纤维复合材料(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者：朱美芳,朱波

出版社：中国铁道出版社有限公司

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纤维复合材料试读：

前言

根据国务院《关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》，新材料被列为我国战略性新兴产业之一。本丛书定位为：从战略性新兴产业的高度，着重论述该类新材料在国民经济和国防建设重大工程和项目中的地位和作用、技术基础、最新研究成果、应用领域及发展前景。其特点是体现一个“新”字，即在遵守国家有关保密规定的前提下论述当代新材料的最先进的工艺和最重要的性能。它代表当代全球新材料发展主流，对实现可持续发展具有重要的现实意义和深远的指导意义。丛书共16分册，涵盖了新型功能材料、高性能结构材料、高性能纤维复合材料等16种重点发展材料。本分册为《纤维复合材料》。

纤维复合材料相对于传统材料轻而强，被广泛应用于航空航天材料以使得飞行器飞得更远更高。随着人类社会文明的巨大进步，全球暖化形势变得更加严峻，日益增长的节能减排需求为纤维复合材料的发展带来了新的机遇。随着碳纤维等高性能纤维及复合材料低成本制造技术的发展，高性能纤维复合材料也开始应用于轨道交通、汽车等纤维复合材料非传统领域。同时，纤维复合材料也通过集成传感、驱动、计算和通信等功能实现智能化而拓展出崭新的应用领域。本书比较全面地反映了高性能纤维复合材料的整体概况、发展现状和趋势，论述高性能纤维复合材料理论基础、性能特点、新制备技术、应用领域和发展前景。编著者着眼于未来大规模应用纤维复合材料所存在的难点，包括复合材料界面、低成本技术、快速成型、回收利用等，并结合最新的进展和编著者的科研成果，进行了详细论述。

本书由东华大学朱美芳教授和上海大学朱波教授等人编著。参与本书编著的人员大都是国内相应领域的专家学者。各章节编著分工如下：第1章由东华大学魏毅编著；第2章2.1节由东华大学吴琪琳、朱美芳编著；第2章2.2、2.4节由东华大学黄振振、上海大学朱波编著；第2章2.3节由东华大学张亚琼、上海大学朱波编著；第2章2.5.1、2.5.2节由东华大学秦宗益编著；第2章2.5.3节由东华大学黄振振、上海大学朱波编著；第2章2.6节由东华大学巨安奇、朱美芳编著；第3章由东华大学王彦、朱美芳编著；第4章由东华大学刘勇、朱美芳编著；第5章由东华大学孙宝忠编著；第6章由东华大学王彪编著；第7章由东华大学何勇、上海大学朱波编著；第8章由东华大学吕永根编著；第9章由东华大学张亚琼、上海大学朱波编著。全书由朱美芳、朱波统稿定稿。由于编著者水平有限，纰漏之处在所难免，殷切希望读者批评指正。编著者2017年6月第1章绪论

当人类走进21世纪的时候，如果说在新型结构材料方面有什么能称得上火爆，那一定是复合材料（composite），尤其是先进复合材料（advanced composite）。从美国的波音787梦幻客机、欧洲的空客380巨无霸，到中国的C919大飞机计划，莫不全球瞩目；从火星探索者、国际空间站，到天宫、嫦娥号，莫不让人叹为观止。而那些越来越大的风电叶片、越来越酷的概念汽车、越来越快的高速列车，则让普通人也能感受到世界的快速发展变化。而所有这些资讯里，都少不了提到一个让人感到似曾相识的名字：复合材料。更为专业的报道则将它们称为先进或尖端复合材料，并将其列为实现这些巨大发展的重要因素之一。为了帮助读者了解这一重要材料科学领域并推动它们更广泛的应用，本章对有关基本概念和知识进行简要介绍，作为后续章节的铺垫。为了达到这个目的，作者本着原创的原则，尽量采用原始资料和最新的信息，并结合笔者对该领域的理解和心得，努力做到通俗易懂、清晰准确、融会贯通。1.1纤维增强复合材料的概念

纤维增强复合材料（fiber reinforced composite，FRC），很多时候简称为复合材料（composite或 composite material）。这样的简称在本专业领域内一般不会产生歧义，比如提起复合材料，很多人首先想到的是玻璃钢，也就是玻璃纤维增强的聚酯复合材料。但对入门者或非专业人员，说起复合材料往往有点似是而非的感觉。因为从广义角度讲，任何由两种或两种以上不同物理或化学性质的材料结合在一起，并且其中至少两种材料之间保持了明显的界面，从而得到的不同于其组分材料物化性质的材料，都可以称为复合材料。根据这样的定义，食盐水、ABS树脂或聚乙烯-聚丙烯熔融后的共同挤出物固然不属于复合材料，它们的准确叫法分别是溶液、共聚物和共混物；而木屑胶合板和水泥砂浆混凝土则可以称为复合材料，不过按前面的定义，将加了轻质碳酸钙的乳胶漆（其成分通常有高分子聚合物粒子、颜料粒子等）称为复合材料似乎也无不妥，尽管实际上没有人这么叫。

因此，从狭义的角度讲，复合材料是一类结构材料（structural material）。在上述定义下，其中至少一种组分材料是增强体（reinforcement），一种是基体（matrix）。这样的材料实际上就是经过增强的复合材料（reinforced composite）。按照这种新定义，即便上述的乳胶漆是一种多相复合体系，但显然不是一种增强复合材料。同样，由于在木屑胶合板中，作为基体相的聚合物的强度通常比木屑的强度还大，因此很难将它们也称为增强复合材料。同理，水泥砂浆虽然是一种复合材料，但加入钢筋提高其抗拉伸性能后，所得的钢筋混凝土无疑就是增强复合材料。因此，增强复合材料的定义强调了复合材料作为结构材料的功能，明确了增强体和被增强体的关系，同时凸显了强度（strength）和刚度（stiffness），尤其是抗拉强度（tensile strength）的主导作用，当然也就比广义的复合材料定义清晰得多。

