复合材料的性能特点有哪些？

(1)优异的力学性能

对于航空应用的高端结构材料，轻质、高强是不断追求的目标，而碳纤维复合材料正是在这一点上体现出了独特的优势，具体表现在超高的比强度和比模量上，比强度和化模量是真实反映材科力学性能的两个参数，也即是单位质量所能提供的强度的模量，显然比强度和比模量高的材料，相对予其他材料，质量粮但承载能力高，这对减轻结构质量，发挥材料效率是非常有利的。

碳纤维复合材料的比强度可达钢的14倍，是铝的10倍，而比模量则超过钢和铝的3倍。碳纤维复合材料这一特性使得材料的利用效率大为提高，实践证明，用碳纤维复合材料代替铝制造飞机结构，减重效率可达20%~40% ；由此可以看出复合材料在航空航天领域内的重要地位。不仅如此，其他如汽车、海运、交通，风电等与运行速度有关的部门都会因采用复合材料而大为受益。

(2)各向异性和性能可设计性

如前所述，目前用得最多的是层压复合材料，由单向预浸带逐层叠合并固化而成，宏观上表现出非均匀和各向异性。单向带沿纤维方向的性能与垂直纤维方向的性能差别很大，因此按不同的方向，铺设不同比例的单向带，可以设计出不同性能的层压板来满足不同的结构要求，这种性能可设计性也叫性能“剪裁”通过这种“剪裁可以使复合材料的效率充分发挥，真正做到“物尽其用”，例如在主承力方向，可以适当增加纤维含量比例而达到提高承载能力的效果，而不需要额外增加结构的重量。

层压复合材料各向异性的另一表现为层间性能低，在外力作用下，层与层的结合界面可能首先破坏；另外, 层压复合材料对外来冲击敏感，冲击会引起局部分层，成为断裂源，因此在复合材料结构设计和使用中，分层和冲击损伤必须有所考虑。

(3)制造成型的多选择

复合材料的材料成型和结构成型是同时完成的，这使得大型的和复杂的部件整体化成型成为可能，经过数干年的发展，到现在有数十种不同的成型工艺供选择，如热压罐、模压、纤维缠绕、树脂传递模塑(RTM)、拉挤、注射、喷塑，以及高度自动化的预浸带自动铺叠和纤维丝束的自动铺放等，实际应用时可根据构件的性能、材料的种类、产量的规模和成本的考虑等选择最适合的成型方案。

(4)良好的耐疲劳性能

层压的复合材料对疲劳裂纹扩张有“止扩”作用，这是因为当裂纹由表面向内层扩展时，到达某一纤维取向不同的层面时，会使得裂纹扩展的断裂能在该层面内发散，这种特性使得FRP的疲劳强度大为提高。研究表明，钢和铝的疲劳强度是静力强度的50%，而复合材料可达90%。

(5)良好的抗腐蚀性

由于复合材料的表面是一层高住能的环氧树脂或其他树脂塑料，因而具有良好的耐酸、耐碱及耐其他化学腐蚀性介质的性能。这种优点使复合材料在未来的电动汽车或其他有抗腐蚀要求的应用领域具有强大的竟争力。

(6)环境影响

除了极高的温度，一般不考虑湿热对金属强度的影响。 但复合材料结构则必须考虑湿热环境的联合作用。这是因为复合材料的树脂基体是一种高分子材料，会吸进水分，高温可加速水分吸收，湿热的联合作用会降低其玻璃化转变温度，对结合界面形成影响，从而引起由基体控制的力学牲能(如压缩、剪切等)的明显下降。

综上所述，优异的比强度和比刚度以及性能可设计性是复合材料两个最突出的优点，它们为复合材料的应用提供了极为产阔的空间，也使得各种新型材料，如结构-功能一体化、多功能化、高功能化、智能化材料的开发成为可能。

自20世纪30年代连续玻璃纤维生产技术得到开发，并成功用于增强酚醛树脂开始，复合材料已有80多年的发展历史，而用于航空航天的碳纤维增强的树脂基复合材料，也就是先进复合材料，自20世纪60年代问世以来，也跨越了半个多世纪的发展历程。先进复合材料的发展以满足航空航天需求为主，随着它的优点被越来越多地认识和接受，以及使用经验的不断积累，儿十年来，特别是进人21世纪以来，应用范围不断扩大，除航空航天领域外，在船舰、交通、能源、建筑、机械以及休闲等领域也得到了越来越多的应用。

1.航空航天

先进复合材料的发展初衷就是为了满足高性能航空器的发展需求，于20世纪60年代中期问世，即首先用于军用飞行器结构上，50多年来先进复合材料在飞机结构上的应用走过了一条由小到大、由次到主、由局部到整体、由结构到功能、由军机应用扩展到民机应用的发展道路。

