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所謂復(fù)合材料是指由兩種或兩種以上的組分材料，運用一定的工藝技術(shù)制備組合而成的多相新材料體系，其綜合性能優(yōu)于各自組分材料。先進復(fù)合材料指用高性能增強體如碳纖維、芳綸等高性能耐熱高聚物構(gòu)成的復(fù)合材料，包括金屬基、陶瓷基和碳(石墨)基以及功能復(fù)合材料，復(fù)合材料的各個組成材料在性能上起協(xié)同作用，與傳統(tǒng)材料相比，具有比強度高、質(zhì)量輕、比模量高、抗疲勞性能好，及減振性能好等諸多優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于國防工業(yè)、航空航天、汽車制造等領(lǐng)域。

隨著高科技領(lǐng)域的發(fā)展，特別是隨著超高速導(dǎo)彈、大型運載火箭、太空艙、超音速戰(zhàn)機、新一代大飛機等先進航天航空裝備技術(shù)的發(fā)展，并伴隨著人們對節(jié)約資源、保護環(huán)境意識的提高，對先進復(fù)合材料的要求逐步提高，進而對先進復(fù)合材料的高溫熱工裝備的要求越來越高。正所謂“一代材料，一代裝備”，先進復(fù)合材料的發(fā)展歷程表明，一代新材料的出現(xiàn)支撐了一代新裝備的研發(fā)，一代新裝備研制牽引一代新材料的應(yīng)用。

耐高溫先進復(fù)合材料的制備工藝也不斷推陳出新，但是，無論哪種制備工藝，都要用到熱工設(shè)備。在碳纖維、碳/碳復(fù)合材料及大部分陶瓷基復(fù)合材料的制備過程中，均存在一個有機原材料無機化或陶瓷化的過程，而這個過程必須要特種熱工裝備來完成，以避免碳纖維、碳基體、有機原材料等非氧化物組分在高溫下氧化。而對于金屬基復(fù)合材料來說，在制備過程中也常常需要進行真空退火、淬火、滲碳等熱處理工藝，這些工藝過程也需要特種熱工裝備來完成。只不過是不同的工藝所用的熱工設(shè)備的結(jié)構(gòu)、原理、功能不同而已。像采用Sol-gel工藝制備SiO2f/SiO2復(fù)合材料及構(gòu)件時用于燒成的馬弗爐，結(jié)構(gòu)、原理、功能就相對簡單；而像采用CVI工藝制備Cf/SiC復(fù)合材料及構(gòu)件時用到的CVI爐，結(jié)構(gòu)、原理、功能就相對復(fù)雜得多。然而，無論這些熱工設(shè)備簡單與否，它們的性能水平往往決定著所制備材料及構(gòu)件的性能水平，正所謂“一代裝備、一代材料”。

為了支撐先進航天航空等領(lǐng)域裝備技術(shù)的發(fā)展，同時，為了有利于節(jié)約資源和環(huán)保，先進復(fù)合材料性能的不斷突破，相應(yīng)的制備工藝得到了持續(xù)的改進，由此也帶動了先進復(fù)合材料熱工裝備技術(shù)的進步，并朝著大型化、集成化、自動化、智能化和綠色化方向發(fā)展。

大型化

隨著航空航天工業(yè)的不斷發(fā)展以及對重量輕、可靠、舒適性等需求的不斷增加，期望能夠?qū)⒍鄠€部件合并成一個整體，減少構(gòu)件的數(shù)量，使得航空航天構(gòu)件的尺寸越來越大，熱工裝備的大型化越發(fā)必要，如某航天飛行器的某先進復(fù)合材料部件外觀尺寸大至3000*3000*4000mm，而相應(yīng)的熱工裝備的爐殼尺寸更是大至6000*6000*10000mm。

傳統(tǒng)的熱工裝備制造的構(gòu)件尺寸有限，且構(gòu)件依靠拼接，其穩(wěn)定性較差，也無法更好的批量化生產(chǎn)。熱工裝備大型化可以生產(chǎn)大型構(gòu)件，為滿足航空航天行業(yè)需求提供了可能性。同時熱工裝備大型化后一次生產(chǎn)可制造更多構(gòu)件，可提高生產(chǎn)效率，降低成本。

