民用復(fù)合材料的機(jī)遇與挑戰(zhàn)
發(fā)布時(shí)間：2014/12/16 15:12:05
國家《“十二五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)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(jié)構(gòu)材料和復(fù)合材料，開展共性基礎(chǔ)材料研究和產(chǎn)業(yè)化，建立認(rèn)定和統(tǒng)計(jì)體系，引導(dǎo)材料工業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整。”特別是先進(jìn)復(fù)合材料在新材料技術(shù)領(lǐng)域占有重要的地位，對(duì)促進(jìn)世界各國軍用和民用領(lǐng)域的高科技現(xiàn)代化，起到了至關(guān)重要的作用， 因此近年來備受重視。
以碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料為代表的先進(jìn)復(fù)合材料自上世紀(jì)60年代中期問世之初，主要用于航空航天領(lǐng)域，約占70％~80％ 的份額。但近年來迅速擴(kuò)展成航空航天、體育休閑用品和工業(yè)應(yīng)用等3大領(lǐng)域。未來航空航天等軍用領(lǐng)域約占20%左右的應(yīng)用份額，體育休閑用品大約約有30％左右的份額，工業(yè)應(yīng)用將占有50％以上的份額。先進(jìn)復(fù)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(zhuǎn)移已是世界普遍的潮流，復(fù)合材料在各種工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用正呈現(xiàn)多元化發(fā)展的趨勢(shì)和特點(diǎn)。
在航空航天、體育休閑用品領(lǐng)域，復(fù)合材料的應(yīng)用仍有穩(wěn)定的市場(chǎng)和需求，并且前者會(huì)保持穩(wěn)定增長。在基礎(chǔ)設(shè)施方面，復(fù)合材料目前應(yīng)用最廣的是以包纏料、層壓板等形式用于基礎(chǔ)設(shè)施的修復(fù)、更新和加固上，但在國內(nèi)該領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展緩慢，而國際上，建筑修補(bǔ)用復(fù)合材料已成為一個(gè)產(chǎn)業(yè)。
在汽車領(lǐng)域，限于復(fù)合材料材料與制造成本較高，應(yīng)用進(jìn)展一直不盡如人意。但近年來隨低成本材料的出現(xiàn)和低成本技術(shù)的發(fā)展，汽車上復(fù)合材料的應(yīng)用呈現(xiàn)良好的發(fā)展勢(shì)頭，預(yù)計(jì)近期會(huì)有較大發(fā)展，未來也是復(fù)合材料應(yīng)用最大的潛在市場(chǎng)。在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，隨著葉片長度不斷增加，對(duì)材料強(qiáng)度和剛度要求較高，碳纖維作為增強(qiáng)材料將會(huì)大量應(yīng)用。根據(jù)歐洲風(fēng)能協(xié)會(huì)和美國風(fēng)能協(xié)會(huì)的預(yù)測(cè)，未來10年，全球風(fēng)能產(chǎn)業(yè)仍將保持平均兩位數(shù)的高速增長態(tài)勢(shì)，其中亞洲的中國和北美洲的美國將繼續(xù)成為全球最具增長潛力的地區(qū)。先進(jìn)復(fù)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(yī)學(xué)方面有廣泛應(yīng)用空間。
復(fù)合材料技術(shù)是一門應(yīng)用性很強(qiáng)的新技術(shù)，但應(yīng)用的實(shí)踐中也發(fā)現(xiàn)復(fù)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(yīng)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(fā)達(dá)國家紛紛制訂了低成本的復(fù)合材料發(fā)展研究計(jì)劃，現(xiàn)已取得了明顯效果。復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展的低成本化乃是當(dāng)今世界復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展的核心問題。低成本復(fù)合材料技術(shù)包括了以下幾個(gè)主要方面：
低成本設(shè)計(jì)技術(shù)。發(fā)展以DFM （Design for Manufacture）為核心的設(shè)計(jì)制造一體化技術(shù)，其實(shí)質(zhì)是隨計(jì)算機(jī)和制造技術(shù)的進(jìn)步， 采用全新的設(shè)計(jì)理念和手段，發(fā)展數(shù)字化、自動(dòng)化的制造技術(shù)，將設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)軟件的開發(fā)和集成，加上自動(dòng)化的制造技術(shù)，在設(shè)計(jì)階段就考慮制造與裝配上的問題，不但可以減少零件數(shù)量，同時(shí)可以保證結(jié)構(gòu)的可靠性。
低成本材料技術(shù)。該項(xiàng)技術(shù)可包括大絲束碳纖維的應(yīng)用、低溫快速固化樹脂體系的開發(fā)、低成本預(yù)浸料技術(shù)、各種VARY用樹脂體系的配套研發(fā)、熱塑性復(fù)合材料的合理使用，以及混雜復(fù)合材料的合理應(yīng)用等項(xiàng)諸多技術(shù)。
低成本制造技術(shù)。制造成本大約占復(fù)合材料制件總成本的80％左右，所以低成本復(fù)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(fù)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(fù)合材料的工業(yè)應(yīng)用是未來的發(fā)展方向，中國將來不僅是復(fù)合材料生產(chǎn)的第一大國，同時(shí)又是復(fù)合材料應(yīng)用的第一大國家。但與國外相比，我們?cè)诓牧虾图夹g(shù)方面還存在一定的差距。復(fù)合材料在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用還面臨著諸多挑戰(zhàn)：碳纖維的價(jià)格不夠低，只有通過擴(kuò)大應(yīng)用來帶動(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(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-強(qiáng)度分析-快速制造-應(yīng)用驗(yàn)證的全流程平臺(tái)可以促成該技術(shù)的產(chǎn)生；復(fù)合材料的修補(bǔ)技術(shù)需要及時(shí)跟進(jìn)；復(fù)合材料廣泛應(yīng)用后，廢料的循環(huán)利用還缺少有效途徑，熱固性樹脂基復(fù)合材料更為突出。
（作者系中航工業(yè)北京航空材料研究院先進(jìn)復(fù)合材料國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員、中航復(fù)材副總師）
