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美国复合材料（FRP）工业发展概况 顾培芷 张刚翼1 美国复合材料工业发展概况 尽管当前美国经济不景气，复合材料工业却由于这种材料的轻质、高强和优良的耐久性而得到持续的发展，产值还在逐年增长。 美国对复合材料/FRP的需求量几乎占世界需求的一半，据美国欧文斯康宁公司的数据，1960年美国FRP生产量为11.3万t，2002年生产量为190万t，并预计在未来五年中将以45的速率连续增长。据美国CFA（复合材料制造商协会）统计，现今美国有130OO条复合材料生产线，有23.6万名雇员。复合材料产品中，约90以上是玻璃纤维增强材料，约75用的是不饱和聚酯UP或其它热固性树脂，25是热塑性树脂（尼龙、聚丙烯及聚丁烯对苯二甲酸酯PBT）。 1.1复合材料的几个重要市场 交通运输业占美国复合材料市场的最大份额，几乎是市场总额的1/3，在2001年使用了49.9万t的聚合物复合材料，仅次于交通运输业的是建筑工程业，包括桥梁建设，使用了30.6万t复合材料。耐腐蚀设备的应用（包括化工管道、石油、天然气等）他用了18.5万t，造船业使用15.1万t，电力电子行业使用15万t。风力发电行业显示出对复合材料市场增长的需求，复合材料风机叶片的长度已从10m增大到30m，每座风塔的发电能力也从每年2.55万kw增长到150万kw。 美国不少州已提出要购买来自可再生资源的电力，如德克萨斯表示，到2009年时其电力供应应有3是来自可再生资源，在德州西部将新建一个有160座电塔的风电场。 1.2汽车市场 2002年美国的汽车及载重车用复合材料比2001年增加了1l，即需求量从15.6万t增至17.4万t（据ACA即美国汽车复合材料协会），该协会十年来一直跟踪热固性复合材料在美国汽车工业包括中型及重型载重车方面的应用。在此期间，汽年用复合材料的市场份额稳定增长，主要产品是轿车外车厢板、卡车外部板、车厢板、底板、挡泥板及后门等，预计美国汽车用增强热固性复合材料到2005年将会增长至22.7万t。欧文斯康宁公司复合材料部门的负责人表明该公司一直关注着复合材料的汽车市场并期待开发出更多的结构用复合材料如前脸、门框及保险杠等。汽车用复合材料部件中有1/3是模压的（SMC），ACA指出，美国福特公司的雷鸟车是复合材料应用的优秀典范，他们的体会是采用复合材料使部件的设计更加灵活、部件制造的工模具发用减少50，雷鸟车的外车身板的60仅用热固性复合材料。碳纤维复合材料正在受到美国汽车工业的瞩目，美国塑料协会前主席Mike Dorney先生（美巴特公司塑料部副经理）说他一直得到不少制造商有关碳纤维增强热固性复合材料的讯问以及对先进复合材料研究的合作态求，目前的问题是碳纤维的价格较高，但其优良的性能及减轻车重的作用对制造商来说具有巨大的魅力。 通用汽车公司继续开发TPO基的纳米复合材料，将分散到分子尺度的粘土作为增强剂加入到树脂材料中；加入量为2.5，制备出纳米复合材料。这种材料已经被商品化，其目标是将这种纳米复合材料用于汽车外部装饰非投入大批量生产。 产值为12亿美元的旅游、娱乐车（RV）工业也是复合材料的另一大用户，他们使用带胶衣的FRP外侧板，为增加其刚性在板后面加有聚合木材的夹心结构，用于车的前睑、后罩、车顶板、洗浴室及车内装饰及家具。Crane Kem1high公司就生产带胶衣的半刚性板，以卷材供应，宽度可达2.9m，这种板材广泛地用于RV车制造业、他们采用聚酯苯乙烯复合型树脂及连续玻纤光捻粗纱，将它们在一个运动着的皮带上混和并覆盖一层胶衣表面层，再将夹心材料通过一个压辊在上述卷带进入固化炉之前压入板材。 