8 高性能复合材料发展现状与发展方向2656.docx

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1、8 高性能能复合材料料发展现状状与发展方方向8.1 国国内复合材材料发展现现状与发展展方向复合材料学学界较普遍遍认为我国国复合材料料发展中亟亟待研究解解决下列问问题：（1）在发发展复合材材料新品种种的同时，注注意发展复复合材料构构件的制造造技术，特特别是先进进制造技术术；（2）在研研究复合材材料构件无无损检测方方法的同时时，加紧研研究制定无无损评价标标准。其中有五个个问题是研研究重点：增强纤维维的研制、生生产与供应应；复合材料料低成本生生产技术；新工艺、新新设备的研研制与发展展；复合材料料生产环境境及回收利利用；国际大环环境与市场场经济条件件下我国复复合材料发发展的对策策。8111 航天功功能

2、复合材材料的现状状与展望（1）引言言美国国防防部关键技技术计划指指出：“下一代复复合材料结结构的研究究将侧重于于材料的多多功能性能能方面”。20世纪990年代初初、中期，美美国用于这这方面的研研究经费为为（1.771.8）亿亿美元/年。功能复合材材料的成功功应用，使使先进战略略导弹弹头头的有效载载荷与结构构重量之比比大幅度提提高（达到到4:1），并并实现了小小型化、被被动滚控和和强突防。同同时具有全全天候能力力和百米级级命中精度度。（2）航天天高技术对对功能复合合材料的要要求1）军事对对抗要求航天高技术术对功能复复合材料的的军事对抗抗要求包括括：生存性（全全天候、突突防、隐身身、探测透波）；小

3、型化、轻轻质化（结结构功能一体体化、多功功能一体化化）；高精度（稳稳定外形）。2）环境要要求航天高技术术对功能复复合材料的的环境要求求（即生存存性要求）包包括：防热；抗热应力力；抗侵蚀；耐空间原原子氧；耐高低温温交变；耐空间辐辐射阻尼减震震。（3）航天天功能复合合材料的研研究方向与与主要研究究内容航天功能复复合材料的的研究方向向包括：防防热功能复复合材料、透透波和多功功能复合材材料、功能能复合材料料的加工技技术和功能能复合材料料测试评价价技术。防热功能能复合材料料主要研究究内容防热功能复复合材料的的研究内容容主要包括括:先进碳/碳复合材材料技术、先先进碳/酚醛防热热复合材料料技术、低低成本、碳

4、碳/碳复合材材料、新型型防热复合合材料探索索和防热复复合材料修修补技术；探索研究防防热复合材材料现场诊诊断与损伤伤预警。透波、多多功能复合合材料主要要研究内容容透波、多功功能复合材材料的研究究内容主要要包括：先先进介电防防热复合材材料技术、多多功能复合合材料技术术和新型抗抗高能破坏坏复合材料料探索。吸波、隐隐身复合材材料主要研研究内容吸波、隐身身复合材料料的研究内内容主要包包括：红外外吸波隐身身复合材料料、雷达吸吸波隐身复复合材料、隐隐身/结构复合合材料和多多功能隐身身复合材料料。功能复合合材料加工工技术主要要研究内容容功能复合材材料加工技技术的主要要研究内容容包括：先先进碳/碳复合材材料加工

5、技技术、陶瓷瓷基复合材材料加工技技术、防热热复合材料料精加工技技术和复合合材料低损损伤加工技技术。功能复合合材料测试试评价技术术主要研究究内容;功能复合材材料测试评评价技术研研究的主要要内容包括括：功能复复合材料超超高温性能能测试评价价技术、复复合材料性性能表征与与质量控制制、复合材材料微观结结构和失效效分析技术术和复合材材料介电性性能测试技技术研究。（4）航天天功能复合合材料的研研究进展1）防热复复合材料按发展历程程排列，防防热复合材材料先后采采用了玻璃璃纤维复合合材料、高高硅氧玻璃璃纤维复合合材料、碳碳纤维/石英陶瓷瓷基复合材材料、碳纤纤维/酚醛复合合材料和碳碳/碳复合材材料。下面面主要介

