復(fù)合材料的發(fā)展概述

1、復(fù)合材料的發(fā)展摘要： 材料是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)，復(fù)合材料作為最新發(fā)展起來(lái)的一大類新型材料，對(duì)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了極大的推動(dòng)作用。對(duì)航空航天事業(yè)的影響尤為顯著。復(fù)合材料的發(fā)展近幾十年來(lái)極為迅速。從最早出現(xiàn)的宏觀復(fù)合材料，如水泥與砂石、鋼筋復(fù)合而成的混凝土，到隨后發(fā)展起來(lái)的微觀復(fù)合材料：聚合物基、金屬基和無(wú)機(jī)非金屬材料基復(fù)合材料。各種新型復(fù)合材料及其制備技術(shù)猶如雨后春筍般出現(xiàn)，同時(shí)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是尖端科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，對(duì)材料的性能要求越來(lái)越高，因而對(duì)復(fù)合材料也提出了更高的要求。前言復(fù)合材料與金屬、高聚物、陶瓷并稱為四大材料。今天，一個(gè)國(guó)家或地區(qū)的復(fù)合材料公業(yè)水平，已經(jīng)成為衡量其科技以

2、經(jīng)濟(jì)實(shí)力的標(biāo)志之一，先進(jìn)復(fù)合材料是國(guó)家安全和國(guó)民經(jīng)濟(jì)具有競(jìng)爭(zhēng)力優(yōu)勢(shì)的源泉。在未來(lái)的發(fā)展中，只有復(fù)合材料有可能大概率的提高。環(huán)氧樹脂是優(yōu)良的反應(yīng)固化型性樹脂，在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料領(lǐng)域中，環(huán)氧樹脂大型身手，它與高性能纖維PA靠碳纖維、芳綸纖維、聚乙烯纖維、玄武巖纖維、S與E玻璃纖維復(fù)合，便成為不可代替的重要的基體纖維和結(jié)構(gòu)纖維，廣泛運(yùn)用在電子電力、航空航天、運(yùn)動(dòng)器材、建筑補(bǔ)強(qiáng)、壓力管維、化工防腐等六大領(lǐng)域。普遍認(rèn)為今后先進(jìn)復(fù)合材料將按四個(gè)方向發(fā)展，即低成本、高性能、多功能和智能化。本文簡(jiǎn)要介紹這四個(gè)方面的發(fā)展前景。關(guān)鍵詞：低成本；多功能；高性能；智能化經(jīng)過 20 世界 60 年代末期使用，樹脂基高性

3、能復(fù)合材料被用于飛機(jī)的承力結(jié)構(gòu)，后又逐漸進(jìn)入工業(yè)其他領(lǐng)域。70 年代末期發(fā)展出了用高強(qiáng)度、高模量的耐熱碳纖維和陶瓷纖維與金屬?gòu)?fù)合，特別是魚輕金屬?gòu)?fù)合，形成了金屬基復(fù)合材料，克服了樹脂基復(fù)合材料耐熱性差、導(dǎo)熱性低等缺點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于航空航天等高科技領(lǐng)域。80 年代開始，逐漸出現(xiàn)了陶瓷復(fù)合材料。復(fù)合材料因其具有可設(shè)計(jì)的特點(diǎn)受到廣泛的重視，因而發(fā)展極快。目前全世界復(fù)合材料的年產(chǎn)量已達(dá)550 多萬(wàn)噸，年產(chǎn)值達(dá)1300 億美元以上，若將歐、美的軍事航空航天的高價(jià)值產(chǎn)品計(jì)入，其產(chǎn)值將更為驚人。從應(yīng)用上看，復(fù)合材料在美國(guó)和歐洲主要用于航空航天、汽車等行業(yè)。2000 年美國(guó)汽車零件的復(fù)合材料用量達(dá)14.8 萬(wàn)

