复合材料的发展.doc

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1、复合材料的发展摘要：从技术上简要概括了21 世纪先进复合材料的发展方向。它们是低成本、高性能、多功能和智能化。关键词：先进复合材料； 低成本； 高性能； 多功能； 智能化先进复合材料具有高比强度、高比模量、耐烧蚀、抗侵蚀、抗核、抗粒子云、透波、吸波、稳身、抗高速撞击等一系列特点， 是国防军工和国民经济发展最重要的一类工程材料1 .“八五”和“九五”我国在先进复合材料的研制和应用研究方面取得了极大的成绩， 先进复合材料在“十五”期间的发展将引人注目。国外有人称21 世纪将是复合材料的世纪， 21 世纪复合材料将如何发展呢？ 作者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

2、能化。本文简要介绍这四个方面的发展前景。1 低成本2000 年复合材料的产值将超过200 亿美元， 21世纪复合材料将以更快速度发展， 而扩大发展的复合材料关键在于降低成本。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？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

3、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

4、市场扩大应用， 碳纤维复合材料工业必将面临一个飞跃， 这个新的碳纤维复合材料市场会超过过去25 年的任何一个市场， 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（A ero space2grade）和工业级（Commercial2grade） 两类， 亦称为小丝束（Small2st rand tow 或Small tow ） 和大丝束（L arge2st rand tow 或L arge tow ）。通常把48K 以上碳纤维称为大丝束碳纤维， 包括60K, 120K, 360K 和480K

5、 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

6、价格高达上百美元甚至数百美元（表1） , 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205M Pa?、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107M Pa?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。碳？碳

7、复合材料有卓越的高温性能、抗烧蚀性能、耐磨损性能和力学性能， 既是优良的功能材料， 又是突出的热结构材料， 被广泛应用于战略导弹鼻锥、航天飞机机翼前缘、火箭发动机喉衬和军、民用飞机刹车片， 是国防军工和国民经济高技术的重要工程材料， 在航空、航天、交通运输、医疗卫生、能源、冶金等领域有广泛应用前景。但碳碳复合材料价格昂贵， 生产周期长， 其发展与应用受到限制。为此， 国内外大力开展低成本碳？碳复合材料技术的研究， 这种低成本技术已成为近年来碳？碳材料研究的重点。它包括原材料、复合工艺、机械化、自动化和质量控制等技术。低成本碳？碳复合材料的原材料及其织物包括：采用大丝束碳纤维； 采用短切纤维；

8、预成型纱法； 高残碳率沥清； 中间相沥清小球法； 采用新型基体前驱体； （聚芳基乙炔PAA 树脂、丙炔取代环戊二烯PCP 树脂等）； 抽滤法制备技术； 215G织物等。低成本碳？碳复合材料的复合工艺包括： 短纤维模压工艺； 快速化学液气相浸渍工艺（比CV I 沉积速率提高200 倍） ; 强迫流动热梯度法化学气相渗透（FCV I）； 限域变温强制流动化学气相渗透（L TCV I） ; 快速热梯度法化学气相沉积（沉积速率0125mm ?h ） ; 直接通电浸渍碳化法； 新型常压碳化法； 快速热等静压法。低成本碳？碳复合材料的机械化、自动化和质量控制技术包括： 新型无损检测技术； 机械化和自动化程

9、度高的编织机； 新型针剌机和缝合机等。低成本碳？碳复合材料技术可以把碳？碳复合材料的生产周期缩短几倍到几百倍， 大幅度降低碳？碳复合材料成本， 碳？碳复合材料能否在民用工业大量应用， 关键在于碳？碳复合材料低成本生产技术是否取得工程化进展。2 高性能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。固体发动机战略导弹弹道计算表明， 一、二、三级发动机壳体每减轻结构质量一公斤将增加射程相应为016km，310km 和1610km 左右。可见减轻壳体结构质量， 特别是第三级发动机壳体质量对增加战略导弹射程的重大意义。某发动机第三级壳体如用E 玻纤

10、？环氧复合材料结构质量116kg, 如用芳纶（Apmoc） ?环氧结构质量可减至71kg, 如用碳纤维T 2800?环氧结构质量仅为46kg.早期固体发动机壳体采用玻纤？环氧， 象北极星A 2 和海神C23 等， 70 年代中期以后为了减轻质量就改用芳纶？环氧， 象三叉戟1、三叉戟2 和MX 导弹等， 近年来用性能更好的碳纤维？环氧制备发动机壳体， 象侏儒导弹等。表2 为固体导弹发动机壳体用先进复合材料。90 年代先进复合材料大部分是采用T 300 类型的碳纤维和环氧树脂件作为基体，这一类T 300?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, CA

11、 I 也较低，一般在200M Pa 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，CA I 值则要求达到300M Pa 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T 300 碳纤维的抗拉强度由最初约为3000M Pa,到80 年代中期， 其抗拉强度已达到3530M Pa, 即提高了20% 左右。此外， 性能更好的碳纤维像T 800 （抗拉强度5490M Pa）、T 1000 （抗拉强度7000M Pa） 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

