復合材料在我國的發展和應用

陳振興

摘 要：近年來，因復合材料強度較高、重量較輕、加工成型較方便，且具有優良的彈性、耐化學腐蝕性和耐候性等特點，已在我國各行業領域中逐步取代木材及金屬合金。本文分析了各種復合材料在我國各行業領域的發展與應用，并總結了復合材料在我國的發展瓶頸。

關鍵詞：復合材料 性能 發展 應用

中圖分類號：TH132 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）03（b）-0131-02

復合材料由基體和增強體兩種材料組合而成的材料。兩種材料在性能上各發揮其優點，從而產生協同效應，使復合材料的綜合性能優于原組成單一材料，從而擴大復合材料的應用范圍。復合材料通常有纖維復合材料、夾層復合材料、細粒復合材料、混雜復合材料以及為滿足航空航天等尖端技術所研制的先進復合材料。

早在遠古時期，我國祖先就以麻、稻草及木料等材料制做兵器，這些早期兵器的制作材料即為我國早期的復合材料。復合材料在新中國的發展歷程以十一屆三中全會為界可分為以下兩個階段：在十一屆三中全會之前，致力以國防軍工；之后，我國生產社會化。因復合材料比重小、比強度大、加工成型較方便，比模量較大，在我國各行業領域中得到廣泛的應用，主要應用于汽車、航空航天、電子電氣、建筑等領域，在近幾年更是得到了迅猛發展。

隨著我國科技的發展，復合材料相關技術不斷進步，各生產廠家的制造能力也都有很大的提高，使復合材料的價格大大降低，但其強度仍無法和金屬的強度相比。因此，在此基礎上又研發出碳纖維、硼纖維等增強復合材料，使的高分子復合材料家族更加齊備，已作為眾多產業的必備材料。

1 復合材料的主要應用領域

1.1 航空航天領域

因復合材料熱穩定性好，比強度與比剛度較高等特點，可用其制造飛機的機翼和前機身的衛星天線以及這些部件的支撐結構；另外，很多其他的航空用零部件結構都用復合材料制造。

1.2 汽車工業

復合材料特殊的振動阻尼特性，可以減振和降低噪音，另外，復合材料具有優良的抗疲勞特性，且損傷后極易修復修理，生產時便于整體成形，因此常用其制造汽車車身及其受力構件與傳動軸、汽車發動機架及其內部結構件。由于汽車制造滿足力學要求的前提下越輕越好，使得新型復合材料將被廣泛應用到汽車制造業中。

1.3 醫學領域

復合材料家族中的碳纖維，具有不吸收X射線的特性以及優良的力學性能，通常用碳纖維制造醫用X光機及矯形支架等。同時，碳纖維還具有血液與生物組織相容性，因此，碳纖維在生物環境下穩定性較好，可用于生物醫學材料及制造體育運動器件等。

1.4 化工、紡織和機械制造領域

因碳纖維具有良好的耐腐蝕性，由碳纖維與樹脂基體復合而成的復合材料可用于制造紡織機、復印機、造紙機、精密儀器及各類化工設備等。

2 復合材料的發展和應用

2.1 樹脂基復合材料的增強材料

樹脂基復合材料用增強材料通常包括以下幾種。

2.1.1 玻璃纖維

高性能復合材料的玻璃纖維目前主要有高強度、高硅氧及石英玻璃纖維等。高強度玻璃纖維因具有較高的性價比，近幾年得到較快的增長速度。其不僅在軍用方面得到較好的應用，而且在民用產品如防彈服與頭盔、高壓壓力容器及各類耐高溫制品與體育用品等也有較廣泛的應用。高硅氧和石英玻璃纖維具有耐高溫特性，是較理想的耐火材料，主要應用為火箭與導彈的防熱材料。

