復合材料的發展概述

    材料是科學技術發展的基礎，復合材料作為最新發展起來的一大類新型材料，對科學技術的發展產生了極大的推動作用。對航空航天事業的影響尤為顯著。復合材料的發展近幾十年來極為迅速。從最早出現的宏觀復合材料，如水泥與砂石、鋼筋復合而成的混凝土，到隨后發展起來的微觀復合材料：聚合物基、金屬基和無機非金屬材料基復合材料。各種新型復合材料及其制備技術猶如雨后春筍般出現，同時，隨著科學技術的發展，特別是尖端科學技術的突飛猛進，對材料的性能要求越來越高，因而對復合材料也提出了更高的要求。

經過20世界60年代末期使用，樹脂基高性能復合材料被用于飛機的承力結構，后又逐漸進入工業其他領域。70年代末期發展出了用高強度、高模量的耐熱碳纖維和陶瓷纖維與金屬復合，特別是魚輕金屬復合，形成了金屬基復合材料，克服了樹脂基復合材料耐熱性差、導熱性低等缺點，已廣泛應用于航空航天等高科技領域。80年代開始，逐漸出現了陶瓷復合材料。復合材料因其具有可設計的特點受到廣泛的重視，因而發展極快。目前全世界復合材料的年產量已達550多萬噸，年產值達1300億美元以上，若將歐、美的軍事航空航天的高價值產品計入，其產值將更為驚人。從應用上看，復合材料在美國和歐洲主要用于航空航天、汽車等行業。2000年美國汽車零件的復合材料用量達14.8萬噸，歐洲汽車復合材料用量到2003年估計可達10.5萬噸。而在日本，復合材料主要用于住宅建設，如衛浴設備等，此類產品在2000年的用量達7.5萬噸，汽車等領域的用量僅為2.4萬噸。不過從全球范圍看，汽車工業是復合材料最大的用戶，今后發展潛力仍十分巨大，目前還有許多新技術正在開發中。例如，為降低發動機噪聲，增加轎車的舒適性，正著力開發兩層冷軋板間粘附熱塑性樹脂的減振鋼板；為滿足發動機向高速、增壓、高負荷方向發展的要求，發動機活塞、連桿、軸瓦已開始應用金屬基復合材料。為滿足汽車輕量化要求，必將會有越來越多的新型復合材料將被應用到汽車制造業中。與此同時，隨著近年來人們對環保問題的日益重視，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和包裝箱，用以替代木制產品；而可降解復合材料也成為國內外開發研究的重點。因而有人預言，21世紀是復合材料的時代。目前92％以上碳纖維是作為增強纖維用于復合材料?？刂坪锰祭w維與基體（常用環氧類樹脂）界面是獲得具有理想界面剪切強度（）、層間剪切強度（ILSS）等特征或者好的應用性能復臺材料的關鍵。未經表面處理的碳纖維表面呈惰性，缺乏與基體間高的化學鍵合或者物理結合因子（CF／環氧體系以化學結臺對界面性能提高貢獻為主，在CF／酚醛體系中以機械鍥合為主），因此碳纖維常經過諸如表面氧化、表面涂層、表面沉積或者中子輻照、電聚合等等多種工藝處理，主要作用原理就是增加碳纖表面上能與基體間共價鍵臺的活性官能團或者增加碳纖表面（微孔）粗糙度。當然影響界面粘合力的因子及其互相連動關系目前尚不十分清楚。而且碳纖表面處理程度也必須要與纖維強度協調起來。要大幅度提高復合材料的層間剪切強度還可采用三維編織法或者復合處理法獲得。如有的研究表明，在碳纖維電化學氧化表面處理后再與如對．對—二—氨基—二苯甲烷的胺處理可以獲得比單純由氧化提高一倍以上的界面剪切強度的效果。

從對復合材料性能上看，提高復合材料的界面粘結強度還應該考慮到對材料沖擊韌性下降的不利影響。

當前，先進復合材料以及增強纖維對社會經濟各方面的貢獻發展已開始不如一個嶄新的階段，ACM及其所用高性能纖維的研究、開發隨著社會需求的不斷提高也呈現出一個新的局面。

在國防、宇航等尖端工業領域，對高性能纖維的性能要求越來越苛刻，以適應更高層太空探索及國防需求，迫使高性能纖維研究亦向這個方向發展。

如東麗公司PAN基CF-T300拉伸強度1971年時為2500MPa，到1995年達3530MPa，以及后來的T800為5490MPa，T1000則高達7060MPa。最近東麗公司又開發出了強度高達7742MPa的PAN基CR。另外，高模量系列也是具有較高實用性的品種，如東麗公司1987年開發的高模高強PAN基CF系列M35J，拉伸強度為4700MPa，抗拉模量343GPa，在1989年開發出了模量高達580GPa的M60J品種，其未來目標是抗拉強度大于6000MPa，抗拉模量大于500GPa的高強高模CF。其他如PPTA、UHMWPE等亦有此發展趨向。

