复合材料发展状况

复合材料状况

0．前言

《国家“十二五”科学和技术发展规划》发展目标：到2020年，我国科学技术发展的总体目标是：自主创新能力显著增强，科技促进经济社会发展和保障国家安全能力增强，取得一批在世界具有重大影响的科学技术成果，进入创新型国家行列。尤其在信息、生物、材料和航天等前言领域达到世界先进水平。其中复合材料作为新材料中不可分割的重要部分，明确指出对新材料的结构与复合华作为复合材料研究的一重点领域。

1．复合材料概述

复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的的物质组成的一种多相固体材料。在复合材料中，连续相成为基体，分散相成为增强体。材料主要分为金属材料、无机非金属材料和高分子材料，金属材料本身密度大、化学性差；无机非金属材料脆性大；高分子材料易老化不耐高温。随着现代技术的发展，尤其是我国航空航天事业的快速发展，对材料提出了“三高一低”（即高强度、高模量、高耐温和低密度）的要求。单一材料所表现出的性能满足不了苛刻条件下材料性能的要求，因此，将三种材料复合并合理设计后通过“扬长避短”使得高性能复合材料得以快速发展。

2．复合材料得分类

复合材料按照基体材料种类分为树脂基、金属基和陶瓷基；按照增强形态分为纤维增强、颗粒增强和叠层（层状）增强。按照增强形态所致的复合材料具有比强度高、比模量高、抗疲劳性好、耐高温、和断裂安全系数高等特性。

2．1树脂基复合材料发展

树脂基复合材料具有比强度、比模量高、可设计性强的特点，60年代问世至今，在全球范围内已经成为一重要的技术产业，并且广泛应用于武器装备，对武器装备的轻量化、微型化和高性能化起到了至关重要的作用；由于树脂基复合材料较低的密度，应用于航空飞机，可降低飞机自重的25%-30%。

2.1.1国外现状

据有关部门统计，全世界树脂基复合材料制品共有40000多种，截止2007年，全球纤维增强复合材料产量达750多万吨，从业人员约45万人，年产值约415亿欧元[1]。发达国家如美国、德国和日本早在20世纪90年代初就开始从热固性树脂向高性能热塑性树脂研究。热塑性树脂基复合材料可以明显节约加工时间和工序。树脂基复合材料作为优异的性能主要应用于汽车、建筑、航空和体育用品中。

2.1.2国内现状

我国树脂基复合材料发展约50年左右，近年来，受世界复合材料大环境的影响，我国树脂基复合材料发展迅速，“十二五”国家发展纲要明确指出了新材料的发展应用，玻璃钢即玻璃纤维增强树脂在我国发展迅速，全球玻璃纤维2014年总产值为7898.5百万美元，预期在2019年达11046.5百万美元，年增长率6.9%，目前，亚洲市场容量最大。2014年全球玻璃纤维复合材料行业总产值为4898百万美元，预期2019年达7044.3百万美元，年增长率7.1%。2013年中国产量达410万吨，中国玻纤复合材料增长迅速，自1978（3.5万吨）年到2013（410万吨）年，中国总产量增长了683倍。

2.1.3树脂基复合材料制造技术

依据不同类型及结构设计的复合材料，对模具及制造工艺要求较高，通过不同的成型工艺满足不同场合的需求。目前航空航天领域树脂基复合材料主要的成型工艺包括：热压罐成型工艺、RTM成型技术、缠绕成型技术、拉挤成型技术、热压成型技术、自动铺放技术等。目前，通过上述成型技术工艺，旨在发展树脂基复合材料高性能、轻量化的研究，同时重视生产工艺和综合配套设施的改进，降低成本，使得树脂基复合材料性价比更高。

2.2金属基复合材料发展

金属基复合材料发展至今，科技工作者主要在增强相和制备工艺做了大量研究，其增强相主要分为单丝、长纤维晶须、短纤维和颗粒等；制备工艺主要分为：扩散结合、粉末冶金、雾化和业态金属等方面。在过去二十几年中，金属基复合材料逐渐从军事国防向民用领域渗透，

2.2.1国外现状

目前，其应用已经在陆上运输（汽车和火车）、热管道、民航、工业和体育领域已经商业化，形成年产5000t年产值近20亿美元的工业部门。2008年全世界金属基复合材料市场总量达4400t，2013年以前全球MMCs（金属基复合材料）每年保持约5.9%的年增长率。其中陆上运输和高附加值散热组件各站60%和30%，

2.2.2国内现状

从MMCs的生产效率，应用范围和规模与国外相比，已经成为衡量一个国家材料科技

水平的水准线，以用量计算，美国、欧洲和日本是MMCs的消费大国，超过总量的65%以上，而我国目前尚没有形成MMCs产业及产业标准或军工标准。目前，仅有少量航空航天单位、科研单位形成了小批量生产的配套能力，品种较为单一，但仍然是我国国防和军工建设的有力支撑。近年来，国内MMCs市场发展潜力随着技术和市场缺钱发展巨大，西方MMCs公司在中国建厂并生产，然而关于技术仍然没有得到解密。为了在航空航天，武器装备的迫切需求，我国亟需研制出一批高质量MMCs生产技术和配套设施。

