复合材料与功能材料.docx
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复合材料与功能材料
复合材料与功能材料
复合材料与功能材料
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王思月肖璇
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一、复合材料
（一）概念
复合材料（Compositematerials）是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。
各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。
（二）分类
复合材料按其组成可分为：
①金属与金属复合材料
②非金属与金属复合材料
③非金属与非金属复合材料
按其结构特点又可以分为：
①纤维复合材料，将各种纤维增强体置于基体材料内复合而成。
②夹层复合材料，由性质不同的表面材料和芯材组合而成。
③细粒复合材料，将硬质细粒均匀分布于基体中。
④混杂复合材料，由两种或两种以上增强相材料混杂于一种基体相材料中构成。
（三）生产与组成
复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。
金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。
非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。
增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。
复合材料的生产成型方法按基体材料不同各异。
其中用树脂基复合材料的有：
手糊成型、喷射成型、纤维缠绕成型、模压成型、拉挤成型、RTM成型、热压罐成型、隔膜成型、迁移成型、软膜膨胀成型、冲压成型等。
而用陶瓷基复合材料的则有：
固相烧结成型、化学气相浸渗成型、化学气相沉积成型等。
此外，金属基复合材料成型方法分为固相成型法和液相成型法。
前者是在低于基体熔点温度下，通过施加压力实现成型，包括扩散焊接、粉末冶金、热轧、热拔、热等静压和爆炸焊接等。
后者是将基体熔化后，充填到增强体材料中，包括传统铸造、真空吸铸、真空反压铸造、挤压铸造及喷铸等。
（四）应用特点
①比重小。
可应用于汽车和飞机减轻重量、提高速度、节约能源。
②比强度和比模量大。
例如碳纤维与环氧树脂复合的材料，其比强度和比模量均比钢和铝合金大数倍，还具有优良的化学稳定性、减摩耐磨、自润滑、耐热、耐疲劳、耐蠕变、消声、电绝缘等性能。
③各向异性。
可按制件不同部位的强度要求设计纤维的排列。
（五）国内外研究与应用现状
1、应用现状
目前复合材料主要应用于航空航天、汽车工业、化工、纺织和机械制造、医学等领域。
①航空航天领域。
由于复合材料热稳定性好，比强度、比刚度高，可用于制造飞机机翼和前机身、卫星天线及其支撑结构、太阳能电池翼和外壳、大型运载火箭的壳体、发动机壳体等。
②汽车工业。
由于复合材料具有特殊的振动阻尼特性，可减振和降低噪声、抗疲劳性能好，损伤后易修理，便于整体成形，故可用于制造汽车车身、受力构件、传动轴、发动机架及其内部构件。
③化工、纺织和机械制造领域。
有良好耐蚀性的碳纤维与树脂基体复合而成的材料，可用于制造化工设备、纺织机、造纸机、复印机、高速机床、精密仪器等。
④医学领域。
碳纤维复合材料具有优异的力学性能和不吸收X射线特性，可用于制造医用X光机和矫形支架等。
碳纤维复合材料还具有生物组织相容性和血液相容性，生物环境下稳定性好，也用作生物医学材料。
此外，复合材料还用于制造体育运动器件和用作建筑材料等。
2、研究现状
①聚合物基复合材料。
研究工作集中在合成新型树脂及对其结构表征和固化过程进行了研究。
热固性聚合物基体主要为不饱和聚酯、环氧树脂、酚醛树脂、双马树脂，以及少量的耐高温聚酰亚胺树脂。
热塑性聚合物基体除聚丙烯外，还有常用的工程塑料，如聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚醚砜和热塑性聚酰亚胺等的合成，改性和表征等。
加工成型方面除了常规方法的研究外，也研究一些新型的加工方法。
如树脂传递法（RTM）的充模过程。
②金属基复合材料。
目前主要集中在以轻金属（如铝、镁、钛）等为基体的复合材料研究，少量研究于铜、铁、铅基体的复合材料。
③其他基体复合材料。
陶瓷基复合材料方面的研究工作，如热压烧结的碳化硅晶须增强氧化硅，或碳化硅基体的复合材料；氧化锆颗粒增强碳化物陶瓷复合材料等的制备科学和结构性能研究。
（五）发展趋势
①降低成本
由于复合材料的性能优于传统材料，若降低复合材料的成本，其应用前景将非常广阔。
②高性能复合材料的研制
随着人类向太空发展，航空航天工业对高性能复合材料的需求量越来越大，而且也会提出更高的性能要求，如更高的强度要求、更高的耐温要求等。
