复合材料的历史是怎样的？

复合材料的历史是怎样的？

‍‍5000年以前，中东地区用芦苇增强沥青造船。古埃及墓葬出土，发现有用名贵紫檀木在普通木材上装饰贴面的棺撑家具。

古埃及修建金字塔，用石灰、火山灰等作粘合剂，混和砂石等作砌料，这是最早最原始的颗粒增强复合材料。

现代复合材料20世纪40年代，玻璃纤维和合成树脂大量商品化生产以后，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研究设计工作。这可以认为是现代复合材料的开始，也是对复合材料进入理性认识阶段。早期发展出的现代复合材料，由于性能相对较低，生产量大，使用面广，被称之为常用复合材料。后来随着高技术发展的需要，在此基础上又发展出性能高的先进复合材料。

常用树脂基复合材料第一次世界大战前，用胶粘剂将云母片热压制成人造云母板。20世纪初市场上有虫胶漆片与纸复合制成的层压板出售。但真正的纤维增强塑料工业，是在用合成树脂代替天然树脂、用人造纤维代替天然纤维以后才发展起来的。

公元前，排尼基人在火山口附近发现玻璃纤维。1841年英国人制成玻璃纤维拉丝机。第一次世界大战期间，德国人拖动脚踏车轮拉拔玻璃纤维丝。

20世纪30年代，美国发明用铂柑涡生产连续玻璃纤维的技术，从此在世界范围内大规模生产玻璃纤维，以其增强塑料制成复合材料。至60年代，在技术上臻于成熟，在许多领域开始取代金属材料。

纤维复合材料的发展

复合材料由两种或两种以上性质不同的物质组合而成，各种组成材料在性能上能互相取长补短，使它的综合性能优于原组成材料。   想像一下，千百年前农家住房的墙体都是土堆砌的，家家户户都养牛、猪等牲畜。

有一天如果牲畜发狂往墙撞过去，墙是否会倒塌呢？古人用什么方法来解决这个问题呢？复合材料是近几年常常听到的名词，电视新闻也常报导许多新科技产品是用「碳纤维」、「复合材料」做的。

但究竟什么是碳纤维？什么是复合材料呢？中国台湾复合材料产业又是如何发展呢？   复合材料的定义与历史   先来严肃一点看学术上的名词─复合材料，根据国际标准化组织给复合材料所下的定义是：两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料，各种组成材料在性能上能互相取长补短，因而产生协同效应，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。    在复合材料中，通常有一连续相，称为基材；另一相是分散相，称补强材，而两相之间有相界面。乍看之下非常复杂，但事实上，从远古时代开始，复合材料就出现在人们的生活中。复合材料既是一种新型材料，也是一种古老的材料。

复合材料的发展历史大致可区分为古代复合材料和现代复合材料两个阶段。   考古学家发现，早在西元前2000年，在中国西安东郊半坡村仰绍文化遗址中，古代人已经懂得用稻草或麦秆补强黏土作为住房墙体的材料。想像一下，当牛冲撞土墙时，牛撞击所造成的裂缝会一直裂开，直到遇到稻草就停止，这就是当牲畜冲撞土墙不会倒塌的原因。

而这样的原理也应用在现代水泥房舍的建造，在水泥中加入碎石，当地震或墙体产生撞击而有裂缝时，水泥内的碎石也会阻挡裂缝成长而保护墙体不倒塌。   考古学家发现，古代人已经懂得用稻草或麦秆补强黏土作为住房墙体的材料。而这样的原理也应用在现代水泥房舍的建造，在水泥中加入碎石，当地震或墙体产生撞击而有裂缝时，水泥内的碎石也会阻挡裂缝成长而保护墙体不倒塌。

  中国古代用漆灰（主要用生漆和砖瓦灰、河沙、黄土灰或石灰调在一起）和麻布为原料制成一种复合胎体。先在用木材或泥土制好的模具上涂一层漆灰，再贴一层麻布，接着再涂漆灰。如此反复数次，等漆灰干燥后从模具上取下成形的漆器胎体，称为「夹纻胎」。

这种夹纻胎漆薄体轻、光洁美观，气候变化时也不易变形和开裂（这就是麻布作为补强材的功劳），并可以自由地造型，制作比较复杂的器型，深受人们喜爱，可以说是现代复合材料的鼻祖。   另外、元代蒙古弓用木材为芯，再把受拉面贴单向纤维，受压面黏牛角片，以丝线缠绕，漆作黏胶。这样做出来的弓轻而有力，是古代复合材料中极佳的应用。   到了现代，由于科技的进步，我们对复合材料有更进一步的了解，因此把复合材料依不同需求进行不同的分类。