进一步来说，纤维增强复合材料是指那些以纤维为增强体的复合材料。纤维是物质的一种形态，通常指细长的物质，也就是长径比远大于1的东西。如果一种物质可以制成纤维，那么它的纤维抗拉强度比同等重量的自身材料的非纤维物体的强度大得多，而且纤维越细，这种差别越大，有些物质甚至可以差上百倍。这是因为对同一种材料来说，抗拉强度主要决定于被拉伸体内部和表面的缺陷，通常是这些缺陷导致材料在达到其理论强度值前被破坏。如果受力材料是一体（bulk）的，这些源于缺陷的破坏会立即横向扩展，造成剪切效应，加速材料的断裂；如果制成纤维，当某根纤维断裂时，其所受应力立即被转移到其他纤维上，不会在同一位置出现大规模横向扩展，从而表现出更高的强度。另一方面，相同重量的纤维与其本体相比，所含的内部缺陷更少，进一步提高了它们的抗拉强度。需要说明的是，与一体材料相比，纤维的压缩强度则低得多，而且纤维越细，其压缩强度越小，这是因为越细的物体在受到压缩载荷时，更容易弯折屈服。因此，基体的重要功能之一就是固定和保持纤维的形状，提高其弯折屈服，以得到一定的压缩强度。

如果是长纤维或连续纤维，则其长径比很大或趋于无穷大，反之称为短纤维。最极端的短纤维是纤维粉，其长径比可以小于1。从抗拉强度的角度看，复合材料中的长纤维能更好地传递应力，而连续纤维能最大限度地传递应力，因此增强的效果最佳；短纤维增强幅度有限，但能对体系进行一些特殊的加工（如注塑成型），所以使用也很广泛；纤维粉则多作为填料使用，即使对体系有些增强效果，通常也不称其为纤维增强复合材料。如此一来，就不难理解为什么纤维增强复合材料，尤其是长纤维增强的复合材料能够脱颖而出，成为复合材料家族中的佼佼者。而纤维增强复合材料的定义也由此做出。

因此，在本章以下的讨论中，除非特殊注明，“复合材料”的含义等同于“纤维增强复合材料”。

作为复合材料另一半的基体材料的性能也至关重要，是复合材料某些关键性能的决定因素。增强体主导了复合材料的拉伸及弯曲强度和模量，而基体决定了复合材料的使用温度、环境耐候性和耐溶剂性。那些由增强体和基体共同作用而决定的性能，如压缩及抗剪强度和模量、损伤容限、耐湿热性等，多半也是由基体主导的。这就不难理解为什么在20世纪中期后，随着高分子材料科学的发展，复合材料领域才得以起飞并出现日新月异的面貌。有必要指出的是，有的学者认为，复合材料，特别是树脂基纤维增强复合材料，正是由于基体树脂在应力传递、使纤维保持形状及防止纤维摩擦断裂中的重要作用，与其说是纤维增强了基体，不如说是基体保持了纤维的强度[1]。这种说法有合理的地方，一般来讲与常规的理解也是一致的，因为毕竟没有人认为应该将纤维增强复合材料（fiber reinforced composite material）称为纤维增强基体材料（fiber reinforced matrix material），但是下面将要介绍的一些同样广泛使用的名称，如纤维增强塑料（fiber reinforced plastics，FRP），的确表示或强调了是纤维增强了基体/塑料，对此读者可以根据自己的理解和喜好选择使用。

究其来源和成分，纤维可以是有机物，如木纤维或碳纤维；也可以是无机物，如玻璃纤维或氧化铝纤维；还可以是金属的，如钢丝。而基体也有有机物如木质素或合成高分子树脂，无机物如陶瓷或水泥，金属如铝和钛。这些增强体和基体可以相互组合构成相应的纤维增强复合材料，如碳纤维增强环氧树脂、石英纤维增强陶瓷、硼纤维增强铝合金、钢筋混凝土等。为了更准确地定义和描述这些纤维增强复合材料体系，在许多专业文献中，对它们的范围做了更细致的界定，详述如下：1.1.1　按照基体材料划分

按照基体材料划分，纤维增强复合材料有纤维增强聚合物基复合材料、纤维增强陶瓷基复合材料、纤维增强金属基复合材料。这是最广泛使用的一种分类。

纤维增强聚合物基复合材料（fiber reinforced polymermatrix composite），有的直接称为纤维增强塑料（FRP）、聚合物基或树脂基复合材料（polymer matrix composite，PMC，或resin matrix composite，RMC），它们都是以合成高分子为基体相，也就是连续相或被增强相，以无机或有机纤维为增强相的复合材料。它们是品种最多、使用最广、产量最大的一类。根据这些高分子材料的反应性又可以细分为热固性树脂基（thermoset composite）和热塑性树脂基（thermoplastic composite）两种。典型的热固性基体材料有饱和聚酯、不饱和聚酯、环氧树脂、酚醛树脂、酰亚胺、氰酸酯、聚苯并嗪等；典型的热塑性基体材料有聚氯乙烯、尼龙、ABS树脂、聚醚砜、聚醚醚酮、聚醚酮酮、聚醚酰亚胺等。