4、噸，歐洲汽車復(fù)合材料用量到2003 年估計(jì)可達(dá)10.5 萬(wàn)噸。而在日本，復(fù)合材料主要用于住宅建設(shè)，如衛(wèi)浴設(shè)備等，此類產(chǎn)品在 2000 年的用量達(dá)7.5 萬(wàn)噸，汽車等領(lǐng)域的用量?jī)H為2.4 萬(wàn)噸。不過從全球范圍看，汽車工業(yè)是復(fù)合材料最大的用戶，今后發(fā)展?jié)摿θ允志薮?，目前還有許多新技術(shù)正在開發(fā)中。例如，為降低發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲，增加轎車的舒適性，正著力開發(fā)兩層冷軋板間粘附熱塑性樹脂的減振鋼板；為滿足發(fā)動(dòng)機(jī)向高速、增壓、高負(fù)荷方向發(fā)展的要求，發(fā)動(dòng)機(jī)活塞、連桿、軸瓦已開始應(yīng)用金屬基復(fù)合材料。為滿足汽車輕量化要求，必將會(huì)有越來(lái)越多的新型復(fù)合材料將被應(yīng)用到汽車制造業(yè)中。與此同時(shí)，隨著近年來(lái)人們對(duì)環(huán) 保問題的日益重

5、視，高分子復(fù)合材料取代木材方面的應(yīng)用也得到了進(jìn)一步推廣。例如，用植物纖維與廢塑料加工而成的復(fù)合材料，在北美已被大量用作托盤和包裝箱，用以替代木制產(chǎn)品；而可降解復(fù)合材料也成為國(guó)內(nèi)外開發(fā)研究的重點(diǎn)。因而有人預(yù)言，21 世紀(jì)是復(fù)合材料的時(shí)代。在論述復(fù)合材料發(fā)展前景之前, 有必要對(duì)目前可以預(yù)見到在下個(gè)世紀(jì)中人類將面臨的主要問題作一分析 , 特別是結(jié)合到我國(guó)的客觀實(shí)際情況進(jìn)行探討。首要問題應(yīng)當(dāng)是能源即將短缺，不少陸地資源也陸續(xù)出現(xiàn)枯竭，同時(shí)隨著社會(huì)進(jìn)步帶來(lái)的工業(yè)極大發(fā)展和人口極度膨脹所造成的環(huán)境嚴(yán)重惡化等情況將威脅到人類的生存條件。我國(guó)針對(duì)這些問題更不容樂觀，在消耗性能源方面，僅污染問題較大的煤是豐富的

6、，而石油和天然氣的儲(chǔ)量并不很多。另一方面，由于人口基數(shù)很大，加上近期以來(lái)，工業(yè)飛速發(fā)展造成大氣、水源的污染非常嚴(yán)重。從積極方面來(lái)看，今后人類必將步入高度的信息社會(huì)，信息將成為生活中必不可少的組成部分。我國(guó)信息技術(shù)雖然與先進(jìn)國(guó)家尚存在較大的差距，但近年來(lái)努力追趕已有一定的基礎(chǔ)和成效。另一方面，人類對(duì)生活質(zhì)量的要求日益提高，特別在我國(guó)改革開放之后更為突出，表現(xiàn)在大量基礎(chǔ)設(shè)施的興建，人們對(duì)生活舒適性和安全性的標(biāo)準(zhǔn)空前高漲，當(dāng)然世界是不平靜的，盡管世界大戰(zhàn)發(fā)生的可能性不大，但局部戰(zhàn)爭(zhēng)不會(huì)終止，特別是戰(zhàn)爭(zhēng)的高技術(shù)含量愈來(lái)愈占主導(dǎo)。一、 低成本現(xiàn)在科學(xué)技術(shù)發(fā)展越來(lái)越快，因此復(fù)合材料也將以更快速度發(fā)展，而復(fù)

