先進纖維增強復合材料作為一個重要的材料品種,在推進工業(yè)技術進步,提高人類生存質量等方面正發(fā)揮著越來越重要的作用,當前和未來它都將是國防工業(yè)和民用工業(yè)產業(yè)結構調整強有力的材料支撐。
復合材料的獨特之處在可提供單一材料難以擁有的性能,其最大優(yōu)勢是賦予材料可剪裁性,從而優(yōu)化設計每個特定技術要求的產品,根據具體情況最大限度保證產品的可靠性,減輕重量和降低成本。
二十世紀下半葉以來在復合材料應用領域取得的眾多成就,就是人類在最佳選配材料使用方面實現的一次飛躍。近幾年來復合材料在加工領域取得了一系列重要進展,尤其值得一提的是,CAD等(計算機輔助設計工具)的介入和先進加工技術的開發(fā),使得復合材料的競爭力不斷增加,應用領域不斷擴大,除用于結構材料外,還出現在功能材料領域,使復合材料變得更加引人注目。
全球復合材料工業(yè)不斷發(fā)展,到1997年世界總產量約達500萬噸,價值接近1450億美元。其中先進復合材料僅占其總量的1%,價值比例卻占到7%左右,可謂是該領域的一匹黑馬,而連續(xù)纖維增強材料又在其中占有相當大的比例,尤其是在需要較高力學性能的應用領域占絕對優(yōu)勢。
現代結構復合材料中纖維是承擔負荷的主體,它的性能對獲得優(yōu)異性能結構材料至關重要。先進纖維增強材料包括有機高分子纖維、碳纖維、無機陶瓷纖維,其2000年的產量約為3.5萬噸,僅占世界增強纖維材料總產量的1.9%。但由于它對于國家支柱產業(yè)、軍事工業(yè)升級乃至國民經濟整體水平的提高正產生著日益深遠的影響,因而受到了人們越來越多的關注。
先進有機高分子纖維屬一維鏈狀結構纖維,呈高度各向異性特征,主要包括超高相對分子質量聚乙烯纖維、芳香族纖維、芳香族聚酯纖維、芳雜環(huán)高聚物纖維等。它的主要局限性是溫度限制和壓縮、軸外性能不好。而碳纖維的壓縮性能優(yōu)于鏈狀一維結構纖維,是高性能復合材料應用最廣泛的增強纖維。它是高惰性材料,具有良好的耐化學腐蝕、耐潮濕和耐海水侵蝕性能及生物惰性,有良好的熱、電傳導性,其纖度很細,可用各種方法將其制成復合材料。但它是脆性材料,耐磨損性和壓縮性能欠佳。無機陶瓷纖維為三維網狀或粒狀結構,屬各向同性材料,橫向性能甚至優(yōu)于縱向性能,主要包括硼纖維、SiC纖維和Al2O3纖維。近年來,復合材料在交通運輸工具及相關裝置、工業(yè)裝置、醫(yī)用材料、科學研究用特種裝置、建筑領域、航空航天設備和儀器、飛行器和體育運動、休閑娛樂用品等方面都有出色表現。先進纖維增強復合材料更是在有效
利用無污染、可再生能源,節(jié)能降耗和污染治理以及在延長民用基礎設施使用壽命方面大有作為;在研制非侵害性診斷和提高診斷準確率的醫(yī)療儀器和高質量植入材料,制造提高競技體育運動成績和高質量休閑運動器材等方面正在發(fā)揮越來越重要的作用;在航天、航空等高科技領域,以及在探索自然界奧秘方面也扮演著難以替代的關鍵角色,是近些年來發(fā)達國家學術界、產業(yè)界極其活躍的研發(fā)熱點。
另一方面,我們應該認識到作為復合材料承重的主體和最重要基礎原料的纖維,我國和國際先進水平存在著巨大差距,已成為我國復合材料整體研究和制造水平提高的瓶頸。今后應該在以下幾方面加大研發(fā)力度:加強對獲得均勻、連續(xù)纖維形態(tài)材料各種新穎紡絲方法的研究;注重改善連續(xù)纖維力學性能均勻性,將現代質量控制的理念和方法引入纖維制造的研發(fā)過程中;加強對使用各種有機高分子先驅物纖維制備碳、SiC、Al2O3等多種小直徑纖維技術的研究;重視對增強纖維的力學性能,尤其是橫向力學性能,以及蠕變、疲勞行為和高溫下相關性能的測定方法和數據分析技術的研究。此外,及時掌握連續(xù)纖維材料的應用最新動態(tài),對降低我國科研投入風險,促進相關產業(yè)技術進步具有重要意義。
