复合材料的最新研究进展

1、引言

人类社会正面临着诸多的问题和需求，如矿物能源、资源的枯竭、环境问题、信息技术以及生活质量等，这推动了复合材料的发展，也促进了各种高新技术的发展。但目前人们已不仅仅局限于新材料的创造、发现和应用上，科学研究已进入一个各种材料综合使用的新阶段，即向着按预定的性能或功能设计新材料的方向发展。并且，在复合材料性能取得飞速发展的同时，其应用领域不断拓宽，性能持续优化，加工工艺不断改善，成本不断降低。

复合材料的独特之处在于其可提供单一材料难以拥有的性能，其最大的优势是赋予材料可剪切性，从而优化设计每个特定技术要求的产品，最大限度地保证产品的可靠性、减轻重量和降低成本。近年以来，复合材料在加工领域中取得了一系列重要的进展，由于计算机辅助设计工具的介入和先进加工技术的开发，使复合材料的市场竞争力有了很大的提高，应用领域不断扩大，除用于结构复合材料外，还大量的进入了功能材料市场。我们观察到，复合材料的发展趋势是：

（1）进一步提高结构型先进复合材料的性能；

（2）深入了解和控制复合材料的界面问题；

（3）建立健全复合材料的复合材料力学；

（4）复合材料结构设计的智能化；

（5）加强功能复合材料的研究。

近年来，复合材料在增强纤维、加工技术、智能材料和非破坏性检测技术等方面研究较多，并且不断有新的市场应用，能够代表复合材料的最新发展方向。

2. 增强纤维环保化

目前，增强纤维的发展趋势主要是强度、模量和断裂伸长的提高。但随着全球环保意识的风行，复合材料产品也逐渐受到环保方面要求的压力，尤其欧洲地区已有相关规定，热固性复材产品由于无法回收再利用而不易销往欧洲。在树脂之外，复材产品中的增强纤维迄今绝大部分都是无法回收再利用的，包括玻璃纤维、碳纤维、芳纶等，全都是如此。

最近有一种新型增强纤维－玄武岩纤维(Basalt Filament)，是由火山岩石所提炼而成的，堪称100% 天然且环保，预期在不久的未来，将会取代相当比例的各种纤维，而加入复合材料产品中。

在我国，黄麻等天然纤维增强复合材料也正在研究之中，这类纤维不仅环保，而且可循环利用。

 

3. 加工技术高效化

降低加工成本对复合材料的应用起着十分重要的作用。当前树脂转注成型(Resin Transfer Molding, RTM)系列技术的盛行，就是因为可以大幅降低模具与制作的成本。一般而言，复材产品的制造成本主要取决于模具技术与加工技术两个主要项目，因此在发展平价复材产品的过程中，模具与制程是研发改进的重点。

在制造复材产品所使用的模具方面，须同时兼顾精确、耐用、低成本、加工容易等要求。Materia Inc.公司发展出一种新型高分子材料，可以快速成型成模具，在收缩率、硬度和耐热各方面都有很适合的平衡性质。同时也或视需要采用金属粉作为补强，包括铝、铜或钨， 以提高硬度与耐热性。这种模具材料结合了热塑性树脂的韧性与耐久性，热固性树脂的简易成型(低粘度)与耐高温性、以及氟系树脂的化学安定性，所以特别适合作为模具材料。

另外，针对大型零件一次成型，或是原型件制作，采用发泡材(Syntactic Foam)也可促成快速经济的制程，包括可调整的宽度，耐热性，以及简易加工性。此种发泡复材中经由添加玻璃粉、塑胶、陶瓷或金属涂布的球体，可达到各种不同的密度与耐温性质。

在复材制程改良方面，针对复材制程中的加压技术，Torr Technology lnc.，约在10年前即发展出可重覆使用的抽真空加压装置，而最近在此方面又有新的发展。一种经由抽气可定型而密封于模具表面的加压模袋，在平常呈现柔软的皮袋状，可平顺地伏贴在具有立体模线的模具上，但在抽气之后，即成为坚硬的适形外压模，可以顺利地压在模具外侧，如此即经济有效地进行复材加压硬化，而达到降低复材制作成本的目标。

4. 功能性/智能复合材料多样化

当前，采用较多的6种生产功能性或智能复合材料的技术为：纤维及微粒的复合；变层功能膜的组合；多孔絮材料的组装和梯度材料模型；纳米材料组装；分子(原子)团簇材料智能化；功能超分子器件组装[3]。用这些技术开发的产品涉及众多领域。

随着现代科技的进步，人们对环境舒适性的要求也日益提高，因而具有吸音减振功能的蜂巢芯材料三明治结构愈来愈受到重视。这种材料质量轻且高强度高刚性，并能显著降低办公、居家环境以及各类交通载具的噪音与振动。Pratt&Whitney Autoair Inc. 生产的引擎外罩结构，采用铝蜂巢制作，且在蜂巢夹芯面板上钻孔，以发挥吸音的效果。一般而言，蜂巢面板上的钻孔径愈小，愈适合吸收高频的声波。此种利用蜂巢结构配合面板钻孔而达到吸音效果的技术，预计也可应用在其他运输载具如船舶游艇的隔舱，或是飞机隔舱，以及建筑结构体等。

