8 高性能复合材料发展现状与发展方向.docx

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1、8 高性性能复合合材料发发展现状状与发展展方向8.1 国内复复合材料料发展现现状与发发展方向向复合材料料学界较较普遍认认为我国国复合材材料发展展中亟待待研究解解决下列列问题：（1）在在发展复复合材料料新品种种的同时时，注意意发展复复合材料料构件的的制造技技术，特特别是先先进制造造技术；（2）在在研究复复合材料料构件无无损检测测方法的的同时，加紧研研究制定定无损评评价标准准。其中有五五个问题题是研究究重点：增强纤纤维的研研制、生生产与供供应；复合材材料低成成本生产产技术；新工艺艺、新设设备的研研制与发发展；复合材材料生产产环境及及回收利利用；国际大大环境与与市场经经济条件件下我国国复合材材料发展

2、展的对策策。811 航天天功能复复合材料料的现状状与展望望（1）引引言美国国国防部关关键技术术计划指出：“下一代代复合材材料结构构的研究究将侧重重于材料料的多功功能性能能方面”。20世纪纪90年代代初、中中期，美美国用于于这方面面的研究究经费为为（1.71.88）亿美美元/年。功能复合合材料的的成功应应用，使使先进战战略导弹弹弹头的的有效载载荷与结结构重量量之比大大幅度提提高（达达到4:1），并实现现了小型型化、被被动滚控控和强突突防。同同时具有有全天候候能力和和百米级级命中精精度。（2）航航天高技技术对功功能复合合材料的的要求1）军事事对抗要要求航天高技技术对功功能复合合材料的的军事对对抗要

3、求求包括：生存性性（全天天候、突突防、隐隐身、探探测透波）；小型化化、轻质质化（结结构功能一一体化、多功能能一体化化）；高精度度（稳定定外形）。2）环境境要求航天高技技术对功功能复合合材料的的环境要要求（即即生存性性要求）包括：防热；抗热应应力；抗侵蚀蚀；耐空间间原子氧氧；耐高低低温交变变；耐空间间辐射阻尼减减震。（3）航航天功能能复合材材料的研研究方向向与主要要研究内内容航天功能能复合材材料的研研究方向向包括：防热功功能复合合材料、透波和和多功能能复合材材料、功功能复合合材料的的加工技技术和功功能复合合材料测测试评价价技术。防热功功能复合合材料主主要研究究内容防热功能能复合材材料的研研究内容

4、容主要包包括:先进碳碳/碳复合合材料技技术、先先进碳/酚醛防防热复合合材料技技术、低低成本、碳/碳复合合材料、新型防防热复合合材料探探索和防防热复合合材料修修补技术术；探索研究究防热复复合材料料现场诊诊断与损损伤预警警。透波、多功能能复合材材料主要要研究内内容透波、多多功能复复合材料料的研究究内容主主要包括括：先进进介电防防热复合合材料技技术、多多功能复复合材料料技术和和新型抗抗高能破破坏复合合材料探探索。吸波、隐身复复合材料料主要研研究内容容吸波、隐隐身复合合材料的的研究内内容主要要包括：红外吸吸波隐身身复合材材料、雷雷达吸波波隐身复复合材料料、隐身身/结构复复合材料料和多功功能隐身身复合材

5、材料。功能复复合材料料加工技技术主要要研究内内容功能复合合材料加加工技术术的主要要研究内内容包括括：先进进碳/碳复合合材料加加工技术术、陶瓷瓷基复合合材料加加工技术术、防热热复合材材料精加加工技术术和复合合材料低低损伤加加工技术术。功能复复合材料料测试评评价技术术主要研研究内容容;功能复合合材料测测试评价价技术研研究的主主要内容容包括：功能复复合材料料超高温温性能测测试评价价技术、复合材材料性能能表征与与质量控控制、复复合材料料微观结结构和失失效分析析技术和和复合材材料介电电性能测测试技术术研究。（4）航航天功能能复合材材料的研研究进展展1）防热热复合材材料按发展历历程排列列，防热热复合材材料

