复合材料性能与应用分析

　　摘 要：随着全球能源危机与环境污染的进一步加剧，复合材料作为重要的轻量化材料，正逐渐取代金属成为重要工业材料，市场前景广阔。本文对复合材料的概念、性能与主要应用进行了深入分析。 

　　关键词：复合材料；轻量化；航空；汽车；轨道交通 

　　1 复合材料概述 

　　应用化学或物理方法从微观或宏观上对超过两种以上的材料进行组合即为复合材料，所选材料应具有不同性质，且在组合后会产生新性能。复合材料可具体分成增强体材料与基体材料两种，二者组合具有协同作用，可有效取长补短，因此，从综合性能来看，复合材料优势明显，可有效满足各种工业需求。 

　　以材质的不同为依据对基体材料进行分类，可分成非金属与金属基体材料。碳、陶瓷、橡胶以及树脂等为常用的非金属基体材料；钛及其合金、铜、镁等为常用金属基体材料。增强体材料则以硬质细粒、晶须、石棉纤维、碳化硅纤维、芳纶纤维、碳纤维等为主。 

　　2 复合材料性能分析 

　　组合而成的复合材料特性较多，远优于普通材料，其应用可有效克服或改善应用单一材料的不足，不但可将各组成材料的优势充分发挥，并能赋予材料新的性能；同时，以构件受力与结构要求为依据可确定配套性能，使之分布合理，确保材料最佳性能设计。具体表现在： 

　　（1）复合材料可实现性能的可设计性。增强体与基体的铺设方式与含量决定了复合材料的性能。以复合材料的使用环境条件与要求为依据，采用选择与匹配组分材料、界面控制等方法可合理设计复合材料，使之具备抗老化、防腐、光、热、力学等性能，应用最少的材料即可确保其性能的充分发挥，满足设计要求。 

　　（2）比模量与比强度较高。材料性能的优劣可通过比模量与比强度体现出来，是非常重要的参数，具体指的是密度与弹性模量、材料强度间的比值。相较于铝合金，先进复合材料的比模量与比强度均较高，分别为其4倍、6～10倍。 

　　（3）抗疲劳性能良好。通常情况下，抗拉强度的40%～50%为一般金属疲劳强度，而一些复合材料的抗疲劳性能明显更优，可达70%～80%。无突发性变化为复合材料的特点，当其出现疲劳断裂时通常始于基体，并向基体与纤维界面逐渐扩展。 

　　（4）减振性能良好。纤维增强复合材料减振性能较好，这是因为其基体与纤维界面具有较大阻尼。以大小、形状相同的两种梁为研究对象，具体为金属梁与碳纤维复合材料梁，经振动试验发现，金属梁振动衰减时间明显较长。 

　　（5）耐高温性能良好。对比原金属与硼纤维或碳纤维增强金属在高温条件下的刚度与强度，复合金属材料均明显更高。观察硼纤维或碳纤维增强铝合金与普通铝合金在400℃高温下的弹性模量与强度，前者基本无变化，后者则降低明显。 

　　（6）耐腐蚀性良好。具有耐酸碱腐蚀性能的复合材料非常多，以玻璃纤维增强酚醛树脂复合材料为例，该材料可长期应用于含氯离子酸性介质，在某些溶剂搅拌器、容器、阀、泵、化工管道与强酸、酯、盐等设备设施制造中应用广泛。 

　　（7）安全性良好。以纤维增强复合材料为例，不计其数的独立纤维存在于其基体中，应用这一材料进行构件制作，若出现超载、少量纤维断裂问题，该材料可快速重新分配载荷并将载荷向未破坏纤维传递，可在短时间内为整个构件承载能力的维持提供保障。 

　　（8）整体成型优势。对于复合材料，其材料与构件的形成无先后之分，是同步进行的，组分材料复合时其结构也会同时形成，因此，通常无需加工即可实现整体成型。所以，复合材料的应用可实现连接件与零部件的节约，不但有助于成本的降低，也可将加工周期缩短，因其整体性较好，可靠性也较高。 

