复合材料的发展概述
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复合材料的未来发展一、引言复合材料是由两种或者两种以上的材料组合而成的新材料,具有优异的性能和广泛的应用领域。
随着科技的不断进步和需求的增长,复合材料的未来发展前景广阔。
本文将从技术、应用和市场三个方面分析复合材料的未来发展趋势。
二、技术发展1. 材料研发:未来的复合材料将更加注重材料的性能和可持续性。
新型复合材料的研发将更加注重环境友好、低能耗和可回收利用等方面的特点。
2. 制备技术:制备技术的发展将更加注重高效、低成本和自动化。
例如,采用3D打印技术可以实现复合材料的定制化制备,提高制备效率和产品质量。
3. 加工工艺:加工工艺的发展将更加注重精密加工和自动化。
例如,采用激光切割和纳米加工技术可以实现对复合材料的高精度加工,提高产品的性能和可靠性。
三、应用领域1. 航空航天领域:复合材料在航空航天领域有着广泛的应用。
未来,复合材料将更多地应用于飞机机身、发动机部件和航天器结构等关键部件,以减轻分量、提高燃油效率和降低碳排放。
2. 汽车工业:复合材料在汽车工业中的应用也将得到进一步发展。
未来,复合材料将更多地应用于汽车车身、底盘和内饰等部件,以提高车辆的安全性、降低燃油消耗和减少尾气排放。
3. 建造领域:复合材料在建造领域的应用将更加广泛。
未来,复合材料将更多地应用于建造结构、外墙装饰和室内装修等方面,以提高建造物的抗震性能、节能性能和环境适应性。
4. 医疗领域:复合材料在医疗领域的应用也将得到拓展。
未来,复合材料将更多地应用于人工关节、牙科材料和医疗器械等方面,以提高医疗设备的功能性、耐久性和生物相容性。
四、市场前景1. 市场规模:随着复合材料应用领域的不断扩大,全球复合材料市场规模将持续增长。
根据市场研究机构的预测,到2025年,全球复合材料市场规模有望达到5000亿美元。
2. 市场需求:未来,市场对复合材料的需求将更加多样化和个性化。
消费者对产品性能和环境友好性的要求将推动复合材料市场的发展。
复合材料的历史和发展随着科技的发展,复合材料作为一种新型的材料被广泛应用于工业、军事、航空等领域。
然而,复合材料的历史并不长,本文将从其起源、发展到现代应用进行探讨,以介绍复合材料在人类社会发展中的地位和作用。
一、复合材料的起源从人类最早使用材料的时期开始,就存在着使用多种材料进行复合制造的情况。
例如,在埃及金字塔的建造过程中,当地人用泥和其他物质混合在一起制成了一种强度更高的材料。
然而,在更早的时代,就有使用石头和木头制作拼花地板、石板屋顶的情况。
这些都是最早的复合材料。
在现代意义下,复合材料的起源可以追溯到二战期间。
当时,军方认识到金属在高空作战时的缺陷,而对于实验性的树脂和玻璃纤维组合材料却给予了极高的评价。
通过不断试验和改进,金属的替代品这一概念逐渐形成,种类越来越多,从而形成了复合材料这一新型材料的概念。
二、复合材料的发展二战期间的复合材料制造与发展,为现代复合材料的制造和应用打下了基础。
20世纪50年代,斯派里公司首开先河,大规模生产树脂和玻璃纤维复合材料(简称GFRP)。
这种材料在航空业、汽车制造业、建筑业等领域的应用逐渐普及。
根据统计数据,GFRP的用量在过去几十年中增长了至少20倍。
20世纪60年代,出现了碳纤维复合材料(简称CFRP),这种材料是当前复合材料中强度最高、刚度最大的一种材料。
其应用范围相对较窄,大多用于制造高强度轻质材料,如现代高速列车和航空航天等领域。
