复合材料,复合材料与工程就业方向及前景

('复合材料1.前言复合材料是指由两种或两种以上不同性质的材料，通过不同的工艺方法人工合成的，各组分间有明显界面且性能优于各组成材料的多相材料。它是二十世纪最重要的人工材料之一，成为继金属、陶瓷、高分子材料之后的第四类材料。从“二战”玻璃纤维增强复合材料应用开始，到目前以碳纤维增强复合材料为代表的各种先进复合材料，由于其优越性能和可设计性等突出优点，备受关注。复合材料的发展大都以国防、航空航天需求为牵引，通过材料研发与应用水平的提高，不断的更新换代，现已被推广到航空航天、船舰、交通、能源、建筑、桥梁以及休闲等领域。2.复合材料的发展历史复合材料具有很长的历史，人类在远古时代就从实践中认识到，可以根据用途需要，组合两种或多种材料，利用性能优势互补，制成原始的复合材料。所以，复合材料既是一种新型材料，也是一种古老的材料。复合材料的发展历史可以从用途、构成、功能，以及设计思想和发展研究等，大体上分为古代复合材料和现代复合材料两个阶段。从使用方面讲，复合材料可以分为三个时期：远古时代，古代，近代。复合材料因为时代的不同而不断发展，每个时期都有具一定代表的材料，在远古时期主要是人们用稻草掺入黏土做土坯，在古代时期人们用钢铁层压法制成刀剑等，在近代，发展较快是以1942年制出的玻璃纤维强化塑料为起点。随后为了提高纤维的弹性率，开发了硼纤维、碳纤维、耐热氧化铝纤维等。另一方面，为改善树脂的耐热性，对金属基复合材料也开展了研究。FRM的耐热温度已达450℃，强度在1500MPa以上。同时，对陶瓷等无机材料作为复合材料的基体也有了新的认识，在研究开发基础上有了广泛的应用。3复合材料简介3.1复合材料的组成复合材料主要是由两部分构成，一部分为基体，另一部分第二相（也被称为增强体）。基体是复合材料的主要骨架，起主要作用，增强体材料在复合材料中起粘连作用。作为复合材料的骨架，基体有很多种材料可以选择，当代的复合材料的基体材料主要有以下五种：树脂基(又称聚合物基，如塑料基、橡胶基等)金属基，陶瓷基，水泥基，碳/碳基。增强体主要有以下五种方式：纤维增强(长纤维或连续纤维、短纤维或晶须)，颗粒增强(纯颗粒增强复合材料和弥散增强)，叠层增强，骨架增强，涂层增强。不同的基体和增强体材料的组合得到的性能各有其优越性。复合材料按照其性能不同可以将它分为两类：一类是结构复合材料主要是指树脂基、金属基、陶瓷基、水泥基和碳/碳基复合材料等都属于结构复合材料。另一类是功能复合材料，功能复合材料具有独特的物理性质，功能繁多。3.2复合材料的制备方法复合材料的制备方法有很多种，传统的制备工艺分为以下部分：粉体制备，成形，烧成。在粉体的制备中我们有两种方式：化学制粉和物理制粉（机械制粉）。化学制粉得到的粉体粒径可以达到10nm以下，而物理制粉不能达到，但由于其制备相对严格且没有物理制粉容易生产，因此物理制粉相对要简单，适合生产。在化学制粉中也有很多的方法归纳如下：固相法、液相法和气相法。成形是获得高性能材料的关键。在制备复合材料中，这一步是比较的关键，在成型过程中，缺陷对复合材料有很大的影响。坯体在成型中形成的缺陷会在烧成后极显著地表现出来。坯体的收缩性也对材料有很大的影响，一般坯体的成型密度越高则烧成中的收缩越小，制品的尺寸精度越容易控制。成型的种类有很多种，如下所列：干压成型，等静压成型，热压铸成型，挤压成型，轧膜成型，注浆成型，流延法成型，注射成型，压力渗滤工艺，离心成型，凝胶铸模成型，直接凝固成型。复合材料的烧结也是个比较复杂的过程，烧结时有以下三个阶段：第一阶段，从室温至最高烧成温度的升温阶段：发生有机物和水的挥发、结晶水的排除、相变等过程，升温速度不能太快。第二阶段，在最高温度的保温阶段：即烧结温度，该温度的确定很重要，不同的粉料有不同的烧成温度范围。