1.2　高性能纤维复合材料的发展历程[6，7]

高性能纤维复合材料主要是指用高性能增强纤维与高性能树脂基体复合而成的能满足航空航天等高端应用的一类复合材料，其优势在于其优异的综合性能，特别突出的是轻质高强，用作结构材料能大幅减轻结构质量。高性能复合材料于20世纪60年代成功开发，首先在飞机结构上得到应用，现在已迅速发展到能源、交通、船舶、汽车、化工、机械等其他领域。半个多世纪来，高性能复合材料发展的主流是以碳纤维增强的树脂基复合材料。

碳纤维复合材料的研究开发启迪于对玻璃纤维复合材料的认识和经验。20世经50年代初美国以手糊成型制成了玻璃纤维增强聚酯军用飞机的雷达罩，从此开始了高性能复合材料的发展历程。但通常的玻璃纤维复合材料，密度要高出碳纤维复合材料的1/3以上，而拉伸强度仅是碳纤维复合材料的2/3，模量则低于其1/3，满足不了高性能飞行器的要求。因此研究高强、高模及低密的增强纤维成为发展高性能纤维复合材料的前提。在碳纤维之前，曾经开发过硼纤维，1960年钨丝芯硼纤维开始小批量生产，硼纤维直径约100mm，拉伸模量达400GPa，拉伸强度达3800MPa，硼纤维增强的环氧复合材料（纤维体积含量Vf≈60％），拉伸模量达200GPa（相对密度≈2.0），比玻璃纤维复合材料的拉伸模量40GPa（相对密度≈1.8）大5倍，比铝合金的拉伸模量（相对密度≈2.7）70GPa大3倍，因此美国空军材料实验室（AFML）将硼纤维/环氧复合材料命名为先进复合材料（advanced composite materials，ACM），并于20世纪60年代后期开始了在飞机结构上应用，如飞机水平尾翼和垂直安定面翼盒结构等。

然而，硼纤维生产工艺复杂，成本高，硼纤维本身粗硬，增加了复合材料成型制造的难度。基于这一事实，于20世纪60年代后期，一种新型的高性能纤维——聚丙烯腈基碳纤维研发成功并实现批量生产，从此开始了碳纤维复合材料在航空航天领域应用的新里程。

1.2.1　高性能纤维复合材料的优异性能

高性能纤维复合材料最主要的优势是轻质高强，它是通过采用高性能纤维作增强材料来实现的，目前高性能纤维包括三种，即碳纤维、芳纶和超高分子量聚乙烯纤维，而碳纤维仍占主导地位。

碳纤维是一种高性能的连续细丝材料，直径为6～8mm。目前用在复合材料中的碳纤维主要有两大类，即聚丙烯腈基碳纤维和沥青基碳纤维，它们是分别用聚丙烯腈原丝，或称之为前驱体（precursor），或沥青原丝通过专门而又复杂的碳化工艺制备而得的。由于碳化，使原丝中的氢、氧等元素得以排出，成为一种含碳量在90％以上的纯碳材料，而本身质量大为减轻。而且由于碳化过程中对纤维进行了沿轴向的预拉伸处理，使得分子沿轴向进行取向排列，因而碳纤维轴向拉伸强度大大提高，成为一种轻质、高强、高模、化学性能极为稳定的高性能纤维材料。

用碳纤维和高性能的树脂基体复合而成的先进树脂基复合材料是目前用得最多，也是最重要的一种结构复合材料。

碳纤维复合材料的性能特点主要表现为：

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独特的优势，具体表现在超高的比强度和比模量（见表1-1）。比强度和比模量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能提高承载能力，减轻结构质量，充分发挥材料效率。

由表1-1可看出，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其利用效率大为提高。目前，碳纤维复合材料在航空航天领域已大量替代铝制造飞行器结构，这种趋势还在继续。可以说，在航空航天技术的发展和竞争中，复合材料是一个重要的方面。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.从材料到结构的设计和制造一体化，材料性能的可设计性