7、合材料的發(fā)展關(guān)鍵在于降低成本。復(fù)合材料的研究重點(diǎn)已經(jīng)從過去主要關(guān)心性能與質(zhì)量轉(zhuǎn)到降低成本，強(qiáng)調(diào)低成本生產(chǎn)技術(shù)。低成本生產(chǎn)技術(shù)包括原材料、復(fù)合工藝和質(zhì)量控制等各個(gè)方面?，F(xiàn)重點(diǎn)用碳纖維和碳復(fù)合材料來(lái)舉例說(shuō)明。七八十年代碳纖維主要用于航天航空高技術(shù)領(lǐng)域，碳纖維復(fù)合材料能否在航天航空高技術(shù)產(chǎn)品上得到應(yīng)用主要取決于它的性能是否能滿足設(shè)計(jì)要求。90 年代以后碳纖維復(fù)合材料從傳統(tǒng)的航天航空高技術(shù)領(lǐng)域和體育休閑用品向更廣泛的工業(yè)領(lǐng)域滲透發(fā)展，經(jīng)濟(jì)可承受性成為決定碳纖維能否在這些新領(lǐng)域得到應(yīng)用的關(guān)鍵因素。無(wú)論土木建筑、橋梁修復(fù)、交通運(yùn)輸、汽車工業(yè)、能源等，碳纖維復(fù)合材料在這些工業(yè)領(lǐng)域要擴(kuò)大應(yīng)用，關(guān)鍵在于降低價(jià)格

8、。復(fù)合材料的原材料主要是增強(qiáng)纖維和樹脂基體，特別是增強(qiáng)材料占復(fù)合材料成本中的比例最大，先進(jìn)復(fù)合材料中增強(qiáng)材料用得最多、最普遍的是碳纖維，因此降低碳纖維成本是降低先進(jìn)復(fù)合材料成本的關(guān)鍵。不同的部門，不同的應(yīng)用領(lǐng)域，不同的研究單位都提出了一個(gè)認(rèn)為可接受的價(jià)格，只有當(dāng)碳纖維的價(jià)格低于此數(shù)值時(shí)，大量采用碳纖維才成為可能。一般認(rèn)為， 碳纖維價(jià)格必須比現(xiàn)在國(guó)際市場(chǎng)價(jià)格降低百分之五十到百分之七八十才有可能在新的工業(yè)領(lǐng)域大量應(yīng)用。一旦碳纖維在這個(gè)新市場(chǎng)擴(kuò)大應(yīng)用，碳纖維復(fù)合材料工業(yè)必將面臨一個(gè)飛躍，而碳纖維復(fù)合材料工業(yè)的發(fā)展也將進(jìn)入一個(gè)良性循環(huán)?？梢姡_發(fā)碳纖維復(fù)合材料市場(chǎng)的關(guān)鍵因素已從性能變?yōu)閮r(jià)格，亦即經(jīng)濟(jì)可

9、承受性。碳纖維目前被劃分為宇航級(jí)和工業(yè)級(jí)兩類，亦稱為小絲束和大絲束。通常把 48K 以上碳纖維稱為大絲束碳纖維，包括 60K, 120K, 360K 和 480K 等。宇航級(jí)碳纖維初期以1K, 3K, 6K為主，逐漸發(fā)展為12K和24K,主要應(yīng)用于國(guó)防軍工和高技術(shù)，以及體育休閑用品，像飛機(jī)、導(dǎo)彈、火箭、衛(wèi)星和釣魚桿、高爾夫球桿和網(wǎng)球拍等。工業(yè)級(jí)碳纖維應(yīng)用于不同民用工業(yè)，包括：紡織、醫(yī)藥衛(wèi)生、機(jī)電、土木建筑、交通運(yùn)輸和能源等。特別近年來(lái)工業(yè)級(jí)碳纖維滲透進(jìn)入傳統(tǒng)宇航級(jí)碳纖維的應(yīng)用領(lǐng)域，開始在體育休閑用品上獲得一定程度的應(yīng)用，估計(jì)這一趨勢(shì)將進(jìn)一步擴(kuò)大發(fā)展。從價(jià)格方面看，大絲束碳纖維更有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。國(guó)際

