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一．认识复合材料
复合材料是材料家族中最年轻、最活跃的新成员。所谓“复合”，是在金属材料、有机高分子材料和无机非金属材料自身或相互间进行，从而获得单一材料无法比拟的、具有综合优异性能的新型材料。
复合材料，是指由两种以上材料经人工组合而成的、物理和化学性质与原材料不同、但又保持某些有效功能的新材料。复合材料由两部分材料组成，一部分称为增强剂，在复合材料中起骨架作用，另一部分称为基体，在复合材料中起粘结作用。树脂、金属、陶瓷、碳等都可以作为基体。
复合材料将单一材料的优点结合起来，既能保持原来材料的长处，又能弥补短处。例如，金属材料易腐蚀，合成高分子材料易老化，不耐高温，陶瓷材料易破碎等缺点，都可以通过复合的方法予以改善和克服。
将复合材料按增强体的形状分类，可分为颗粒增强复合材料、夹层增强复合材料和纤维增强复合材料。将复合材料按基体分类，可分为树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料及碳基复合材料。
对纤维增强复合材料为了表示方便引用符号：A/B，其中A代表增强纤维，B代表基体材料，如：碳/金属，为碳纤维增强金属基复合材料。
二．从玻璃钢谈起
不是钢，胜似钢
1．刚柔相济的跳高撑杆
你看过撑杆跳高比赛吗?那真是一种力量与艺术的完美结合。只见运动员双手紧握撑杆，先是疾速飞跑，当跑到横杆前时，撑杆触地，借着助跑的一股冲力，身体腾空而起，如矫健的雄鹰，掠过横杆，轻轻落在泡沫软垫上。显然，在这一过程中，撑杆起到了决定性的作用。你看那撑杆先是弯曲，而且弯的弧度非常大，然后挺直，将运动员弹向空中。这细长、神奇的撑杆，它柔中带刚，又富有弹性，比竹杆强韧，较钢棒轻巧，真可谓‘刚柔相济”。它是用什么材料做的呢?
现在世界上绝大多数撑杆跳高运动员所用的撑杆，都是用玻璃钢做的。但玻璃钢是怎样一种材料?它是怎样诞生的?玻璃钢是钢吗?玻璃钢里有玻璃成分吗?
2．玻璃钢是怎样诞生的
玻璃钢诞生于本世纪40年代。那时，正值第二次世界大战，战争需要大量的武器装备，迅速发展的军事工业对材料提出了越来越高的要求。例如，制造飞机的材料要求密度小而强度高，制造潜艇的材料，既要耐海水腐蚀，又要能防磁，以避开鱼雷的袭击。同一种零件要求同时具有好几种优异的性能，有时这些性能看起来是相互矛盾而不能兼有的。显然，这样的要求是任何一种单一材料所无法满足的。于是，人们设法把两种或两种以上的材料结合起来，让它们取长补短，相得益彰，制成兼有几种优良性能的新材料，这就是复合材料。
虽然“复合”的思想可以追溯到久远的古代，但用到人工材料的复合材料则直到本世纪上半叶才出现。先是1907年世界上第一家人工合成酚醛树脂厂建立，接着一大批人工合成树脂，如脲醛树脂、环氧树脂、不饱和聚酯树脂等热固性树脂相继出现。树脂材料容易成形，比重小，耐磨，耐腐蚀，但它们脆性较大。于是人们用天然纤维与之复合，产生了最初的含有人工材料的复合材料。其中天然纤维称为增强材料，人工合成树脂称为基体材料。如在无线电通信设备和军事器械中常用的“电木”，就是用木粉、布、纸或其他纤维作为增强材料，经浸渍酚醛树脂层压而成的复合材料。
1938年，人们制成了玻璃纤维。到二次大战，出于军事的需要，在“比铝轻，比钢强”的要求下，人们把玻璃纤维作为增强材料，以一类热固性树脂作为基体材料，复合成了现在所称的“玻璃钢”，用于制造飞机零件。从此以后，人工复合材料便一发而不可收，成了当前材料技术的一个主要发展方向。
3．不是钢的“钢”
你别望文生义，以为“玻璃钢”是钢的一种。钢是金属材料，是由铁和碳这两种基本元素组成的合金。玻璃钢中没有金属元素，更不是铁碳合金，它是一种复合材料。之所以称它为“玻璃钢”，是因为它具有钢一般的刚强性格，真可谓“不是钢，胜似钢”。
玻璃钢同一切复合材料一样，由两部分材料组成。一部分称为增强材料，在复合材料中起骨架作用；另一部分称为基体材料，在复合材料中起粘结作用。
玻璃钢中的增强材料就是玻璃纤维。玻璃纤维是由熔融的玻璃拉成或吹成的无机纤维材料，其主要化学成分为二氧化硅、氧化铝、氧化硼、氧化镁、氧化钠等。制成的纤维有长丝、短丝及絮状物，直径一般为3～80微米，最粗也只有头发丝那样粗细。直径为10微米的玻璃纤维，抗拉强度为3600兆帕，相当于在每平方毫米的截面积上能承受360千克的拉力而不断。这种强度比高强度钢还高出2倍。
