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，比强度和比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，质量轻但承载能力高，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。

玻璃钢/复合材料汽车零部件主要分为三类：车身部件、结构件及功能件。

1.车身部件：包括车身壳体、车篷硬顶、天窗、车门、散热器护栅板、大灯反光板、前后保险杠等以及车内饰件。这是玻璃钢/复合材料在汽车中应用的主要方向，主要适应车身流线型设计和外观高品质要求的需要，目前开发应用潜力依然巨大。主要以玻璃纤维增强热固性塑料为主，典型成型工艺有：SMC/BMC、RTM和手糊/喷射等。

2.结构件：包括前端支架、保险杠骨架、座椅骨架、地板等，其目的在于提高制件的设计：自由度、多功能性和完整性。主要使用高强SMC、GMT、LFT等材料。

3.功能件：其主要特点是要：求耐高温、耐油腐蚀，以发动机及发动机周边部件为主。如：发动机气门罩盖、进气歧管、油底壳、空滤器盖、齿轮室盖、导风罩、进气管护板、风扇叶片、风扇导风圈、加热器盖板、水箱部件、出水口外壳、水泵涡轮、发动机隔声板等。主要卫艺材料为：SMC/BMC、RTM、GMT及玻璃纤维增强尼龙等。

3.新能源

风力发电是绿色能源的一种，进入21世纪，在全球的发展可以说是风起云涌。复合材料在新能源发展领域中的应用主要是用来制造风电机组的叶片。

随着风力发电功率的不断提高，捕捉风能的叶片也越做越大，对叶片的要求也越来越高，叶片的材料越轻、强度和刚度越高，叶片抵御载荷的能力就越强，叶片就可以做得越大，它的捕风能力也就越强。因此，轻质高强、耐蚀住好、具有可设计性的复合材料是目前大型风机叶片的首选材料。

(1) 玻璃纤维复合材料风机叶片

玻璃纤维增强聚酯树脂和玻璃纤维增强环氧树脂是目前制造风机叶片的主要材料，主要有E-玻璃纤维，但是，E-玻璃纤维密度较大，随着叶片长度的增加，叶片的重量也越来越大，完全依靠玻璃纤维复合橼料作为叶片的材料已经逐渐不能满足叶片发展的需要。例如，玻璃纤维增强聚酯树脂的叶片，当叶片长度为19m时，其质量为1.8t；长度增加到34m时，叶片质量为5.8t；叶片长度达到52m时，则其质量高达21t。因此需要寻找更好的材料以适应大型叶片发展的要求。
(2) 碳纤维是台材料风机叶片

为了提高风能利用率，风力机单机睿量不断扩大，兆瓦级风力机已经成为风电市场的主流产品。目前，欧洲3.6MW机组已批量安装，4.2MW、4.5MW和5MW机组也已安装运行；美国已经成功研制出7MW风力机；英国近在研制10MW的巨型风力机，风电机组增大单机容量，对叶片提出了更高的要求，碳纤维比玻璃纤维具有更高的比强皮和比刚度，用碳纤维复合材料制造大型叶片势在必行。丹麦Vestas的V-90叶轮的叶片制造中使用了碳纤维；但由于其价格昂贵，因此，全球各大复合材料公司正在从原材料、工艺技术、质量控制等各方面进行深入研究，以求降低成本。美国Zoltek公司生产的PANEMEM33(48K) 大丝素碳纡维具有良好的抗疲劳性能，可使叶片质量减轻40%，叶片成本降低14%，并使整个风力发电装置成本降低4.5%。

(3) 碳纤维、轻木、玻璃纤维混杂复合材料风机叶片

由于碳纤维的价格是玻璃纤维的10倍左右，目前叶片增强材料仍以玻璃纤维为主。在制造大型叶片时。采用玻纤、轻木和PVC相结合的方法可以在保证刚度和强度的同时减轻叶片的质量。如LM公司饕开发以玻璃钢为主的61m大型叶片时，只在横梁和叶片端部选用少量碳纤维，以配套5MW的风力机。应用碳纤维或碳纤维/玻璃纤维混杂增强的方案，叶片可减重20%~30%。德国Nodex公司为海止5MW风电机组配套研制的碳纤维/玻璃纤维混杂风机叶片长达56m，同时，Nodex公司还开发了43rmrm (9I6t) 碳纤维/玻璃纤维叶片，可用于陆上2.5MW机组，目前，碳纤维/玻璃纤维与轻木/PVC混杂使用制造复合材料叶片已被各大叶片公司所采用，轻木/PVC作为夹芯材料，不仅增加了叶片的结构刷庋和承受载荷的能力，而且还最大程度地减轻了叶片的质量，为叶片向长旦轻的方向发展提供了有利的条件。