12、件的需求， 但T 800 和T 1000 碳纤维的价格要比T 300 分别高出200% 和370%.美国海克塞尔（HEXEL ） 公司则用IM 7, IM 8 和IM 9 等性能更高的碳纤维取代A S4 碳纤维。近年来日本东丽公司开发生产的T 700 碳纤维， 抗拉强度比T 300 提高了45% 以上， 而价格只比T 300 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CA I 大于200M Pa, 国外航空航天工业用IM 7 和T 800 碳纤维增强韧性环氧树脂， CA I 都在200M Pa 以上， 有些则达到350M Pa 左右。CA I 性能以及在不同飞机

13、、不同部位上的应用。 航空工艺研究所研究了T 800 和Q Y9511 双马树脂的性能， 测试表明其室温抗拉强度达到2741M Pa,150为2735M Pa, 湿态130仍保持在2666M Pa, 远高于T 300?环氧复合材料的性能，用T 800 或T 1000 取代T 300 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T 300?环氧复合材料， 和必须保证高比强度的应用情况， T 800 和T 1000 增强韧性环氧树脂或双马树脂是很好的选用材料。表6 是不同碳纤维增强大3620 和3632 环氧复合材料的0 度方向的抗拉强度

14、。3 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。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9 .21 世纪的复合材料材料将往多功能方向发展， 复合材料将成为具备两种

15、或两种以上功能的材料。像隐身？结构、防热？结构、防热？抗核、阻尼？结构、防热？抗核？结构、防热？抗核？隐身等。多功能复合材料研究已经从初期的双功能复合材料进入到三功能复合材料。双功能复合材料的典型代表是防热？抗核复合材料， 主要用作战略核武器端头前锥体的材料。通过调整增强物不同结构与不同组元、混编或混杂纱编织和调节基体的组元和改进复合工艺来实现。防热抗核双功能复合材料的研究， 解决了过去采用“多层穿衣式”来满足多功能要求的落后办法。双功能复合材料的另一个实例是隐身吸波复合材料和隐身？结构复合材料。隐身技术是海湾战争中美国的“杀手锏”, 隐身？吸波复合材料和隐身？结构复合材料是隐身技术的关键，

16、它们是现代军事技术的一个高度敏感的技术领域， 隐身吸波复合材料和隐身？结构复合材料的成功应用大幅度提高武器系统的突防能力与生存能力。隐身吸波复合材料初期的研究重点在隐身吸波复合涂层， 主要工作围绕高性能吸收剂的研制和隐身吸波复合涂层的设计等。包括： 可见光- 近红外- 远红外- 雷达波兼容原理、多功能隐身吸波复合涂层、多频谱隐身涂层的复合技术和大面积施工工艺等12 .在航天飞行器上可实用的隐身吸波复合涂层， 已实现隐身吸波复合涂层的厚度降至1mm 以下， 在140GHz 的频率范围都达到或超过10dB 的吸收率， 并对表面波有良好的抑制作用。当前隐身复合材料的研究重点是结构？隐身复合材料， 进

17、一步提高性能， 达到频带宽、密度低和多功能。3功能复合材料的代表是防热？透波？承载复合材料，它是为了满足新型战略核武器弹头的天线窗材料和常规地？地- 惯性？地图匹配精确制导导弹天线罩材料的要求而发展的。在战略型号中， 天线罩材料主要考虑防热及透波， 要作为承载及大尺寸结构件有一定的局限性。新一代地？地导弹要求天线罩材料同时具有较好的防热性能， 透波性能和力学性能， 并适宜于成型大尺寸的构件。防热？透波？承载三功能复合材料是功能一体化天线罩材料的关键技术之一。在战略核武器弹头再入时， 弹头端头的碳？碳复合材料和弹头大面积防热层的碳？酚醛复合材料因烧蚀热结构不匹配， 往往引起碳？酚醛复合材料的块状

18、剥蚀问题； 针对新型战略核武器为解决特定再入滚转特征， 实现被动滚控、小型化、轻质化、强突防和高可靠性， 要求研究防热？抗核？承载三功能复合材料。三功能防热？抗核？承载复合材料是在防热？抗核二功能复合材料基础上发展起来的。4 智能化智能材料（ In telligen tM aterials）亦有称为机敏材料（Smart M aterials）。美国智能材料研究中心的C1A 1 Rogers 认为“把智能与生命综合于材料的微观结构中， 以减轻系统质量、能耗并产生自适应功能，这样的系统称之为智能材料系统。”“综合了传感器、驱动器和控制器于材料和结构部件， 使之成为一体的系统， 称之为智能材料与结构