纤维增强陶瓷基复合材料（ceramic matrix composite，CMC）：是以无机陶瓷材料为基体相，有机或无机纤维为增强相的复合材料。这类材料通过纤维改善了陶瓷材料的脆性，提高了其损伤容限，通常以其高温下的优异力学性能著称，主要用在喷气发动机的“热区”或者导弹部件，用以取代所谓的超级金属合金，碳/碳复合材料也属于这类材料。典型的基体相有碳、碳化硅、氧化铝、氧化硅铝等。典型的增强相是陶瓷纤维，包括碳纤维、碳化硅纤维和氧化铝纤维等。需要说明的是CMC也可以包括其他方式增强的陶瓷材料，如碳化硅粒子增强的氧化铝，但是根据前面的定义分析，在此仅讨论纤维增强的复合材料。

纤维增强金属基复合材料（metal matrix composite，MMC）：指以金属为基体，以纤维为增强体的复合材料。这类材料的复合目的主要是改善金属的疲劳性能，增加金属的刚性。最主要的金属基体是铝合金和钛合金，典型的增强体是碳化硅纤维、氧化铝纤维和硼纤维。1.1.2　按照纤维划分

按照纤维划分，纤维增强复合材料可划分为碳纤维增强复合材料、玻纤增强复合材料等。

碳纤维增强复合材料（carbon fiber reinforced composite，CFRC），或碳纤维增强塑料（carbon fiber reinforced plastics，CFRP）：指所有使用碳纤维为增强体的复合材料，通常所用的基体材料为高分子合成树脂。

玻纤增强复合材料（glass fiber reinforced composite，GFRC），或玻纤增强塑料（glass fiber reinforced plastics，GRP）：指所有使用玻璃纤维为增强体的复合材料，通常所用的基体为高分子合成树脂。

以其他纤维命名，如芳纶增强、玄武岩纤维增强复合材料等，也有见于文献和行业交流。这种情况通常会同时注明基体，如称为芳纶增强酚基树脂、石英纤维增强氰酸酯等，因此比较直观，在此不再赘述。1.1.3　按照使用领域划分

按照使用领域来划分，纤维增强复合材料可划分为航天材料、工业复合材料、海洋复合材料等。航天复合材料（aerospace composite）：主要指那些用于航空和航天的复合材料，也包括部分用于军事工业的复合材料。

工业复合材料（industrial composite）：主要指那些非航空航天用途的FRC，如交通、能源、海洋、医疗器械等用途的复合材料。部分用于军事工业的复合材料也包括在这类材料里。

海洋复合材料（marine composite）：主要指海洋船用的复合材料。部分用于军舰的复合材料也被称为海洋复合材料。1.1.4　按照使用层级或历史划分

按照使用层级或历史划分，纤维增强复合材料可划分为常规传统复合材料、先进或尖端复合材料。

常规或传统复合材料（conventional composite）：通常指复合材料发展初期或普通用途的复合材料，如中低档玻璃钢、中低温使用的模塑复合材料等。

先进或尖端复合材料（advanced composite Materials，ACM）：这是一个使用频率很高的名词。通常指20世纪70年代以后发展起来的，以使用高强或高性能纤维和高功能基体材料为特征的复合材料。尽管大多数场合先进复合材料的基体是特指高效或特殊功能的聚合物，那些符合该定义的陶瓷基和金属基也是该类材料中不可缺少的一员。从用途来看，先进复合材料涵盖了一切用于航空航天和高端工业用途的复合材料，因此是一个相对广泛的定义。

本书的主题——高性能纤维（增强）复合材料，与上述先进复合材料有相同的内涵和意义。1.1.5　按照复合材料使用形态划分

按照复合材料使用形态划分，纤维增强复合材料可分为层状复合材料或导板、夹心或三明治复合材料、三维复合材料等。

层状复合材料或层板（composite laminate）：通常指通过二维材料的重叠来达到一定厚度的实心复合材料，包括通过树脂转移成型得到的二维实心复合材料，由于复合材料的各向异性，这种结构通常在厚度方向或Z方向的强度远低于平面方向或XY方向，本章下节和后续章节有更详细讨论，这种Z方向的强度缺陷可以通过三维结构或Z向短纤维加以补偿。

夹心或三明治结构复合材料（sandwich structure composite）：在复合材料成型体中包含有不同结构或形态的复合材料，一般指两侧为相同或不同的层状复合材料，中间为轻质较厚的夹心材料形成的一种复合结构的复合材料。典型的层状复合材料为树脂基复合材料，典型的夹心材料有蜂窝板（铝、芳纶纸等）、纤维板、泡沫板、甚至是巴萨木板等。

三维复合材料（three-dimensional composite或3D composite）：这种结构通常使用三维编织的纤维预制件，然后通过树脂基体液体灌注成型来实现。为了方便起见，二点五维编织的纤维预成型复合材料也可以归于这类。

除此之外，根据不同的人群、领域、国家，也有不少特定或俗成的名称定义，在此就不再一一讨论。

可以看出，复合材料领域的定义和名词很多，有的还有交叉的内涵，缩写、代号等也特别多，常常让非专业人士有不胜困惑之感。可以肯定的是，随着复合材料领域的扩展，还会有新的名词出现，旧的称谓也可能被赋予新的含义，这归根到底是可喜的，因为只有一个发展进步的朝阳领域，才会有如此蓬勃的生机。1.2纤维增强复合材料的发展历程1.2.1　复合材料科学与应用的成型阶段

纤维增强复合材料其实对每个人来说都不陌生。同许多科学发现一样，我们日夜置身的大自然早就提供了无尽的启示。当我们看到参天大树在狂风中挺立的时候，或者看到用于撑船、钓鱼的竹竿弯而不折的时候，甚至看到沉甸甸的麦穗压在空心细长的麦秆顶端的时候，是否意识到大自然已经为我们展示了纤维增强复合材料的威力和魅力？

