【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 碳纖維，因此降低碳纖維成本是降低先進(jìn)復(fù)合材料成本的關(guān)鍵。不同的部門，不同的應(yīng)用領(lǐng)域，不同的研究單位都提出了一個(gè)認(rèn)為可接受的價(jià)格，只有當(dāng)碳纖維的價(jià)格低于此數(shù)值時(shí)，大量采用碳纖維才成為可能。一般認(rèn)為，碳纖維價(jià)格必須比現(xiàn)在國(guó)際市場(chǎng)價(jià)格降低百分之五十到百分之七八十才有可能在新的工業(yè)領(lǐng)域大量應(yīng)用。一旦碳纖維在這個(gè)新市場(chǎng)擴(kuò)大應(yīng)用，碳纖維復(fù)合材料工業(yè)必將面臨一個(gè)飛躍，而碳纖維復(fù)合材料工業(yè)的發(fā)展也將進(jìn)入一個(gè)良性循環(huán)?？梢?jiàn)，開發(fā)碳纖維復(fù)合材料市場(chǎng)的關(guān)鍵因素已從性能變?yōu)閮r(jià)格，亦即經(jīng)濟(jì)可承受性。碳纖維目前被劃分為宇航級(jí)和工業(yè)級(jí)兩類，亦稱為小絲束和大絲束。通常把48K以上碳纖維稱為大絲束碳纖維，包括60K，120K，360K和480K等?！　∮詈郊?jí)碳纖維初期以1K，3K，6K為主，逐漸發(fā)展為12K和24K，主要應(yīng)用于國(guó)防軍工和高技術(shù)，以及體育休閑用品，像飛機(jī)、導(dǎo)彈、火箭、衛(wèi)星和釣魚桿、高爾夫球桿和網(wǎng)球拍等。工業(yè)級(jí)碳纖維應(yīng)用于不同民用工業(yè)，包括：紡織、醫(yī)藥衛(wèi)生、機(jī)電、土木建筑、交通運(yùn)輸和能源等。特別近年來(lái)工業(yè)級(jí)碳纖維滲透進(jìn)入傳統(tǒng)宇航級(jí)碳纖維的應(yīng)用領(lǐng)域，開始在體育休閑用品上獲得一定程度的應(yīng)用，估計(jì)這一趨勢(shì)將進(jìn)一步擴(kuò)大發(fā)展。從價(jià)格方面看，大絲束碳纖維更有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。國(guó)際市場(chǎng)上每磅工業(yè)級(jí)大絲束碳纖維售價(jià)在8~ 10美元，而宇航級(jí)碳纖維每磅售價(jià)在15~ 20美元，價(jià)格相差近一倍，而超高模量的碳纖維，每磅價(jià)格高達(dá)上百美元甚至數(shù)百美元, 是工業(yè)級(jí)大絲束碳纖維的十倍甚至幾十倍。由于價(jià)格是開發(fā)碳纖維市場(chǎng)的關(guān)鍵因素，因此工業(yè)級(jí)大絲束碳纖維是今后碳纖維發(fā)展的方向。國(guó)外對(duì)碳纖維的效費(fèi)比作過(guò)比較，如果以單位美元的強(qiáng)度和單位美元的模量對(duì)比，則說(shuō)明工業(yè)級(jí)大束絲碳纖維的效費(fèi)比要比宇航級(jí)小絲束碳纖維高得多。從先進(jìn)復(fù)合材料應(yīng)用發(fā)展看， 碳纖維復(fù)合材料的價(jià)格和效費(fèi)比等分析比較， 采用大絲束碳纖維將是今后先進(jìn)復(fù)合材料降低成本的主要措施之一。 高性能 性能是評(píng)價(jià)材料的重要標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)防先進(jìn)武器裝備和國(guó)民經(jīng)濟(jì)高技術(shù)的發(fā)展， 都要求進(jìn)一步提高復(fù)合材料的性能， 進(jìn)一步提高比強(qiáng)度、比模量。90年代先進(jìn)復(fù)合材料大部分是采用T300類型的碳纖維和環(huán)氧樹脂件作為基體，這一類T300環(huán)氧復(fù)合材料的性能不能滿足高技術(shù)發(fā)展的要求，特別是設(shè)計(jì)許用值較低，一般在3000LE, CAI也較低，一般在200MPa以下。而高技術(shù)發(fā)展，例如：新一代戰(zhàn)斗機(jī)和新一代戰(zhàn)略核武器等， 要求設(shè)計(jì)許用值達(dá)到6000LE左右，CAI值則要求達(dá)到300MPa以上。碳纖維的性能是決定先進(jìn)復(fù)合材料性能的關(guān)鍵因素。為此，各國(guó)都致力提高改進(jìn)碳纖維性能，像日本東麗公司的T300碳纖維的抗拉強(qiáng)度由最初約為3000MPa,到80年代中期，其抗拉強(qiáng)度已達(dá)到3530MPa,即提高了20%左右。此外，性能更好的碳纖維像T800（抗拉強(qiáng)度5490MPa）、T1000（抗拉強(qiáng)度7000MPa）不斷研究開發(fā)成功，并投入市場(chǎng)，以滿足要求性能更高的高技術(shù)產(chǎn)品主承力構(gòu)件的需求，但T800和T1000碳纖維的價(jià)格要比T300分別高出200%和370%.美國(guó)?？巳麪枺℉EXEL ）公司則用IM7, IM8和IM9等性能更高的碳纖維取代AS4 碳纖維。近年來(lái)日本東麗公司開發(fā)生產(chǎn)的T700碳纖維， 抗拉強(qiáng)度比T300提高了45%以上，而價(jià)格只比T300貴不到10% ,具有很好的性能價(jià)格比。