2.2.3MMCs制造技术

MMCs制造工艺和方法主要为搅拌铸造法、粉末冶金法、原位生成法、挤压铸造法和喷射成形法。搅拌铸造工艺简单、操作方便、可生产大体积复合材料；粉末冶金可以制备出增强相高体积分数的复合材料，但工艺设备复杂，成本较高；原位生成主要是通过形核长大成稳定相形成，增强表面无污染，增强强度高；挤压铸造是制造金属基复合材料较为理想的途径，将预增强体在模具中加热迅速冷却制得；喷射成形主要是得到细小、致密、组织均匀体，生产工艺简单，生产成本低。

2.2.4MMCs发展方向

金属基复合材料由于其制备方法一般在较高的温度范围内制备新材料，为了满足科技发展的需要和市场需求，MMCs复合材料主要的发展方向为：简化制备工艺，降低成本；进一步探究金属基增强相强化机理，微观结构变化对机制的作用；润湿问题是金属基复合材料的难题，解决MMCs润湿问题成为关键；强调基体材料与增强材料的选择问题。

2.3陶瓷基复合材料（CMC）发展

陶瓷基复合材料（CMC）一般是指相变增韧、颗粒增韧和纤维、晶须增韧陶瓷的材料。主要针对耐高温复合材料研究应用，主要还是航空航天的应用，为了提高航空发动机的推重比和降低燃料消耗，50-60年代，发动机热端部件主要材料为铸造高温合金，其使用温度为800℃-900℃，70年代中期，定向凝固超合金开始推广，其使用温度提高接近1000℃，进入80年代后，开发出了高温单晶合金、弥散强化超合金以及金属间化合物等，并且热障涂层技术得到了应用，是热端部件的使用温度提高到1200℃-1300℃，接近合金熔点的80%，再进一步提高其使用温度收到限制，陶瓷基复合材料是21世纪可替代金属及其合金热端部件的首选材料。近20年，世界各国对高温结构用陶瓷基复合材料进行了研究和开发，并投入了大量的人力物力，美国NASA制定的耐高温材料计划、宇航计划以及日本的日月光计划都把陶瓷基复合材料作为研究的主要对象，其研究目标是将发动机热端部件材料的耐温达1650℃，从而达到节能、减重、提高推进比和延长寿命的目的，满足军事和民用热机的需要。

2.3.1陶瓷基复合材料（CMC）制备方法

陶瓷基复合材料通过对陶瓷增韧，纤维增韧引入主要是使得陶瓷材料的断裂行为发生根本性变化，由原来脆性断裂变成了非脆性断裂；晶须是具有一定长径比且缺陷较少的陶瓷小单晶，有很高的强度，是一种理想的陶瓷基增韧增强体，晶须引入使得材料由沿晶断裂转变为穿晶断裂的混合模式；相变增韧是目前极具发展前途和潜力的结构性陶瓷，主要利用ZrO2的相变特性提高陶瓷的断裂韧性和抗弯强度，通过应力诱导、微裂纹和压缩表面韧化处理；颗粒增韧是使颗粒充分分散在陶瓷基体中，烧结致密化，对陶瓷基的高温强度和高温蠕变有较大改善，颗粒的分布减小了裂纹扩散的驱动力，可提高陶瓷基复合材料的断裂韧性。

2.3.2陶瓷基复合材料（CMC）未来发展

陶瓷虽然作为发动机热端材料具有独特的优越性，但是其脆性大限制了其广泛的应用，为了克服陶瓷材料存在的可靠性差、敏感和韧性差的缺点，主要通过上述增强机制改变陶瓷本质的特性，为了使陶瓷基复合材料更快的发展，突破自身的缺陷，其未来发展趋势主要为：1.降低陶瓷基复合材料的制造成本，目前CMC成本较好，阻碍了其进一步发展，美国陶瓷界人士认为：通过凝胶铸成型与水基低压制造成型是目前较好的陶瓷成型工艺，且成本低；2.提高陶瓷基复合材料的可靠性和可重复制造性，降低因增强效应所带来得加工不稳定性；3.目前CMC设计准则主要参考金属材料设计手册，其本身尚没有形成完成的设计系统，随着科技手段的进步，在特殊领域和特殊构件下金属手册满足不了陶瓷材料的设计要求，因此需尽快完善陶瓷基材料的设计手册并制定新的加工设计准则，以便进一步推进陶瓷材料的进步。

3. 结论

为了满足苛刻条件下材料的使用，复合材料以其轻质、高强、结构可设计性、结构功能一体化等优异的综合性能在各个领域表现出突出的作用。尤其在航空航天、国防军工、能源交通、资源环境等国民经济中影响巨大。随着科学技术的不断进步，未来复合材料的发展将会在上述特性的基础上更经济化、功能性更专一化的领域发展迅速。国家推出“十三五”绿色环保节能后，复合材料的发展将会更加全面。专业化，系列化。

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