例如：依补强材的不同，分为纤维复合材料、颗粒复合材料、积层复合材料、薄片复合材料、填充复合材料；如果以基材来分类，则可以分为高分子基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料、碳∕碳复合材料等。   复合材料种类繁多，但其中应用最广的，当属以纤维补强的高分子复合材料（纤维复合材料，简称纤维复材），而纤维复材基本的组成是纤维及高分子基材。纤维是决定复合材料机械性质的主要因素，用以承受主要负载，限制微裂纹延伸，提高材料刚性与抗疲劳及潜变性能等。   高分子基材的分类   高分子基材一般分为热塑性树脂及热固性树脂两大类。

纤维则有不同的材料及型式，常用的有玻璃纤维、碳纤维、克维拉纤维（拿来做防弹背心的纤维材料）、硼纤维、碳化矽纤维几种，型式上有短纤、连续长纤、纤维编织布、粉状纤维等。    简单地说，两者之间的关系就是用树脂为基材，把细长状纤维「黏住并固定」，形成内含纤维状物的新材料，就称为纤维复合材料。事实上，「黏住」一词并不是一个学术上的名词，但有助于我们对基材与纤维间内含「界面」的情况建立一容易理解的想像。其实在纤维复合材料中，这界面的结合力是由化学键结所产生，称为「固化」。

而整体纤维复合材料的品质与性能主要由纤维与基材的界面特性所决定，探讨纤维复材的界面行为是另外一个专门的领域，在本文中不另赘述。   现代使用的纤维复材具有良好的力学性质，例如高强度、低密度等，因此常用在航太工业或高阶自行车产业。在应用上，由于这些产业对材料强度与轻量化的要求较高，在强化纤维的选择上，通常以连续长纤维为主。

  现代复合材料起源自20世纪40年代，因航空工业的需要而发展了玻璃纤维复合材料，又称为玻璃纤维强化塑胶，从此出现了复合材料这一新名词。而热固性复合材料与热塑性复合材料的发展各有所长，常见的树脂基材分类如下。   热固性树脂基复合材料是指以热固性树脂如不饱和聚酯树脂（做浴缸用的树脂）、环氧树脂（就是俗称的AB胶）、酚醛树脂（俗称的电木）、乙烯基酯树脂等为基材，以玻璃纤维、碳纤维、克维拉纤维等为补强材制成的复合材料。

目前纤维复材中，绝大部分指的是热固性纤维复合材料。热固性复合材料产品主要用于运动器材、建筑、防腐、交通运输、造船、航空太空等工业领域。   在运动器材方面，中国台湾是全世界最大且技术最佳的运动器材代工国家，如球拍、自行车零组件、棒球棒、曲棍球棒等，不论品质、产能都是世界首屈一指。在建筑方面，有内外墙板、透明瓦、冷却塔、水箱、卫浴用品如浴缸等。

在石化应用方面，主要用于管道修补。在交通运输方面，汽车应用有次结构件、非结构件及改装件等如车身、引擎盖、保险杆等配件。火车应用有车厢板、门窗、座椅等。

船艇方面主要有船体、船身配件等。在机械及电器领域，如风力发电叶片等。在航空方面，有飞机主结构件、次结构件、非结构件等。在太空及军事领域，有卫星天线、火箭喷管、防弹板、鱼雷、飞弹等。

上述应用领域目前主要都使用热固性纤维复合材料。   比钢强比铝轻的尖端复合材料   纤维复合材料借由补强材与基材「各尽其长、互补其短」的特性，有效地弥补单一材料的缺点，并产生单一材料无法达到的新性能。因此，纤维复合材料的出现与发展，可说是现代科技发展的结果。

也因为现在科技的突飞猛进，使得对材料的要求日益提高，前面所提的玻璃纤维强化塑胶已经不能满足产业应用，因此出现所谓的尖端复合材料，专指用于主受力结构和次受力结构的产品，且其刚性（材料抵抗变形的能力）和强度（材料承受破坏的能力）性能相当于或超过钢材，且重量又相较于铝合金轻的纤维复合材料。    相较于一般玻璃纤维强化塑胶，尖端复合材料是以高性能纤维（如碳纤维、硼纤维等）为补强材的纤维复合材料，它的比重比铝合金低，但比强度、比模量却高于钢。因此，「比钢强、比铝轻」是我们一般对尖端复合材料最佳的诠释。也由于尖端复合材料凭借其优异的力学性能、结构强度可设计性等突出优点，在军。

复合材料有哪些种类

复合材料的种类有：金属与金属复合材料、非金属与金属复合材料、非金属与非金属复合材料。其结构特点又分为纤维复合材料，将各种纤维增强体置于基体材料内复合而成，如纤维增强塑料、纤维增强金属等。

夹层复合材料，由性质不同的表面材料和芯材组合而成，通常面材强度高、薄，芯材质轻、强度低，但具有一定刚度和厚度，分为实心夹层和蜂窝夹层两种。

自细粒复合材料，将硬质细粒均匀分布于基体中，如弥散强化合金、金属陶瓷等。O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，与普通单增强相复合材料比，其冲击强度、疲劳强度和断裂韧性显著提高，并具有特殊的热膨胀性能，分为层内混杂、层间混杂、夹芯混杂、层内、层间混杂和超混杂复合材料。复合材料的发展历史：复合材料使用的历史可以追溯到古代。从古至今沿用的稻草或麦秸增强粘土和已使用上百年的钢筋混凝土均由两种材料复合而成。

