复合材料的发展历程-结构建材-有货号

复合材料的发展历程

复合材料(posite materials)，是以一种材料为基体(Matrix)，另一种材料为增强体(reinforcement)组合而成的材料。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。

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。复合材料使用的历史可以追溯到古代。

从古至今沿用的稻草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。复合材料按其组成分为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。

按其结构特点又分为：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。如纤维增强塑料、纤维增强金属等。

②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。

③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。 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。

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。 60年代，为满足航空航天等尖端技术所用材料的需要，先后研制和生产了以高性能纤维（如碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维等）为增强材料的复合材料，其比强度大于4×106厘米（cm），比模量大于4×108cm。为了与第一代玻璃纤维增强树脂复合材料相区别，将这种复合材料称为先进复合材料。

按基体材料不同，先进复合材料分为树脂基、金属基和陶瓷基复合材料。其使用温度分别达250～350℃、350～1200℃和1200℃以上。先进复合材料除作为结构材料外，还可用作功能材料，如梯度复合材料(材料的化学和结晶学组成、结构、空隙等在空间连续梯变的功能复合材料)、机敏复合材料（具有感觉、处理和执行功能，能适应环境变化的功能复合材料）、仿生复合材料、隐身复合材料等复合材料中以纤维增强材料应用最广、用量最大。

其特点是比重小、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。石墨纤维与树脂复合可得到膨胀系数几乎等于零的材料。

纤维增强材料的另一个特点是各向异性，因此可按制件不同部位的强度要求设计纤维的排列。以碳纤维和碳化硅纤维增强的铝基复合材料，在500℃时仍能保持足够的强度和模量。碳化硅纤维与钛复合，不但钛的耐热性提高，且耐磨损，可用作发动机风扇叶片。碳化硅纤维与陶瓷复合，使用温度可达1500℃，比超合金涡轮叶片的使用温度（1100℃）高得多。

碳纤维增强碳、石墨纤维增强碳或石墨纤维增强石墨，构成耐烧蚀材料，已用于航天器、火箭导弹和原子能反应堆中。非金属基复合材料由于密度小，用于汽车和飞机可减轻重量、提高速度、节约能源。用碳纤维和玻璃纤维混合制成的复合材料片弹簧，其刚度和承载能力与重量大5倍多的钢片弹簧相当。

复合材料的主要应用领域有：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、航天飞机结构件等。 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�。

复合材料在将来有哪些发展前景

尽管新冠疫情持续蔓延，令行业面临诸多挑战，但到去年年底，有迹象表明，与复合材料行业相关的汽车和交通等众多领域开始复苏。运输业在虽然结构转型还远未完成，但目前行业已经开始正视挑战。

然而，航空业目前还未恢复到以前水平，如今，航空航天的未来比以往任何时候都更依赖于其创新能力。

汽车工业：在未来几年内突破2017年的高水位线与新冠疫情相关的停产对2020年的轻型汽车供需产生了极大的负面影响。2020年初的制造业停产使对材料的需求骤然停止，新冠疫情流行对经济影响进一步降低了全球对新型乘用车的需求。尽管到夏季恢复生产并且需求恢复高于预期，但2020年全球产量比上年依然下降20％。汽车用复合材料的销售量也相应下降，降至约35亿磅。

轻型汽车生产的恢复将是渐进的，并具有明显的地区差异。中国是首先受到冠状病毒影响的大市场，预计到2022年将完全恢复到2017年的水平。欧盟和北美等成熟市场的汽车需求在新冠疫情大流行之前有所放缓，并且在2025年之前恐怕难以恢复到2017年的水平。

对于随市场涨跌的汽车商品供应商来说，复苏之路将是漫长而缓慢的。幸运的是，许多复合材料不是商品，由于它们在成本、重量和性能方面与竞争材料相比具有明显优势，因此市场份额正在增加。由于二氧化碳排放和燃油经济性的法规监管，对轻质材料的需求超过了市场的增长。