(4) 热塑性复合材料叶片

目前使用的风电叶片都是由热固住复合材料制造的，很难自然降解。其废弃物一般采用填埋、燃烧利用其热能或粉碎后作填料等方法处理。面对日益突出的复合材料废弃物对环境造成危害的问题，一些风电叶片制造商开始研究制造热塑性复合材料叶片——“绿色叶片”。
与热固性复合材料相比，热塑性复合材料具有可回收利用、质量轻、抗冲击性能好、生产周期段等一系列优异姓能。粮据有关资料介绍，如果采用热塑性复合材料叶片，每台大型风力发电机所用的叶片重觉可以降低10%，抗冲击性能太幅度提高，制造周期至少缩短1/3，而且可以完全回收和再利用。

但是，使用热塑牲复合材料制造叶片的工艺成本较高，成为限制热塑性复合材料用于风力发电叶片的关键问题。因此开发低成本：的热塑倥复合材料叶片各受柒注。随着新型热塑性树脂的开发以及相应的叶片制造工艺技术的发展，新型的热塑牲复合材料叶片将逐步得到实际应用。

4.船舶及海洋工程

复合材料在船舶及海洋工程应用的优势主要在于：一是高比强度、高比刚度，馆犬幅降低船体重量；二是耐腐蚀、抗疲劳。木材长期浸泡在水中会腐烂，钢铁经海水腐蚀要生锈，而复会材料可耐酸、耐碱、耐海水侵蚀，水生物也难以附生，大大提高了使用寿命；三是成型方便，建造工艺简单，建造周期短；最后是透波、透声性好，无磁性，介电性能优良，适宜作舰艇的功能结构材料。例如船艇依靠声纳在海上定位，测距、发现目标，作为声纳设备保护装置的声纳导流罩，其材料要求透声透波性好，声波的失真畸变小，具有一定刚度和强度，必须采用复合材料。

纤维复合材料是船舶的主要品种。基体可以是镪塑牲树脂 (如尼龙等) 或热固悭树脂(如不饱和聚酯、环氧树脂等)。 增强纤维则有玻璃纤维(GF)、碳纤维(CF)、有机纤维等。
复合材料舰船上的应用发展很快，被产泛用作各种船体、内装上层建筑、桅杆、舱壁、舵、推进器轴以及潜艇的表面、升降装置、推进器等。

例如，美国20世纪80年代末建造的MHC-1级猎/扫雷艇，90年代初建成的玻璃钢沿海猎雷艇“Ospery”号，艇体均采用玻璃纤维增强的聚酯树脂，并以预浸工艺制造，同时期建造的长14.3m、航速达60节的巡逻艇，采用了凯芙拉增强的聚酯树脂单壳结构。美国“佩丽”号驱逐舰用凯芙拉装甲，效果良好；美国洛杉矶级核潜艇声纳导流罩长7.6m，最大直径8.lm，均采用先进复合材料制造，性能优良。

欧洲的复合材料船舰工业也十分发达。自20世纪60年代中期，英国先后建成了45Ot级和625t级的大型玻璃钢扫雷艇和犹雷艇后，在欧洲掀起了用玻璃钢制造猎扫雷艇的热潮。20世纪90年代，英国在船舰中采用了更多的先进复合材料，如用碳纤维/玻璃纤维混杂纤维建造的“亚宾吉-21”号摩托艇，刚度提高，减重30%；长9m的“施培正”号巡逻艇采用凯芙拉49取代玻璃钢艇壳，减重20%，航速提高1.7节，瑞典在1974年建成了第一艘以PVC泡沫塑料为芯材的玻璃钢来层结构扫笛艇“Viksten”号，至20世纪90年代初已建成7艘大型(M80型) Landsort级夹层结构猎扫雷艇，此外还利用夹层结构技术建造了多艘大型TV171、TV172和CG27型海岸巡逻艇，特别是1991年研制成功了世界上第一艘复合材料隐形试验艇“smyge”号，该艇采用碳纤维与玻璃纤维混杂复合材料技术和PVC泡沫夹心结构建造。提高了速度和隐形性，集先进复合材料技术、夹层结构技术、隐身枝术及双体气垫技术于一身，堪称当代世界高科技舰船。

