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    材料家族中的“战斗机”——复合材料
    发布时间：2017-06-02
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    随着社会经济的发展，复合人才已经成为各大企业的“香饽饽”，那么复合材料是否也成为了材料家族的大热门呢？

    材料中的 “战斗机”

    之所以称之为“复合”，是因为复合材料是由金属材料、陶瓷材料或高分子材料等两种或两种以上的材料经过复合工艺而制备的多相材料，各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。
     
    不要以为多种材料复合而成的材料是个“大块头”。以碳纤维增强树脂基复合材料为例，它的密度为1.4g/cm3左右，只有碳钢的1/5，比铝合金还要轻1/2左右，而机械强度却能超过特殊合金钢。在航空航天部门，通常用比强度（强度与密度的比值）来衡量材料轻质高强的程度，按比强度计算，碳纤维复合材料是特殊合金钢的5倍多。复合材料的轻质高强特性，是其他材料无法企及的，可谓是材料中的“战斗机”。

    复合材料由连续相的基体和被基体包容的相增强体组成。基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、石墨、橡胶、陶瓷、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、石棉纤维、碳化硅纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。

    工业领域的 “常客”

    复合材料具有重量轻、强度高、可设计性好、耐化学腐蚀、介电性能好、耐烧蚀等很多优点，是航空航天、交通运输、化学化工、建筑工业、绿色能源、体育用品等工业领域中的“常客”。

    在航空方面，复合材料主要用来制造战斗机的机翼蒙皮、机身、垂尾、副翼、水平尾翼和雷达罩等主承力构件，使飞机的重量大幅度降低。此外，由于复合材料构件的整体性好，可极大地减少构件的数量，减少连接，从而有效提高了飞机的安全性。复合材料在大型商用飞机上的用量已经达到50%左右。正是由于材料的使用，使特大型客机的制造成为可能。

    人造地球卫星的重量每减轻1Kg，其运载火箭就可减重500Kg~1000Kg，因此复合材料在人造卫星的制造上有很大的优势。目前卫星所用材料中90%以上是复合材料，仪器舱本体、框、梁、桁、蒙皮、支架、太阳能电池的基板、天线反射面等基本都用复合材料制造。

    用复合材料制成的交通工具，可在大幅降低燃料消耗的同时提高安全性能。用复合材料制造汽车可使车重大幅度减轻，在相同条件下的耗油量只有钢制汽车的1/4。同时在受到撞击时，复合材料能大幅度吸收冲击能量，更好地保护了人员安全。用复合材料制造汽车具有节能、环保、安全等特点，是汽车未来的发展趋势。此外用复合材料制造的船舶，具有燃料消耗低、外观漂亮、耐海水腐蚀性好、维护费用低等特点。目前绝大部分的快艇和游艇都是用复合材料制造。

    大型风力发电机叶片也是由复合材料制造。1台功率为2兆瓦的风力发电机，单个叶片的长度可达37.5~40.5米。5兆瓦的风力发电机的单个叶片长度甚至达到60多米。风力发电机越大，其叶片就越长越重。具有力学性能好、质量轻、耐腐蚀、易制造等优点的复合材料，能够在满足发电机叶片强度要求的前提下大幅降低叶片质量、延长使用寿命，使发电机的效率大幅增加。

    在体育用品方面，复合材料也被广泛用于制造赛车、赛艇、撑杆、球拍、弓箭等。目前很多赛艇就用碳纤维增强环氧树脂制造。

    复合材料性能独特，制造容易，适用面广，是航空航天、电子技术等尖端技术的基础和先导，也与我们的生活密切相关。随着纳米材料、石墨烯等新材料新技术的发展，像纳米复合材料、生物复合材料等新型复合材料不断涌现。复合材料发展前景光明，发展潜力巨大，在许多领域都亟待我们创新性地去开发、应用。

    还有 “人才” 待培育

    复合材料发展到今天，已经形成了一个完整的工业体系，在许多尖端科技领域都得到了重要应用。未来复合材料的发展还有很大的空间。

    降成本：好东西自然价值不菲。复合材料的成本是限制其大范围推广使用的最大瓶颈之一。复合材料的成本如能大幅度下降，特别是先进复合材料的成本下降以后，复合材料在风力发电、汽车制造、造船工业和建筑工业等领域将会产生突破性的发展。复合材料成本的降低将主要从原材料成本、制造成本和结构设计等方面着手。

    智能复合材料：智能复合材料是指具有感知、识别及处理能力的复合材料。在技术上是通过传感器、驱动器、控制器来实现复合材料的上述功能。传感器可以感受复合材料结构的变化信息，并将材料受损伤的信息传递给控制器，控制器根据所获得的信息产生决策，然后发出控制驱动器动作的信号。以用智能复合材料制造的飞机部件发生损伤时为例，可由埋入的传感器（如光导纤维）在线检测到该损伤，通过控制器决策后，控制埋入的形状记忆合金动作，在损伤周围产生压应力，从而防止损伤的继续发展。如果该技术在飞机上得到应用，将大大提高飞机的安全性能。

    功能复合材料：功能复合材料是指具有透波、烧蚀、摩擦、吸声、阻尼等功能的复合材料。功能复合材料的应用领域非常广，这些应用领域对其不断有新的要求，许多功能复合材料的性能是其他材料难以达到的，如透波复合材料、耐烧蚀复合材料等。纳米材料的一个重要用途就是制造功能材料，随着纳米技术的发展，功能复合材料也将得到快速发展。

    高性能复合材料：高性能复合材料是指具有高强度、高模量、耐高温等特性的复合材料。随着人类探索太空事业的不断发展，以及10倍音速、20倍音速空天飞机的研制，航空航天工业对高性能复合材料的需求量越来越大，而且也对复合材料提出了更高的性能要求，如超高强度复合材料、超耐高温复合材料等。

    仿生复合材料：仿生复合材料是参考生命系统的结构规律而设计制造的复合材料。复合材料内部损伤的愈合就是仿生的实例，当复合材料受到损伤产生裂纹后，复合材料本身能自愈合使材料性能得以恢复。这种复合材料在航空航天领域特别有用，当航天器（如卫星或空间探测器）在太空中受损伤后自己愈合，力学性能得到恢复，延长了航天器的寿命。为了制造伤口能自愈合的复合材料，在复合材料制造时，预先将包了活性树脂的微胶囊和催化剂分散在复合材料中。微囊结构的直径在1~500微米左右，当复合材料受伤开裂时，微胶囊的外壳发生破裂，树脂流出来遇到催化剂后发生化学反应，树脂的状态从液态转变成坚硬的具有很好力学性能的固体，将复合材料的伤口粘合起来。目前科学家已经能使复合材料自愈合后的力学性能恢复到原来的80%左右，已经非常接近实用水平。

    环保型复合材料：从环境保护的角度考虑，要求复合材料的制造过程不影响环境、废弃的复合材料可以回收利用，以节约资源和减少污染，这是复合材料发展的大趋势。

    复合材料已经渗入到生活中的方方面面，大到汽车飞机卫星，小到各类生活体育用品，复合材料已成为不可或缺的重要组成。（文章来源：中国化工报）

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