高分子復(fù)合材料應(yīng)用及研究現(xiàn)狀分析

姚雨辰

( 南京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇南京211106)

隨著技術(shù)的發(fā)展，單一材料已不能滿足尖端技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展的需要，為此，新型的復(fù)合材料引起了科技界的廣泛關(guān)注，成為材料研究領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。復(fù)合材料可以發(fā)揮各種材料的優(yōu)點(diǎn)，避其弱點(diǎn)，可充分利用和節(jié)約資源，因此科技界將復(fù)合材料作為一類新型材料來研究。例如玻璃鋼，因質(zhì)輕、堅(jiān)硬，機(jī)械強(qiáng)度可與鋼材相比，已成功用于印刷電路板、汽車車身、船體等領(lǐng)域。

復(fù)合材料與陶瓷、高聚物、金屬并稱為四大材料。其已成為衡量一個(gè)國家或地區(qū)的復(fù)合材料工業(yè)水平的標(biāo)志之一，是國家安全和國民經(jīng)濟(jì)具有競爭優(yōu)勢(shì)的源泉。有關(guān)研究報(bào)道指出，到2020年，復(fù)合材料性能潛力可獲得20% ～25%的提升［1］。

隨著工業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，設(shè)備的集群規(guī)模和自動(dòng)化程度越來越高，同時(shí)針對(duì)設(shè)備的安全連續(xù)生產(chǎn)的要求也越來越高，傳統(tǒng)的以金屬修復(fù)方法為主的設(shè)備維護(hù)工藝技術(shù)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足高新設(shè)備的維護(hù)需求，對(duì)此需要研發(fā)針對(duì)設(shè)備預(yù)防和現(xiàn)場解決的新技術(shù)和材料，為此誕生了包括高分子復(fù)合材料在內(nèi)的更多新的維護(hù)技術(shù)和材料，滿足新設(shè)備運(yùn)行環(huán)境的維護(hù)需求。

1 高分子材料研究現(xiàn)狀

高分子材料是以高分子化合物為基礎(chǔ)的材料，由巨量原子以共價(jià)鍵結(jié)合形成相對(duì)分子量大、具有重復(fù)結(jié)構(gòu)單元的有機(jī)化合物。高分子材料按來源分為天然高分子材料、合成高分子材料、半合成高分子材料。生活中的高分子材料很多，如蠶絲、棉、麻、毛、玻璃、橡膠、纖維、塑料、高分子膠粘劑、高分子涂料和高分子基復(fù)合材料等［2］。

我國在高分子材料的開發(fā)和綜合利用雖起步較晚，但高分子材料為我國的經(jīng)濟(jì)建設(shè)做出了重要的貢獻(xiàn)，已建立了完善的高分子材料的研究、開發(fā)和生產(chǎn)體系，取得了進(jìn)步。目前，我國應(yīng)提高整體科研水平，致力于創(chuàng)新的高分子聚合反應(yīng)和方法，開發(fā)出綠色功能和智能材料，滿足工業(yè)和新技術(shù)的需求，提高人們生活質(zhì)量。

高分子材料對(duì)我們未來的影響是不可預(yù)測的，隨著科技的發(fā)展，高分子材料也可以具有其他材料的特性，成為最全面的材料，能滿足人類在工業(yè)、醫(yī)藥、航天方面對(duì)新材料的需求，造福人類。

2 復(fù)合材料研究現(xiàn)狀

復(fù)合材料中以纖維增強(qiáng)材料應(yīng)用最廣、用量最大。其特點(diǎn)是比強(qiáng)度和比模量大、比重小。例如碳纖維與環(huán)氧樹脂復(fù)合的復(fù)合材料，其比強(qiáng)度、比模量比鋼和鋁合金的比強(qiáng)度、比模量大數(shù)倍，且具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、減摩耐磨、自潤滑、耐熱、耐疲勞、耐蠕變、消聲、電絕緣等性能［3］。

纖維增強(qiáng)材料的另一個(gè)特點(diǎn)是各向異性，可按制件不同部位的強(qiáng)度要求設(shè)計(jì)纖維的排列。以碳纖維和碳化硅纖維增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料，在500℃時(shí)仍能保持足夠的強(qiáng)度和模量。碳化硅纖維與鈦復(fù)合，耐熱性高，耐磨損，可作發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片。碳化硅纖維與陶瓷復(fù)合，使用溫度可達(dá)1500℃，比超合金渦輪葉片的使用溫度(1100℃)高得多。碳纖維增強(qiáng)碳、石墨纖維增強(qiáng)碳或石墨纖維增強(qiáng)石墨，構(gòu)成耐燒蝕材料，已用于航天器、火箭導(dǎo)彈和原子能反應(yīng)堆中。非金屬基復(fù)合材料由于密度小，用于汽車和飛機(jī)可減輕重量、提高速度、節(jié)約能源。用碳纖維和玻璃纖維混合制成的復(fù)合材料片彈簧，其剛度和承載能力與重量大5 倍多的鋼片彈簧相當(dāng)。

