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1、8 高性能復合材料發(fā)展現(xiàn)狀與發(fā)展方向8.1 國內(nèi)復合材料發(fā)展現(xiàn)狀與發(fā)展方向復合材料學界較普遍認為我國復合材料發(fā)展中亟待研究解決下列問題：（1）在發(fā)展復合材料新品種的同時，注意發(fā)展復合材料構件的制造技術，特別是先進制造技術；（2）在研究復合材料構件無損檢測方法的同時，加緊研究制定無損評價標準。其中有五個問題是研究重點：增強纖維的研制、生產(chǎn)與供應；復合材料低成本生產(chǎn)技術；新工藝、新設備的研制與發(fā)展；復合材料生產(chǎn)環(huán)境及回收利用；國際大環(huán)境與市場經(jīng)濟條件下我國復合材料發(fā)展的對策。811 航天功能復合材料的現(xiàn)狀與展望（1）引言美國國防部關鍵技術計劃指出：“下一代復合材料結構的研究將側重于材料的多功能性能

2、方面”。20世紀90年代初、中期，美國用于這方面的研究經(jīng)費為（1.71.8）億美元/年。功能復合材料的成功應用，使先進戰(zhàn)略導彈彈頭的有效載荷與結構重量之比大幅度提高（達到4:1），并實現(xiàn)了小型化、被動滾控和強突防。同時具有全天候能力和百米級命中精度。（2）航天高技術對功能復合材料的要求1）軍事對抗要求航天高技術對功能復合材料的軍事對抗要求包括：生存性（全天候、突防、隱身、探測透波）；小型化、輕質(zhì)化（結構功能一體化、多功能一體化）；高精度（穩(wěn)定外形）。2）環(huán)境要求航天高技術對功能復合材料的環(huán)境要求（即生存性要求）包括：防熱；抗熱應力；抗侵蝕；耐空間原子氧；耐高低溫交變；耐空間輻射阻尼減震。（3）

3、航天功能復合材料的研究方向與主要研究內(nèi)容航天功能復合材料的研究方向包括：防熱功能復合材料、透波和多功能復合材料、功能復合材料的加工技術和功能復合材料測試評價技術。防熱功能復合材料主要研究內(nèi)容防熱功能復合材料的研究內(nèi)容主要包括:先進碳/碳復合材料技術、先進碳/酚醛防熱復合材料技術、低成本、碳/碳復合材料、新型防熱復合材料探索和防熱復合材料修補技術；探索研究防熱復合材料現(xiàn)場診斷與損傷預警。透波、多功能復合材料主要研究內(nèi)容透波、多功能復合材料的研究內(nèi)容主要包括：先進介電防熱復合材料技術、多功能復合材料技術和新型抗高能破壞復合材料探索。吸波、隱身復合材料主要研究內(nèi)容吸波、隱身復合材料的研究內(nèi)容主要包括

4、：紅外吸波隱身復合材料、雷達吸波隱身復合材料、隱身/結構復合材料和多功能隱身復合材料。功能復合材料加工技術主要研究內(nèi)容功能復合材料加工技術的主要研究內(nèi)容包括：先進碳/碳復合材料加工技術、陶瓷基復合材料加工技術、防熱復合材料精加工技術和復合材料低損傷加工技術。功能復合材料測試評價技術主要研究內(nèi)容;功能復合材料測試評價技術研究的主要內(nèi)容包括：功能復合材料超高溫性能測試評價技術、復合材料性能表征與質(zhì)量控制、復合材料微觀結構和失效分析技術和復合材料介電性能測試技術研究。（4）航天功能復合材料的研究進展1）防熱復合材料按發(fā)展歷程排列，防熱復合材料先后采用了玻璃纖維復合材料、高硅氧玻璃纖維復合材料、碳纖維

5、/石英陶瓷基復合材料、碳纖維/酚醛復合材料和碳/碳復合材料。下面主要介紹碳/碳復合材料和碳/酚醛復合材料。碳/碳復合材料碳/碳復合材料是戰(zhàn)略核武器彈頭端頭的最佳候選材料；端頭在應用過程中經(jīng)受的環(huán)境惡劣，對武器的氣動特性和再入飛行特性影響最大，并直接影響彈頭生存能力和落點精度。碳/碳防熱復合材料初期主要解決再入過程的“熱障”，通過外表材料的燒蝕來吸收熱量以避免熱量傳向內(nèi)部。進一步研究抗熱應力問題，即解決再入時氣動熱和嚴重溫差所引起的熱應力問題。當再入到12km以下時，自然或人為粒子云的沖刷，即燒蝕/侵蝕的耦合作用將引起燒蝕量增加和燒蝕不均勻，嚴重時會導致彈頭失效。當前碳/碳復合材料研究重點是制造

