復(fù)合材料的最新研究進(jìn)展

1、復(fù)合材料的最新研究進(jìn)展1、引言人類社會正面臨著諸多的問題和需求，如礦物能源、資源的枯竭、環(huán)境問題、信息技術(shù)以及生活質(zhì)量等，這推動了復(fù)合材料的發(fā)展，也促進(jìn)了各種高新技術(shù)的發(fā)展。但目前人們已不僅僅局限于新材料的創(chuàng)造、發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用上，科學(xué)研究已進(jìn)入一個各種材料綜合使用的新階段，即向著按預(yù)定的性能或功能設(shè)計新材料的方向發(fā)展。并且，在復(fù)合材料性能取得飛速發(fā)展的同時，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬，性能持續(xù)優(yōu)化，加工工藝不斷改善，成本不斷降低。復(fù)合材料的獨(dú)特之處在于其可提供單一材料難以擁有的性能，其最大的優(yōu)勢是賦予材料可剪切性，從而優(yōu)化設(shè)計每個特定技術(shù)要求的產(chǎn)品， 最大限度地保證產(chǎn)品的可靠性、減輕重量和降低成本。近年以

2、來，復(fù)合材料在加工領(lǐng)域中取得了一系列重要的進(jìn)展，由于計算機(jī)輔助設(shè)計工具的介入和先進(jìn)加工技術(shù)的開發(fā)，使復(fù)合材料的市場競爭力有了很大的提高，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，除用于結(jié)構(gòu)復(fù)合材料外，還大量的進(jìn)入了功能材料市場。我們觀察到，復(fù)合材料的發(fā)展趨勢是：（ 1）進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)型先進(jìn)復(fù)合材料的性能；（ 2）深入了解和控制復(fù)合材料的界面問題；（ 3） 建立健全復(fù)合材料的復(fù)合材料力學(xué)；（ 4）復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計的智能化；（ 5） 加強(qiáng)功能復(fù)合材料的研究。近年來，復(fù)合材料在增強(qiáng)纖維、加工技術(shù)、智能材料和非破壞性檢測技術(shù)等方面研究較多，并且不斷有新的市場應(yīng)用，能夠代表復(fù)合材料的最新發(fā)展方向。2. 增強(qiáng)纖維環(huán)保化目前，增強(qiáng)

3、纖維的發(fā)展趨勢主要是強(qiáng)度、模量和斷裂伸長的提高。但隨著全球環(huán)保意識的風(fēng)行，復(fù)合材料產(chǎn)品也逐漸受到環(huán)保方面要求的壓力，尤其歐洲地區(qū)已有相關(guān)規(guī)定，熱固性復(fù)材產(chǎn)品由于無法回收再利用而不易銷往歐洲。在樹脂之外，復(fù)材產(chǎn)品中的增強(qiáng)纖維迄今絕大部分都是無法回收再利用的，包括玻璃纖維、碳纖維、芳綸等，全都是如此。最近有一種新型增強(qiáng)纖維玄武巖纖維(Basalt Filament) ，是由火山巖石所提煉而成的，堪稱100% 天然且環(huán)保，預(yù)期在不久的未來，將會取代相當(dāng)比例的各種纖維，而加入復(fù)合材料產(chǎn)品中。在我國，黃麻等天然纖維增強(qiáng)復(fù)合材料也正在研究之中，這類纖維不僅環(huán)保，而且可循環(huán)利用。3. 加工技術(shù)高效化降低加工

4、成本對復(fù)合材料的應(yīng)用起著十分重要的作用。當(dāng)前樹脂轉(zhuǎn)注成型(Resin Transfer Molding, RTM) 系列技術(shù)的盛行， 就是因為可以大幅降低模具與制作的成本。一般而言，復(fù)材產(chǎn)品的制造成本主要取決于模具技術(shù)與加工技術(shù)兩個主要項目，因此在發(fā)展平價復(fù)材產(chǎn)品的過程中，模具與制程是研發(fā)改進(jìn)的重點(diǎn)。在制造復(fù)材產(chǎn)品所使用的模具方面，須同時兼顧精確、耐用、 低成本、 加工容易等要求。Materia Inc.公司發(fā)展出一種新型高分子材料，可以快速成型成模具，在收縮率、硬度和耐熱各方面都有很適合的平衡性質(zhì)。同時也或視需要采用金屬粉作為補(bǔ)強(qiáng)，包括鋁、銅或鎢，以提高硬度與耐熱性。這種模具材料結(jié)合了熱塑性