6、先后后采用了了玻璃纤纤维复合合材料、高硅氧氧玻璃纤纤维复合合材料、碳纤维维/石英陶陶瓷基复复合材料料、碳纤纤维/酚醛复复合材料料和碳/碳复合合材料。下面主主要介绍绍碳/碳复合合材料和和碳/酚醛复复合材料料。碳/碳碳复合材材料碳/碳复复合材料料是战略略核武器器弹头端端头的最最佳候选选材料；端头在在应用过过程中经经受的环环境恶劣劣，对武武器的气气动特性性和再入入飞行特特性影响响最大，并直接接影响弹弹头生存存能力和和落点精精度。碳/碳防防热复合合材料初初期主要要解决再再入过程程的“热障”，通过过外表材材料的烧烧蚀来吸吸收热量量以避免免热量传传向内部部。进一一步研究究抗热应应力问题题，即解解决再入入时

7、气动动热和严严重温差差所引起起的热应应力问题题。当再再入到112kmm以下时时，自然然或人为为粒子云云的冲刷刷，即烧烧蚀/侵蚀的的耦合作作用将引引起烧蚀蚀量增加加和烧蚀蚀不均匀匀，严重重时会导导致弹头头失效。当前碳/碳复合合材料研研究重点点是制造造烧蚀/侵蚀外外形稳定定的先进进碳/碳复合合材料；由三向向正交碳碳/碳复合合材料向向细编穿穿刺三向向碳/碳复合合材料和和耐熔金金属芯增增强细编编三向碳碳/碳复合合材料发发展。碳/酚酚醛复合合材料在弹头的的端头稍稍向后的的部分，虽然其其温度略略低于端端头，但但占弹头头表面积积的大部部分，这这部分的的防热问问题也不不能忽视视。战略略核武器器弹头要要实行小小

8、型化、轻质化化、高精精度。碳碳/酚醛是是当前战战略核武武器大面面积防热热层的最最佳候选选材料。因为大大面积防防热层一一般约占占弹头结结构重量量的1/3，所所以应提提高碳/酚醛的的抗烧蚀蚀能力，减少防防热层厚厚度，提提高它在在承载、抗核、吸波、隔热方方面的潜潜力。20世纪纪70年代代初以来来，碳/酚醛复复合材料料的工艺艺进展包包括：由由重叠缠缠绕到倾倾斜缠绕绕；由一一般酚醛醛树脂到到高纯酚酚醛树脂脂；由单单纯碳/酚醛复复合材料料到引入入特种添添加剂的的碳/酚醛复复合材料料；由外外加压固固化到内内加压固固化。当前，碳碳/酚醛对对弹头的的主要影影响表现现为：实实现弹头头被动滚滚控技术术；进一一步小型

9、型化和轻轻质化。2）多功功能复合合材料航天多功功能复合合材料的的研究已已经从初初期的双双功能（如防热热/抗核）复合材材料进入入到三功功能（如如防热/透波/承载、防热/抗核/承载）复合材材料。双功能能（防热热/抗核）复合材材料主要用作作战略核核武器端端头前体体材料。其工艺艺途径包包括：调调整增强强物不同同结构（包括一一体化整整体编织织、三维维薄壁织织物）、与不同同组元混混编或混混杂纱编编织、调调节基体体的组元元（包括括双基体体）和改改进复合合工艺。三功能能（防热热/透波/承载）复合材材料主要用于于新型战战略核武武器弹头头的天线线窗材料料和常规规地/地惯性/地图匹匹配精确确制导导导弹天线线罩材料料

10、。其工工艺过程程包括：浇注熔熔融硅陶陶瓷、三三向正交交石英增增强氧化化硅基复复合材料料、有机机硅热解解方法制制备有机机硅复合合材料（要求承承受温度度高于115000、并坚坚持数秒秒）和磷磷酸盐基基（温度度小于115000、但能能坚持数数分钟）复合材材料。防热/透透波/承载三三功能复复合材料料（天线线罩材料料）的新新发展包包括：采采用石英英增强二二氧化硅硅，吸收收浇注熔熔融硅和和三向石石英的优优点；采采用内外外层不同同工艺，材料外外层突出出耐烧蚀蚀性，内内层则突突出结构构强度；采用界界面匹配配以保证证高透波波性能的的要求；重点研研究三功功能一体体化的匹匹配设计计。三功能能（防热热/抗核/承载）复

