復(fù)合材料發(fā)展?fàn)顩r

1、復(fù)合材料狀況0前言國家“十二五”科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃發(fā)展目標(biāo)：到2020年，我國科學(xué)技術(shù)發(fā)展的總體目標(biāo)是：自主創(chuàng)新能力顯著增強(qiáng)，科技促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和保障國家安全能力增強(qiáng)，取得一批在世界具有重大影響的科學(xué)技術(shù)成果，進(jìn)入創(chuàng)新型國家行列。尤其在信息、生物、材料和航天等前言領(lǐng)域達(dá)到世界先進(jìn)水平。其中復(fù)合材料作為新材料中不可分割的重要部分，明確指出對新材料的結(jié)構(gòu)與復(fù)合華作為復(fù)合材料研究的一重點(diǎn)領(lǐng)域。1復(fù)合材料概述復(fù)合材料是由兩種或兩種以上物理和化學(xué)性質(zhì)不同的的物質(zhì)組成的一種多相固體材料。在復(fù)合材料中，連續(xù)相成為基體，分散相成為增強(qiáng)體。材料主要分為金屬材料、無機(jī)非金屬材料和高分子材料，金屬材料本身密度大、

2、化學(xué)性差；無機(jī)非金屬材料脆性大；高分子材料易老化不耐高溫。隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，尤其是我國航空航天事業(yè)的快速發(fā)展，對材料提出了“三高一低”（即高強(qiáng)度、高模量、高耐溫和低密度）的要求。單一材料所表現(xiàn)出的性能滿足不了苛刻條件下材料性能的要求，因此，將三種材料復(fù)合并合理設(shè)計后通過“揚(yáng)長避短”使得高性能復(fù)合材料得以快速發(fā)展。2復(fù)合材料得分類復(fù)合材料按照基體材料種類分為樹脂基、金屬基和陶瓷基；按照增強(qiáng)形態(tài)分為纖維增強(qiáng)、顆粒增強(qiáng)和疊層（層狀）增強(qiáng)。按照增強(qiáng)形態(tài)所致的復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、比模量高、抗疲勞性好、耐高溫、和斷裂安全系數(shù)高等特性。21樹脂基復(fù)合材料發(fā)展樹脂基復(fù)合材料具有比強(qiáng)度、比模量高、可設(shè)計性強(qiáng)

3、的特點(diǎn)，60年代問世至今，在全球范圍內(nèi)已經(jīng)成為一重要的技術(shù)產(chǎn)業(yè)，并且廣泛應(yīng)用于武器裝備，對武器裝備的輕量化、微型化和高性能化起到了至關(guān)重要的作用；由于樹脂基復(fù)合材料較低的密度，應(yīng)用于航空飛機(jī)，可降低飛機(jī)自重的25%-30%。2.1.1國外現(xiàn)狀據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計，全世界樹脂基復(fù)合材料制品共有40000多種，截止2007年，全球纖維增強(qiáng)復(fù)合材料產(chǎn)量達(dá)750多萬噸，從業(yè)人員約45萬人，年產(chǎn)值約415億歐元1。發(fā)達(dá)國家如美國、德國和日本早在20世紀(jì)90年代初就開始從熱固性樹脂向高性能熱塑性樹脂研究。熱塑性樹脂基復(fù)合材料可以明顯節(jié)約加工時間和工序。樹脂基復(fù)合材料作為優(yōu)異的性能主要應(yīng)用于汽車、建筑、航空和體育

4、用品中。2.1.2國內(nèi)現(xiàn)狀我國樹脂基復(fù)合材料發(fā)展約50年左右，近年來，受世界復(fù)合材料大環(huán)境的影響，我國樹脂基復(fù)合材料發(fā)展迅速，“十二五”國家發(fā)展綱要明確指出了新材料的發(fā)展應(yīng)用，玻璃鋼即玻璃纖維增強(qiáng)樹脂在我國發(fā)展迅速，全球玻璃纖維2014年總產(chǎn)值為7898.5百萬美元，預(yù)期在2019年達(dá)11046.5百萬美元，年增長率6.9%，目前，亞洲市場容量最大。2014年全球玻璃纖維復(fù)合材料行業(yè)總產(chǎn)值為4898百萬美元，預(yù)期2019年達(dá)7044.3百萬美元，年增長率7.1%。2013年中國產(chǎn)量達(dá)410萬噸，中國玻纖復(fù)合材料增長迅速，自1978（3.5萬噸）年到2013（410萬噸）年，中國總產(chǎn)量增長了68