6、绍绍碳/碳复合材材料和碳/酚醛复合合材料。碳/碳复复合材料碳/碳复合合材料是战战略核武器器弹头端头头的最佳候候选材料；端头在应应用过程中中经受的环环境恶劣，对对武器的气气动特性和和再入飞行行特性影响响最大，并并直接影响响弹头生存存能力和落落点精度。碳/碳防热热复合材料料初期主要要解决再入入过程的“热障”，通过外外表材料的的烧蚀来吸吸收热量以以避免热量量传向内部部。进一步步研究抗热热应力问题题，即解决决再入时气气动热和严严重温差所所引起的热热应力问题题。当再入入到12km以下时时，自然或或人为粒子子云的冲刷刷，即烧蚀蚀/侵蚀的耦耦合作用将将引起烧蚀蚀量增加和和烧蚀不均均匀，严重重时会导致致弹头失

7、效效。当前碳/碳碳复合材料料研究重点点是制造烧烧蚀/侵蚀外形形稳定的先先进碳/碳复合材材料；由三三向正交碳碳/碳复合材材料向细编编穿刺三向向碳/碳复合材材料和耐熔熔金属芯增增强细编三三向碳/碳复合材材料发展。碳/酚醛醛复合材料料在弹头的端端头稍向后后的部分，虽虽然其温度度略低于端端头，但占占弹头表面面积的大部部分，这部部分的防热热问题也不不能忽视。战战略核武器器弹头要实实行小型化化、轻质化化、高精度度。碳/酚醛是当当前战略核核武器大面面积防热层层的最佳候候选材料。因因为大面积积防热层一一般约占弹弹头结构重重量的1/3，所以以应提高碳碳/酚醛的抗抗烧蚀能力力，减少防防热层厚度度，提高它它在承载、

8、抗抗核、吸波波、隔热方方面的潜力力。20世纪770年代初初以来，碳碳/酚醛复合合材料的工工艺进展包包括：由重重叠缠绕到到倾斜缠绕绕；由一般般酚醛树脂脂到高纯酚酚醛树脂；由单纯碳碳/酚醛复合合材料到引引入特种添添加剂的碳碳/酚醛复合合材料；由由外加压固固化到内加加压固化。当前，碳/酚醛对弹弹头的主要要影响表现现为：实现现弹头被动动滚控技术术；进一步步小型化和和轻质化。2）多功能能复合材料料航天多功能能复合材料料的研究已已经从初期期的双功能能（如防热热/抗核）复复合材料进进入到三功功能（如防防热/透波/承载、防防热/抗核/承载）复复合材料。双功能（防防热/抗核）复复合材料主要用作战战略核武器器端头

9、前体体材料。其其工艺途径径包括：调调整增强物物不同结构构（包括一一体化整体体编织、三三维薄壁织织物）、与与不同组元元混编或混混杂纱编织织、调节基基体的组元元（包括双双基体）和和改进复合合工艺。三功能（防防热/透波/承载）复复合材料主要用于新新型战略核核武器弹头头的天线窗窗材料和常常规地/地惯性/地图匹配配精确制导导导弹天线线罩材料。其其工艺过程程包括：浇浇注熔融硅硅陶瓷、三三向正交石石英增强氧氧化硅基复复合材料、有有机硅热解解方法制备备有机硅复复合材料（要要求承受温温度高于11500、并坚持持数秒）和和磷酸盐基基（温度小小于15000、但能坚坚持数分钟钟）复合材材料。防热/透波波/承载三功功能