除了CFRP外,先进的Kevlar纤维强度也很高,但相对而言其成本相对较高,在多领域的应用也相对较少。
20世纪70年代以后,为制作出高性能的复合材料而进行的研究和试验越来越多,包括增强难熔的陶瓷、制造蜂窝结构材料等等。
三、现代复合材料的应用当前,复合材料在许多领域得到广泛应用,其性能和应用领域也越来越广,例如:1. 航空和航天领域:复合材料制造的飞机、卫星、导弹等,能够有效提高飞行器的运载能力和更换周期,从而为人们的生产和生活带来了方便。
复合材料的发展趋势复合材料是由两种或两种以上的材料组合而成的材料,具有优异的性能和广泛的应用领域。
随着科技的不断发展,复合材料的应用范围也在不断扩大,其发展趋势也日益明显。
一、多功能化随着人们对材料性能要求的不断提高,复合材料的多功能化成为了发展的趋势。
多功能化的复合材料不仅具有传统材料的性能,还具有其他的功能,如自修复、自感应、自适应等。
这些功能的加入,使得复合材料的应用领域更加广泛,如航空航天、汽车、建筑等领域。
二、轻量化随着环保意识的不断提高,轻量化成为了复合材料发展的重要方向。
相比于传统材料,复合材料具有更轻的重量和更高的强度,可以减少能源消耗和减少环境污染。
因此,轻量化的复合材料在汽车、航空航天等领域的应用越来越广泛。
三、智能化随着人工智能技术的不断发展,智能化的复合材料也成为了发展的趋势。
智能化的复合材料可以通过传感器、控制器等设备实现自动化控制和监测,具有更高的安全性和可靠性。
智能化的复合材料在航空航天、建筑等领域的应用也越来越广泛。
四、可持续发展随着环保意识的不断提高,可持续发展成为了复合材料发展的重要方向。
可持续发展的复合材料需要具有可再生性、可降解性等特点,可以减少对环境的影响。
因此,可持续发展的复合材料在包装、建筑等领域的应用也越来越广泛。
五、高性能随着科技的不断发展,高性能的复合材料也成为了发展的趋势。
高性能的复合材料具有更高的强度、更高的刚度和更高的耐热性,可以满足更高的应用要求。
高性能的复合材料在航空航天、汽车、建筑等领域的应用也越来越广泛。
六、数字化随着数字化技术的不断发展,数字化的复合材料也成为了发展的趋势。
数字化的复合材料可以通过计算机模拟、虚拟现实等技术实现设计、制造和测试,可以提高生产效率和产品质量。
数字化的复合材料在航空航天、汽车、建筑等领域的应用也越来越广泛。
复合材料的发展趋势是多功能化、轻量化、智能化、可持续发展、高性能和数字化。
这些趋势的发展,将会推动复合材料在各个领域的应用不断拓展,为人类的生产和生活带来更多的便利和效益。
复合材料发展历程复合材料的发展历程可以追溯到古代,但现代复合材料的发展主要是在20世纪逐步展开的。
20世纪初期,人们开始尝试将纤维材料与树脂等有机物质进行结合,以提高材料的性能和功能。
最早的复合材料之一是纸浆加强树脂,它由纸浆、酚醛树脂和填料混合而成。
这种材料具有较高的强度和硬度,被广泛应用于建筑和电器领域。
随着人们对复合材料性能需求的不断提高,新的材料组合和制造工艺被不断开发。
1920年代,美国化学家Leo Hendrik Baekeland发明了第一种合成塑料——酚醛树脂,这一发现奠定了合成树脂在复合材料中的重要地位。
第二次世界大战对复合材料的发展起到了重要推动作用。
在战争期间,航空工业的快速发展需要轻质、高强度的材料。
于是,复合材料开始被广泛应用于飞机制造中。
玻璃纤维增强塑料(GRP)是该时期最具代表性的应用之一。
使用玻璃纤维与环氧树脂结合,能够产生轻、高强度的结构材料,大大提高了飞机的性能。
此后,GRP逐渐在民用领域得到推广,如汽车制造、建筑和体育器材等领域。