不知道人类是从哪个时代起就受到了这种启示并有意识地加以利用和进行创造，但可以追溯到的最早的人造复合材料是古埃及金字塔壁画中所描述的草-泥混合砖。古埃及人用这种砖进行建筑至少有近万年的历史，这种材料在《圣经·出埃及记》就有记载。同样是古埃及人在五千年前就开始用织物浸上药物和天然树脂（如虫胶）来制作木乃伊，这也许可以视为最早的复合材料预浸料。后来，又用麻布和莎草纸铺层，涮上灰泥来制作人型棺盖并绘上精美图案（见图1-1），这也许可以视为最早的复合材料手糊成型。大约在六千年前，世界不少古文明地区，包括中国，都出现了用抹灰篱笆墙修筑房屋的记载 [2] 。用纸和糨糊做面具、动物等，也有上千年的历史。在古代中国，用麻、棕纤维与漆糊在一起做成各种漆器并作彩绘，算是高档复合材料用品。有文献认为这种漆器在五千年前的河姆渡文化时期就出现了，但可以肯定的是它们至少有两千多年的历史，因为公元前186年的长[3]沙马王堆汉墓里，就有不少相当精美的这类漆器 。图1-1　古埃及棺盖，约公元前950年

值得一提的是古罗马的建筑师维特鲁威·波利奥（Marcus Vitruvius Pollio），在他公元前25年的著作《建筑十书》（De Architectura）中，详细描述了石灰砂浆的配方和制作，书中写到用一份石灰同三份火山灰砂（Pozzolanic Ash）可以得到用于普通建筑的水泥，而用一份石灰同两份研磨火山灰砂可以用于水下建筑。这是最早的混凝土复合材料的记载，其配方至今仍在使用，充分显示出技术水平的高超。1.2.2　复合材料科学与应用的成型阶段

复合材料真正开始发展成为一门科学，还是一百多年前的事。随着第二次工业革命的大潮，化学化工领域也掀开了历史的新篇章。1907年，世界上第一种成功商业化的合成高分子树脂，俗称电木的[4]Bakelite在美国纽约诞生 。它的发明者是美籍比利时裔化学家利奥·贝克兰博士（Leo Baekeland），他用苯酚和甲醛在一定的压力和温度下合成出了这种学名为polyoxybenzyl methylenglycol anhydrid的酚醛[5]树脂 ，成功申请了专利并成立了公司，将这种新型材料商业化，其系列产品应用领域极其广泛，从绝缘盖到乐器，从枪托到玩具，从纽扣到麻将，从汽车零件到火箭隔热层，无所不包。尽管Bakelite公司后来合并到了联碳公司，然后演变到今天的迈图公司（Momentive Specialty Chemicals），许多当年贝克兰时代的产品仍然被生产使用至今。作为一种热固性高分子，酚醛树脂具有较高的硬度，同时也较脆，但是将它们同纤维、织物，甚至纸张等复合起来，就可以满足很多应用要求，同时也有很好的模塑加工性，事实上电木就是木屑和酚醛树脂的复合材料。从发明出来到20世纪三四十年代，是酚醛树脂的黄金年代，也是复合材料作为一门科学发展成型的年代。

值得一提的是帘子线增强的橡胶轮胎，这种正宗的纤维增强复合材料也许比电木出现更早。但是，很难考证从1839年美国人“好年”，又称固特异（Charles Goodyear）发明天然橡胶的硫化技术从而使得硫化橡胶能够用于轮胎的那时起，到1907年电木诞生的68年间，是否有人使用过帘子线来增强橡胶。据估计应该晚于1907年，因为直到20世纪20年代棉线才作为第一代帘子线大量用于橡胶轮胎。

1932年是复合材料发展史上另一个值得纪念的时刻。那一年，从美国普渡大学毕业并在俄亥俄州的欧文斯伊利诺玻璃公司（Owens-Illinois Glass Company）工作仅一年的36岁工程师斯莱特（Games Slayter）偶然将压缩空气引入了熔融的玻璃，意外地得到了玻璃纤维，更重要的是用这种方法可以进行连续抽丝。这虽然不是人类第一次制得玻璃纤维，但却是第一次能够大规模工业化地制造连续纤维。斯莱特在1938年获得了该发明的美国专利并在同年出任欧文斯科宁玻纤公司（Owens Corning Fiber glass Corp.）的技术副总裁 [6] ，该公司是1935年由欧文斯伊利诺公司和科宁公司（Corning Glass Works）共同组建并采用斯莱特技术生产玻璃纤维的专门公司，迄今仍然是全世界最大的玻纤公司之一。玻璃纤维最初的使用并不是用来制造复合材料，而是作为建筑物隔热保温层，但是它们很快就显现出了作为复合材料增强体的巨大潜力，并作为玻璃纤维的高端用途延续至今，现在广泛用于先进复合材料的高强度高刚度S和S2玻璃纤维，就是OC公司的新一代增强纤维。特别值得一提的是，由于玻璃纤维相对于其他增强纤维，如碳纤维或芳纶纤维，对雷达微波的透明度极高，因此它们一直是制造航空和地面雷达罩复合材料增强体的良好选择。

第一款与玻璃纤维配套用于复合材料制造的基体树脂是杜邦公司（Du Pont）1936年的乙烯基酯，或者叫不饱和聚酯[7]，这类杜邦公司在1930年发明的通过加成反应交联的热固性树脂至今还在复合材料领域大量使用。随后的高分子合成化学的大发展使得更多的基体树脂开始应用到复合材料中，如美国氰化物公司（American Cyanamid Company）的聚酯、杜邦的尼龙、壳牌（Shell）的环氧树脂等。同时复合材料的应用范围也开始大幅扩展。据记载，第一艘复合材料小艇于1937年在美国诞生[8]，第一个复合材料机身和机翼1939年在美国出现。而在1942年，第一辆复合材料车身的概念汽车StoutScarab从美国底特律的工厂开出。所有这些新的应用都因玻璃纤维增强复合材料而成为现实。

