復(fù)合材料在我國(guó)的發(fā)展和應(yīng)用

陳振興

摘 要：近年來(lái)，因復(fù)合材料強(qiáng)度較高、重量較輕、加工成型較方便，且具有優(yōu)良的彈性、耐化學(xué)腐蝕性和耐候性等特點(diǎn)，已在我國(guó)各行業(yè)領(lǐng)域中逐步取代木材及金屬合金。本文分析了各種復(fù)合材料在我國(guó)各行業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展與應(yīng)用，并總結(jié)了復(fù)合材料在我國(guó)的發(fā)展瓶頸。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料 性能 發(fā)展 應(yīng)用

中圖分類(lèi)號(hào)：TH132 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2013）03（b）-0131-02

復(fù)合材料由基體和增強(qiáng)體兩種材料組合而成的材料。兩種材料在性能上各發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)，從而產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使復(fù)合材料的綜合性能優(yōu)于原組成單一材料，從而擴(kuò)大復(fù)合材料的應(yīng)用范圍。復(fù)合材料通常有纖維復(fù)合材料、夾層復(fù)合材料、細(xì)粒復(fù)合材料、混雜復(fù)合材料以及為滿(mǎn)足航空航天等尖端技術(shù)所研制的先進(jìn)復(fù)合材料。

早在遠(yuǎn)古時(shí)期，我國(guó)祖先就以麻、稻草及木料等材料制做兵器，這些早期兵器的制作材料即為我國(guó)早期的復(fù)合材料。復(fù)合材料在新中國(guó)的發(fā)展歷程以十一屆三中全會(huì)為界可分為以下兩個(gè)階段：在十一屆三中全會(huì)之前，致力以國(guó)防軍工；之后，我國(guó)生產(chǎn)社會(huì)化。因復(fù)合材料比重小、比強(qiáng)度大、加工成型較方便，比模量較大，在我國(guó)各行業(yè)領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用，主要應(yīng)用于汽車(chē)、航空航天、電子電氣、建筑等領(lǐng)域，在近幾年更是得到了迅猛發(fā)展。

隨著我國(guó)科技的發(fā)展，復(fù)合材料相關(guān)技術(shù)不斷進(jìn)步，各生產(chǎn)廠家的制造能力也都有很大的提高，使復(fù)合材料的價(jià)格大大降低，但其強(qiáng)度仍無(wú)法和金屬的強(qiáng)度相比。因此，在此基礎(chǔ)上又研發(fā)出碳纖維、硼纖維等增強(qiáng)復(fù)合材料，使的高分子復(fù)合材料家族更加齊備，已作為眾多產(chǎn)業(yè)的必備材料。

1 復(fù)合材料的主要應(yīng)用領(lǐng)域

1.1 航空航天領(lǐng)域

因復(fù)合材料熱穩(wěn)定性好，比強(qiáng)度與比剛度較高等特點(diǎn)，可用其制造飛機(jī)的機(jī)翼和前機(jī)身的衛(wèi)星天線以及這些部件的支撐結(jié)構(gòu)；另外，很多其他的航空用零部件結(jié)構(gòu)都用復(fù)合材料制造。

1.2 汽車(chē)工業(yè)

復(fù)合材料特殊的振動(dòng)阻尼特性，可以減振和降低噪音，另外，復(fù)合材料具有優(yōu)良的抗疲勞特性，且損傷后極易修復(fù)修理，生產(chǎn)時(shí)便于整體成形，因此常用其制造汽車(chē)車(chē)身及其受力構(gòu)件與傳動(dòng)軸、汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)架及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)件。由于汽車(chē)制造滿(mǎn)足力學(xué)要求的前提下越輕越好，使得新型復(fù)合材料將被廣泛應(yīng)用到汽車(chē)制造業(yè)中。

1.3 醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

復(fù)合材料家族中的碳纖維，具有不吸收X射線的特性以及優(yōu)良的力學(xué)性能，通常用碳纖維制造醫(yī)用X光機(jī)及矯形支架等。同時(shí)，碳纖維還具有血液與生物組織相容性，因此，碳纖維在生物環(huán)境下穩(wěn)定性較好，可用于生物醫(yī)學(xué)材料及制造體育運(yùn)動(dòng)器件等。