10、复合材材料（天线线罩材料）的的新发展包包括：采用用石英增强强二氧化硅硅，吸收浇浇注熔融硅硅和三向石石英的优点点；采用内内外层不同同工艺，材材料外层突突出耐烧蚀蚀性，内层层则突出结结构强度；采用界面面匹配以保保证高透波波性能的要要求；重点点研究三功功能一体化化的匹配设设计。三功能（防防热/抗核/承载）复复合材料主要用于新新型战略核核武器特定定再入滚转转特征的多多功能端头头防热套。解解决再入时时大面积碳碳/酚醛因烧烧蚀热结构构不匹配而而引起块状状剥蚀问题题。为实现现被动滚控控、小型化化、轻质化化、强突防防和高可靠靠性提供技技术和物质质基础。目目前，其抗抗烧蚀性能能已经达到到二向碳/酚醛（防防热/抗

11、核）的的水平，而而抗核加固固性能和承承载能力则则分别提高高一个数量量级。需要要进一步对对降低表面面烧蚀粗糙糙度、提高高被动滚控控性能、提提高承载能能力和隔热热效率方面面的进一步步研究。3）隐身吸吸波复合材材料为了大幅度度提高武器器系统的突突防能力和和生存能力力，研究开开发了隐身身吸波功能能复合材料料，包括隐隐身材料与与结构。研究重点是是隐身吸波波复合涂层层，包括：研制高性性能吸收剂剂、隐身吸吸波复合涂涂层设计、可可见光近红外远红外雷达波兼兼容原理和和多功能复复合涂层和和多频谱隐隐身涂层的的复合技术术和大面积积施工工艺艺。4）航天功功能复合材材料的性能能评估与质质量控制技技术航天功能复复合材料的

12、的性能评估估与质量控控制技术的的研究内容容包括：防防热材料烧烧蚀与剥蚀蚀分析研究究、功能复复合材料的的微观结构构与性能的的关系、功功能复合材材料的断裂裂破坏与界界面研究、模模拟超高温温、超低温温、空间环环境下功能能复合材料料的性能测测试与分析析、功能复复合材料构构件的失效效分析、功功能复合材材料的无损损检测技术术、功能复复合材料构构件在使用用环境下的的损伤起源源与变化趋趋势和功能能复合材料料基体树脂脂的性能表表征与质量量控制。当前航天功功能复合材材料的研究究重点是：碳/碳复合材材料超高温温（30000以上）力力学性能测测试技术研研究。并重重点解决超超高温下小小变形的测测量技术；含钨丝碳碳/碳复

13、合材材料无损检检测研究。解解决含钨丝丝碳/碳复合材材料的无损损检测方法法，并对缺缺陷做到定定位、定量量分析。（5）航天天功能复合合材料的展展望随着对航天天功能复合合材料的要要求越来越越高和研究究越来越深深入；复合合材料在航航天高技术术上的应用用将越来越越扩大；在在航天高技技术中的地地位越来越越重要。对对功能复合合材料中的的透波（透透微波、透透光）、人人工介质材材料、隐身身功能复合合材料（微微波隐身、声声波隐身）、梯梯度功能复复合材料、其其他材料（磁磁屏蔽、电电磁屏蔽、抗抗x光辐射、仿仿生、摩擦擦、超导）等等均给予较较大的关注注。8122 结构复复合材料的的研究进展展用针刺毡/沉积碳(CVD)制

14、造的C/C复合材料料刹车片，比比碳布/沉积碳(CVD)刹车片的的剪切强度度提高566% ，平平均导热系系数提高11倍，达到到13.66w/(mmk)。刹车过程程平稳，磨磨损率低。针刺毡由三三层结构组组成：即上上、下两层层用30-100mmm的短纤纤维随机排排列后加压压针刺而成成，中间为为无纬连续续长纤维束束，三层之之间用针刺刺连接，由由于针剌纤纤维的方向向垂直于摩摩擦面，增增加了导热热通道，从从而提高了了此方向上上的导热系系数。这种种材料成本本低，仅为为碳布/沉积碳复复合材料的的1/4。用PCS/DVB系系，加压浸浸渍裂解（先先驱体转化化）法制备备C纤维/SiiC复合材材料。与常常压裂解法法相

