先进复合材料的发展及展望

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1、先进复合材料的发展及展望摘要：材料是科学技术发展的基础，复合材料作为最新发展起来的一大类新型材料，对科学 技术的发展产生了极大的推动作用。对航空航天事业的影响尤为显著。复合材料的发展近几 十年来极为迅速。从最早出现的宏观复合材料，如水泥与砂石、钢筋复合而成的混凝土，到 随后发展起来的微观复合材料：聚合物基、金属基和无机非金属材料基复合材料。各种新型 复合材料及其制备技术犹如雨后春笋般出现，同时，随着科学技术的发展，特别是尖端科学 技术的突飞猛进，对材料的性能要求越来越高，因而对复合材料也提出了更高的要求。先进复合材料(Advanced Composites, ACM)专指可用于加工主承力结构和

2、次承力结构、 其刚度和强度性能相当于或超过铝合金的复合材料。目前主要指有较高强度和模量的硼纤 维、碳纤维、芳纶等增强的复合材料o ACM在航空航天等军事上的应用价值特别大。比如， 军用飞机和卫星，要又轻又结实；军用舰船，要又耐高压又耐腐蚀。这些苛刻的要求，只有 借助新材料技术才能解决。 ACM 具有质量轻，较高的比强度、比模量、较好的延展性、抗 腐蚀、导热、隔热、隔音、减振、耐高(低)温，独特的耐烧蚀性、透电磁波，吸波隐蔽性 材料性能的可设计性、制备的灵活性和易加工性等特点。经过 20世界 60 年代末期使用，树脂基高性能复合材料被用于飞机的承力结构，后又逐 渐进入工业其他领域。 70 年代末

3、期发展出了用高强度、高模量的耐热碳纤维和陶瓷纤维与金 属复合，特别是鱼轻金属复合，形成了金属基复合材料，克服了树脂基复合材料耐热性差、 导热性低等缺点，已广泛应用于航空航天等高科技领域。 80 年代开始，逐渐出现了陶瓷复合 材料。复合材料因其具有可设计的特点受到广泛的重视，因而发展极快。目前全世界复合材 料的年产量已达 550 多万吨，年产值达 1300 亿美元以上。从应用上看，复合材料在美国和欧洲主要用于航空航天、汽车等行业。 2000 年美国汽车 零件的复合材料用量达 14.8 万吨，欧洲汽车复合材料用量到 2003年估计可达 10.5 万吨。 而在日本，复合材料主要用于住宅建设，如卫浴设

4、备等，此类产品在 2000 年的用量达 7.5 万吨，汽车等领域的用量仅为2.4 万吨。不过从全球范围看，汽车工业是复合材料最大的用 户，今后发展潜力仍十分巨大，目前还有许多新技术正在开发中。例如，为降低发动机噪声， 增加轿车的舒适性，正着力开发两层冷轧板间粘附热塑性树脂的减振钢板；为满足发动机向 高速、增压、高负荷方向发展的要求，发动机活塞、连杆、轴瓦已开始应用金属基复合材料。 为满足汽车轻量化要求，必将会有越来越多的新型复合材料将被应用到汽车制造业中。与此 同时，随着近年来人们对环保问题的日益重视，高分子复合材料取代木材方面的应用也得到 了进一步推广。因而有人预言， 21 世纪是复合材料的

5、时代。在论述复合材料发展前景之前,有必要对目前可以预见到在下个世纪中人类将面临的主 要问题作一分析,特别是结合到我国的客观实际情况进行探讨。首要问题应当是能源即将短 缺，不少陆地资源也陆续出现枯竭，同时随着社会进步带来的工业极大发展和人口极度膨胀 所造成的环境严重恶化等情况将威胁到人类的生存条件。我国针对以上这些问题更不容乐观，在消耗性能源方面，仅污染问题较大的煤是丰富的， 而石油和天然气的储量并不很多。另一方面，由于人口基数很大，加上近期以来，工业飞速 发展造成大气、水源的污染非常严重。从积极方面来看，今后人类必将步入高度的信息社会， 信息将成为生活中必不可少的组成部分。我国信息技术虽然与先

6、进国家尚存在较大的差距， 但近年来努力追赶已有一定的基础和成效。另一方面，人类对生活质量的要求日益提高，特 别在我国改革开放之后更为突出，表现在大量基础设施的兴建，人们对生活舒适性和安全性 的标准空前高涨，当然世界是不平静的，尽管世界大战发生的可能性不大，但局部战争不会 终止，特别是战争的高技术含量愈来愈占主导。普遍认为今后先进复合材料将按四个方向发 展， 即低成本、高性能、多功能和智能化。现在简要介绍这四个方面的发展前景。一、低成本复合材料技术是一门应用性很强的新技术，但应用的实践中也发现复合材料的成本较 高，特别是制造成本较高，形成了其进一步发展应用的主要障碍。有鉴于此，该问题引起了 世界