1.4 化工、紡織和機(jī)械制造領(lǐng)域

因碳纖維具有良好的耐腐蝕性，由碳纖維與樹(shù)脂基體復(fù)合而成的復(fù)合材料可用于制造紡織機(jī)、復(fù)印機(jī)、造紙機(jī)、精密儀器及各類(lèi)化工設(shè)備等。

2 復(fù)合材料的發(fā)展和應(yīng)用

2.1 樹(shù)脂基復(fù)合材料的增強(qiáng)材料

樹(shù)脂基復(fù)合材料用增強(qiáng)材料通常包括以下幾種。

2.1.1 玻璃纖維

高性能復(fù)合材料的玻璃纖維目前主要有高強(qiáng)度、高硅氧及石英玻璃纖維等。高強(qiáng)度玻璃纖維因具有較高的性?xún)r(jià)比，近幾年得到較快的增長(zhǎng)速度。其不僅在軍用方面得到較好的應(yīng)用，而且在民用產(chǎn)品如防彈服與頭盔、高壓壓力容器及各類(lèi)耐高溫制品與體育用品等也有較廣泛的應(yīng)用。高硅氧和石英玻璃纖維具有耐高溫特性，是較理想的耐火材料，主要應(yīng)用為火箭與導(dǎo)彈的防熱材料。

2.1.2 碳纖維

碳纖維具有上述一系列優(yōu)點(diǎn)，在航空航天領(lǐng)域及運(yùn)動(dòng)器具和體育用品領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。我國(guó)生產(chǎn)的碳纖維因其性能不太穩(wěn)定，性?xún)r(jià)比較低，與世界先進(jìn)水平還存在差距。

2.1.3 超高分子量聚乙烯纖維

超高分子量聚乙烯纖維的抗蝕性與抗老化性較高，并具有良好的耐海水腐蝕性和高頻聲納透過(guò)性。在軍事領(lǐng)域及汽車(chē)、醫(yī)療器械、船舶、體育器材等領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景。

2.1.4 芳綸纖維

芳綸纖維發(fā)熱比強(qiáng)度及比模量都很高，已被廣泛應(yīng)用在汽車(chē)及航空航天領(lǐng)域的復(fù)合材料零部件、耐熱運(yùn)輸帶及體育器材等領(lǐng)域。

2.1.5 熱固性樹(shù)脂基復(fù)合材料

熱固性樹(shù)脂基復(fù)合材料是指以熱固性樹(shù)脂與增強(qiáng)材料制成的復(fù)合材料。乙烯基酯樹(shù)脂為一種新型熱固性樹(shù)脂，其具有耐腐蝕與耐溶劑性的特點(diǎn)，機(jī)械強(qiáng)度高且延伸率較大，乙烯基酯樹(shù)脂與塑料、金屬及混凝土等材料的粘結(jié)性很好，且耐老化，耐疲勞，且固化收縮率低。廣泛應(yīng)用于容器、貯罐及管道等制作中。

2.2 熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料

熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料常用的主要有以下三種：玻璃纖維氈增強(qiáng)型熱塑性復(fù)合材料、長(zhǎng)纖維增強(qiáng)粒料與連續(xù)纖維增強(qiáng)預(yù)浸帶。該類(lèi)復(fù)合材料因可回收利用具有較好的應(yīng)用前景。我國(guó)生產(chǎn)的熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料基體材料主要采用PP、PA，而增強(qiáng)材料則以玻璃纖維為主，也有少量采用碳纖維做增強(qiáng)材料。

高性能熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料基體以PP、PA為主。以其生產(chǎn)的產(chǎn)品主要有管件、閥門(mén)、電器、軸承與汽車(chē)零件、模壓制品、座椅及汽車(chē)踏板等。