碳纤维复合材料用得最多的是层压结构的复合材料，由单向预浸带逐层叠合并加热加压制得，宏观上表现出非均匀性和各向异性。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，因此可通过设计增强纤维的取向及用量而对结构材料的性能实行“剪裁”，达到性能最佳化。例如，可把复合材料设计成在主受力方向上有足够的纤维来承受拉伸和压缩载荷，而其他方向有适当的纤维来承受剪切载荷或其他载荷，这种多纤维取向结构的制造又可通过不同的成型工艺来完成。复合材料这种可剪裁性（tailor ability）的优点，不仅可提高材料的使用效率，而且在设计阶段就考虑了可制造性，为大型复杂构件的整体化成型奠定了基础，提高了结构的整体性，简化了制造程序，降低了制造成本。

3.制造成型的多选择性

复合材料的材料成型和结构成型是同时完成的，这使得大型和复杂的结构件整体化成型成为可能，经过数十年的发展，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、拉挤、注射、喷塑、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要求、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。

复合材料大型和复杂的结构件的整体成型，能大幅减少金属结构件机械加工和紧固件数量，提高工效，降低成本。

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改变方向，从而分散或降低了断裂能，这种特性使得复合材料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性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中具有强大的竞争力。

6.受环境影响

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，会吸进湿气，高温可加速湿气吸收，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性能，如压缩性能、剪切性能等的明显下降。

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最突出的优点，它们为复合材料的应用提供了极为广阔的空间，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。

1.2.2　复合材料的应用及发展前景

先进复合材料发端于航空航天需求，几十年来，特别是进入新世纪以来，发展非常迅速，应用范围不断扩大，除航空航天外，在船舰、汽车和轨道交通、能源、建筑、机械以及休闲等领域也得到越来越多的应用。

1.2.2.1　航空航天[8—12]

发端于航空航天结构应用的先进复合材料，半个多世纪以来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、由军机扩展到民机的发展历程。

值得一提的是进入新世纪后，复合材料在民机上的应用实现了跨越式的发展，最具代表性的美国波音新推出的B-787梦想飞机，其复合材料用量达50％。另一家航空巨头——空客也不甘示弱，为了形成抗争局面，计划推出新款A-350XWB超宽体客机，复合材料用量达52％。业内表示，大型民用飞机结构复合材料的用量最高可达60％。

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-47C无人机复合材料用量达90％以上，甚至出现了全复合材料无人机，如“太阳神”（Helios）号。国外军机和民机复合材料的进展如图1-5所示。

今后20～30年，航空复合材料将迎来新的发展时期，在飞机结构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。

在航天领域，由于高模量碳纤维质轻，刚性、尺寸稳定性和导热性好，被成功地应用于人造卫星结构体、太阳能电池板和天线中。而太空站和天地往返运输系统上的一些关键部件也大量采用碳纤维复合材料。以高性能碳（石墨）纤维复合材料为典型代表的先进复合材料作为结构、功能或结构/功能一体化构件材料，在导弹、运载火箭和卫星飞行器上也发挥着不可替代的作用，有力地推动了航天技术的发展。最近，美国NASA成功地完成了用于火箭发射用的复合材料——大型低温液体推进剂储罐，直径达5.4864m（18英尺），是有史以来建造的最大的复合材料燃料罐之一，储罐采用自动纤维铺放技术和非热压罐固化技术成型（见图1-6）。同时NASA还开发了适用于8.382m（27.5英尺）燃料罐的设计和制造方案，这已是当今大型运载火箭中金属燃料罐的尺寸。用复合材料代替金属，储罐重量减轻30％，成本节省25％。不仅如此，从金属到复合材料结构的转变有潜力使未来空间发射系统（space launch system，SLS）的重型运载火箭性能大幅提高，促进航天技术的发展。

此外，NASA研发中的韦伯太空望远镜（James Webb space telescope，JWST）采用复合材料背板作为铍合金镜片的支架（见图1-7），复合材料背板由10000多个轻质碳纤维复合材料零件组成，组装后的尺寸高7.3m，宽5.9m，深超过3.4m。而重量仅226.8kg，它支持超过自身重量三倍的主反射镜和光学仪器。

复合材料用的是一种高模量碳纤维，通过专门的铺层设计，使零件具有超高的尺寸稳定性，使背板在整个运行中变形量不超过38nm（约为人类头发直径的1/1000）。此外，复合材料零件要与精密金属配件连接。这些金属配件由不胀钢和钛材料制成，保证整个背板的尺寸精确性，复合材料的连接是一种要求非常高的技术，用数以万计的零件连接成一个如此大型的整体构件，这是前所未有的，标志着复合材料向构件大型化、精密集成化方向发展。

