§§§第一节不是钢，胜似钢
刚柔相济的跳高撑杆
你看过撑竿跳高比赛吗？那真是一种力量与艺术的完美结合。只见运动员双手紧握撑杆，先是疾速飞跑，当跑到横杆前时，撑杆触地，借着助跑的一股冲力，身体腾空而起，如矫健的雄鹰，掠过横杆，轻轻落在泡沫软垫上。
显然，在这一过程中，撑杆起到了决定性的作用。你看那撑杆先是弯曲，而且弯的弧度非常大，然后挺直，将运动员弹向空中。这细长、神奇的撑杆，它柔中带刚，又富有弹性，比竹竿强韧，较钢棒轻巧，真可谓“刚柔相济”。
它是用什么材料做的呢？
现在世界上绝大多数撑竿跳高运动员所用的撑杆，都是用玻璃钢做的。
但玻璃钢是怎样一种材料？它是怎样诞生的？玻璃钢是钢吗？玻璃钢里有玻璃成分吗？
玻璃钢是怎样诞生的
玻璃钢诞生于20世纪40年代。那时，正值第二次世界大战。战争需要大量的武器装备，迅速发展的军事工业对材料提出了越来越高的要求。例如，制造飞机的材料要求密度小而强度高；制造潜艇的材料，既要耐海水腐蚀，又要能防磁，以避开鱼雷的袭击。同一种零件要求同时具有好几种优异的性能，有时这些性能看起来是相互矛盾而不能兼有的。显然，这样的要求是任何一种单一材料所无法满足的。于是，人们设法把两种或两种以上的材料结合起来，让它们取长补短，相得益彰，制成兼有几种优良性能的新材料，这就是复合材料。
虽然“复合”的思想可以追溯到久远的古代，但用到人工材料的复合材料则直到20世纪上半叶才出现。先是1907年世界上第一家人工合成酚醛树脂厂建立，接着一大批人工合成树脂，如脲醛树脂、环氧树脂、不饱和聚酯树脂等热固性树脂相继出现。树脂材料容易成形，比重小，耐磨，耐腐蚀，但它们脆性较大。于是人们用天然纤维与之复合，产生了最初的含有人工材料的复合材料。其中天然纤维称为增强材料，人工合成树脂称为基体材料。如在无线电通信设备和军事器械中常用的“电木”，就是用木粉、布、纸或其他纤维作为增强材料，经浸渍酚醛树脂层压而成的复合材料。
1938年，人们制成了玻璃纤维。到二战，出于军事的需要，在“比铝轻，比钢强”的要求下，人们把玻璃纤维作为增强材料，以一类热固性树脂作为基体材料，复合成了现在所称的“玻璃钢”，用于制造飞机零件。从此以后，人工复合材料便一发而不可收，成了当前材料技术的一个主要发展方向。
不是钢的“钢”
你别望文生义，以为“玻璃钢”是钢的一种。钢是金属材料，是由铁和碳这两种基本元素组成的合金。玻璃钢中没有金属元素，更不是铁碳合金，它是一种复合材料。之所以称它为“玻璃钢”，是因为它具有钢一般的刚强性格，真可谓“不是钢，胜似钢”。
玻璃钢同一切复合材料一样，由两部分材料组成。一部分称为增强材料，在复合材料中起骨架作用；另一部分称为基体材料，在复合材料中起黏结作用。
玻璃钢中的增强材料就是玻璃纤维。玻璃纤维是由熔融的玻璃拉成或吹成的无机纤维材料，其主要化学成分为二氧化硅、氧化铝、氧化硼、氧化镁、氧化钠等。制成的纤维有长丝、短丝及絮状物，直径一般为3—80微米，最粗也只有头发丝那样粗细。直径为10微米的玻璃纤维，抗拉强度为3600兆帕，相当于在每平方毫米的截面积上能承受360千克的拉力而不断。这种强度比高强度钢还高出2倍。
我们知道，玻璃是很脆的，不小心掉到地上，“啪”的一声便粉身碎骨。
