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复合材料的发展摘要：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。前言复合材料与金属、高聚物、陶瓷并称为四大材料。今天，一个国家或地区的复合材料公业水平，已经成为衡量其科技以经济实力的标志之一，先进复合材料是国家安全和国民经济具有竞争力优势的源泉。在未来的发展中，只有复合材料有可能大概率的提高。环氧树脂是优良的反应固化型性树脂，在纤维增强复合材料领域中，环氧树脂大型身手，它与高性能纤维PAN基碳纤维、芳纶纤维、聚乙烯纤维、玄武岩纤维、S与E玻璃纤维复合，便成为不可代替的重要的基体纤维和结构纤维，广泛运用在电子电力、航空航天、运动器材、建筑补强、压力管维、化工防腐等六大领域。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。本文简要介绍这四个方面的发展前景。关键词：低成本；多功能；高性能；智能化经过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，若将欧、美的军事航空航天的高价值产品计入，其产值将更为惊人。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。例如，用植物纤维与废塑料加工而成的复合材料，在北美已被大量用作托盘和包装箱，用以替代木制产品；而可降解复合材料也成为国内外开发研究的重点。因而有人预言，21世纪是复合材料的时代。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。一、低成本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。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百分之五十到百分之七八十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，像飞机、导弹、火箭、卫星和钓鱼杆、高尔夫球杆和网球拍等。工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。国际市场上每磅工业级大丝束碳纤维售价在8~10美元，而宇航级碳纤维每磅售价在15~20美元，价格相差近一倍，而超高模量的碳纤维，每磅价格高达上百美元甚至数百美元,是工业级大丝束碳纤维的十倍甚至几十倍。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国外对碳纤维的效费比作过比较，如果以单位美元的强度和单位美元的模量对比，则工业级大丝束碳纤维的单位美元强度是205MPa?＄、单位美元模量是13GPa?＄，宇航级12K碳纤维的单位美元强度和模量分别为107MPa?＄和7GPa?＄，说明工业级大束丝碳纤维的效费比要比宇航级小丝束碳纤维高得多。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、多功能化传统的材料科学与工程把材料划分为两大类，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。复合材料的主要应用领域有：①航空航天领域。由于复合材料热稳定性好，比强度、比刚度高，可用于制造飞机机翼和前机身、卫星天线及其支撑结构、太阳能电池翼和外壳、大型运载火箭的壳体、发动机壳体、航天飞机结构件等。②汽车工业。由于复合材料具有特殊的振动阻尼特性，可减振和降低噪声、抗疲劳性能好，损伤后易修理，便于整体成形，故可用于制造汽车车身、受力构件、传动轴、发动机架及其内部构件。③化工、纺织和机械制造领域。有良好耐蚀性的碳纤维与树脂基体复合而成的材料，可用于制造化工设备、纺织机、造纸机、复印机、高速机床、精密仪器等。④医学领域。碳纤维复合材料具有优异的力学性能和不吸收X射线特性，可用于制造医用X光机和矫形支架等。碳纤维复合材料还具有生物组织相容性和血液相容性，生物环境下稳定性好，也用作生物医学材料。此外，复合材料还用于制造体育运动器件和用作建筑材料等。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。三、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，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，像日本东丽公司的T300碳纤维的抗拉强度由最初约为3000MPa,到80年代中期，其抗拉强度已达到3530MPa,即提高了20%左右。此外，性能更好的碳纤维像T800（抗拉强度5490MPa）、T1000（抗拉强度7000MPa）不断研究开发成功，并投入市场，以满足要求性能更高的高技术产品主承力构件的需求，但T800和T1000碳纤维的价格要比T300分别高出200%和370%.美国海克塞尔（HEXEL）公司则用IM7,IM8和IM9等性能更高的碳纤维取代AS4碳纤维。近年来日本东丽公司开发生产的T700碳纤维，抗拉强度比T300提高了45%以上，而价格只比T300贵不到10%,具有很好的性能价格比。根据航空航天工业要求先进复合材料的CAI大于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,150℃为2735MPa,湿态130℃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T300?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。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。参考文献[1]赵稼祥1大丝束碳纤维及其应用[J].纤维复合材料，1999（4）:52~55;[2]赵稼祥1碳