5、3倍。2.1.3樹脂基復(fù)合材料制造技術(shù)依據(jù)不同類型及結(jié)構(gòu)設(shè)計的復(fù)合材料，對模具及制造工藝要求較高，通過不同的成型工藝滿足不同場合的需求。目前航空航天領(lǐng)域樹脂基復(fù)合材料主要的成型工藝包括：熱壓罐成型工藝、RTM成型技術(shù)、纏繞成型技術(shù)、拉擠成型技術(shù)、熱壓成型技術(shù)、自動鋪放技術(shù)等。目前，通過上述成型技術(shù)工藝，旨在發(fā)展樹脂基復(fù)合材料高性能、輕量化的研究，同時重視生產(chǎn)工藝和綜合配套設(shè)施的改進(jìn)，降低成本，使得樹脂基復(fù)合材料性價比更高。2.2金屬基復(fù)合材料發(fā)展金屬基復(fù)合材料發(fā)展至今，科技工作者主要在增強(qiáng)相和制備工藝做了大量研究，其增強(qiáng)相主要分為單絲、長纖維晶須、短纖維和顆粒等；制備工藝主要分為：擴(kuò)散結(jié)合、粉

6、末冶金、霧化和業(yè)態(tài)金屬等方面。在過去二十幾年中，金屬基復(fù)合材料逐漸從軍事國防向民用領(lǐng)域滲透，2.2.1國外現(xiàn)狀目前，其應(yīng)用已經(jīng)在陸上運(yùn)輸（汽車和火車）、熱管道、民航、工業(yè)和體育領(lǐng)域已經(jīng)商業(yè)化，形成年產(chǎn)5000t年產(chǎn)值近20億美元的工業(yè)部門。2008年全世界金屬基復(fù)合材料市場總量達(dá)4400t，2013年以前全球MMCs（金屬基復(fù)合材料）每年保持約5.9%的年增長率。其中陸上運(yùn)輸和高附加值散熱組件各站60%和30%，2.2.2國內(nèi)現(xiàn)狀從MMCs的生產(chǎn)效率，應(yīng)用范圍和規(guī)模與國外相比，已經(jīng)成為衡量一個國家材料科技水平的水準(zhǔn)線，以用量計算，美國、歐洲和日本是MMCs的消費(fèi)大國，超過總量的65%以上，而我

7、國目前尚沒有形成MMCs產(chǎn)業(yè)及產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或軍工標(biāo)準(zhǔn)。目前，僅有少量航空航天單位、科研單位形成了小批量生產(chǎn)的配套能力，品種較為單一，但仍然是我國國防和軍工建設(shè)的有力支撐。近年來，國內(nèi)MMCs市場發(fā)展?jié)摿﹄S著技術(shù)和市場缺錢發(fā)展巨大，西方MMCs公司在中國建廠并生產(chǎn)，然而關(guān)于技術(shù)仍然沒有得到解密。為了在航空航天，武器裝備的迫切需求，我國亟需研制出一批高質(zhì)量MMCs生產(chǎn)技術(shù)和配套設(shè)施。2.2.3MMCs制造技術(shù)MMCs制造工藝和方法主要為攪拌鑄造法、粉末冶金法、原位生成法、擠壓鑄造法和噴射成形法。攪拌鑄造工藝簡單、操作方便、可生產(chǎn)大體積復(fù)合材料；粉末冶金可以制備出增強(qiáng)相高體積分?jǐn)?shù)的復(fù)合材料，但工藝設(shè)備復(fù)

8、雜，成本較高；原位生成主要是通過形核長大成穩(wěn)定相形成，增強(qiáng)表面無污染，增強(qiáng)強(qiáng)度高；擠壓鑄造是制造金屬基復(fù)合材料較為理想的途徑，將預(yù)增強(qiáng)體在模具中加熱迅速冷卻制得；噴射成形主要是得到細(xì)小、致密、組織均勻體，生產(chǎn)工藝簡單，生產(chǎn)成本低。2.2.4MMCs發(fā)展方向金屬基復(fù)合材料由于其制備方法一般在較高的溫度范圍內(nèi)制備新材料，為了滿足科技發(fā)展的需要和市場需求，MMCs復(fù)合材料主要的發(fā)展方向為：簡化制備工藝，降低成本；進(jìn)一步探究金屬基增強(qiáng)相強(qiáng)化機(jī)理，微觀結(jié)構(gòu)變化對機(jī)制的作用；潤濕問題是金屬基復(fù)合材料的難題，解決MMCs潤濕問題成為關(guān)鍵；強(qiáng)調(diào)基體材料與增強(qiáng)材料的選擇問題。2.3陶瓷基復(fù)合材料（CMC）發(fā)展陶

9、瓷基復(fù)合材料（CMC）一般是指相變增韌、顆粒增韌和纖維、晶須增韌陶瓷的材料。主要針對耐高溫復(fù)合材料研究應(yīng)用，主要還是航空航天的應(yīng)用，為了提高航空發(fā)動機(jī)的推重比和降低燃料消耗，50-60年代，發(fā)動機(jī)熱端部件主要材料為鑄造高溫合金，其使用溫度為800-900，70年代中期，定向凝固超合金開始推廣，其使用溫度提高接近1000，進(jìn)入80年代后，開發(fā)出了高溫單晶合金、彌散強(qiáng)化超合金以及金屬間化合物等，并且熱障涂層技術(shù)得到了應(yīng)用，是熱端部件的使用溫度提高到1200-1300，接近合金熔點(diǎn)的80%，再進(jìn)一步提高其使用溫度收到限制，陶瓷基復(fù)合材料是21世紀(jì)可替代金屬及其合金熱端部件的首選材料。近20年，世界各

