yīng)用取得大量創(chuàng)新成果。1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論功能材料的國(guó)內(nèi)需求分析

中國(guó)作為一個(gè)13億人口的大國(guó)，正在實(shí)施宏偉的第三步發(fā)展戰(zhàn)略，這一根本國(guó)情加之特種功能材料在經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中的重要作用和地位，決定了我國(guó)對(duì)功能材料的需求將是巨大的。功能材料不僅是發(fā)展我國(guó)信息技術(shù)、生物技術(shù)、能源技術(shù)等高技術(shù)領(lǐng)域和國(guó)防建設(shè)的重要基礎(chǔ)材料，而且是改造與提升我國(guó)基礎(chǔ)工業(yè)和傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，直接關(guān)系到我國(guó)資源、環(huán)境及社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。我國(guó)國(guó)防現(xiàn)代化建設(shè)一直受到以美國(guó)為首的西方國(guó)家的封鎖和禁運(yùn)，所以我國(guó)國(guó)防用關(guān)鍵特種功能材料是不可能依靠進(jìn)口來解決的，必須要走獨(dú)立自主、自力更生的道路。如軍事通信、航空、航天、導(dǎo)彈、熱核聚變、激光武器、激光雷達(dá)、新型戰(zhàn)斗機(jī)、主戰(zhàn)坦克以及軍用高能量密度組件等，都離不開特種功能材料的支撐。1第一章--復(fù)合材料學(xué)導(dǎo)論我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展，對(duì)發(fā)展新型能源及能源材料具有迫切的需求。能源材料是發(fā)展能源技術(shù)、提高能源生產(chǎn)和利用效率的關(guān)鍵因素，我國(guó)目前是世界上能源消費(fèi)增長(zhǎng)最快的國(guó)家，同時(shí)也是能源緊缺的國(guó)家。發(fā)展電動(dòng)汽車、使用清潔能源、節(jié)約石油資源等政策措施使得新型能源轉(zhuǎn)換及儲(chǔ)能材料的