8高性能复合材料发展现状与发展方向

1、8 高性能复合材料发展现状与发展方向8.1 国内复合材料进展现状与进展方向复合材料学界较普遍认为我国复合材料进展中亟待研究解决下列咨询题： （1）在进展复合材料新品种的同时， 注意进展复合材料构件的制造技术， 专门是先进制造技术；（2）在研究复合材料构件无损检测方法的同时，加紧研究制定无损评判 标准。其中有五个咨询题是研究重点： 增强纤维的研制、生产与供应； 复合材料低成本生产技术； 新工艺、新设备的研制与进展； 复合材料生产环境及回收利用； 国际大环境与市场经济条件下我国复合材料进展的计策。811 航天功能复合材料的现状与展望（1）引言美国国防部关键技术打算指出： “下一代复合材料结构的研究

2、将侧重 于材料的多功能性能方面” 。20 世纪 90 年代初、中期，美国用于这方面的研究经费为（ 1.71.8）亿美 元/年。功能复合材料的成功应用， 使先进战略导弹弹头的有效载荷与结构重量之 比大幅度提升（达到 4:1），并实现了小型化、被动滚控和强突防。同时具有全 天候能力和百米级命中精度。（ 2）航天高技术对功能复合材料的要求1）军事对抗要求 航天高技术对功能复合材料的军事对抗要求包括： 生存性（全天候、突防、隐身、探测一透波）； 小型化、轻质化（结构一功能一体化、多功能一体化）； 高精度（稳固外形）。2）环境要求 航天高技术对功能复合材料的环境要求（即生存性要求）包括： 防热； 抗热应

3、力； 抗腐蚀； 耐空间原子氧； 耐高低温交变； 耐空间辐射 阻尼减震。（ 3）航天功能复合材料的研究方向与要紧研究内容 航天功能复合材料的研究方向包括： 防热功能复合材料、 透波和多功能复 合材料、功能复合材料的加工技术和功能复合材料测试评判技术。 防热功能复合材料要紧研究内容 防热功能复合材料的研究内容要紧包括 :先进碳/碳复合材料技术、 先进碳 /酚醛防热复合材料技术、低成本、碳 /碳复合材料、新型防热复合材料探究和 防热复合材料修补技术；探究研究防热复合材料现场诊断与损害预警。 透波、多功能复合材料要紧研究内容 透波、多功能复合材料的研究内容要紧包括： 先进介电防热复合材料技术、多功能复

4、合材料技术和新型抗高能破坏复合材料探究。 吸波、隐身复合材料要紧研究内容吸波、隐身复合材料的研究内容要紧包括： 红外吸波隐身复合材料、 雷达 吸波隐身复合材料、隐身 /结构复合材料和多功能隐身复合材料。 功能复合材料加工技术要紧研究内容 功能复合材料加工技术的要紧研究内容包括：先进碳 /碳复合材料加工技 术、陶瓷基复合材料加工技术、 防热复合材料精加工技术和复合材料低损害加 工技术。 功能复合材料测试评判技术要紧研究内容 ;功能复合材料测试评判技术研究的要紧内容包括： 功能复合材料超高温性 能测试评判技术、 复合材料性能表征与质量操纵、 复合材料微观结构和失效分 析技术和复合材料介电性能测试技

5、术研究。（4）航天功能复合材料的研究进展1）防热复合材料按进展历程排列， 防热复合材料先后采纳了玻璃纤维复合材料、 高硅氧玻 璃纤维复合材料、碳纤维 /石英陶瓷基复合材料、碳纤维 /酚醛复合材料和碳 / 碳复合材料。下面要紧介绍碳 /碳复合材料和碳 /酚醛复合材料。 碳/碳复合材料 碳/碳复合材料是战略核武器弹头端头的最佳候选材料；端头在应用过程 中经受的环境恶劣， 对武器的气动特性和再入飞行特性阻碍最大， 并直截了当 阻碍弹头生存能力和落点精度。碳/碳防热复合材料初期要紧解决再入过程的“热障” ，通过外表材料的烧 蚀来吸取热量以幸免热量传向内部。 进一步研究抗热应力咨询题， 即解决再入 时气

