復(fù)合材料的發(fā)展和應(yīng)用

全球復(fù)合材料發(fā)展概況

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，而亞

洲的日本則因經(jīng)濟(jì)不景氣，發(fā)展較為緩慢，

但中國尤其是中國內(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200萬噸。與此同時(shí)，美國復(fù)合材

料在20世紀(jì)90年代年均增長率約為美國

GDP增長率的2倍，達(dá)到4%~6%。2000年，

美國復(fù)合材料的年產(chǎn)量達(dá)170萬噸左右。特

別是汽車用復(fù)合材料的迅速增加使得美國

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，2000年

的總產(chǎn)量約為145萬噸，預(yù)計(jì)2005年總產(chǎn)

量將達(dá)180萬噸。

從應(yīng)用上看，復(fù)合材料在美國和歐洲主要

用于航空航天、汽車等行業(yè)。2000年美國汽

車零件的復(fù)合材料用量達(dá)萬噸，歐洲汽車復(fù)

合材料用量到2003年估計(jì)可達(dá)萬噸。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)萬噸，

汽車等領(lǐng)域的用量僅為萬噸。不過從全球范

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)，隨著近年來人們對(duì)

環(huán)保問題的日益重視，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)合材料也成為國內(nèi)

外開發(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。

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，因此增長率也比較快，年增長率達(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

的年增長率估計(jì)為3K,而工業(yè)用碳纖維的

年增長率估計(jì)會(huì)達(dá)到130%。我國的碳纖維總

體水平還比較低，相當(dāng)于國外七十年代中、

末期水平，與國外差距達(dá)20年左右。國產(chǎn)

碳纖維的主要問題是性能不太穩(wěn)定且離散

系數(shù)大、無高性能碳纖維、品種單一、規(guī)格

不全、連續(xù)長度不夠、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，荷蘭、日本、前蘇聯(lián)

也先后開展了芳綸纖維的研制開發(fā)工作。日

本及俄羅斯的芳綸纖維已投入市場(chǎng)，年增長

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、艦船、汽車以及

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

頻聲納透過性和耐海水腐蝕性，許多國家已

用它來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)問世就引起了

世界發(fā)達(dá)國家的極大興趣和重視。

5、熱固性樹脂基復(fù)合材料

熱固性樹脂基復(fù)合材料是指以熱固性樹脂

如不飽和聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、

乙烯基酯樹脂等為基體，以玻璃纖維、碳纖

維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維等為

增強(qiáng)材料制成的復(fù)合材料。環(huán)氧樹脂的特點(diǎn)

是具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、電絕緣性、耐腐

蝕性、良好的粘接性能和較高的機(jī)械強(qiáng)度，

廣泛應(yīng)用于化工、輕工、機(jī)械、電子、水利、

交通、汽車、家電和宇航等各個(gè)領(lǐng)域。1993

年世界環(huán)氧樹脂生產(chǎn)能力為130萬噸，1996

年遞增到143萬噸，1997年為148萬噸，1999

年150萬噸，2003年達(dá)到180萬噸左右。我

國從1975年開始研究環(huán)氧樹脂，據(jù)不完全

統(tǒng)計(jì)，目前我國環(huán)氧樹脂生產(chǎn)企業(yè)約有170

多家，總生產(chǎn)能力為50多萬噸，設(shè)備利用

率為80%左右。酚醛樹脂具有耐熱性、耐磨

擦性、機(jī)械強(qiáng)度高、電絕緣性優(yōu)異、低發(fā)煙

性和耐酸性優(yōu)異等特點(diǎn)，因而在復(fù)合材料產(chǎn)