　　3 复合材料应用分析 

　　因复合材料的应用有助于耐候性、耐化学腐蚀性、弹性佳、高强度、轻重量等性能的实现，因此，已逐渐代替木材以及金属合金在众多领域中广泛应用，在近几年得到了飞速发展。复合材料用量已成为衡量军民装备先进性的重要标志，最为突出的属碳纤维复合材料，表现在各类军民装备均以具有高强度、高模量、低比重的碳纤维复合材料作为重要候选材料。在预测2025年国防材料发展情况时，美国国防部指出，能够在现有基础上同时将高模量、高强度以及耐高温指标提升超过25%的只有复合材料。现阶段，复合材料的应用领域主要包含以下几个方面。 

　　（1）航空航天及军工领域。近几年，复合材料在国际先进民用飞机中的用量呈持续增长趋势，中前机身、机翼、平尾翼盒、垂尾、平尾以及整流罩等为应用复合材料的主要部位。复合材料在空客A350与波音B787、空客A380与F-22战机中的用量存在差异，分别为超过50%与20%～25%之间。过去，用量最大的材料为铝合金，如今已然是复合材料，可见，复合材料时代是飞机制造的大势所趋。 

　　（2）汽车工业领域。随着各国节能减排要求的提高，汽车工业越来越多地应用复合材料，尤其是电动车，为了降低整车质量，更是对复合材料如饥似渴。目前欧美日各大汽车研制和生产厂商都在开发基于复合材料的车型，可以预见未来汽车市场将成为复合材料的主要市场。具有代表性的三家汽车巨头：宝马、奔驰、奥迪，他们均非常重视复合材料的设计应用。 

　　（3）轨道交通装备领域。碳纤维复合材料制造动车组车体，将比铝合金车体减重30%，这是下一代高速列车的理想材料。日本新干线、法国TGV、德国ICE等高速列车均不同程度采用碳纤维复合材料设计，使列车大幅度轻量化，取得了显著效益。为了进一步减轻重量，改善隔声性能，以及便于设计、制造，国外甚至已开始试用碳纤维增强塑料夹层结构代替金属制造车体。 

　　（4）体育运动装备。碳纤维复合材料在高尔夫球杆、钓鱼竿、网球拍、羽毛球拍、自行车、滑雪板、皮划艇等体育器材及帆船、摩托艇等运动装备上均有大量应用，取得了较好的市场效果。 

　　（5）风电领域。风电叶片的开发要求为低成本、高性能、轻量化、大型化，而复合材料可有效满足上述要求。现阶段，复合材料在风电叶片重量中所占比重已超过90%，其他重要结构部件的制造也以复合材料为主。 

　　（6）船舶领域。复合材料优异舒适性的设计理念和无缝船体的优势进一步推动了各种复合材料船舶的开发。近年来，碳纤维复合材料在船只上的使用不断增加，主要包括船壳、地板、甲板、舱壁，以及管道系统、油箱等上层建筑。 

　　（7）基础设施领域。输变电线路、水工建筑、码头、桥梁、高速公路等基础设施在多年使用后均需采取重建、加固、翻新等措施，这些工程均需应用大量复合材料。现阶段，在灯杆、输变电塔、桥梁中复合材料均已获实际应用。 

　　4 展望 

　　复合材料轻量化已成为当今全球交通装备乃至整个工业领域的重点发展方向，成为装备先进性的重要衡量指标，未来市场前景极为广阔。目前，航空领域的波音、空客及汽车领域的宝马等知名公司已走在了时代前列。 

　　最新市场研究报告（来自英国材料分析公司）指出，到2018年时，预计在航空航天市场、直升机、通用航空、军工、支线飞机、商业航空以及其他部门的全球复合材料总需求量可达418亿美元。