19、。”日本非传统技术学会Takagi 博士认为： “能够根据环境变化， 使自身功能处于最佳状态的材料称之为智能材料”.可见智能材料的特点与实质在于能够对外界环境变化作出适时、灵敏和恰当的响应， 它具备传感（神经）、控制（大脑） 和驱动（肌肉） 的功能， 即具有获取、识别、处理和执行的能力， 可以自动调解， 并具有自诊断、自适应、自修复能力。简言之， 即具有类似生物的自适应功能11 . 智能材料和结构的研究， 被誉为可与半导体材料诞生相媲美的高技术革命。国外把智能材料与结构技术称作是21 世纪的一个重要关键技术。智能材料和结构是军民两用技术， 但从国外的发展与应用来看， 重点在国防军事领域， 特别

20、是航空、航天高科技领域。80 年代中期美国陆军科研局（ARO ） 赞助智能旋翼机飞行器的研究， 根据采用复合材料制造直升机旋翼， 提出了研究自适应减少旋翼叶片的振幅和扭曲的旋翼结构的要求。美国空军于1989 年提出PENVAL 计划， 即宇航飞行器智能蒙皮的计划， 目标是在2002 2003 年完成整体装有智能蒙皮飞机的飞行试验。美国原战略防御计划局（SD IO ） 提出将智能材料与结构用于“针对有限攻击的全球保护系统”中， 解决天基自主监视和防御系统难以维护及结构振动等问题， 提高对目标的跟踪和打击能力。美国宇航局（NA SA ） 提出采用智能材料和结构实现大型空间结构的自适应伸展和精确定位

21、。美国陆军侧重于旋翼飞行器的自适应研究， 包括减少旋翼飞行器结构部件的振动和增大空气动力稳定性， 加强旋翼飞行器的控制、损伤检测和战地维护能力。海军拨款1200 万美元， 研究采用智能材料与结构对潜艇的振动和噪声进行主动控制， 此外， 还提出了军用舰船智能表层的研究。例如研制仿海豚皮肤以减少航行阻力的目的。空军着重于航空航天飞行器智能表层的研究， 将其落实到美国空军科研项目预测？ 中， 认为是急需发展的， 有创始性的项目。美国空军莱特研究和发展中心的航空设备实验室， 制定了智能表层的发展规划， 未来的飞机表层将埋入各种传感元件， 它们不仅能够监测自身的安全， 还能进行各种环境监测， 并能对雷达

22、、电子战和通讯系统提供瞬时模态。规划在飞机局部实现智能表层功能， 在2010 年飞机整体实现智能表层结构。90 年代初美国波音集团军事部和美国空军、美国宇航技术中心联合研制智能材料与结构的飞行器安全监测系统（SHM S 系统）。1995 年美国高级研究计划局（ARPA ） 与诺斯罗普格普门公司鉴定了3400 万美元的项目合同， 研究和验证：“ 可变几何形状机翼和翼剖面”的概念， 即采用智能材料与结构使飞机在飞行时能改变机翼及其剖面以使升力随速度和高度等最佳变化， 该项工作要进行风洞实验并制造试验机。以上研究工作表明， 国外智能材料与结构研究已从最初的基础研究和原理性演示， 逐步走向把实验室成果

23、向实用化方向转化和推进。某些研究成果已接近实用阶段。1994 年法国范堡罗航展中展出的“智能蜻蜓”就是一个例证。为了研究开发智能材料与结构， 国外纷纷成立智能？机敏材料研究所或研究中心， 学术技术交流十分活跃。1992 年ADPA , A IAA , A SM E, SP IE 等联合出版了“A ct iveM aterials and A dap t ive St ructu res”专辑。国际光学学会从1990 年以来， 每年出版有关智能材料与结构的专辑。， 日本和美国在夏威夷成立了智能结构联合研究小组， 并在1990 年和1991 年召开了第一、二届日本？美国自适应材料与结构联合会， 此

24、后几乎每年都召开国际性智能材料与结构会。智能材料与结构的研究开发有极大的社会效益与经济效益， 除了在军事上的革命性效应外， 美国能源部报告预测， 到本世纪末， 仅电流变体的市场规模可达650 亿美元， 前景十分广阔11 .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

25、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 航天先进复合材料技术的现况与展望J . 飞航导弹，2000, （11） : 58 63;2 赵稼祥1 大丝束碳纤维及其应用 J . 纤维复合材料， 1999（4） : 52

26、 55; 3 D1L 1Schm idt, K1E1Davidson, L 1S1Th iebert. U niqueApp lication of Carbon2Carbon Compo site M aterials J .SAM PE Journal, 1999, 35 （3） : 27 37; 4 赵稼祥1 碳纤维市场与发展J . 高科技纤维与应用， 1998,（5） : 7 12; 5 张守阳1 新型CV I 法制备C?C 复合材料工艺及机理研究C .西北工业大学， 2000; 6 张晓虎， 霍肖旭， 马伯信。 一种制备碳碳的新工艺2快速化学液气相渗透致密C . 第四届全国新型碳材料会论文集， 1999, 187 191; 7 赵稼祥。 先进复合材料在航空航天工业的应用与进展M . 复合材料及其结构的力学、设计、应用和评价， 第一册， 1998, 15 21