輕質(zhì)高強的特性是材料發(fā)展永恒的主題，它是推動社會、經(jīng)濟、科技發(fā)展，國防建設(shè)和增強國家競爭力的重要基礎(chǔ)。在材料的輕質(zhì)高強化進展中，以碳纖維復合材料為代表的纖維增強復合材料是最成功的典范。如導彈發(fā)動機殼體、武裝飛機、航母、艙外宇航服、裝甲、大飛機、汽車減重、高速列車、海洋開發(fā)、風能發(fā)電、光纖增強等離不開高性能纖維及其復合材料。過去的幾十年，它在世界強國的發(fā)展進程中起到非常重要的作用，不僅在航空、武器研發(fā)、國防建設(shè)中具有不可替代的地位，而且在科技進步、經(jīng)濟建設(shè)和體育運動等領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用。高性能纖維及其增強復合材料幾乎已成為世界強國國家實力的象征之一（如圖1所示）。

圖1 碳纖維的相關(guān)應(yīng)用

碳纖維復合材料本身具備了較高的比強度和比模量、抗疲勞、耐腐蝕、成型工藝性好及可設(shè)計性強等特點，現(xiàn)已成為汽車和飛機結(jié)構(gòu)中與鋁合金、鈦合金和鋼并駕齊驅(qū)的四大結(jié)構(gòu)材料之一，是21世紀汽車、航空制造技術(shù)新材料發(fā)展的主流方向之一，已被國家納入重點支持產(chǎn)業(yè)方向。據(jù)中國復合材料“十二五”發(fā)展初探，全球復合材料行業(yè)的重心正在從歐美發(fā)達國家轉(zhuǎn)向亞洲，亞洲復合材料產(chǎn)量高速增長是行業(yè)發(fā)展最明顯的趨勢之一，產(chǎn)量到2015年有望翻番，達1000萬噸。預計亞洲在全球復合材料市場所占比重將從本世紀初的25%提升至2013年的51%。由此可見，復合材料成型工藝及設(shè)備研究在推動汽車、航空制造業(yè)乃至多個工業(yè)發(fā)展方面都具有舉足輕重的作用。由于其顯著的抗沖擊韌性優(yōu)勢，近年來熱塑性復合材料開始在航空部件中應(yīng)用：荷蘭Fokker公司基于碳纖維/聚苯硫醚（PPS）熱塑性復合材料，設(shè)計并開發(fā)了飛機尾翼部分、方向舵和升降舵；用于美國Gulfstream航空航天公司的G650 型商務(wù)機并已于2009年11月試飛成功，榮獲了2010年JEC 復合材料展覽會航空航天創(chuàng)新獎；Ticona公司制備機翼主緣，用于空客A340和A380飛機的機翼、副翼結(jié)構(gòu)。

圖2 碳纖維復合材料在A380 上的應(yīng)用情況

圖3 碳纖維復合材料在B787 上的應(yīng)用情況

智能復合材料構(gòu)造的研究開發(fā)無疑是21世紀材料構(gòu)造領(lǐng)域的重要課題。中文的“智能”一詞大致地說對應(yīng)于英文“Smart”，“Intelligent”或“Adaptive”。早在20世紀50年代人們已提出“Adaptive system”（自適應(yīng)系統(tǒng)）這一概念。 20世紀80年代“Smart materials and structures”（機敏材料與結(jié)構(gòu)）得到廣泛認可，同時以此為主題的國際會議也被定期舉行，相應(yīng)的雜志也逐漸增對?，F(xiàn)階段的智能材料大多是根據(jù)需要從而選擇兩種或多種不同的材料來復合或是集成制成的。即在使用材料構(gòu)件中埋入某種功能材料或器件，使這種新組合材料具有智能特征。從構(gòu)造上看，現(xiàn)階段的智能材料是復合材料的一種，故在此稱之為智能復合材料。耐沖擊形狀記憶樹脂混合層合板是一個很好的示例，其原理如圖4 所示。

圖4 形狀記憶高分子材料的記憶和回復機理

利用干式成膜法可以將SMP制成薄膜，然后與其他復合材料復合，從而得到混合率不同的層合板。由于SMP 單體具有優(yōu)良的減振和耐沖擊效果，所以由 SMP 復合的層合板可望對原復合構(gòu)造的減振和耐沖擊性能有較大的改善。圖5顯示了所開發(fā)的幾種層合板試料，是由CFRP（carbon fiber reinforce plastic）預制薄膜層及CF織物和SMP薄膜疊積而成，其SMP 層厚度分別占板厚的25%、50%等。

圖5 形狀記憶樹脂混合層合板

另外，還可利用碳纖維的導電性給所開發(fā)的層合板通電，讓其內(nèi)部發(fā)熱至SMP的Tg以上，然后來比較分析各條件下的耐沖擊性能，從而使SMP 得到更好的減振耐沖作用。

圖6 層合板通電電流與板溫的關(guān)系

圖7 各層合板沖擊能量的比較

圖6 顯示了層合板通電時通電流與板溫度的關(guān)系。當電流在1.5A以上時，層合板的溫度可達Tg以上，在此條件下對上述層合板做貫通沖擊試驗，用整個沖擊過程中所消耗的能量Et作為評價指標，其沖擊性能的評價結(jié)果如圖7所示。由圖可見，層合板中SMP 的含量為25%時，其吸收能是全CFRP板的兩倍。當SMP從25%增加到50%時，吸收能增加了20%左右。由此可見，SMP可大大提高材料的耐沖擊性能。另外，當給同層合板通電時，其吸收能達約5J/mm，與沒有通電相比有很大的提高。同時，在SMP的Tg溫度以上，SMP復合層合板顯示出更好的耐沖擊性能。

來源： 中國材料研究學會