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復合材料的發(fā)展和應用
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| 復合材料是指由兩種或兩種以上不同物質(zhì)以不同方式組合而成的材料，它可以發(fā)揮各種材料的優(yōu)點(diǎn)，克服單一材料的缺陷，擴大材料的應用范圍。由于復合材料具有重量輕、強度高、加工成型方便、彈性?xún)?yōu)良、耐化學(xué)腐蝕和耐候性好等特點(diǎn)，已逐步取代木材及金屬合金，廣泛應用于航空航天、汽車(chē)、電子電氣、建筑、健身器材等領(lǐng)域，在近幾年更是得到了飛速發(fā)展。 隨著(zhù)科技的發(fā)展，樹(shù)脂與玻璃纖維在技術(shù)上不斷進(jìn)步，生產(chǎn)廠(chǎng)家的制造能力普遍提高，使得玻纖增強復合材料的價(jià)格成本已被許多行業(yè)接受，但玻纖增強復合材料的強度尚不足以和金屬匹敵。因此，碳纖維、硼纖維等增強復合材料相繼問(wèn)世，使高分子復合材料家族更加完備，已經(jīng)成為眾多產(chǎn)業(yè)的必備材料。目前全世界復合材料的年產(chǎn)量已達550多萬(wàn)噸，年產(chǎn)值達1300億美元以上，若將歐、美的軍事航空航天的高價(jià)值產(chǎn)品計入，其產(chǎn)值將更為驚人。從全球范圍看，世界復合材料的生產(chǎn)主要集中在歐美和東亞地區。近幾年歐美復合材料產(chǎn)需均持續增長(cháng)，而亞洲的日本則因經(jīng)濟不景氣，發(fā)展較為緩慢，但中國尤其是中國內地的市場(chǎng)發(fā)展迅速。據世界主要復合材料生產(chǎn)商PPG公司統計，2000年歐洲的復合材料全球占有率約為32%，年產(chǎn)量約200萬(wàn)噸。與此同時(shí)，美國復合材料在20世紀90年代年均增長(cháng)率約為美國GDP增長(cháng)率的2倍，達到4%~6%。2000年，美國復合材料的年產(chǎn)量達170萬(wàn)噸左右。特別是汽車(chē)用復合材料的迅速增加使得美國汽車(chē)在全球市場(chǎng)上重新崛起。亞洲近幾年復合材料的發(fā)展情況與政治經(jīng)濟的整體變化密切相關(guān)，各國的占有率變化很大?？傮w而言，亞洲的復合材料仍將繼續增長(cháng)，2000年的總產(chǎn)量約為145萬(wàn)噸，預計2005年總產(chǎn)量將達180萬(wàn)噸。 從應用上看，復合材料在美國和歐洲主要用于航空航天、汽車(chē)等行業(yè)。2000年美國汽車(chē)零件的復合材料用量達14.8萬(wàn)噸，歐洲汽車(chē)復合材料用量到2003年估計可達10.5萬(wàn)噸。而在日本，復合材料主要用于住宅建設，如衛浴設備等，此類(lèi)產(chǎn)品在2000年的用量達7.5萬(wàn)噸，汽車(chē)等領(lǐng)域的用量?jì)H為2.4萬(wàn)噸。不過(guò)從全球范圍看，汽車(chē)工業(yè)是復合材料*大的用戶(hù)，今后發(fā)展潛力仍*巨大，目前還有許多新技術(shù)正在開(kāi)發(fā)中。例如，為降低發(fā)動(dòng)機噪聲，增加轎車(chē)的舒適性，正著(zhù)力開(kāi)發(fā)兩層冷軋板間粘附熱塑性樹(shù)脂的減振鋼板；為滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機向高速、增壓、高負荷方向發(fā)展的要求，發(fā)動(dòng)機活塞、連桿、軸瓦已開(kāi)始應用金屬基復合材料。為滿(mǎn)足汽車(chē)輕量化要求，必將會(huì )有越來(lái)越多的新型復合材料將被應用到汽車(chē)制造業(yè)中。