复合材料的新发展

1、复合材料的新发展物理学院 吴家燕摘要：材料是科学技术发展的基础，复合材料作为最新发展起来的一大类新型材料，对科学技术的发展产生了极大的推动作用。复合材料的发展近几十年来极为迅速。从最早出现的宏观复合材料，如水泥与砂石、钢筋复合而成的混凝土，到随后发展起来的微观复合材料：聚合物基、金属基和无机非金属材料基复合材料。各种新型复合材料及其制备技术犹如雨后春笋般出现，同时，随着科学技术的发展，特别是尖端科学技术的突飞猛进，对材料的性能要求越来越高，因而对复合材料也提出了更高的要求。先进复合材料在新材料技术领域占有重要的地位，其新发展趋势和特点包括应用发展的多元化、技术发展的低成本化、材料的智能化，竞争

2、发展的国际化和设计验证的规范化。引言：一个国家或地区的复合材料公业水平，已经成为衡量其科技以经济实力的标志之一，先进复合材料是国家安全和国民经济具有竞争力优势的源泉。复合材料在应用中所具有的节能、环保等性能符合绿色发展的要求，另外，随着经济的发展，传统能源储量在不断减少，复合材料具有较大的替代空间，复合材料的市场需求加大，从而推动行业的发展。新材料的研究、发展与应用一直是当代高新技术的重要内容之一。其中复合材料，特别是先进复合材料在新材料技术领域占有重要的地位，对促进世界各国军用和民用领域的高科技现代化，起到了至关重要的作用，因此近年来倍受重视。正文：应用发展的多元化以碳纤维增强树脂基复合材料

3、为代表的先进复合材料，近年来迅速扩展成航空航天、体育休闲用品和工业应用等三大领域，体现了其多元化发展的趋势和特点。以航空航天领域为代表的军用领域历来是先进复合材料重要的传统的应用领域。由于复合材料具有比强度高,比刚度高,耐腐蚀疲劳性能好,可设计性强等一系列独特的优点,在各种武器装备上的轻量化、小型化和高性能化上起到了无可代替的至关重要的作用,使之成为飞机、导弹、火箭、人造卫星、舰船、兵工武器等结构上不可或缺的战略材料和技术1。目前两个突出的亮点是在大型民用机和无人机上的应用2。化工、纺织和机械制造领域。有良好耐蚀性的碳纤维与树脂基体复合而成的材料，可用于制造化工设备、纺织机、造纸机、复印机、高

4、速机床、精密仪器等。该应用领域近期亦会有所发展,如不久前在美国拉斯维加斯举办的世界自行车展会上,有许多自行车零件由复合 材料制成。但该领域的产品质量要求越来越高,制作要求越来越精细,市场竞争亦日趋激烈。汽车领域。复合材料用于汽车代替钢件有40%或以上的减重潜力,以前限于复合材料成本较高,应用进展一直不如人意。但近年来随大丝束纤维出现、RTM等低成本工艺发展,汽车上复合材料的应用呈良好发展势头,预计近期会有较大发展以风力发电为主的能源领域。叶片是风力发电机最关键的部件之一,以前多由玻璃钢制成,现在越来越长,自重越来越大,强度刚度要求越来越高,必须转向以先进复合材料制造为主,于是形成了先进复合材料

5、应用的又一个世界性的热点3。医学领域。随着生物技术、医药技术、信息技术、制造技术、纳米技术和材料科学技术的迅猛发展与交互融合，新型和新概念生物医用材料层出不穷。药物控制释放材料、组织工程材料、纳米生物材料、生物活性材料、介入诊断和治疗材料、可降解和吸收生物材料、新型人造器官、人造血液等代表了新的发展趋势和方向。技术发展的低成本化复合材料技术是一门应用性很强的新技术,但应用的实践中也发现复合材料的成本较高,特别是制造成本较高,形成了其进一步发展应用的主要障碍。复合材料技术发展的低成本化乃是当今世界复合材料技术发展的核心问题。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