6、动热和严峻温差所引起的热应力咨询题。当再入到 12km 以下时，自然或 人为粒子云的冲刷， 即烧蚀 /腐蚀的耦合作用将引起烧蚀量增加和烧蚀不平均， 严峻时会导致弹头失效。当前碳 /碳复合材料研究重点是制造烧蚀 /腐蚀外形稳固的先进碳 /碳复合 材料；由三向正交碳 /碳复合材料向细编穿刺三向碳 /碳复合材料和耐熔金属芯 增强细编三向碳 /碳复合材料进展。 碳/酚醛复合材料在弹头的端头稍向后的部分， 尽管其温度略低于端头， 但占弹头表面积的 大部分， 这部分的防热咨询题也不能忽视。 战略核武器弹头要实行小型化、 轻 质化、高精度。碳 /酚醛是当前战略核武器大面积防热层的最佳候选材料。因 为大面积防

7、热层一样约占弹头结构重量的 1/3，因此应提升碳 /酚醛的抗烧蚀能 力，减少防热层厚度，提升它在承载、抗核、吸波、隔热方面的潜力。20世纪 70 年代初以来，碳/酚醛复合材料的工艺进展包括： 由重叠缠绕到 倾斜缠绕；由一样酚醛树脂到高纯酚醛树脂；由单纯碳 /酚醛复合材料到引入 特种添加剂的碳 /酚醛复合材料；由外加压固化到内加压固化。当前，碳 /酚醛对弹头的要紧阻碍表现为：实现弹头被动滚控技术；进一 步小型化和轻质化。2）多功能复合材料 航天多功能复合材料的研究差不多从初期的双功能（如防热 /抗核）复合 材料进入到三功能（如防热 /透波 /承载、防热 /抗核/承载）复合材料。 双功能（防热/抗

8、核）复合材料要紧用作战略核武器端头前体材料。 其工艺途径包括： 调整增强物不同结 构（包括一体化整体编织、三维薄壁织物） 、与不同组元混编或混杂纱编织、 调剂基体的组元（包括双基体）和改进复合工艺。 三功能（防热/透波/承载）复合材料要紧用于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。 其工艺过程包括： 浇注熔融硅陶瓷、 三向正交石英 增强氧化硅基复合材料、 有机硅热解方法制备有机硅复合材料 （要求承担温度 高于1500C、并坚持数秒）和磷酸盐基（温度小于1500C、但能坚持数分钟） 复合材料。防热/透波/承载三功能复合材料（天线罩材料）的新进展包括：

9、采纳石英 增强二氧化硅， 吸取浇注熔融硅和三向石英的优点； 采纳内外层不同工艺， 材 料外层突出耐烧蚀性， 内层则突出结构强度； 采纳界面匹配以保证高透波性能 的要求；重点研究三功能一体化的匹配设计。 三功能（防热/抗核/承载）复合材料要紧用于新型战略核武器特定再入滚转特点的多功能端头防热套。 解决再 入时大面积碳 /酚醛因烧蚀热结构不匹配而引起块状剥蚀咨询题。为实现被动 滚控、小型化、轻质化、强突防和高可靠性提供技术和物质基础。目前，其抗 烧蚀性能差不多达到二向碳 /酚醛（防热 /抗核）的水平，而抗核加固性能和承 载能力则分不提升一个数量级。 需要进一步对降低表面烧蚀粗糙度、 提升被动 滚控

10、性能、提升承载能力和隔热效率方面的进一步研究。3）隐身吸波复合材料 为了大幅度提升武器系统的突防能力和生存能力， 研究开发了隐身吸波功能复合材料，包括隐身材料与结构。研究重点是隐身吸波复合涂层， 包括：研制高性能吸取剂、 隐身吸波复合 涂层设计、可见光近红外远红外雷达波兼容原理和多功能复合涂层和多 频谱隐身涂层的复合技术和大面积施工工艺。4）航天功能复合材料的性能评估与质量操纵技术 航天功能复合材料的性能评估与质量操纵技术的研究内容包括： 防热材料烧蚀与剥蚀分析研究、 功能复合材料的微观结构与性能的关系、 功能复合材料 的断裂破坏与界面研究、 模拟超高温、 超低温、 空间环境下功能复合材料的性

11、 能测试与分析、功能复合材料构件的失效分析、 功能复合材料的无损检测技术、 功能复合材料构件在使用环境下的损害起源与变化趋势和功能复合材料基体 树脂的性能表征与质量操纵。当前航天功能复合材料的研究重点是：碳/碳复合材料超高温（3000C 以上）力学性能测试技术研究。 并重点解决超高温下小变形的测量技术； 含 钨丝碳 /碳复合材料无损检测研究。 解决含钨丝碳 /碳复合材料的无损检测方法， 并对缺陷做到定位、定量分析。5）航天功能复合材料的展望随着对航天功能复合材料的要求越来越高和研究越来越深入；复合材料在航天高技术上的应用将越来越扩大； 在航天高技术中的地位越来越重要。对功能复合材料中的透波（透