那个时代也是合成纤维大发展的年代，改性纤维素或人造丝（rayon）的性能在那个期间得到进一步提高；1938年首个合成纤维聚酰胺或尼龙纤维问世；1939年维纶被发明；1941年聚酯纤维诞生；其他还有氨纶、晴纶、聚烯烃纤维、聚氨酯纤维等，这些纤维也不失时机地被应用到了纤维增强复合材料中，同时用量也相当可观。1.2.3　复合材料的发展与壮大

复合材料以其轻而强以及易于成型的特点成为理想的航空材料。所以，玻璃纤维增强复合材料诞生伊始，就开始用于飞机各类零部件的制造，与铝合金一起共同打造更高性能的飞机。1942年，美国成功地将一架VulteeBT-13Valiant军用教练机的机身从铝合金改用复合[9]材料，命名为XBT-16并成功试飞 。紧接着又将另一架BT-15的机翼[10]和尾翼也都换成复合材料，命名为XBT-19，在1944年成功试飞 。与此同时，这类复合材料也迅速进入航天和军事应用，当时的发达国家都有不少这方面的保密研究项目。而所有这一切，除了受益于玻璃纤维的发明和工业化，更与一种高性能的基体树脂的出现密不可分，这种基体材料就是今天先进复合材料的主力军之一的环氧树脂（epoxy resin）。

最早的环氧树脂是环氧氯丙烷与二元酚反应生成的预聚物，通常与含有二元或多元活泼氢的物质进一步反应并成为高强度高模量的交联高聚物。第一种双酚A环氧树脂在1936年由瑞士的卡斯坦博士（Pierre Castan）和美国的格林里博士（S.O.Greenlee）独立发明。卡斯坦授权瑞士的汽巴公司（Ciba Specialty Chemicals）生产环氧树脂，而格林里的发明则由美国壳牌公司生产，这两个公司在很长时间都是世界上环氧树脂品种最多、产量最高的三家公司中的两家，第三家环氧树脂生产巨头是陶氏公司（Dow Chemical）。后来，汽巴的环氧树脂业务为亨斯曼公司（Huntsman Corporation）所得，而壳牌的环氧树脂业务几经易手落到了今天的迈图公司（Momentive Specialty Chemicals）之手，它们今天仍然是环氧树脂，尤其是高性能航空航天级环氧树脂的重要供应者。环氧树脂的工业化和品种的多样化不仅使其在众多工业领域（如涂料油漆、黏合剂和电子产品等）得到广泛应用，更为复合材料的设计师和工程师提供了理想的具有广泛选择性的基体材料。无可置疑，环氧树脂作为基体在早期纤维增强复合材料上的成功应用为复合材料工业的腾飞做了必要的准备。

但是这个腾飞直到20世纪60年代才初现端倪，其标志是聚丙烯腈基碳纤维（polyacrylonitrile based carbon fiber，PAN-CF）的工业化。早在1879年，美国著名发明家爱迪生（Thomas Edison）为了制备白炽灯的灯丝材料，将棉线在高温下碳化得到了最早的碳纤维，但是这种碳纤维碳化程度低，缺陷多，而且没有工业化，无法成为有效的复合材料增强纤维。之后虽然制备高碳含量纤维的努力一直没有停止过，但是直到1958年，美国联碳公司（Union Carbide Corp）的物理学家贝肯博士（Roger Bacon）将人造纤维素（Rayon）在压力下用逐步升温的方法加热直到纤维碳化从而得到连读的碳纤维为止，才算有了一种可以工业化的碳纤维制备方法[11]。但是，这种方法制得的碳纤维的碳含量还是不高，只有约20％，并且抗拉强度和模量都不高。1960年，日本大阪工业研究所的近藤昭男博士（AkioShindo）发现采用将聚丙烯腈纤维先氧化后碳化的方法可以制得碳含量为55％，强度和模量都不错的碳纤维，这种工艺立即受到国际瞩目并得到广泛研究。到了1963年，英国皇家飞机研究院（Royal Aircraft Establishment）的瓦特博士等人（W.Watt，L.N.Phillips，W.Johnson）采用近藤昭男的氧化-碳化法，根据高分子材料在拉伸条件下分子链取向排列成有规结构的原理，发明了在聚丙烯腈纤维纺丝、氧化和碳化过程中施加拉伸应力的工艺，进一步提高了碳含量，同时减少了纤维所含缺陷，改善了碳纤维的性能。瓦特工艺的专利由英国国防部获得，并授权三家英国公司：Rolls-Royce、Morganite和Courtaulds公司，使用该技术生产碳纤维，碳纤维的工业化由此开始。

与此同时，在近藤昭男的故乡日本，有关聚丙烯腈基碳纤维的研究和技术改进更是如火如荼。到了20世纪60年代后期，日本碳纤维生产的总体工艺水平已经相当成熟，其中东丽（Toray）公司的DMSO湿法纺丝工艺尤为先进。由于种种原因（后面有部分介绍），当年的三家英国公司里只有科陶公司（Courtaulds）还在继续生产其品牌为Grafil的碳纤维（该品牌后来在1991年为三菱丽阳公司所收购）。因此，在1970年美国联碳公司购买了东丽公司的纺丝生产技术，并在南卡罗来纳州的格林维尔（Greenville）开始生产Thornel商标的碳纤维，而其碳纤维的牌号也同东丽公司保持一致，这个工厂几经易手，现在属于美国氰特公司（Cytec Industries），Thornel PAN基和沥青基碳纤维也发展出了完整的系列产品，成为国际复合材料的知名品牌。1971年东丽公司位于日本爱媛的PAN基碳纤维生产线也开始满负荷运转。同样在1971年，日本东邦公司（Toho Rayon）Besfight牌（后改为Tenax）碳纤维在其三岛工厂投产并开始试销。