我们知道，玻璃是很脆的，不小心掉到地上，“啪”的一声便粉身碎骨。为什么拉成玻璃纤维后会有如此高的强度呢？大块玻璃强度不高，是因为其内部存在许多微裂缝、气孔和夹杂物等。如果把大块玻璃比作哟块布满小洞的破布，把玻璃制成玻璃纤维就相当于把这块破布撕成许多细小的布条。我们知道，把破布随意撕成布条时总是在有洞的地方撕开，这样，撕下来的布条上小洞就减少了，就变得比破布还结实。玻璃纤维比一般玻璃强度高，甚至比钢还高，道理就在于此。
玻璃钢中的基体材料是热固性树脂。它的作用是把玻璃纤维按一定位置固定下来，使玻璃纤维受力均匀。玻璃钢中常用到的热固性树脂有酚醛树脂、环氧树脂、聚酯树脂三种。基体材料对玻璃钢的性能也有举足轻重的影响。它们的共同特点是密度小、强度高，而且耐蚀性和电绝缘性能好。不同的是：酚醛树脂玻璃钢耐热性较高，可在150～200℃下长期工作，具有良好的综合性能，价廉，但需在高温下成形，即成形性较差；环氧树脂玻璃钢强度高，收缩性小；聚酯树脂玻璃钢可在常温常压下成形固化，便于制成大型构件。
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| 玻璃纤维 |
玻璃钢餐桌椅 |
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玻璃钢的生产，一般是将几层浸浇了合成树脂的玻璃纤维布层叠到一定的厚度，再经过热压固化，制成各种形状的材料，如板料、管料、棒料等。
用合成树脂和玻璃纤维复合而成的玻璃钢，既提高了树脂的强度，又克服了玻璃纤维的脆性，有的性能指标超过了其组成材料性能的总和，如玻璃钢比玻璃纤维和树脂都不容易断裂。玻璃钢的密度为2克/厘米3，抗拉强度为1170兆帕，比强度（即抗拉强度同其密度之比）为6.0×104米，而铝合金的密度为2.6克/厘米3，抗拉强度为470兆帕，比强度为1.7×104，即玻璃钢的比强度是铝合金的3～4倍。玻璃钢具有质轻、高强、耐蚀、电绝缘性能好、能透过电磁波，隔音、减震、传热慢、耐瞬时高温等一系列优点。它的缺点是刚性较差、易变形、长时间工作的温度不能超过250℃、易老化等。
4．用途广泛
目前，玻璃钢产品已有数万个品种，它们在军事、航天、航空、机械、汽车、舰船、建筑、化工、体育以及人们日常生活中，都有着广泛的应用。
玻璃钢与常用的飞机材料相比，质轻而强度高，玻璃钢比同样重量的铝合金可多承受载荷2～3倍。对飞机来说，减轻自重会带来巨大的效益，除了能节省材料、降低成本外，还能提高飞行速度，增加运输量。如果你知道了“超重一克与黄金价值等量”的说法，就能体会到玻璃钢减轻飞机自重的重大意义了。早在40年代玻璃钢诞生之初，它就用来制造战斗机、轰炸机上的雷达罩，因为玻璃钢不但不反射无线电波，而且能让电波通过。1944年3月，美国的BT-15飞机试飞成功，这种飞机的机身采用了玻璃钢制造的塑料夹心结构，这为进一步在飞机上应用玻璃钢奠定了基础。在现代的大型民航客机上，多处使用了用玻璃钢制造的零部件，我国在1983年也试制成功了壳体全部用玻璃钢制成的飞机。
由于玻璃钢具有瞬时耐高温性能，而且传热慢，它被用作导弹、火箭、人造卫星等的外壳和烧蚀防热材料。50年代后期，美国中程导弹“北极星A-2”的第二级固体火箭发动机壳体采用了玻璃纤维增强环氧树脂玻璃钢的缠绕制件，它比钢质壳体轻27%。后来美国人又在“北极星A-3”第一级火箭壳体所用的玻璃钢中，用高性能的玻璃纤维代替了普通的玻璃纤维，使这个壳体比钢质壳体减轻50%，从而使这种导弹的射程从2700千米增加到4500千米。
航天事业的发展，开拓了玻璃钢应用的新领域。对航天器由太空重入大气层的烧蚀性研究，提示了玻璃纤维增强酚醛
树脂的卓越性能。第一代头部烧蚀防热材料就是高硅氧玻璃纤维增强酚醛树脂，头部后面的大面积防热层则采用了高硅氧玻璃纤维织物缠绕增强酚醛树脂。
玻璃钢耐海水腐蚀，能吸收撞击能量而达到减震的目的，故适合于制造船舶，包括潜艇、扫雷艇等。1946年，美国海军第一艘玻璃纤维聚酯小艇诞生。1948年，美国海军开始生产玻璃纤维聚酯增强塑料的扫雷艇，这种扫雷艇可不受磁性水雷的威胁。目前，水上运动中的赛艇、旅游用的快艇也广泛采用玻璃钢制造。
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| 玻璃钢花盆 |
玻璃钢花盆 |