纵观国外军机结构用复合材料的发展历程，大致可分为三个阶段。

第一阶段大约于20世纪70年代初完成，主要用于受力较小或非承力件，如舱门、口益、整流罩以及襟副翼、方向舵等。

第二阶段由20世纪70年代末到80年代。主要用于垂尾、平尾等尾翼一级的次承力部件，以F-14 硼/环氧复合材料平尾为代表，此后F-15、F-16、F-18、幻影2000和幻影4000等均采用了复合材料尾翼，此时复合材料的用量大约只占全机结构重量的5~10%。

第三阶段自20世纪90年代开始，开始应用于机翼、机身等主要的承力结构，受力很大，规模也很大。例如美国原麦道公司研制成功的FA-18复合材料机翼，开创了主承结构件的里程碑，此时复合材料的用量已提高到了13%，此后世界各国所研制的军机机翼一级的部件几乎无一例外地都来用了复合材料，用量不断增加，如美国的AV-8B、B-2、F/A-22、F/A-18E/F、F-35，法国的“阵风”(Rafale)，瑞典的JAS-39，欧洲英、德、意、西四国联合研制的“台风”(EF-2000)，俄罗斯的C-37 等。  

复合材料在民机上的应用也发展很快，可以说三十年来实现了跨越式的发展，世界两家航空巨头形成了明争暗斗的局面，以波音飞机为例，从20世纪70年代中期开始采用复合材料制造受力很小的前缘、口盖、整流罩、扰流板等构件；到80年代中期用复合材料制造升降陀、方向陀、襟副翼等受力较小的部件；到90年代开始了在垂尾、平尾受力较大部件上的应用，如B-777设计应用了复合材料垂尾、平尾，共用复合材料9.9t，占结构总重的11%，进入21世纪，波音为了重振雄风，寄希望于复合材科。前几年正式推出了B-787“梦想”飞机，其复合材料用量达50%。

空客也不甘示弱，于20世纪70年代中期开始了先进复合材科在其A-300系列飞机上的应用研究，经过7年时间于1985年完成了A-320 全复合材料垂尾的研制，此后A-300系列飞机的尾翼一级的部件均采用复合材料，将复合材料的用量迅速推进到了15%左右。现已交付使用的A-380超大型客机，复合材料用量达25%，包括中央冀、外翼、垂尾、平尾、机身地板梁和后承压框等。同时为了形成与被音抗争的局面，计划推出的A-350XWB飞机，复合材料用量达52%。

与此同时，直升机和无人机结构用复合材料-发展更快，如美国的武装直升机科曼奇RAH66，共用复合材料50%。欧洲最新研制的虎式(Tiger)武装直升机，复合材料用量高达80%。X-45C无人机复合材科用量达90%以上，甚至出现了全复合材料无人机，如“太阳神”(Helios) 号。

在今后20~30年中，航空复合材料将迎来新的发展时期，在飞机结构中用量的比例将继续增大，未来飞机特别是军机为了进一步达到结构减重与降低综合成本，复合材料将不断取代其他材料，用量继续增长。美国一报告中指出：到2020年，只有复合材料才有潜力使飞机获得20%~25%的性能提升，复合材料将成为飞机的基本材料，用量将达到65%。

2.汽车交通

汽车工业已成为我国的支柱产业，近年来发展迅速。据统计2008年我国汽车总产量为1000万辆，2009年达到1379万辆，而在2010年已经突破1800万辆，计划在2015年达到2500万辆。以产销量而言，中国己超过“生活在汽车轮子上”的国家——美国，跃居世界第一。

新能源汽车已被我国正式列入战略性新兴产业，发展新能源汽车主要体现在两方面：一是发展新型动力电池，二是发展汽车轻量化材料。

发展汽车轻量化材料的主要方向是新型卫程塑料、以塑代钢以及纤维复合材料。

现代的汽车设计有安全、舒适、节能和环保4项明确要求。因此减轻结构重量，从而节省燃油、减少尾气排放和环境污染是汽车设计的重要发展方向。为此，世界上的各大汽车公司均在制订和执行汽车的轻结构战略计划。如BMW(宝马)等公司明确提出每车要减重100kg以上的目标，提高燃油效率，CO2排放减到7.5~12g/km以下，美国进一步提出了30km/L汽油的里程目标。据知，汽车结构每减重10%，燃油消耗可节省7%，大大减少了寿命期内的使用成本。若车体减重20%~30%，每车每年CO2排放量可减少0.5t。

汽车用复合材料主要以玻璃纤维增强热塑牲树脂为主，现已发展到用碳纤维复合材料。20世纪70年代开始，片状模塑科(SMC)的成功开发和机械化模压技术的应用，促使玻璃钢/复合材料在汽车应用中的年增长速度达到25%，形成汽车玻璃钢制品发展的第一个快速发展时期；到20世纪90年代初，随着环保和轻量化、节能等呼声越来越高，以GMT (玻璃纤维毯增强热塑性复合材料)、LFT(长纤维增强热塑性复合材料)为代表的热塑性复合材料得到了迅猛发展，主要用于汽车结构部件的制造，年增长速度达到10%~ 15%，进入了第三个快速发展时期。 1/3 123下一页尾页