業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。1997年仝球

酚醛樹脂的產(chǎn)量為300萬噸，其中美國為164

萬噸。我國的產(chǎn)量為18萬噸，進(jìn)口4萬噸。

乙烯基酯樹脂是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的

一類新型熱固性樹脂，其特點(diǎn)是耐腐蝕性好,

耐溶劑性好，機(jī)械強(qiáng)度高，延伸率大，與金

屬、塑料、混凝土等材料的粘結(jié)性能好，耐

疲勞性能好，電性能佳，耐熱老化，固化收

縮率低，可常溫固化也可加熱固化。南京金

陵帝斯曼樹脂有限公司引進(jìn)荷蘭Atlac系列

強(qiáng)耐腐蝕性乙烯基酯樹脂，已廣泛用于貯罐、

容器、管道等，有的品種還能用于防水和熱

壓成型。南京聚隆復(fù)合材料有限公司、上海

新華樹脂廠、南通明佳聚合物有限公司等廠

家也生產(chǎn)乙烯基酯樹脂。

1971年以前我國的熱固性樹脂基復(fù)合材料

工業(yè)主要是軍工產(chǎn)品，70年代后開始轉(zhuǎn)向民

用。從1987年起，各地大量引進(jìn)國外先進(jìn)

技術(shù)如池窯拉絲、短切氈、表面氈生產(chǎn)線及

各種牌號(hào)的聚酯樹脂和環(huán)氧樹脂生產(chǎn)技術(shù)；

在成型工藝方面，引進(jìn)了纏繞管、罐生產(chǎn)線、

拉擠工藝生產(chǎn)線、SMC生產(chǎn)線、連續(xù)制板機(jī)

組、樹脂傳遞模塑(RTM)成型機(jī)、噴射成型

技術(shù)、樹脂注射成型技術(shù)及漁竿生產(chǎn)線等，

形成了從研究、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)及原材料配套的

完整的工業(yè)體系，截止2000年底，我國熱

固性樹脂基復(fù)合材料生產(chǎn)企業(yè)達(dá)3000多家,

已有51家通過IS09000質(zhì)量體系認(rèn)證，產(chǎn)

品品種3000多種，總產(chǎn)量達(dá)73萬噸/年,

居世界第二位。產(chǎn)品主要用于建筑、防腐、

輕工、交通運(yùn)輸、造船等工業(yè)領(lǐng)域。在建筑

方面，有內(nèi)外墻板、透明瓦、冷卻塔、空調(diào)

罩、風(fēng)機(jī)、玻璃鋼水箱、衛(wèi)生潔具、凈化槽

等；在石油化工方面，主要用于管道及貯罐;

在交通運(yùn)輸方面，汽車上主要有車身、引擎

蓋、保險(xiǎn)杠等配件，火車上有車廂板、門窗、

座椅等，船艇方面主要有氣墊船、救生艇、

偵察艇、漁船等；在機(jī)械及電器領(lǐng)域如屋頂

風(fēng)機(jī)、軸流風(fēng)機(jī)、電纜橋架、絕緣棒、集成

電路板等產(chǎn)品都具有相當(dāng)?shù)囊?guī)模；在航空航

天及軍事領(lǐng)域，輕型飛機(jī)、尾翼、衛(wèi)星天線、

火箭噴管、防彈板、防彈衣、魚雷等都取得

了重大突破。

熱塑性樹脂基復(fù)合材料

熱塑性樹脂基復(fù)合材料是20世紀(jì)80年代

發(fā)展起來的，主要有長纖維增強(qiáng)粒料(LFP)、

連續(xù)纖維增強(qiáng)預(yù)浸帶(MITT)和玻璃纖維氈

增強(qiáng)型熱塑性復(fù)合材料(GMT)。根據(jù)使用要

求不同，樹脂基體主要有PP、PE、PA、PBT、

PEI、PC、PES、PEEK、PI、PAI等熱塑性工

程塑料，纖維種類包括玻璃纖維、碳纖維、

芳綸纖維和硼纖維等一切可能的纖維品種。

隨著熱塑性樹脂基復(fù)合材料技術(shù)的不斷成

熟以及可回收利用的優(yōu)勢(shì)，該品種的復(fù)合材

料發(fā)展較快，歐美發(fā)達(dá)國家熱塑性樹脂基復(fù)