12、微波、透光）、人工介质材料、隐身功能复合材料（微 波隐身、声波隐身）、梯度功能复合材料、其他材料（磁屏蔽、电磁屏蔽、抗 x光辐射、仿生、摩擦、超导）等均给予较大的关注。8 1 2结构复合材料的研究进展用针刺毡/沉积碳（CVD）制造的C/C复合材料刹车片，比碳布/沉积碳（CVD） 刹车片的剪切强度提升56%，平均导热系数提升1倍，达到13.6w/（m? k）。 刹车过程平稳，磨损率低。针刺毡由三层结构组成：即上、下两层用30-100mm的短纤维随机排列后 加压针刺而成，中间为无纬连续长纤维束，三层之间用针刺连接，由于针剌纤 维的方向垂直于摩擦面，增加了导热通道，从而提升了此方向上的导热系数。 这

13、种材料成本低，仅为碳布/沉积碳复合材料的1/4。用PCS/DVB系，加压浸渍一裂解（先驱体转化）法制备 C纤维/SiC复合 材料。与常压裂解法相比，性能大为提升。密度可增加到1.89 2.05g/cm3。弯曲强度为511MPa,断裂韧性达15.19MPa? m1/2。采纳短期化学气相渗透（ICVI）法与先驱体（PCS）浸渍一裂解（重复三次） 法混合工艺制备3D-C纤维/SiC复合材料。3D-C纤维/SiC复合材料的密度可 达2.0 g/cm3以上。弯曲强度达到 643MPa,断裂韧性达到17.9 MPa? m1/2。 其性能较单纯浸渍一裂解法大为提升，且生产周期缩短。用热解碳对纤维进行涂层时，

14、涂层厚度对3D-C纤维/SiC复合材料性能有 明显阻碍，存在一最佳界面厚度。热解碳层厚度为0.7 m左右时，C纤维/SiC复合材料的界面结合适中，综合性能良好。热解碳涂层能够改善纤维与基体 的结合质量，补偿其表面缺陷，使纤维的物理性能得到改善。8 1. 3值得重视的复合材料研究新动向（1）引言 为了使复合材料在航空航天工业以外的市场竞争中提升竞争能力， 拓宽应 用领域，参考国外复合材料的研究动向和国内的实际情形， 值得重视的复合材 料研究新动向是： 降低复合材料成本 （包括改进和简化复合材料工艺和减少 辅助设施）：复合材料再生利用。（ 2）降低复合材料成本 降低复合材料价格需采取的四种途径：

15、降低碳纤维原丝成本； 进展大丝束 碳纤维；将单根碳纤维的直径变细； 提升碳纤维复合材料的制造工艺效率和减 少辅助设施。1）降低制造碳纤维的原丝价格 因为碳纤维原丝的成本约占碳纤维成本的 60%，通过降低原丝价格实现碳 纤维价格的下降，是使先进复合材料降价的重要途径之一。日本岩石山研究所认为：碳纤维价格只有降至每公斤16.5 美元以下，其复合材料才能在汽车工业中与一般钢材竞争。而日本东丽公司的 T-300（12K） 的价格约为每公斤33.07美元；卓尔泰克公司的Panex33-0048的价格为每公斤 17.64美元。后者差不多接近与一般钢材竞争的价格。2）进展大丝束碳纤维国际上碳纤维的丝束一样为

16、 3K、6K、12K。东丽公司正进展24K的碳纤 维；卓尔泰克公司生产 48K（Panex33-0048） 160K（Panex33-0160和 320K 的碳 纤维。他们认为大丝束碳纤维并不阻碍在一样工业中的应用， 而成本能够大幅 度降低，据称已降至 1516美元/公斤。可广泛用于热塑性复合材料、体育用 品、建筑及结构修补。3）将单根碳纤维的直径变细 新型细直径碳纤维只有现有碳纤维直径的 1/150，但其强度 、模量、密度 等力学和物理性能不仅不降低，而且个不指标（如强度）还可能增高。它们是用碳氢化合物在催化剂存在条件下直截了当制成的非连续碳纤维。 由美国空军和俄亥俄州应用科学公司共同资助研

17、究。4）提升碳纤维复合材料的制造工艺效率和减少辅助设施 近年来，国际上研究进展的 “生长点” 是先进复合材料的液体复合材料技 术（Liquid Composite Materials，简记为LCM技术）为代表的复合材料液体成 型技术。即指树脂传递模塑（Res in Tran sfer Moldi ng，简记为RTM ）、树脂膜 渗透（Resi n Film in filtration，简记为RFI）和增强反应注射模塑（Rei nforced 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