5、樹脂的韌性與耐久性，熱固性樹脂的簡易成型（低粘度）與耐高溫性、以及氟系樹脂的化學(xué)安定性，所以特別適合作為模具材料。另外，針對大型零件一次成型，或是原型件制作，采用發(fā)泡材（Syntactic Foam）也可促成快速經(jīng)濟(jì)的制程，包括可調(diào)整的寬度，耐熱性，以及簡易加工性。此種發(fā)泡復(fù)材中經(jīng)由添加玻璃粉、塑膠、陶瓷或金屬涂布的球體，可達(dá)到各種不同的密度與耐溫性質(zhì)。在復(fù)材制程改良方面，針對復(fù)材制程中的加壓技術(shù)，Torr Technology lnc. ，約在 10 年前即發(fā)展出可重覆使用的抽真空加壓裝置，而最近在此方面又有新的發(fā)展。一種經(jīng)由抽氣可定型而密封于模具表面的加壓模袋，在平常呈現(xiàn)柔軟的皮袋狀，可平

6、順地伏貼在具有立體模線的模具上，但在抽氣之后，即成為堅硬的適形外壓模，可以順利地壓在模具外側(cè)，如此即經(jīng)濟(jì)有效地進(jìn)行復(fù)材加壓硬化，而達(dá)到降低復(fù)材制作成本的目標(biāo)。4. 功能性/智能復(fù)合材料多樣化當(dāng)前，采用較多的6 種生產(chǎn)功能性或智能復(fù)合材料的技術(shù)為：纖維及微粒的復(fù)合；變層功能膜的組合；多孔絮材料的組裝和梯度材料模型；納米材料組裝；分子（原子）團(tuán)簇材料智能化；功能超分子器件組裝3 。用這些技術(shù)開發(fā)的產(chǎn)品涉及眾多領(lǐng)域。隨著現(xiàn)代科技的進(jìn)步，人們對環(huán)境舒適性的要求也 日益提高，因而具有吸音減振功能的蜂巢芯材料三明治結(jié)構(gòu) 愈來愈受到重視。這種材料質(zhì)量輕且高強(qiáng)度高剛性，并能顯著降低辦公、居家環(huán)境以及各類交通載

7、具的噪音與振動。Pratt&Whitney Autoair Inc. 生產(chǎn)的引擎外罩結(jié)構(gòu)，采用鋁蜂巢制作，且在蜂巢夾芯面板上鉆孔，以發(fā)揮吸音的效果。一般而言，蜂巢面板上的鉆孔徑愈小，愈適合吸收高頻的聲波。此種利用蜂巢結(jié)構(gòu)配合面板鉆孔而達(dá)到吸音效果的技術(shù)，預(yù)計也可應(yīng)用在其他運(yùn)輸載具如船舶游艇的隔艙，或是飛機(jī)隔艙，以及建筑結(jié)構(gòu)體等。另一項吸音制振的新技術(shù)，是采用塑膠(如聚丙烯)蜂巢， 據(jù)聞已有用在游艇上作為隔間，以促進(jìn)減振隔音的效果。由于聚丙烯不易接著，通常在此塑膠蜂巢上附加一層聚酯薄紗，塑膠蜂巢材料除了吸音減振之外，還可提供許多特殊功能，包括隔熱、電磁遮蔽(Electromagn

8、etic Insulation, EMI) ，耐化學(xué)性、防水、空氣與流體之導(dǎo)引、可回收再制，以及可以加熱成型等。另外，使用蜂巢芯時將蜂巢切割為金字塔形也有助于增強(qiáng)吸音效果。同時，制作三明治結(jié)構(gòu)的芯材不只有蜂巢，另有發(fā)泡材，包括聚胺基甲酸酯(Polyurethane, PU),聚酰亞胺(Polyimide, PI) 等發(fā)泡材，以及巴沙木(Balsa)等，都可以提供不同品質(zhì)特性/ 價格的三明治結(jié)構(gòu)選材。功能性復(fù)合材料在其它領(lǐng)域也有新發(fā)明。美國某大學(xué)的研究人員開發(fā)成功一種能自修復(fù)的環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，這種材料包括兩種關(guān)鍵的額外組分：含 DCDP(聚合形成環(huán)氧樹脂的單體)的玻璃微球；促進(jìn)聚合的一種催化劑

