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复合材料/胶粘剂 |
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复合材料面临的机遇与挑战 |
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| http://cn.newmaker.com
4/28/2009 8:33:00 PM
佳工机电网
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材料的复合是材料发展的必然规律，随着各种高新技术的进步不断地向材料提出更高的要求。然而想要合成或制造一种材料使之满足各种高水平的综合指标，从单质材料出发是非常困难的，常常顾此失彼，即使花费很大的力量得到某种符合要求的材料也需要很长的周期。由于复合材料是把金属、无机非金属、高分子等材料组合起来的一种多相材料，它的设计自由度很大，不仅可在组分选择上调整还可以改变各组分的体积百分数以满足所需的性能要求。这样就可使复合材料具有轻质高强以及其他的优越的综合性能。特别是复合材料还具有复合效应，即经过复合以后产生各原始组分所不具备的性能。由于复合材料的上述特点所以在不少高技术领域如航天、航空、信息等产业中获得重要的应用。目前已与金属、无机非金属、高分子并列为四大材料。
复合材料的出现可以追溯到古代，原始人类从生活实践中学会用草茎（增强体）与泥土（基体）作为建造窝棚的材料，我国在秦汉时代就开始用大麻和大漆作为原料来制造漆器器皿，这些都是复合材料的雏形。实际复合材料的大规模发展是在本世纪40年代二次大战的末期，由于军事的需要采用了玻璃纤维和高分子树脂复合来制造军工用品。战后一方面由于发展宇航技术和冷战所需军备竞争的要求外，又研制出先进复合材料，另一方面也开始大力发展在各种民用工业中的应用，如交通运输、建筑材料、化工设备、船舶及水上装备、电子电器、消耗用品和办公设备等。根据1997年不完全统计，复合材料的世界总产量已超过150万吨，而且以每年1.5%的速度增长。这些就本世纪中复合材料的发展情况。
一、复合材料发展的机遇
（一）用于解决资源和能源短缺方面
（二）为信息时代服务
（三）提高生活质量
（四）对巩固国防起决定性作用
（五）复合材料改善环境的积极作用
（六）具有发展潜力的新型复合材料正在崛起
二、复合材料在遭遇的挑战
（一）成本偏高影响竞争力
（二）可靠性相对较差影响应用面
三、我国复合材料的现状和下世纪发展的对策
一、复合材料发展的机遇
展望复合材料的发展机遇是有意义的。可以从下面几个方面来看。
（一）用于解决资源和能源短缺方面
根据目前的调查可以预测到地球将会面临陆地资源逐步枯竭，从而导致能源危机和原材料的短缺。因此人类必须一方面要节约能源同时要开发新能源来应付能源危机，另一方面又要寻找尚未充分利用的陆地资源和废弃物的再生利用，同时也要设法开发海洋资源甚至向宇宙空间获取资源。从这个角度来看复合材料由于具有性能上的优势，可望在上述方面获得大量的应用和发展。例如在新能源方面碳纤维和玻璃纤维增强环氧树脂复合材料已成功地用于风力发电机的叶片和塔身。当前已制成长度达40米以上的单个叶片，强度、刚度和重量都能满足设计要求。在太阳能发电方面，由于太阳能电池片需要安装在轻质高强的支架上构成巨型的板面，各种先进复合材料将是首选材料。其他如核电中分离铀的离心机转子已用碳纤维/树脂复合材料满意地运转，利用潮汐发电装置也计划采用复合材料。