11、合材材料主要用于于新型战战略核武武器特定定再入滚滚转特征征的多功功能端头头防热套套。解决决再入时时大面积积碳/酚醛因因烧蚀热热结构不不匹配而而引起块块状剥蚀蚀问题。为实现现被动滚滚控、小小型化、轻质化化、强突突防和高高可靠性性提供技技术和物物质基础础。目前前，其抗抗烧蚀性性能已经经达到二二向碳/酚醛（防热/抗核）的水平平，而抗抗核加固固性能和和承载能能力则分分别提高高一个数数量级。需要进进一步对对降低表表面烧蚀蚀粗糙度度、提高高被动滚滚控性能能、提高高承载能能力和隔隔热效率率方面的的进一步步研究。3）隐身身吸波复复合材料料为了大幅幅度提高高武器系系统的突突防能力力和生存存能力，研究开开发了隐隐

12、身吸波波功能复复合材料料，包括括隐身材材料与结结构。研究重点点是隐身身吸波复复合涂层层，包括括：研制制高性能能吸收剂剂、隐身身吸波复复合涂层层设计、可见光光近红外外远红外外雷达波波兼容原原理和多多功能复复合涂层层和多频频谱隐身身涂层的的复合技技术和大大面积施施工工艺艺。4）航天天功能复复合材料料的性能能评估与与质量控控制技术术航天功能能复合材材料的性性能评估估与质量量控制技技术的研研究内容容包括：防热材材料烧蚀蚀与剥蚀蚀分析研研究、功功能复合合材料的的微观结结构与性性能的关关系、功功能复合合材料的的断裂破破坏与界界面研究究、模拟拟超高温温、超低低温、空空间环境境下功能能复合材材料的性性能测试试

13、与分析析、功能能复合材材料构件件的失效效分析、功能复复合材料料的无损损检测技技术、功功能复合合材料构构件在使使用环境境下的损损伤起源源与变化化趋势和和功能复复合材料料基体树树脂的性性能表征征与质量量控制。当前航天天功能复复合材料料的研究究重点是是：碳/碳复合合材料超超高温（30000以上）力学性性能测试试技术研研究。并并重点解解决超高高温下小小变形的的测量技技术；含钨丝丝碳/碳复合合材料无无损检测测研究。解决含含钨丝碳碳/碳复合合材料的的无损检检测方法法，并对对缺陷做做到定位位、定量量分析。（5）航航天功能能复合材材料的展展望随着对航航天功能能复合材材料的要要求越来来越高和和研究越越来越深深入

14、；复复合材料料在航天天高技术术上的应应用将越越来越扩扩大；在在航天高高技术中中的地位位越来越越重要。对功能能复合材材料中的的透波（透微波波、透光光）、人人工介质质材料、隐身功功能复合合材料（微波隐隐身、声声波隐身身）、梯梯度功能能复合材材料、其其他材料料（磁屏屏蔽、电电磁屏蔽蔽、抗xx光辐射射、仿生生、摩擦擦、超导导）等均均给予较较大的关关注。812 结构构复合材材料的研研究进展展用针刺毡毡/沉积碳碳(CVDD)制造造的C/C复合材材料刹车车片，比比碳布/沉积碳碳(CVDD)刹车片片的剪切切强度提提高566% ，平均导导热系数数提高11倍，达达到133.6ww/(mmk)。刹车过过程平稳稳，磨

15、损损率低。针刺毡由由三层结结构组成成：即上上、下两两层用330-1100mmm的短短纤维随随机排列列后加压压针刺而而成，中中间为无无纬连续续长纤维维束，三三层之间间用针刺刺连接，由于针针剌纤维维的方向向垂直于于摩擦面面，增加加了导热热通道，从而提提高了此此方向上上的导热热系数。这种材材料成本本低，仅仅为碳布布/沉积碳碳复合材材料的11/4。用PCSS/DVVB系，加压浸浸渍裂解（先驱体体转化）法制备备C纤维/SSiC复复合材料料。与常常压裂解解法相比比，性能能大为提提高。密密度可增增加到11.8992.005g/cm33。弯曲强强度为5111MPaa，断裂韧韧性达15.19MMPam1/2。采