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| 玻璃钢材料滑雪板 |
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| 玻璃钢制成的跳高用撑杆 |
玻璃钢材料垃圾桶 |
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| 玻璃钢游乐水滑梯 |
玻璃钢电话亭 |
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二．复合材料的发展
1．复合材料的特点与种类
到目前为止，可把复合材料的发展史划分为三个阶段。第一阶段是古代，就像制作鉴真和尚塑像的复合材料那样，用的是天然材料，制作工艺比较简单，强度和韧性只能说满足当时生产力发展水平的需要。第二阶段是近代，其典型代表就是玻璃钢。第三阶段是从60年代至今，其特点就是“三高一低”的先进复合材料。
所谓“三高一低”，是指高强度、高模量、耐高温和低密度。60年代以来，航空航天事业的飞速发展对复合材料提出了“三高一低”的要求。而玻璃钢缺乏这样的高性能，特别是它刚性差，易变形，比模量只有2.1×106米，所以它逐渐被先进复合材料所代替。所谓先进复合材料，通常是指比强度大于4×104米、比模量大于4×106米的复合材料。
· 模量与比模量
模量，这里是指弹性模量。这是一个表征材料刚度的物理量，一般用材料所受的外力同在这个外力下材料所发生的形变之比计算。弹性模量越大，说明这种材料越不容易发生形变，也就是说，其刚度越高。
比模量是材料的弹性模量同其密度之比。比模量大的材料，质轻而刚强，显然是优秀的材料。
我们知道，复合材料是由增强材料和基体材料这两部分组成的。要提高复合材料的性能，还得从这两部分入手。
在增强材料方面，人们使用了多种纤维材料，主要有碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维等。这些都是比玻璃纤维更优越的纤维材料。就拿碳纤维来说吧，它的强度比玻璃纤维高6倍，比钢高4倍，而密度只有钢的1/4。碳纤维的最大特点是刚性好，抵抗变形的能力要比钢大两倍多。80年代以来，人们通过合理选择原材料和工艺条件，不断改善碳纤维的结构，使碳纤维向着高强度化、高模量化的方向发展。
在基体材料方面，用于先进复合材料的有树脂、金属和陶瓷等，因此先进复合材料可分为树脂基复合材料、金属基复合材料和陶瓷基复合材料。
人们可以根据不同的使用要求，选择不同的纤维增强材料和不同的基体材料进行复合，可以制成结构复合材料，也可以制成功能复合材料，或制成结构和功能一体化的复合材料。当前研究较多的是：以高分子纤维、碳纤维或碳化硅纤维增强的树脂基复合材料(最高使用温度可达400℃)，以碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维或氧化铝纤维增强的金属基复合材料(最高使用温度可达800℃)，以及以陶瓷纤维或陶瓷颗粒增强的陶瓷基复合材料(最高使用温度可达1000～1400℃)。此外，还有碳/碳基复合材料。
碳/碳基复合材料是先用碳(石墨)纤维毯，布或三维及多维编织物浸渍可碳化物质(树脂、沥青等)，再使其碳化和石墨化，如此反复进行多次，直至达到所需的密度为止而制得的。碳(石墨)的各向异性使其在高温工作时容易炸裂。但制成碳/碳基复合材料后，却具有比强度高、耐高温、抗烧蚀、抗磨损、抗热震性好等优点，可在航天航空领域中用作导弹的头锥、火箭的喷管、航天飞机的机翼前缘等，还可用作大型飞机及军用飞机的刹车片等。
2．别具特色的碳纤维复合材料
在复合材料大家族中，纤维增强材料一直是人们关注的焦点。自玻璃纤维与有机树脂复合的玻璃钢问世以来，碳纤维、陶瓷纤维以及硼纤维增强的复合材料相继研制成功，性能不断得到改进，使复合材料领域呈现出一派勃勃生机。下面让我们来了解一下别具特色的碳纤维复合材料。
碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，其含碳量随种类不同而异，一般在90%以上。碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐磨擦、导电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各向异性、柔软、可加工成各种织物，沿纤维轴方向表现出很高的强度。碳纤维比重小，因此有很高的强度。碳纤维是由含碳量较高，在热处理过程中不熔融的人造化学纤维，经热稳定氧化处理、碳化处理及石墨化等工艺制成的。