合材料已經(jīng)占到樹脂基復(fù)合材料總量的30%

以上。

高性能熱塑性樹脂基復(fù)合材料以注射件居

多，基體以PP、PA為主。產(chǎn)品有管件、閥

門、葉輪、軸承、電器及汽車零件、擠出成

型管道、GMT模壓制品、汽車踏板、座椅等。

玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯在汽車中的應(yīng)用包括

通風(fēng)和供暖系統(tǒng)、空氣過濾器外殼、變速箱

蓋、座椅架、擋泥板墊片、傳動(dòng)皮帶保護(hù)罩

等。

滑石粉填充的PP具有高剛性、高強(qiáng)度、極

好的耐熱老化性能及耐寒性?；墼鰪?qiáng)PP

在車內(nèi)裝飾方面有著重要的應(yīng)用，如用作通

風(fēng)系統(tǒng)零部件，儀表盤和自動(dòng)剎車控制杠等,

例如美國HPM公司用20%滑石粉填充PP制成

的蜂窩狀結(jié)構(gòu)的吸音天花板和轎車的搖窗

升降器卷繩筒外殼。

云母復(fù)合材料具有高剛性、高熱變形溫度、

低收縮率、低撓曲性、尺寸穩(wěn)定以及低密度、

低價(jià)格等特點(diǎn)，利用云母/聚丙烯復(fù)合材料

可制作汽車儀表盤、前燈保護(hù)圈、擋板罩、

車門護(hù)欄、電機(jī)風(fēng)扇、百葉窗等部件，利用

該材料的阻尼性可制作音響零件，利用其屏

蔽性可制作蓄電池箱等。

我國的熱塑性樹脂基復(fù)合材料的研究開始

于20世紀(jì)80年代末期，近十年來取得了快

速發(fā)展，2000年產(chǎn)量達(dá)到12萬噸，約占樹

脂基復(fù)合材料總產(chǎn)量的17%所用的基體材料

仍以PP、PA為主，增強(qiáng)材料以玻璃纖維為

主，少量為碳纖維，在熱塑性復(fù)合材料方面

未能有重大突破，與發(fā)達(dá)國家尚有差距。

我國復(fù)合材料的發(fā)展?jié)摿蜔狳c(diǎn)

我國復(fù)合材料發(fā)展?jié)摿艽螅毺幚砗靡?/p>

下熱點(diǎn)問題。

復(fù)合材料創(chuàng)新

復(fù)合材料創(chuàng)新包括復(fù)合材料的技術(shù)發(fā)展、

復(fù)合材料的工藝發(fā)展、復(fù)合材料的產(chǎn)品發(fā)展

和復(fù)合材料的應(yīng)用，具體要抓住樹脂基體發(fā)

展創(chuàng)新、增強(qiáng)材料發(fā)展創(chuàng)新、生產(chǎn)工藝發(fā)展

創(chuàng)新和產(chǎn)品應(yīng)用發(fā)展創(chuàng)新。到2007年，亞

洲占世界復(fù)合材料總銷售量的比例將從18%

增加到25%,目前亞洲人均消費(fèi)量僅為，而

美國為，亞洲地區(qū)具有極大的增長潛力。

2、聚丙烯月青基纖維發(fā)展

我國碳纖維工業(yè)發(fā)展緩慢，從CF發(fā)展回顧、

特點(diǎn)、國內(nèi)碳纖維發(fā)展過程、中國PAN基CF

市場(chǎng)概況、特點(diǎn)、“十五”科技攻關(guān)情況看,

發(fā)展聚丙烯月青基纖維既有需要也有可能。

3、玻璃纖維結(jié)構(gòu)調(diào)整

我國玻璃纖維70%以上用于增強(qiáng)基材，在國

際市場(chǎng)上具有成本優(yōu)勢(shì)，但在品種規(guī)格和質(zhì)

量上與先進(jìn)國家尚有差距，必須改進(jìn)和發(fā)展

紗類、機(jī)織物、無紡氈、編織物、縫編織物、

復(fù)合氈，推進(jìn)玻纖與玻鋼兩行業(yè)密切合作，

促進(jìn)玻璃纖維增強(qiáng)材料的新發(fā)展。

4、開發(fā)能源、交通用復(fù)合材料市場(chǎng)

一是清潔、可再生能源用復(fù)合材料，包括

風(fēng)力發(fā)電用復(fù)合材料、煙氣脫硫裝置用復(fù)合

材料、輸變電設(shè)備用復(fù)合材料和天然氣、氫

氣高壓容器；二是汽車、城市軌道交通用復(fù)

合材料，包括汽車車身、構(gòu)架和車體外覆蓋

件，軌道交通車體、車門、座椅、電纜槽、

電纜架、格柵、電器箱等；三是民航客