高性能纤维复合材料有哪些？
复合材料，是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。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而满足各种不同的要求。
复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。
复合材料应用广泛，主要在基础建设和建筑工程领域、交通运输领域、汽车复合材料、能源与环保领域、航空航天领域。其中，风电、高铁和汽车、高温气脱硫、军工用复合材料是发展热点领域。
高性能复合材料顾名思义，就是性能较高的复合材料。
按照合成的原料不同，高性能纤维主要分为碳纤维、芳纶纤维、特殊玻璃纤维、超高分子聚乙烯纤维等，其中碳纤维、芳纶纤维、超高分子聚乙烯纤维是当今世界三大高性能纤维，而碳纤维尤其值得关注。
据美国市场研究机构提供的数字，2015年前，全球碳纤维市场需求将保持13%的增长，而我国对碳纤维的需求增速却明显快于全球。据估计，至2015年，我国对碳纤维总体需求将达1.6万吨。而根据新材料产业规划，“十二五”末我国碳纤维产能为1.2万吨。
而目前碳纤维新材料已进入快速扩张期，未来航天航空、油气开发、汽车、电子等领域将带动碳纤维材料需求大幅增长。据了解，日、美、德等国技术垄断集中度较高，原丝、炭化等关键环节由日、美等国控制，其中，小丝束碳纤维生产基本上被东丽、东邦和三菱等日本企业所控制，三者市场占有率达到70%左右，大丝束则主要由美国卓尔泰克、德国西格里和日本东邦控制，市场占有率为80%左右。
纤维复合材料的发展
复合材料由两种或两种以上性质不同的物质组合而成，各种组成材料在性能上能互相取长补短，使它的综合性能优于原组成材料。 想像一下，千百年前农家住房的墙体都是土堆砌的，家家户户都养牛、猪等牲畜。有一天如果牲畜发狂往墙撞过去，墙是否会倒塌呢？古人用什么方法来解决这个问题呢？复合材料是近几年常常听到的名词，电视新闻也常报导许多新科技产品是用「碳纤维」、「复合材料」做的。但究竟什么是碳纤维？什么是复合材料呢？中国台湾复合材料产业又是如何发展呢？ 复合材料的定义与历史 先来严肃一点看学术上的名词─复合材料，根据国际标准化组织给复合材料所下的定义是：两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料，各种组成材料在性能上能互相取长补短，因而产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。 在复合材料中，通常有一连续相，称为基材；另一相是分散相，称补强材，而两相之间有相界面。乍看之下非常复杂，但事实上，从远古时代开始，复合材料就出现在人们的生活中。复合材料既是一种新型材料，也是一种古老的材料。复合材料的发展历史大致可区分为古代复合材料和现代复合材料两个阶段。 考古学家发现，早在西元前2000年，在中国西安东郊半坡村仰绍文化遗址中，古代人已经懂得用稻草或麦秆补强黏土作为住房墙体的材料。想像一下，当牛冲撞土墙时，牛撞击所造成的裂缝会一直裂开，直到遇到稻草就停止，这就是当牲畜冲撞土墙不会倒塌的原因。而这样的原理也应用在现代水泥房舍的建造，在水泥中加入碎石，当地震或墙体产生撞击而有裂缝时，水泥内的碎石也会阻挡裂缝成长而保护墙体不倒塌。 考古学家发现，古代人已经懂得用稻草或麦秆补强黏土作为住房墙体的材料。