復合材料

　　復合材料(Composite materials)，是由兩種或兩種以上不同性質的材料，通過物理或化學的方法，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補短，產生協同效應，使復合材料的綜合性能優于原組成材料而滿足各種不同的要求。復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、金屬絲和硬質細粒等。
　　歷史
　　復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粘土和已使用上百年的鋼筋混凝土均由兩種材料復合而成。20世紀40年代，因航空工業的需要，發展了玻璃纖維增強塑料（俗稱玻璃鋼），從此出現了復合材料這一名稱。50年代以后，陸續發展了碳纖維、石墨纖維和硼纖維等高強度和高模量纖維。70年代出現了芳綸纖維和碳化硅纖維。這些高強度、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、鈦等金屬基體復合，構成各具特色的復合材料。
　　分類
　　復合材料是一種混合物。在很多領域都發揮了很大的作用，代替了很多傳統的材料。復合材料按其組成分為金屬與金屬復合材料、非金屬與金屬復合材料、非金屬與非金屬復合材料。按其結構特點又分為：①纖維復合材料。將各種纖維增強體置于基體材料內復合而成。如纖維增強塑料、纖維增強金屬等。②夾層復合材料。由性質不同的表面材料和芯材組合而成。通常面材強度高、薄；芯材質輕、強度低，但具有一定剛度和厚度。分為實心夾層和蜂窩夾層兩種。③細粒復合材料。將硬質細粒均勻分布于基體中，如彌散強化合金、金屬陶瓷等。④混雜復合材料。由兩種或兩種以上增強相材料混雜于一種基體相材料中構成。與普通單增強相復合材料比，其沖擊強度、疲勞強度和斷裂韌性顯著提高，并具有特殊的熱膨脹性能。分為層內混雜、層間混雜、夾芯混雜、層內/層間混雜和超混雜復合材料。  
　　60年代，為滿足航空航天等尖端技術所用材料的需要，先后研制和生產了以高性能纖維（如碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維等）為增強材料的復合材料，其比強度大于4×106厘米（cm），比模量大于4×108cm。為了與第一代玻璃纖維增強樹脂復合材料相區別，將這種復合材料稱為先進復合材料。按基體材料不同，先進復合材料分為樹脂基、金屬基和陶瓷基復合材料。其使用溫度分別達250～350℃、350～1200℃和1200℃以上。先進復合材料除作為結構材料外，還可用作功能材料，如梯度復 合材料(材料的化學和結晶學組成、結構、空隙等在空間連續梯變的功能復合材料)、機敏復合材料（具有感覺、處理和執行功能，能適應環境變化的功能復合材料）、仿生復合材料、隱身復合材料等。
　　性能
　　復合材料中以纖維增強材料應用最廣、用量最大。其特點是比重小、比強度和比模量大。例如碳纖維與環氧樹脂復合的材料，其比強度和比模量均比鋼和鋁合金大數倍，還具有優良的化學穩定性、減摩耐磨、自潤滑、耐熱、耐疲勞、耐蠕變、消聲、電絕緣等性能。石墨纖維與樹脂復合可得到膨脹系數幾乎等于零的材料。纖維增強材料的另一個特點是各向異性，因此可按制件不同部位的強度要求設計纖維的排列。以碳纖維和碳化硅纖維增強的鋁基復合材料，在500℃時仍能保持足夠的強度和模量。碳化硅纖維與鈦復合，不但鈦的耐熱性提高，且耐磨損，可用作發動機風扇葉片。碳化硅纖維與陶瓷復合， 使用溫度可達1500℃，比超合金渦輪葉片的使用溫度（1100℃）高得多。碳纖維增強碳、石墨纖維增強碳或石墨纖維增強石墨，構成耐燒蝕材料，已用于航天器、火箭導彈和原子能反應堆中。非金屬基復合材料由于密度小，用于汽車和飛機可減輕重量、提高速度、節約能源。用碳纖維和玻璃纖維混合制成的復合材料片彈簧，其剛度和承載能力與重量大5倍多的鋼片彈簧相當。