16、用短期期化学气气相渗透透(ICVVI)法与先先驱体（PCSS）浸渍裂解（重复三三次）法法混合工工艺制备备3D-CC纤维/SSiC复复合材料料。3D-CC纤维/SSiC复复合材料料的密度度可达22.0 g/ccm3以上。弯曲强强度达到到6433MPaa，断裂韧韧性达到到17.9 MMPam1/2。其性能能较单纯纯浸渍裂解法法大为提提高，且且生产周周期缩短短。用热解碳碳对纤维维进行涂涂层时，涂层厚厚度对33D-CC纤维/SSiC复复合材料料性能有有显著影影响，存存在一最最佳界面面厚度。热解碳碳层厚度度为0.7mm左右时时，C纤维/SSiC复复合材料料的界面面结合适适中，综综合性能能良好。热解碳碳涂

17、层能能够改善善纤维与与基体的的结合质质量，弥弥补其表表面缺陷陷，使纤纤维的物物理性能能得到改改善。813 值得得重视的的复合材材料研究究新动向向（1）引引言为了使复复合材料料在航空空航天工工业以外外的市场场竞争中中提高竞竞争能力力，拓宽宽应用领领域，参参考国外外复合材材料的研研究动向向和国内内的实际际情况，值得重重视的复复合材料料研究新新动向是是：降低复复合材料料成本（包括改改进和简简化复合合材料工工艺和减减少辅助助设施）；复合材材料再生生利用。（2）降降低复合合材料成成本降低复合合材料价价格需采采取的四四种途径径：降低低碳纤维维原丝成成本；发发展大丝丝束碳纤纤维；将将单根碳碳纤维的的直径变变

18、细；提提高碳纤纤维复合合材料的的制造工工艺效率率和减少少辅助设设施。1）降低低制造碳碳纤维的的原丝价价格因为碳纤纤维原丝丝的成本本约占碳碳纤维成成本的660%，通过降降低原丝丝价格实实现碳纤纤维价格格的下降降，是使使先进复复合材料料降价的的重要途途径之一一。日本岩石石山研究究所认为为：碳纤纤维价格格只有降降至每公公斤166.5美美元以下下，其复复合材料料才能在在汽车工工业中与与普通钢钢材竞争争。而日日本东丽丽公司的的T-3300(12KK)的价价格约为为每公斤斤33.07美美元；卓尔泰泰克公司司的Paanexx33-00448的价价格为每每公斤117.664美元元。后者者已经接接近与普普通钢材

19、材竞争的的价格。2）发展展大丝束束碳纤维维国际上碳碳纤维的的丝束一一般为33K、6K、12KK。东丽公公司正发发展244K的碳碳纤维；卓尔泰泰克公司司生产448K(Pannex333-000488)、1600K(PPaneex333-01160)和3200K的碳碳纤维。他们认认为大丝丝束碳纤纤维并不不影响在在一般工工业中的的应用，而成本本可以大大幅度降降低，据据称已降降至15516美元元/公斤。可广泛泛用于热热塑性复复合材料料、体育育用品、建筑及及结构修修补。3）将单单根碳纤纤维的直直径变细细新型细直直径碳纤纤维只有有现有碳碳纤维直直径的11/1550，但但其强度度、模量量、密度度等力学学和物

20、理理性能不不仅不降降低，而而且个别别指标（如强度度）还可可能增高高。它们是用用碳氢化化合物在在催化剂剂存在条条件下直直接制成成的非连连续碳纤纤维。由由美国空空军和俄俄亥俄州州应用科科学公司司共同资资助研究究。4）提高高碳纤维维复合材材料的制制造工艺艺效率和和减少辅辅助设施施近年来，国际上上研究发发展的“生长点点”是先进进复合材材料的液液体复合合材料技技术(LLiquuid Coompoositte MMateeriaals，简记为为LCMM技术)为代表表的复合合材料液液体成型型技术。即指树树脂传递递模塑（Ressin Traansffer Molldinng，简记为为RTMM）、树脂脂膜渗透透

