基于大量科学和工程的成果的发现，人们似乎可以得出这样的结论：复合材料的性能通常优于更传统的材料。科学家认为，高科技复合材料取代传统材料是一种必然的趋势。 以下是给出的一些理由。 1 什么是复合材料？ 复合材料是由金属材料、陶瓷材料或高分子材料等两种或两种以上的材料经过复合工艺而制备成的多相材料，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，从而满足各种不同的需求。 复合材料由连续相的基体和被基体包容的相增强体组成。复合材料的基体材料通常分为金属和非金属两大类。 常用的金属基体有铝、镁、铜、钛及其合金。主要的非金属基体有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料则主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、单晶晶须、金属丝和硬质细粒等。 1960年代，为满足航空航天等尖端技术所用材料的需要，美国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4×106cm，比模量大于4×108 cm。 为了与第一代玻璃纤维增强树脂复合材料相区别，这种复合材料被称为先进复合材料（Advanced Composites Material，简称ACM）。 ACM具有质量轻，较高的比强度、比模量、较好的延展性、抗腐蚀、隔热、隔音、减震、耐高（低）温等特点，已被大量运用到航空航天、医学、机械、建筑等行业 认同先进复合材料将取代传统材料者给出了以下几点理由 2 理由一：复合材料有助于改善可持续性 当前，除了疫情之外，全世界关注的焦点是气候变化、废弃物过量产生等紧迫问题。人们越来越关注可持续材料的开发，来替代那些不可循环复用的一次性材料，而许多环保型复合材料恰好可以满足这种需求。 可修复的碳纤维组件以延长使用寿命 无论是飞机零部件，还是高尔夫球杆，碳纤维复合材料都是传统金属材料的热门替代品，但是对于常规碳纤维材料而言，大多数一旦损坏就无法修复或回收。 目前，美国华盛顿大学的研究人员开发了一种新型碳纤维材料。在性能方面，它与传统碳纤维复合材料一样轻巧坚固，不同的是，即使材料本身发生破裂，也能轻易修复，而且，只需要通过传统加热或射频加热的方式即可无限次修复材料的破损。 华盛顿大学助理教授Aniruddh Vashisth展示其团队正在研究的一种可反复修复的碳纤维复合材料样本 在华盛顿大学定制的方程式赛车上，可以看到该新型碳纤维的独特交叉图案 这是一种相对较新的材料类别，学术上被称为碳纤维增强玻璃体 (vCFRP)。 常规的碳纤维复合材料通常可分为两大类。第一类产品中含有环氧树脂，它的硬度是固定的。第二类产品中使用了较软的胶水，虽然可以将材料分解以进行重新加工，但以强度和刚度的降低为代价。 而vCFRP材料则允许复合材料的碳链不断地“链接、断链和重新链接”，而性能的牺牲几乎为零。 用于汽车内部的碳纤维零部件可减少产品的碳足迹 采用先进碳纤维复合材料以减少产品碳足迹，是另一个提升可持续性的案例。 瑞士一家公司为赛车制造的9个内部件，全部采用了一种更可持续的复合材料，这种材料由天然纤维制成。这使材料制造本身的排放量减少了94%，内部件从摇篮到大门的排放量减少了90%。 可以超越其原始组分材料的性能，是复合材料的另一大特点，例如那些经过耐热处理的再生木材。当人们越来越了解复合材料，并掌握如何通过“复合”来改变常规材料的性能时，复合材料的发展将会更快。 以上只是一部分复合材料提高可持续性的案例。一些企业家甚至已经将此其产品的亮点，并声称在公司运营中贯穿了环境的可持续性原则。例如，一些使用先进复合材料的风力涡轮机制造商声称，在涡轮机生命周期结束时，他们将优先考虑设备的修复，而不是草率地将其废弃。 3 理由二：有助于改进关键基础工艺 复合材料工程师一直在研究如何“帮助用户改进关键基础性工艺”。例如，复合材料螺钉现在已经是组装甲板的常见选择，因为它们通常比传统的木质螺钉密度更大。此外，它们还具有更细的螺纹和相对较小的头部，使它们更容易钉入甲板。 改进螺丝不仅可以节省人工成本，还能得到满意的结果。如今，从设计产品到质量检查，在生产制造的任何阶段，都有利用复合材料改进现有传统工艺的机会。 机器人辅助下的复合材料风扇叶片的生产 与复合材料相关的许多工作正在进行，这些工作涉及到未来的方法和路径，例如机器人技术和机器学习在新材料开发和制造中的应用。 英国的罗尔斯-罗伊斯公司有一个专门开发新型复合材料的新设施，最近该公司开发了一种利用机器人辅助制造采用复合材料的喷气发动机风扇叶片的新方法。 碳纤维复合材料层叠在风扇外壳模具上 该部件都有大约500层碳纤维材料，每一层碳纤维材料的处理都是利用机器人在工厂工程师的监视下自动完成的。