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      民用復合材料的機遇與挑戰
      發布時間:2014/12/16 15:12:05
          國家《“十二五”國家戰略性新興產業發展規劃》中明確指出:“新材料產業要大力發展新型功能材料、先進結構材料和復合材料,開展共性基礎材料研究和產業化,建立認定和統計體系,引導材料工業結構調整!碧貏e是先進復合材料在新材料技術領域占有重要的地位,對促進世界各國軍用和民用領域的高科技現代化,起到了至關重要的作用, 因此近年來備受重視。

          以碳纖維增強樹脂基復合材料為代表的先進復合材料自上世紀60年代中期問世之初,主要用于航空航天領域,約占70%~80% 的份額。但近年來迅速擴展成航空航天、體育休閑用品和工業應用等3大領域。未來航空航天等軍用領域約占20%左右的應用份額,體育休閑用品大約約有30%左右的份額,工業應用將占有50%以上的份額。先進復合材料技術是典型的軍民兩用技術,高技術向民用轉移已是世界普遍的潮流,復合材料在各種工業領域應用正呈現多元化發展的趨勢和特點。

          在航空航天、體育休閑用品領域,復合材料的應用仍有穩定的市場和需求,并且前者會保持穩定增長。在基礎設施方面,復合材料目前應用最廣的是以包纏料、層壓板等形式用于基礎設施的修復、更新和加固上,但在國內該領域的應用進展緩慢,而國際上,建筑修補用復合材料已成為一個產業。

          在汽車領域,限于復合材料材料與制造成本較高,應用進展一直不盡如人意。但近年來隨低成本材料的出現和低成本技術的發展,汽車上復合材料的應用呈現良好的發展勢頭,預計近期會有較大發展,未來也是復合材料應用最大的潛在市場。在風力發電領域,隨著葉片長度不斷增加,對材料強度和剛度要求較高,碳纖維作為增強材料將會大量應用。根據歐洲風能協會和美國風能協會的預測,未來10年,全球風能產業仍將保持平均兩位數的高速增長態勢,其中亞洲的中國和北美洲的美國將繼續成為全球最具增長潛力的地區。先進復合材料還在石油天然氣領域、軌道交通、電子工業、生物工程和人體醫學方面有廣泛應用空間。

          復合材料技術是一門應用性很強的新技術,但應用的實踐中也發現復合材料的成本較高,特別是制造成本較高,形成了其進一步發展應用的主要障礙。有鑒于此,該問題引起了世界各國的普遍重視, 以美國為首的西方發達國家紛紛制訂了低成本的復合材料發展研究計劃,現已取得了明顯效果。復合材料技術發展的低成本化乃是當今世界復合材料技術發展的核心問題。低成本復合材料技術包括了以下幾個主要方面: 

          低成本設計技術。發展以DFM (Design for Manufacture)為核心的設計制造一體化技術,其實質是隨計算機和制造技術的進步, 采用全新的設計理念和手段,發展數字化、自動化的制造技術,將設計和制造進一步融為一體,從而加快產品研發進度,提高質量、降低成本。大量的設計軟件的開發和集成,加上自動化的制造技術,在設計階段就考慮制造與裝配上的問題,不但可以減少零件數量,同時可以保證結構的可靠性。

          低成本材料技術。該項技術可包括大絲束碳纖維的應用、低溫快速固化樹脂體系的開發、低成本預浸料技術、各種VARY用樹脂體系的配套研發、熱塑性復合材料的合理使用,以及混雜復合材料的合理應用等項諸多技術。

          低成本制造技術。制造成本大約占復合材料制件總成本的80%左右,所以低成本復合材料技術的核心是低成本制造技術,其主要方面可有:(a)自動化制造技術;(b)以共固化/共膠接為核心的大面積整體成型技術;(c)VARY成型技術;(d)罐外成型技術。

          復合材料目前已經朝向輕量化、高性能化、多功能化等方面發展。復合材料的工業應用是未來的發展方向,中國將來不僅是復合材料生產的第一大國,同時又是復合材料應用的第一大國家。但與國外相比,我們在材料和技術方面還存在一定的差距。復合材料在工業領域的應用還面臨著諸多挑戰:碳纖維的價格不夠低,只有通過擴大應用來帶動碳纖維價格的下降;適用于工業化產品的快速、低成本制造技術還不夠成熟。盡快打造復合材料結構設計-強度分析-快速制造-應用驗證的全流程平臺可以促成該技術的產生;復合材料的修補技術需要及時跟進;復合材料廣泛應用后,廢料的循環利用還缺少有效途徑,熱固性樹脂基復合材料更為突出。

      (作者系中航工業北京航空材料研究院先進復合材料國防科技重點實驗室研究員、中航復材副總師) 
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