增強纖維的高能化發展是有可能的，因為目前實際的強度與其理論強度相比，由于生產工藝上的某些缺陷使其仍存在交大差異，如PPTA纖維的理論強度為30GPa，實際強度僅達3GPa左右。PE的理論強度可達32GPa范圍。石墨晶須是由特別小的單晶組成，在晶界處彼此嵌合緊密，是分子級水平的接觸，表面無暇，斷裂源較小。但盡管如此，它的強度也僅為20GPa，使其理論強度的11%~20%。而碳纖維的強度與其理論值相比則更低，如T1000強度雖高達7.06GPA，僅為理論強度的3.92%。

復合材料技術是一門應用性很強的新技術，但應用的實踐中也發現復合材料的成本較高，特別是制造成本較高，形成了其進一步發展應用的主要障礙。有鑒于此，該問題引起了世界各國的普遍重視，以美國為首的西方發達國家紛紛制定了低成本的復合材料發展研究計劃，并認真執行，現已取得了明顯效果。復合材料技術發展的低成本化乃是當今世界復合材料技術發展的核心問題。

在論述復合材料發展前景之前,有必要對目前可以預見到在下個世紀中人類將面臨的主要問題作一分析,,特別是結合到我國的客觀實際情況進行探討。首要問題應當是能源即將短缺，不少陸地資源也陸續出現枯竭，同時隨著社會進步帶來的工業極大發展和人口極度膨脹所造成的環境嚴重惡化等情況將威脅到人類的生存條件。 我國針對這些問題更不容樂觀，在消耗性能源方面，僅污染問題較大的煤是豐富的，而石油和天然氣的儲量并不很多。另一方面，由于人口基數很大，加上近期以來，工業飛速發展造成大氣、水源的污染非常嚴重。從積極方面來看，今后人類必將步入高度的信息社會，信息將成為生活中必不可少的組成部分。我國信息技術雖然與先進國家尚存在較大的差距，但近年來努力追趕已有一定的基礎和成效。另一方面，人類對生活質量的要求日益提高，特別在我國改革開放之后更為突出，表現在大量基礎設施的興建，人們對生活舒適性和安全性的標準空前高漲，當然世界是不平靜的，盡管世界大戰發生的可能性不大，但局部戰爭不會終止，特別是戰爭的高技術含量愈來愈占主導。普遍認為今后先進復合材料將按四個方向發展， 即低成本、高性能、多功能和智能化。

現在科學技術發展越來越快，因此復合材料也將以更快速度發展， 而復合材料的發展關鍵在于降低成本。復合材料的研究重點已經從過去主要關心性能與質量轉到降低成本， 強調低成本生產技術。低成本生產技術包括原材料、復合工藝和質量控制等各個方面?，F重點用碳纖維和碳復合材料來舉例說明。

七八十年代碳纖維主要用于航天航空高技術領域， 碳纖維復合材料能否在航天航空高技術產品上得到應用主要取決于它的性能是否能滿足設計要求。90年代以后碳纖維復合材料從傳統的航天航空高技術領域和體育休閑用品向更廣泛的工業領域滲透發展，經濟可承受性成為決定碳纖維能否在這些新領域得到應用的關鍵因素。無論土木建筑、橋梁修復、交通運輸、汽車工業、能源等， 碳纖維復合材料在這些工業領域要擴大應用， 關鍵在于降低價格。復合材料的原材料主要是增強纖維和樹脂基體， 特別是增強材料占復合材料成本中的比例最大， 先進復合材料中增強材料用得最多、最普遍的是碳纖維， 因此降低碳纖維成本是降低先進復合材料成本的關鍵。不同的部門，不同的應用領域， 不同的研究單位都提出了一個認為可接受的價格， 只有當碳纖維的價格低于此數值時，大量采用碳纖維才成為可能。一般認為， 碳纖維價格必須比現在國際市場價格降低百分之五十到百分之七八十才有可能在新的工業領域大量應用。一旦碳纖維在這個新市場擴大應用， 碳纖維復合材料工業必將面臨一個飛躍， 而碳纖維復合材料工業的發展也將進入一個良性循環?？梢?， 開發碳纖維復合材料市場的關鍵因素已從性能變為價格， 亦即經濟可承受性。