而这样的原理也应用在现代水泥房舍的建造，在水泥中加入碎石，当地震或墙体产生撞击而有裂缝时，水泥内的碎石也会阻挡裂缝成长而保护墙体不倒塌。 中国古代用漆灰（主要用生漆和砖瓦灰、河沙、黄土灰或石灰调在一起）和麻布为原料制成一种复合胎体。先在用木材或泥土制好的模具上涂一层漆灰，再贴一层麻布，接着再涂漆灰。如此反复数次，等漆灰干燥后从模具上取下成形的漆器胎体，称为「夹纻胎」。这种夹纻胎漆薄体轻、光洁美观，气候变化时也不易变形和开裂（这就是麻布作为补强材的功劳），并可以自由地造型，制作比较复杂的器型，深受人们喜爱，可以说是现代复合材料的鼻祖。 另外、元代蒙古弓用木材为芯，再把受拉面贴单向纤维，受压面黏牛角片，以丝线缠绕，漆作黏胶。这样做出来的弓轻而有力，是古代复合材料中极佳的应用。 到了现代，由于科技的进步，我们对复合材料有更进一步的了解，因此把复合材料依不同需求进行不同的分类。例如：依补强材的不同，分为纤维复合材料、颗粒复合材料、积层复合材料、薄片复合材料、填充复合材料；如果以基材来分类，则可以分为高分子基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料、碳∕碳复合材料等。 复合材料种类繁多，但其中应用最广的，当属以纤维补强的高分子复合材料（纤维复合材料，简称纤维复材），而纤维复材基本的组成是纤维及高分子基材。纤维是决定复合材料机械性质的主要因素，用以承受主要负载，限制微裂纹延伸，提高材料刚性与抗疲劳及潜变性能等。 高分子基材的分类 高分子基材一般分为热塑性树脂及热固性树脂两大类。纤维则有不同的材料及型式，常用的有玻璃纤维、碳纤维、克维拉纤维（拿来做防弹背心的纤维材料）、硼纤维、碳化矽纤维几种，型式上有短纤、连续长纤、纤维编织布、粉状纤维等。 简单地说，两者之间的关系就是用树脂为基材，把细长状纤维「黏住并固定」，形成内含纤维状物的新材料，就称为纤维复合材料。事实上，「黏住」一词并不是一个学术上的名词，但有助于我们对基材与纤维间内含「界面」的情况建立一容易理解的想像。其实在纤维复合材料中，这界面的结合力是由化学键结所产生，称为「固化」。而整体纤维复合材料的品质与性能主要由纤维与基材的界面特性所决定，探讨纤维复材的界面行为是另外一个专门的领域，在本文中不另赘述。 现代使用的纤维复材具有良好的力学性质，例如高强度、低密度等，因此常用在航太工业或高阶自行车产业。在应用上，由于这些产业对材料强度与轻量化的要求较高，在强化纤维的选择上，通常以连续长纤维为主。 现代复合材料起源自20世纪40年代，因航空工业的需要而发展了玻璃纤维复合材料，又称为玻璃纤维强化塑胶，从此出现了复合材料这一新名词。而热固性复合材料与热塑性复合材料的发展各有所长，常见的树脂基材分类如下。 热固性树脂基复合材料是指以热固性树脂如不饱和聚酯树脂（做浴缸用的树脂）、环氧树脂（就是俗称的AB胶）、酚醛树脂（俗称的电木）、乙烯基酯树脂等为基材，以玻璃纤维、碳纤维、克维拉纤维等为补强材制成的复合材料。目前纤维复材中，绝大部分指的是热固性纤维复合材料。热固性复合材料产品主要用于运动器材、建筑、防腐、交通运输、造船、航空太空等工业领域。 在运动器材方面，中国台湾是全世界最大且技术最佳的运动器材代工国家，如球拍、自行车零组件、棒球棒、曲棍球棒等，不论品质、产能都是世界首屈一指。在建筑方面，有内外墙板、透明瓦、冷却塔、水箱、卫浴用品如浴缸等。