复合材料发展现状分析

唐一忱

摘要：复合材料指将多种材料通过特殊工艺和制造方法复合而成的新型材料。本文首先对复合材料进行概述，然后对树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料的发展现状进行分析，并对其发展趋势展开讨论。

关键词：复合材料；发展现状；发展趋势；陶瓷基

引言：

《国家“十二五”科学和技术发展规划》为我国科技发展提出明确目标：到2020年，自主创新能力要得到显著提高，用科技促进经济社会发展和保障国家安全，取得能够对世界产生影响的科学技术成果。特别是在信息、生物、材料和航天等领域达到世界先进水平。复合材料作为新型材料中的重要部分，在我国的发展现状及发展趋势有待研究。

1 复合材料概述

复合材料是由两种及两种以上性质不同的物质复合而成的多相固体材料。材料主要分为金属材料、无机非金属材料和高分子材料。其中密度最大的是金属材料，化学性质稳定，脆性最大的是无机非金属材料，高分子材料易老化不耐高温。随着我国科技水平的快速提高，对材料提出了“高强度、高模量、耐高温、低密度”的要求，普通材料的性能已满足不了科技时代的要求，因此由多种材料复合而成的高性能复合材料被迅速推广。

复合材料按照基体材料种类被分为树脂基复合材料、金属基复合材料及陶瓷基复合材料；按照增强形态被分为纤维增强复合材料、颗粒增强复合材料及层状增强复合材料；按照增强形态复合而成的复合材料具有高强度、高模量、耐高温及断裂安全系数高等特性。

2 复合材料发展现状分析

2.1树脂基复合材料发展

2.1.1发展现状

树脂基复合材料除了高强度、高模量的特点，还具有非常高的可设计性，问世至今已经成为一项重要的技术产业。树脂基复合材料主要应用于武器装备制造业，对武器装备的轻量化、微型化和提高武器性能起到重要作用。由于树脂基复合材料密度较低，也在航空航天工业领域被广泛应用，能够降低飞机近30%自重。据统计，树脂基复合材料制品共有40000多种，截止2017年，全世界树脂基复合材料产量近千万吨。全球树脂基复合材料的年总产值在逐年提升，预计在2019年达到11046百万美元，其中亚洲市场的容量最大，预计2019年达到7044百万美元。2017年中國的树脂基复合材料产量达到500万吨，是1978年3.5万吨产量的148倍。

2.1.2发展趋势

树脂基复合材料的主要性能有高强度、耐高温、耐疲劳性、韧性和抗氧化性，树脂基复合材料的发展除了注重以上性能外，还要考虑降低制造成本的问题。主要发展方向是：（1）新型耐高温树脂基复合材料，使用温度达到300℃以上。（2）高韧性树脂基复合材料，例如在受到冲击后压缩强度达到300MPa的树脂基复合材料。（3）适用于低成本的液体成型工艺，例如用树脂传递模塑成型工艺制造的的树脂基复合材料。（4）能够满足复合材料结构功能一体化的树脂基复合材料，例如具有透波功能和吸波功能的树脂基复合材料。在原有的树脂基基础上进行改进是发展高性能树脂基复合材料的主要途径[1]。

2.2金属基复合材料发展

2.2.1发展现状

世界上的金属基复合材料市场由上百家金属基复合材料公司共同占有，它们有的拥有独家技术，例如粉末冶金技术；有的以某一种金属基复合材料见长，例如铝基金属基复合材料；有的专注于生产特定产品，例如热封装基板。由于世界各国实行越来越严格的燃油效率标准和尾气排放标准，致使汽车制造业必须采用轻质的金属基复合材料代替传统金属材料。金属基复合材料越来越多的被应用于陆上运输、热管道、航空航天工业等领域。我国目前尚没有形成金属基复合材料产业及产业标准或军工标准。目前仅有少数航空航天单位、科研单位具有小批量生产的配套能力。

2.2.2发展趋势

目前金属基复合材料的结构和功能还相对简单，但科技的飞速发展要求金属基复合材料成为高性能化、多功能化的新型材料。因此新的金属基复合材料一定会向“结构复杂化”演变。金属基复合材料的性能除了取决于金属基体和增强体的种类与配比外，还取决于增强体在金属基体中的形状、尺寸、连接形式和对称性。普通金属基复合材料增强体分布的复合结构为简单的空间配置，但从理论分析和实验结果来看，在中间或者介观尺度上调控增强体的分布有利于提高设计自由度，能够进一步挖掘金属基复合材料的性能。优化金属基复合材料结构是金属基复合材料的发展方向。

2.3陶瓷基复合材料发展

2.3.1发展现状

西方发达国家一直投入巨资对陶瓷基复合材料进行开发，对于陶瓷基复合材料的研究，各国侧重点不同，美国和西欧侧重于航空和军事领域的应用，日本侧重于工业上的应用。近年来，美国国防部一直把陶瓷基复合材料制造技术列为重点研究项目，迪拉瓦等高校和杜邦等大公司都在研究三维编织增强陶瓷基复合材料的耐热结构件。国内从90年代初开始进行增强陶瓷基复合材料的工艺、组成、结构、力学性能和热处理等方面的研究。

2.3.2发展趋势

陶瓷基复合材料因其脆性大被限制了应用范围，为了克服陶瓷基复合材料脆性大、韧性差的缺点，需要改变陶瓷本身的特性，其发展趋势为：（1）降低陶瓷基复合材料制造成本，例如通过凝胶铸成型与水基低压制造成型工艺。（2）提高陶瓷基复合材料的可靠性和可重复制造性，降低不稳定性。（3）目前陶瓷基复合材料设计准则主要依照金属基复合材料设计手册，在特殊情况下金属基复合材料设计准则满足不了陶瓷基复合材料的设计要求，因此完善陶瓷基复合材料设计手册和加工设计准则是推动陶瓷基复合材料发展的关键[2]。

总结：

综上所述，为了满足科技发展的需求，复合材料的因其优越的性能在各个领域被广泛应用，尤其在航空航天、国防军工、交通运输等对国民经济影响重大的行业。随着科技的进步，在保持复合材料基础性能的基础上，高性能复合材料的发展将向着经济化、功能多样化的方向发展。

参考文献：

[1]吴靖.国外热塑性树脂基复合材料现状及发展趋势[J].材料导报，1995（01）：77-80+8.

[2]张荻，张国定，李志强.金属基复合材料的现状与发展趋势[J].中国材料进展，2010，29（04）：1-7.