由于復(fù)合材料一般具有強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)異性能，在綜合性能上超過了單一材料，因此，宇航工業(yè)就成了復(fù)合材料的重要應(yīng)用領(lǐng)域。另外，復(fù)合材料在汽車工業(yè)、機(jī)械工業(yè)、體育用品甚至人類健康方面的應(yīng)用前景也十分廣闊［4］。

現(xiàn)代高科技的發(fā)展離不開復(fù)合材料，復(fù)合材料對(duì)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，有著十分重要的作用。復(fù)合材料的研究深度和應(yīng)用廣度及其生產(chǎn)發(fā)展的速度和規(guī)模，已成為衡量一個(gè)國家科學(xué)技術(shù)先進(jìn)水平的重要標(biāo)志之一。

隨著科技的發(fā)展，樹脂與玻璃纖維在技術(shù)上不斷進(jìn)步，生產(chǎn)廠家的制造能力普遍提高，使得玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料的價(jià)格成本已被許多行業(yè)接受，但玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料的強(qiáng)度尚不足以和金屬匹敵。因此，碳纖維、硼纖維等增強(qiáng)復(fù)合材料相繼問世，使高分子復(fù)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(fù)合材料的年產(chǎn)量已達(dá)550多萬噸，年產(chǎn)值達(dá)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(jì)入，其產(chǎn)值將更為驚人。從全球范圍看，世界復(fù)合材料的生產(chǎn)主要集中在歐美和東亞地區(qū)。近幾年歐美復(fù)合材料產(chǎn)需均持續(xù)增長，而亞洲的日本則因經(jīng)濟(jì)不景氣，發(fā)展較為緩慢，但中國尤其是中國內(nèi)地的市場發(fā)展迅速。

復(fù)合材料的市場有以下幾個(gè):一是清潔、可再生能源用復(fù)合材料，包括風(fēng)力發(fā)電用復(fù)合材料、煙氣脫硫裝置用復(fù)合材料、輸變電設(shè)備用復(fù)合材料和天然氣、氫氣高壓容器;二是汽車、城市軌道交通用復(fù)合材料，包括汽車車身、構(gòu)架和車體外覆蓋件，軌道交通車體、車門、座椅、電纜槽、電纜架、格柵、電器箱等;三是民航客機(jī)用復(fù)合材料，主要為碳纖維復(fù)合材料，熱塑性復(fù)合材料約占10%，主要產(chǎn)品為機(jī)翼部件、垂直尾翼、機(jī)頭罩等。

3 高分子復(fù)合材料研究現(xiàn)狀

二十世紀(jì)后期，世界發(fā)達(dá)國家以美國福世藍(lán)(1st line)公司為代表的研發(fā)機(jī)構(gòu)，研發(fā)了以高分子材料和復(fù)合材料技術(shù)為基礎(chǔ)的高分子復(fù)合材料，它是以高分子復(fù)合聚合物與金屬粉末或陶瓷粒組成的雙組分或多組分的復(fù)合材料，在有機(jī)化學(xué)、高分子化學(xué)、膠體化學(xué)和材料力學(xué)等學(xué)科基礎(chǔ)上發(fā)展起來的高技術(shù)學(xué)科。極大解決和彌補(bǔ)金屬材料的應(yīng)用弱項(xiàng)，廣泛用于設(shè)備部件的磨損、腐蝕、沖刷、裂紋、滲漏、劃傷等修復(fù)保護(hù)。

高分子復(fù)合材料是高分子材料與不同形狀、組成、性質(zhì)的物質(zhì)復(fù)合而成的、擁有界面的多相固體材料。其研發(fā)技術(shù)水平和推廣應(yīng)用的覆蓋面在相當(dāng)程度上反映—個(gè)國家軍事工業(yè)和國防建設(shè)、能源利用和環(huán)境保護(hù)的水平［5］。

高分子復(fù)合材料技術(shù)已發(fā)展成為重要的現(xiàn)代化應(yīng)用技術(shù)之一，其主要有以下特點(diǎn):(1)優(yōu)異的附著力;(2)優(yōu)異的機(jī)械性能;(3)抗化學(xué)腐蝕性能;(4)材料的安全性。

目前，高分子復(fù)合材料主要有高分子液晶復(fù)合材料、高分子納米復(fù)合材料、導(dǎo)熱高分子復(fù)合材料。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，這三類高分子復(fù)合材料都得到了長足的發(fā)展，下面分別介紹各種高分子復(fù)合材料的發(fā)展?fàn)顩r。