21、（Reesinn Fiilm inffilttrattionn，简记为为RFII）和增强强反应注注射模塑塑（Reiinfoorceed RReacctioon IInjeectiion Molldinng，简记为为RRIIM）。此外还还包括电电子束(Eleectrroniic BBeamm，简记记为EBB)固化工工艺。树脂传递递模塑（RTMM）的特点点为：树树脂液体体状态压压入预置置于封闭闭模具型型腔的增增强体的的缝隙中中，再通通过加温温固化。这种工工艺的制制品设计计自由度度大，增增强体可可采用三三维编织织预制坯坯件(33D/TTexttilee)，可提高高力学整整体性和和层间剪剪切强度度；通

22、过过更换基基体，可可以较快快地更新新复合材材料体系系的种类类。如除除环氧、酚醛外外，还可可采用乙乙烯基树树脂、丁丁二烯、双马来来酰亚胺胺、丁基基丙烯酸酸树脂；RTMM产品尺尺寸稳定定、精度度高，树树脂含量量偏差小小、气孔孔率低，生产效效率高，质量易易保证。其民用用制品可可与片状状模压料料(Sheeet Molldinng CComppounnd,简简记为SSMC)媲美；此种工工艺对环环境污染染小。工工艺过程程在密闭闭装置中中进行，因此，对当时时当地的的温度和和湿度不不敏感，产品可可批量化化。美国空军军和能源源部橡树树岭国家家实验室室(Oaak RRidgge NNatiionaal LLabo

23、orattoryy)于20世纪纪90年代代中期会会同若干干工业伙伙伴倡导导电子束束固化工工艺。已已研究出出数种新新的、增增韧的EEB固化化树脂体体系，并并在该领领域申请请了专利利。美国空军军和能源源部开发发了EBB固化阳阳离子环环氧树脂脂体系。其玻璃璃化转变变温度TTg高达3990；水煮煮48小时时的吸湿湿率小于于1%；固固化的收收缩率为为2.22%3.44%。开开发了双双马来酰酰亚胺和和氰酸酯酯作为EEB固化化树脂。（3）复复合材料料的再生生利用树脂基复复合材料料的回收收问题具具有紧迫迫性的原原因是:目前已已经相当当大的数数量的树树脂基复复合材料料制品超超过使用用保险期期，并且且其生产产量还

24、在在剧增。因此，处理报报废的复复合材料料制品的的问题已已日见突突出；生产过过程的预预浸料的的边角废废料需回回收再利利用；减小环环境污染染的程度度。对于热塑塑性树脂脂基复合合材料的的回收，日本学学者提出出用机械械粉碎法法。即将将报废的的由连续续纤维/热塑性性基复合合材料制制件机械械粉碎为为颗粒状状，再加加热成型型短纤维维增强复复合材料料制备使使之重获获利用。为了调调节制品品性能，也可与与一定比比例的新新的原料料混用。随着重重复再生生次数的的增加，复合材材料性能能下降，但仍可可用于低低档次埸埸合；直直至不能能再生为为复合材材料，最最后还可可以干馏馏裂解成成油酯（用于润润滑）、汽（用用于燃料料）等碳

25、碳氢化合合物和残残渣（用用作填料料）。热固性树树脂基复复合材料料的回收收利用比比较困难难，因为为基体固固化反应应后呈不不溶不熔熔状态。除了极极小一部部分可以以粉碎后后作为填填料外，有学者者提出，采用直直接干馏馏的方法法，将复复合材料料粉碎后后，干馏馏得到低低分子碳碳氢化合合物的油油和残渣渣。热固固性树脂脂基复合合材料回回收的工工艺流程程见图8-1。图8-11 热热固性树树脂基复复合材料料回收的的工艺流流程树脂基复复合材料料亟待解解决的问问题是：拓宽应应用领域域、回收收和再生生利用、提高利利用率、减少环环境污染染、降低低价格和和改进工工艺。8.2 国际上上对复合合材料的的展望821 国际际复合材

