（1）       概述  材料，能源，信息是當代科學技術的三大支柱，材料科學時當今世界的帶頭學科之一。復合材料是材料領域之中的后起之秀，它的出現(xiàn)帶來了材料領域的重大變革，從而形成了金屬材料，無機非金屬材料，高分子材料和復合材料共存的格局。對復合材料給出的比較全面完整的定義如下：復合材料是由有機高分子，無機非金屬或金屬等幾類不同材料通過復合工藝組合而成的新型材料，它既能保留原組分材料的主要特點，又通過復合效應獲得原組分所不具備的性能；可以通過材料設計使各組分的性能互相補充并彼此關聯(lián)，從而獲得新的優(yōu)越性能。

   博采眾長的復合材料代表了材料的發(fā)展方向，不少專家認為，當前人類已從合成材料時代進入復合材料時代，這種提法是一定的科學依據(jù)的。因為想要合成一種新材料使之滿足各種高要求的綜合指標是非常困難的。同時若想及時研制出來某一種滿意的材料，則從試驗室到深產(chǎn)的周期也是非常長。但是如果把現(xiàn)有的材料復合起來則有可能較容易達到要求。另外，復合材料是各向異性材料，對于材料使用而言，完全可按實際受力的情況來設計增強纖維的排布方式，從而節(jié)約了材料，這是一般各向同性材料所不能達到的。由于復合材料的性能非常優(yōu)越，因而得到世界發(fā)達國家的重視，都把復合材料選定為優(yōu)先發(fā)展的新材料領域之一，足以說明復合材料的重要性。

   大多數(shù)的樹脂基復合材料處于在大氣環(huán)境中，浸在水或海水中或埋在地下使用，有的作為各種溶劑的儲槽，在空氣，水及化學介質(zhì)，光線，射線及微生物的作用下，其化學組成和結構及各種性能會發(fā)生各種變化，在許多情況下，溫度，應力狀態(tài)對這些化學反應有著重要的影響，特別是航空航天飛行器及其發(fā)動機構件在惡劣的環(huán)境下工作，要經(jīng)受高溫的作用和高熱氣流的沖刷，其化學穩(wěn)定性是至關重要的。

   作為樹脂基復合材料的基體的聚合物，其化學分解可以按不同的方式進行，它既可通過與腐蝕性化學物質(zhì)的作用而發(fā)生，又可間接通過產(chǎn)生應力作用而進行，這包括熱降解，輻射降解，力學降解和生物降解。聚合物基體本身是有機物質(zhì)，可能被有機溶劑侵蝕，溶脹，溶解或引起體系得應力腐蝕。所謂的應力腐蝕是指材料與某些有機溶劑作用在承受應力時產(chǎn)生過早的破壞，這樣的應力可能是在使用過程中施加上去的，也可能是由于制造技術的某些局限性帶來的。

   根據(jù)基體種類的不同，材料對各種化學物質(zhì)的敏感程度不同，常見的玻璃纖維增強塑料耐強酸，鹽，酯，但不耐堿。一般情況下，人們更注重的是水對材料性能的影響。水一般可導致樹脂基復合材料的介電強度下降，水的作用使得材料的化學鍵斷裂時產(chǎn)生光散射和不透明性，對力學性能也有重要影響。不上膠的或僅熱處理過的玻璃纖維于環(huán)氧樹脂或聚酯樹脂組成的復合材料的拉伸強度，剪切強度和彎曲強度都很明顯地受沸水影響，使用偶聯(lián)劑可明顯地降低這種損失。水及各種化學物質(zhì)的影響與溫度，接觸時間有關，也與應力的大小，基體的性質(zhì)及增強材料的幾何組織，性質(zhì)和預處理有關。此外，還與復合材料的表面狀態(tài)有關，纖維末端暴露的材料更易受到損害。