與此同時(shí)，隨著(zhù)近年來(lái)人們對環(huán)保問(wèn)題的日益重視，高分子復合材料取代木材方面的應用也得到了進(jìn)一步推廣。例如，用植物纖維與廢塑料加工而成的復合材料，在北美已被大量用作托盤(pán)和包裝箱，用以替代木制產(chǎn)品；而可降解復合材料也成為國內外開(kāi)發(fā)研究的重點(diǎn)。 另外，納米技術(shù)逐漸引起人們的關(guān)注，納米復合材料的研究開(kāi)發(fā)也成為新的熱點(diǎn)。以納米改性塑料，可使塑料的聚集態(tài)及結晶形態(tài)發(fā)生改變，從而使之具有新的性能，在克服傳統材料剛性與韌性難以相容的矛盾的同時(shí)，大大提高了材料的綜合性能。 樹(shù)脂基復合材料的增強材料 樹(shù)脂基復合材料采用的增強材料主要有玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維等。 1、玻璃纖維 目前用于高性能復合材料的玻璃纖維主要有高強度玻璃纖維、石英玻璃纖維和高硅氧玻璃纖維等。由于高強度玻璃纖維性?xún)r(jià)比較高，因此增長(cháng)率也比較快，年增長(cháng)率達到10%以上。高強度玻璃纖維復合材料不僅應用在軍用方面，近年來(lái)民用產(chǎn)品也有廣泛應用，如防彈頭盔、防彈服、直升飛機機翼、預警機雷達罩、各種高壓壓力容器、民用飛機直板、體育用品、各類(lèi)耐高溫制品以及近期報道的性能優(yōu)異的輪胎簾子線(xiàn)等。石英玻璃纖維及高硅氧玻璃纖維屬于耐高溫的玻璃纖維，是比較理想的耐熱防火材料，用其增強酚醛樹(shù)脂可制成各種結構的耐高溫、耐燒蝕的復合材料部件，大量應用于火箭、導彈的防熱材料。迄今為止，我國已經(jīng)實(shí)用化的高性能樹(shù)脂基復合材料用的碳纖維、芳綸纖維、高強度玻璃纖維三大增強纖維中，只有高強度玻璃纖維已達到國際先進(jìn)水平，且擁有自主知識產(chǎn)權，形成了小規模的產(chǎn)業(yè)，現階段年產(chǎn)可達500噸。 2、碳纖維 碳纖維具有強度高、模量高、耐高溫、導電等一系列性能，首先在航空航天領(lǐng)域得到廣泛應用，近年來(lái)在運動(dòng)器具和體育用品方面也廣泛采用。據預測，土木建筑、交通運輸、汽車(chē)、能源等領(lǐng)域將會(huì )大規模采用工業(yè)級碳纖維。1997~2000年間，宇航用碳纖維的年增長(cháng)率估計為31%，而工業(yè)用碳纖維的年增長(cháng)率估計會(huì )達到130%。我國的碳纖維總體水平還比較低，相當于國外七十年代中、末期水平，與國外差距達20年左右。國產(chǎn)碳纖維的主要問(wèn)題是性能不太穩定且離散系數大、無(wú)高性能碳纖維、品種單一、規格不全、連續長(cháng)度不夠、未經(jīng)表面處理、價(jià)格偏高等。 3、芳綸纖維 20世紀80年代以來(lái)，荷蘭、日本、前蘇聯(lián)也先后開(kāi)展了芳綸纖維的研制開(kāi)發(fā)工作。日本及俄羅斯的芳綸纖維已投入市場(chǎng)，年增長(cháng)速度也達到20%左右。芳綸纖維比強度、比模量較高，因此被廣泛應用于航空航天領(lǐng)域的高性能復合材料零部件（如火箭發(fā)動(dòng)機殼體、飛機發(fā)動(dòng)機艙、整流罩、方向舵等）、艦船（如航空母艦、核潛艇、游艇、救生艇等）、汽車(chē)（如輪胎簾子線(xiàn)、高壓軟管、摩擦材料、高壓氣瓶等）以及耐熱運輸帶、體育運動(dòng)器材等。 4、超高分子量聚乙烯纖維 超高分子量聚乙烯纖維的比強度在各種纖維中位居*，尤其是它的抗化學(xué)試劑侵蝕性能和抗老化性能優(yōu)良。它還具有優(yōu)良的高頻聲納透過(guò)性和耐海水腐蝕性，許多國家已用它來(lái)制造艦艇的高頻聲納導流罩，大大提高了艦艇的探雷、掃雷能力。