國家《“十二五”國家戰略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規劃》中明確指出:“新材料產(chǎn)業(yè)要大力發(fā)展新型功能材料、先進(jìn)結構材料和復合材料,開(kāi)展共性基礎材料研究和產(chǎn)業(yè)化,建立認定和統計體系,引導材料工業(yè)結構調整!碧貏e是先進(jìn)復合材料在新材料技術(shù)領(lǐng)域占有重要的地位,對促進(jìn)世界各國軍用和民用領(lǐng)域的高科技現代化,起到了至關(guān)重要的作用, 因此近年來(lái)備受重視。
以碳纖維增強樹(shù)脂基復合材料為代表的先進(jìn)復合材料自上世紀60年代中期問(wèn)世之初,主要用于航空航天領(lǐng)域,約占70%~80% 的份額。但近年來(lái)迅速擴展成航空航天、體育休閑用品和工業(yè)應用等3大領(lǐng)域。未來(lái)航空航天等軍用領(lǐng)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(yè)應用將占有50%以上的份額。先進(jìn)復合材料技術(shù)是典型的軍民兩用技術(shù),高技術(shù)向民用轉移已是世界普遍的潮流,復合材料在各種工業(yè)領(lǐng)域應用正呈現多元化發(fā)展的趨勢和特點(diǎn)。
在航空航天、體育休閑用品領(lǐng)域,復合材料的應用仍有穩定的市場(chǎng)和需求,并且前者會(huì )保持穩定增長(cháng)。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(lǐng)域的應用進(jìn)展緩慢,而國際上,建筑修補用復合材料已成為一個(gè)產(chǎn)業(yè)。
在汽車(chē)領(lǐng)域,限于復合材料材料與制造成本較高,應用進(jìn)展一直不盡如人意。但近年來(lái)隨低成本材料的出現和低成本技術(shù)的發(fā)展,汽車(chē)上復合材料的應用呈現良好的發(fā)展勢頭,預計近期會(huì )有較大發(fā)展,未來(lái)也是復合材料應用最大的潛在市場(chǎng)。在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域,隨著(zhù)葉片長(cháng)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(huì )大量應用。根據歐洲風(fēng)能協(xié)會(huì )和美國風(fēng)能協(xié)會(huì )的預測,未來(lái)10年,全球風(fēng)能產(chǎn)業(yè)仍將保持平均兩位數的高速增長(cháng)態(tài)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(cháng)潛力的地區。先進(jìn)復合材料還在石油天然氣領(lǐng)域、軌道交通、電子工業(yè)、生物工程和人體醫學(xué)方面有廣泛應用空間。
復合材料技術(shù)是一門(mén)應用性很強的新技術(shù),但應用的實(shí)踐中也發(fā)現復合材料的成本較高,特別是制造成本較高,形成了其進(jìn)一步發(fā)展應用的主要障礙。有鑒于此,該問(wèn)題引起了世界各國的普遍重視, 以美國為首的西方發(fā)達國家紛紛制訂了低成本的復合材料發(fā)展研究計劃,現已取得了明顯效果。復合材料技術(shù)發(fā)展的低成本化乃是當今世界復合材料技術(shù)發(fā)展的核心問(wèn)題。低成本復合材料技術(shù)包括了以下幾個(gè)主要方面:
低成本設計技術(shù)。發(fā)展以DFM (Design for Manufacture)為核心的設計制造一體化技術(shù),其實(shí)質(zhì)是隨計算機和制造技術(shù)的進(jìn)步, 采用全新的設計理念和手段,發(fā)展數字化、自動(dòng)化的制造技術(shù),將設計和制造進(jìn)一步融為一體,從而加快產(chǎn)品研發(fā)進(jìn)度,提高質(zhì)量、降低成本。大量的設計軟件的開(kāi)發(fā)和集成,加上自動(dòng)化的制造技術(shù),在設計階段就考慮制造與裝配上的問(wèn)題,不但可以減少零件數量,同時(shí)可以保證結構的可靠性。
低成本材料技術(shù)。該項技術(shù)可包括大絲束碳纖維的應用、低溫快速固化樹(shù)脂體系的開(kāi)發(fā)、低成本預浸料技術(shù)、各種VARY用樹(shù)脂體系的配套研發(fā)、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(shù)。
低成本制造技術(shù)。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(shù)的核心是低成本制造技術(shù),其主要方面可有:(a)自動(dòng)化制造技術(shù);(b)以共固化/共膠接為核心的大面積整體成型技術(shù);(c)VARY成型技術(shù);(d)罐外成型技術(shù)。
復合材料目前已經(jīng)朝向輕量化、高性能化、多功能化等方面發(fā)展。復合材料的工業(yè)應用是未來(lái)的發(fā)展方向,中國將來(lái)不僅是復合材料生產(chǎn)的第一大國,同時(shí)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(shù)方面還存在一定的差距。復合材料在工業(yè)領(lǐng)域的應用還面臨著(zhù)諸多挑戰:碳纖維的價(jià)格不夠低,只有通過(guò)擴大應用來(lái)帶動(dòng)碳纖維價(jià)格的下降;適用于工業(yè)化產(chǎn)品的快速、低成本制造技術(shù)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(shù)的產(chǎn)生;復合材料的修補技術(shù)需要及時(shí)跟進(jìn);復合材料廣泛應用后,廢料的循環(huán)利用還缺少有效途徑,熱固性樹(shù)脂基復合材料更為突出。
。ㄗ髡呦抵泻焦I(yè)北京航空材料研究院先進(jìn)復合材料國防科技重點(diǎn)實(shí)驗室研究員、中航復材副總師)