　　成型方法
　　復合材料的成型方法按基體材料不同各異。樹脂基復合材料的成型方法較多，有手糊成型、噴射成型、纖維纏繞成型、模壓成型、拉擠成型、RTM成型、熱壓罐成型、隔膜成型、遷移成 型、反應注射成型、軟膜膨脹成型、沖壓成型等。金屬基復合材料成型方法分為固相成型法和液相成型法。前者是在低于基體熔點溫度下，通過施加壓力實現成型，包括擴散焊接、粉末冶金、熱軋、熱拔、熱等靜壓和爆炸焊接等。后者是將基體熔化后，充填到增強體材料中，包括傳統鑄造、真空吸鑄、真空反壓鑄造、擠壓鑄造及噴鑄等、陶瓷基復合材料的成型方法主要有固相燒結、化學氣相浸滲成型、化學氣相沉積成型等。
　　納米復合材料
　　復合材料由于其優良的綜合性能，特別是其性能的可設計性被廣泛應用于航空航天、國防、交通、體育等領域，納米復合材料則是其中最具吸引力的部分，近年來發展很快，世界發達國家新材料發展的戰略都把納米復合材料的發展放到重要的位置。該研究方向主要包括納米聚合物基復合材料、納米碳管功能復合材料、納米鎢銅復合材料。 　　
　　在納米聚合物基復合材料方面，主要采用同向雙螺桿擠出方法分散納米粉體，分散水平達到納米級，得到了性能符合設計要求的納米復合材料。我們制備的納米蒙脫土/PA6復合材料中，納米蒙脫土的層間距為1.96nm，處于國內同類材料的領先水平（中國科學院為1.5~1.7nm），蒙脫土復合到尼龍基體中后完全剝離成為厚度1~1.5nm的納米微粒，其復合材料的耐溫性能、阻隔性能、抗吸水性能均非常優秀，此材料已經實現了產業化；正在開發的納米TiO2/聚丙烯復合材料具有優良的抗菌效果，納米TiO2粉體在聚丙烯中分散達到60nm以下，此項技術正在申報發明專利。由于納米聚合物復合材料的成型工藝不同于普通的聚合物，本方向還積極開展新的成型方法研究，以促進納米復合材料產業化的進行。 　　
　　碳納米管是上個世紀九十年代初發現的一種新型的碳團簇類纖維材料，具有許多特別優秀的性能。我們在碳納米管取得的研究成果主要包括： 　　
　　1）大規模生產多壁碳納米管的技術，生產出的碳納米管的質量處于世界先進水平，生產成本也很低，為碳納米管的工業應用創造了條件。 　　
　　2）開發了制造碳納米管為電極材料的雙電層大容量電容器的技術。 　　
　　3）開發了制造具有軟基底定向碳納米管膜的技術。 　　
　　鎢銅復合材料具有良好的導電導熱性、低的熱膨脹系數而被廣泛地用作電接觸材料、電子封裝和熱沉材料。采用納米粉末制備的納米鎢銅復合材料具有非常優越的物理力學性能，我們采用國際前沿的金屬復合鹽溶液霧化干燥還原技術成功制備了納米鎢銅復合粉體和納米氮化鎢－銅復合粉體，目前正在加緊其產業化應用研究。
　　功能復合材料
　　功能復合材料是指除機械性能以外而提供其他物理性能的復合材料。如：導電、超導、半導、磁性、壓電、阻尼、吸波、透波、磨擦、屏蔽、阻燃、防熱、吸聲、隔熱等凸顯某一功能。統稱為功能復合材料。功能復合材料主要由功能體和增強體及基體組成。功能體可由一種或以上功能材料組成。多元功能體的復合材料可以具有多種功能。同時，還有可能由于復合效應而產生新的功能。多功能復合材料是功能復合材料的發展方向。
　　塑木復合材料
　　塑木是以鋸末、木屑、竹屑、稻殼、麥秸、大豆皮、花生殼、甘蔗渣、棉秸稈等低值生物質纖維為主原料，與塑料合成的一種復合材料。 　　
　　它同時具備植物纖維和塑料的優點，適用范圍廣泛，幾乎可涵蓋所有原木、塑料、塑鋼、鋁合金及其它類似復合材料的使用領域，同時也解決了塑料、木材行業廢棄資源的再生利用問題。 　　
　　其主要特點為：原料資源化、產品可塑化、使用環保化、成本經濟化、回收再生化。