7、各国的普遍重视，以美国为首的西方发达国家纷纷制定了低成本的复合材料发展研究计 划，并认真执行，现已取得了明显效果。复合材料技术发展的低成本化乃是当今世界复合材 料技术发展的核心问题。制造成本大约占复合材料之间总成本的 80%左右，所以低成本复合 材料技术的核心是低成本制造技术，其主要方面可有：（1）自动化制造技术：该技术可节省时间、速度较手工铺层提高 10倍，且节省原材料， 提高之间精度、质量，有效的降低了成本。（2）以固化/共胶接为核心的大面积整体成型技术：大面积整体成型课大大减少零件数 目，减少紧固件数目，减轻结构质量，降低连接和装配成本，从而有效的降低了总成本。（3）罐外成型技术：热压罐

8、法成型时目前航空航天制件最主要的成型工艺方法，但其 设备成本高、生产周期长、能源消耗大，故其生产成本高。为降低制造成本，人们在努力寻 求热压罐外成型方法。现在科学技术发展越来越快，因此复合材料也将以更快速度发展， 而复合材料的发展 关键在于降低成本。复合材料的研究重点已经从过去主要关心性能与质量转到降低成本，强 调低成本生产技术。低成本生产技术包括原材料、复合工艺和质量控制等各个方面。现重点用碳纤维和碳复合材料来举例说明。我国碳纤维的研制已经历近 30 多年的漫长历程，其间亦曾想从国外引进原丝技术或与 国外合作开发，但未有进展。我国科技工作者独立自主对原丝进行了一系列研究，形成了以 1K、3K

9、、6K 小丝束的实验线，但由于存在杂质含量高（金属离子、机械杂质）、质量稳定 性差、变异系数大、毛丝断头多、分纤性差以及油剂等问题，不能制得稳定的高性能碳纤维 原丝，再加上众多基础科学问题、设备问题、管理和机制上的问题，目前我国并没有形成和 T300 相当的稳定供应的碳纤维。因此，加速国家碳纤维的产业化，并形成规模化生产能力， 对先进复合材料行业和我国国民经济其他行业的发展至关重要和迫切。碳纤维的发展最早可追溯到 1860 年 J. Swon 研制但未成功的试图用于灯泡的灯丝开始， 1880年T.A. Edison成功研制出白炽碳丝灯泡，而真正有工业化意义的应该是从1959年美国 联合碳化物公

10、司（UCC）粘胶基碳纤维（CF）工业化，同年日本人A. Shindo发明了用PAN 原丝制取CF的新方法并申请了专利算起。历时四十余年的风雨历程，碳纤维的发展已初具 规模，到目前为止已有包括日、美为主的十余家生产企业和每年近 5.2万余吨的产能（其中， PAN基占93%,沥青基占7%,并且该规模的前提是Zohek等公司能按计划在2000年达标）， 由于强度和模量的平衡性更好，因而目前的生产及其在碳纤维增强树脂（CFRP）中的应用 更多地是以聚丙烯腈（PAN ）基碳纤维为主。七八十年代碳纤维主要用于航天航空高技术领域， 碳纤维复合材料能否在航天航空高 技术产品上得到应用主要取决于它的性能是否能满

11、足设计要求。90年代以后碳纤维复合材料 从传统的航天航空高技术领域和体育休闲用品向更广泛的工业领域渗透发展，经济可承受性 成为决定碳纤维能否在这些新领域得到应用的关键因素。无论土木建筑、桥梁修复、交通运 输、汽车工业、能源等， 碳纤维复合材料在这些工业领域要扩大应用， 关键在于降低价格。 复合材料的原材料主要是增强纤维和树脂基体， 特别是增强材料占复合材料成本中的比例 最大， 先进复合材料中增强材料用得最多、最普遍的是碳纤维， 因此降低碳纤维成本是降 低先进复合材料成本的关键。不同的部门，不同的应用领域， 不同的研究单位都提出了一 个认为可接受的价格， 只有当碳纤维的价格低于此数值时，大量采用

12、碳纤维才成为可能。 一般认为， 碳纤维价格必须比现在国际市场价格降低 50%到 80%才有可能在新的工业领域大 量应用。一旦碳纤维在这个新市场扩大应用， 碳纤维复合材料工业必将面临一个飞跃， 而 碳纤维复合材料工业的发展也将进入一个良性循环。可见， 开发碳纤维复合材料市场的关 键因素已从性能变为价格， 亦即经济可承受性。碳纤维目前被划分为宇航级和工业级两类， 亦称为小丝束和大丝束。通常把 48K 以上 碳纤维称为大丝束碳纤维，包括60K, 120K, 360K和480K等。宇航级碳纤维初期以1K, 3K, 6K为主，逐渐发展为12K和24K，主要应用于国防军工和 高技术， 以及体育休闲用品。工