20世纪40年代，因航空工业的需要，发展了玻璃纤维增强塑料俗称玻璃钢，从此出现了复合材料这一名称。50年代以后，陆续发展了碳纤维、石墨纤维和硼纤维等高强度和高模量纤维。70年代出现了芳纶纤维和碳化硅纤维。

这些高强度、高模量纤维能与合成树脂、碳、石墨、陶瓷、橡胶等非金属基体或铝、镁、钛等金属基体复合，构成各具特色的复合材料。

高分子复合材料的发展史是什么样的？

从十九世纪开始，人类开始使用改造过的天然高分子材料。火化橡胶和硝化纤维塑料（赛璐珞）是两个典型的例子。

进入二十世纪之后，高分子材料进入了大发展阶段。

首先是在1907年，LeoBakeland发明了酚醛塑料。1920年HermannStaudinger提出了高分子的概念并且创造了Makromolekule这个词。二十世纪二十年代末，聚氯乙烯开始大规模使用。二十世纪三十年代初，聚苯乙烯开始大规模生产。

二十世纪三十年代末，尼龙开始生产。随着工业企业现代化的发展，设备的集群规模和自动化程度越来越高，同时针对设备的安全连续生产的要求也越来越高，传统的以金属修复方法为主的设备维护工艺技术已经远远不能满足针对更多高新设备的维护需求，对此需要研发更多针对设备预防和现场解决的新技术和材料，为此诞生了包括高分子复合材料在内的更多新的维护技术和材料，以便解决更多问题，满足新设备运行环境的维护需求。在经历了二十世纪的大发展之后高分子材料对整个世界的面貌产生了重要的影响。

《时代杂志》认为塑料是二十世纪人类最重要的发明。高分子材料在文化领域和人类的生活方式方面也产生了重要的影响。

复合材料力学的发展简史

在自然界中，存在着大量的复合材料，如竹子、木材、动物的肌肉和骨骼等。从力学的观点来看，天然复合材料结构往往是很理想的结构，它们为发展人工纤维增强复合材料提供了仿生学依据。

人类早已创制了有力学概念的复合材料。

例如，古代中国人和犹太人用稻草或麦秸增强盖房用的泥砖；两千年前，中国制造了防腐蚀用的生漆衬布；由薄绸和漆粘结制成的中国漆器，也是近代纤维增强复合材料的雏形，它体现了重量轻、强度和刚度大的力学优点。以混凝土为标志的近代复合材料是在一百多年前出现的。后来，原有的混凝土结构不能满足高层建筑的强度要求，建筑者转而使用钢筋混凝土结构，其中的钢筋提高了混凝土的抗拉强度，从而解决了建筑方面的大量问题。20世纪初，为满足军用方面对材料力学性能的要求，人们开始研制新材料，并在20世纪40年代研制成功玻璃纤维增强复合材料(即玻璃钢)。

它的出现丰富了复合材料的力学内容。50年代又出现了强度更高的碳纤维、硼纤维复合材料，复合材料的力学研究工作由此得到很大发展，并逐步形成了一门新兴的力学学科——复合材料力学。为了克服碳纤维、硼纤维不耐高温和抗剪切能力差等缺点，近二十年来，人们又研制出金属基和陶瓷基的复合材料。

华人在复合材料的研究中做出了很多贡献，但中国在复合材料力学研究方面的起步和水平晚于欧美十到十五年。进入20世纪60年代后，复合材料力学发展的步伐加快了。1964年罗森提出了确定单向纤维增强复合材料纵向压缩强度的方法。

1966年惠特尼和赖利提出了确定复合材料弹性常数的独立模型法。1968年，经蔡为仑和希尔的多年研究形成了蔡-希尔破坏准则；后于1971年又出现了张量形式的蔡-吴破坏准则。1970年琼斯研究了一般的多向层板，并得到简单的精确解；1972年惠特尼用双重傅里叶级数，求解了扭转耦合刚度对各向异性层板的挠度、屈曲载荷和振动的影响问题，用这种方法求解的位移既满足自然边界条件，又能很快收敛到精确解；同年，夏米斯、汉森和塞拉菲尼研究了复合材料的抗冲击性能。

另外，蔡为仑在单向层板非线性变形性能的分析方面，亚当斯在非弹性问题的细观力学理论方面，索哈佩里在复合材料粘弹性应力分析等都做了开创性的研究工作。近年来，混杂复合材料力学性能的研究吸引了一些学者的注意力。林毅于1972年首先发现，混杂复合材料的应力-应变曲线的直线部分所对应的最大应变，已超过混杂复合材料中具有低延伸率的纤维的破坏应变。这一不易理解的现象，于1974年又被班塞尔等所发现，后人称之为“混杂效应”。