2.1.2 碳纖維

碳纖維具有上述一系列優點，在航空航天領域及運動器具和體育用品領域得到廣泛的應用。我國生產的碳纖維因其性能不太穩定，性價比較低，與世界先進水平還存在差距。

2.1.3 超高分子量聚乙烯纖維

超高分子量聚乙烯纖維的抗蝕性與抗老化性較高，并具有良好的耐海水腐蝕性和高頻聲納透過性。在軍事領域及汽車、醫療器械、船舶、體育器材等領域具有較好的應用前景。

2.1.4 芳綸纖維

芳綸纖維發熱比強度及比模量都很高，已被廣泛應用在汽車及航空航天領域的復合材料零部件、耐熱運輸帶及體育器材等領域。

2.1.5 熱固性樹脂基復合材料

熱固性樹脂基復合材料是指以熱固性樹脂與增強材料制成的復合材料。乙烯基酯樹脂為一種新型熱固性樹脂，其具有耐腐蝕與耐溶劑性的特點，機械強度高且延伸率較大，乙烯基酯樹脂與塑料、金屬及混凝土等材料的粘結性很好，且耐老化，耐疲勞，且固化收縮率低。廣泛應用于容器、貯罐及管道等制作中。

2.2 熱塑性樹脂基復合材料

熱塑性樹脂基復合材料常用的主要有以下三種：玻璃纖維氈增強型熱塑性復合材料、長纖維增強粒料與連續纖維增強預浸帶。該類復合材料因可回收利用具有較好的應用前景。我國生產的熱塑性樹脂基復合材料基體材料主要采用PP、PA，而增強材料則以玻璃纖維為主，也有少量采用碳纖維做增強材料。

高性能熱塑性樹脂基復合材料基體以PP、PA為主。以其生產的產品主要有管件、閥門、電器、軸承與汽車零件、模壓制品、座椅及汽車踏板等。

云母復合材料因具有高剛性，低收縮率、低密度、低撓曲性及較低的價格。廣泛應用于制作各類儀表盤，護欄護罩等零部件，同時，云母復合材料具備阻尼性與屏蔽性，用其可制作音響零件與蓄電池箱等。

3 復合材料在我國發展的特點

復合材料在我國發展潛力很大，有以下特點。

3.1 復合材料有待創新

隨著我國對復合材料的重視，近幾年復合材料在我國各行業的應用有較大的發展，但與發達國家相比仍然差距較大。在技術、工藝及產品發展與應用方面仍需大力創新，具體應在以下幾個方面做進一步的發展與創新，如樹脂基體、增強材料、生產工藝與產品應用方面。

3.2 玻璃纖維的結構需調整

玻璃纖維在我國主要是用做增強基材，成本在全球市場上具有優勢，但品種規格和質量方面卻與先進國家差距較大，須不斷改進與發展。

3.3 聚丙烯腈基纖維的發展

雖然我國碳纖維工業發展緩慢，但聚丙烯腈基纖維仍有發展的必要和空間。

3.4 需要進一步開發能源與交通用復合材料市場

能源相關方面，要大力開發清潔與可再生能源用復合材料；同時要著眼開發應用于汽車、城市軌道交通、民航客機及船艇等行業的復合材料。

3.5 加大纖維復合材料基礎設施應用

復合材料因具有其它材料無法比擬的優點，近年來其在房屋、道路與橋梁的基礎應用發展迅速，尤其在隧道工程、橋梁、房屋等基礎設施的修補與加固中應用前景良好。

3.6 復合材料綜合處理與再生技術需大力發展

我國應著重發展物理回收、化學回收和能量回收技術。在大飛機開發領域，擴大飛機用復合材料的使用比例；加大復合材料在民用方面的應用；大力發展特殊環境用復合材料，如需經受溫度變化、海水腐蝕、壓力和沖擊的材料；同時要引入納米材料與多功能材料及結構。

4 復合材料在我國的發展瓶頸

復合材料與金屬材料、陶瓷材料及聚合物材料并稱四大材料體系，目前中國復合新材料發展主要有以下三大瓶頸。

（1）因我國復合材料復合化成本太高，使得復合材料的擴大應用受到嚴重的制約。

（2）我國復合材料用原材料基礎較差。

（3）我國復合材料的設計理論落后。復合材料的基礎原材料及復合材料的增強材料所用的碳纖維工業化進展都很慢。這大大制約了復合材料的發展。復合材料的工藝比較復雜，發展高效的設計理論是提高復合材料應用前景的重要手段。

參考文獻

[1]李成功.新材料研究發展與產業化趨勢[M].機械工藝師，2001.

[2]譚毅，李敬峰.新材料概論[M].冶金工業出版社，2004.

[3]吳大潔.復合材料[M].天津大學出版社，1993.