10、市場(chǎng)上每磅工業(yè)級(jí)大絲束碳纖維售價(jià)在8 10 美元， 而宇航級(jí)碳纖維每磅售價(jià)在15 20 美元， 價(jià)格相差近一倍，而超高模量的碳纖維，每磅價(jià)格高達(dá)上百美元甚至數(shù)百美元, 是工業(yè)級(jí)大絲束碳纖維的十倍甚至幾十倍。由于價(jià)格是開發(fā)碳纖維市場(chǎng)的關(guān)鍵因素，因此工業(yè)級(jí)大絲束碳纖維是今后碳纖維發(fā)展的方向國(guó)外對(duì)碳纖維的效費(fèi)比作過比較，如果以單位美元的強(qiáng)度和單位美元的模量對(duì)比，則工業(yè)級(jí)大絲束碳纖維的單位美元強(qiáng)度是205MPa?、 單位美元模量是13GPa?，宇航級(jí) 12K 碳纖維的單位美元強(qiáng)度和模量分別為107MPa?$和7GPa?$,說(shuō)明工業(yè)級(jí)大束絲碳纖維的效費(fèi)比要比宇航級(jí)小絲束碳纖維高得多。從先進(jìn)復(fù)合材料應(yīng)用發(fā)

11、展看，碳纖維復(fù)合材料的價(jià)格和效費(fèi)比等分析比較，采用大絲束碳纖維將是今后先進(jìn)復(fù)合材料降低成本的主要措施之一。多功能化傳統(tǒng)的材料科學(xué)與工程把材料劃分為兩大類，即結(jié)構(gòu)材料與功能材料，多少年來(lái)一直根據(jù)這樣的概念來(lái)研究與發(fā)展材料。高技術(shù)的發(fā)展要求材料不再是單一的結(jié)構(gòu)材料或功能材料，航天高技術(shù)的發(fā)展要求由一種材料承擔(dān)多種功能，包括：防熱、抗核、承載、吸波、透波、隱身、減震、降噪等，這是實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)略核武器的小型化、輕質(zhì)化、強(qiáng)突防和全天候的關(guān)鍵因素之一。復(fù)合材料的主要應(yīng)用領(lǐng)域有：航空航天領(lǐng)域。由于復(fù)合材料熱穩(wěn)定性好，比強(qiáng)度、比剛度高，可用于制造飛機(jī)機(jī)翼和前機(jī)身、衛(wèi)星天線及其支撐結(jié)構(gòu)、太陽(yáng)能電池翼和外殼、大型運(yùn)載火

12、箭的殼體、發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、航天飛機(jī)結(jié)構(gòu)件等。汽車工業(yè)。由于復(fù)合材料具有特殊的振動(dòng)阻尼特性，可減振和降低噪聲、抗疲勞性能好，損傷后易修理，便于整體成形，故可用于制造汽車車身、受力構(gòu)件、傳動(dòng)軸、發(fā)動(dòng)機(jī)架及其內(nèi)部構(gòu)件。化工、紡織和機(jī)械制造領(lǐng)域。有良好耐蝕性的碳纖維與樹脂基體復(fù)合而成的材料，可用于制造化工設(shè)備、紡織機(jī)、造紙機(jī)、復(fù)印機(jī)、高速機(jī)床、精密儀器等。醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。碳纖維復(fù)合材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能和不吸收X 射線特性，可用于制造醫(yī)用X 光機(jī)和矯形支架等。碳纖維復(fù)合材料還具有生物組織相容性和血液相容性，生物環(huán)境下穩(wěn)定性好，也用作生物醫(yī)學(xué)材料。此外，復(fù)合材料還用于制造體育運(yùn)動(dòng)器件和用作建筑材料等。因此，材料發(fā)

13、展中的一種新趨勢(shì)是結(jié)構(gòu)材料和功能材料的互相滲透，即結(jié)構(gòu)材料的功能化（例如，結(jié)構(gòu)吸波材料）和功能材料的結(jié)構(gòu)化（例如，熱結(jié)構(gòu)材料）。這就是材料 發(fā)展中的綜合集成。高性能性能是評(píng)價(jià)材料的重要標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)防先進(jìn)武器裝備和國(guó)民經(jīng)濟(jì)高技術(shù)的發(fā)展，都要求進(jìn)一步提高復(fù)合材料的性能，進(jìn)一步提高比強(qiáng)度、比模量。90 年代先進(jìn)復(fù)合材料大部分是采用T300 類型的碳纖維和環(huán)氧樹脂件作為基體，這一類T 300 環(huán)氧復(fù)合材料的性能不能滿足高技術(shù)發(fā)展的要求，特別是設(shè)計(jì)許用值較低，一般在 3000LE, CAI也較低，一般在 200MPa以下。而高技術(shù)發(fā)展，例如：新一代戰(zhàn)斗機(jī)和新一代戰(zhàn)略核武器等，要求設(shè)計(jì)許用值達(dá)到 6000LE