云母復(fù)合材料因具有高剛性，低收縮率、低密度、低撓曲性及較低的價(jià)格。廣泛應(yīng)用于制作各類(lèi)儀表盤(pán)，護(hù)欄護(hù)罩等零部件，同時(shí)，云母復(fù)合材料具備阻尼性與屏蔽性，用其可制作音響零件與蓄電池箱等。

3 復(fù)合材料在我國(guó)發(fā)展的特點(diǎn)

復(fù)合材料在我國(guó)發(fā)展?jié)摿艽?，有以下特點(diǎn)。

3.1 復(fù)合材料有待創(chuàng)新

隨著我國(guó)對(duì)復(fù)合材料的重視，近幾年復(fù)合材料在我國(guó)各行業(yè)的應(yīng)用有較大的發(fā)展，但與發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍然差距較大。在技術(shù)、工藝及產(chǎn)品發(fā)展與應(yīng)用方面仍需大力創(chuàng)新，具體應(yīng)在以下幾個(gè)方面做進(jìn)一步的發(fā)展與創(chuàng)新，如樹(shù)脂基體、增強(qiáng)材料、生產(chǎn)工藝與產(chǎn)品應(yīng)用方面。

3.2 玻璃纖維的結(jié)構(gòu)需調(diào)整

玻璃纖維在我國(guó)主要是用做增強(qiáng)基材，成本在全球市場(chǎng)上具有優(yōu)勢(shì)，但品種規(guī)格和質(zhì)量方面卻與先進(jìn)國(guó)家差距較大，須不斷改進(jìn)與發(fā)展。

3.3 聚丙烯腈基纖維的發(fā)展

雖然我國(guó)碳纖維工業(yè)發(fā)展緩慢，但聚丙烯腈基纖維仍有發(fā)展的必要和空間。

3.4 需要進(jìn)一步開(kāi)發(fā)能源與交通用復(fù)合材料市場(chǎng)

能源相關(guān)方面，要大力開(kāi)發(fā)清潔與可再生能源用復(fù)合材料；同時(shí)要著眼開(kāi)發(fā)應(yīng)用于汽車(chē)、城市軌道交通、民航客機(jī)及船艇等行業(yè)的復(fù)合材料。

3.5 加大纖維復(fù)合材料基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用

復(fù)合材料因具有其它材料無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)其在房屋、道路與橋梁的基礎(chǔ)應(yīng)用發(fā)展迅速，尤其在隧道工程、橋梁、房屋等基礎(chǔ)設(shè)施的修補(bǔ)與加固中應(yīng)用前景良好。

3.6 復(fù)合材料綜合處理與再生技術(shù)需大力發(fā)展

我國(guó)應(yīng)著重發(fā)展物理回收、化學(xué)回收和能量回收技術(shù)。在大飛機(jī)開(kāi)發(fā)領(lǐng)域，擴(kuò)大飛機(jī)用復(fù)合材料的使用比例；加大復(fù)合材料在民用方面的應(yīng)用；大力發(fā)展特殊環(huán)境用復(fù)合材料，如需經(jīng)受溫度變化、海水腐蝕、壓力和沖擊的材料；同時(shí)要引入納米材料與多功能材料及結(jié)構(gòu)。

4 復(fù)合材料在我國(guó)的發(fā)展瓶頸

復(fù)合材料與金屬材料、陶瓷材料及聚合物材料并稱(chēng)四大材料體系，目前中國(guó)復(fù)合新材料發(fā)展主要有以下三大瓶頸。

（1）因我國(guó)復(fù)合材料復(fù)合化成本太高，使得復(fù)合材料的擴(kuò)大應(yīng)用受到嚴(yán)重的制約。

（2）我國(guó)復(fù)合材料用原材料基礎(chǔ)較差。

（3）我國(guó)復(fù)合材料的設(shè)計(jì)理論落后。復(fù)合材料的基礎(chǔ)原材料及復(fù)合材料的增強(qiáng)材料所用的碳纖維工業(yè)化進(jìn)展都很慢。這大大制約了復(fù)合材料的發(fā)展。復(fù)合材料的工藝比較復(fù)雜，發(fā)展高效的設(shè)計(jì)理論是提高復(fù)合材料應(yīng)用前景的重要手段。

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