在材料这个大家庭中，无机（陶瓷）材料、金属材料、有机高分子材料是大家比较熟识的。然而复合材料，是这个家族中一颗璀璨的明珠。就像通常我们了解的玻璃钢，其实就是一种玻璃纤维增强树脂基复合材料。复合材料在科学上的定义是指由两种或两种以上不同性质、不同形态的组分通过复合工艺组合而成的一种多相材料。它既保持了原组分材料的主要特点，又显示了原组分材料所没有的新性能，可以通过材料设计使各组分的性能相互补充并彼此联系，从而获得新的优越性能。

材料是人类赖以生存和发展的物质基础，也是社会现代化和高新技术发展的先导。

由于有机高分子材料在性能、成型方法及灵活的可设计性等方面的优势，使以其为基体的高分子基复合材料（也称树脂基复合材料，聚合物基复合材料）发展非常迅速，目前在军用、民用上获得了广泛的应用。虽然以金属材料、无机材料为基体的复合材料的发展略逊于树脂基复合材料，但它们同样存在很大的发展空间。

悠久的历史

最早的树脂基复合材料可以追溯到几千年前。如古人用干草拌黄泥制作墙体和地面的纤维复合材料；至今尚存留着无穷奥秘的古埃及木乃伊的包料竟是一种缠绕工艺复合材料；而那承载着“卧薪尝胆”、“西施浣纱”等悠远故事的越王勾践剑，也是一种包层金属复合材料；而传统的千层底布鞋，乃是一种三维编织复合材料。这些，都是你始料未及的吧？

二战时期，由于战争资源的需要，第一个纤维增强合成材料而成的复合材料应时代而生：1940年，以手糊成型方法制成了玻璃纤维增强不饱和聚酯的军用飞机雷达罩。1944年，玻璃纤维增强树脂作为机身和机翼材料的飞机试飞成功。由此可见，复合材料的诞生和发展都和国家安全紧密联系在一起。

在人们对复合材料的性质了解还不够深入时，树脂基复合材料主要作为次承力构件应用到航空器中。随着生产工艺的发展，材料性能的逐步提高，复合材料在航空器中的地位越来越重要。怎样减少飞机结构重量以提高飞机的装载效率是百年来飞机发展所一直追求的目标。从20世纪初的木、布结构，到30年代轻合金的全金属结构，30年代－60年代虽然金属材料的性能有很大提高，但是单依靠提高金属材料性能来进一步降低飞机结构重量系数（即飞机结构重量与飞机起飞重量的比值）已达到极限。为此，飞机设计师们不得不寻求新的途径，于是找到了高比强度（材料强度与密度的比值）、高比刚度（材料模量与密度的比值），另外能按控制结构变形要求来设计的纤维增强树脂基复合材料。

随后，具有更高比强度、比刚度，同时兼具更高剪切强度、剪切模量以及耐热性的第二代现代复合材料应运而生，主要以硼纤维、碳纤维、芳纶纤维为增强材料，以聚酰亚胺等高性能树脂为基体，同时包括铝、镁、钛等金属基体，金属间化合物，碳化硅、氮化硅等陶瓷基体。而性能更高的氧化铝纤维、碳化硅纤维、晶须等增强材料的出现，更引发了具有多功能、高韧性、耐热的第三代高性能复合材料的发展。1980年以后，先进复合材料在航空、航天等领域已经得到了较为广泛的应用。

优异的特性

树脂基复合材料具有许多优异性能，尤其是非常适合在航天器结构上使用。随着航天器设计要求的不断提高，复合材料及其工艺技术的发展和成熟，目前复合材料已逐步成为航天器结构的主要材料，如航天器的主承载结构、太阳电池阵列结构、天线结构及其他有关部件均广泛采用了复合材料。

树脂基复合材料到底具有哪些优势，让它能具有如此强大的魅力呢？我们知道，普通碳钢的密度一般为7.8克/立方厘米，而玻璃纤维增强树脂基复合材料的密度通常只有1.5～2.0克/立方厘米。密度比玻璃纤维更小的碳纤维和有机纤维增强树脂基复合材料的密度就更低，这个特性成就了树脂基复合材料的高比强度、比模量，使其具有优异的轻质、高强的特性。人造地球卫星的质量减轻1千克，运载它的火箭质量则可以减轻1 000千克，因此用复合材料来制造人造卫星有很大的优势。

二者树脂基复合材料具有非常优异的可设计性，简单地说，就是树脂基复合材料可以根据不同的用途要求，灵活地进行产品的设计。如对于结构件，可以根据受力情况合理布置增强材料，节约材料、减轻质量；对于耐腐蚀性能要求的产品，选择耐腐蚀性能好的基体树脂和增强材料；对于介电性能、耐热性能等要求都可以通过选择合适的原材料来满足。

三是纤维增强的树脂基复合材料具有突出的成型工艺性，成型工艺方法众多，目前已经应用的成型工艺方法有几十种，而新的方法还在发展中，能满足各种类型制品的制造需要，尤其特别适合大型、形状复杂、数量少的制品的制造。

四是树脂基复合材料在破坏过程中一般要经历基体开裂、界面脱粘、纤维拔出、断裂等一系列损伤的发展过程，具有非常好的耐疲劳性能，破损安全性能高。这一点在主要受交变载荷应力作用的直升机上尤其具有突出的优势。