而在熱工裝備大型化研發(fā)過程中，通過模擬仿真優(yōu)化裝備溫度場及流場又是重要發(fā)展趨勢，也是調(diào)整優(yōu)化裝備相關(guān)部件的熱膨脹系數(shù)，解決熱膨脹絕對量的增加以及高溫下加熱原件膨脹失效問題的重要的技術(shù)手段。

集成化

熱工裝備發(fā)展的另一個趨勢是集成化，即相關(guān)材料不同工序的熱工裝備集成到一臺/套設(shè)備上。集成化可減少各工序的升溫、冷卻過程，降低能耗、提高生產(chǎn)效率，甚至實現(xiàn)由間歇式生產(chǎn)轉(zhuǎn)變成連續(xù)式生產(chǎn)，并提高產(chǎn)品性能。例如，碳纖維制備一般依次包括預(yù)氧化、低溫碳化、高溫碳化、石墨化等熱處理工序。傳統(tǒng)工藝，這幾個工序的熱工裝備是彼此獨立，因此整個工藝過程是間歇式的，顯然，每個工序都存在升溫與冷卻過程，而且還存在工序之間的轉(zhuǎn)運過程。如果將這幾個工序的熱工裝備有機的結(jié)合起來，集成為一臺/套熱工裝備，形成連續(xù)式生產(chǎn)裝備，不僅提高生產(chǎn)效率，顯然也大大節(jié)省了原來各工序熱工設(shè)備因升溫、降溫消耗及浪費的熱能。不僅如此，集成化連續(xù)式生產(chǎn)，還有效地消除了傳統(tǒng)工藝工序間轉(zhuǎn)運過程空氣對纖維質(zhì)量的不利影響，提高纖維的質(zhì)量。

另外，在熱工裝備集成化個過程中，同時應(yīng)當兼顧模塊化。要根據(jù)產(chǎn)品功能進行模塊劃分，每個模塊單獨設(shè)計，并提高模塊的通用性，但又要保證模塊之間的連接簡單、高效。由此降低產(chǎn)品設(shè)計周期，提高產(chǎn)品開發(fā)效率，同時提高設(shè)備使用過程中的檢修、維護效率，降低用戶的檢修、維護成本。

熱工裝備集成化發(fā)展的難點在于各個工序之間不互相影響。如上一道工序未反應(yīng)的原料或者未完全反應(yīng)的產(chǎn)物不能影響下一道工序的工藝，又或者該工序的產(chǎn)物也不能回流到上一道工序。同時，各道工序之間若為不同的氣氛保護，不同氣氛之間也不能產(chǎn)生混合以及其他影響。

自動化

熱工裝備采用自動化控制系統(tǒng)，在生產(chǎn)過程中，溫度、氣氛、壓力等參數(shù)都由設(shè)備自動控制，減少了人工的操作以及人為帶來的偏差或誤操作，提高了生產(chǎn)過程的精確性。此外，相比于傳統(tǒng)熱工裝備人工輸送物料，采用自動稱量物料、進料、出料以及各道工序之間物料的自動化輸送，減少人為因素對產(chǎn)品質(zhì)量的影響，提高質(zhì)量的穩(wěn)定性。同時，人工操作減少，有利于減少生產(chǎn)安全隱患。

另外，隨著新材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，各種新工藝的應(yīng)用，對于操作人員的要求越來越高。設(shè)備自動化程度提高，設(shè)備操作簡單化，可以降低生產(chǎn)過程中對人員的技術(shù)要求、管理要求以及培訓(xùn)周期，降低人工成本。

智能化

在自動化的基礎(chǔ)上，需要進一步朝著智能化方向發(fā)展。熱工裝備的智能化技術(shù)應(yīng)當包括：自我感知（先進傳感技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)）、智能分析與決策（云計算、智能控制）、自學(xué)習和自適應(yīng)（大數(shù)據(jù)預(yù)測、診斷和優(yōu)化）。