为什么拉成玻璃纤维后会有如此高的强度呢？大块玻璃强度不高，是因为其内部存在许多微裂缝、气孔和夹杂物等。如果把大块玻璃比作一块布满小洞的破布，把玻璃制成玻璃纤维就相当于把这块破布撕成许多细小的布条。我们知道，把破布随意撕成布条时总是在有洞的地方撕开，这样，撕下来的布条上小洞就减少了，就变得比破布还结实。玻璃纤维比一般玻璃强度高，甚至比钢还高，道理就在于此。
玻璃钢中的基体材料是热固性树脂。它的作用是把玻璃纤维按一定位置固定下来，使玻璃纤维受力均匀。玻璃钢中常用到的热固性树脂有酚醛树脂、环氧树脂、聚酯树脂三种。基体材料对玻璃钢的性能也有举足轻重的影响。
它们的共同特点是密度小、强度高，而且耐蚀性和电绝缘性能好。不同的是：
酚醛树脂玻璃钢耐热性较高，可在150℃—200℃下长期工作，具有良好的综合性能，价廉，但需在高温下成形，即成形性较差；环氧树脂玻璃钢强度高，收缩性小；聚酯树脂玻璃钢可在常温常压下成形固化，便于制成大型构件。
玻璃钢的生产，一般是将几层浸浇了合成树脂的玻璃纤维布层叠到一定的厚度，再经过热压固化，制成各种形状的材料，如板料、管料、棒料等。
博采众长
用合成树脂和玻璃纤维复合而成的玻璃钢，既提高了树脂的强度，又克服了玻璃纤维的脆性，有的性能指标超过了其组成材料性能的总和，如玻璃钢比玻璃纤维和树脂都不容易断裂。玻璃钢的密度为2克/厘米3，抗拉强度为1170兆帕，比强度（即抗拉强度同其密度之比）为6.0×104米；而铝合金的密度为2.6克/厘米3，抗拉强度为470兆帕，比强度为1.7×104米，即玻璃钢的比强度是铝合金的3—4倍。玻璃钢具有质轻、高强、耐蚀、电绝缘性能好、能透过电磁波、隔音、减震、传热慢、耐瞬时高温等一系列优点。
它的缺点是刚性较差、易变形、长时间工作的温度不能超过250℃、易老化等。
用途广泛
目前，玻璃钢产品已有数万个品种，它们在军事、航天、航空、机械、汽车、舰船、建筑、化工、体育以及人们日常生活中，都有着广泛的应用。
玻璃钢与常用的飞机材料相比，质轻而强度高，玻璃钢比同样重量的铝合金可多承受载荷2—3倍。对飞机来说，减轻自重会带来巨大的效益，除了能节省材料、降低成本外，还能提高飞行速度，增加运输量。如果你知道了“超重一克与黄金价值等量”的说法，就能体会到玻璃钢减轻飞机自重的重大意义了。早在20世纪40年代玻璃钢诞生之初，它就用来制造战斗机、轰炸机上的雷达罩，因为玻璃钢不但不反射无线电波，而且能让电波通过。1944年3月，美国的BT—15飞机试飞成功，这种飞机的机身采用了玻璃钢制造的塑料夹心结构，这为进一步在飞机上应用玻璃钢奠定了基础。在现代的大型民航客机上，多处使用了用玻璃钢制造的零部件，我国在1983年也试制成功了壳体全部用玻璃钢制成的飞机。
由于玻璃钢具有瞬时耐高温性能，而且传热慢，它被用作导弹、火箭、人造卫星等的外壳和烧蚀防热材料。20世纪50年代后期，美国中程导弹“北极星A—2”的第二级固体火箭发动机壳体采用了玻璃纤维增强环氧树脂玻璃钢的缠绕制件，它比钢质壳体轻27％。后来美国人又在“北极星A-3”第一级火箭壳体所用的玻璃钢中，用高性能的玻璃纤维代替了普通的玻璃纤维，使这个壳体比钢质壳体减轻50％，从而使这种导弹的射程从2700千米增加到4500千米。