树脂基复合材料还具有优异的电性能，既可根据需要设计成导电材料，也可设计成绝缘材料、半导电材料，而且它还具有很好的透波性能，在机载、舰载和地面雷达罩方面大显神通。树脂基复合材料界面具有较大的吸收振动能量的能力，使材料的振动阻尼很高，一旦振起来，在较短时间内就可停下来。优良的耐腐蚀性也使飞机在使用过程中表现出优异的耐酸性能、耐海水性能、耐碱、耐盐、耐有机溶剂等优势。树脂基复合材料还能兼具特殊的光学、电学、磁学特性，可以充分发挥 “复合”材料的特性，通过合理的结构设计、材料选择，实现结构－功能一体化。

相比较金属基、陶瓷基复合材料，树脂基复合材料的长期耐热性不足，一般长期使用温度在300摄氏度以下。但它具有很低的导热系数，通常只有金属的百分之一～千分之一，是一种优良的绝热材料，选择适当的基体和增强材料可以制成耐烧蚀材料和热防护材料，能有效保护火箭、导弹和宇宙飞行器在2 000摄氏度以上承受高温、高速气流的冲刷作用。固体火箭发动机喷管的工作温度高达3 000～3 500摄氏度，为了提高发动机效率，还要在推进剂中掺入固体粒子，因此固体火箭发动机喷管的工作环境是高温、化学腐蚀、固体粒子高速冲刷，目前只有碳/碳复合材料能承受这种工作环境。当然，在自然条件下，由于紫外光、湿热、机械应力、化学侵蚀的作用，也会导致复合材料的性能变差，发生所谓的老化。

树脂基复合材料具有一系列优异的性能，在航空、航天方面的应用和研究都获得了很大的发展。但是，复合材料构件的成本，即由原材料、制造、检测、维护和修理等构成的全寿命周期费用太高，因此，复合材料结构首先应用于航空、航天飞行器、高速列车、赛车、赛艇等高成本投入、高性能要求的结构上。但在新型树脂基体、增强材料等方面的研究工作一直都没有停止，新的复合材料的成型方法，也吸引着很多人的眼球，而高性能、低成本的工艺，更将成为复合材料发展的主流。

军民领域的多面手

为了提高军用飞机性能，美国空军材料研究所早在20世纪50年代中期就开始寻求比已经采用的铝合金、钛合金等金属材料的比强度、比刚度更大的材料。为此，研究开发了先进树脂基复合材料、铝锂合金等轻质高性能材料。先进树脂基复合材料在航空、航天飞行器结构上的应用获得了成功，现已成为与铝合金、钛合金、钢并驾齐驱的四大结构材料之一。先进树脂基复合材料的用量已经成为飞机先进性的一个重要标志。

复合材料飞机结构技术是以实现高结构效率和改善飞机气动弹性与隐身等综合性能为目的的高新技术。先进树脂基复合材料的应用，对飞机结构轻质化、小型化和高性能化起着至关重要的作用。复合材料结构特点和应用效果，在高性能战斗机实现隐身、超声速巡航、过失速飞行控制，前掠翼飞机先进气动布局的实际应用，舰载攻击/战斗机耐腐蚀性改善和轻质化，直升机长寿命和轻质与隐身化等诸多方面得到了展现。复合材料技术已成为影响飞机发展的关键技术之一。

美国空军F-117隐身战斗机采用碳纤维增强环氧复合材料做成骨架和外面的蒙皮，没有金属表面，也没有金属铆钉反射雷达波；美国1989年首飞的隐身轰炸机B-2，复合材料占结构用量的50%；F-22基本构型没有采用特殊的外形隐身措施，没有过多牺牲机动性，而它传奇般的隐身性能主要是通过复合材料和隐身涂料完成的。而F-35中应用复合材料已占到结构质量的30%～35%；“旅游者号”（Voyager）全复合材料飞机于1986年创下了不加油、不着陆连续环球飞行9天，航程40 252千米的世界纪录，其碳纤维结构用量大于90%，飞机的结构重量只有453 千克，载油量3吨。

军用飞机中复合材料结构件的成功应用，给民用飞机的材料选择带来了巨大的影响，波音、空客等干线客机中复合材料在结构材料中的应用比例也越来越高。空客A380是550座级超大型宽体客机，整机采用了较多的复合材料（23%），大大减轻了飞机重量，减少了油耗和排放，降低了营运成本。波音787“梦想”飞机则是200座～300座级飞机，航程随具体型号不同可覆盖6 500～16 000千米。它使用碳纤维、有机纤维、玻璃纤维增强树脂以及各种混杂纤维的复合材料制造了机翼前缘、压力容器、引擎罩等构件，不仅使结构重量减轻，还提高了飞机的各种飞行性能。波音787中复合材料的用量达50%，这可使其比目前同类飞机节省20%的燃油消耗。空客公司由于受到波音公司复合材料高用量的威胁，计划在A350飞机上将复合材料的用量再次提高到53%，以形成与波音787飞机的竞争。而倍受国人关注的国产大飞机C919复合材料的用量也将达到 20%以上。复合材料在飞机上的应用经历了从次承力构件—尾翼主承力构件—机翼—机身主承力构件的发展，已成为飞机结构的主要材料。

随着人们对复合材料未知性能的探知和欲求的增长，机敏型复合材料（Smart composites）和智能型复合材料（Intelligent composites）的实现，使人类具有了能自诊断、自适应、自愈合，甚至自决策、自修补功能的复合材料。到那时，每一个材料都有“思想”了，用这种材料制备的器件，还有什么功能不能实现的呢？而随着复合材料的快速发展，我们可以畅想，也许有一天，我们就可以像现在每天开汽车上下班那样，每人都能开着定制的小型飞机上下班了。