   聚合物的熱降解有多種模式和途徑，其中可能幾種模式同時進行。如可通過“拉鏈”式的解聚機理導致完全的聚合物鏈的斷裂，同時產(chǎn)生揮發(fā)性的低分子物質(zhì)。其他的方式包括聚合物鏈的不規(guī)則斷裂產(chǎn)生較高分子量的產(chǎn)物或支鏈脫落，還有可能形成環(huán)狀的分子鏈結構。填料的存在對聚合物的降解有影響，某些金屬填料可通過催化作用加速降解，特別是在有氧存在的地方。樹脂基復合材料的著火與降解產(chǎn)生的揮發(fā)性物質(zhì)有關，通常加入阻燃劑減少著火的危險。某些聚合物在高溫條件下可產(chǎn)生一層耐熱焦炭，這些聚合物與尼龍，聚酯纖維等復合后，因這些增強物本身的分解導致?lián)]發(fā)性物質(zhì)產(chǎn)生可帶走熱量而冷卻燒焦的聚合物，進一步提高耐熱性，同時賦予復合材料以優(yōu)良的力學性能，如良好的抗震性。

   許多聚合物因受紫外線輻射或其他高能輻射的作用而受到破壞，其機理是當光和射線的能量大于原子間的共價鍵能時，分子鏈發(fā)生斷裂，鉛填充的聚合物可用來防止高能輻射。紫外線輻射則一般受到更多的關注，經(jīng)常食用的添加劑包括炭黑，氧化鋅和二氧化鈦，它們的作用使吸收或者反射紫外線輻射。

   力學降解是另一種降解機理，當應力的增加頻率超過一個鍵通過平移所產(chǎn)生的響應能力時，就發(fā)生鍵的斷裂，由此形成的自由基還可能對下一階段的降解模式產(chǎn)生影響。硬質(zhì)和脆性聚合物基體應變小，可進行有或者沒有鏈斷裂的脆性斷裂，而較軟但粘性高的聚合物基體大多是力學降解的。

   纖維增強復合材料備受人們關注，它具有十分顯著的特點。與金屬材料或其他無機材料相比，它的質(zhì)量輕，比強度高，耐腐蝕，電絕緣，耐瞬時超高溫，傳熱慢，隔音，防水，易著色，能透過電磁波，是一種兼具功能和結構特性的新材料。

   玻璃纖維增強復合材料（俗稱“玻璃鋼”）是發(fā)展較早的一種復合材料，它是以玻璃纖維及其制品為增強材料，以熱固性或熱塑性樹脂為基體，通過一定的成型工藝而制成的一種結構物。它的學名為玻璃纖維增強塑料。1958年原建材部部長賴際發(fā)提出來一個通俗而又形象地名稱“玻璃鋼”，現(xiàn)在已被國內(nèi)外同行業(yè)屆所認同。

   通過對此類玻璃鋼復合材料構造的分析，與傳統(tǒng)材料相比，復合材料有以下特點。

   ①              材料的可設計性 復合材料結構的多層次性為復合材料及其結構設計帶來了特大的靈活性。復合材料的力學，機械及熱，聲，光，電，防腐，抗老化等物理，化學性能都可按制件的使用要求和環(huán)境條件要求，通過組分材料的選擇和匹配，鋪層設計及界面控制等材料設計手段，最大限度地達到預期目的，以滿足工程設備的使用性能。

   ②              可同時提供表面防腐和結構防腐性能  防腐蝕用復合材料既能提供優(yōu)良的防腐蝕性能，又能作為結構材料，提供優(yōu)良的力學性能，達到結構防腐蝕性。而普通的防腐蝕材料，諸如防腐蝕涂料，內(nèi)襯橡膠板材，膠泥襯砌塊材（耐酸瓷板，鑄石板，花崗石塊材等），則只能作為防腐蝕層使用，一旦這類防腐蝕層出現(xiàn)破壞，將使受保護的部分結構受到腐蝕侵害 ，導致主體結構出現(xiàn)安全隱患。

   ③              復合材料結構設計包含材料設計 傳統(tǒng)材料的結構設計中，只需按要求合理選擇定型化的標準材料。而在復合材料結構設計中，材料是由結構設計者根據(jù)設計條件自行設計的。如上所述，復合材料結構往往是材料與結構同時形成的，且材料也具有可設計性。因此，復合材料結構設計是包含材料設計在內(nèi)的一種新的結構設計，它可以從材料和結構兩方面考慮，設計人員可以根據(jù)結構物的特點，對結構物中不同的部位，視其不同的受力狀態(tài)設計不同性能的復合材料。