除在軍事領(lǐng)域，在汽車(chē)制造、船舶制造、醫療器械、體育運動(dòng)器材等領(lǐng)域超高分子量聚乙烯纖維也有廣闊的應用前景。該纖維一經(jīng)問(wèn)世就引起了世界發(fā)達國家的極大興趣和重視。 5、熱固性樹(shù)脂基復合材料 熱固性樹(shù)脂基復合材料是指以熱固性樹(shù)脂如不飽和聚酯樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂、乙烯基酯樹(shù)脂等為基體，以玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維等為增強材料制成的復合材料。環(huán)氧樹(shù)脂的特點(diǎn)是具有優(yōu)良的化學(xué)穩定性、電絕緣性、耐腐蝕性、良好的粘接性能和較高的機械強度，廣泛應用于化工、輕工、機械、電子、水利、交通、汽車(chē)、家電和宇航等各個(gè)領(lǐng)域。1993年世界環(huán)氧樹(shù)脂生產(chǎn)能力為130萬(wàn)噸，1996年遞增到143萬(wàn)噸，1997年為148萬(wàn)噸，1999年150萬(wàn)噸，2003年達到180萬(wàn)噸左右。我國從1975年開(kāi)始研究環(huán)氧樹(shù)脂，據不完全統計，目前我國環(huán)氧樹(shù)脂生產(chǎn)企業(yè)約有170多家，總生產(chǎn)能力為50多萬(wàn)噸，設備利用率為80%左右。酚醛樹(shù)脂具有耐熱性、耐磨擦性、機械強度高、電絕緣性?xún)?yōu)異、低發(fā)煙性和耐酸性?xún)?yōu)異等特點(diǎn)，因而在復合材料產(chǎn)業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應用。1997年全球酚醛樹(shù)脂的產(chǎn)量為300萬(wàn)噸，其中美國為164萬(wàn)噸。我國的產(chǎn)量為18萬(wàn)噸，進(jìn)口4萬(wàn)噸。乙烯基酯樹(shù)脂是20世紀60年代發(fā)展起來(lái)的一類(lèi)新型熱固性樹(shù)脂，其特點(diǎn)是耐腐蝕性好，耐溶劑性好，機械強度高，延伸率大，與金屬、塑料、混凝土等材料的粘結性能好，耐疲勞性能好，電性能佳，耐熱老化，固化收縮率低，可常溫固化也可加熱固化。南京金陵帝斯曼樹(shù)脂有限公司引進(jìn)荷蘭Atlac系列強耐腐蝕性乙烯基酯樹(shù)脂，已廣泛用于貯罐、容器、管道等，有的品種還能用于防水和熱壓成型。南京聚隆復合材料有限公司、上海新華樹(shù)脂廠(chǎng)、南通明佳聚合物有限公司等廠(chǎng)家也生產(chǎn)乙烯基酯樹(shù)脂。 1971年以前我國的熱固性樹(shù)脂基復合材料工業(yè)主要是軍工產(chǎn)品，70年代后開(kāi)始轉向民用。從1987年起，各地大量引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)如池窯拉絲、短切氈、表面氈生產(chǎn)線(xiàn)及各種牌號的聚酯樹(shù)脂（美、德、荷、英、意、日）和環(huán)氧樹(shù)脂（日、德）生產(chǎn)技術(shù)；在成型工藝方面，引進(jìn)了纏繞管、罐生產(chǎn)線(xiàn)、拉擠工藝生產(chǎn)線(xiàn)、SMC生產(chǎn)線(xiàn)、連續制板機組、樹(shù)脂傳遞模塑(RTM)成型機、噴射成型技術(shù)、樹(shù)脂注射成型技術(shù)及漁竿生產(chǎn)線(xiàn)等，形成了從研究、設計、生產(chǎn)及原材料配套的完整的工業(yè)體系，截止2000年底，我國熱固性樹(shù)脂基復合材料生產(chǎn)企業(yè)達3000多家，已有51家通過(guò)ISO9000質(zhì)量體系認證，產(chǎn)品品種3000多種，總產(chǎn)量達73萬(wàn)噸/年，居世界第二位。