宽的可至40～100℃，窄的只有10～20℃左右。第三阶段，从最高温降至室温的冷却阶段对结晶力强的相变材料常快冷处理，如制备PSZ陶瓷时，常快冷至1100℃以下后随炉冷却。影响烧结的因素很多，比如坯体的初始密度，烧结气氛等等，现代出现的活化烧结使烧结温度等条件相对容易些。近年来开发的等离子放电烧结即属于此类活化烧结。其工艺特点是将粉料装于石墨模具中，先施加脉冲电流使粉体颗粒间产生等离子体，发生放电反应活化颗粒表面，然后施加压力并通以直流电导电加热试件使之致密化。3.3复合材料的应用复合材料的应用时间很早，发展历程也很长。复合材料使用的历史可以追溯到古代。从古至今沿用的稻草增强粘土和已使用上百年的钢筋混凝土均由两种材料复合而成。20世纪40年代，因航空工业的需要，发展了玻璃纤维增强塑料（俗称玻璃钢），从此出现了复合材料这一名称。50年代以后，陆续发展了碳纤维、石墨纤维和硼纤维等高强度和高模量纤维。70年代出现了芳纶纤维和碳化硅纤维。这些高强度、高模量纤维能与合成树脂、碳、石墨、陶瓷、橡胶等非金属基体或铝、镁、钛等金属基体复合，构成各具特色的复合材料。复合材料是由两种或两种以上不同物质以不同方式组合而成的材料，它可以发挥各种材料的优点，克服单一材料的缺陷，扩大材料的应用范围。由于复合材料具有重量轻、强度高加工成型方便、弹性优良、耐化学腐蚀和耐候性好等特点，已逐步取代木材及金属合金，广泛应用于航空航天、汽车、电子电气、建筑、健身器材等领域，在近几年更是得到了飞速发展。随着科技的发展，树脂与玻璃纤维在技术上不断进步，生产厂家的制造能力普遍提高，使得玻纤增强复合材料的价格成本已被许多行业接受，但玻纤增强复合材料的强度尚不足以和金属匹敌。因此，碳纤维、硼纤维等增强复合材料相继问世，使高分子复合材料家族更加完备，已经成为众多产业的必备材料。目前全世界复合材料的年产量已达550多万吨，年产值达1300亿美元以上，若将欧、美的军事航空航天的高价值产品计入，其产值将更为惊人。从全球范围看，世界复合材料的生产主要集中在欧美和东亚地区。近几年欧美复合材料产需均持续增长，而亚洲的日本则因经济不景气，发展较为缓慢，但中国尤其是中国内地的市场发展迅速。据世界主要复合材料生产商PPG公司统计，2000年欧洲的复合材料全球占有率约为32%，年产量约200万吨。与此同时，美国复合材料在20世纪90年代年均增长率约为美国GDP增长率的2倍，达到4%~6%。2000年，美国复合材料的年产量达170万吨左右。特别是汽车用复合材料的迅速增加使得美国汽车在全球市场上重新崛起。亚洲近几年复合材料的发展情况与政治经济的整体变化密切相关，各国的占有率变化很大。总体而言，亚洲的复合材料仍将继续增长，2000年的总产量约为145万吨，预计2005年总产量将达180万吨。从应用上看，复合材料在美国和欧洲主要用于航空航天、汽车等行业。2000年美国汽车零件的复合材料用量达14.8万吨，欧洲汽车复合材料用量到2003年估计可达10.5万吨。而在日本，复合材料主要用于住宅建设，如卫浴设备等，此类产品在2000年的用量达7.5万吨，汽车等领域的用量仅为2.4万吨。不过从全球范围看，汽车工业是复合材料最大的用户，今后发展潜力仍十分巨大，目前还有许多新技术正在开发中。例如，为降低发动机噪声，增加轿车的舒适性，正着力开发两层冷轧板间粘附热塑性树脂的减振钢板；为满足发动机向高速、增压、高负荷方向发展的要求，发动机活塞、连杆、轴瓦已开始应用金属基复合材料。为满足汽车轻量化要求，必将会有越来越多的新型复合材料将被应用到汽车制造业中。与此同时，随着近年来人们对环保问题的日益重视，高分子复合材料取代木材方面的应用也得到了进一步推广。例如，用植物纤维与废塑料加工而成的复合材料，在北美已被大量用作托盘和包装箱，用以替代木制产品；而可降解复合材料也成为国内外开发研究的重点。