6、燒蝕/侵蝕外形穩(wěn)定的先進碳/碳復合材料；由三向正交碳/碳復合材料向細編穿刺三向碳/碳復合材料和耐熔金屬芯增強細編三向碳/碳復合材料發(fā)展。碳/酚醛復合材料在彈頭的端頭稍向后的部分，雖然其溫度略低于端頭，但占彈頭表面積的大部分，這部分的防熱問題也不能忽視。戰(zhàn)略核武器彈頭要實行小型化、輕質(zhì)化、高精度。碳/酚醛是當前戰(zhàn)略核武器大面積防熱層的最佳候選材料。因為大面積防熱層一般約占彈頭結構重量的1/3，所以應提高碳/酚醛的抗燒蝕能力，減少防熱層厚度，提高它在承載、抗核、吸波、隔熱方面的潛力。20世紀70年代初以來，碳/酚醛復合材料的工藝進展包括：由重疊纏繞到傾斜纏繞；由一般酚醛樹脂到高純酚醛樹脂；由單純碳

7、/酚醛復合材料到引入特種添加劑的碳/酚醛復合材料；由外加壓固化到內(nèi)加壓固化。當前，碳/酚醛對彈頭的主要影響表現(xiàn)為：實現(xiàn)彈頭被動滾控技術；進一步小型化和輕質(zhì)化。2）多功能復合材料航天多功能復合材料的研究已經(jīng)從初期的雙功能（如防熱/抗核）復合材料進入到三功能（如防熱/透波/承載、防熱/抗核/承載）復合材料。雙功能（防熱/抗核）復合材料主要用作戰(zhàn)略核武器端頭前體材料。其工藝途徑包括：調(diào)整增強物不同結構（包括一體化整體編織、三維薄壁織物）、與不同組元混編或混雜紗編織、調(diào)節(jié)基體的組元（包括雙基體）和改進復合工藝。三功能（防熱/透波/承載）復合材料主要用于新型戰(zhàn)略核武器彈頭的天線窗材料和常規(guī)地/地慣性/地

8、圖匹配精確制導導彈天線罩材料。其工藝過程包括：澆注熔融硅陶瓷、三向正交石英增強氧化硅基復合材料、有機硅熱解方法制備有機硅復合材料（要求承受溫度高于1500、并堅持數(shù)秒）和磷酸鹽基（溫度小于1500、但能堅持數(shù)分鐘）復合材料。防熱/透波/承載三功能復合材料（天線罩材料）的新發(fā)展包括：采用石英增強二氧化硅，吸收澆注熔融硅和三向石英的優(yōu)點；采用內(nèi)外層不同工藝，材料外層突出耐燒蝕性，內(nèi)層則突出結構強度；采用界面匹配以保證高透波性能的要求；重點研究三功能一體化的匹配設計。三功能（防熱/抗核/承載）復合材料主要用于新型戰(zhàn)略核武器特定再入滾轉特征的多功能端頭防熱套。解決再入時大面積碳/酚醛因燒蝕熱結構不匹配

9、而引起塊狀剝蝕問題。為實現(xiàn)被動滾控、小型化、輕質(zhì)化、強突防和高可靠性提供技術和物質(zhì)基礎。目前，其抗燒蝕性能已經(jīng)達到二向碳/酚醛（防熱/抗核）的水平，而抗核加固性能和承載能力則分別提高一個數(shù)量級。需要進一步對降低表面燒蝕粗糙度、提高被動滾控性能、提高承載能力和隔熱效率方面的進一步研究。3）隱身吸波復合材料為了大幅度提高武器系統(tǒng)的突防能力和生存能力，研究開發(fā)了隱身吸波功能復合材料，包括隱身材料與結構。研究重點是隱身吸波復合涂層，包括：研制高性能吸收劑、隱身吸波復合涂層設計、可見光近紅外遠紅外雷達波兼容原理和多功能復合涂層和多頻譜隱身涂層的復合技術和大面積施工工藝。4）航天功能復合材料的性能評估與質(zhì)