   ④              材料性能對復合工藝的依賴性  復合材料結構在形成過程中組分材料的物理和化學變化發(fā)生，不同成型工藝所用原材料種類，增強材料形成，纖維體積含量和鋪設方案也不盡相同，不同成型工藝所用原材料種類，增強材料形成，纖維體積含量和鋪設方案也不盡相同。因此，構件的性能對工藝方法，工藝參數(shù)，工藝過程等依賴性很大，同時也由于在成型過程中很難準確地控制工藝參數(shù)，所以一般來說復合材料構件的性能分散性也是比較大的。對于復合材料結構物，因為結構和材料是一體，使成型制造的各種結構物造型比較容易實現(xiàn)，甚至可以實現(xiàn)結構物的整體設計。而這一優(yōu)越性的發(fā)揮依賴于復合材料結構設計和制造工藝設計的密切結合。合理的結構設計應該考慮到制造工藝的可能性，制造工藝設計則應最大限度地保證實現(xiàn)結構物的最優(yōu)設計。

   ⑤              復合材料具有各向異性和非均質(zhì)性的力學性能特點 從力學分析的角度看，復合材料與常規(guī)材料（如金屬材料）的顯著區(qū)別是，后者被看作是均質(zhì)的和各向同性的，而前者是非均質(zhì)和各向異性的。所謂均質(zhì)就是物體內(nèi)各點的性能相同，也就是說，物體的性能不是物體內(nèi)位置的函數(shù)；而非均質(zhì)正好與此相反。所謂各向同性就是在物體內(nèi)一點的各個方向上都具有相同的性能；而各向異性則表明某點的性能是該點方向的函數(shù)。由于復合材料具有強烈的各向異性和非均質(zhì)性的特點，因而在外力作用下其變形特征不同于一般各向同性材料。一種外力常?？梢砸鸲喾N基本變形，其單層和層合板的強度及各種參數(shù)都是方向的函數(shù)。所以，研究復合材料的力學性能時，要注意它的復雜性和特異性。在進行結構設計時除了要考慮結構物中的最大應力，還要注意因材料各向異性特點反映出來的薄弱環(huán)節(jié)，這主要是剪切性能和橫向性能遠弱于纖維方向性能。

   ⑥              優(yōu)良的綜合性能  由于防腐蝕用復合材料所具備的組成特點，使得選用復合材料作防腐蝕材料的制品或部位，可同時具備優(yōu)良的防腐蝕性能，電性能（導電或絕緣），熱性能（導熱或絕緣）。例如，玻璃纖維和樹脂材料本身為電絕緣和絕熱材料，具有優(yōu)良的電絕緣性能和絕熱性能。但是，我們可以根據(jù)實際需要，通過在防腐蝕樹脂中引入導電或導熱組分，從而使得復合材料具備相應的導電性能或導熱性能。

   ⑦              良好的表面性能  防腐蝕復合材料在制作成型的過程中，可以通過調(diào)節(jié)模板的表面狀況，表面層樹脂及增強材料的品種以及制作工藝，使防腐蝕復合材料制品形成極為光滑的表面。并且使得該表面可根據(jù)需要而具備疏水，疏油，耐磨，導熱，導靜電，防結垢等特殊性能。

   （2）       纖維復合材料的優(yōu)點  以上內(nèi)容從總體上概括了復合材料的特點。如果將復合材料與傳統(tǒng)材料進行比較，可以發(fā)現(xiàn)復合材料具有如下優(yōu)點。

   ①     比強度高，比模量大 纖維復合材料的最大優(yōu)點是比強度高，比模量大。比強度是指材料的強度與密度之比，比模量為材料的模量與密度之比。比強度和比模量都是衡量結構材料承載能力的重要指標，對于航空，航天的結構部件，汽車，火車，艦艇等運動結構來說，它們是非常重要的指標，它意味著可制成性能好而又質(zhì)量輕的結構。對于化工設備和建筑工程等，材料的比強度高，比模量大，則意味著可減輕自重，承受較多的載荷和改善抗地震的性能。