另一项吸音制振的新技术，是采用塑胶(如聚丙烯)蜂巢，据闻已有用在游艇上作为隔间，以促进减振隔音的效果。由于聚丙烯不易接着，通常在此塑胶蜂巢上附加一层聚酯薄纱，塑胶蜂巢材料除了吸音减振之外，还可提供许多特殊功能，包括隔热、电磁遮蔽(Electromagnetic Insulation, EMI)，耐化学性、防水、空气与流体之导引、可回收再制，以及可以加热成型等。

另外，使用蜂巢芯时将蜂巢切割为金字塔形也有助于增强吸音效果。

同时，制作三明治结构的芯材不只有蜂巢，另有发泡材，包括聚胺基甲酸酯(Polyurethane, PU)，聚酰亚胺(Polyimide, PI)等发泡材，以及巴沙木(Balsa)等，都可以提供不同品质特性/价格的三明治结构选材。

功能性复合材料在其它领域也有新发明。美国某大学的研究人员开发成功一种能自修复的环氧树脂复合材料，这种材料包括两种关键的额外组分：含DCDP（聚合形成环氧树脂的单体）的玻璃微球；促进聚合的一种催化剂。当元件形成裂纹时，一些微球破裂并释放出DCDP液体。随着它在裂纹中流动，它与催化剂接触，聚合成固态的树脂。研究人员称，这种材料在修复困难或不可能修复的应用中（如在外太空或植入的医疗设备）具有潜在的用途，为更长使用寿命的元件开辟了广阔的前景。另外，他们也开发出了适合航天员在空间站使用的复合材料新型土壤，这为在太空生产生命所需的有机食品提供了保障。

在医学领域，瑞士科学家开发出一种可替代断裂骨骼的人造骨复合材料，它能够让骨质细胞迅速生长、自身却随着骨质细胞的不断成熟而“溶解”，并最终让路给发育好的新骨骼。

5. 检测技术成型化

复合材料的非破坏检测技术，一直是复合材料结构件发展的关键之一。近期美国Laser Technology Inc.研发出一套激光检测装置，可快速有效地找出复材表面的缺陷如凹陷、脱层等。其操作过程是先用热风机吹过待测物的表面，使温度升高，接着以激光摄影机扫描待测物表面，根据散热速率(或温度分布)的差异，而在萤幕上显示出缺陷所在位置。

随着复材技术的演进，大型复材结构的厚度正不断增加，尤其是军用结构的厚度往往可以超过2.54 cm 以上。针对如此厚的零件，如何在制作中避免在内部成气泡等缺陷，同时又要加快制作速率，发挥经济效益，确实对工程人员的创新能力是一项极大的挑战。

6. 前景展望

品种繁多的复合材料具有诸如轻质、高强度、高刚度、高导热、低膨胀系数、高阻尼、透光和耐腐蚀性强等性能，使之得到了越来越广的应用。现主要应用于航空航天、交通运输、基础结构(建筑)、船舶、电子电气、办公设备以及消费品等领域。

到2003年，复合材料的世界总产量约达到580万吨，产值将近1682亿美元。其中先进复合材料仅占其总量的1%，而价值比例却占到7%，接近118亿美元，经济效益十分诱人。并且目前的先进材料市场，已经从过去的性能导向也就是不计一切成本追求最高性能，改为对价格与平价的重视。我们可以看到，复合材料的应用也不再限于航空航天领域，而已被拓展到了清洁能源车辆、土木建筑工程、近海油田勘探和生产、风力发电机大型叶片、高尔夫球杆和球拍等日常生活用品方面。

今后，复合材料构件若能一次成型和避免零件加工，装配和维护可使最终系统的价格有望低于普通材料。影响复合材料使用和开发的因素还将包括集成化设计和制造、系统的成本分析方法、交叉学科研究和生产、教育和培训、标准的制定以及设计和制造自动化等。在未来的市场中，加值服务也必将占有极要的地位，也就是在材料与技术之外提供整套的服务，整个工具组出售(例如已经完成加工成型的蜂巢材料工具组，客户不需要再额外对蜂巢加工)、后勤维修服务等。理想的状态是，我们所提供的服务或产品，能够有效地为客户提供加值、赚钱的机会。

在材料选用方面，除了性能与价格之外，储存条件、储存成本、加工条件、零件全寿期成本等项目，均受到极高的重视。另外，纳米级航空材料由于同时具有优异的机械、热传导、电磁效应等的多功能材料，未来将有极大的发展与应用潜力，包括以防腐蚀、耐燃与耐磨耗的纳米结构涂层、纳米碳管/高分子基材复合材料、纳米分层材料与轻量化耐热合金为主的纳米构造材料等。

相信在广大科学和技术人员的共同努力下，复合材料在各领域的应用将取得切实的进展。

作者：季益萍， 杨云辉