1972年，美国的大力神公司（Hercules）采用其母公司杜邦的技术开始生产PAN基碳纤维AS4，在后来又开发出其标杆产品IM7中模量碳纤维，该公司的碳纤维业务在1996年为赫氏公司（Hexcel）收购，其产品延续至今，也是国际著名品牌之一。大力神公司为碳纤维和复合材料的发展做出了重要贡献，也就是该公司在1965年说服了美国军方和政府大力利用和发展轻而强的复合材料，并加大在复合材料领域的投资和研发，有力地帮助了复合材料工业的腾飞。碳纤维行业通过多年的兼并重组，基本形成了今天日美领先，亚洲、欧洲随后的三分天下的格局，日本是东丽（包括其2013年并购的美国卓尔泰克公司/Zoltek）、东邦和三菱，美国是赫氏和氰特，其他是台塑（Formosa）、道阿克萨（DowAksa）和SGL等。而生产碳纤维的三条主要技术路线PAN基、沥青基和纤维素基，也基本成熟并日臻完善。

碳纤维的工业化终于为已经发展了20多年的环氧树脂找到了理想的伴侣，碳纤维增强环氧树脂基复合材料成为从传统复合材料发展到先进复合材料的重要推手，一个新材料的时代终于来到了。由于碳纤维增强环氧树脂基复合材料拥有的高比强度和比模量，以及优良的综合性能和成型适应性，它们以前所未有的速度被应用到航空航天、军工、能源与运动器材的制造领域中。

与碳纤维的发展几乎并行的还有另一个重要的增强体——芳纶纤维，俗称凯芙拉纤维（Kevlar）。这种聚芳香酰胺纤维在1965年由杜邦公司的化学师斯蒂芬妮·克沃勒克（Stephanie Louise Kwolek）发[12]明 。这种聚合物最初被合成出来时差点被认为是废品而被倒掉，克沃勒克说服了纺丝技术员查理将它纺成纤维，结果发现这种纤维很难断裂，其比强度可以达到钢的五倍。这种新型纤维立即被用到轮胎上作为增强帘子线，并在军用防弹应用中崭露头角。到了20世纪70年代中期，其主要品种如Kevlar 29和49等已基本成型。

这样一来，复合材料的三大增强主角：玻纤、碳纤和芳纶，会同其他特种纤维，如硼纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维和石英纤维等，加上日益成熟的高分子合成工业所提供的高性能热固树脂体系，环氧、双马酰亚胺、聚酰亚胺、氰酸酯、聚酯、酚基树脂等，加上热塑性工程材料聚醚醚酮、聚醚酮酮、聚砜、聚醚酰亚胺、聚苯醚、聚酰胺等，都已经聚齐，先进复合材料蓬勃发展的大戏也终于拉开了大幕。

当然，复合材料的发展也不是一帆风顺的，即使在碳纤维工业化以后也是如此。例如罗-罗公司（Rolls-Royce）发动机事件。世界航空发动机巨头罗-罗公司是最早生产碳纤维的三家英国公司之一，也是最早将复合材料用于飞机发动机的公司，它将当时最新的碳纤维复合材料用于其最新的RB-211涡扇发动机的压缩机叶片，而该发动机是当时最先进的美国洛克希德L-1011 TriStar大型喷气客机的主力发动机，但是后来这种复合材料叶片被证实在飞鸟撞击下非常脆弱，导致这些发动机不得不被更换，这对罗-罗和洛克希德来说无疑是一场大的灾难，成为1971年罗-罗公司被英国政府托管和国有化的直接因素之一，其碳纤维业务也因此被卖掉。但这个不幸事件对于复合材料科学的发展来说则是一个很好的教材。从那之后直到今天，复合材料的韧性（toughness）和损伤容限（damage tolerance）一直都是学术界和工业界研究和改进的重点之一。1.2.4　复合材料的成熟与普及

从人类历史发展来看，往往是一代材料决定了一代制造水平，也就决定了一代文明的发达程度。当先进复合材料的巨大优势逐渐显现出来时，它们在许多领域逐步取代了传统的结构材料，尤其是高端结构材料，同时以一种前所未有的速度成为一些新的领域的驱动者。以航空领域为例，复合材料的用量在军用和民用飞机上成倍增长，其用量已经成为飞机先进性的标志之一。值得特别指出的是，2011年第一架纤维增强复合材料机身的大型双通道客机波音787交付全日空航空公司使用，是航空工业和复合材料工业史上的里程碑。波音787整机约50％的重量来自于复合材料，但是却占据了整机材料体积约80％，充分显示出了先进复合材料在航空器减重上的贡献。空客公司的同类机型A350XWB也基本类似。

先进复合材料的混搭设计也日趋复杂，首先是增强纤维的混搭使用，无论是单向纤维、双向织物还是三维编织，混搭已经非常普遍。除了增强纤维之间的混搭，还有增强纤维与其他功能纤维或功能高分子膜的混搭，比如可以采用碳纤维同增韧纤维的混织或与增韧高分子膜混搭，在复合材料的加工过程中，增韧纤维或增韧膜溶解于基体树脂，从而起到提高材料损伤容限的作用。其次是不同种类高聚物的混用，例如环氧树脂与双马酰亚胺、环氧树脂与聚苯并嗪等。再次是不同类别材料的混搭使用，比如在空客A380上使用量约3％的GLARE（glass reinforced aluminum laminates）材料，就是玻璃纤维增强的复合材料同铝合金薄板再复合的一体化材料。1.2.5　复合材料发展年代谱及区域发展特征