在2021年至2030年之间，欧洲二氧化碳排放限制将收紧60%以上。美国可能会重新考虑暂停奥巴马时代的燃油经济性标准，这可能需要在2020年至2025年之间将车队燃油经济性提高23％。使用轻质材料（包括复合材料）可以帮助原始设备制造商OEM满足法规要求，保持消费者的吸引力。

从2008年到2018年，先前的效率法规帮助复合材料在汽车应用中每年增加2％，鉴于当前的法规环境，这种趋势可能会持续下去。然而，仅靠轻质材料并不能使OEM满足较高的燃油经济性要求。因此，汽车制造商计划在未来几年内部署一种新的混合电动汽车动力系统。这将包括大量增加混合动力、电池电动和燃料电池汽车，以补充内燃机。

电动汽车的兴起为电池盒、氢燃料箱和其他要求轻量化和耐腐蚀的部件中的复合材料创造了机会。此外，在设计这些新车时，可以利用零件整合的机会。这些因素可能使复合材料在未来十年中占据更多的汽车材料用量份额，并将有助于推动汽车复合材料的总销量在2023年之前超过2017年的水平。复合材料行业的增长潜力可通过将汽车产量和汽车复合材料的销量指数化以2017年为基准年并预测到2025年的需求来进行说明。

如果复合材料继续像过去十年那样以每年高于市场2%的速度增长，到2023年，汽车复合材料的产量将超过基准年的2017年，但全球汽车产量预计不会在2025年之前恢复到2017年的水平。尽管2020年对于汽车行业和复合材料制造商来说是艰难的一年，但汽车复合材料的长期前景是光明的。根据成本、重量和性能方面的价值，该行业将在未来几年内突破2017年的高水位线。 2020年新冠疫情给许多行业和生活方方面面带来了重大影响和破坏，汽车和复合材料行业也不例外，两者都受到了新冠疫情的巨大影响，其影响将在未来几年内显现出来。

然而，对于复合材料制造商而言，有一个好消息是，预期的汽车行业复苏、全球环境监督和电动汽车的激增将为复合材料和轻质汽车材料提供很有前途的前景。航空航天：以创新为基础的技术解决方案对于其成功至关重要在过去的几年里，航空航天业受到了一系列事件的巨大影响，最显著的是波音737 Max的停飞和新冠疫情流行。2020年11月18日，美国联邦航空局局长Steve Dickson取消了2019年3月13日发布的波音737 Max停飞令。

但是期间的18个月给整个行业带来了巨大损失。此外，在新冠疫情大流行期间，波音公司和空中客车公司都不得不暂时关闭其设施。正如预期的那样，波音和空中客车公司都在为大幅降低生产率和降低订单而苦苦挣扎。

随着航空航天工业的复苏，以创新为基础的技术解决方案对于其成功至关重要。利用计算机功能的项目继续推动复合材料制造业在航空航天领域的发展，其中包括集成计算材料工程（integrated computational materials engineering，ICME），它可以利用不同模型框架之间的数据流进行数字制造，3D打印部件及其完整性认证验证的差距越来越大，而通过使用分析学可以弥补这一差距。借助ICME，航空航天制造商可以在涵盖整个组织的框架中看到敏捷性的显著优势。复合材料是理想的材料系统，可以驱动建模、分析或数字孪生方法增加价值，在这种方法中，复合材料成分、添加剂及其形态的复杂性不仅在成分选择方面而且在制造工艺方面都带来无数的性能差异。

当通过计算可以显著减少客户要求与FAA认证之间的时间时，这就显得格外重要。美国现代化新型技术和优先考虑事项的交叉点一直集中在高超音速、太空和网络安全领域，后者给整个航空航天供应链带来了巨大挑战，尤其是对保护信息的需求。从2020年11月30日开始，美国国防部（DOD）引入了一种自我评估方法，要求DOD供应链量化并报告其当前的网络安全合规性。