(1)高分子液晶復(fù)合材料

自1888年奧地利植物學(xué)家F. Reinitzer 在合成苯甲酸膽甾醇時(shí)發(fā)現(xiàn)了液晶后，科技界對(duì)液晶材料的探索就從未停止。1966年，Dopont 公司首次使用各向異性的向列態(tài)聚合物溶液制出商品纖維——Fi2bre B 后，高分子液晶材料走向了工業(yè)化道路［6］。當(dāng)今，高分子液晶材料已成為高分子復(fù)合材料學(xué)科研究的一個(gè)重要領(lǐng)域。高分子液晶復(fù)合材料的發(fā)展趨勢(shì)是:發(fā)展液晶高分子原位材料;降低成本;發(fā)展功能液晶高分子材料;開發(fā)新的成型加工技術(shù)和新品種。目前，關(guān)于熱致液晶高分子原位復(fù)合是高分子液晶復(fù)合材料領(lǐng)域研究的一大熱點(diǎn)。

(2)高分子納米復(fù)合材料

高分子納米復(fù)合材料是由各種納米單元與有機(jī)高分子材料以各種方式復(fù)合成型的一種新型復(fù)合材料，被稱為21 世紀(jì)最有前途的材料，是經(jīng)濟(jì)增長的發(fā)動(dòng)機(jī)。高分子納米復(fù)合材料是新型材料發(fā)展的重點(diǎn)，已成為材料科學(xué)研究的前沿、熱點(diǎn)課題。目前，高分子納米復(fù)合材料在碳納米管/高分子復(fù)合材料、納米粒子對(duì)聚合物改性等方面有了很大進(jìn)展。

(3)導(dǎo)熱高分子復(fù)合材料

導(dǎo)熱高分子復(fù)合材料具有優(yōu)良的耐化學(xué)腐蝕、耐高溫、優(yōu)異的電絕緣性等綜合性能，因而逐漸用其來代替?zhèn)鹘y(tǒng)金屬材料。導(dǎo)熱高分子復(fù)合材料的研究與開發(fā)在20 世紀(jì)90年代開始成為功能性復(fù)合材料的研究熱點(diǎn)之一，特別是日本把“開發(fā)可成型的導(dǎo)熱性高分子絕緣材料”列為功能高分子的首選課題，隨后日本、美國等國家相繼有50 余項(xiàng)發(fā)明專利申請(qǐng)。

4 展望

高分子復(fù)合材料所具有的高性能、高功能、合金化、精細(xì)化、智能化等性能決定了其具有強(qiáng)大的市場競爭力和無限的生命。其未來的發(fā)展方向有:

(1)納米材料與聚氨酯材料相結(jié)合。將納米材料應(yīng)用到聚氨酯材料中，以有效解決MDI 類芳香族聚氨酯耐黃變性能差的問題。制備出力學(xué)性能良好、耐黃變的皮革產(chǎn)品，特別是皮革涂飾劑，滿足對(duì)汽車、飛機(jī)坐墊革等高檔用革的要求;同時(shí)可制備出高性能的合成革產(chǎn)品，延長皮革的使用壽命［7］。

(2)氯化聚氯乙烯(CPVC)樹脂。氯化聚氯乙烯(CPVC)樹脂作為新型高分子材料，具有溫度適用范圍寬、阻燃性較好、耐腐蝕等特點(diǎn)。只要掌握其成型技術(shù)，可大大降低產(chǎn)品成本，從而能夠推動(dòng)CPVC 其廣泛應(yīng)用。

(3)阻隔性納米復(fù)合材料。隨著納米技術(shù)的不斷發(fā)展，阻隔性納米復(fù)合材料逐漸成為阻隔高分子材料研究的熱點(diǎn)。應(yīng)該加強(qiáng)相關(guān)技術(shù)的研發(fā)與創(chuàng)新，促使阻隔性高分子復(fù)合材料朝著高性能、多品種、綠色環(huán)保、物美價(jià)廉、使用方便的方向發(fā)展，使其具有更加廣闊的應(yīng)用前景［8］。

［1］豆丁網(wǎng). 高分子熱固性材料［DB/OL］. (2012 －8 －21)http:∥www. docin. com/p －466084407.html.

［2］丁會(huì)利，袁金鳳，鐘國倫，等. 高分子材料及應(yīng)用［M］. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

［3］梁曉梅. 國內(nèi)外高性能高分子復(fù)合材料發(fā)展與應(yīng)用［J］. 哈爾濱職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2014(1).

［4］李順林，王興業(yè). 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)［M］.武漢理工大學(xué)出版社，1993.

［5］劉科科，汪濤，蔚永強(qiáng)，等. 高分子復(fù)合材料用導(dǎo)熱填料研究進(jìn)展［J］. 塑料工業(yè)，2013(4).

［6］楊振，陳佑寧. 五種新型高分子液晶研究進(jìn)展及應(yīng)用前景［J］. 應(yīng)用化工，2006(1).

［7］龔舒，李月番，張抗，等. 氯化聚氯乙烯樹脂的工藝研究及其供需現(xiàn)狀分析［J］. 大科技，2014(3).

［8］劉秋菊，李旭陽，陳國偉，等. 阻隔性高分子復(fù)合材料研究與應(yīng)用進(jìn)展［J］. 塑料科技，2013(7).