產(chǎn)品主要用于建筑、防腐、輕工、交通運輸、造船等工業(yè)領(lǐng)域。在建筑方面，有內外墻板、透明瓦、冷卻塔、空調罩、風(fēng)機、玻璃鋼水箱、衛生潔具、凈化槽等；在石油化工方面，主要用于管道及貯罐；在交通運輸方面，汽車(chē)上主要有車(chē)身、引擎蓋、保險杠等配件，火車(chē)上有車(chē)廂板、門(mén)窗、座椅等，船艇方面主要有氣墊船、救生艇、偵察艇、漁船等；在機械及電器領(lǐng)域如屋頂風(fēng)機、軸流風(fēng)機、電纜橋架、絕緣棒、集成電路板等產(chǎn)品都具有相當的規模；在航空航天及軍事領(lǐng)域，輕型飛機、尾翼、衛星天線(xiàn)、火箭噴管、防彈板、防彈衣、魚(yú)雷等都取得了重大突破。 熱塑性樹(shù)脂基復合材料 熱塑性樹(shù)脂基復合材料是20世紀80年代發(fā)展起來(lái)的，主要有長(cháng)纖維增強粒料(LFP)、連續纖維增強預浸帶(MITT)和玻璃纖維氈增強型熱塑性復合材料(GMT)。根據使用要求不同，樹(shù)脂基體主要有PP、PE、PA、PBT、PEI、PC、PES、PEEK、PI、PAI等熱塑性工程塑料，纖維種類(lèi)包括玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維和硼纖維等一切可能的纖維品種。隨著(zhù)熱塑性樹(shù)脂基復合材料技術(shù)的不斷成熟以及可回收利用的優(yōu)勢，該品種的復合材料發(fā)展較快，歐美發(fā)達國家熱塑性樹(shù)脂基復合材料已經(jīng)占到樹(shù)脂基復合材料總量的30%以上。 高性能熱塑性樹(shù)脂基復合材料以注射件居多，基體以PP、PA為主。產(chǎn)品有管件（彎頭、三通、法蘭）、閥門(mén)、葉輪、軸承、電器及汽車(chē)零件、擠出成型管道、GMT模壓制品（如吉普車(chē)座椅支架）、汽車(chē)踏板、座椅等。玻璃纖維增強聚丙烯在汽車(chē)中的應用包括通風(fēng)和供暖系統、空氣過(guò)濾器外殼、變速箱蓋、座椅架、擋泥板墊片、傳動(dòng)皮帶保護罩等。 滑石粉填充的PP具有高剛性、高強度、極好的耐熱老化性能及耐寒性?；墼鰪奝P在車(chē)內裝飾方面有著(zhù)重要的應用，如用作通風(fēng)系統零部件，儀表盤(pán)和自動(dòng)剎車(chē)控制杠等，例如美國HPM公司用20%滑石粉填充PP制成的蜂窩狀結構的吸音天花板和轎車(chē)的搖窗升降器卷繩筒外殼。 云母復合材料具有高剛性、高熱變形溫度、低收縮率、低撓曲性、尺寸穩定以及低密度、低價(jià)格等特點(diǎn)，利用云母/聚丙烯復合材料可制作汽車(chē)儀表盤(pán)、前燈保護圈、擋板罩、車(chē)門(mén)護欄、電機風(fēng)扇、百葉窗等部件，利用該材料的阻尼性可制作音響零件，利用其屏蔽性可制作蓄電池箱等。 我國的熱塑性樹(shù)脂基復合材料的研究開(kāi)始于20世紀80年代末期，近十年來(lái)取得了快速發(fā)展，2000年產(chǎn)量達到12萬(wàn)噸，約占樹(shù)脂基復合材料總產(chǎn)量的17%，，所用的基體材料仍以PP、PA為主，增強材料以玻璃纖維為主，少量為碳纖維，在熱塑性復合材料方面未能有重大突破，與發(fā)達國家尚有差距。 我國復合材料的發(fā)展潛力和熱點(diǎn) 我國復合材料發(fā)展潛力很大，但須處理好以下熱點(diǎn)問(wèn)題。 1、復合材料創(chuàng )新 復合材料創(chuàng )新包括復合材料的技術(shù)發(fā)展、復合材料的工藝發(fā)展、復合材料的產(chǎn)品發(fā)展和復合材料的應用，具體要抓住樹(shù)脂基體發(fā)展創(chuàng )新、增強材料發(fā)展創(chuàng )新、生產(chǎn)工藝發(fā)展創(chuàng )新和產(chǎn)品應用發(fā)展創(chuàng )新。