20世纪60年代至70年代,碳纤维复合材料开始进入人们的视野。
碳纤维具有轻、强、刚的特点,被广泛应用于航空航天领域。
然而,由于碳纤维制造工艺复杂、成本高昂,直到近年来才逐渐在其他领域得到应用。
随着科学技术的进步和复合材料制造工艺的不断改进,新的复合材料不断涌现。
如纳米复合材料、陶瓷基复合材料、金属基复合材料等,都在特定领域具有重要的应用潜力。
综上所述,复合材料的发展历程经历了从初期的纸浆加强树脂到玻璃纤维增强塑料,再到碳纤维复合材料的演进。
随着科技的进步和研发的不断深入,复合材料的应用领域也在不断拓宽。
复合材料发展历史复合材料是指由两种或两种以上的不同物质组成的材料,通过它们的相互作用而产生的新材料。
复合材料的发展历史可以追溯到几千年前的古代文明,但直到近代才得到了广泛的应用和研究。
古代的复合材料主要以自然材料为基础,如陶瓷、混凝土等。
例如,古代埃及人在建筑中使用了混凝土,其中混凝土是由石灰石和黏土等材料混合而成,具有较高的强度和耐久性。
此外,古代中国人也使用了复合材料,如陶瓷制品和漆器等。
这些古代文明的复合材料虽然在不同的领域有着重要的应用,但由于当时的技术限制,其发展程度相对较低。
随着工业革命的到来,复合材料的研究和应用进入了一个新的阶段。
19世纪末至20世纪初,人们开始研究和应用纤维增强复合材料。
最早的纤维增强复合材料是由木材和纤维素等天然纤维构成的,具有较好的强度和韧性。
20世纪40年代,人们开始使用玻璃纤维和树脂制造纤维增强复合材料,这种材料具有较高的强度和耐腐蚀性能,广泛应用于航空航天、汽车、船舶等领域。
20世纪60年代至70年代,复合材料的研究和应用进入了一个新的阶段。
人们开始使用碳纤维和复合树脂制造高性能复合材料,这种材料具有极高的强度和轻质化特性,被广泛应用于航空航天、运动器材、汽车等领域。
同时,人们还开始研究其他类型的纤维增强复合材料,如硼纤维、陶瓷纤维等,以满足不同领域对材料性能的需求。
近年来,随着科学技术的不断发展,复合材料的研究和应用进入了一个全新的阶段。
人们开始研究和应用纳米复合材料、生物复合材料等新型复合材料,以满足不同领域对材料性能的更高要求。
例如,纳米复合材料具有较高的强度、硬度和导电性能,可应用于电子器件、储能设备等领域。
生物复合材料具有良好的生物相容性和可降解性,可应用于医疗器械、组织工程等领域。
总的来说,复合材料的发展历史可以追溯到古代文明,经历了从自然材料到纤维增强复合材料,再到高性能复合材料的演变过程。
随着科学技术的不断进步,复合材料的研究和应用将会越来越广泛,为人类的生产和生活带来更多的创新和发展。
2023年复合材料行业市场分析现状复合材料是由两种或两种以上的材料组成的材料,具有优异的力学、物理、化学和生物性能,广泛应用于航空航天、汽车、建筑、电子、医疗等领域。
随着技术不断提升和领域不断拓展,复合材料市场正在经历着快速的发展。
一、市场概述复合材料市场规模逐年增长,预计到2025年将达到1600亿美元,年复合增长率为7.5%。
目前,全球复合材料市场以欧美地区为主,市场份额占比约为60%,亚洲市场占比逐步增加,中国、印度等国家正在成为复合材料市场发展的新热点。
二、应用领域1. 航空航天领域复合材料在航空航天领域中得到了广泛应用,主要是由于其具有优异的力学性能和轻量化特性。
目前,全球航空航天领域中复合材料的应用比例已经超过了50%。
2. 汽车领域随着消费者对环保、节能、安全等方面的需求不断提高,汽车领域对复合材料的需求也在不断增加。