對于智能化熱工裝備，首先要具有自我感知功能，也就是通過先進的傳感技術(shù)，實時在線準確檢測裝備本身和先進復(fù)合材料制備工藝過程中各種有關(guān)參數(shù)，甚至還包括所制備的材料和構(gòu)件的相關(guān)性能，并將檢查感知到的數(shù)據(jù)傳輸至裝備的數(shù)據(jù)智能處理器或裝備生產(chǎn)廠商的數(shù)據(jù)處理中心。然后數(shù)據(jù)智能處理器或裝備生產(chǎn)廠商的數(shù)據(jù)處理中心對這些數(shù)據(jù)通過云計算，進行分析，并根據(jù)相關(guān)分析結(jié)果，自動給裝備相關(guān)機構(gòu)下達調(diào)節(jié)指令，相關(guān)機構(gòu)根據(jù)指令實現(xiàn)參數(shù)調(diào)節(jié)。最后，智能裝備要具有自我學(xué)習和自適應(yīng)能力，即智能熱工裝備能根據(jù)所要處理的材料或構(gòu)件的初始和最終性能參數(shù)等，能基于大數(shù)據(jù)預(yù)測、診斷和優(yōu)化，自動給出合理的設(shè)備和工藝參數(shù)，進行材料和構(gòu)件的熱處理。

另外，熱工裝備的智能化，應(yīng)當還要包含裝備的信息化。即要將設(shè)備信息的數(shù)字化，甚至可視化，并將設(shè)備連接網(wǎng)絡(luò)，建立物聯(lián)網(wǎng)，采集到的數(shù)據(jù)存放到設(shè)備數(shù)據(jù)中心，以提高智能熱工裝備的智能分析與決策及自學(xué)習和自適應(yīng)能力和水平。

綠色化

熱工裝備的全面發(fā)展不僅要關(guān)注裝備性能和有助于材料及其構(gòu)件性能和生產(chǎn)效益的提高，在當前國家大力倡導(dǎo)工業(yè)制造綠色化的發(fā)展趨勢下，還要最大限度的踐行“高效、低能耗、低排放、零排放”綠色化產(chǎn)品制造理念，努力優(yōu)化和完善裝備設(shè)計與制造工藝，在滿足材料及構(gòu)件制備工藝要求的同時，要盡量提高能源利用效率、減少材料制備過程產(chǎn)生的廢尾氣等對人體和環(huán)境的傷害和污染。

例如，湖南頂立科技股份有限公司在設(shè)計制造某熱工裝備過程中，在設(shè)計制造熱工裝備過程中，通過采用計算機輔助設(shè)計與模擬等手段對爐體構(gòu)造、加熱元件形狀及分布等進行優(yōu)化設(shè)計，提高了設(shè)備節(jié)能性及均溫性；同時通過傳熱學(xué)計算設(shè)計，采用新型隔熱爐襯結(jié)構(gòu)，減少爐襯的散熱和蓄熱量，提高爐溫均勻性，且使裝備爐殼外壁表面溫度降低了20℃。另外，通過采用紅外輻射涂料涂層等新型節(jié)能材料，并同時采用輕質(zhì)磚、耐火纖維、復(fù)合爐襯，降低爐殼外壁熱輻射，減少熱損失，縮短升溫時間。爐襯材料采用輕質(zhì)耐火保溫陶瓷纖維板，與傳統(tǒng)全磚結(jié)構(gòu)爐襯相比，散熱損失和蓄熱損失大為減少。纖維制品質(zhì)量輕、比熱容小，可使保溫層厚度減少 1/3左右，故總重量減輕30%左右。此外，該裝備爐襯采用全纖維整體結(jié)構(gòu)，物料在熱處理過程中不會出現(xiàn)爐溫波動現(xiàn)象，比傳統(tǒng)爐型結(jié)構(gòu)節(jié)能30%左右，優(yōu)化了尾氣處理技術(shù)，提高了熱效率，減少了廢氣排放。最后根據(jù)工序中產(chǎn)生的尾氣成分，設(shè)計了相應(yīng)的尾氣處理裝置，依次對其中含有的有害物質(zhì)進行處理，實現(xiàn)了尾氣的無害排放。

“工欲善其事，必先利其器”，裝備制造技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)成為我國新材料產(chǎn)業(yè)提升與轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵因素。加快先進復(fù)合材料相關(guān)熱工裝備制造技術(shù)的發(fā)展，對推動復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)技術(shù)進步，實現(xiàn)“中國制造”向“中國創(chuàng)造”的轉(zhuǎn)變具有重大的意義。

（文章節(jié)選自《先進復(fù)合材料高溫熱工裝備》）