復合材料的獨特之處在可提供單一材料難以擁有的性能,其最大優(yōu)勢是賦予材料可剪裁性,從而優(yōu)化設計每個特定技術要求的產品,根據具體情況最大限度保證產品的可靠性,減輕重量和降低成本。
二十世紀下半葉以來在復合材料應用領域取得的眾多成就,就是人類在最佳選配材料使用方面實現的一次飛躍。近幾年來復合材料在加工領域取得了一系列重要進展,尤其值得一提的是,CAD等(計算機輔助設計工具)的介入和先進加工技術的開發(fā),使得復合材料的競爭力不斷增加,應用領域不斷擴大,除用于結構材料外,還出現在功能材料領域,使復合材料變得更加引人注目。
全球復合材料工業(yè)不斷發(fā)展,到1997年世界總產量約達500萬噸,價值接近1450億美元。其中先進復合材料僅占其總量的1%,價值比例卻占到7%左右,可謂是該領域的一匹黑馬,而連續(xù)纖維增強材料又在其中占有相當大的比例,尤其是在需要較高力學性能的應用領域占絕對優(yōu)勢。
現代結構復合材料中纖維是承擔負荷的主體,它的性能對獲得優(yōu)異性能結構材料至關重要。先進纖維增強材料包括有機高分子纖維、碳纖維、無機陶瓷纖維,其2000年的產量約為3.5萬噸,僅占世界增強纖維材料總產量的1.9%。但由于它對于國家支柱產業(yè)、軍事工業(yè)升級乃至國民經濟整體水平的提高正產生著日益深遠的影響,因而受到了人們越來越多的關注。
先進有機高分子纖維屬一維鏈狀結構纖維,呈高度各向異性特征,主要包括超高相對分子質量聚乙烯纖維、芳香族纖維、芳香族聚酯纖維、芳雜環(huán)高聚物纖維等。它的主要局限性是溫度限制和壓縮、軸外性能不好。而碳纖維的壓縮性能優(yōu)于鏈狀一維結構纖維,是高性能復合材料應用最廣泛的增強纖維。它是高惰性材料,具有良好的耐化學腐蝕、耐潮濕和耐海水侵蝕性能及生物惰性,有良好的熱、電傳導性,其纖度很細,可用各種方法將其制成復合材料。但它是脆性材料,耐磨損性和壓縮性能欠佳。無機陶瓷纖維為三維網狀或粒狀結構,屬各向同性材料,橫向性能甚至優(yōu)于縱向性能,主要包括硼纖維、SiC纖維和Al2O3纖維。近年來,復合材料在交通運輸工具及相關裝置、工業(yè)裝置、醫(yī)用材料、科學研究用特種裝置、建筑領域、航空航天設備和儀器、飛行器和體育運動、休閑娛樂用品等方面都有出色表現。先進纖維增強復合材料更是在有效
利用無污染、可再生能源,節(jié)能降耗和污染治理以及在延長民用基礎設施使用壽命方面大有作為;在研制非侵害性診斷和提高診斷準確率的醫(yī)療儀器和高質量植入材料,制造提高競技體育運動成績和高質量休閑運動器材等方面正在發(fā)揮越來越重要的作用;在航天、航空等高科技領域,以及在探索自然界奧秘方面也扮演著難以替代的關鍵角色,是近些年來發(fā)達國家學術界、產業(yè)界極其活躍的研發(fā)熱點。
另一方面,我們應該認識到作為復合材料承重的主體和最重要基礎原料的纖維,我國和國際先進水平存在著巨大差距,已成為我國復合材料整體研究和制造水平提高的瓶頸。今后應該在以下幾方面加大研發(fā)力度:加強對獲得均勻、連續(xù)纖維形態(tài)材料各種新穎紡絲方法的研究;注重改善連續(xù)纖維力學性能均勻性,將現代質量控制的理念和方法引入纖維制造的研發(fā)過程中;加強對使用各種有機高分子先驅物纖維制備碳、SiC、Al2O3等多種小直徑纖維技術的研究;重視對增強纖維的力學性能,尤其是橫向力學性能,以及蠕變、疲勞行為和高溫下相關性能的測定方法和數據分析技術的研究。此外,及時掌握連續(xù)纖維材料的應用最新動態(tài),對降低我國科研投入風險,促進相關產業(yè)技術進步具有重要意義。