1.3 飞机、电子市场 复合材料用于飞机制造的市场正在下降，主要是波音飞机的建造速度放缓所致，2002年有370架飞机交付使用，而2001年则有527架（据Hexcel报道，该公司是先进复合材料的主要供应商），该公司还报道说，他们最大的经营部门即商业航空部的销售净额比 2001年同期下降了27，预计在2003年波音及空中客车均会进一步减产。 Hexcel还报道说电子市场的销售净额比去年略低，主要是由于用轻质玻璃纤维织物制造的印刷线路板的需求量比去年降低，这些市场的销售净额降低的部分原因还归结于国家对航空国防及工业市场的征税连续提高。 然而， Hexcel的第二大部门即工业应用部的销售净额在2002年的第二季度比2001年同期增长了33，主要是因为制造柔性人体防弹衣以及用于娱乐休闲和一般工业应用的复合材料需求量增加的缘故。这些市场在第二季度的销售净额比去年同期增长179。 1.4 休闲娱乐市场 美国125亿元的旅艇市场是复合材料的大用户，尽管在当前经济动荡的条件下，依然正常发展。据美国Freedonia集团公司的预测，到2005年之前，美国对休闲娱乐船的需求将以每年6的速度增长、造船厂商目前都在为减少污染物的排放符合新的环保法规MACT（最高可达到的控制技术）所规定的标准而努力。 1.5 基本建设市场 尽管建筑工程单位接受复合材料技术的步伐一直比较迟缓，但复合材料在美国基本建设中的应用前景是好的，已经看到了大量的应用机会，基本建设行业代表了复合材料工业增长的巨大潜力，的家公路管理局（FHWA）已就创建一个新的研发规划即建造对世纪的桥梁规划问题，正在征求复合材料工业界的意见。因为目前已有大量的桥梁出现问题并等待修建。据 FHWA统计，美国现有35万座桥梁需要修建，全国有40的桥梁在结构上已失修或桥体功能丧失，这个百分数还在升高。用于桥梁建设中的复合材料主要是拉挤板材和型板，在很多场合下已经成功地替代钢结构。 缅因大学获奖项目RESPI是用于基本建设上的一种复合材料，他们将拉挤的FRP板材通过浸渍过程使之与木材复合，可以制备梁、I字接头、平法兰等。研究表明，这种材料的梁的弯曲强度可提高50。缅因大学在缅因州的项目中采用了复合材料夹心结构，其中的芯那是夹层木材，两端面是E玻璃纤维增强乙烯基树脂薄板，薄板外部还有一层聚合物混凝土以便涂覆沥青，他们估计采用这项技术可在一天内甚至不到一天就可安装好桥面板，而通常则需要68周的时间才完成。 美国最大的拉挤型材生产厂商之Strongwell公司的Glerm Barefoot认为，在下一个十年中对用于桥梁建设的结构拉挤材料的需求将会显著地增长。Tech DeCk公司（专门供应 FRP桥面板厂商）的桥面板是将一排拉挤成型的玻璃钢管（其内部填满混凝土）用有环氧树脂涂层的钢带捆绑起来制成桥面板，在俄亥俄州的一座桥上应用了这种新型的桥面板；安装整座桥仅用了14天，比采用传统的桥面板提前了18天；在这种桥面板上再铺上一层防水膜及7.6cm厚的沥青，上面就无需再加增强筋板了，预计这种桥面板的工作寿命为609O年。 马丁玛丽埃塔复合材料公司和国家复合材料中心（ NCC）在2002年5月宣布他们今年在俄亥俄州的 Green Gounty 的Fairground Road一座桥上安装了纤维增强聚合物桥面板，这座桥是3跨的，桥面共 786m2。此项工程是 NCC桥梁安装应用规划的一部分（C41），该中心计划安装6座复合材料桥面板的桥。据报道，在美国弗吉尼亚州的黑堡，他们用碳纤维增强树佛的拉挤型材替代了原有的钢工字架，其刚度提高到43 GPa以上。 2 美国 CFA 2002年商务展览会 2002年美国CFA商务展览会于2002年9月25一27日在佐治亚州亚特兰大世界会议中心举行。此次商务展览会由美国复合材料制造商协会及美国造船协会联合举办。