在节约资源方面，由于各向异性的复合材料可根据结构的力学需要来进行设计和整体净形制造，从而可起到节约能源、原材料和节省在加工中的各种消耗。另一方面提高材料的使用寿命同样起到节约资源的作用。目前大量的基础性设施包括房屋建筑、道路、桥梁、水坝等主要使用混凝土和钢筋混凝土材料，虽然这些也是复合材料，但是鉴于过去已经暴露出来的混凝土自身开裂、钢筋锈蚀失效和由于锈蚀膨胀而加速了混凝土的进一步的开裂作用等缺点，使之不得不定期更新再建，最新研究表明用高强纤维增强混凝土可有效地扼制开裂，同时正在试用高性能碳纤维或芳酰胺纤维增强聚合物代替钢筋克服了原来存在的缺点，而且证实它在超高层建设上有着很大的优越性。此外在基础设施的修复方面，实践证明用复合材料修补是最经济有效的方案。美国的洛杉矶大地震和日本关西大地震，震后造成破坏的桥梁支柱、路板均已采用碳纤维-环氧复合材料成功地进行了修补。并且形成了专门产业，制造了专用设备和材料。可以预测这类复合材料将成为主要品种之一。
（二）为信息时代服务
下个世纪的时代标志将全面体现为信息社会，在信息技术领域中复合材料也将占一席之地。首先由于集成度的迅速提高，集成电路元件的散热问题将是阻碍发展的主要困难之一。因此需要寻找导热系数大而热膨胀系数又能与硅片相匹配的基板材料。最近的研究表明金属基复合材料非常适合于制造基板，因为可以选择导热性能好而膨胀系数小的增强体与金属基复合，同时还可调节增强体的含量来优化所需的性能指标。另一方面由于电器整机的体积不断缩小，各部件之间的电磁屏蔽问题变得非常突出。目前已经采用导电（或磁性）填料和聚合物复合制成既轻又薄的各式电磁波屏蔽罩、板，取得了满意的效果。在光纤通信技术中，通讯光缆的缆芯和保护套管也使用复合材料，原因是使其体现轻质高强的特点。此外在信息技术中需要大量的敏感元件来实现各种能量的转换。在这方面功能复合材料具有很大的竞争潜力，因为功能复合材料可以调节复合度（组合的含量比例）、连接型（功能体与基体一颗粒、线状、片状或三维整体等各种形式来连接）和对称性（空间的排列取向）等因数以实现最佳的“优值”。更重要的是还可利用复合非线性效应中的乘积效应来制取新型的换能效应，所谓乘积效应是把两种不同换能功能而其中又有一项物理量相同的材料复合在一起形成第三种换能材料。例如把磁－电换能材料与电－光材料复合即可得到磁－光换能材料，举一反三，将能创造出各种形式的新型敏感元件。尽管复合材料不是信息技术的主题部分，但确是不可缺少的部分，因此随着信息产业的大发展，复合材料也将随之而相应地发展。
（三）提高生活质量
社会不断地发展，人类的生活质量也在不断地提高。所谓生活质量包括舒适性和安全性，在这方面复合材料也将会作出贡献。在舒适性方面由于复合材料除了很好的力学性能外还具有优良的隔热、消音、吸震性能，因此非常适合制造房屋隔断墙体和车辆壳体。例如目前日本正在制造碳纤维－酚醛树脂复合材料车身用在新一代高超列车上，主要是为了降低噪音，减少振动和低能耗地保持车厢温度。在安全性方面，突出的是降低车辆冲撞交通事故的严重性，研究证明用复合材料制造的车底板和保险杠，有很好的吸收冲击性能和高的弹性回复，这样能很大程度上减少对人体的伤害。另外聚合物与某些水合物与阻燃填料的复合也能明显减少火灾的危险。未来的空运将是人类的主要交通根据，但空难事故的严重也使人们忧心忡忡。最新研制的具有自诊断功能的机敏复合材料，是把一系列光纤埋入复合材料中，一旦材料的某个部分发生异常应变或局部断裂必然会影响到光的传递模式，通过电子装置不仅可了解到破坏情况而且可以定出具体位置。因此把这种材料用于飞机结构上，则可预警可能发生的事故，让驾驶员有时间作出应急处理，而不致发生突发性灾难。这种设想已经处于实验阶段，估计不久的将来会实现。当然机敏和智能复合材料不仅仅如此，当前正在研究具有自愈功能的智能材料，如果得以实现，则会避免许多灾难，更加提高人类生活的安全性。
（四）对巩固国防起决定性作用