碳纖維目前被劃分為宇航級和工業級兩類， 亦稱為小絲束和大絲束。通常把48K 以上碳纖維稱為大絲束碳纖維， 包括60K, 120K, 360K 和480K 等。

　　宇航級碳纖維初期以1K, 3K, 6K 為主，逐漸發展為12K和24K,主要應用于國防軍工和高技術， 以及體育休閑用品， 像飛機、導彈、火箭、衛星和釣魚桿、高爾夫球桿和網球拍等。工業級碳纖維應用于不同民用工業， 包括： 紡織、醫藥衛生、機電、土木建筑、交通運輸和能源等。特別近年來工業級碳纖維滲透進入傳統宇航級碳纖維的應用領域，開始在體育休閑用品上獲得一定程度的應用， 估計這一趨勢將進一步擴大發展。從價格方面看， 大絲束碳纖維更有絕對優勢。國際市場上每磅工業級大絲束碳纖維售價在8~ 10 美元， 而宇航級碳纖維每磅售價在15~ 20 美元， 價格相差近一倍，而超高模量的碳纖維，每磅價格高達上百美元甚至數百美元, 是工業級大絲束碳纖維的十倍甚至幾十倍。由于價格是開發碳纖維市場的關鍵因素，因此工業級大絲束碳纖維是今后碳纖維發展的方向 國外對碳纖維的效費比作過比較，如果以單位美元的強度和單位美元的模量對比，則工業級大絲束碳纖維的單位美元強度是205M Pa?＄、單位美元模量是13GPa?＄， 宇航級12K 碳纖維的單位美元強度和模量分別為107M Pa?＄和7GPa?＄，說明工業級大束絲碳纖維的效費比要比宇航級小絲束碳纖維高得多。

從先進復合材料應用發展看， 碳纖維復合材料的價格和效費比等分析比較， 采用大絲束碳纖維將是今后先進復合材料降低成本的主要措施之一。

性能是評價材料的重要標準，國防先進武器裝備和國民經濟高技術的發展， 都要求進一步提高復合材料的性能， 進一步提高比強度、比模量。90 年代先進復合材料大部分是采用T300 類型的碳纖維和環氧樹脂件作為基體，這一類T 300環氧復合材料的性能不能滿足高技術發展的要求， 特別是設計許用值較低，一般在3000LE, CAI也較低，一般在200MPa 以下。而高技術發展，例如：新一代戰斗機和新一代戰略核武器等， 要求設計許用值達到6000LE左右，CAI 值則要求達到300MPa 以上。碳纖維的性能是決定先進復合材料性能的關鍵因素。為此， 各國都致力提高改進碳纖維性能， 像日本東麗公司的T300 碳纖維的抗拉強度由最初約為3000MPa,到80 年代中期， 其抗拉強度已達到3530MPa, 即提高了20%左右。此外， 性能更好的碳纖維像T800（抗拉強度5490MPa）、T1000（抗拉強度7000MPa）不斷研究開發成功，并投入市場， 以滿足要求性能更高的高技術產品主承力構件的需求，但T800和T1000 碳纖維的價格要比T300 分別高出200% 和370%.美國?？巳麪枺℉EXEL ）公司則用IM7, IM8 和IM9 等性能更高的碳纖維取代AS4 碳纖維。近年來日本東麗公司開發生產的T700碳纖維， 抗拉強度比T300提高了45% 以上，而價格只比T300 貴不到10% ,具有很好的性能價格比。根據航空航天工業要求先進復合材料的CAI大于200MPa,國外航空航天工業用IM7 和T800 碳纖維增強韌性環氧樹脂，CAI 都在200MPa 以上，有些則達到350MPa左右。CAI 性能以及在不同飛機、不同部位上的應用。航空工藝研究所研究了T800 和QY9511 雙馬樹脂的性能，測試表明其室溫抗拉強度達到2741MPa,150℃為2735M Pa, 濕態130℃仍保持在2666MPa,遠高于T300環氧復合材料的性能，用T800 或T1000 取代T300可大幅度提高復合材料的性能， 0度方向的抗拉強度可提高74% 到100% ,對于要求抗拉強度大大高于T 300?環氧復合材料， 和必須保證高比強度的應用情況，T800 和T1000 增強韌性環氧樹脂或雙馬樹脂是很好的選用材料。

傳統的材料科學與工程把材料劃分為兩大類， 即結構材料與功能材料， 多少年來一直根據這樣的概念來研究與發展材料。高技術的發展要求材料不再是單一的結構材料或功能材料， 航天高技術的發展要求由一種材料承擔多種功能，包括：防熱、抗核、承載、吸波、透波、隱身、減震、降噪等，這是實現戰略核武器的小型化、輕質化、強突防和全天候的關鍵因素之一。因此，材料發展中的一種新趨勢是結構材料和功能材料的互相滲透，即結構材料的功能化（例如，結構吸波材料）和功能材料的結構化（例如，熱結構材料）。這就是材料發展中的綜合集成。

智能材料與結構的出現是由于結構材料、功能材料和微電子工業的發展，是三者結合的產物。它的出現將引起結構設計的巨大改革，今后的結構設計不僅僅是考慮承載和強度，不僅僅是考慮某一種功能，如阻尼減振降噪，突出要考慮的是它的智能性，即對環境變化做出適時響應和適應的能力，亦即材料與結構對信息的收集，信息的綜合與處理以及信息的反饋與控制的方法與能力。智能材料與結構必須是材料、電子、機械、計算機？？等多方面的集成與一體化，它是現代高新技術的綜合與集成。

由材料、結構和電子互相融合而構成的智能材料與結構， 是當今材料與結構高新技術發展的方向。隨著智能材料與結構的發展還將出現一批新的學科與技術。包括： 綜合材料學、精細工藝學、材料仿生學、生物工藝學、分子電子學、自適應力學以及神經元網絡和人工智能學等。智能材料與結構已被許多國家確認為必須重點發展的一門新技術， 成為21 世紀復合材料一個重要發展方向。