在创新方面，政府机构继续促进初创技术开发商与一级航空航天公司之间的合作。空军AFWERX计划就是一个例子，该计划促进了整个行业、学术界和军队之间的联系。对这些新兴技术至关重要的是材料的进步，基于马赫数5到马赫数20之间最恶劣的空间环境中生存的材料的需求，导致对增材制造用陶瓷基复合材料的研究和投资有所增加。为了在航空航天领域站稳脚跟，复合材料行业可以借鉴在聚合物基复合材料和金属基复合材料中获得的经验教训，利用ICME工作流程为陶瓷基复合材料的模型驱动设计提供依据。

此外，将专家知识转换为基本的2×2正交实验设计，在同一试验中比较传统材料，将为使用新的复合材料和制造方法建立信心。尽管基础指标历来包括高强度重量比、耐腐蚀和耐化学腐蚀性能，但新的行星外空间要求在极端高温和低温下都具有长周期服役能力。如美国航空航天学会（AIAA）标准指导委员会（SSC）等机构资源服务为标准制定做出了贡献，这将有助于使航空航天利益相关者之间的测试和其他活动标准化。

总之，航空航天的未来比以往任何时候都更依赖于其创新能力。这将需要政府、主要机构、供应链和初创公司利益相关者之间�。

国内复合材料行业发展怎么样？想去了解下

复合材料的定义和分类复合材料是指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(微观)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。

该类材料主要有人造、多种成分组成、结构可设计等特点。

复合材料按照不同的分类方式可以分为不同的产品。按照结构特点划分，可分为纤维增强复合材料、夹层复合材料、细粒复合材料和混杂复合材料;根据组成成分划分，可分为金属基体复合材料、非金属基体复合材料。由于产业链上游为原材料，为了方便体现产业链环境，本文使用组成成分分类方式。全球复合材料行业的发展经历了四个阶段就世界范围而论，从1940年到1960年这20年间，可以称为复合材料发展的第一代，是玻璃纤维增强塑料时代;1960-1980年，称为复合材料发展的第二代，是先进复合材料的发展时期;1980-1990年，称为复合材料发展的第三代，是纤维增强金属基复合材料的时代;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。

全球复合材料产量呈不断增长趋势2018年以前，复合材料的增长率一直保持4%以上的增长，但在2018年产量仅增长不到1%，其中主要原因是受到中美贸易战的影响，中国是全球复合材料行业的最大生产国，关税政策导致产量下降。根据国家环境材料腐蚀网的统计，2018年全球复合材料产量为1140万吨，前瞻结合JEC、AVK、CCev等多家机构的数据，估计2019年全球复合材料产量将保持5%的增长，达到1197万吨左右。2020年受疫情影响，全球经济受挫，2020年全球复合材料产量约为1209万吨。

2020年全球复合材料市场规模约为958亿美元近年来，在全球经济环境不景气等大环境影响下，全球复合材料市场结构正在逐步发生变化，美、日、欧等发达国家和地区复合材料市场相对饱和，增速较为缓慢。亚太地区起步较慢，发展潜力巨大，增速较快。数据显示，2018年，中国受到中美贸易战的影响造成全球复合材料市场规模出现负增长，全球复合材料市场达到890亿美元左右。

结合Grand View Research发布的全球复合材料市场报告，2020-2027年全球复合材料需求规模CAGR保持在7.6%。初步测算，2020年全球复合材料市场规模约为958亿美元。2026年全球复合材料市场规模约达到1359亿美元结合Grand View Research对全球复合材料年复合增长率6.7%的预测、CCev对全球碳纤维复合材料的预测、AVK对欧洲玻璃纤维复合材料的预测等数据资料，前瞻预计，2021-2026年全球复合材料市场将产生6%的年复合增长率，2026年市场规模约达到1359亿美元。

市场增长的主要驱动力是航空航天、国防和汽车行业对轻质材料需求的不断增长，同时，建筑、管道和储能行业对耐腐蚀、耐化学材料的需求，以及电力电气行业对复合材料的需求增长也推动了复合材料市场发展。

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。