一、执行摘要
先进复合材料（Advanced Composite Materials，简称ACM）并不是简单的“高性能塑料”，而是一类通过工程设计，将高强度增强相与专用基体材料组合形成的结构材料体系。与第一代玻璃纤维增强塑料相比，先进复合材料强调更高的比强度（Strength-to-Weight Ratio）与比模量（Stiffness-to-Weight Ratio），在实现轻量化的同时保持甚至超越金属材料的结构性能。
在航空航天领域，结构减重20–30%通常意味着燃油效率显著提升；在风电领域，材料密度每降低10%，年发电效率可提升约4%；在新能源汽车领域，轻量化直接影响续航里程。先进复合材料正是支撑这些工程目标的核心材料体系。
本文基于2020–2026年间公开文献、行业报告及材料数据资料，从定义、分类、性能、制造工艺、失效机制到应用场景进行系统梳理，并结合工程实践逻辑分析其发展趋势与产业瓶颈。
先进复合材料通常指以高强度、低密度纤维（如碳纤维、芳纶纤维）为增强相，与聚合物、金属、陶瓷或碳基材料等基体结合形成的结构材料体系。
其核心特征不是“多材料组合”，而是：
材料效率（单位重量所提供的强度与刚度）是衡量先进复合材料价值的关键指标。
| 分类 | 特征 | 适用领域 |
|---|---|---|
| 聚合物基复合材料（PMC） | 密度低、耐腐蚀、加工性好 | 航空结构、汽车车身、运动器材 |
| 金属基复合材料（MMC） | 耐高温、导热性好、硬度高 | 发动机部件、耐磨零件 |
| 陶瓷基复合材料（CMC） | 耐高温>1000℃、抗氧化 | 燃气轮机、航天热结构 |
| 碳-碳复合材料（C/C） | 极高耐温（>2000℃）、高导热 | 航天刹车盘、热防护系统 |
其中连续纤维增强结构在主承力结构中应用最广。
纳米增强材料通过增加界面面积提升导电、导热及力学性能，但规模化仍受成本限制。
| 材料 | 密度(g/cm³) | 抗拉强度(MPa) | 弹性模量(GPa) | 使用温度(℃) |
|---|---|---|---|---|
| CFRP | 1.6 | 600–1500 | 70–140 | ≤150 |
| GFRP | 2.5 | 250–500 | 70–76 | ≤120 |
| 芳纶复合 | 1.44 | ~3000 | 40–130 | ≤120 |
| Al/SiC MMC | 2.7 | 400–800 | 70–120 | ≤300 |
| SiC/SiC CMC | 3.2 | 300–500 | 200–300 | ≥1000 |
| C/C复合 | 1.6–1.8 | 600–800 | 150–250 | ≥2000 |
材料选择必须基于载荷类型、温度区间和寿命需求。
先进复合材料的性能高度依赖制造工艺。
1. 手糊/真空袋成型（VARTM）
适合大型结构件，成本低，但孔隙率控制难度大。
2. 高压釜固化（Autoclave）
可获得极低孔隙率和高纤维体积分数，适合航空结构，但设备昂贵。
3. RTM树脂传递成型
适合中批量生产，关键在树脂流动控制。
4. 自动铺放（AFP/ATL）
通过机械手自动铺设预浸料，提高一致性，投资成本高。
5. 3D打印复合材料
具备设计自由度，但连续纤维承载能力有限。
6. CVD气相沉积（用于C/C）
用于高温结构，周期长，成本高。
质量检测方法包括超声检测、X射线、热成像等。
单向纤维在纤维方向强度极高，但横向性能较弱。结构设计必须匹配载荷方向。
层间分层是复合材料最典型的失效机制，一旦发生，承载能力迅速下降。
复合材料疲劳损伤通常表现为刚度逐渐衰减。10–15%的刚度下降通常视为失效判据。
波音787与空客A350超过50%结构采用复合材料。核心需求：
叶片要求承受数千万次循环载荷。降低材料密度可提升发电效率。
碳纤维车身用于提升安全与续航，但成本敏感。
CFR-PEEK植入物密度接近骨骼，减少应力遮挡。
FRP用于结构加固与幕墙，具备耐腐蚀与轻量化优势。
当前复合材料回收仍面临纤维与基体分离难题。
先进复合材料的本质不是材料叠加，而是结构设计能力的体现。其优势来自：
未来的发展方向将集中在：
对于工程领域而言，先进复合材料已经不再是“替代材料”，而是许多高端结构设计的基础材料体系。
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