10、量控制技術航天功能復合材料的性能評估與質(zhì)量控制技術的研究內(nèi)容包括：防熱材料燒蝕與剝蝕分析研究、功能復合材料的微觀結構與性能的關系、功能復合材料的斷裂破壞與界面研究、模擬超高溫、超低溫、空間環(huán)境下功能復合材料的性能測試與分析、功能復合材料構件的失效分析、功能復合材料的無損檢測技術、功能復合材料構件在使用環(huán)境下的損傷起源與變化趨勢和功能復合材料基體樹脂的性能表征與質(zhì)量控制。當前航天功能復合材料的研究重點是：碳/碳復合材料超高溫（3000以上）力學性能測試技術研究。并重點解決超高溫下小變形的測量技術；含鎢絲碳/碳復合材料無損檢測研究。解決含鎢絲碳/碳復合材料的無損檢測方法，并對缺陷做到定位、定量分析

11、。（5）航天功能復合材料的展望隨著對航天功能復合材料的要求越來越高和研究越來越深入；復合材料在航天高技術上的應用將越來越擴大；在航天高技術中的地位越來越重要。對功能復合材料中的透波（透微波、透光）、人工介質(zhì)材料、隱身功能復合材料（微波隱身、聲波隱身）、梯度功能復合材料、其他材料（磁屏蔽、電磁屏蔽、抗x光輻射、仿生、摩擦、超導）等均給予較大的關注。812 結構復合材料的研究進展用針刺氈/沉積碳(CVD)制造的C/C復合材料剎車片，比碳布/沉積碳(CVD)剎車片的剪切強度提高56% ，平均導熱系數(shù)提高1倍，達到13.6w/(mk)。剎車過程平穩(wěn)，磨損率低。針刺氈由三層結構組成：即上、下兩層用30-

12、100mm的短纖維隨機排列后加壓針刺而成，中間為無緯連續(xù)長纖維束，三層之間用針刺連接，由于針剌纖維的方向垂直于摩擦面，增加了導熱通道，從而提高了此方向上的導熱系數(shù)。這種材料成本低，僅為碳布/沉積碳復合材料的1/4。用PCS/DVB系，加壓浸漬裂解（先驅體轉化）法制備C纖維/SiC復合材料。與常壓裂解法相比，性能大為提高。密度可增加到1.89 2.05g/cm3。彎曲強度為511MPa，斷裂韌性達15.19MPam1/2。采用短期化學氣相滲透(ICVI)法與先驅體（PCS）浸漬裂解（重復三次）法混合工藝制備3D-C纖維/SiC復合材料。3D-C纖維/SiC復合材料的密度可達2.0 g/cm3以上

13、。彎曲強度達到643MPa，斷裂韌性達到17.9 MPam1/2。其性能較單純浸漬裂解法大為提高，且生產(chǎn)周期縮短。用熱解碳對纖維進行涂層時，涂層厚度對3D-C纖維/SiC復合材料性能有顯著影響，存在一最佳界面厚度。熱解碳層厚度為0.7mm左右時，C纖維/SiC復合材料的界面結合適中，綜合性能良好。熱解碳涂層能夠改善纖維與基體的結合質(zhì)量，彌補其表面缺陷，使纖維的物理性能得到改善。813 值得重視的復合材料研究新動向（1）引言為了使復合材料在航空航天工業(yè)以外的市場競爭中提高競爭能力，拓寬應用領域，參考國外復合材料的研究動向和國內(nèi)的實際情況，值得重視的復合材料研究新動向是：降低復合材料成本（包括改進

14、和簡化復合材料工藝和減少輔助設施）；復合材料再生利用。（2）降低復合材料成本降低復合材料價格需采取的四種途徑：降低碳纖維原絲成本；發(fā)展大絲束碳纖維；將單根碳纖維的直徑變細；提高碳纖維復合材料的制造工藝效率和減少輔助設施。1）降低制造碳纖維的原絲價格因為碳纖維原絲的成本約占碳纖維成本的60%，通過降低原絲價格實現(xiàn)碳纖維價格的下降，是使先進復合材料降價的重要途徑之一。日本巖石山研究所認為：碳纖維價格只有降至每公斤16.5美元以下，其復合材料才能在汽車工業(yè)中與普通鋼材競爭。而日本東麗公司的T-300(12K)的價格約為每公斤33.07美元；卓爾泰克公司的Panex33-0048的價格為每公斤17.6

