熱固性樹脂基等復(fù)合材料的發(fā)展和應(yīng)用

　　復(fù)合材料是指由兩種或兩種以上不同物質(zhì)以不同方式組合而成的材料，它可以發(fā)揮各種材料的優(yōu)點(diǎn)，克服單一材料的缺陷，擴(kuò)大材料的應(yīng)用范圍。由于復(fù)合材料具有重量輕、強(qiáng)度高、加工成型方便、彈性優(yōu)良、耐化學(xué)腐蝕和耐候性好等特點(diǎn)，已逐步取代木材及金屬合金，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、電子電氣、建筑、健身器材等領(lǐng)域，在近幾年更是得到了飛速發(fā)展。

　　隨著科技的發(fā)展，樹脂與玻璃纖維在技術(shù)上不斷進(jìn)步，生產(chǎn)廠家的制造能力普遍提高，使得玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料的價(jià)格成本已被許多行業(yè)接受，但玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料的強(qiáng)度尚不足以和金屬匹敵。因此，碳纖維、硼纖維等增強(qiáng)復(fù)合材料相繼問(wèn)世，使高分子復(fù)合材料家族更加完備，已經(jīng)成為眾多產(chǎn)業(yè)的必備材料。目前全世界復(fù)合材料的年產(chǎn)量已達(dá)550多萬(wàn)噸，年產(chǎn)值達(dá)1300億美元以上，若將歐、美的軍事航空航天的高價(jià)值產(chǎn)品計(jì)入，其產(chǎn)值將更為驚人。從全球范圍看，世界復(fù)合材料的生產(chǎn)主要集中在歐美和東亞地區(qū)。近幾年歐美復(fù)合材料產(chǎn)需均持續(xù)增長(zhǎng)，而亞洲的日本則因經(jīng)濟(jì)不景氣，發(fā)展較為緩慢，但中國(guó)尤其是中國(guó)內(nèi)地的市場(chǎng)發(fā)展迅速。據(jù)世界主要復(fù)合材料生產(chǎn)商PPG公司統(tǒng)計(jì)，2000年歐洲的復(fù)合材料全球占有率約為32%，年產(chǎn)量約200萬(wàn)噸。與此同時(shí)，美國(guó)復(fù)合材料在20世紀(jì)90年代年均增長(zhǎng)率約為美國(guó)GDP增長(zhǎng)率的2倍，達(dá)到4%~6%。2000年，美國(guó)復(fù)合材料的年產(chǎn)量達(dá)170萬(wàn)噸左右。特別是汽車用復(fù)合材料的迅速增加使得美國(guó)汽車在全球市場(chǎng)上重新崛起。亞洲近幾年復(fù)合材料的發(fā)展情況與政治經(jīng)濟(jì)的整體變化密切相關(guān)，各國(guó)的占有率變化很大?？傮w而言，亞洲的復(fù)合材料仍將繼續(xù)增長(zhǎng)，2000年的總產(chǎn)量約為145萬(wàn)噸，預(yù)計(jì)2005年總產(chǎn)量將達(dá)180萬(wàn)噸。

　　從應(yīng)用上看，復(fù)合材料在美國(guó)和歐洲主要用于航空航天、汽車等行業(yè)。2000年美國(guó)汽車零件的復(fù)合材料用量達(dá)14.8萬(wàn)噸，歐洲汽車復(fù)合材料用量到2003年估計(jì)可達(dá)10.5萬(wàn)噸。而在日本，復(fù)合材料主要用于住宅建設(shè)，如衛(wèi)浴設(shè)備等，此類產(chǎn)品在2000年的用量達(dá)7.5萬(wàn)噸，汽車等領(lǐng)域的用量?jī)H為2.4萬(wàn)噸。不過(guò)從全球范圍看，汽車工業(yè)是復(fù)合材料最大的用戶，今后發(fā)展?jié)摿θ允志薮?，目前還有許多新技術(shù)正在開(kāi)發(fā)中。例如，為降低發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲，增加轎車的舒適性，正著力開(kāi)發(fā)兩層冷軋板間粘附熱塑性樹脂的減振鋼板；為滿足發(fā)動(dòng)機(jī)向高速、增壓、高負(fù)荷方向發(fā)展的要求，發(fā)動(dòng)機(jī)活塞、連桿、軸瓦已開(kāi)始應(yīng)用金屬基復(fù)合材料。為滿足汽車輕量化要求，必將會(huì)有越來(lái)越多的新型復(fù)合材料將被應(yīng)用到汽車制造業(yè)中。與此同時(shí)，隨著近年來(lái)人們對(duì)環(huán)保問(wèn)題的日益重視，高分子復(fù)合材料取代木材方面的應(yīng)用也得到了進(jìn)一步推廣。例如，用植物纖維與廢塑料加工而成的復(fù)合材料，在北美已被大量用作托盤和包裝箱，用以替代木制產(chǎn)品；而可降解復(fù)合材料也成為國(guó)內(nèi)外開(kāi)發(fā)研究的重點(diǎn)。