9、。當(dāng)元件形成裂紋時，一些微球破裂并釋放出DCDP液體。隨著它在裂紋中流動，它與催化劑接觸，聚合成固態(tài)的樹脂。研究人員稱，這種材料在修復(fù)困難或不可能修復(fù)的應(yīng)用中（如在外太空或植入的醫(yī)療設(shè)備）具有潛在的用途，為更長使用壽命的元件開辟了廣闊的前景。另外，他們也開發(fā)出了適合航天員在空間站使用的復(fù)合材料新型土壤，這為在太空生產(chǎn)生命所需的有機(jī)食品提供了保障。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，瑞士科學(xué)家開發(fā)出一種可替代斷裂骨骼的人造骨復(fù)合材料，它能夠讓骨質(zhì)細(xì)胞迅速生長、自身卻隨著骨質(zhì)細(xì)胞的不斷成熟而“溶解”，并最終讓路給發(fā)育好的新骨骼。5. 檢測技術(shù)成型化復(fù)合材料的非破壞檢測技術(shù)，一直是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件發(fā)展的關(guān)鍵之一。近期美國La

10、ser Technology Inc.研發(fā)由一套激光檢測裝置，可快速有效地找出復(fù)材表面的缺陷如凹陷、脫層等。其操作過程是先用熱風(fēng)機(jī)吹過待測物的表面，使溫度升高，接著以激光攝影機(jī)掃描待測物表面，根據(jù)散熱速率（或溫度分布）的差異，而在螢?zāi)簧巷@示出缺陷所在位置。隨著復(fù)材技術(shù)的演進(jìn)，大型復(fù)材結(jié)構(gòu)的厚度正不斷增加，尤其是軍用結(jié)構(gòu)的厚度往往可以超過2.54 cm 以上。針對如此厚的零件，如何在制作中避免在內(nèi)部成氣泡等缺陷，同時又要加快制作速率，發(fā)揮經(jīng)濟(jì)效益，確實(shí)對工程人員的創(chuàng)新能力是一項極大的挑戰(zhàn)。6. 前景展望品種繁多的復(fù)合材料具有諸如輕質(zhì)、高強(qiáng)度、高剛度、高導(dǎo)熱、低膨脹系數(shù)、高阻尼、透光和耐腐蝕性強(qiáng)等

11、性能，使之得到了越來越廣的應(yīng)用?，F(xiàn)主要應(yīng)用于航空航天、交通運(yùn)輸、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)（建筑）、船舶、電子電氣、辦公設(shè)備以及消費(fèi)品等領(lǐng)域。到2003 年，復(fù)合材料的世界總產(chǎn)量約達(dá)到580 萬噸，產(chǎn)值將近1682 億美元。其中先進(jìn)復(fù)合材料僅占其總量的1%， 而價值比例卻占到7%，接近 118 億美元，經(jīng)濟(jì)效益十分誘人。并且目前的先進(jìn)材料市場，已經(jīng)從過去的性能導(dǎo)向也就是不計一切成本追求最高性能，改為對價格與平價的重視。我們可以看到，復(fù)合材料的應(yīng)用也不再限于航空航天領(lǐng)域，而已被拓展到了清潔能源車輛、土木建筑工程、近海油田勘探和生產(chǎn)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)大型葉片、高爾夫球桿和球拍等日常生活用品方面。今后，復(fù)合材料構(gòu)件若能一次成型和避免零件加工，裝配和維護(hù)可使最終系統(tǒng)的價格有望低于普通材料。影響復(fù)合材料使用和開發(fā)的因素還將包括集成化設(shè)計和制造、系統(tǒng)的成本分析方法、交叉學(xué)科研究和生產(chǎn)、教育和培訓(xùn)、標(biāo)準(zhǔn)的制定以及設(shè)計和制造自動化等。在未來的市場中，加值服務(wù)也必將占有極要的地位，也就是在材料與技術(shù)之外提供整套的服務(wù)，整個工具組出售（例如已經(jīng)完成加工成型的蜂巢材料工具組，客戶不需要再額外對蜂巢加工）、 后勤維修服務(wù)等。理想的狀態(tài)是， 我們所提供的服務(wù)或產(chǎn)品，能夠有效地為客戶提供加值、賺錢的機(jī)會。在材料選用方面，除了性能與價格之外，儲存條件、儲存成本、加工