15、4美元。后者已經(jīng)接近與普通鋼材競爭的價格。2）發(fā)展大絲束碳纖維國際上碳纖維的絲束一般為3K、6K、12K。東麗公司正發(fā)展24K的碳纖維；卓爾泰克公司生產(chǎn)48K(Panex33-0048)、160K(Panex33-0160)和320K的碳纖維。他們認為大絲束碳纖維并不影響在一般工業(yè)中的應用，而成本可以大幅度降低，據(jù)稱已降至1516美元/公斤?？蓮V泛用于熱塑性復合材料、體育用品、建筑及結構修補。3）將單根碳纖維的直徑變細新型細直徑碳纖維只有現(xiàn)有碳纖維直徑的1/150，但其強度 、模量、密度等力學和物理性能不僅不降低，而且個別指標（如強度）還可能增高。它們是用碳氫化合物在催化劑存在條件下直接制成的

16、非連續(xù)碳纖維。由美國空軍和俄亥俄州應用科學公司共同資助研究。4）提高碳纖維復合材料的制造工藝效率和減少輔助設施近年來，國際上研究發(fā)展的“生長點”是先進復合材料的液體復合材料技術(Liquid Composite Materials，簡記為LCM技術)為代表的復合材料液體成型技術。即指樹脂傳遞模塑（Resin Transfer Molding，簡記為RTM）、樹脂膜滲透（Resin Film infiltration，簡記為RFI）和增強反應注射模塑（Reinforced Reaction Injection Molding，簡記為RRIM）。此外還包括電子束(Electronic Beam，簡

17、記為EB)固化工藝。樹脂傳遞模塑（RTM）的特點為：樹脂液體狀態(tài)壓入預置于封閉模具型腔的增強體的縫隙中，再通過加溫固化。這種工藝的制品設計自由度大，增強體可采用三維編織預制坯件(3D/Textile)，可提高力學整體性和層間剪切強度；通過更換基體，可以較快地更新復合材料體系的種類。如除環(huán)氧、酚醛外，還可采用乙烯基樹脂、丁二烯、雙馬來酰亞胺、丁基丙烯酸樹脂；RTM產(chǎn)品尺寸穩(wěn)定、精度高，樹脂含量偏差小、氣孔率低，生產(chǎn)效率高，質(zhì)量易保證。其民用制品可與片狀模壓料(Sheet Molding Compound,簡記為SMC)媲美；此種工藝對環(huán)境污染小。工藝過程在密閉裝置中進行，因此，對當時當?shù)氐臏囟群?/p>

18、濕度不敏感，產(chǎn)品可批量化。美國空軍和能源部橡樹嶺國家實驗室(Oak Ridge National Laboratory)于20世紀90年代中期會同若干工業(yè)伙伴倡導電子束固化工藝。已研究出數(shù)種新的、增韌的EB固化樹脂體系，并在該領域申請了專利。美國空軍和能源部開發(fā)了EB固化陽離子環(huán)氧樹脂體系。其玻璃化轉變溫度Tg高達390；水煮48小時的吸濕率小于1%；固化的收縮率為2.2%3.4%。開發(fā)了雙馬來酰亞胺和氰酸酯作為EB固化樹脂。（3）復合材料的再生利用樹脂基復合材料的回收問題具有緊迫性的原因是:目前已經(jīng)相當大的數(shù)量的樹脂基復合材料制品超過使用保險期，并且其生產(chǎn)量還在劇增。因此，處理報廢的復合材料

19、制品的問題已日見突出；生產(chǎn)過程的預浸料的邊角廢料需回收再利用；減小環(huán)境污染的程度。對于熱塑性樹脂基復合材料的回收，日本學者提出用機械粉碎法。即將報廢的由連續(xù)纖維/熱塑性基復合材料制件機械粉碎為顆粒狀，再加熱成型短纖維增強復合材料制備使之重獲利用。為了調(diào)節(jié)制品性能，也可與一定比例的新的原料混用。隨著重復再生次數(shù)的增加，復合材料性能下降，但仍可用于低檔次埸合；直至不能再生為復合材料，最后還可以干餾裂解成油酯（用于潤滑）、汽（用于燃料）等碳氫化合物和殘渣（用作填料）。熱固性樹脂基復合材料的回收利用比較困難，因為基體固化反應后呈不溶不熔狀態(tài)。除了極小一部分可以粉碎后作為填料外，有學者提出，采用直接干餾