15、比，性性能大为提提高。密度度可增加到到1.899 2.055g/cmm3。弯曲强度度为511MMPa，断裂韧性性达15.119MPaam1/2。采用短期化化学气相渗渗透(ICVII)法与先驱驱体（PCCS）浸渍裂解（重重复三次）法法混合工艺艺制备3D-C纤维维/SiCC复合材料料。3D-C纤维维/SiCC复合材料料的密度可可达2.00 g/ccm3以上。弯弯曲强度达达到6433MPa，断裂韧性性达到177.9 MMPamm1/2。其性能较较单纯浸渍渍裂解法大大为提高，且且生产周期期缩短。用热解碳对对纤维进行行涂层时，涂涂层厚度对对3D-C纤维维/SiCC复合材料料性能有显显著影响，存存在一最佳

16、佳界面厚度度。热解碳碳层厚度为为0.7mm左右时，CC纤维/SiiC复合材材料的界面面结合适中中，综合性性能良好。热热解碳涂层层能够改善善纤维与基基体的结合合质量，弥弥补其表面面缺陷，使使纤维的物物理性能得得到改善。8133 值得重重视的复合合材料研究究新动向（1）引言言为了使复合合材料在航航空航天工工业以外的的市场竞争争中提高竞竞争能力，拓拓宽应用领领域，参考考国外复合合材料的研研究动向和和国内的实实际情况，值值得重视的的复合材料料研究新动动向是：降低复合合材料成本本（包括改改进和简化化复合材料料工艺和减减少辅助设设施）；复合材料料再生利用用。（2）降低低复合材料料成本降低复合材材料价格需需

17、采取的四四种途径：降低碳纤纤维原丝成成本；发展展大丝束碳碳纤维；将将单根碳纤纤维的直径径变细；提提高碳纤维维复合材料料的制造工工艺效率和和减少辅助助设施。1）降低制制造碳纤维维的原丝价价格因为碳纤维维原丝的成成本约占碳碳纤维成本本的60%，通过降降低原丝价价格实现碳碳纤维价格格的下降，是是使先进复复合材料降降价的重要要途径之一一。日本岩石山山研究所认认为：碳纤纤维价格只只有降至每每公斤166.5美元元以下，其其复合材料料才能在汽汽车工业中中与普通钢钢材竞争。而而日本东丽丽公司的TT-3000(12KK)的价格格约为每公公斤33.07美元元；卓尔泰克克公司的PPanexx33-00048的的价格

18、为每每公斤177.64美美元。后者者已经接近近与普通钢钢材竞争的的价格。2）发展大大丝束碳纤纤维国际上碳纤纤维的丝束束一般为33K、6K、12K。东丽公司司正发展224K的碳碳纤维；卓卓尔泰克公公司生产448K(PPanexx33-00048)、160KK(Pannex333-01660)和320KK的碳纤维维。他们认认为大丝束束碳纤维并并不影响在在一般工业业中的应用用，而成本本可以大幅幅度降低，据据称已降至至1516美元/公斤。可可广泛用于于热塑性复复合材料、体体育用品、建建筑及结构构修补。3）将单根根碳纤维的的直径变细细新型细直径径碳纤维只只有现有碳碳纤维直径径的1/1150，但但其强度

19、、模量、密密度等力学学和物理性性能不仅不不降低，而而且个别指指标（如强强度）还可可能增高。它们是用碳碳氢化合物物在催化剂剂存在条件件下直接制制成的非连连续碳纤维维。由美国国空军和俄俄亥俄州应应用科学公公司共同资资助研究。4）提高碳碳纤维复合合材料的制制造工艺效效率和减少少辅助设施施近年来，国国际上研究究发展的“生长点”是先进复复合材料的的液体复合合材料技术术(Liqquid Commposiite MMaterrialss，简记为LCCM技术)为代表的的复合材料料液体成型型技术。即即指树脂传传递模塑（Resin Transfer Molding，简记为RTM）、树脂膜渗透（Resin Film