在石化应用方面，主要用于管道修补。在交通运输方面，汽车应用有次结构件、非结构件及改装件等如车身、引擎盖、保险杆等配件。火车应用有车厢板、门窗、座椅等。船艇方面主要有船体、船身配件等。在机械及电器领域，如风力发电叶片等。在航空方面，有飞机主结构件、次结构件、非结构件等。在太空及军事领域，有卫星天线、火箭喷管、防弹板、鱼雷、飞弹等。上述应用领域目前主要都使用热固性纤维复合材料。 比钢强比铝轻的尖端复合材料 纤维复合材料借由补强材与基材「各尽其长、互补其短」的特性，有效地弥补单一材料的缺点，并产生单一材料无法达到的新性能。因此，纤维复合材料的出现与发展，可说是现代科技发展的结果。也因为现在科技的突飞猛进，使得对材料的要求日益提高，前面所提的玻璃纤维强化塑胶已经不能满足产业应用，因此出现所谓的尖端复合材料，专指用于主受力结构和次受力结构的产品，且其刚性（材料抵抗变形的能力）和强度（材料承受破坏的能力）性能相当于或超过钢材，且重量又相较于铝合金轻的纤维复合材料。 相较于一般玻璃纤维强化塑胶，尖端复合材料是以高性能纤维（如碳纤维、硼纤维等）为补强材的纤维复合材料，它的比重比铝合金低，但比强度、比模量却高于钢。因此，「比钢强、比铝轻」是我们一般对尖端复合材料最佳的诠释。也由于尖端复合材料凭借其优异的力学性能、结构强度可设计性等突出优点，在军用、民用领域得到广泛的认可和应用。 尖端复合材料特性图 尖端复合材料具有质量轻，较高的比强度∕比模数（比刚性），较好的延展性、抗腐蚀、隔热、隔音、减震、耐高（低）温等特点，目前大量应用在航太、军事、医疗、交通运输、机械、建筑、运动器材等行业。以复合材料飞机结构零组件为例，近年来由于油价大涨，而飞机需要抵抗重力飞行于空中，减轻机身重量便可提升速度或性能，如何使飞机更轻更省油，就成为飞机制造公司的首要大事。 再者，在飞行或起降过程中，机身会承受复杂的应力，因此飞机的结构材料除了要轻以外，更要有足够强度且耐疲劳等特点，尖端复合材料就因此脱颖而出。 我国复合材料的发展历史 我国复合材料工业的发展，始于1960年代玻璃纤维强化塑胶制品（玻璃纤维补强不饱和聚酯树脂复合材料）的制造。以复合材料游艇为例：早期从国外引进技术，采用进口原料生产渔船、游艇与浴缸，迄今已有五十多年的历史。而我国游艇工业约于1950年代末期萌芽，当时淡水河畔几家小型木造舢板厂商接受数位喜爱游艇且又热心于中国台湾自行建造小型游艇的业余专家协助指导，开始木造游艇的生产。之后适逢越战时期美军休假来台，使用自行设计的设计图，利用中国台湾廉价及精良的木工技术制作小型游艇游玩。 由于业者的勤勉与模仿领悟性强，以及造船木工手艺精巧等条件，美军回国后广为宣传。中国台湾的小型游艇造船能力深受美军的喜爱，曾外销至美国西海岸，打开中国台湾游艇事业在美国的知名度。到了1960年代，由于玻璃纤维复合材料造船技术自国外引进，我国开始把船舶的生产技术由木材转为复合材料。迄今，中国台湾的游艇产业以生产玻璃纤维强化塑胶动力游艇为主，并涵盖大中小各种尺寸的游艇，是世界上生产技术首屈一指的游艇制造国家。 过去复合材料的产品应用主要以玻璃纤维复合材料为主，例如：大型桶槽、浴缸及船艇。而近年来由于尖端复合材料的发展，对产品的重量、性能要求越来越高。目前玻璃纤维复材的应用领域主要以建筑用材如浴缸、浪板、冷水塔、桶槽等民生用品居多。值得一提的是：中国台湾另一个骄傲电子业所必须用到的印刷电路板，也是以玻璃纤维补强环氧树脂所制备的复合材料。