另外，纳米技术逐渐引起人们的关注，纳米复合材料的研究开发也成为新的热点。以纳米改性塑料，可使塑料的聚集态及结晶形态发生改变，从而使之具有新的性能，在克服传统材料刚性与韧性难以相容的矛盾的同时，大大提高了材料的综合性能。4.复合材料的发展方向4.1国内复合材料发展方向对于我国而言，复合材料的用量和水平将是制约我国攻防对抗体系的综合能力的主导因素之一，鉴于国内目前的发展现状，以下几个内容是当前时期国内的复合材料的发展方向：(1)、高性能增强体的研发，特别是高性能碳纤维的研发非常重要，应进一步加强T300级碳纤维性能稳定性和工程化研究和开发；加强T800、T1000级等中高端国产碳纤维的预先研究，重要装备的发展应立足于国产碳纤维。(2)、从长远发展来看，应在国家层面上继续推动新装备、新工艺发展的重大研究计划，提高我国复合材料的制备能力。国外复合材料在F-22、F-35和B-2等装备上的成功应用，主要依赖于其先进的复合材料工艺和生产装备；虽然Boeing、AirBus都在中国建厂合作生产部件，但装备和工艺方面的核心技术仍受其控制，军用方面的技术更是进行了严格的技术封锁。(3)、进一步加强设计、分析、检测和评价技术研究，提高复合材料应用技术成熟度；准确把握我国复合材料技术现状和趋势，“用好”材料，而不简单是用“好材料”。设计理念上从全寿命周期考虑性能和成本问题，发挥一体化设计优势；不能把压力完全转加给材料，需要认清材料，敢用材料，善用材料。(4)、重视和加强新型复合材料与技术的研发进程，推动概念验证-技术突破-验证转化，与国外同步发展的有潜力的新兴技术不能输在起跑线上。进一步加大基础研究支持范围和力度，包括一些有潜力但暂时还不能产生明显军事效益的技术；建立“概念验证-技术突破-验证转化”的良好机制和加速发展策略!4.2国外复合材料发展方向国外的复合材料的发展相对迅速，具有较成熟的技术，国外主要会从以下方面去发展复合材料：(1)、采用高效的技术工艺，像树脂传递模（RTM)、拉挤、压缩成型和纤维缠绕等。(2)、采用新的,低成本原材料。像采用48-320k大丝束碳纤维（一般为3k或6k),和廉价沥青碳纤维等。(3)、研制发展先进新技米。像用催化CVD化学气相沉积∀制备碳Κ碳复合材料,试验结果可提高效率十五倍Ω。用电子束快速固化树脂基复合材料可提高效率一个数量级Ω用压力浸渍法制造金属基复合材料,其成本与常规沙型铸造,永久型铸造和压力铸造相近似等。(4)、采用先进计算机技术,改进设计。像对复合材料编织物用计算机模拟以选择最佳设计；把原来采用机械连接或粘接的几个零部件改进设计简化为一个整体部件等。5.结论复合材料是材料中一种当今发展较为迅速的材料。复合材料的复合方式具有很多类型，弥散增韧，纤维增韧，以及颗粒增韧。每种方式都有它们的优缺点。然而由于理论知识的不足，在很多方面还不能预测或者去强化复合材料，比如：断层，开裂，以及增强的体积分数的控制和敏感性的测定等等，这些缺点虽然可以通过很多的理论机制解释。但是，没有统一的认识点。因此也导致了复合材料在很多方面的应用。因此，复合材料有待于在很多方面的改进和发展，最重要的方面是将复合材料与计算机得应用相连接，使复合材料得到更广泛的应用。参考文献1.环氧树脂应用研究进展张燕（中北大学化工与环境学院化工系，山西太原030051）2.复合材料走向纳米化科技部门户网站www.most.gov.cn2009年07月09日来源：科技日报3.国外复合材料的现况与发展—第四十届国际尖端材料学会年会与展览赵稼祥。国防科工委军用新材料应用研究专业组。4.复合材料学报，北京航空航天大学中国复合材料学会。5.材料研究学报，主办:国家自然科学基金委员会中国材料研究学会承办：中国科学院金属研究所国家自然科学基金委员会工程与材料科学。',)