复合材料在汽车领域中主要应用于车身、底盘、内饰等部分,能够有效的减轻整车重量,并提高车辆的安全性和燃油经济性。
3. 建筑领域复合材料在建筑领域中得到了广泛的应用。
主要应用于墙体、屋顶、门窗、装饰材料等领域。
复合材料的应用可以提高建筑物的抗震、防火等性能,并且可以使建筑物更加环保节能。
4. 电子领域复合材料在电子领域中主要应用于半导体、电池等领域。
复合材料的应用可以提高电子产品的性能、降低成本、提高可靠性等。
5. 医疗领域复合材料在医疗领域中得到了广泛的应用。
主要应用于人工骨头、人工关节、带钩扫描仪、手术器械等领域。
复合材料的应用可以有效的提高医疗设备的性能和安全性。
三、市场竞争格局1. 外资国际企业占据市场主导地位,如美国的Hexcel、Toray、日本的Mitsubishi Chemical等。
2. 国内企业处于市场份额较小的状态,但发展动力强劲,如上海蔚望新材料、常州星源材质等。
3. 中低端市场竞争激烈,中高端市场技术门槛高,企业壁垒明显。
四、市场发展趋势1. 高性能、功能性、绿色环保复合材料将成为市场新热点。
复合材料的发展概述
随着现代工业的迅猛发展,复合材料在结构材料工程领域中的重要性不容忽视。
复合材料是由金属、非金属和终端等组成的多种材料。
这种材料的出现为工业应用提供了无限的可能性。
本文将讨论复合材料的发展历史、形态和应用领域,以及其今后的发展前景。
复合材料的发展始于20世纪初,当时的研究人员们主要是研究金属和无机材料而不是复合材料。
在二战期间,复合材料得到了广泛应用,主要用于飞机和航天器的结构部分。
在随后的几十年中,复合材料的发展迅猛。
在这个过程中,最重要的发展是从绝缘子和隔热材料到结构材料的转变。
这一进步使得复合材料可以被用于汽车、船舶、飞机和其他各种结构材料的制造中,大大提高了这些产品的性能。
今天,复合材料的应用已经从传统的“无氧铸造”和“钢筋混凝土”领域扩展到包括轻金属、高比强度和高温等特种结构材料的应用领域。
同时,复合材料的发展也使得3D打印技术的应用取得了重大突破,从而使更多的复合材料被应用到实际的工程项目中。
中国复合材料发展现状及趋势复合材料是由两种或两种以上的不同材料组合而成的一种新型材料,具有轻质、高强度、耐腐蚀和抗冲击等多种优点。
近年来,随着国家对高科技产业的重视和支持,中国复合材料行业取得了长足的发展,现状和趋势如下。
一、现状1.常规材料普遍应用:目前,中国的复合材料应用领域广泛,主要应用于航空航天、轻工机械、交通运输、建筑装饰等领域。
例如,航空航天领域中的民用飞机结构和部件、太空航行器热防护、导弹和航天器外层壳体等都广泛采用复合材料。
2.发展水平不高:与国际先进水平相比,中国的复合材料发展水平还有一定差距。
一方面,国内少数企业能够生产出高性能复合材料,但规模较小,无法满足国内市场需求;另一方面,大部分企业仍处于低端产品生产阶段,缺乏核心技术和自主创新能力。
3.制约因素仍存在:复合材料的高成本、研发难度大和生产工艺复杂等因素限制了行业发展。
此外,缺乏高端设备和技术人才也是中国复合材料产业发展的制约因素之一二、趋势1.高端产品增长:随着技术的不断进步和产业升级,中国复合材料行业将逐渐向高端产品迈进。
例如,在航空航天领域,国内企业开始积极研发复合材料航空发动机叶片和机身部件,朝着高性能、大规模应用的方向发展。
2.绿色环保素材:随着环境保护意识的加强,绿色环保复合材料将成为行业的发展趋势。
例如,可生物降解复合材料在包装、塑料制品等领域的应用将得到广泛推广。
3.技术创新驱动:为了提高自主创新能力和国际竞争力,中国复合材料行业将加大技术研发力度。
