復合材料發展現狀分析

唐一忱

摘要：復合材料指將多種材料通過特殊工藝和制造方法復合而成的新型材料。本文首先對復合材料進行概述，然后對樹脂基復合材料、金屬基復合材料、陶瓷基復合材料的發展現狀進行分析，并對其發展趨勢展開討論。

關鍵詞：復合材料；發展現狀；發展趨勢；陶瓷基

引言：

《國家“十二五”科學和技術發展規劃》為我國科技發展提出明確目標：到2020年，自主創新能力要得到顯著提高，用科技促進經濟社會發展和保障國家安全，取得能夠對世界產生影響的科學技術成果。特別是在信息、生物、材料和航天等領域達到世界先進水平。復合材料作為新型材料中的重要部分，在我國的發展現狀及發展趨勢有待研究。

1 復合材料概述

復合材料是由兩種及兩種以上性質不同的物質復合而成的多相固體材料。材料主要分為金屬材料、無機非金屬材料和高分子材料。其中密度最大的是金屬材料，化學性質穩定，脆性最大的是無機非金屬材料，高分子材料易老化不耐高溫。隨著我國科技水平的快速提高，對材料提出了“高強度、高模量、耐高溫、低密度”的要求，普通材料的性能已滿足不了科技時代的要求，因此由多種材料復合而成的高性能復合材料被迅速推廣。

復合材料按照基體材料種類被分為樹脂基復合材料、金屬基復合材料及陶瓷基復合材料；按照增強形態被分為纖維增強復合材料、顆粒增強復合材料及層狀增強復合材料；按照增強形態復合而成的復合材料具有高強度、高模量、耐高溫及斷裂安全系數高等特性。

2 復合材料發展現狀分析

2.1樹脂基復合材料發展

2.1.1發展現狀

樹脂基復合材料除了高強度、高模量的特點，還具有非常高的可設計性，問世至今已經成為一項重要的技術產業。樹脂基復合材料主要應用于武器裝備制造業，對武器裝備的輕量化、微型化和提高武器性能起到重要作用。由于樹脂基復合材料密度較低，也在航空航天工業領域被廣泛應用，能夠降低飛機近30%自重。據統計，樹脂基復合材料制品共有40000多種，截止2017年，全世界樹脂基復合材料產量近千萬噸。全球樹脂基復合材料的年總產值在逐年提升，預計在2019年達到11046百萬美元，其中亞洲市場的容量最大，預計2019年達到7044百萬美元。2017年中國的樹脂基復合材料產量達到500萬噸，是1978年3.5萬噸產量的148倍。

2.1.2發展趨勢

樹脂基復合材料的主要性能有高強度、耐高溫、耐疲勞性、韌性和抗氧化性，樹脂基復合材料的發展除了注重以上性能外，還要考慮降低制造成本的問題。主要發展方向是：（1）新型耐高溫樹脂基復合材料，使用溫度達到300℃以上。（2）高韌性樹脂基復合材料，例如在受到沖擊后壓縮強度達到300MPa的樹脂基復合材料。（3）適用于低成本的液體成型工藝，例如用樹脂傳遞模塑成型工藝制造的的樹脂基復合材料。（4）能夠滿足復合材料結構功能一體化的樹脂基復合材料，例如具有透波功能和吸波功能的樹脂基復合材料。在原有的樹脂基基礎上進行改進是發展高性能樹脂基復合材料的主要途徑[1]。

2.2金屬基復合材料發展

2.2.1發展現狀

世界上的金屬基復合材料市場由上百家金屬基復合材料公司共同占有，它們有的擁有獨家技術，例如粉末冶金技術；有的以某一種金屬基復合材料見長，例如鋁基金屬基復合材料；有的專注于生產特定產品，例如熱封裝基板。由于世界各國實行越來越嚴格的燃油效率標準和尾氣排放標準，致使汽車制造業必須采用輕質的金屬基復合材料代替傳統金屬材料。金屬基復合材料越來越多的被應用于陸上運輸、熱管道、航空航天工業等領域。我國目前尚沒有形成金屬基復合材料產業及產業標準或軍工標準。目前僅有少數航空航天單位、科研單位具有小批量生產的配套能力。

2.2.2發展趨勢

目前金屬基復合材料的結構和功能還相對簡單，但科技的飛速發展要求金屬基復合材料成為高性能化、多功能化的新型材料。因此新的金屬基復合材料一定會向“結構復雜化”演變。金屬基復合材料的性能除了取決于金屬基體和增強體的種類與配比外，還取決于增強體在金屬基體中的形狀、尺寸、連接形式和對稱性。普通金屬基復合材料增強體分布的復合結構為簡單的空間配置，但從理論分析和實驗結果來看，在中間或者介觀尺度上調控增強體的分布有利于提高設計自由度，能夠進一步挖掘金屬基復合材料的性能。優化金屬基復合材料結構是金屬基復合材料的發展方向。

2.3陶瓷基復合材料發展

2.3.1發展現狀

西方發達國家一直投入巨資對陶瓷基復合材料進行開發，對于陶瓷基復合材料的研究，各國側重點不同，美國和西歐側重于航空和軍事領域的應用，日本側重于工業上的應用。近年來，美國國防部一直把陶瓷基復合材料制造技術列為重點研究項目，迪拉瓦等高校和杜邦等大公司都在研究三維編織增強陶瓷基復合材料的耐熱結構件。國內從90年代初開始進行增強陶瓷基復合材料的工藝、組成、結構、力學性能和熱處理等方面的研究。

2.3.2發展趨勢

陶瓷基復合材料因其脆性大被限制了應用范圍，為了克服陶瓷基復合材料脆性大、韌性差的缺點，需要改變陶瓷本身的特性，其發展趨勢為：（1）降低陶瓷基復合材料制造成本，例如通過凝膠鑄成型與水基低壓制造成型工藝。（2）提高陶瓷基復合材料的可靠性和可重復制造性，降低不穩定性。（3）目前陶瓷基復合材料設計準則主要依照金屬基復合材料設計手冊，在特殊情況下金屬基復合材料設計準則滿足不了陶瓷基復合材料的設計要求，因此完善陶瓷基復合材料設計手冊和加工設計準則是推動陶瓷基復合材料發展的關鍵[2]。

總結：

綜上所述，為了滿足科技發展的需求，復合材料的因其優越的性能在各個領域被廣泛應用，尤其在航空航天、國防軍工、交通運輸等對國民經濟影響重大的行業。隨著科技的進步，在保持復合材料基礎性能的基礎上，高性能復合材料的發展將向著經濟化、功能多樣化的方向發展。

參考文獻：

[1]吳靖.國外熱塑性樹脂基復合材料現狀及發展趨勢[J].材料導報，1995（01）：77-80+8.

[2]張荻，張國定，李志強.金屬基復合材料的現狀與發展趨勢[J].中國材料進展，2010，29（04）：1-7.