世界当代科技史-第25节
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（4）先进复合材料
复合材料是由两种或两种以上不同材料制成的。单一材料都有一定弱
点，如金属材料不耐腐蚀，有机高分子材料不耐高温，无机非金属材料较脆。
因此复合材料近年来倍受重视。
本世纪40年代出现了玻璃钢。它以玻璃纤维作骨料，以合成树酯作粘结
剂和基体，是一种轻质、高强、耐腐蚀、绝缘性能好的复合材料。40年代中
期以后，玻璃钢被广泛应用于飞机、火箭、舰艇、导弹等作为结构材料。
60年代以来，当代航空航天事业的迅猛发展，需要高强度、高模量、高
耐温、低比重的复合材料。许多高性能的纤维增强材料应运而生，主要有碳
纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维等。它们的比强度和比
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模量都分别在 6。5×10cm和6。5×10cm以上，属于先进复合材料。它们与
玻璃钢等近现代复合材料不同，具有低比重、高强度、高刚度、耐磨、导热、
导电、膨胀系数小、抗疲劳性能好、阻尼性能好、耐烧蚀、耐冲刷、抗辐射、
吸波、换能等众多优良性能，可以满足高技术对材料的苛刻要求。先进复合
材料既可以做结构材料又可做功能材料及结构功能一体化材料，不仅应用于
航空航天，在民用工业、能源技术、信息技术等方面也大有用武之地。
高性能增强材料是先进复合材料的关键组成部分。60年代，美国和日本
开发出碳纤维，但其强度和弹性模量都不高。70年代以来，由于采用了热牵
引碳化技术，强度大幅度提高；并采用其他工艺，使弹性模量进一步提高。
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80年代以来，人们合理选择原料和工艺条件，有效改善和控制碳纤维的结
构，使碳纤维性能朝高强度、高模量发展。1986年，日本东丽公司开发出高
性能T1000碳纤维，实现了高强度、高模量、高延伸率这一目标。碳纤维增
强塑料在先进飞机结构中所占比例越来越高，全碳纤维复合材料小汽车与壳
体已经出现。在运动器材，如羽毛球拍、网球拍、撑杆、弓箭等制造中，碳
纤维增强塑料已成为主角。
芳纶具有优异的力学性能。它的拉伸强度与石墨纤维相同而高于不锈钢
丝，但它的抗冲击强度却为石墨纤维的6倍。它具有良好的耐热性、耐火性、
不熔，使用温度很宽，在增强纤维中它的密度最低。由芳纶与高性能树脂基
复合而成的有机纤维复合材料，除具有优异的力学性能外，最大优点是重量
轻。这种复合材料已被广泛应用于航空航天和国防军工领域，如做火箭固体
燃料发动机壳体、飞机机头雷达天线罩、波音757的机翼和机身的整流包皮
等。
硼纤维是1958年美国发明的。实际上它是由钨丝包裹一层硼形成的复合
材料。而在钨芯上直接沉淀碳化碴形成碳化硅纤维。硼纤维和碳化硅纤维的
强度和弹性模量为纯铝的20—30倍，高强度铝合金的7—10倍，因此可用它
们增强金属。目前，以碳化硅纤维增强铝合金发展最快，已获得商业规模应
用。它的重量只有钢的1／3，强度比中碳钢好，模量高于钛合金。1983年，
日本丰田汽车公司首先研制成功碳化硅纤维增强铝柴油机活塞。美国在战斗
机的垂尾、机身、大梁蒙皮上选用了碳化硅纤维增强铝。碳化硼纤维增强铁
基高温合金的性能超过目前使用的强度最高的铸造高温合金，其强度比目前
最好的单晶合金高30％，可减重40％。碳化硅纤维增强钛已广泛用于板材和
管材，但其横向强度低，会引起芯材开裂。现在采用不对称排列增强纤维和
真空扩散连接工艺，解决了开裂问题。这种全碳化硅纤维增强钛壁板将用于
飞机重尾、导弹壳体和空间飞行器部件。目前金属基复合材料多用于航空航