例如,研究新型复合材料的结构、工艺和性能,以及在生产过程中的新技术和设备的引进和应用。
4.同行业协同发展:中国的复合材料企业将加强与其他相关行业的合作,实现资源共享和优势互补。
例如,与航空、汽车、建筑等行业合作,提供定制化的解决方案和产品,共同推动产业发展。
5.国际市场拓展:中国复合材料企业将积极拓展国际市场,加强与国际知名企业的合作与交流。
通过引进国际先进技术和开展国际合作研发,提高技术水平和产品质量,同时提升国际竞争力。
复合材料的发展摘要:材料是科学技术发展的基础,复合材料作为最新发展起来的一大类新型材料,对科学技术的发展产生了极大的推动作用。
对航空航天事业的影响尤为显著。
复合材料的发展近几十年来极为迅速。
从最早出现的宏观复合材料,如水泥及砂石、钢筋复合而成的混凝土,到随后发展起来的微观复合材料:聚合物基、金属基和无机非金属材料基复合材料。
各种新型复合材料及其制备技术犹如雨后春笋般出现,同时,随着科学技术的发展,特别是尖端科学技术的突飞猛进,对材料的性能要求越来越高,因而对复合材料也提出了更高的要求。
前言复合材料及金属、高聚物、陶瓷并称为四大材料。
今天,一个国家或地区的复合材料公业水平,已经成为衡量其科技以经济实力的标志之一,先进复合材料是国家安全和国民经济具有竞争力优势的源泉。
在未来的发展中,只有复合材料有可能大概率的提高。
环氧树脂是优良的反应固化型性树脂,在纤维增强复合材料领域中,环氧树脂大型身手,它及高性能纤维PAN基碳纤维、芳纶纤维、聚乙烯纤维、玄武岩纤维、S及E玻璃纤维复合,便成为不可代替的重要的基体纤维和结构纤维,广泛运用在电子电力、航空航天、运动器材、建筑补强、压力管维、化工防腐等六大领域。
普遍认为今后先进复合材料将按四个方向发展,即低成本、高性能、多功能和智能化。
本文简要介绍这四个方面的发展前景。
关键词:低成本;多功能;高性能;智能化经过20世界60年代末期使用,树脂基高性能复合材料被用于飞机的承力结构,后又逐渐进入工业其他领域。
70年代末期发展出了用高强度、高模量的耐热碳纤维和陶瓷纤维及金属复合,特别是鱼轻金属复合,形成了金属基复合材料,克服了树脂基复合材料耐热性差、导热性低等缺点,已广泛应用于航空航天等高科技领域。
80年代开始,逐渐出现了陶瓷复合材料。
复合材料因其具有可设计的特点受到广泛的重视,因而发展极快。
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。
复合材料大事年表一、复合材料的诞生和发展1. 20世纪初,人们开始意识到通过组合不同材料可以创造出具有新性能的材料。
2. 1940年代,第一批纤维增强复合材料问世,标志着复合材料的诞生。
3. 1950年代,随着玻璃纤维增强塑料的广泛应用,复合材料开始被工业界广泛采用。
二、复合材料在航空航天领域的应用1. 1960年,美国NASA开始使用复合材料制造航天器的结构部件,以降低重量、提高强度和刚度。
2. 1969年,阿波罗11号登月任务成功,标志着复合材料在航空航天领域的重要地位。
三、复合材料在汽车工业的应用1. 1980年代,汽车工业开始广泛采用复合材料制造车身和零部件,以减轻重量、提高燃油效率。
2. 1997年,丰田发布世界上第一辆使用碳纤维增强塑料制造的量产车辆,标志着复合材料在汽车工业的突破。
四、复合材料在建筑领域的应用1. 1990年代,随着人们对环境保护和可持续发展的重视,复合材料逐渐被应用于建筑领域。
2. 2008年,中国北京奥运会主体育场“鸟巢”采用了复合材料结构,成为建筑界的标志性作品。