14、左右，CAI值則要求達(dá)到300MPa以上。碳纖維的性能是決定先進(jìn)復(fù)合材料性能的關(guān)鍵因素。為此， 各國(guó)都致力提高改進(jìn)碳纖維性能，像日本東麗公司的T300碳纖維的抗拉強(qiáng)度由最初約為 3000MPa,到80年代中期，其抗拉強(qiáng)度已達(dá)到 3530MPa,即 提高了 20虬右。此外，性能更好的碳纖維像 T800 （抗拉強(qiáng)度5490MP3、T1000 （抗拉強(qiáng)度7000MP3不斷研究開發(fā)成功，并投入市場(chǎng)，以滿足要求性能更高的高技術(shù)產(chǎn)品主承力構(gòu)件的需求，但T800 和T1000碳纖維的價(jià)格要比 T300分別高出200%和370%.美國(guó)?？巳麪枺℉EXEL）公司則用IM7, IM8和IM9 等性能更高的碳纖維取

15、代AS4 碳纖維。近年來(lái)日本東麗公司開發(fā)生產(chǎn)的T700 碳纖維，抗拉強(qiáng)度比 T300 提高了 45% 以上，而價(jià)格只比T300 貴不到 10% , 具有很好的性能價(jià)格比。根據(jù)航空航天工業(yè)要求先進(jìn)復(fù)合材料的 CAI大于200MPa,國(guó)外航空航天工業(yè)用IM7和T800碳纖維增強(qiáng)韌性環(huán)氧樹脂，CAI 者B在200MPa以上，有些則達(dá)到 350MPa左右。CAI性能以及在不同飛機(jī)、不同部位上的應(yīng)用。航空工藝研究所研究了T800和QY9511雙馬樹脂的性能，測(cè)試表明其室溫抗拉強(qiáng)度達(dá)到2741MPa,150c為2735MPa,濕態(tài)130c仍保持在2666MPa,遠(yuǎn)高于T300環(huán)氧復(fù)合材料的性能，用T800

16、或T1000取代T300可大幅度提高復(fù)合材料的性能，0 度方向的抗拉強(qiáng)度可提高74% 到 100% , 對(duì)于要求抗拉強(qiáng)度大大高于T 300? 環(huán)氧復(fù)合材料，和必須保證高比強(qiáng)度的應(yīng)用情況，T800 和 T1000 增強(qiáng)韌性環(huán)氧樹脂或雙馬樹脂是很好的選用材料。智能化智能材料與結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)是由于結(jié)構(gòu)材料、功能材料和微電子工業(yè)的發(fā)展，是三者結(jié)合的產(chǎn)物。它的出現(xiàn)將引起結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的巨大改革，今后的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅僅是考慮承載和強(qiáng)度，不僅僅是考慮某一種功能，如阻尼減振降噪，突出要考慮的是它的智能性，即對(duì)環(huán)境變化做出適時(shí)響應(yīng)和適應(yīng)的能力，亦即材料與結(jié)構(gòu)對(duì)信息的收集，信息的綜合與處理以及信息的反饋與控制的方法與能力。智能材料與結(jié)構(gòu)必須是材料、電子、機(jī)械、計(jì)算機(jī)？等多方面的集成與一體化，它是現(xiàn)代高新技術(shù)的綜合與集成。由材料、結(jié)構(gòu)和電子互相融合而構(gòu)成的智能材料與結(jié)構(gòu)，是當(dāng)今材料與結(jié)構(gòu)高新技術(shù)發(fā)展的方向。隨著智能材料與結(jié)構(gòu)的發(fā)展還將出現(xiàn)一批新的學(xué)科與技術(shù)。包括：綜合材料學(xué)、精細(xì)工藝學(xué)、材料仿生學(xué)、生物工藝學(xué)、分子電子學(xué)、自適應(yīng)力學(xué)以及神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)和人工智能學(xué)等。智能材