此次展览会共有422家以美国为主的参展商，还有来自欧洲、南美、加拿大及中国的展商。尽管受恐怖主义911的影响，2001年的会议相当萧条，但今年的会议较之有很大的复苏、中国有7家公司作为参展商参加了此次盛会，不少国内单位也组团赴美参观展览、以下是此次展会的主要特点： （l）作为复合材料重要原料的增强物纤维材料及纤维制品仍然是各商家及参观者所关心的热点。美国年产玻璃纤维约90万t，占世界产量的40，是玻璃纤维产量最大的国家，会上美国欧文斯康宁公司（年产40万t）、PPG公司（年产30万t）及法国圣戈班（年产70万t以上）这世界三大著名厂商，均占有显著地位。 我国无碱玻纤总产员虽每年仅达15万t左右，由于质量不断提高并在主要技术指标方面已达到国际水平，生产成本较低，在国际市场上有很强的竞争能力，故而我国桐乡巨石集团、山东泰山玻纤、重庆国际复合材料及重庆玻纤的产品在展会上受到瞩目。 为提高玻璃钢制品的表面质量所需用的表面毡，也是热门产品，有的公司推出了系列产品，包括具有密度梯度特性的梯度表两位，以满足不同工艺的要求。 碳纤维及芳纶纤维的品种琳琅满目，是制备各种高性能复合材料制品的市要原料，高强、高弹模的型号为T300T700G及M35JM40的碳纤维早已商品化，芳纶纤维的高强度及低密度，作为增强材料，早已受到军方的重视。石墨纤维及石墨短纤维在复合材料上业中也占有一席之地、在碳纤维及芳纶纤维的生产制造技术方面，我国明显处于落后地位，差距较大。天然纤维作为环保型的增强材料越来越受到人们的重视，亚麻、苎麻等植物天然纤维作为增强材料，已越过实验室研究阶段，在本次展会中已有商品批量出售，订货者相当踊跃。会上USB（联合大豆公司）还展示了以大豆为原料制备的各类粘结剂、树脂添加剂、表面处理剂以及大豆制品在复合材料领域中应用的其他研究成果，受到参展人员的关注。 （2）随着材料性能的提高、性能的稳定性，重复性，可靠性的实现以及制备工艺的完善及低成本化，复合材料在造船工业、游艇制造业及汽车制造业中的应用技术已经成熟，与2000年CFA拉斯维加斯年会上展出一台全玻璃钢壳体的小型货车而引起轰动的情形相比较，在今年的亚特兰大展会上，有不同厂商制造的多台全玻璃钢壳体及内部装饰的小轿车、货车、赛车向人们展示着它们在体轻、节能、外形设列一优雅等方面的魁力，人们对复合材料在汽车上的应用已不持任何怀疑态度，而是如何应用得更好的问题。在汽车部件的制造中，除了采用产量大的情况时所采用的SMC工艺以外，还有全部部件采用RTM（即树脂传递模塑工艺的简称）VM、MIT等低成本工艺及组合工具制造的，说明人们对汽车车型变化及改动的需求，由于复合材料工艺的改进及成熟而变得更容易实现了。 美国国家造船协会是本次展会的承办者之一，与造船相关的展位占约五分之一，除了展示造船工业中的设计软件、制造技术外，船舶、游艇制造中所需要的配件，如发动机、内部装饰、各色油漆及涂料、仪表及表盘、各种电镀把手、豪华家具及床垫，总之，整体船上的各个部分，无一不有。由此可见，游艇在美国家庭中的普及程度是远非可比的。 （3）复合材料制造设备及技术仍然是复合材料工业的核心部分。在展会上，著名的设备制造商展示了他们最新的技术成果，如 Magnum Venus ProductS是提供内混、外混式喷射设备的专业公司，针对开模工艺中苯乙烯的挥发造成环境污染的普遍问题，他们推出了流体包覆技术，制造出新型低压喷嘴，最大程度地减少了苯乙烯的挥发量，在竞争中显示了他们的特点；他们推出了一种新型风机系统，应用于拉挤及缠绕工艺，这种风机可在160度角内造成空气流动，影响范围达27m宽，空气流量为每分钟2200m3；该公司还提出了“正压通风”的概念，有效地用于复合材料工厂的防火及有毒气体的排出。 