五、复合材料在体育器材中的应用1. 1970年代,复合材料开始被运动器材制造商应用于高尔夫球杆、网球拍等产品。
2. 近年来,复合材料在滑雪板、自行车等体育器材中的应用越来越广泛。
六、复合材料在能源领域的应用1. 21世纪初,随着可再生能源的发展,复合材料在风能和太阳能领域得到了广泛应用。
2. 复合材料的轻量化和高强度特性使其成为风力发电机叶片和太阳能电池板的理想材料。
七、复合材料在医疗领域的应用1. 复合材料在医疗器械和人工器官的制造中发挥着重要作用,如人工心脏瓣膜、人工关节等。
2. 复合材料的生物相容性和可塑性使其成为医疗领域的理想材料。
八、复合材料在电子领域的应用1. 复合材料在电子领域的应用范围广泛,如电子元器件的封装材料、柔性显示屏的基底材料等。
2. 复合材料的导电性和耐高温特性使其成为电子领域的重要材料。
复合材料的发展摘要:材料是科学技术发展的基础,复合材料作为最新发展起来的一大类新型材料,对科学技术的发展产生了极大的推动作用。
对航空航天事业的影响尤为显著。
复合材料的发展近几十年来极为迅速。
从最早出现的宏观复合材料,如水泥与砂石、钢筋复合而成的混凝土,到随后发展起来的微观复合材料:聚合物基、金属基和无机非金属材料基复合材料。
各种新型复合材料及其制备技术犹如雨后春笋般出现,同时,随着科学技术的发展,特别是尖端科学技术的突飞猛进,对材料的性能要求越来越高,因而对复合材料也提出了更高的要求。
前言复合材料与金属、高聚物、陶瓷并称为四大材料。
今天,一个国家或地区的复合材料公业水平,已经成为衡量其科技以经济实力的标志之一,先进复合材料是国家安全和国民经济具有竞争力优势的源泉。
在未来的发展中,只有复合材料有可能大概率的提高。
环氧树脂是优良的反应固化型性树脂,在纤维增强复合材料领域中,环氧树脂大型身手,它与高性能纤维PAN基碳纤维、芳纶纤维、聚乙烯纤维、玄武岩纤维、S与E玻璃纤维复合,便成为不可代替的重要的基体纤维和结构纤维,广泛运用在电子电力、航空航天、运动器材、建筑补强、压力管维、化工防腐等六大领域。
普遍认为今后先进复合材料将按四个方向发展,即低成本、高性能、多功能和智能化。
本文简要介绍这四个方面的发展前景。
关键词:低成本;多功能;高性能;智能化经过20世界60年代末期使用,树脂基高性能复合材料被用于飞机的承力结构,后又逐渐进入工业其他领域。
70年代末期发展出了用高强度、高模量的耐热碳纤维和陶瓷纤维与金属复合,特别是鱼轻金属复合,形成了金属基复合材料,克服了树脂基复合材料耐热性差、导热性低等缺点,已广泛应用于航空航天等高科技领域。
80年代开始,逐渐出现了陶瓷复合材料。
复合材料因其具有可设计的特点受到广泛的重视,因而发展极快。
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。
因而有人预言,21世纪是复合材料的时代。
在论述复合材料发展前景之前,有必要对目前可以预见到在下个世纪中人类将面临的主要问题作一分析,,特别是结合到我国的客观实际情况进行探讨。
首要问题应当是能源即将短缺,不少陆地资源也陆续出现枯竭,同时随着社会进步带来的工业极大发展和人口极度膨胀所造成的环境严重恶化等情况将威胁到人类的生存条件。
我国针对这些问题更不容乐观,在消耗性能源方面,仅污染问题较大的煤是丰富的,而石油和天然气的储量并不很多。
另一方面,由于人口基数很大,加上近期以来,工业飞速发展造成大气、水源的污染非常严重。
从积极方面来看,今后人类必将步入高度的信息社会,信息将成为生活中必不可少的组成部分。
