復(fù)合材料發(fā)展現(xiàn)狀分析

唐一忱

摘要：復(fù)合材料指將多種材料通過特殊工藝和制造方法復(fù)合而成的新型材料。本文首先對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行概述，然后對(duì)樹脂基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行分析，并對(duì)其發(fā)展趨勢展開討論。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料；發(fā)展現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢；陶瓷基

引言：

《國家“十二五”科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃》為我國科技發(fā)展提出明確目標(biāo)：到2020年，自主創(chuàng)新能力要得到顯著提高，用科技促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和保障國家安全，取得能夠?qū)κ澜绠a(chǎn)生影響的科學(xué)技術(shù)成果。特別是在信息、生物、材料和航天等領(lǐng)域達(dá)到世界先進(jìn)水平。復(fù)合材料作為新型材料中的重要部分，在我國的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢有待研究。

1 復(fù)合材料概述

復(fù)合材料是由兩種及兩種以上性質(zhì)不同的物質(zhì)復(fù)合而成的多相固體材料。材料主要分為金屬材料、無機(jī)非金屬材料和高分子材料。其中密度最大的是金屬材料，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，脆性最大的是無機(jī)非金屬材料，高分子材料易老化不耐高溫。隨著我國科技水平的快速提高，對(duì)材料提出了“高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、低密度”的要求，普通材料的性能已滿足不了科技時(shí)代的要求，因此由多種材料復(fù)合而成的高性能復(fù)合材料被迅速推廣。

復(fù)合材料按照基體材料種類被分為樹脂基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料及陶瓷基復(fù)合材料；按照增強(qiáng)形態(tài)被分為纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料及層狀增強(qiáng)復(fù)合材料；按照增強(qiáng)形態(tài)復(fù)合而成的復(fù)合材料具有高強(qiáng)度、高模量、耐高溫及斷裂安全系數(shù)高等特性。

2 復(fù)合材料發(fā)展現(xiàn)狀分析

2.1樹脂基復(fù)合材料發(fā)展

2.1.1發(fā)展現(xiàn)狀

樹脂基復(fù)合材料除了高強(qiáng)度、高模量的特點(diǎn)，還具有非常高的可設(shè)計(jì)性，問世至今已經(jīng)成為一項(xiàng)重要的技術(shù)產(chǎn)業(yè)。樹脂基復(fù)合材料主要應(yīng)用于武器裝備制造業(yè)，對(duì)武器裝備的輕量化、微型化和提高武器性能起到重要作用。由于樹脂基復(fù)合材料密度較低，也在航空航天工業(yè)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，能夠降低飛機(jī)近30%自重。據(jù)統(tǒng)計(jì)，樹脂基復(fù)合材料制品共有40000多種，截止2017年，全世界樹脂基復(fù)合材料產(chǎn)量近千萬噸。全球樹脂基復(fù)合材料的年總產(chǎn)值在逐年提升，預(yù)計(jì)在2019年達(dá)到11046百萬美元，其中亞洲市場的容量最大，預(yù)計(jì)2019年達(dá)到7044百萬美元。2017年中國的樹脂基復(fù)合材料產(chǎn)量達(dá)到500萬噸，是1978年3.5萬噸產(chǎn)量的148倍。

2.1.2發(fā)展趨勢

樹脂基復(fù)合材料的主要性能有高強(qiáng)度、耐高溫、耐疲勞性、韌性和抗氧化性，樹脂基復(fù)合材料的發(fā)展除了注重以上性能外，還要考慮降低制造成本的問題。主要發(fā)展方向是：（1）新型耐高溫樹脂基復(fù)合材料，使用溫度達(dá)到300℃以上。（2）高韌性樹脂基復(fù)合材料，例如在受到?jīng)_擊后壓縮強(qiáng)度達(dá)到300MPa的樹脂基復(fù)合材料。（3）適用于低成本的液體成型工藝，例如用樹脂傳遞模塑成型工藝制造的的樹脂基復(fù)合材料。（4）能夠滿足復(fù)合材料結(jié)構(gòu)功能一體化的樹脂基復(fù)合材料，例如具有透波功能和吸波功能的樹脂基復(fù)合材料。在原有的樹脂基基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)是發(fā)展高性能樹脂基復(fù)合材料的主要途徑[1]。