1.2.2.2　汽车及轨道交通[13—15]

1.汽车

新能源汽车已被正式列入我国战略性新兴产业，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。汽车轻量化材料的主要发展方向是新型工程塑料、以塑代钢以及纤维复合材料。

据报道，汽车结构每减重10％，燃油消耗可节省7％，这样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排放可减少0.5t。

汽车用复合材料主要是玻璃纤维增强热塑性树脂复合材料，现已发展到碳纤维复合材料。20年代90年代初，随着汽车轻量化和节能环保等呼声越来越高，以GMT（玻璃纤维毡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％。

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、前后保险杠以及内饰件等。主要适应车身流线型设计和外观高品质要求，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：片状模塑料/块状模塑料（SMC/BMC）、树脂传递模塑（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、发动机隔音板等。主要工艺材料为SMC/BMC、RTM、GMT及玻璃纤维增强尼龙等。图1-8所示为汽车复合材料典型部件图例。

2.轨道交通

轨道交通中也在越来越多地使用复合材料，如高速铁路。由于复合材料轻质高强的优点，一些传统零部件都升级为用复合材料生产，如机车玻璃钢齿轮箱、轴箱，制动模块和齿轮箱，车厢内嵌板，座椅，屋顶水箱，洗手间配件，盥洗槽，窗框，门（正门、车厢门、卫生间的推拉门、滑动门等），折叠桌，行李架等。车厢部件使用复合材料，还可以带有阻燃功能，以有效提高运行安全性。

近年来，国内外也在大力推进复合材料在列车整体车厢和机车头盖的应用，用复合材料代替铝合金或钢材，车身自重可减轻25％以上（见图1-9）。

1.2.2.3　新能源[16，17]

风力发电是绿色能源的一种，复合材料在新能源的应用中主要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，抵御载荷的能力就越强，叶片就可以做得越大，其捕风能力也就越强。因此，轻质高强、耐蚀性好、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（见图1-10）。

近年来，已开始研发用竹纤维增强的树脂基复合材料用于风电叶片的制造。竹纤维增强的层压复合材料积材具有良好的性能，比模量已超过玻璃纤维复合材料，比强度也具有与其相同的数量级。目前通过与风电叶片使用的玻璃纤维复合材料和木素层压复合材料性能相比较，竹质增强材料具有性能优良、可再生、加工消耗能源少、无废弃物、废旧产品易于处理等优点，是一种新型的风电叶片材料。

1.2.2.4　船舶及海洋工程[18，19]

复合材料在船舶及海洋工程中应用的优势主要在于：一是高比强度、高比刚度、能大幅降低船体重量；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，而复合材料可耐酸、耐碱、耐海水浸蚀，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；四是透波、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。例如船艇依靠声呐在海上定位、测距、发现目标，作为声呐设备保护装置的声呐导流罩，其材料要求透声波性好，声波的失真畸变小，具有一定的刚度和强度，必须采用复合材料。

纤维复合材料是船舶应用的主要品种。基体可以是热塑性树脂（如尼龙等）或热固性树脂（如不饱和聚酯、环氧树脂等）。增强纤维则有玻璃纤维、碳纤维、有机纤维等。

复合材料舰船上的应用发展很快，被广泛用作各种船体、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、推进器上的应用（见图1-11）。

另外，复合材料因具有质量轻、比强度高、比模量高、耐疲劳、耐腐蚀、热膨胀系数小、尺寸稳定性好等优点，也被用作开发海底气油田的最好选材之一，尤其是对深海油气田的开发将发挥更大作用，在海洋管道、抽油杆及其配套系统以及系泊系统中得到应用。

1.2.2.5　建筑及其他[20]

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。

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、外墙板、隔墙板、防腐楼板、屋顶结构、遮阳板、天花板等；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。

复合材料在基建的另一种应用是建筑结构的补强加固，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，无须专用设备，且外形美观等优点。

尽管碳纤维复合材料价格比钢板高，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。图1-12所示为用碳纤维复合材料进行高速公路立柱的修补和加固。

除上述几个领域外，复合材料在机械、电气、石化、体育及休闲器材等领域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的复合材料，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。