复合材料的发展是由于军工的激励，但下世纪中复合材料在国防中仍然是重要的材料。尽管当前和平是主流，但是局部战争仍然不断发生。某些超级大国仍然没有放弃独霸全球的企图，为此各个国家对国防丝毫没有放松。未来的战争是高科技的战争。由于精确的探测技术和制导武器的进步使主要作战武器（作战飞机、坦克、军舰、导弹等）自我生存能力受到极大的威胁。不久前的海湾战争是一个极好的事例。然而矛与盾是不断相对发展的，在这种形式下隐身技术就随之诞生了，以美国为代表的发达国家已经将其成功地用在军用飞机上（如B-2、F-117等），使之几乎完全逃避探测设备的发现和导弹的追击。隐身技术主要使用具有隐身功能（吸收雷达波和红外线）的复合材料，它主要是由具有吸波纤维材料（如碳化硅纤维、碳纤维）以及其他吸波填料和聚合物树脂复合而成的，这种复合材料既是结构材料又是隐身吸波材料，适合于制造飞机机身和导弹壳体。此外各种武器都要求尽量降低本身重量来增加用于战斗的载荷，先进复合材料完全能够满足此要求，因此各种导弹和军用飞机都大量采用，并且逐步向主承力结构上发展以代替重量大的金属。此外碳基（碳-碳）复合材料的耐高温抗烧蚀性是各种材料之冠，因此导弹的再入鼻锥和发动机喷管即以此为首选材料。又如坦克的装甲已经发展成复合装甲，其中复合材料也是重要的部分，总之复合材料在军事上的用途很多，甚至包括常规武器上也不难发现复合材料，在此不能一一列举。
（五）复合材料改善环境的积极作用
随着世界人口极度膨胀，生活需求不断提高，地球环境污染问题已经到了非常严峻的程度。这是由于在创造物质文明的同时必然会排放大量固、液、气态的物质到环境中去。因此有必要审视复合材料对未来环境带来的影响。从某种角度上来看复合材料由于是多相材料必然具有回收困难的缺点似乎是对环境不利的。然而从对天然材料的分析资料来看足以说明这类材料几乎无一例外的是复合材料。例如木材是木纤维及木质基体构成的，甚至动物的骨骼也是骨纤维和骨质素的复合材料。这表明采用复合材料的形式是自然的规律，体现在天然材料能够很好地与环境长期相容。另一方面复合材料还对环境治理有积极作用，例如气体和液体的分离膜常常需要把有分离功能的物质与支撑网络基材复合起来用于提高分离膜的强度，在前文中提到的把低性能天然材料和废弃物通过复合的方式制成低档生活用品以满足某些生活需求，以及延长材料使用寿命都是对环境有利的。同时当前正在致力于研究既提供所需的性能又可以生物降解的复合材料，并使其降解产物无害于环境，这种循环方式正是未来对环境友善所期望的材料。
以上事实表明复合材料的发展非但不致像某些材料那样会受到环境要求的制约，而且还对环境有一定的支持作用。
（六）具有发展潜力的新型复合材料正在崛起
当前在复合材料领域中已出现不少新的生长点，除前文提到的功能与多功能复合材料和智能与机敏复合材料外，纳米复合材料也是有发展潜力的。因为增强体达到纳米尺寸后，其表面性能大幅度提高，同时其表面积的惊人数值增加了增强体的有效体积分数。目前用有机高分子单体对层状无机填料进行插层构成的纳米复合材料已接近实用化阶段。另外运用仿生的原理来仿生复合材料也有很大的发展前景。这些新的生长点无疑将在下世纪中崭露头角。
二、复合材料将遭遇的挑战
尽管复合材料由于自身的优势将会获得上述许多机遇，但是不可否认复合材料也存在一些不足之处，肯定会受到其他通用材料的如金属、高分子材料等的激烈竞争和挑战。复合材料存在以下两个主要问题，如不加以根本解决将严重制约它的发展。
（一）成本偏高影响竞争力
由于复合材料是以两种或者两种以上的原材料复合必然带来工艺上的复杂性和加长了工艺周期、加上所用原材料较贵，特别是先进复合材料用的增强体如碳纤维、芳酰胺纤维以及耐高温树脂如聚酰亚胺等皆因生产规模小以至价格昂贵。所以要使复合材料具有持续发展的生命力，必须首先要降低成本。这样才能不断扩大应用范围，以其突出优良的性质和适中的价格和其他材料竞争。