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碳纤维 |
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碳纤维的主要用途是与树脂、金属、陶瓷等基体复合，做结构材料。碳纤维增强环氧树脂复合材料，其比强度、比模量综合指标，在现有结构材料中是最高的。在旨度、刚度、重量、疲劳特性等有严格要求的领域，在要求高温、化学稳定性高的场合，碳纤维复合材料都颇具优势。
碳纤维是50年代初应火箭、宇航及航空等尖端科学技术的需要而产生的，现在还广泛应用于体育器械、纺织、化工机械及医学领域。随着尖端技术对新材料技术性能的要求日益苛刻，促使科技工作者不断努力提高。80年代初期，高性能及超高性能的碳纤维相继出现，这在技术上是又一次飞跃，同时也标志着碳纤维的研究和生产已进入一个高级阶段。
由碳纤维和环氧树脂结合而成的复合材料，由于其比重小、刚性好和强度高而成为一种先进的航空航天材料。因为航天飞行器的重量每减少1公斤，就可使运载火箭减轻500公斤。同样，收音机重量的减轻也可以节省油耗，提高航速。所以，在航空航天工业中争相采用先进复合材料。有一种垂直起落战斗机，它所用的碳纤维复合材料已占全机重量的1/4，占机翼重量的1/3。据报道，美国航天飞机上3只火箭推进器的关键部件以及先进的MX导弹发射管等，都是用先进的碳纤维复合材料制成的。
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| 美国B-2隐形轰炸机表面为具有良好吸波性能的碳纤维复合材料 |
工程师正在设计利用碳纤维制造高性能直升机 |
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3．应用领域一瞥
先进复合材料的应用几乎涉及各个领域。在航天领域中，除了上面提到的碳/碳基复合材料可作为优良的热防护材料外，先进复合材料还广泛用作结构材料，如卫星天线及其支撑结构、太阳能电池翼和外壳、各种受力骨架、运载火箭壳体、航天飞机舱门等。
在航空领域中，目前先进复合材料在军用飞机上的重量已占到结构重量的20%～30%。格鲁门飞机公司正在执行一项“先进设计的复合材料飞机”计划，按该计划，先进复合材料将占飞机结构总重量的68．5%，使飞机结构重量减轻35%。在民用飞机上，美国研制的“旅游者号”全复合材料飞机，其结构材料的90%以上采用碳纤维复合材料，结构重量仅为435千克，载油量达3200千克。该飞机在1986年创造了不着陆加油连续环球飞行，历时9天，行程40252千米的世界纪录。
在汽车工业中，先进复合材料可用来制造车身、底盘、悬挂结构、传动轴、发动机架等。用先进复合材料制造的轿车车身比钢制的车身轻60%。有人预言，若在欧洲的的每辆轿车上使用1千克碳纤维，其总用量将在12000吨以上，大大超过在航天产品上的用量。
先进复合材料也给传统的自行车带来了巨大的变革。一辆碳纤维复合材料的自行车仅重9千克，骑起来轻快省力。在我国，90年代初，北京环航复合材料有限公司与天津飞鸽自行车厂联合研制了碳纤维复合材料自行车，北京航天工艺研究所与广州自行车公司合作研制了全碳纤维复合材料自行车。可以相信，不久的将来，先进复合材料的自行车将出现在大街小巷，跑遍祖国各地。
先进复合材料的出现还使材料设计从常规设计转向仿生设计。例如，风力发电机的风翼和直升飞机的机翼所用的材料就是仿造了动物的骨骼结构：其内层结构是硬泡沫塑料，相当于骨骼中心的疏松泡沫组织；中层结构是玻璃纤维增强的复合材料，相当于骨骼中间质地较柔韧的骨纤维与骨质素的复合本；外层结构是刚度、强度都很高的碳纤维复合材料，相当于骨骼表面质地坚硬的骨纤维含量高的组织。仿生设计不仅提供了生动活泼、丰富多彩的设计思路，而且还可以启发人们参照生物体的功能机制设计出新型的功能复合材料。
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| 硼纤维金属基复合材料制成的火箭履轴的管道输送部件 |
耐高温纤维制成的消防人员的服装 |
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