   ②     抗疲勞性能好 疲勞破壞是材料在交變載荷作用下，由于裂紋的形成和擴展而造成的低應力破壞。疲勞破壞是飛機墜毀的漢族要原因之一。復合材料在纖維方向受拉時的疲勞特性要比金屬好很多。金屬材料的疲勞破壞是由里向外經(jīng)過漸變?nèi)缓笸蝗粩U展的。復合材料的疲勞破壞總是從纖維或基體的薄弱環(huán)節(jié)開始，逐漸擴展到結合面上。在損傷較多且尺寸較大時，破壞前有明顯的預兆，能夠及時發(fā)現(xiàn)和采取措施。通常金屬材料的疲勞強度極限是拉伸強度的30%-50%。而碳纖維增強樹脂基復合材料的疲勞強度極限為其拉伸強度的70%-80% 。因此，用復合材料制成在長期交變載荷條件下工作的構件具有較長的使用壽命和較大的破損安全性。

   ③     減震性能好 受力結構的自振頻率除與形狀有關外，還同結構材料的比模量平方根成正比。所以，復合材料有較高的自振頻率。同時復合材料的基體纖維界面有較大的吸收振動能量的能力，致使材料的振動阻尼較高。對相同尺寸的梁進行研究表面，鋁合金梁需9S才能停止振動，而碳纖維/環(huán)氧復合材料的梁，只需2.5S就可以停止振動，此例足以說明問題。芳綸復合材料的減震性能比碳纖維復合材料要更好些。

   ④     破損安全性好   復合材料的破壞不像傳統(tǒng)材料那樣突然發(fā)生，而是經(jīng)歷基體損傷，開列，界面脫黏，纖維斷裂等一系列過程。當構件超載并有少量纖維斷裂時，載荷會通過基體的傳遞迅速重新分配到未破壞的纖維上去，這樣，在短期內(nèi)不至于使整個構件喪失承載能力。

   ⑤     耐化學腐蝕性好  常見的玻璃纖維增強熱固性樹脂復合材料（俗稱熱固性玻璃鋼）一般都耐酸，稀堿，鹽，有機溶劑，海水，并耐濕。玻璃纖維增強熱塑性樹脂基復合材料（俗稱熱塑性玻璃鋼）耐化學腐蝕性一般較熱固性為佳。一般而言，耐化學腐蝕性主要決定于基體。玻璃纖維不耐氫氟酸等氟化物，生產(chǎn)適應氫氟酸等氟化物的復合材料制品時，其制品中介質(zhì)接觸的表面層的增強材料不能用玻璃纖維，可采用飽和聚酯或丙綸縣委（薄氈），基體亦需采用氫氟酸的樹脂。

   ⑥     電性能好  樹脂基復合材料是一種優(yōu)良絕緣材料，用其制造儀表，電機及電器中的絕緣零部件，不但可以提高電氣設備的可靠性，而且能延長使用壽命，在高頻作用下仍能保持良好的介電性能，不反射電磁波，微波透過性良好，目前廣泛用作制造飛機，艦艇和地面雷達罩的結構材料。

⑦     熱性能好  樹脂基復合材料熱導率低，線膨脹系數(shù)小，在有溫差時所產(chǎn)生的熱應力比金屬小得多，是一種優(yōu)良的絕緣材料。酚醛樹脂基復合材料耐瞬時高溫，可作為一種理想的熱防護和耐熱燒蝕材料，能有效地保護火箭，導彈，宇宙飛行器在2000℃ 以上承受高溫高速氣流的沖刷作用。另外，由于樹脂基體材料的可設計性，當需要其具有導熱性能時，又可以通過適當?shù)母男约夹g對對其導熱性能進行重新設計，使其具備足夠的導熱性能。

   （3）       復合材料的缺點  樹脂基復合材料也具有很多缺點或者不足，以下內(nèi)容就對樹脂基復合材料的主要缺點做一簡要介紹，使讀者在實際應用過程中對樹脂基復合材料的基本性質(zhì)有一個全面的了解，以便做到充分發(fā)揮樹脂基復合材料的俄有點，避免或者克服其缺點，從而使得樹脂基復合材料發(fā)揮最佳性價比。

   ①     纖維復合材料（玻璃鋼）的彈性模量低 玻璃鋼的彈性模量比木材大2倍，但比一般結構鋼小10倍。因此，在玻璃鋼結構中，常顯得剛性不足，變形較大。為了改善這一弊端，可采用薄殼結構和夾層結構，亦可應用高模量纖維或空心纖維等來解決。