　　另外，納米技術(shù)逐漸引起人們的關(guān)注，納米復(fù)合材料的研究開(kāi)發(fā)也成為新的熱點(diǎn)。以納米改性塑料，可使塑料的聚集態(tài)及結(jié)晶形態(tài)發(fā)生改變，從而使之具有新的性能，在克服傳統(tǒng)材料剛性與韌性難以相容的矛盾的同時(shí)，大大提高了材料的綜合性能。

　　樹脂基復(fù)合材料的增強(qiáng)材料

　　樹脂基復(fù)合材料采用的增強(qiáng)材料主要有玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維等。

　　1、玻璃纖維

　　目前用于高性能復(fù)合材料的玻璃纖維主要有高強(qiáng)度玻璃纖維、石英玻璃纖維和高硅氧玻璃纖維等。由于高強(qiáng)度玻璃纖維性價(jià)比較高，因此增長(zhǎng)率也比較快，年增長(zhǎng)率達(dá)到10%以上。高強(qiáng)度玻璃纖維復(fù)合材料不僅應(yīng)用在軍用方面，近年來(lái)民用產(chǎn)品也有廣泛應(yīng)用，如防彈頭盔、防彈服、直升飛機(jī)機(jī)翼、預(yù)警機(jī)雷達(dá)罩、各種高壓壓力容器、民用飛機(jī)直板、體育用品、各類耐高溫制品以及近期報(bào)道的性能優(yōu)異的輪胎簾子線等。石英玻璃纖維及高硅氧玻璃纖維屬于耐高溫的玻璃纖維，是比較理想的耐熱防火材料，用其增強(qiáng)酚醛樹脂可制成各種結(jié)構(gòu)的耐高溫、耐燒蝕的復(fù)合材料部件，大量應(yīng)用于火箭、導(dǎo)彈的防熱材料。迄今為止，我國(guó)已經(jīng)實(shí)用化的高性能樹脂基復(fù)合材料用的碳纖維、芳綸纖維、高強(qiáng)度玻璃纖維三大增強(qiáng)纖維中，只有高強(qiáng)度玻璃纖維已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，且擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，形成了小規(guī)模的產(chǎn)業(yè)，現(xiàn)階段年產(chǎn)可達(dá)500噸。

　　2、碳纖維

　　碳纖維具有強(qiáng)度高、模量高、耐高溫、導(dǎo)電等一系列性能，首先在航空航天領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，近年來(lái)在運(yùn)動(dòng)器具和體育用品方面也廣泛采用。據(jù)預(yù)測(cè)，土木建筑、交通運(yùn)輸、汽車、能源等領(lǐng)域?qū)?huì)大規(guī)模采用工業(yè)級(jí)碳纖維。1997~2000年間，宇航用碳纖維的年增長(zhǎng)率估計(jì)為31%，而工業(yè)用碳纖維的年增長(zhǎng)率估計(jì)會(huì)達(dá)到130%。我國(guó)的碳纖維總體水平還比較低，相當(dāng)于國(guó)外七十年代中、末期水平，與國(guó)外差距達(dá)20年左右。國(guó)產(chǎn)碳纖維的主要問(wèn)題是性能不太穩(wěn)定且離散系數(shù)大、無(wú)高性能碳纖維、品種單一、規(guī)格不全、連續(xù)長(zhǎng)度不夠、未經(jīng)表面處理、價(jià)格偏高等。

　　3、芳綸纖維

　　20世紀(jì)80年代以來(lái)，荷蘭、日本、前蘇聯(lián)也先后開(kāi)展了芳綸纖維的研制開(kāi)發(fā)工作。日本及俄羅斯的芳綸纖維已投入市場(chǎng)，年增長(zhǎng)速度也達(dá)到20%左右。芳綸纖維比強(qiáng)度、比模量較高，因此被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域的高性能復(fù)合材料零部件（如火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)艙、整流罩、方向舵等）、艦船（如航空母艦、核潛艇、游艇、救生艇等）、汽車（如輪胎簾子線、高壓軟管、摩擦材料、高壓氣瓶等）以及耐熱運(yùn)輸帶、體育運(yùn)動(dòng)器材等。

　　4、超高分子量聚乙烯纖維

　　超高分子量聚乙烯纖維的比強(qiáng)度在各種纖維中位居第一，尤其是它的抗化學(xué)試劑侵蝕性能和抗老化性能優(yōu)良。它還具有優(yōu)良的高頻聲納透過(guò)性和耐海水腐蝕性，許多國(guó)家已用它來(lái)制造艦艇的高頻聲納導(dǎo)流罩，大大提高了艦艇的探雷、掃雷能力。除在軍事領(lǐng)域，在汽車制造、船舶制造、醫(yī)療器械、體育運(yùn)動(dòng)器材等領(lǐng)域超高分子量聚乙烯纖維也有廣闊的應(yīng)用前景。該纖維一經(jīng)問(wèn)世就引起了世界發(fā)達(dá)國(guó)家的極大興趣和重視。