20、 infiltration，简记为RFI）和增强反应注射模塑（Reinforced Reaction Injection Molding，简记为RRIM）。此外还包括电子束(Electronic Beam，简记为EB)固化工艺。树脂传递模模塑（RTM）的特点为为：树脂液液体状态压压入预置于于封闭模具具型腔的增增强体的缝缝隙中，再再通过加温温固化。这这种工艺的的制品设计计自由度大大，增强体体可采用三三维编织预预制坯件(3D/TTextiile)，可提高力力学整体性性和层间剪剪切强度；通过更换换基体，可可以较快地地更新复合合材料体系系的种类。如如除环氧、酚酚醛外，还还可采用乙乙烯基树脂脂、丁二烯烯

21、、双马来来酰亚胺、丁丁基丙烯酸酸树脂；RRTM产品品尺寸稳定定、精度高高，树脂含含量偏差小小、气孔率率低，生产产效率高，质质量易保证证。其民用用制品可与与片状模压压料(Sheeet Mooldinng Coompouund,简简记为SMMC)媲美；此此种工艺对对环境污染染小。工艺艺过程在密密闭装置中中进行，因因此，对当当时当地的的温度和湿湿度不敏感感，产品可可批量化。美国空军和和能源部橡橡树岭国家家实验室(Oak Ridgge Naationnal LLaborratorry)于20世纪90年代中中期会同若若干工业伙伙伴倡导电电子束固化化工艺。已已研究出数数种新的、增增韧的EBB固化树脂脂体系

22、，并并在该领域域申请了专专利。美国空军和和能源部开开发了EBB固化阳离离子环氧树树脂体系。其其玻璃化转转变温度TTg高达3900；水煮488小时的吸吸湿率小于于1%；固化化的收缩率率为2.22%3.4%。开发了了双马来酰酰亚胺和氰氰酸酯作为为EB固化树树脂。（3）复合合材料的再再生利用树脂基复合合材料的回回收问题具具有紧迫性性的原因是是:目前已经经相当大的的数量的树树脂基复合合材料制品品超过使用用保险期，并并且其生产产量还在剧剧增。因此此，处理报报废的复合合材料制品品的问题已已日见突出出；生产过程程的预浸料料的边角废废料需回收收再利用；减小环境境污染的程程度。对于热塑性性树脂基复复合材料的的回

23、收，日日本学者提提出用机械械粉碎法。即即将报废的的由连续纤纤维/热塑性基基复合材料料制件机械械粉碎为颗颗粒状，再再加热成型型短纤维增增强复合材材料制备使使之重获利利用。为了了调节制品品性能，也也可与一定定比例的新新的原料混混用。随着着重复再生生次数的增增加，复合合材料性能能下降，但但仍可用于于低档次埸埸合；直至至不能再生生为复合材材料，最后后还可以干干馏裂解成成油酯（用用于润滑）、汽汽（用于燃燃料）等碳碳氢化合物物和残渣（用用作填料）。热固性树脂脂基复合材材料的回收收利用比较较困难，因因为基体固固化反应后后呈不溶不不熔状态。除除了极小一一部分可以以粉碎后作作为填料外外，有学者者提出，采采用直接

24、干干馏的方法法，将复合合材料粉碎碎后，干馏馏得到低分分子碳氢化化合物的油油和残渣。热固性树脂基复合材料回收的工艺流程见图8-1。图8-1 热固性性树脂基复复合材料回回收的工艺艺流程树脂基复合合材料亟待待解决的问问题是：拓拓宽应用领领域、回收收和再生利利用、提高高利用率、减减少环境污污染、降低低价格和改改进工艺。8.2 国国际上对复复合材料的的展望8211 国际复复合材料发发展中的普普遍性问题题国际上发展展复合材料料中普遍存存在的问题题包括：价价格、可靠靠性和回收收利用问题题。（1）价格格问题由于复合材材料原材料料成本高，工工艺较复杂杂，工期长长，连续生生产受制约约，因而大大幅度降价价困难较大大