5.建筑及其他

建筑工业中使用树脂基复合材料对减轻建筑物自重，提高建筑物的使用功能，改革建筑设计，加速施工进度，降低工程造价，提高经济效益等都十分有利。

树脂基复合材料的佚能可根据使用要求进行设计， 如要求耐水、防腐、高强等。对于大型结构和形状复杂的建筑制品，能够一次成型制造，提高建筑结构的整体性，其优点主要有以下几方面。
1.力学性能好。选用不同的材料，进行优化设计，可以获得性能优异的复合材料。在制造过程中，可以根据构件受力状况局部加强，既可提高结构的承载能力，叉能节约材料，减轻自重。

2.装饰性好。树脂基复合材料的表面光洁，可以配制成各种鲜艳的色彩，也可以制造出不同的花纹和图案，适宜制造各种装饰板、大型浮雕及工艺美术雕塑等。

3.透光性。透明玻璃钢的透光率达85%以上。用于建筑工程时可以将结构、围护及采米三者综合设计，能够达到简化采光设计，降低工程造价之目的。

4.隔热牲。树脂基复合材料的夹层结构的热导率为0.05~0.08W/(m·k)，比普通红砖小10倍，比混凝土小20多倍。

5.隔声性。树脂纂复合材料有消逝振动声波及传播声波的作用，经过专门设计的夹层结构，可达到既隔声又隔热的双层效果。

6.电性能。玻璃钢具有良好的绝缘性能，不受电磁铍作用，不反射无线电铍。通过设计，诃健其在很宽的频段内都具有良好的透微波性能。

7.耐化学腐浊。玻璃钢有很好的抗微生物作用和耐酸、碱、有机溶剂及海水腐蚀作用的能力，特别适用于化工建筑、地下建筑及水工建筑等工程。

8.透水和吸水性。玻璃钢吸湿牲很低，不透水，可以用于建筑工程中的防水、给水及排水等工程。

复合材料建筑结构品种繁多，应用广泛，包括承载结构，如柱、桁架、梁、承重折板、屋面板、楼板等；围护结构，包括波纹板、夹层结构板、外墙扳、隔墙板、防腐楼板、屋顶结构、遮阳板、天花板等；采光制品，如透明波形板、学透明夹层结构板、整体式和组装式采光罩(厂房、农业温室及公用建筑天窗、屋顶及墙面采光)；门窗装饰材料，如门窗拉挤型材，装饰板(平板、浮雕板、复合板)；采暖通风材料，如冷却塔、管道、栅板、风机、叶片及整体成型制品，中央空调的通风橱、送风管、排气管、防腐风机罩等。

复合材料在基建中的另一种应用是建筑结构的补强加固，自20世纪90年代开始，北美和欧洲一些国家将碳纤维复合材料用于建筑结构的修补与加固，与传统的钢板螺栓加固相比，碳纤维复合材料加固具有施工简单、易操作、适用性强、无需专用设备、外形美观等优点，尽管碳纤维复合材料价格要比钢板贵，但考虑人力、设备、时间、施工条件、能耗等综合因素，碳纤维的补强加固仍具有发展前景。研究表明，在混凝土横梁上贴上一层碳纤维复合材料，梁的弯曲强度可提高15%~18%，贴上3~4层，弯曲强度可提高40%，这是混凝土梁可以补强的上保值，再增加复合材料的层散已无实际意义，这种加固方式可适用于许多场合，如室内天花板、公格桥梁、隧道、地下室顶板等

除上述几个领域外，复合材料在机械、电气、石化、体育及休闲器材等方面也得到越来越广泛的应用，如用碳纤维复合材料代替铝合金制作复合导线的芯线，具有更轻和更耐用的特点。其他如体育休闲用品中使用的复合材料例如自行车、鱼竿、高尔夫球杆、网球拍等都有了几十年的发展历史，市场也在不断扩大。

来源： 来源：中塑在线社区

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