6、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。低成本设计技术。发展以DFM(Design for Manufacture)为核心的设计制造一体化技术,其实质是随计算机和制造技术的进步,采用全新的设计理念和手段,发展数字化、自动化的设计技术,将设计和制造进一步融为一体,从而加快产品研发进度,提高质量,降低成本。大量设计软件的开发和集成加上自动化的制造技术在设计阶段就考虑制造与装配问题,减少样件和协调,易于模具生产,降低了成本,使复合材料的应用更具有竞争性。低成本的制造技术。制造成本大约占复合材料制件总成本的80%左右,所以低成本复合材料技术的核心是低成本制造技术。(1)自动化

7、制造技术:发展以自动铺带(ATL)和纤维自动铺放(AFP)为核心的自动化制造技术。它可节省时间、劳力,速度较手工铺层提高10倍,且节省原材料,提高制件精度、质量,有效地降低了成本。(2)以共固化/共胶接为核心的大面积整体成形技术:大面积整体成形可大大减少零件数目,减少紧固件数目,减轻结构质量,降低连接和装配成本,从而有效地降低了总成本。 (3)以RTM,即树脂传递模塑成型技术为核心的低成本制造技术的研究和发展,该项技术可不用预浸料、热压罐,有效地降低设备成本、成型成本。该项技术近年来发展很快,在飞机、汽车、舰船等工业领域应用日益广泛,并研究发展出RFI,VARTM,SCRIMP,SPRINT等

8、多种分支,满足不同领域的应用需求。 (4)罐外成形技术:热压罐法成形是目前航空航 天制件最主要的成形工艺方法,但其设备成本高,生产周期长,能源消耗大,故其生产成本高。为降低制造成本人们在努力寻求热压罐外成形方法。如采用电子束(Electronbeam)固化。低成本的材料技术。该项技术可包括大丝束碳纤维的应用、低温快速固化树脂体系的开发、低成本预浸料技术、各种RTM用树脂体系的配套研发、热塑性复合材料的合理使用,以及混杂复合材料的合理应用等诸多技术。材料的智能化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

9、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

10、技术， 成为21 世纪复合材料一个重要发展方向。竞争发展的国际化复合材料技术是世界各国,特别是西方发达国家极为重视的一门军民两用技术,发展中有竞争亦有合作,发展的国际化趋势亦十分明显。国内很多复合材料生产厂、所正在发展建设中,建议主持者应有开放的眼光,提高建设的技术和设备水平,使之能够与国际的发展相竞争,走出国门,融入复合材料技术发展的国际潮流中。如空客的超大型客机上大量采用了复合材料,在全球选用最好的技术和厂商,德国、日本、荷兰、西班牙、美国均在其列,并不局限于空客集团内部。更为典型的是美国波音公司的B7E7,公开宣称制造绝不仅限于美国,要在全球选择子承包商,获取世界级的最新技术,多国合作生

11、产最优的产品,为此波音向全球派出考察团,选择制造商。这一切都说明复合材料发展的国际化趋势十分明显。设计验证的规范化先进复合材料的发展应用已有30多年的历史,与传统的金属材料技术相比虽还不够成熟,从理论到实践上还有许多不完善处,但30多年来毕竟积累了许多经验和数据,在设计、分析、试验验证和鉴定验收等方面逐渐走向了规范化、文件化和成熟化,这是当前复合材料技术发展的又一重要趋势。该趋势的重要表现之一是有组织地统一制订相应规范,其目的是将复合材料的设计和鉴定文件化、规范化,使试验和分析更好地结合起来,形成设计和鉴定的统一指南,编制全行业的技术标准,改进最终产品的一致性,减少风险,降低成本。该方面最典型

12、的事例是美国复合材料手册“MIL2HDBK217”的不断修订和出版3。另一个实例是在复合材料结构的设计、分析和试 验验证中普遍采用所谓的“积木式方法”(Building Block Approach)。该方法规范、统一了复合材料结构试验验证的方法和程序。近年来还有由美国NASA,FAA和工业界共同发起的AGATE(Advanced General Aviation Technology Experiments)计划,要为复合材料结构设计建立共享的标准数据库4。小结国内的复合材料技术虽有一定的发展,并取得了一定的成果与进步,但与国外的先进水平相比尚存在许多问题和差距。在研究和分析国内外复合材料技术发展趋势和动态时,已取得的成绩和复合材料的发展前景是可喜的,但国内落后的现实堪忧。复合材料技术是一门应用性很强的技术,只有在不断的应用中才能促其提高,促其发展。参考文献（1）赵稼祥。 先进复合材料