我国信息技术虽然与先进国家尚存在较大的差距,但近年来努力追赶已有一定的基础和成效。
另一方面,人类对生活质量的要求日益提高,特别在我国改革开放之后更为突出,表现在大量基础设施的兴建,人们对生活舒适性和安全性的标准空前高涨,当然世界是不平静的,尽管世界大战发生的可能性不大,但局部战争不会终止,特别是战争的高技术含量愈来愈占主导。
一、低成本现在科学技术发展越来越快,因此复合材料也将以更快速度发展,而复合材料的发展关键在于降低成本。
复合材料的研究重点已经从过去主要关心性能与质量转到降低成本,强调低成本生产技术。
低成本生产技术包括原材料、复合工艺和质量控制等各个方面。
现重点用碳纤维和碳复合材料来举例说明。
七八十年代碳纤维主要用于航天航空高技术领域,碳纤维复合材料能否在航天航空高技术产品上得到应用主要取决于它的性能是否能满足设计要求。
90年代以后碳纤维复合材料从传统的航天航空高技术领域和体育休闲用品向更广泛的工业领域渗透发展,经济可承受性成为决定碳纤维能否在这些新领域得到应用的关键因素。
无论土木建筑、桥梁修复、交通运输、汽车工业、能源等,碳纤维复合材料在这些工业领域要扩大应用,关键在于降低价格。
复合材料的原材料主要是增强纤维和树脂基体,特别是增强材料占复合材料成本中的比例最大,先进复合材料中增强材料用得最多、最普遍的是碳纤维,因此降低碳纤维成本是降低先进复合材料成本的关键。
不同的部门,不同的应用领域,不同的研究单位都提出了一个认为可接受的价格,只有当碳纤维的价格低于此数值时,大量采用碳纤维才成为可能。
一般认为,碳纤维价格必须比现在国际市场价格降低百分之五十到百分之七八十才有可能在新的工业领域大量应用。
一旦碳纤维在这个新市场扩大应用,碳纤维复合材料工业必将面临一个飞跃,而碳纤维复合材料工业的发展也将进入一个良性循环。
可见,开发碳纤维复合材料市场的关键因素已从性能变为价格,亦即经济可承受性。
碳纤维目前被划分为宇航级和工业级两类,亦称为小丝束和大丝束。
通常把48K 以上碳纤维称为大丝束碳纤维,包括60K, 120K, 360K 和480K 等。
宇航级碳纤维初期以1K, 3K, 6K 为主,逐渐发展为12K和24K,主要应用于国防军工和高技术,以及体育休闲用品,像飞机、导弹、火箭、卫星和钓鱼杆、高尔夫球杆和网球拍等。
工业级碳纤维应用于不同民用工业,包括:纺织、医药卫生、机电、土木建筑、交通运输和能源等。
特别近年来工业级碳纤维渗透进入传统宇航级碳纤维的应用领域,开始在体育休闲用品上获得一定程度的应用,估计这一趋势将进一步扩大发展。
从价格方面看,大丝束碳纤维更有绝对优势。
国际市场上每磅工业级大丝束碳纤维售价在8~ 10 美元,而宇航级碳纤维每磅售价在15~ 20 美元,价格相差近一倍,而超高模量的碳纤维,每磅价格高达上百美元甚至数百美元, 是工业级大丝束碳纤维的十倍甚至几十倍。
由于价格是开发碳纤维市场的关键因素,因此工业级大丝束碳纤维是今后碳纤维发展的方向国外对碳纤维的效费比作过比较,如果以单位美元的强度和单位美元的模量对比,则工业级大丝束碳纤维的单位美元强度是205M Pa?$、单位美元模量是13GPa?$,宇航级12K 碳纤维的单位美元强度和模量分别为107M Pa?$和7GPa?$,说明工业级大束丝碳纤维的效费比要比宇航级小丝束碳纤维高得多。
从先进复合材料应用发展看,碳纤维复合材料的价格和效费比等分析比较,采用大丝束碳纤维将是今后先进复合材料降低成本的主要措施之一。
二、多功能化传统的材料科学与工程把材料划分为两大类,即结构材料与功能材料,多少年来一直根据这样的概念来研究与发展材料。
