下世紀復合材料面臨的機遇與挑戰(一)
材料的復合是材料發展的必然規律，隨著各種高新技術的進步不斷地向材料提出更高的要求。然而想要合成或制造一種材料使之滿足各種高水平的綜合指標，從單質材料出發是非常困難的，常常顧此失彼，即使花費很大的力量得到某種符合要求的材料也需要很長的周期。由于復合材料是把金屬、無機非金屬、高分子等材料組合起來的一種多相材料，它的設計自由度很大，不僅可在組分選擇上調整還可以改變各組分的體積百分數以滿足所需的性能要求。這樣就可使復合材料具有輕質高強以及其他的優越的綜合性能。特別是復合材料還具有復合效應，即經過復合以后產生各原始組分所不具備的性能。由于復合材料的上述特點所以在不少高技術領域如航天、航空、信息等產業中獲得重要的應用。目前已與金屬、無機非金屬、高分子并列為四大材料。
復合材料的出現可以追溯到古代，原始人類從生活實踐中學會用草莖（增強體）與泥土（基體）作為建造窩棚的材料，我國在秦漢時代就開始用大麻和大漆作為原料來制造漆器器皿，這些都是復合材料的雛形。實際復合材料的大規模發展是在本世紀40年代二次大戰的末期，由于軍事的需要采用了玻璃纖維和高分子樹脂復合來制造軍工用品。戰后一方面由于發展宇航技術和冷戰所需軍備競爭的要求外，又研制出先進復合材料，另一方面也開始大力發展在各種民用工業中的應用，如交通運輸、建筑材料、化工設備、船舶及水上裝備、電子電
器、消耗用品和辦公設備等。根據1997年不完全統計，復合材料的總產量已超過150萬噸，而且以每年1.5%的速度增長。這些就本世紀中復合材料的發展情況。
一、下世紀復合材料發展的機遇
處于世紀之交，展望復合材料在下個世紀內的發展機遇是有意義的?？梢詮南旅鎺讉€方面來看。
?。ㄒ唬┯糜诮鉀Q資源和能源短缺方面
根據目前的調查可以預測到下世紀內地球將會面臨陸地資源逐步枯竭，從而導致能源危機和原材料的短缺。因此人類必須一方面要節約能源同時要開發新能源來應付能源危機，另一方面又要尋找尚未充分利用的陸地資源和廢棄物的再生利用，同時也要設法開發海洋資源甚至向宇宙空間獲取資源。從這個角度來看復合材料由于具有性能上的優勢，可望在上述方面獲得大量的應用和發展。例如在新能源方面碳纖維和玻璃纖維增強環氧樹脂復合材料已成功地用于風力發電機的葉片和塔身。當前已制成長度達40米以上的單個葉片，強度、剛度和
重量都能滿足設計要求。在太陽能發電方面，由于太陽能電池片需要安裝在輕質高強的支架上構成巨型的板面，各種先進復合材料將是選材料。其他如核電中分離鈾的離心機轉子已用碳纖維/樹脂復合材料滿意地運轉，利用潮汐發電裝置也計劃采用復合材料。
在節約資源方面，由于各向異性的復合材料可根據結構的力學需要來進行設計和整體凈形制造，從而可起到節約能源、原材料和節省在加工中的各種消耗。另一方面提高材料的使用壽命同樣起到節約資源的作用。目前大量的基礎性設施包括房屋建筑、道路、橋梁、水壩等主要使用混凝土和鋼筋混凝土材料，雖然這些也是復合材料，但是鑒于過去已經暴露出來的混凝土自身開裂、鋼筋銹蝕失效和由于銹蝕膨脹而加速了混凝土的進一步的開裂作用等缺點，使之不得不定期更新再建，新研究表明用高強纖維增強混凝土可有效地扼制開裂，同
時正在試用高性能碳纖維或芳酰胺纖維增強聚合物代替鋼筋克服了原來存在的缺點，而且證實它在超高層建設上有著很大的優越性。此外在基礎設施的修復方面，實踐證明用復合材料修補是經濟有效的方案。美國的洛杉磯大地震和日本關西大地震，震后造成破壞的橋梁支柱、路板均已采用碳纖維-環氧復合材料成功地進行了修補。并且形成了專門產業，制造了專用設備和材料?？梢灶A測在下世紀中這類復合材料將成為主要品種之一。
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下個世紀的時代標志將全面體現為信息社會，在信息技術領域中復合材料也將占一席之地。先由于集成度的迅速提高，集成電路元件的散熱問題將是阻礙發展的主要困難之一。因此需要尋找導熱系數大而熱膨脹系數又能與硅片相匹配的基板材料。近的研究表明金屬基復合材料非常適合于制造基板，因為可以選擇導熱性能好而膨脹系數小的增強體與金屬基復合，同時還可調節增強體的含量來優化所需的性能指標。另一方面由于電器整機的體積不斷縮小，各部件之間的電磁屏蔽問題變得非常突出。目前已經采用導電（或磁性）填料和聚
合物復合制成既輕又薄的各式電磁波屏蔽罩、板，取得了滿意的效果。在光纖通信技術中，通訊光纜的纜芯和保護套管也使用復合材料，原因是使其體現輕質高強的特點。此外在信息技術中需要大量的敏感元件來實現各種能量的轉換。在這方面功能復合材料具有很大的競爭潛力，因為功能復合材料可以調節復合度（組合的含量比例）、連接型（功能體與基體一顆粒、線狀、片狀或三維整體等各種形式來連接）和對稱性（空間的排列取向）等因數以實現佳的“優值”。更重要的是還可利用復合非線性效應中的乘積效應來制取新型的換能效應，所謂乘積效應是把兩種不同換能功能而其中又有一項物理量相同的材料復合在一起形成第三種換能材料。例如把磁－電換能材料與電－光材料復合即可得到磁－光換能材料，舉一反三，將能創造出各種形式的新型敏感元件。盡管復合材料不是信息技術的主題部分，但確是不可缺少的部分，因此隨著下個世紀信息產業的大發展，復合材料也將隨之而相應地發展。
