【专业讲堂】关于复合材料的系列科普知识（二）：复合材料的类型

在前期关于复合材料的科普知识中，主要介绍了复合材料概念和结构组成（阅读原文），本文则继续按照复合材料发展史介绍了天然复合材料、经典复合材料、现代复合材料的特点及主要应用领域，并概述了未来复合材料特点。

天然复合材料

当谈论复合材料时，通常指的是为航天飞机和喷气飞机等特定应用精心设计的坚固、轻巧、超现代的材料，但是以这种方式看待复合材料会很容易忘记长期存在的天然复合材料。

木材是由木质素内部中生长的纤维素纤维制成的复合材料。骨骼是另一种古老的复合材料，其中胶原纤维对羟基磷灰石基体进行增强，甚至人造复合材料也不一定是高科技和现代专有的，比如混凝土和砖（由用稻草增强的泥土或粘土制成的）是人类发明的复合材料的两个示例，这些复合材料已广泛使用了数千年。

经典复合材料

第一种现代复合材料是玻璃纤维增强塑料，简称GRFP或GRP，其历史可追溯至1930年代。如今，GRP通常以胶带的形式出现，可以粘贴到模具表面上。塑料背带是将玻璃纤维固定在适当位置的基体中，但正是纤维提供了大部分材料的强度。

虽然塑料相对较软且柔韧，但玻璃纤维却坚固，将两者放在一起，将获得坚固、耐用的复合材料，适用于诸如汽车或船体之类的结构件，比使用的金属或合金轻，并且不易生锈。

智能汽车是轻型复合汽车。钢制安全壳将各种不同的零件和面板结合在一起，这些零件和面板主要由塑料制成，包括聚丙烯（PP）、聚乙烯醇缩丁醛（PVB）、聚碳酸酯（PC）和聚对苯二甲酸乙二酯（PET）。与大多数汽车一样，“橡胶”轮胎实际上是由橡胶和许多其他材料（例如二氧化硅）制成的复合材料。

现代复合材料

当今的高级复合材料基体主要是基于金属、塑料（聚合物）或陶瓷，这为我们提供了现代复合材料的三种主要类型：金属基复合材料（MMC），聚合物基复合材料（PMC）和陶瓷基复合材料（CMC）。

1、金属基复合材料

它们具有轻质金属（例如铝或镁合金）基体，并用陶瓷或碳纤维增强，例如碳化硅增强铝，以及石墨纤维增强铜、镍合金，这使金属的强度比它们自身强了数百倍。MMC坚固、耐磨、防锈且相对轻便，但它们往往价格昂贵。它们在航空航天（如喷气发动机）、军事应用（氮化硼钢用于加固坦克）、汽车工业（柴油发动机活塞）和切削工具中很受欢迎。

2、陶瓷基复合材料

顾名思义，它们使用陶瓷材料（例如硼硅酸盐玻璃）作为基体，碳纤维或陶瓷纤维（例如碳化硅）增强从而有助于克服普通陶瓷的主要缺点（脆性大、低断裂韧性等），例如碳纤维增强碳化硅（C/SiC）和碳化硅增强碳化硅（SiC/SiC）。

CMC最初是为航空和军事应用开发的，在这些应用中，轻量化和高温性能非常重要（例如燃气轮机、喷气发动机排气喷嘴），CMC也用于汽车制动器和离合器、轴承、热交换器和核能等领域反应堆。由于CMC倾向于用于高温应用，因此聚合物纤维和常规的低熔点玻璃纤维通常不用作增强材料。

3、聚合物基复合材料

尽管CMC中的纤维使其更坚硬且不那么脆，但在PMC中，陶瓷或碳纤维增强使基体增加了强度和刚度。在PMC中，塑料基体既可以是热塑性塑料（通过加热使之软化并重塑）如聚酰胺，也可以是热固性塑料（即使在重新加热后仍能保持其形状） ）如环氧树脂。

一般而言，基于热固性塑料的PMC相比于基于热塑性塑料的PMC在承受高温和溶剂侵蚀方面更胜一筹，但它们并不那么坚固，而且它们还需要很长的制造时间，因此不适合快速、廉价、批量生产。

轻质、高刚度、高强度和耐腐蚀性使PMC成为制造汽车、轮船和飞机零件的出色材料，它们还广泛用于体育用品（例如网球拍、高尔夫球杆、滑雪板和滑雪板）。尽管基于环氧树脂的热固性PMC在航空航天中得到了广泛应用，但在这些应用中，能够承受高温的基于热塑性的PMC也变得越来越重要。

未来复合材料

当前的许多研究都集中在通过使用直径小1000倍的纤维即纳米纤维来改善复合材料上，这些所谓的纳米复合材料是纳米技术的一个例子，通常使用碳纳米管或纳米颗粒作为增强材料。

与传统复合材料相比，它们可能更便宜并且具有更好的机械和电性能，如柯尔特曲棍球公司现在正在宣传涂有镍-钴纳米复合材料的碳纤维曲棍球棒，它的强度是“强于钢的2.8倍，柔韧性比钢高20％”。

纳米复合材料：典型的这种棕色粉末N-CAS（纳米复合吸收性溶剂）是PMC的一个例子，其设计用于去除饮用水中的有毒砷。它是通过将吸收砷的金属氧化物纳米粒子嵌入聚合物基体中制成的。图片由爱达荷州国家实验室和美国能源部提供。