25、，这是成成为限制复复合材料发发展的国际际性问题。（2）可靠靠性问题由于复合材材料的使用用历史短，工工艺上实践践积累少，且且影响复合合材料可靠靠性因素多多，包括设设计、原材材料、工艺艺参数控制制、制品可可靠性预测测与评价等等。因而其其可靠性远远远不及目目前成熟的的传统材料料。（3）材料料回收再生生问题由于21世世纪将明显显出现资源源短缺的危危机，环境境问题也日日益严重；复合材料料废料与废废品中，有有机无机金属不易易分离，热热固性基体体不溶不熔熔。将废料料与废品粉粉碎作填料料是目前可可以想见的的仅有出路路，但存在在经济上是是否划算的的问题。8222 国际上上对复合材材料所存在在问题的对对策在国际上

26、，对对复合材料料发展目前前所存在问问题有如下下对策：（1）以绝绝对优势占占领某些特特定产品市市场，使其其它材料无无法与之竞竞争，如中中、高档体体育用品。随随着社会老老龄化的进进展和生活活质量的提提高，对休休闲类的体体育用品的的需求量将将会与日俱俱增。例如如碳纤维钓钓鱼竿，它它在碳纤维维制品中已已经占有较较大的份额额。但是，复复合材料要要有大的发发展，必须须进入汽车车、电子、建建筑、纺织织、化工、船船舶等产量量大的领域域。同时要要开发利用用复合材料料技术对现现有建筑与与结构物（高高层建筑、隧隧道、涵洞洞、水坝、桥桥梁、古建建筑、甚至至木质渔船船等）的修修补、加固固和改造，形形成新的产产业部门。（

27、2）发挥挥可整体成成型的优势势，利用异异形织物，制制造净成型型产品。（3）研究究廉价原材材料，包括括天然材料料、工业副副产品、矿矿渣、废弃弃物等。制制造中、低低档性能的的复合材料料，作为需需求量大的的代用材料料（如代木木、代钢铁铁），同时时研究发展展高效、简简便的工艺艺方法及连连续生产的的工艺设备备，降低生生产成本。（4）大力力研究发展展功能复合合材料和机机敏、智能能复合材料料。这类复复合材料产产量小，产产值高，能能充分利用用复合材料料的可设计计性和复合合效应，发发挥复合材材料独特的的特性。（5）加强强对实用可可靠性的研研究。发展展简便有效效的检测评评价方法，充充分利用电电子计算机机和图象显显

28、示技术模模拟实际使使用材料可可靠性保证证的程度，发发展动态实实时监测。（6）探索索新的复合合材料，如如原位合成成（原位生生长）复合合材料、纳纳米复合材材料、微细细观态复合合材料等。来来解决宏观观复合材料料中存在的的界面薄弱弱环节，提提高增韧效效果。（7）加强强优化设计计研究，形形成设计专专家系统，充充分发挥复复合效应。（8）发展展热塑性复复合材料。连连续纤维增增强PP（聚丙烯）、PA（聚酰胺）、PC（聚碳酸酯）、PEEK（聚醚醚酮）、PES、PPS（聚苯硫醚）等复合材料具有与增强热固性基体相同的良好综合力学性能，同时在材料韧性、耐蚀、耐磨、耐温方面有明显优势。工艺上具有良好二次或多次成型和易于回收的特性，因此具有好的发展前景。（9）研究究热塑性高高聚物基复复合材料、高高分子基原原位复合材材料、颗粒粒增强金属属基复合材材料的回收收、再加工工工艺、再再生利用的的复合材料料的性能退退化率及改改进措施。10