到2007年，亞洲占世界復合材料總銷(xiāo)售量的比例將從18%增加到25%，目前亞洲人均消費量?jì)H為0.29kg，而美國為6.8kg，亞洲地區具有極大的增長(cháng)潛力。 2、聚丙烯腈基纖維發(fā)展 我國碳纖維工業(yè)發(fā)展緩慢，從CF發(fā)展回顧、特點(diǎn)、國內碳纖維發(fā)展過(guò)程、中國PAN基CF市場(chǎng)概況、特點(diǎn)、“十五”科技攻關(guān)情況看，發(fā)展聚丙烯腈基纖維既有需要也有可能。 3、玻璃纖維結構調整 我國玻璃纖維70%以上用于增強基材，在國際市場(chǎng)上具有成本優(yōu)勢，但在品種規格和質(zhì)量上與先進(jìn)國家尚有差距，必須改進(jìn)和發(fā)展紗類(lèi)、機織物、無(wú)紡氈、編織物、縫編織物、復合氈，推進(jìn)玻纖與玻鋼兩行業(yè)密切合作，促進(jìn)玻璃纖維增強材料的新發(fā)展。 4、開(kāi)發(fā)能源、交通用復合材料市場(chǎng) 一是清潔、可再生能源用復合材料，包括風(fēng)力發(fā)電用復合材料、煙氣脫硫裝置用復合材料、輸變電設備用復合材料和天然氣、氫氣高壓容器；二是汽車(chē)、城市軌道交通用復合材料，包括汽車(chē)車(chē)身、構架和車(chē)體外覆蓋件，軌道交通車(chē)體、車(chē)門(mén)、座椅、電纜槽、電纜架、格柵、電器箱等；三是民航客機用復合材料，主要為碳纖維復合材料。熱塑性復合材料約占10%，主要產(chǎn)品為機翼部件、垂直尾翼、機頭罩等。我國未來(lái)20年間需新增支線(xiàn)飛機661架，將形成民航客機的大產(chǎn)業(yè)，復合材料可建成新產(chǎn)業(yè)與之相配套；四是船艇用復合材料，主要為游艇和漁船，游艇作為高級娛樂(lè )耐用消費品在歐美有很大市場(chǎng)，由于我國魚(yú)類(lèi)資源的減少、漁船雖發(fā)展緩慢，但復合材料特有的優(yōu)點(diǎn)仍有發(fā)展的空間。 5、纖維復合材料基礎設施應用 國內外復合材料在橋梁、房屋、道路中的基礎應用廣泛，與傳統材料相比有很多優(yōu)點(diǎn)，特別是在橋梁上和在房屋補強、隧道工程以及大型儲倉修補和加固中市場(chǎng)廣闊。 6、復合材料綜合處理與再生 重點(diǎn)發(fā)展物理回收（粉碎回收）、化學(xué)回收（熱裂解）和能量回收，加強技術(shù)路線(xiàn)、綜合處理技術(shù)研究，示范生產(chǎn)線(xiàn)建設，再生利用研究，大力拓展再生利用材料在石膏中的應用、在拉擠制品中的應用以及在SMC/BMC模壓制品中的應用和典型產(chǎn)品中的應用。 21世紀的高性能樹(shù)脂基復合材料技術(shù)是賦予復合材料自修復性、自分解性、自診斷性、自制功能等為一體的智能化材料。以開(kāi)發(fā)高剛度、高強度、高濕熱環(huán)境下使用的復合材料為重點(diǎn)，構筑材料、成型加工、設計、檢查一體化的材料系統。組織系統上將是聯(lián)盟和集團化，這將更充分的利用各方面的資源（技術(shù)資源、物質(zhì)資源），緊密聯(lián)系各方面的優(yōu)勢，以推動(dòng)復合材料工業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。 |
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信息出處：中國熱加工網(wǎng)
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信息編輯：中國熱加工網(wǎng)
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