第1章　先进复合材料加工技术概述

1.1　先进复合材料概述

材料、能源和信息技术是当前国际公认的新技术革命的三大支柱，一个国家材料的品种、数量和质量，已成为衡量该国科学技术、国民经济水平和国防力量的重要标志。现代科学的发展和技术的进步，对于材料性能的要求日益提高，希望材料既具有某些特殊性能，又具有良好的综合性能。长期以来，人类不断地研究改进原有材料，研究出许多新的材料，并且积累了丰富的应用经验。但发现所使用的任何一种单一材料尽管有其若干突出的优点，但在一定程度上存在一些明显的缺点，很难满足人类对各种综合指标的要求。因此，采用人工设计和合成的当代新型工程材料应运而生。人类发现将两种或两种以上的单一材料，采用复合的方式可制成新的材料，这些新的材料利用其特有的复合效应，进行优化设计，保留了原有组分材料的优点，克服或弥补了缺点，并且显示出一些新的性能，这就是复合材料。

目前，随着复合材料制作工艺日益成熟，原材料来源丰富、成本下降、可靠性提高，越来越多地取代传统金属材料，我们已经进入了复合材料时代。材料是人类文明发展的里程碑，从天然材料、冶金材料、合成材料到复合材料，可以说材料科学是现代科技进步的基础、支柱和先导。随着现代高技术的迅猛发展，特别是国内外航空航天领域的发展，材料的使用环境越来越恶劣，对材料的要求也越来越苛刻。新材料技术是为了满足高技术发展需求而开发的高性能新型材料。复合化是新材料的重要发展方向，也是新材料最具生命力的分支之一，复合材料已经发展成为与金属材料、无机非金属材料、高分子材料并列的四大材料体系之一。

20世纪以来，高度成熟的钢铁工业已成为现代工业的重要支柱，在已使用的结构材料中，钢铁材料占一半以上，随着宇航、导弹、原子能等现代科学技术和工业的飞速发展，现有的钢铁和有色合金材料已很难满足需求，这就对材料提出了质量小、功能多、价格低等要求。与此同时，人类已掌握了丰富的知识和生产技能，在新材料的研制方面取得了巨大的成就。

复合材料具有原组成材料所不具备的，并且能满足实际需要的特殊性能和综合性能，同时有很强的可设计性。采用复合的方式在一定程度上是研究新材料的捷径，使材料研究逐步摆脱靠经验和摸索的方法研制材料的轨道，向着按预定性能设计新材料的方向发展。

自然界中存在许多天然的“复合材料”。例如，树木和竹子是纤维素和木质素的复合体；动物骨骼则由无机磷酸盐和蛋白质胶原复合而成。人类很早就接触和使用各种天然的复合材料，并且效仿自然界制作复合材料。例如，世界闻名的传统工艺品漆器就是由麻纤维和土漆复合而成的，至今已有四千多年的历史。纵观复合材料的发展历史，复合材料的发展大致可以分为早期复合材料和现代复合材料两个阶段。早期复合材料，由于性能相对比较低、生产量大、使用面广，也称为常用复合材料。现代复合材料是材料发展中合成材料时期的产物。学术界开始使用“复合材料”（composite materials，CM）一词大约是在20世纪40年代，当时出现了玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂，并且在第二次世界大战中被美国空军用于制造飞机构件，开辟了现代复合材料的新纪元。后来随着高技术发展的需要，在此基础上又发展出高性能的先进复合材料。材料科学家们认为，就世界范围而论，1940～1960年玻璃纤维和合成树脂大量商品化生产，玻璃纤维复合材料发展成为具有工程意义的材料，同时相应地开展了与之有关的科研工作，至20世纪60年代，在技术上趋于成熟，在许多领域开始取代金属材料，称为复合材料发展的第一代。20世纪60年代后陆续开发出多种高性能纤维。20世纪80年代后，进入高性能复合材料的发展阶段。1960～1980年是先进复合材料飞速发展的时期，被称为复合材料发展的第二代。1960～1965年英国研制出碳纤维，1971年美国杜邦公司开发出 Kevlar49。1980～1990年是纤维增强金属基复合材料的时代，其中以铝基复合材料的应用最为广泛，这一时期是复合材料发展的第三代。1990年以后则被认为是复合材料发展的第四代，主要发展多功能复合材料，如机敏（智能）复合材料和梯度功能材料等。随着新型复合材料的不断涌现，复合材料不仅应用在导弹、火箭、人造卫星等尖端工业中，在航空、汽车、造船、建筑、电子、桥梁、机械、医疗和体育等各个领域也都得到应用。