机器人可以在装配线的工位之间升降和移动零件，并确保平稳、高效的操作。 采用机器学习改善复合材料的测试方法 在复合材料缺陷测试的标准方法方面，研究人员希望利用“机器学习”取得突破。目前，主流的测试方法还是基于X 射线和超声波的测试。然而，这两种方法都有其优缺点，这促使研究人员下决心突破这些局限。 Russell Varley 是澳大利亚研究机构 Carbon Nexus 研究复合材料的教授。他指出:“理解和开发用于复合材料产品无损检测的下一代分析方法，具有改变这个行业的巨大潜力。” 澳大利亚的一个资助机构给这个项目捐赠了一笔研究资金，帮助其探索“机器学习”解决一些众所周知的复合材料测试问题的可能性。 当然，这并不意味着人们已经停止了改进与传统材料相关工艺的尝试，但是，世界各地的材料专家对复合材料的兴趣持续高涨，目前很多研究集中在由两种以上组分材料制成的复合材料的新项目上。 高科技复合材料通过改变颜色显示缺陷 复合材料在拥抱工业4.0方面，具有诱人的前景，同样，在材料制造及提高工厂生产效率方面，也有很多令人着迷的工作。 研究人员开发了一种复合材料层压板，它可以根据材料的变形改变自身的颜色。研究人员相信，这将有助于在生产的早期发现问题，并提醒个人注意到可能的材料缺陷。迄今为止，人们只在实验室中尝试过这种材料。然而，一旦成功并转化为规模生产，这项创新带来制造工艺的多方面改进。 例如，它可以预防复合材料零部件的内部缺陷，并最大限度地减少未来的产品召回。该团队还报告说，这种新材料由多层材料组成，具有抗断裂性能，而且重量很轻。而所有这些都是复合材料最理想的特性之一。 4 理由三：复合材料为新材料研发指明方向 复合材料的另一个优点是，它们帮助工程师和科学家开发新的材料，以解决传统材料的短板。 由非织造布制成的新型复合材料 非织造布是由粘合纤维制成的，不需要传统的针织或织造。研究人员最近创造了一种新的非织造布复合材料，可能是绷带和口罩等医疗产品的理想选择。 研究团队介绍说，发明一种可能与人的皮肤接触数小时或更长时间的材料，需要仔细考虑复合材料的期望性能。该团队的关注重点是材料的透气性和吸水性。他们还想在材料中加入棉花组分，以提高其舒适度。 测试结果表明，这种新型织物比传统织物能吸收更多水分，在拉伸回弹测试中表现良好，这代表着这种材料可以很好地重复使用。 高科技复合材料可以减少手机显示屏破裂的烦恼 显示屏是智能手机不可或缺的重要部件，许多手机用户都会采取一定的保护措施以防万一，例如手机屏幕保护膜或手机保护套，即使手机制造商已经采用了先进的超耐用玻璃。最近，一项与复合玻璃相关的创新或许可以减少这些额外保护措施。 一个国际项目小组研究出了一种新型玻璃复合材料，它可以最大程度减少屏幕破碎，并提高显示亮度。这种材料以卤化铅钙钛矿为基础的，它的工作原理类似微型太阳能电池板，可以捕获和储存能量。其基本原理是将纳米晶包裹在多孔玻璃中。 该方法可以改进目前设备屏幕采用的纳米晶技术。但项目团队提醒说，他们还需要找出创造这种新型材料的最佳方法。 以上只是复合材料众多优势的一部分。传统材料在许多场合仍有一席之地，但先进复合材料的优势更明显，前景也更光明。 5 近几年，国内复合材料行业的发展也非常迅猛。 2022年1月12日，中国复合材料工业协会与中国建材杂志社联合发布了2021年度复合材料行业十大新闻。其中，位列第一的新闻是“设计时速620公里！世界首台高温超导高速磁浮工程化样车启用”。 该样车由上海晋飞采用全碳复合材料轻量化车体、低阻力头型等新技术和新工艺制造，设计时速620公里，有望创造陆地交通速度新纪录，为远期向时速1000千米以上速度值的突破奠定基础。 交通运输是复合材料最重要的领域，随着技术的不断创新，在双碳目标的推动下，运输工具轻量化将在一定时期内成为主要发展方向，特种密封材料，特种摩擦材料以及碳纤维树脂基复合材料正大量被应用。 另据介绍，先进复合材料现已和铝、钢、钛一起，发展成为第四大航空结构材料，是飞行器制造的不二之选。高效化、自动化、功能化将是未来先进复合材料发展的主流趋势。未来，直升机上复合材料用量将达到70%-80% 左右，甚至将出现全复合材料飞机。 先进复合材料具有显著的性能优势和潜在的轻量化能力，使其在运载火箭和导弹领域也获得广泛应用，为了有效降低火箭和导弹重量，提高作战性能，预计在未来一段时间，碳纤维复合材料在该领域应用将会进一步扩大。 此外，海洋装备中复合材料的也应用非常广泛，特别是北极航线开通后，对船舶船体、特别是船舶的上层建筑的保温性能提出了更高要求。 “芳林新叶催陈叶，流水前波让后波。” 时至今日，钢铁材料依然是最主要的工业基础材料，在可预见的未来，钢铁材料作为最主要的工业社会基础材料的地位依然无法撼动，而新型材料的研发更多的是面向特定领域和特定需求的功能材料，将成为钢铁材料的有益补充。