天技术，小批量用于汽车工业和机械工业。随着制造工艺的不断完善、纤维
类增强材料成本的下降，它们将在民用方面大显身手。预计到2000年，铝基
金属复合材料的销售量仍居首位，而铜基、镁基的金属复合材料增长率将超
过20％。
陶瓷基复合材料可以克服单一陶瓷材料脆性大的弱点。它使用的增强体
有多种陶瓷纤维、晶须、颗粒等。目前，陶瓷基复合材料已实用化或即将实
用化的领域有刀具、滑动构件、航空航天部件、发动机制件、能源构件等。
法国已将长纤维增强碳化硅复合材料应用于制造超高速列车的制动件，显示
出优异的摩擦磨损性能。碳一碳复合材料是广义的陶瓷基复合材料。它具有
比强度高、耐高温、抗烧蚀、抗磨损和抗热震性能好等优点，在航空航天领
域已被广泛应用，如导弹的头锥、火箭的喷管、航天飞机的结构件。碳…碳刹
车片用于飞机起落架的刹车构件。首先采用碳…碳刹车装置的民航机是欧洲的
A310“空中客车”，减重400公斤以上。波音757和767也使用了这种材料。
在为下一世纪设计的航空航天飞机上，碳…碳复合材料占有重要位置。这种可
作高超音速旅客机的第二代航天飞机，最高温度可达 2760℃。在此条件下，
唯一能够胜任的就是碳…碳复合材料。
先进复合材料问世只有20多年，现已成为当代高技术的重要组成部分。
预计今后其发展将更迅猛。据美国预测，估计到2000年，聚合物基复合材料
的全球市场规模将达120亿美元。中国已把先进复合材料作为发展高技术的
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关键新材料，列为国家高技术研究发展计划纲要的重要内容。“七五”期间
已取得一定成果，今后将有更大发展。
2。当代建筑科学技术
当代社会生产与人们物质文化生活的发展，需要更多、更好、功能更全
的建筑。因此，在基础科学、材料科学等学科的推动下，新型建筑材料逐渐
发展起来。同时，新型建筑结构不断涌现，其中大跨度建筑是当代建筑科学
技术的重大成果。
（1）建筑材料和建筑工艺
在原有的水泥、钢材、钢筋混疑土等建筑材料的基础上，当代建筑材料
又有新的发展。
第二次世界大战后，意大利的奈尔维发明了由水泥沙浆和细钢丝网组成
的轻骨料钢筋混凝土，用于高层建筑物中。近些年来，根据“均匀配筋”的
理论，在混凝土中掺入金属纤维、玻璃纤维或树脂纤维等，使轻质高强度混
凝土广泛使用。如原西德用玻璃纤维混凝土制造薄壳屋顶，直径为31米，壳
厚度只有1厘米。另一种是采用重骨料 （钢屑、重晶石）的重混凝土，可用
于建造核电站的防护屏。此外，还采用各种外加剂，如防水剂、防冻剂、发
泡剂、速凝剂等，改善了混凝土的性能。
第二次世界大战以后，随着高分子合成工业的发展，塑料在建筑工业的
应用日益广泛。塑料建筑材料有防水、防腐、耐磨、抗震、质轻、强高度、
隔音消声、绝热保温、绝缘性好、鲜艳美观等优点。塑料建筑材料分为装饰、
装修、结构和特种功用四大类，目前主要用于铺设管道、地面、墙面、窗柜
以及泡沫塑料保温材料等。近40年来，塑料建筑材料增长了几十倍。
当代建筑施工技术的进展主要有两个方面。一是建筑机械及其配套设备
日臻完善，二是预制构件的广泛应用。第二次世界大战以后，建筑机械发展
极为迅速，在推土机、挖掘机、铲运机、起重提升机械、混凝土搅拌输送机
械及其配套设备中，采用了增压发动机，液力变矩器代替了齿轮传动机构，
广泛采用液压操纵等技术，这些都为建筑现代化和建筑施工工业化奠定了可
靠的基础。预制装配建筑在第二次世界大战后发展迅猛。从60年代起，装配
式钢筋混凝土建筑很快得到推广。装配式建筑主要为砌块建筑、预制大板建
筑、预制框架挂板建筑和预制盒子建筑几类。盒子结构出现最晚，但也已有
20多个国家采用，发展了约100多种体系和制造方法。由于预制装配式钢筋
