高分子復合材料應用及研究現狀分析

姚雨辰

( 南京航空航天大學材料科學與技術學院，江蘇南京211106)

隨著技術的發展，單一材料已不能滿足尖端技術領域發展的需要，為此，新型的復合材料引起了科技界的廣泛關注，成為材料研究領域的一個研究熱點。復合材料可以發揮各種材料的優點，避其弱點，可充分利用和節約資源，因此科技界將復合材料作為一類新型材料來研究。例如玻璃鋼，因質輕、堅硬，機械強度可與鋼材相比，已成功用于印刷電路板、汽車車身、船體等領域。

復合材料與陶瓷、高聚物、金屬并稱為四大材料。其已成為衡量一個國家或地區的復合材料工業水平的標志之一，是國家安全和國民經濟具有競爭優勢的源泉。有關研究報道指出，到2020年，復合材料性能潛力可獲得20% ～25%的提升［1］。

隨著工業現代化的發展，設備的集群規模和自動化程度越來越高，同時針對設備的安全連續生產的要求也越來越高，傳統的以金屬修復方法為主的設備維護工藝技術已遠遠不能滿足高新設備的維護需求，對此需要研發針對設備預防和現場解決的新技術和材料，為此誕生了包括高分子復合材料在內的更多新的維護技術和材料，滿足新設備運行環境的維護需求。

1 高分子材料研究現狀

高分子材料是以高分子化合物為基礎的材料，由巨量原子以共價鍵結合形成相對分子量大、具有重復結構單元的有機化合物。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合材料等［2］。

我國在高分子材料的開發和綜合利用雖起步較晚，但高分子材料為我國的經濟建設做出了重要的貢獻，已建立了完善的高分子材料的研究、開發和生產體系，取得了進步。目前，我國應提高整體科研水平，致力于創新的高分子聚合反應和方法，開發出綠色功能和智能材料，滿足工業和新技術的需求，提高人們生活質量。

高分子材料對我們未來的影響是不可預測的，隨著科技的發展，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、醫藥、航天方面對新材料的需求，造福人類。

2 復合材料研究現狀

復合材料中以纖維增強材料應用最廣、用量最大。其特點是比強度和比模量大、比重小。例如碳纖維與環氧樹脂復合的復合材料，其比強度、比模量比鋼和鋁合金的比強度、比模量大數倍，且具有優良的化學穩定性、減摩耐磨、自潤滑、耐熱、耐疲勞、耐蠕變、消聲、電絕緣等性能［3］。

纖維增強材料的另一個特點是各向異性，可按制件不同部位的強度要求設計纖維的排列。以碳纖維和碳化硅纖維增強的鋁基復合材料，在500℃時仍能保持足夠的強度和模量。碳化硅纖維與鈦復合，耐熱性高，耐磨損，可作發動機風扇葉片。碳化硅纖維與陶瓷復合，使用溫度可達1500℃，比超合金渦輪葉片的使用溫度(1100℃)高得多。碳纖維增強碳、石墨纖維增強碳或石墨纖維增強石墨，構成耐燒蝕材料，已用于航天器、火箭導彈和原子能反應堆中。非金屬基復合材料由于密度小，用于汽車和飛機可減輕重量、提高速度、節約能源。用碳纖維和玻璃纖維混合制成的復合材料片彈簧，其剛度和承載能力與重量大5 倍多的鋼片彈簧相當。

由于復合材料一般具有強度高、質量輕、耐高溫、耐腐蝕等優異性能，在綜合性能上超過了單一材料，因此，宇航工業就成了復合材料的重要應用領域。另外，復合材料在汽車工業、機械工業、體育用品甚至人類健康方面的應用前景也十分廣闊［4］。

現代高科技的發展離不開復合材料，復合材料對現代科學技術的發展，有著十分重要的作用。復合材料的研究深度和應用廣度及其生產發展的速度和規模，已成為衡量一個國家科學技術先進水平的重要標志之一。

隨著科技的發展，樹脂與玻璃纖維在技術上不斷進步，生產廠家的制造能力普遍提高，使得玻纖增強復合材料的價格成本已被許多行業接受，但玻纖增強復合材料的強度尚不足以和金屬匹敵。因此，碳纖維、硼纖維等增強復合材料相繼問世，使高分子復合材料家族更加完備，已經成為眾多產業的必備材料。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。從全球范圍看，世界復合材料的生產主要集中在歐美和東亞地區。近幾年歐美復合材料產需均持續增長，而亞洲的日本則因經濟不景氣，發展較為緩慢，但中國尤其是中國內地的市場發展迅速。