就复合材料本身来说，要作它们的年代分割很难准确，意义也有限。即使根据基体、增强体、应用、加工等方面都可以进行年代划分，但彼此常常有交叉，划分很难做到严谨。为了方便，这里试图将聚合物基纤维增强复合材料从其综合性能和航空航天应用上进行划分。需要说明的是这种划分仅仅是作者个人的看法，见表1-1。表1-1　聚合物基纤维增强复合材料发展年代谱

有的说法认为复合材料下一代的代表应该是液晶聚合物纤维，如聚苯并双唑（poly p-phenylene-2，6-benzobisoxazole，商品名为Zylon）纤维增强的复合材料，虽然这类纤维具有高于芳纶的抗拉强度和模量，与高强碳纤维相当，但是由于它的化学稳定性欠佳，吸湿性较大，使用温度偏低，其应用仍然局限于制造传动带和体育用品（如乒乓球、网球拍）等，要担纲第四代或第五代复合材料的主力军显然缺乏应有的基础。

从复合材料的发展历史可以看出，迄今为止复合材料的发展主线一直在美国、欧洲和日本。这固然与这些国家的科学技术发展水平有关，毕竟主要的增强纤维和基体材料都是在这些地方被发明出来的。这种局面同时也与复合材料最初的使用领域有关，因为这些当时的先进材料价格昂贵并且研制保密，在欧美首先用于军事，尤其是军用飞机。日本一直对高性能纤维领域非常重视，维持了高强度投资和相当大的研究规模，但是由于第二次世界大战后盟国对其军事发展的限制，日本将大部分资源投入民用领域的复合材料，致使日本在这些领域，如建筑、交通和运动器材长期领先。同时，他们的碳纤维产量是世界第一，芳纶纤维产量（主要是帝人公司的Twaron纤维）也仅次于美国。在复合材料的历史中，苏联及后来的俄罗斯的作用不彰，发明创造成果看起来也乏善可陈。不过从结果上看，他们的先进复合材料工业落后西方不少，使得他们的大型客机项目进展缓慢，现代航空航天工业的发展也明显落后于美国。而中国早期的情况更不让人乐观，虽然经历了改革开放后的急起直追，取得了令世人瞩目的成就（例如中国的玻璃纤维产量在2013年接近500万t，居世界第一，2014年中国已形成的碳纤维产能也超过万吨），但是普通E-玻璃纤维材料的价值空间毕竟不大，且中国目前的碳纤维质量多数还达不到航空航天级别，先进复合材料的制造技术、成型加工技术还在遭遇巨大的工程技术瓶颈，总体上离世界一流水平差距甚大，需要广大业内人士和新生代的科学、工程技术人员不懈的努力。1.3纤维增强复合材料的特点1.3.1　复合材料的物理机械性能特征

由前面对定义的讨论可知，从组成上看纤维增强复合材料的最大特点就是含有增强纤维，尤其是长纤维，而纤维的承载方向无疑是轴向方向，在径向则主要靠远低于纤维强度的基体材料的内聚强度，这自然就导致了纤维增强复合材料的最大特点，也是与其他材料（如金属、塑料或粒子复合材料）之间的最大差别，即它们机械力学性能的各向异性（anisotropy）。

各向同性（isotropy）是指物质的性质在每个几何方向都相同。对于各向同性的物质，任何位置的取样和任何方向的测试结果都一样，都可以用来代表该物质的性质。对于各向异性材料则完全相反。以一块连续纤维复合材料层板为例，经向（也称为Warp方向、X方向或0°方向）同纬向（也称为Fill方向、Y方向或90°方向），以及同厚度方向（也称为高度方向或Z方向）的性质通常是不一样的，如图1-2所示。图1-2　（0/90）非平衡平纹织物铺层的复合材料层板各个方向和抗拉强度示意图

由于先进复合材料中使用最广泛、种类最多、用量最大的是树脂基纤维增强复合材料，它们也常常被用来升级、替代较重的金属材料，另一方面金属材料是目前航空航天和高端工业使用最广泛的承载结构材料，因此以下的讨论着重在这类各向异性的复合材料和各向同性的典型金属材料的比较。同时由于后续章节对复合材料的各种力学性能有详尽的讨论，本节只做简单的介绍。除非特殊注明，本节所指复合材料的性能是指其0°方向性能。

纤维增强复合材料的力学性能基本上都是围绕着其各向异性而展开，即它们的性能基本上都源于其各向异性的结构，而其他物理性质主要取决于基体树脂和纤维-基体界面性质。表1-2所示为金属复合材料物理、机械力学性能的对比。表1-2　金属和复合材料物理、机械力学性能的对比

纤维增强复合材料各向异性的特点对于材料设计和加工带来的优劣因人而异。对于习惯于金属设计的人来讲，显然复合材料设计起来更麻烦，尤其当载荷形式难以固定或多种形式的载荷可能作用于同一零部件时。但是，对于那些熟悉复合材料并精于优化设计的人，复合材料显然提供了更多，甚至近于无限的设计可能性，因为增强体和基体的组合基数本来就是巨大的，加上组合的形式、规格、参数等可控变量，无疑使得一切设计皆变为可能。另一方面，与各向异性共生的二维形态赋予了复合材料极其灵活的制造方法，在X、Y、Z方向都可以进行特殊设计，由此赋予零部件特定的各向异性。通过二维材料实现三维体制造的方式也使得内置部件和零部件整合变得容易多了。正是由于这种极其方便的可造性（tailorability），使得许多使用金属难以实现的复杂和复合的优化设计可以通过使用复合材料而得以实现，这在后面的章节中会有充分体现。