混凝土结构存在许多缺陷，近些年来它的发展势头有所减弱，现浇混凝土建
筑有东山再起之势。
（2）建筑结构
当代建筑结构在高层建筑和大跨度建筑方面有突出进展。高层建筑的发
展分为两个阶段。第一阶段从19世纪末到20世纪中叶。第二阶段从20世纪
50年代开始，特别是60年代以后，高层建筑发展出现新的高潮。高层建筑
分板式和塔式两类。60年代后建筑越来越高。为减轻风荷载的影响，塔式建
筑成为主流。于1973年建成的纽约世界贸易中心大厦，就是典型的高层塔式
建筑。自50年代起，在高层建筑上使用了大面积的玻璃幕墙和铝板幕墙。为
了提高建筑的抗风、抗震性，高层建筑采用了一些新的结构体系，主要有剪
力墙体系，框架—剪力墙体系、筒式体系。目前高层建筑已遍及许多国家，
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最高的是1974年建成的芝加哥城的西尔斯大厦，高达442米，110层。中国
1985年建成深圳国际贸易中心大厦，高160米，是中国第一座高层建筑。此
后又有广东国际大厦、北京京广中心等相继落成。60年代以来，许多国家还
建造了达500米以上的电视塔。目前最高的是加拿大多伦多国家电视塔，高
548米。中国在亚运会前夕建成的北京电视塔高405米。在1991年10月，
中国又建成天津广播电视塔，高415。2米，是目前世界第三、亚洲第一高塔。
大跨度结构在19世纪末已经出现，20世纪50年代后发展更为迅猛。大
跨度结构有悬索结构、薄壳结构、网架结构、充气结构等。50年代后，由于
钢材强度进一步提高，国外开始用高强钢丝悬索来覆盖大跨度空间。1953年
建成的美国雷利市竞技馆，屋盖采用双曲马鞍形悬索结构，造型简洁新颖，
是早期的著名悬索结构建筑。中国于1961年建成北京工人体育馆，比赛大厅
屋盖采用了圆形双层悬索结构。薄壳空间结构包括薄壳与折板，薄壳有球壳、
筒壳、双曲扁壳、双曲抛物面壳等。1925年，德国的耶那天文台及莱比锡、
巴斯尔等地的市场建筑都采用了钢筋混凝土球壳屋顶，其中巴斯尔市场的球
形屋顶跨度达60多米，厚度只有9厘米。40年代末，奈尔维设计了连续拱
形薄壳结构。1950年，在意大利都灵建成波形装配式薄壳屋顶展览馆。1976
年，在美国西雅图建造的体育馆是穹顶壳体结构，直径为200米。中国1957
年建成的北京天文馆，屋顶球壳直径为25米，厚度只有6厘米。1959年，
中国建成北京火车站，共有6个双曲扁壳，中央大厅壳体平面尺寸为35×35
米，厚8厘米。折板结构屋顶的著名建筑是1958年在巴黎建造的联合国教科
文组织的会议大厅。设计师根据结构应力的变化将折板截面由两端向跨度中
央逐渐变化，使之显示出一种韵律感，别具一格。网架结构在本世纪50年代
开始萌芽。60年代，电子计算机的发展和应用，解决了网架力学分析的困难，
网架结构建筑迅速发展起来。1966年，美国休斯敦市建造的圆形体育馆，采
用了网架结构，直径达193米，可容纳65000人。中国 1968年建成的首都
体育馆，是中国最早的网架结构建筑，屋盖宽99米，长112。2米。此后中国
又陆续建成南京五台山体育馆、上海体育馆、福州市体育馆等，也都采用了
网架结构。充气结构是当代发展起来的新型结构。1946年，美国建成了第一
座气承式建筑，用作雷达站。其外形为一圆穹体，直径15米。1975年，美
国建成了密执安州亚克体育馆，其薄膜气承屋面覆盖面积达3。5万平方米，
是当时世界最大的充气建筑，可容纳8万观众。1976年以后，中国陆续研制
了一些采用气承式或气肋式结构的展览厅、教室、实验室等，但这种结构的
建筑尚未进入推广阶段。
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九、能源科学技术和交通科学技术的发展