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

3 高分子復合材料研究現狀

二十世紀后期，世界發達國家以美國福世藍(1st line)公司為代表的研發機構，研發了以高分子材料和復合材料技術為基礎的高分子復合材料，它是以高分子復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合材料，在有機化學、高分子化學、膠體化學和材料力學等學科基礎上發展起來的高技術學科。極大解決和彌補金屬材料的應用弱項，廣泛用于設備部件的磨損、腐蝕、沖刷、裂紋、滲漏、劃傷等修復保護。

高分子復合材料是高分子材料與不同形狀、組成、性質的物質復合而成的、擁有界面的多相固體材料。其研發技術水平和推廣應用的覆蓋面在相當程度上反映—個國家軍事工業和國防建設、能源利用和環境保護的水平［5］。

高分子復合材料技術已發展成為重要的現代化應用技術之一，其主要有以下特點:(1)優異的附著力;(2)優異的機械性能;(3)抗化學腐蝕性能;(4)材料的安全性。

目前，高分子復合材料主要有高分子液晶復合材料、高分子納米復合材料、導熱高分子復合材料。隨著科學技術的發展，這三類高分子復合材料都得到了長足的發展，下面分別介紹各種高分子復合材料的發展狀況。

(1)高分子液晶復合材料

自1888年奧地利植物學家F. Reinitzer 在合成苯甲酸膽甾醇時發現了液晶后，科技界對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化道路［6］。當今，高分子液晶材料已成為高分子復合材料學科研究的一個重要領域。高分子液晶復合材料的發展趨勢是:發展液晶高分子原位材料;降低成本;發展功能液晶高分子材料;開發新的成型加工技術和新品種。目前，關于熱致液晶高分子原位復合是高分子液晶復合材料領域研究的一大熱點。

(2)高分子納米復合材料

高分子納米復合材料是由各種納米單元與有機高分子材料以各種方式復合成型的一種新型復合材料，被稱為21 世紀最有前途的材料，是經濟增長的發動機。高分子納米復合材料是新型材料發展的重點，已成為材料科學研究的前沿、熱點課題。目前，高分子納米復合材料在碳納米管/高分子復合材料、納米粒子對聚合物改性等方面有了很大進展。

(3)導熱高分子復合材料

導熱高分子復合材料具有優良的耐化學腐蝕、耐高溫、優異的電絕緣性等綜合性能，因而逐漸用其來代替傳統金屬材料。導熱高分子復合材料的研究與開發在20 世紀90年代開始成為功能性復合材料的研究熱點之一，特別是日本把“開發可成型的導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 余項發明專利申請。

4 展望

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

(1)納米材料與聚氨酯材料相結合。將納米材料應用到聚氨酯材料中，以有效解決MDI 類芳香族聚氨酯耐黃變性能差的問題。制備出力學性能良好、耐黃變的皮革產品，特別是皮革涂飾劑，滿足對汽車、飛機坐墊革等高檔用革的要求;同時可制備出高性能的合成革產品，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。只要掌握其成型技術，可大大降低產品成本，從而能夠推動CPVC 其廣泛應用。

(3)阻隔性納米復合材料。隨著納米技術的不斷發展，阻隔性納米復合材料逐漸成為阻隔高分子材料研究的熱點。應該加強相關技術的研發與創新，促使阻隔性高分子復合材料朝著高性能、多品種、綠色環保、物美價廉、使用方便的方向發展，使其具有更加廣闊的應用前景［8］。

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

［2］丁會利，袁金鳳，鐘國倫，等. 高分子材料及應用［M］. 北京:化學工業出版社，2012.

［3］梁曉梅. 國內外高性能高分子復合材料發展與應用［J］. 哈爾濱職業技術學院學報，2014(1).

［4］李順林，王興業. 復合材料結構設計基礎［M］.武漢理工大學出版社，1993.

［5］劉科科，汪濤，蔚永強，等. 高分子復合材料用導熱填料研究進展［J］. 塑料工業，2013(4).

［6］楊振，陳佑寧. 五種新型高分子液晶研究進展及應用前景［J］. 應用化工，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. 阻隔性高分子復合材料研究與應用進展［J］. 塑料科技，2013(7).