2.2金屬基復(fù)合材料發(fā)展

2.2.1發(fā)展現(xiàn)狀

世界上的金屬基復(fù)合材料市場由上百家金屬基復(fù)合材料公司共同占有，它們有的擁有獨(dú)家技術(shù)，例如粉末冶金技術(shù)；有的以某一種金屬基復(fù)合材料見長，例如鋁基金屬基復(fù)合材料；有的專注于生產(chǎn)特定產(chǎn)品，例如熱封裝基板。由于世界各國實(shí)行越來越嚴(yán)格的燃油效率標(biāo)準(zhǔn)和尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)，致使汽車制造業(yè)必須采用輕質(zhì)的金屬基復(fù)合材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)金屬材料。金屬基復(fù)合材料越來越多的被應(yīng)用于陸上運(yùn)輸、熱管道、航空航天工業(yè)等領(lǐng)域。我國目前尚沒有形成金屬基復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)及產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或軍工標(biāo)準(zhǔn)。目前僅有少數(shù)航空航天單位、科研單位具有小批量生產(chǎn)的配套能力。

2.2.2發(fā)展趨勢

目前金屬基復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和功能還相對(duì)簡單，但科技的飛速發(fā)展要求金屬基復(fù)合材料成為高性能化、多功能化的新型材料。因此新的金屬基復(fù)合材料一定會(huì)向“結(jié)構(gòu)復(fù)雜化”演變。金屬基復(fù)合材料的性能除了取決于金屬基體和增強(qiáng)體的種類與配比外，還取決于增強(qiáng)體在金屬基體中的形狀、尺寸、連接形式和對(duì)稱性。普通金屬基復(fù)合材料增強(qiáng)體分布的復(fù)合結(jié)構(gòu)為簡單的空間配置，但從理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，在中間或者介觀尺度上調(diào)控增強(qiáng)體的分布有利于提高設(shè)計(jì)自由度，能夠進(jìn)一步挖掘金屬基復(fù)合材料的性能。優(yōu)化金屬基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)是金屬基復(fù)合材料的發(fā)展方向。

2.3陶瓷基復(fù)合材料發(fā)展

2.3.1發(fā)展現(xiàn)狀

西方發(fā)達(dá)國家一直投入巨資對(duì)陶瓷基復(fù)合材料進(jìn)行開發(fā)，對(duì)于陶瓷基復(fù)合材料的研究，各國側(cè)重點(diǎn)不同，美國和西歐側(cè)重于航空和軍事領(lǐng)域的應(yīng)用，日本側(cè)重于工業(yè)上的應(yīng)用。近年來，美國國防部一直把陶瓷基復(fù)合材料制造技術(shù)列為重點(diǎn)研究項(xiàng)目，迪拉瓦等高校和杜邦等大公司都在研究三維編織增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的耐熱結(jié)構(gòu)件。國內(nèi)從90年代初開始進(jìn)行增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的工藝、組成、結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能和熱處理等方面的研究。

2.3.2發(fā)展趨勢

陶瓷基復(fù)合材料因其脆性大被限制了應(yīng)用范圍，為了克服陶瓷基復(fù)合材料脆性大、韌性差的缺點(diǎn)，需要改變陶瓷本身的特性，其發(fā)展趨勢為：（1）降低陶瓷基復(fù)合材料制造成本，例如通過凝膠鑄成型與水基低壓制造成型工藝。（2）提高陶瓷基復(fù)合材料的可靠性和可重復(fù)制造性，降低不穩(wěn)定性。（3）目前陶瓷基復(fù)合材料設(shè)計(jì)準(zhǔn)則主要依照金屬基復(fù)合材料設(shè)計(jì)手冊(cè)，在特殊情況下金屬基復(fù)合材料設(shè)計(jì)準(zhǔn)則滿足不了陶瓷基復(fù)合材料的設(shè)計(jì)要求，因此完善陶瓷基復(fù)合材料設(shè)計(jì)手冊(cè)和加工設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是推動(dòng)陶瓷基復(fù)合材料發(fā)展的關(guān)鍵[2]。

總結(jié)：

綜上所述，為了滿足科技發(fā)展的需求，復(fù)合材料的因其優(yōu)越的性能在各個(gè)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，尤其在航空航天、國防軍工、交通運(yùn)輸?shù)葘?duì)國民經(jīng)濟(jì)影響重大的行業(yè)。隨著科技的進(jìn)步，在保持復(fù)合材料基礎(chǔ)性能的基礎(chǔ)上，高性能復(fù)合材料的發(fā)展將向著經(jīng)濟(jì)化、功能多樣化的方向發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳靖.國外熱塑性樹脂基復(fù)合材料現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].材料導(dǎo)報(bào)，1995（01）：77-80+8.

[2]張荻，張國定，李志強(qiáng).金屬基復(fù)合材料的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].中國材料進(jìn)展，2010，29（04）：1-7.