26、材料发展展中的普普遍性问问题国际上发发展复合合材料中中普遍存存在的问问题包括括：价格格、可靠靠性和回回收利用用问题。（1）价价格问题题由于复合合材料原原材料成成本高，工艺较较复杂，工期长长，连续续生产受受制约，因而大大幅度降降价困难难较大，这是成成为限制制复合材材料发展展的国际际性问题题。（2）可可靠性问问题由于复合合材料的的使用历历史短，工艺上上实践积积累少，且影响响复合材材料可靠靠性因素素多，包包括设计计、原材材料、工工艺参数数控制、制品可可靠性预预测与评评价等。因而其其可靠性性远远不不及目前前成熟的的传统材材料。（3）材材料回收收再生问问题由于211世纪将将明显出出现资源源短缺的的危机，

27、环境问问题也日日益严重重；复合合材料废废料与废废品中，有机无机金属不不易分离离，热固固性基体体不溶不不熔。将将废料与与废品粉粉碎作填填料是目目前可以以想见的的仅有出出路，但但存在经经济上是是否划算算的问题题。822 国际际上对复复合材料料所存在在问题的的对策在国际上上，对复复合材料料发展目目前所存存在问题题有如下下对策：（1）以以绝对优优势占领领某些特特定产品品市场，使其它它材料无无法与之之竞争，如中、高档体体育用品品。随着着社会老老龄化的的进展和和生活质质量的提提高，对对休闲类类的体育育用品的的需求量量将会与与日俱增增。例如如碳纤维维钓鱼竿竿，它在在碳纤维维制品中中已经占占有较大大的份额额。

28、但是是，复合合材料要要有大的的发展，必须进进入汽车车、电子子、建筑筑、纺织织、化工工、船舶舶等产量量大的领领域。同同时要开开发利用用复合材材料技术术对现有有建筑与与结构物物（高层层建筑、隧道、涵洞、水坝、桥梁、古建筑筑、甚至至木质渔渔船等）的修补补、加固固和改造造，形成成新的产产业部门门。（2）发发挥可整整体成型型的优势势，利用用异形织织物，制制造净成成型产品品。（3）研研究廉价价原材料料，包括括天然材材料、工工业副产产品、矿矿渣、废废弃物等等。制造造中、低低档性能能的复合合材料，作为需需求量大大的代用用材料（如代木木、代钢钢铁），同时研研究发展展高效、简便的的工艺方方法及连连续生产产的工艺艺

29、设备，降低生生产成本本。（4）大大力研究究发展功功能复合合材料和和机敏、智能复复合材料料。这类类复合材材料产量量小，产产值高，能充分分利用复复合材料料的可设设计性和和复合效效应，发发挥复合合材料独独特的特特性。（5）加加强对实实用可靠靠性的研研究。发发展简便便有效的的检测评评价方法法，充分分利用电电子计算算机和图图象显示示技术模模拟实际际使用材材料可靠靠性保证证的程度度，发展展动态实实时监测测。（6）探探索新的的复合材材料，如如原位合合成（原原位生长长）复合合材料、纳米复复合材料料、微细细观态复复合材料料等。来来解决宏宏观复合合材料中中存在的的界面薄薄弱环节节，提高高增韧效效果。（7）加加强优

30、化化设计研研究，形形成设计计专家系系统，充充分发挥挥复合效效应。（8）发发展热塑塑性复合合材料。连续纤纤维增强强PP（聚丙烯烯）、PPA（聚酰胺胺）、PPC（聚碳酸酸酯）、PEEEK（聚醚醚醚酮）、PESS、PPSS（聚苯硫硫醚）等等复合材材料具有有与增强强热固性性基体相相同的良良好综合合力学性性能，同同时在材材料韧性性、耐蚀蚀、耐磨磨、耐温温方面有有明显优优势。工工艺上具具有良好好二次或或多次成成型和易易于回收收的特性性，因此此具有好好的发展展前景。（9）研研究热塑塑性高聚聚物基复复合材料料、高分分子基原原位复合合材料、颗粒增增强金属属基复合合材料的的回收、再加工工工艺、再生利利用的复复合材料料的性能能退化率率及改进进措施。6