高技术的发展要求材料不再是单一的结构材料或功能材料,航天高技术的发展要求由一种材料承担多种功能,包括:防热、抗核、承载、吸波、透波、隐身、减震、降噪等,这是实现战略核武器的小型化、轻质化、强突防和全天候的关键因素之一。
复合材料的主要应用领域有:①航空航天领域。
由于复合材料热稳定性好,比强度、比刚度高,可用于制造飞机机翼和前机身、卫星天线及其支撑结构、太阳能电池翼和外壳、大型运载火箭的壳体、发动机壳体、航天飞机结构件等。
②汽车工业。
由于复合材料具有特殊的振动阻尼特性,可减振和降低噪声、抗疲劳性能好,损伤后易修理,便于整体成形,故可用于制造汽车车身、受力构件、传动轴、发动机架及其内部构件。
③化工、纺织和机械制造领域。
有良好耐蚀性的碳纤维与树脂基体复合而成的材料,可用于制造化工设备、纺织机、造纸机、复印机、高速机床、精密仪器等。
④医学领域。
碳纤维复合材料具有优异的力学性能和不吸收X射线特性,可用于制造医用X光机和矫形支架等。
碳纤维复合材料还具有生物组织相容性和血液相容性,生物环境下稳定性好,也用作生物医学材料。
此外,复合材料还用于制造体育运动器件和用作建筑材料等。
因此,材料发展中的一种新趋势是结构材料和功能材料的互相渗透,即结构材料的功能化(例如,结构吸波材料)和功能材料的结构化(例如,热结构材料)。
这就是材料发展中的综合集成。
三、高性能性能是评价材料的重要标准,国防先进武器装备和国民经济高技术的发展,都要求进一步提高复合材料的性能,进一步提高比强度、比模量。
90 年代先进复合材料大部分是采用T300 类型的碳纤维和环氧树脂件作为基体,这一类T 300环氧复合材料的性能不能满足高技术发展的要求,特别是设计许用值较低,一般在3000LE, CAI也较低,一般在200MPa 以下。
而高技术发展,例如:新一代战斗机和新一代战略核武器等,要求设计许用值达到6000LE左右,CAI 值则要求达到300MPa 以上。
碳纤维的性能是决定先进复合材料性能的关键因素。
为此,各国都致力提高改进碳纤维性能,像日本东丽公司的T300 碳纤维的抗拉强度由最初约为3000MPa,到80 年代中期,其抗拉强度已达到3530MPa, 即提高了20%左右。
此外,性能更好的碳纤维像T800(抗拉强度5490MPa)、T1000(抗拉强度7000MPa)不断研究开发成功,并投入市场,以满足要求性能更高的高技术产品主承力构件的需求,但T800和T1000 碳纤维的价格要比T300 分别高出200% 和370%.美国海克塞尔(HEXEL )公司则用IM7, IM8 和IM9 等性能更高的碳纤维取代AS4 碳纤维。
近年来日本东丽公司开发生产的T700碳纤维,抗拉强度比T300提高了45% 以上,而价格只比T300 贵不到10% ,具有很好的性能价格比。
根据航空航天工业要求先进复合材料的CAI大于200MPa,国外航空航天工业用IM7 和T800 碳纤维增强韧性环氧树脂,CAI 都在200MPa 以上,有些则达到350MPa左右。
CAI 性能以及在不同飞机、不同部位上的应用。
航空工艺研究所研究了T800 和QY9511 双马树脂的性能,测试表明其室温抗拉强度达到2741MPa,150℃为2735M Pa, 湿态130℃仍保持在2666MPa,远高于T300环氧复合材料的性能,用T800 或T1000 取代T300可大幅度提高复合材料的性能, 0度方向的抗拉强度可提高74% 到100% ,对于要求抗拉强度大大高于T 300?环氧复合材料,和必须保证高比强度的应用情况,T800 和T1000 增强韧性环氧树脂或双马树脂是很好的选用材料。