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社會不斷地發展，人類的生活質量也在不斷地提高。所謂生活質量包括舒適性和安全性，在這方面復合材料也將會作出貢獻。在舒適性方面由于復合材料除了很好的力學性能外還具有優良的隔熱、消音、吸震性能，因此非常適合制造房屋隔斷墻體和車輛殼體。例如目前日本正在制造碳纖維－酚醛樹脂復合材料車身用在新一代高超列車上，主要是為了降低噪音，減少振動和低能耗地保持車廂溫度。在安全性方面，突出的是降低車輛沖撞交通事故的嚴重性，研究證明用復合材料制造的車底板和保險杠，有很好的吸收沖擊性能和高的彈性回復，這樣能很大程度上減少對人體的傷害。另外聚合物與某些水合物與阻燃填料的復合也能明顯減少火災的危險。未來的空運將是人類的主要交通根據，但空難事故的嚴重也使人們憂心忡忡。新研制的具有自診斷功能的機敏復合材料，是把一系列光纖埋入復合材料中，一旦材料的某個部分發生異常應變或局部斷裂必然會影響到光的傳遞模式，通過電子裝置不僅可了解到破壞情況而且可以定出具體位置。因此把這種材料用于飛機結構上，則可預警可能發生的事故，讓駕駛員有時間作出應急處理，而不致發生突發性災難。這種設想已經處于實驗階段，估計不久的將來會實現。當然機敏和智能復合材料不僅僅如此，當前正在研究具有自愈功能的智能材料，如果得以實現，則會避免許多災難，更加提高人類生活的安全性。
（四）對鞏固國防起決定性作用本世紀中復合材料的發展是由于軍工的激勵，但下世紀中復合材料在國防中仍然是重要的材料。盡管當前和平是主流，但是局部戰爭仍然不斷發生。某些超級大國仍然沒有放棄獨霸的企圖，為此各個對國防絲毫沒有放松。未來的戰爭是高科技的戰爭。由于精確的探測技術和制導武器的進步使主要作戰武器（作戰飛機、坦克、軍艦、導彈等）自我生存能力受到極大的威脅。不久前的海灣戰爭是一個極好的事例。然而矛與盾是不斷相對發展的，在這種形式下隱身技術就隨之誕生了，以美國為代表的發達已經將其成功地用在軍用飛機上（如B-2、F-117等），使之幾乎完全逃避探測設備的發現和導彈的追擊。隱身技術主要使用具有隱身功能（吸收雷達波和紅外線）的復合材料，它主要是由具有吸波纖維材料（如碳化硅纖維、碳纖維）以及其他吸波填料和聚合物樹脂復合而成的，這種復合材料既是結構材料又是隱身吸波材料，適合于制造飛機機身和導彈殼體。此外各種武器都要求盡量降低本身重量來增加用于戰斗的載荷，先進復合材料完全能夠滿足此要求，因此各種導彈和軍用飛機都大量采用，并且逐步向主承力結構上發展以代替重量大的金屬。此外碳基（碳-碳）復合材料的耐高溫抗燒蝕性是各種材料之冠，因此導彈的再入鼻錐和發動機噴管即以此為選材料。又如坦克的裝甲已經發展成復合裝甲，其中復合材料也是重要的部分，總之復合材料在軍事上的用途很多，甚至包括常規武器上也不難發現復合材料，在此不能一一列舉。
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隨著人口極度膨脹，生活需求不斷提高，地球環境污染問題已經到了非常嚴峻的程度。這是由于在創造物質文明的同時必然會排放大量固、液、氣態的物質到環境中去。因此有必要審視復合材料對未來環境帶來的影響。從某種角度上來看復合材料由于是多相材料必然具有回收困難的缺點似乎是對環境不利的。然而從對天然材料的分析資料來看足以說明這類材料幾乎無一例外的是復合材料。例如木材是木纖維及木質基體構成的，甚至動物的骨骼也是骨纖維和骨質素的復合材料。這表明采用復合材料的形式是自然的規律，體現在天然材
料能夠很好地與環境長期相容。另一方面復合材料還對環境治理有積極作用，例如氣體和液體的分離膜常常需要把有分離功能的物質與支撐網絡基材復合起來用于提高分離膜的強度，在前文中提到的把低性能天然材料和廢棄物通過復合的方式制成低檔生活用品以滿足某些生活需求，以及延長材料使用壽命都是對環境有利的。同時當前正在致力于研究既提供所需的性能又可以生物降解的復合材料，并使其降解產物無害于環境，這種循環方式正是未來對環境友善所期望的材料。以上事實表明在下世紀中復合材料的發展非但不致像某些材料那樣會
受到環境要求的制約，而且還對環境有一定的支持作用。
（六）具有發展潛力的新型復合材料正在崛起
當前在復合材料領域中已出現不少新的生長點，除前文提到的功能與多功能復合材料和智能與機敏復合材料外，納米復合材料也是有發展潛力的。因為增強體達到納米尺寸后，其表面性能大幅度提高，同時其表面積的驚人數值增加了增強體的有效體積分數。目前用有機高分子單體對層狀無機填料進行插層構成的納米復合材料已接近實用化階段。另外運用仿生的原理來仿生復合材料也有很大的發展前景。這些新的生長點無疑將在下世紀中嶄露頭角。