目前世界各国都在致力于研究降低成本的措施，在原材料中由于增强体在成本中占的比重较大，所以世界上各大增强纤维的生成厂都在努力扩大产量使之能达到经济规模。例如荷兰的阿克苏公司的芳酰胺由于扩大到15000吨/年，其价格明显降低且扩大了市场。碳纤维的生产厂也都纷纷把产量扩大到年产千吨以上以降低成本，特别是最近出现的以民用大丝束聚丙烯腈为原料来制造中等性能碳纤维的趋势，使碳纤维的生产摆脱过去用昂贵的特殊专用原料丝的局面，从而大幅度降低了成本，并有继续大幅降价的潜力，这样使以碳纤维为增强体的复合材料大大扩展了应用范围，尤其可应用到建筑工业中。因此在原材料降低价格方面下世纪将有明显改观。
复合材料的加工工艺相对复杂和工艺周期长的问题也是导致成本高的关键，因此也是当前研究的热门课题，而且已有所突破。例如用树脂转移法工艺即把未固化的树脂在低粘度情况下注入放在模型中的增强预成模型体中。这样既能够达到设备投资小、模具制造简单而价廉、生产能耗低周期短、制品内在与外观质量高以及对环境污染小等效果。这种工艺目前已经对复合材料工业产生很大的有利影响。目前还在推广到与气袋成型工艺结合、扩大树脂基体的应用范围和解决大型薄避件的工艺问题。此外其他的快速工艺方法如电子束固化、增强型反应注射成型以及连续缠绕与拉挤等成型技术也在研究与扩大应用之中，估计不久的将来复合材料成型工艺会出现崭新的面貌。
（二）可靠性相对较差影响应用面
复合材料目前存在的另一个问题是可靠性相对较差，这主要是复合材料的发展历史较短，在加工工艺上积累的经验不够，加上复合材料是多组分材料，因此各个组分中的不确定因素集成的结果必然较单质材料为大。同时现用的复合材料多数是层状复合，而层间是其薄弱环节，严重影响其可靠性。针对这些问题，现在已经进行了许多卓有成效的研究和探索。例如采用把增强纤维经三维编织构成预成型体再用上述树脂转移法来成型，或采用在原有层状复合的加上缝编结构，即可有效地克服原有的层间薄弱环节。同时利用复合材料可设计强的特点采用计算机辅助进行优化，实现纤维取向符合结构的力学要求，并可用不同纤维混编使之更为合理。另外各种无损检测的方法日超完善，配合工艺过程中的在线监视，可以有效地提高成品质量。这许多措施可以促使复合材料的可靠性大为提高。以确保复合材料在未来的世纪中树立可信赖的形象。
当然复合材料也还存在其他不够完善之处，如回收困难，现正在加紧研究解决。可以相信在全世界所有从事复合材料研究、生产的专业人员努力下，当有充分把握接受其他各种新近材料的挑战，使复合材料能屹立于先进材料的前列。
三、我国复合材料的现状和发展的对策
我国于1958年即开始建立复合材料工业，当时也是以军工需要为主，由此推动了玻璃纤维增强聚酯、环氧和酚醛树脂的通用复合材料问世，70年代又开始发展以碳纤维和芳酰胺纤维为增强体的先进复合材料，用以与“两弹一星”配套。复合材料虽然受到有关国家部门的重视，但发展很不平衡，特别是原材料的配套问题更为突出，加上过去工业基础薄弱所以迄今的总产量约为8万吨，尚低于我国台湾地区的产量，特别是先进复合材料更为逊色。然而在复合材料基础研究方面，无论在宽度和深度上虽不能列为先进，但能与发达国家对话。在国际学术会议上能占靠前的席位，并受到一定的重视。
面临复合材料发展的机遇，我国应及早制定出切实的对策。并加大资金投入力度，完善原材料的配套体系，在此基础上瞄准国际发展前沿，特别是用于建材的复合材料国际上刚起步，我国应迎头赶上，才不致落后。另外在各种新型多功能、纳米、机敏与智能、仿生等复合材料方面应有计划地组织安排形成强有力的研究-生产群体，避免过去普遍存在的低水平重复和研究与生成的脱节，同时重点放在使之产生实用性效果，并发展高附加值产品上，提倡有限目标，不铺摊子，要追求创新和形成特色，摆脱一味跟随模仿的困境。相信复合材料一定能为我国的国民经济和国防建设作出贡献。
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