航天事业的发展，开拓了玻璃钢应用的新领域。对航天器由太空重入大气层的烧蚀性研究，显示了玻璃纤维增强酚醛树脂的卓越性能。第一代头部烧蚀防热材料就是高硅氧玻璃纤维增强酚醛树脂，头部后面的大面积防热层则采用了高硅氧玻璃纤维织物缠绕增强酚醛树脂。
玻璃钢耐海水腐蚀，能吸收撞击能量而达到减震的目的，故适合于制造船舶，包括潜艇、扫雷艇等。1946年，美国海军第一艘玻璃纤维聚酯小艇诞生。1948年，美国海军开始生产玻璃纤维聚酯增强塑料的扫雷艇，这种扫雷艇可不受磁性水雷的威胁。目前，水上运动中的赛艇、旅游用的快艇也广泛采用玻璃钢制造。
§§§第二节层出不穷的先进复合材料
鉴真和尚的塑像
我们已经看到，以玻璃钢为代表的复合材料，开拓了材料技术的一个全新领域。其实，“复合”的思想，可以追溯到距今7000多年的新石器时代前期。那时，人们已会在黏土泥浆中掺入稻草作为墙壁和砖坯的材料，因为他们知道这样可以把黏土的强度和稻草的韧性结合起来，形成比单一的黏土或单一的稻草性能要好的材料。
你听说过1200年前我国唐代高僧鉴真和尚东渡日本弘扬佛法的故事吗？日本至今还保存着鉴真和尚的塑像。其实，这尊塑像是用复合材料制成的。它的制作过程是这样的：先做出一个泥胎，在其外面裹上一层麻布，这麻布就是现在所称的增强材料；再涂上油漆将麻布黏结起来，这油漆就是现在所称的基体材料，它是用大漆和桐油混拌而成的（大漆是由漆树分泌出来的一种天然树脂）。然后再裹上一层麻布，再涂上油漆，如此反复多次，直至达到一定的厚度。最后对塑像表面进行修饰，勾出线条，涂上颜色。等油漆干燥后，用水冲去里面的泥胎，一个中空的、由麻布和油漆复合而成的塑像就全部完成了。这一丈（约相当于3.3米）多高的塑像既轻巧又牢固，一个人就可以轻易举起，倒地也不会损坏。这可说是古代复合材料的成功范例了。
现代生活中的简单复合材料比比皆是，如建筑用的钢筋混凝土也是一种复合材料，它是以钢筋为增强材料，以混凝土为基体材料，制成后比钢筋或混凝土都来得坚固，不容易断裂损坏。
“三高一低”
到目前为止，可把复合材料的发展史划分为三个阶段。第一阶段是古代，就像制作鉴真和尚塑像的复合材料那样，用的是天然材料，制作工艺比较简单，强度和韧性只能说满足当时生产力发展水平的需要。第二阶段是近代，其典型代表就是玻璃钢。第三阶段是从20世纪60年代至今，其特点就是“三高一低”的先进复合材料。
所谓“三高一低”，是指高强度、高模量、耐高温和低密度。20世纪60年代以来，航空航天事业的飞速发展对复合材料提出了“三高一低”的要求。而玻璃钢缺乏这样的高性能，特别是它刚性差、易变形，比模量只有2.1×106米，所以它逐渐被先进复合材料所代替。
所谓先进复合材料，通常是指比强度大于4×104米、比模量大于4×106米的复合材料。
模量，这里是指弹性模量。这是一个表征材料刚度的物理量，一般用材料所受的外力同在这个外力下材料所发生的形变之比来计算。弹性模量越大，说明这种材料越不容易发生形变，也就是说，其刚度越高。
比模量是材料的弹性模量同其密度之比。比模量大的材料，质轻而刚强，显然是优秀的材料。
我们知道，复合材料是由增强材料和基体材料这两部分组成的。要提高复合材料的性能，还得从这两部分入手。