13、业级碳纤维应用于不同民用工业， 包括： 纺织、医药卫 生、机电、土木建筑、交通运输和能源等。特别近年来工业级碳纤维渗透进入传统宇航级碳 纤维的应用领域，开始在体育休闲用品上获得一定程度的应用， 估计这一趋势将进一步扩 大发展。从价格方面看， 大丝束碳纤维更有绝对优势。由于价格是开发碳纤维市场的关键 因素，因此工业级大丝束碳纤维是今后碳纤维发展的方向。从先进复合材料应用发展看， 碳 纤维复合材料的价格和效费比等分析比较， 采用大丝束碳纤维将是今后先进复合材料降低 成本的主要措施之一。二、高性能性能是评价材料的重要标准，国防先进武器装备和国民经济高技术的发展， 都要求进 一步提高复合材料的性能，

14、进一步提高比强度、比模量。 90 年代先进复合材料大部分是采 用T300类型的碳纤维和环氧树脂件作为基体,这一类T300环氧复合材料的性能不能满足高 技术发展的要求，特别是设计许用值较低，一般在3000LE, CAI也较低，一般在200MPa以 下。而高技术发展，例如:新一代战斗机和新一代战略核武器等，要求设计许用值达到6000LE 左右，CAI值则要求达到300MPa以上。碳纤维的性能是决定先进复合材料性能的关键因素。 为此， 各国都致力提高改进碳纤维性能，根据航空航天工业要求先进复合材料的 CAI 大与 200MPa, 国外航空航天工业用 IM7 和 T800碳纤维增强韧性环氧树脂，CAI

15、都在200MPa以上，有些则达到350MPa左右。CAI性能 以及在不同飞机、不同部位上的应用。航空工艺研究所研究了 T800和QY9511双马树脂的性 能，测试表明其室温抗拉强度达到2741MPa,150C为2735MPa,湿态130C仍保持在2666MPa, 远高于T300环氧复合材料的性能，用T800或T1000取代T300可大幅度提高复合材料的性 能，0度方向的抗拉强度可提高74%到100% ,对于要求抗拉强度大大高于T 300环氧复合材 料，和必须保证高比强度的应用情况，T800和T1000增强韧性环氧树脂或双马树脂是很好 的选用材料。三、多功能化传统的材料科学与工程把材料划分为两大

16、类，即结构材料与功能材料，多少年来一直根 据这样的概念来研究与发展材料。高技术的发展要求材料不再是单一的结构材料或功能材 料， 航天高技术的发展要求由一种材料承担多种功能，包括：防热、抗核、承载、吸波、 透波、隐身、减震、降噪等，这是实现战略核武器的小型化、轻质化、强突防和全天候的关 键因素之一。因此，材料发展中的一种新趋势是结构材料和功能材料的互相渗透，即结构材 料的功能化（例如，结构吸波材料）和功能材料的结构化（例如，热结构材料）。这就是材 料发展中的综合集成。四、智能化智能材料与结构的出现是由于结构材料、功能材料和微电子工业的发展，是三者结合的 产物。它的出现将引起结构设计的巨大改革，今

17、后的结构设计不仅仅是考虑承载和强度，不 仅仅是考虑某一种功能，如阻尼减振降噪，突出要考虑的是它的智能性，即对环境变化做出 适时响应和适应的能力，亦即材料与结构对信息的收集，信息的综合与处理以及信息的反馈 与控制的方法与能力。智能材料与结构必须是材料、电子、机械、计算机等多方面的集成与 一体化，它是现代高新技术的综合与集成。由材料、结构和电子互相融合而构成的智能材料与结构， 是当今材料与结构高新技术 发展的方向。随着智能材料与结构的发展还将出现一批新的学科与技术。包括： 综合材料 学、精细工艺学、材料仿生学、生物工艺学、分子电子学、自适应力学以及神经元网络和人 工智能学等。智能材料与结构已被许多国家确认为必须重点发展的一门新技术， 成为 21 世 纪复合材料一个重要发展方向。总体看来，国内的先进复合材料的低成本制造技术近年来虽得到快速发展，但与国外状 况相比仍处于较初级阶段，批量生产、应用较少，制件尺寸、规模小。针对目前的状况，国 内先进复合材料研究、生产和使用三方面应该密切配合，扩大技术应用和产品应用，不断研 究改进，在应用中提高，通过大量生产稳定质量，提高技术。