10、國對高溫結(jié)構(gòu)用陶瓷基復(fù)合材料進(jìn)行了研究和開發(fā)，并投入了大量的人力物力，美國NASA制定的耐高溫材料計劃、宇航計劃以及日本的日月光計劃都把陶瓷基復(fù)合材料作為研究的主要對象，其研究目標(biāo)是將發(fā)動機(jī)熱端部件材料的耐溫達(dá)1650，從而達(dá)到節(jié)能、減重、提高推進(jìn)比和延長壽命的目的，滿足軍事和民用熱機(jī)的需要。2.3.1陶瓷基復(fù)合材料（CMC）制備方法陶瓷基復(fù)合材料通過對陶瓷增韌，纖維增韌引入主要是使得陶瓷材料的斷裂行為發(fā)生根本性變化，由原來脆性斷裂變成了非脆性斷裂；晶須是具有一定長徑比且缺陷較少的陶瓷小單晶，有很高的強(qiáng)度，是一種理想的陶瓷基增韌增強(qiáng)體，晶須引入使得材料由沿晶斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榇┚嗔训幕旌夏Ｊ?；相變?/p>

11、韌是目前極具發(fā)展前途和潛力的結(jié)構(gòu)性陶瓷，主要利用ZrO2的相變特性提高陶瓷的斷裂韌性和抗彎強(qiáng)度，通過應(yīng)力誘導(dǎo)、微裂紋和壓縮表面韌化處理；顆粒增韌是使顆粒充分分散在陶瓷基體中，燒結(jié)致密化，對陶瓷基的高溫強(qiáng)度和高溫蠕變有較大改善，顆粒的分布減小了裂紋擴(kuò)散的驅(qū)動力，可提高陶瓷基復(fù)合材料的斷裂韌性。2.3.2陶瓷基復(fù)合材料（CMC）未來發(fā)展陶瓷雖然作為發(fā)動機(jī)熱端材料具有獨(dú)特的優(yōu)越性，但是其脆性大限制了其廣泛的應(yīng)用，為了克服陶瓷材料存在的可靠性差、敏感和韌性差的缺點(diǎn)，主要通過上述增強(qiáng)機(jī)制改變陶瓷本質(zhì)的特性，為了使陶瓷基復(fù)合材料更快的發(fā)展，突破自身的缺陷，其未來發(fā)展趨勢主要為：1.降低陶瓷基復(fù)合材料的制造

12、成本，目前CMC成本較好，阻礙了其進(jìn)一步發(fā)展，美國陶瓷界人士認(rèn)為：通過凝膠鑄成型與水基低壓制造成型是目前較好的陶瓷成型工藝，且成本低；2.提高陶瓷基復(fù)合材料的可靠性和可重復(fù)制造性，降低因增強(qiáng)效應(yīng)所帶來得加工不穩(wěn)定性；3.目前CMC設(shè)計準(zhǔn)則主要參考金屬材料設(shè)計手冊，其本身尚沒有形成完成的設(shè)計系統(tǒng)，隨著科技手段的進(jìn)步，在特殊領(lǐng)域和特殊構(gòu)件下金屬手冊滿足不了陶瓷材料的設(shè)計要求，因此需盡快完善陶瓷基材料的設(shè)計手冊并制定新的加工設(shè)計準(zhǔn)則，以便進(jìn)一步推進(jìn)陶瓷材料的進(jìn)步。3. 結(jié)論為了滿足苛刻條件下材料的使用，復(fù)合材料以其輕質(zhì)、高強(qiáng)、結(jié)構(gòu)可設(shè)計性、結(jié)構(gòu)功能一體化等優(yōu)異的綜合性能在各個領(lǐng)域表現(xiàn)出突出的作用。尤

13、其在航空航天、國防軍工、能源交通、資源環(huán)境等國民經(jīng)濟(jì)中影響巨大。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，未來復(fù)合材料的發(fā)展將會在上述特性的基礎(chǔ)上更經(jīng)濟(jì)化、功能性更專一化的領(lǐng)域發(fā)展迅速。國家推出“十三五”綠色環(huán)保節(jié)能后，復(fù)合材料的發(fā)展將會更加全面。專業(yè)化，系列化。參考文獻(xiàn)1 陳詳寶.先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料的發(fā)展J.航空材料學(xué)報,2000,v20(1):46-482 陳詳寶.先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料的發(fā)展和應(yīng)用J. 航空材料學(xué)報,2003,v23(增):198-1993 陳詳寶,張寶艷,邢麗英.先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀J.中國材料進(jìn)展,2009,v28(6):3-54邢麗英,蔣詩才,周正剛.先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料制

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