18、递模塑（RTM）的特点为：树脂液体状态压入预置于封闭模具型 腔的增强体的缝隙中， 再通过加温固化。 这种工艺的制品设计自由度大， 增强 体可采纳三维编织预制坯件（3D/Textile），可提升力学整体性和层间剪切强度； 通过更换基体，能够较快地更新复合材料体系的种类。如除环氧、酚醛外，还 可采纳乙烯基树脂、丁二烯、双马来酰亚胺、丁基丙烯酸树脂； RTM 产品尺 寸稳固、精度高，树脂含量偏差小、气孔率低，生产效率高，质量易保证。其 民用制品可与片状模压料（Sheet Molding Compound简记为SMC）比美；此种 工艺对环境污染小。 工艺过程在密闭装置中进行， 因此，对当时当地的温度和

19、 湿度不敏锐，产品可批量化。美国空军和能源部橡树岭国家实验室 （Oak Ridge National Laboratory）于 20 世纪 90年代中期会同若干工业伙伴倡导电子束固化工艺。 已研究出数种新 的、增韧的 EB 固化树脂体系，并在该领域申请了专利。美国空军和能源部开发了 EB 固化阳离子环氧树脂体系。 其玻璃化转变温 度Tg高达390C;水煮48小时的吸湿率小于1%;固化的收缩率为2.2%3.4%。 开发了双马来酰亚胺和氰酸酯作为 EB 固化树脂。（ 3）复合材料的再生利用树脂基复合材料的回收咨询题具有紧迫性的缘故是 :目前差不多相当大 的数量的树脂基复合材料制品超过使用保险期，

20、同时其生产量还在剧增。 因此， 处理报废的复合材料制品的咨询题已日见突出； 生产过程的预浸料的边角废 料需回收再利用；减小环境污染的程度。关于热塑性树脂基复合材料的回收，日本学者提出用机械粉碎法。立即报 废的由连续纤维/热塑性基复合材料制件机械粉碎为颗粒状，再加热成型短纤 维增强复合材料制备使之重获利用。 为了调剂制品性能，也可与一定比例的新 的原料混用。随着重复再生次数的增加，复合材料性能下降，但仍可用于低档 次埸合；直至不能再生为复合材料，最后还能够干馏裂解成油酯（用于润滑）、 汽（用于燃料）等碳氢化合物和残渣（用作填料）。热固性树脂基复合材料的回收利用比较困难， 因为基体固化反应后呈不溶

21、 不熔状态。除了极小一部分能够粉碎后作为填料外， 有学者提出，采纳直截了 当干馏的方法，将复合材料粉碎后，干馏得到低分子碳氢化合物的油和残渣。 热固性树脂基复合材料回收的工艺流程见图 8-1。热固性复合材料裂解反应冷凝分离氯体净化粉碎纤残化工原料燃料油化工原料渗碳剂液化石油气图8-1热固性树脂基复合材料回收的工艺流程树脂基复合材料亟待解决的咨询题是：拓宽应用领域、回收和再生利用、 提升利用率、减少环境污染、降低价格和改进工艺。8.2 国际上对复合材料的展望82 1 国际复合材料进展中的普遍性咨询题国际上进展复合材料中普遍存在的咨询题包括： 价格、可靠性和回收利用 咨询题。（1）价格咨询题 由于

22、复合材料原材料成本高，工艺较复杂，工期长，连续生产受制约，因 而大幅度降价困难较大，这是成为限制复合材料进展的国际性咨询题。（2）可靠性咨询题由于复合材料的使用历史短， 工艺上实践积存少， 且阻碍复合材料可靠性 因素多，包括设计、原材料、工艺参数操纵、制品可靠性推测与评判等。因而 其可靠性远远不及目前成熟的传统材料。（3）材料回收再生咨询题由于 21 世纪将明显显现资源短缺的危机，环境咨询题也日益严峻；复合 材料废料与废品中， 有机无机金属不易分离， 热固性基体不溶不熔。 将废 料与废品粉碎作填料是目前能够想见的仅有出路， 但存在经济上是否划算的咨 询题。82 2 国际上对复合材料所存在咨询题的计策 在国际上，对复合材料进展目前所存在咨询题有如下计策： （1）以绝对优势占据某些特定产品市场，使其它材料无法与之竞争，如 中、高档体育用品。 随着社会老龄化的进展和生活质量的提升， 对休闲类的体 育用品的需求量将会与日俱增。 例如碳纤维钓鱼竿， 它在碳纤维制品中差不多 占有较大的份额。 然而