在增强材料方面，人们使用了多种纤维材料，主要有碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维等。这些都是比玻璃纤维更优越的纤维材料。就拿碳纤维来说吧，它的强度比玻璃纤维高6倍，比钢高4倍，而密度只有钢的1/4。碳纤维的最大特点是刚性好，抵抗变形的能力要比钢大两倍多。20世纪80年代以来，人们通过合理选择原材料和工艺条件，不断改善碳纤维的结构，使碳纤维向着高强度化、高模量化的方向发展。
在基体材料方面，用于先进复合材料的有树脂、金属和陶瓷等，因此先进复合材料可分为树脂基复合材料、金属基复合材料和陶瓷基复合材料。
人们可以根据不同的使用要求，选择不同的纤维增强材料和不同的基体材料进行复合，可以制成结构复合材料，也可以制成功能复合材料，或制成结构和功能一体化的复合材料。当前研究较多的是：以高分子纤维、碳纤维或碳化硅纤维增强的树脂基复合材料（最高使用温度可达400℃），以碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维或氧化铝纤维增强的金属基复合材料（最高使用温度可达800℃），以及以陶瓷纤维或陶瓷颗粒增强的陶瓷基复合材料（最高使用温度可达1000℃—1400℃）。此外，还有碳/碳基复合材料。
碳/碳基复合材料是先用碳（石墨）纤维毯、布或三维及多维编织物浸渍可碳化物质（树脂、沥青等），再使其碳化和石墨化，如此反复进行多次，直至达到所需的密度为止而制得的。碳（石墨）的各向异性使其在高温工作时容易炸裂。但制成碳/碳基复合材料后，却具有比强度高、耐高温、抗烧蚀、抗磨损、抗热震性好等优点，可在航天航空领域中用作导弹的头锥、火箭的喷管、航天飞机的机翼前缘等，还可用作大型飞机及军用飞机的刹车片等。
应用领域一瞥
先进复合材料的应用几乎涉及各个领域。在航天领域中，除了上面提到的碳/碳基复合材料可作为优良的热防护材料外，先进复合材料还广泛用作结构材料，如卫星天线及其支撑结构、太阳能电池翼和外壳、各种受力骨架、运载火箭壳体、航天飞机舱门等。
在航空领域中，目前先进复合材料在军用飞机上的重量已占到结构重量的20％—30％。格鲁门飞机公司正在执行一项“先进设计的复合材料飞机”计划，按该计划，先进复合材料将占飞机结构总重量的68.5％，使飞机结构重量减轻35％。在民用飞机上，美国研制的“旅游者号”全复合材料飞机，其结构材料的90％以上采用碳纤维复合材料，结构重量仅为435千克，载油量达3200千克。该飞机在1986年创造了不着陆加油连续环球飞行、历时9天、行程40252千米的世界纪录。
在汽车工业中，先进复合材料可用来制造车身、底盘、悬挂结构、传动轴、发动机架等。用先进复合材料制造的轿车车身，比钢制的车身轻60％。
有人预言，若在欧洲的每辆轿车上使用1千克碳纤维，其总用量将在12000吨以上，大大超过在航天产品上的用量。
先进复合材料也给传统的自行车带来了巨大的变革。一辆碳纤维复合材料的自行车仅重9千克，骑起来轻快省力。在我国，20世纪90年代初，北京环航复合材料有限公司与天津飞鸽自行车厂联合研制了碳纤维复合材料自行车，北京航天工艺研究所与广州自行车公司合作研制了全碳纤维复合材料自行车。
可以相信，不久的将来，先进复合材料的自行车将出现在大街小巷，跑遍祖国各地。
先进复合材料的出现还使材料设计从常规设计转向仿生设计。例如，风力发电机的风翼和直升机的机翼所用的材料就是仿造了动物的骨骼结构：