③功能性复合材料的研制
功能复合材料是指具有导电、超导、微波、摩擦、吸声、等功能的复合材料。
④智能复合材料的研制
当用智能复合材料制造的飞机部件发生损伤时，可由埋入的传感器在线检测到该损伤，通过控制器决策后，控制埋入的形状记忆合金动作，在损伤周围产生压应力，从而防止损伤的继续发展，提高飞机的安全性能。
⑤仿生复合材料
复合材料的设计从常规设计向仿生设计发展。
仿照竹子从表皮到内层纤维由密排到疏松的特点，成功地制备出具有明显组织梯度与性能梯度的新型梯度复合材料。
（六）技术难题
从环境保护的角度看，目前的复合材料大多注重材料性能和加工工艺性能，而在回收利用上存在与环境不相协调的问题。
因此，开发、使用与环境相协调的复合材料，是复合材料今后的发展方向之一。
二、功能材料
（一）概念
功能材料是指那些具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学、生物医学功能，特殊的物理、化学、生物学效应，能完成功能相互转化，主要用来制造各种功能元器件而被广泛应用于各类高科技领域的高新技术材料。
（二）分类
（1）功能金属材料。
传统：
如电性、磁性、弹性等功能材料。
新型：
如非晶合金、贮氢合金、形状记忆合金、超塑性合金及金属薄膜等。
（2）功能无机非金属材料。
功能陶瓷材料；功能玻璃材料；功能半导体材料；功能晶体材料；氧化物无机非金属超导材料和氧化物磁性材料等。
（3）功能高分子材料。
光功能高分子材料、光磁（电）功能高分子材料、生物医用（机体外与机体内）功能高分子材料，生功能高分子材料等
（三）国内外研究与应用现状
当前功能材料及其应用技术正面临新的突破，诸如超导材料、微电子材料、光子材料、信息材料、能源转换及储能材料、生态环境材料、生物医用材料及材料的分子、原子设计等正处于日新月异的发展之中，发展功能材料技术正在成为一些发达国家强化其经济及军事优势的重要手段。
超导材料
以NbTi、Nb3Sn为代表的实用超导材料已实现了商品化，在核磁共振人体成像、超导磁体及大型加速器磁体等多个领域获得了应用；SQUID作为超导体弱电应用的典范已在微弱电磁信号测量方面起到了重要作用，其灵敏度是其它任何非超导的装置无法达到的。
但是，由于常规低温超导体的临界温度太低，必须在昂贵复杂的液氦（4.2K）系统中使用，因而严重地限制了低温超导应用的发展。
生物医用材料
作为高技术重要组成部分的生物医用材料已进入一个快速发展的新阶段，预计20年内，生物医用材料所占的份额将赶上药物市场，成为一个支柱产业。
生物活性陶瓷已成为医用生物陶瓷的主要方向；医用复合生物材料的研究重点是强韧化生物复合材料和功能性生物复合材料，带有治疗功能的HA生物复合材料的研究也十分活跃。
能源材料
太阳能电池材料是新能源材料研究开发的热点，IBM公司研制的多层复合太阳能电池，转换率高达40%。
美国能源部在全部氢能研究经费中，大约有50%用于储氢技术。
固体氧化物燃料电池的研究十分活跃，关键是电池材料，如固体电解质薄膜和电池阴极材料，还有质子交换膜型燃料电池用的有机质子交换膜等，都是目前研究的热点。
生态环境材料
主要研究方向是：
①直接面临的与环境问题相关的材料技术，例如，生物可降解材料技术，二氧化碳气体的固化技术，废物的再资源化技术，环境污染修复技术，材料制备加工中的洁净技术以及节省资源、节省能源的技术；②开发能使经济可持续发展的环境协调性材料，如仿生材料、环境保护材料、氟里昂、石棉等有害物质的替代材料、绿色新材料等；③材料的环境协调性评价。
（四）技术发展与难题
我国非常重视功能材料的发展。
在“九五”“十五”国防计划中还将特种功能材料列为“国防尖端”材料。
这些科技行动的实施，使我国在功能材料领域取得了丰硕的成果。
在“863”计划支持下，开辟了超导材料、平板显示材料、稀土功能材料、生物医用材料、储氢等新能源材料，金刚石薄膜，高性能固体推进剂材料，红外隐身材料，材料设计与性能预测等功能材料新领域，取得了一批接近或达到国际先进水平的研究成果，在国际上占有了一席之地。
镍氢电池、锂离子电池的主要性能指标和生产工艺技术均达到了国外的先进水平，推动了镍氢电池的产业化；功能陶瓷材料的研究开发取得了显著进展，以片式电子组件为目标，我国在高性能瓷料的研究上取得了突破，并在低烧瓷料和贱金属电极上形成了自己的特色并实现了产业化，使片式电容材料及其组件进入了世界先进行列；功能材料还在“两弹一星”、“四大装备四颗星”等国防工程中作出了举足轻重的贡献。
目前世界各国功能材料的研究极为活跃，充满了机遇和挑战，新技术、新专利层出不穷。
发达国家企图通过知识产权的形式在特种功能材料领域形成技术垄断，并试图占领中国广阔的市场。
近年来，我国在各个领域加强了专利保护。
但是，我们应该看到，我国目前功能材料的创新性研究不够，申报的专利数，尤其是具有原创性的国际专利数与我国的地位远不相称。
我国功能材料在系统集成方面也存在不足，有待改进和发展。
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