   ②     層間強度低  一般情況下，纖維增強復合材料的層間剪切強度和層間拉伸強度分別低于基體的剪切強度和拉伸強度。因此，在層間應力作用下很容易引起層合板分層破壞，從而導致復合材料結構的破壞，這是影響復合材料在某些結構物上使用的重要因素。因此，在結構設計時，應盡量減小層間應力，或采取某些構造措施，以避免層間分層破壞。

   ③     屬脆性材料  大多數(shù)增強纖維（芳綸纖維，超高分子量聚乙烯纖維等除外）是脆性材料，拉伸時斷裂應變很小，所以纖維增強復合材料也是脆性材料，沿纖維方向是這樣，垂直于纖維方向更是如此，其斷裂應變要比金屬材料小很多。可改善纖維的斷裂應變，基體的韌性和界面狀況，以便提高復合材料的強度和抗斷裂，抗疲勞及抗沖擊等性能。

   ④     樹脂基復合材料的耐熱性較低 目前高性能樹脂基復合材料長期使用溫度在250℃以下，一般樹脂基復合材料長期使用溫度在60-100℃以下。

   ⑤     材料性能的分散性大  影響復合材料性能的因素很多，其中包括纖維和基體性能的高低及離散性大小，孔隙，裂紋和缺陷的多少，工藝流程和操作過程是否合理，固化工藝是否合適，生產(chǎn)環(huán)境和條件是否滿足要求等。這些都能引起復合材料性能的較大變化。加上目前制品還缺乏完善的監(jiān)測方法，因此制品質(zhì)量不易控制，材料性能的分散性大，如采用玻璃纖維布手糊成型的復合材料制品，其強度的離散系數(shù)達6%～10% 。上述玻璃鋼復合材料在性能，工藝，設計等方面的特點，是其他任何材料所無法比擬的，因此，玻璃鋼材料在軍工及民用等方面，都能得到非常廣泛的應用。近年來，在玻璃鋼技術的基礎上，研究開發(fā)了一些新型的高性能纖維增強復合材料。特別是由于航空，航天技術的發(fā)展，以及某些特殊應用的工程結構或部件的需要，要求擴大增強材料的范圍，改善其物理化學性能，達到高強度，高模量，耐高溫，低密度等的特殊要求，研究試制成功的硼纖維，碳纖維，有機纖維（芳綸）等，從而為纖維增強復合材料的發(fā)展，開辟了極其廣闊的應用途徑。目前主要的高性能纖維增強材料，有以下幾種

   ①     硼纖維增強復合材料  硼纖維具有遠高于玻璃纖維的惡比強度，比剛度和彈性模量，其壓縮強度和熱膨脹系數(shù)更適宜于制成各種結構復合材料。

   ②     碳纖維增強復合材料  在20世紀60年代初期，碳纖維與樹脂，金屬，陶瓷等基體材料復合，制成了質(zhì)量輕，強度高，剛性好，抗疲勞，耐腐蝕的碳纖維復合材料。碳纖維可直接編制成碳布，碳袋，碳氈等，以適應各種用途的需要。

   ③     芳綸增強復合材料  芳綸纖維是一種高強度，高模量，低密度的有機纖維，它的強度比碳纖維高，質(zhì)量比玻璃纖維，碳纖維都輕，熱膨脹系數(shù)低，抗疲勞性，耐熱性，耐燃性好，具有一定的競爭能力。近年來芳綸纖維復合材料發(fā)展很快，具有較大的發(fā)展前景。

   應該指出，上述單一纖維增強的復合材料，雖各有優(yōu)點，但也有它的不足之處。近年來，各國都投入大量的人力，物力進行混雜纖維的研究開發(fā)工作，可有望獲得異乎尋常的結果，這是當前復合材料技術的主要發(fā)展方向之一。由于其他復合材料受價格較高的因素的限制，從未來的發(fā)展和開發(fā)情況來看，玻璃鋼在復合材料中仍將占有十分重要的地位，可以預計，隨著玻璃鋼產(chǎn)量的不斷提高和品規(guī)格的增加，以及成本的降低和各種工藝技術問題的逐步解決，玻璃鋼將會內(nèi)在更廣闊的領域中得到進一步的發(fā)展，在復合材料家族中顯出它更加重要的地位。