从生产技术方面来看，美国复合材料厂商中很多采用诸如手糊和喷射制造工艺，基于政府方面施加的降低空气污染的压力，他们中的大多数逐渐向闭模工艺转变，RTM、VARTM（真空辅助 RTM）、 SCRIMP（西曼复合材料树脂渗注模塑工艺）、 VIP（真空渗注工艺）。 英国的Plastech公司虽然是一家注射成型的设备制造公司，但其在复合材料制品制备技术方面十分活跃，以新技术的开发来推动公司产品的销售，在RTM领域的技术开发方面极有特色。该公司新推出了 VM/RTM Light系列 RTM工艺技术及 MIT多功能夹具，并与北美、中南美、法国、东南亚、伊朗、澳大利亚、意大利、日本等复合材料专业技术公司组成全球性的技术交流及技术服务的网络，通过举办训练班等各种方式，不断推广他们的新设备、新产品、新技术。通过他们的技术咨询和技术服务，帮助生产厂商改进工艺、降低成本、提高产品质量。在此过程中，使RTM技术不断发展完普，为更广大的客户所接受。如 JHM Technologies Inc/Platech of NOrth America协助美国一家游艇制造J Sea Ray Boat。进行技术 服务，采用RTM技术及最新推出的专利技术MIF制造游艇的壳体，使该厂生产高度复杂形状的船壳产品时，也能实现自动化，目前， SCa Ray BOats已成为美国一家游艇生产大厂。 会上颇有几家机器手机器人的供应商，如加拿大的INTRAD Robatic Systems公司可提供用于喷射工艺、切边、喷漆、施胶、组装、包装等操作的机器人，为复合材料生产的自动化及精确化创造了有利条件。 模具制造新技术及新材料、泡沫材料、织物切裁自动化设备以及复合材料制备用的各种辅助材料及工具。在展会上也是琳琅满目。引人注目的是美国的石膏公司，他们生产一种短纤维增强石膏，产品是粉末状外表，可以用它制备复合材料成型用模具，模具强度高、表面非常光滑，很难相信是石膏制备的，这对小批量生产或一次性模具来说是很有吸引力的。 （4）本届参加复合材料工程竞奖（ACE）活动的新产品。 复合材料抽油杆：是一种桥式保护式抽油杆，用于油田钻井工程，在6700m深度150环境下工作，可以大大提高工作效率； 15.24m/50ft长、考察用实验室装备平底艇；船体设计是FRP的，模具是聚合物木材制备的，船体成型后可拆除；船底为双层，其中充填聚氨脂泡沫。主要优点是吃水浅、重且轻、优良的耐腐蚀性、极少的维修工作量、推动功率低等，此船设计性能符合LIoyd钢船标准，但建造速度快得多； 垒球棒；采用缠绕技术与高压RTM技术相结合的工艺制造，可批量生产； 碳纤维复合材料制光盘驱动操作管； 玻璃钢承重柱，用于建筑工程；用闭模离心法制备；尺寸为长2.84m8ft直径0.15m/6in以及9.14cm/30ft直径0.76m30in。无空隙、防水、不会被虫蛀，可适于居民及商用的室内外应用； 用于海上石油钻探的玻璃钢漂浮系统；可提供快速、高浮力的高效上浮系统。每一个海h 石油作业平台需要36个此种上浮系统。采用复合材料可简化上评的设计，减小作业平台的尺寸； 玻璃钢侧流管:用 RTM工艺制备的复合材料 Honeywell引擎侧流管。已用于喷气式飞机。采用复合材料后，使紧凑性好，原来使用791个，现降至116个；原采用金属板组装时需有1099个孔，采用复合材料后只用372个孔，大大节省了人力；另外，大大减轻了重量里，如采用金属铝，每个部件重6.35kg/14ib以上，采用复合材料每个部件4.08一4.54kg/9101b。由于部件数量的减少、人工费用减少，综合考虑原料费用，总体成本降低了30。 复合材料帆用压板，是碳纤维（T700）/环氧基的材料；拉挤成型；长度2-10m，长方形横截面；宽2575mm，厚度6-12mm；挤拉成材后，再经机加工形成