20、的方法，將復合材料粉碎后，干餾得到低分子碳氫化合物的油和殘渣。熱固性樹脂基復合材料回收的工藝流程見圖8-1。圖8-1 熱固性樹脂基復合材料回收的工藝流程樹脂基復合材料亟待解決的問題是：拓寬應用領域、回收和再生利用、提高利用率、減少環(huán)境污染、降低價格和改進工藝。8.2 國際上對復合材料的展望821 國際復合材料發(fā)展中的普遍性問題國際上發(fā)展復合材料中普遍存在的問題包括：價格、可靠性和回收利用問題。（1）價格問題由于復合材料原材料成本高，工藝較復雜，工期長，連續(xù)生產(chǎn)受制約，因而大幅度降價困難較大，這是成為限制復合材料發(fā)展的國際性問題。（2）可靠性問題由于復合材料的使用歷史短，工藝上實踐積累少，且影響

21、復合材料可靠性因素多，包括設計、原材料、工藝參數(shù)控制、制品可靠性預測與評價等。因而其可靠性遠遠不及目前成熟的傳統(tǒng)材料。（3）材料回收再生問題由于21世紀將明顯出現(xiàn)資源短缺的危機，環(huán)境問題也日益嚴重；復合材料廢料與廢品中，有機無機金屬不易分離，熱固性基體不溶不熔。將廢料與廢品粉碎作填料是目前可以想見的僅有出路，但存在經(jīng)濟上是否劃算的問題。822 國際上對復合材料所存在問題的對策在國際上，對復合材料發(fā)展目前所存在問題有如下對策：（1）以絕對優(yōu)勢占領某些特定產(chǎn)品市場，使其它材料無法與之競爭，如中、高檔體育用品。隨著社會老齡化的進展和生活質(zhì)量的提高，對休閑類的體育用品的需求量將會與日俱增。例如碳纖維釣

22、魚竿，它在碳纖維制品中已經(jīng)占有較大的份額。但是，復合材料要有大的發(fā)展，必須進入汽車、電子、建筑、紡織、化工、船舶等產(chǎn)量大的領域。同時要開發(fā)利用復合材料技術對現(xiàn)有建筑與結構物（高層建筑、隧道、涵洞、水壩、橋梁、古建筑、甚至木質(zhì)漁船等）的修補、加固和改造，形成新的產(chǎn)業(yè)部門。（2）發(fā)揮可整體成型的優(yōu)勢，利用異形織物，制造凈成型產(chǎn)品。（3）研究廉價原材料，包括天然材料、工業(yè)副產(chǎn)品、礦渣、廢棄物等。制造中、低檔性能的復合材料，作為需求量大的代用材料（如代木、代鋼鐵），同時研究發(fā)展高效、簡便的工藝方法及連續(xù)生產(chǎn)的工藝設備，降低生產(chǎn)成本。（4）大力研究發(fā)展功能復合材料和機敏、智能復合材料。這類復合材料產(chǎn)量小

23、，產(chǎn)值高，能充分利用復合材料的可設計性和復合效應，發(fā)揮復合材料獨特的特性。（5）加強對實用可靠性的研究。發(fā)展簡便有效的檢測評價方法，充分利用電子計算機和圖象顯示技術模擬實際使用材料可靠性保證的程度，發(fā)展動態(tài)實時監(jiān)測。（6）探索新的復合材料，如原位合成（原位生長）復合材料、納米復合材料、微細觀態(tài)復合材料等。來解決宏觀復合材料中存在的界面薄弱環(huán)節(jié)，提高增韌效果。（7）加強優(yōu)化設計研究，形成設計專家系統(tǒng)，充分發(fā)揮復合效應。（8）發(fā)展熱塑性復合材料。連續(xù)纖維增強PP（聚丙烯）、PA（聚酰胺）、PC（聚碳酸酯）、PEEK（聚醚醚酮）、PES、PPS（聚苯硫醚）等復合材料具有與增強熱固性基體相同的良好綜合力學性能，同時在材料韌性、耐蝕、耐磨、耐溫方面有明顯優(yōu)勢。工藝上具有良好二次或多次成型和易于回收的特性，因此具有好的發(fā)展前景。（9）研究熱塑性高聚物基復合材料、高分子基原位復合材料、顆粒增強金屬基復合材料的回收、再加工工藝、再生利用的復合材料的性能退化率及改進措施。6