从机械力学上，众所周知，与金属材料相比，复合材料的最大优势是轻而强，也就是说，复合材料有更高的比强度和比模量。比强度和比模量由拉伸强度和拉伸模量除以密度得到，见表1-3。通常用来进行复合材料和金属比较的是比拉伸强度和比拉伸模量。需要指出的是，一般在比较各种复合材料同金属的拉伸性能时，都习惯性地使用增强纤维本身的强度，但是毕竟是复合材料，而不是纤维，才是材料最终的使用形态。因此笔者认为相对合理的比较应该是将复合材料中实际的纤维含量考虑进去，或者直接使用具体的复合材料的拉伸数据，尤其是当采用0/90的织物或准各向同性（quasi isotropic）的复合材料时更应该如此，见表1-3的最后三行数据。表1-3　复合材料和金属材料的比抗拉强度和比拉伸模量注：表中纤维及其复合材料的拉伸数据为轴向（0°）拉伸数据；复合材料数据为典型值。

从表1-3中的比强度和比模量数据可以看出，参与比较的三种金属材料的比强度和比模量（也就是比刚度）相当，而金属基的硼纤维铝复合材料则明显高于它们，因此如果采用这种复合材料代替这三种金属材料将具有减重效果。玻璃纤维是一个分界线，从比模量来看，使用玻璃纤维增强复合材料与金属材料相比并没有优势，但强度略好于金属，由此可见，玻璃纤维增强复合材料在航空航天上减重效果有限。这类材料仍然得到广泛使用的主要原因是因为它们的其他特性，如加工性、雷达波透明性、耐腐蚀性、成本等。从表1-3中看出，芳纶复合材料具有相当不错的比强度和比刚度，从理论上讲是良好的减重材料，但是由于它们的吸水性高（可达7％）、压缩强度低，实际上它们作为结构材料的使用程度有限，而主要是用于航空器内部部件（因为它们的高阻燃性）或防弹器械（因为它们的高韧性）。反观碳纤维的数据，则显现出很好的综合性能，其比强度和比刚度都大大高于金属材料，加上它们不错的压缩强度、极低的热膨胀系数和吸水率、高的热稳定性，以及与所有的基体（聚合物、碳、金属和陶瓷）优良的复合性和加工性，再加上可控的、稳定的制造工艺和不算离谱的价格，当仁不让地成为先进复合材料，尤其是航空航天用先进复合材料的主力军。

前面已经提到过，复合材料的综合性能是由增强体、基体和它们的界面决定的。一般来说，增强体主导了复合材料的拉伸、抗弯强度和模量，而基体决定了复合材料的使用温度、环境耐候性和耐溶剂性。那些由增强体和基体共同决定的性能，如压缩、抗剪强度和模量、损伤容限、耐湿热性等，多半也是由基体性能主导，由界面性能决定的。界面性能对复合材料性能有巨大贡献和作用，界面的存在是复合材料的固有属性，但不是所有从事复合材料行业的人都对界面都有充分的认识。虽然在选择增强体和基体时，客观上也在选择界面，但是只有对界面有意识地进行匹配和优化，才能真正达到对复合材料使用的优化。例如，如果使用纤维的直径为7mm，体积分数为60％的复合材2料制成1mm厚的层板，那么1m 的层板中含有的界面面积约为350m 2 ，这是一个不可忽视的因素，甚至对材料的物化力学性能有决定性的作用。使用偶联剂来增强玻璃纤维同基体的黏合从而提高其复合材料的多种强度是通过界面改性提高材料性能的经典例子。1.3.2　复合材料的应用局限与改进方向

毋庸置疑，与典型金属材料相比，先进复合材料也有其不足之处。首先是其厚度方向（Z方向）强度不足，虽然这个缺点可以有限地通过使用二点五维或三维增强体改善，但是由于这种方法不能完全避免纤维的弯折，无法达到X、Y方向可能达到的强度。尽管如此，这仍是目前最有效的方法，即使用三维编织的纤维预成型体通过液体树脂或树脂膜成型。但是，三维编织纤维预成型体价格昂贵，而且难以编织大型零部件，应用的广泛程度受到很大限制。复合材料另一个比较明显的缺陷是它们比金属材料低的损伤容限以及对内部损伤探测困难。低损伤容限的弱点对热固性聚合物基复合材料尤为明显，好在通过各种增韧手段以及对增强体及其表面的改性，或者使用二到三维的纤维预成型体，都能大大改善材料的损伤容限。另一方面，复合材料的损伤（不是破坏）常常表现在层间分离，这种损伤在材料受到低速冲击时，如掉落的工具或冰雹等，尤为典型。在这种情况下，尽管材料的表面往往没有任何凹陷或破坏，但内部可能已经产生分离或分层，造成事故隐患。虽然无损检测（non-destructive inspection，NDI）方法如超声波C扫描等日益先进和普及，但毕竟价格不菲，操作也颇为复杂，因此复合材料，尤其是热固性复合材料的增韧一直是领域内一个非常重要的研究方向。热塑性复合材料损伤容限高，而且可以像金属那样进行焊接，因此在这方面有特别的功用，不过它们的加工难度和其他不足使得它们无法完全取代热固性复合材料。此外，含有碳纤维的复合材料与金属接触情况下的电化学腐蚀也是需要注意的。其他方面如复合材料的高成本和回收重复利用难度等，此处不一一讨论。

需要说明的是，有些复合材料的性能是逐步得到认识和认可的，例如在波音787的研制过程中，曾有相当多的批评声音和质疑，认为如果飞机紧急迫降或摔机着陆时，复合材料机身会破裂、燃烧并释放出有毒气体，后来波音公司在FAA（美国联邦航空管理局）的监督下做了实地测试，大量的数据表明复合材料机身在这些情况下，并不比

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