根據(jù)航空航天工業(yè)要求先進(jìn)復(fù)合材料的CAI大于200MPa,國(guó)外航空航天工業(yè)用IM7和T800 碳纖維增強(qiáng)韌性環(huán)氧樹脂，CAI都在200MPa以上，有些則達(dá)到350MPa左右。CAI性能以及在不同飛機(jī)、不同部位上的應(yīng)用。航空工藝研究所研究了T800 和QY9511雙馬樹脂的性能，測(cè)試表明其室溫抗拉強(qiáng)度達(dá)到2741MPa，150℃為2735MPa，濕態(tài)130℃仍保持在2666MPa，遠(yuǎn)高于T300環(huán)氧復(fù)合材料的性能，用T800或T1000取代T300可大幅度提高復(fù)合材料的性能，0度方向的抗拉強(qiáng)度可提高74%到100%，對(duì)于要求抗拉強(qiáng)度大大高于T300環(huán)氧復(fù)合材料，和必須保證高比強(qiáng)度的應(yīng)用情況，T800和T1000增強(qiáng)韌性環(huán)氧樹脂或雙馬樹脂是很好的選用材料。 多功能化傳統(tǒng)的材料科學(xué)與工程把材料劃分為兩大類， 即結(jié)構(gòu)材料與功能材料，多少年來(lái)一直根據(jù)這樣的概念來(lái)研究與發(fā)展材料高技術(shù)的發(fā)展要求。材料不再是單一的結(jié)構(gòu)材料或功能材料， 航天高技術(shù)的發(fā)展要求由一種材料承擔(dān)多種功能，包括：防熱、抗核、承載、吸波、透波、隱身、減震、降噪等，這是實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)略核武器的小型化、輕質(zhì)化、強(qiáng)突防和全天候的關(guān)鍵因素之一。因此，材料發(fā)展中的一種新趨勢(shì)是結(jié)構(gòu)材料和功能材料的互相滲透，即結(jié)構(gòu)材料的功能化（例如，結(jié)構(gòu)吸波材料）和功能材料的結(jié)構(gòu)化（例如，熱結(jié)構(gòu)材料）。這就是材料發(fā)展中的綜合集成。 智能化智能材料與結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)是由于結(jié)構(gòu)材料、功能材料和微電子工業(yè)的發(fā)展，是三者結(jié)合的產(chǎn)物。它的出現(xiàn)將引起結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的巨大改革，今后的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅僅是考慮承載和強(qiáng)度，不僅僅是考慮某一種功能，如阻尼減振降噪，突出要考慮的是它的智能性，即對(duì)環(huán)境變化做出適時(shí)響應(yīng)和適應(yīng)的能力，亦即材料與結(jié)構(gòu)對(duì)信息的收集，信息的綜合與處理以及信息的反饋與控制的方法與能力。智能材料與結(jié)構(gòu)必須是材料、電子、機(jī)械、計(jì)算機(jī)等多方面的集成與一體化，它是現(xiàn)代高新技術(shù)的綜合與集成。由材料、結(jié)構(gòu)和電子互相融合而構(gòu)成的智能材料與結(jié)構(gòu)，是當(dāng)今材料與結(jié)構(gòu)高新技術(shù)發(fā)展的方向。隨著智能材料與結(jié)構(gòu)的發(fā)展還將出現(xiàn)一批新的學(xué)科與技術(shù)。包括：綜合材料學(xué)、精細(xì)工藝學(xué)、材料仿生學(xué)、生物工藝學(xué)、分子電子學(xué)、自適應(yīng)力學(xué)以及神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)和人工智能學(xué)等。智能材料與結(jié)構(gòu)已被許多國(guó)家確認(rèn)為必須重點(diǎn)發(fā)展的一門新技術(shù)，成為21 世紀(jì)復(fù)合材料一個(gè)重要發(fā)展方向。第4章 我國(guó)復(fù)合材料工業(yè)的發(fā)展概況 發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)復(fù)合材料的研究發(fā)展方向隨著科技的發(fā)展，樹脂與玻璃纖維在技術(shù)上不斷進(jìn)步，生產(chǎn)廠家的制造能力普遍提高，使得玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料的價(jià)格成本已被許多行業(yè)接受，但玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料的強(qiáng)度尚不足以和金屬匹敵。因此，碳纖維、硼纖維等增強(qiáng)復(fù)合材料相繼問(wèn)世，使高分子復(fù)合材料家族更加完備，已經(jīng)成為眾多產(chǎn)業(yè)的必備材料。 從應(yīng)用上看，復(fù)合材料在美國(guó)和歐洲主要用于航空航天、汽車等行業(yè)。而在日本，復(fù)合材料主要用于住宅建設(shè)。不過(guò)從全球范圍看，汽車工業(yè)是復(fù)合材料最大的用戶，今后發(fā)展?jié)摿θ允志薮?，目前還有許多新技術(shù)正在開發(fā)中。與此同時(shí)，隨著近年來(lái)人們對(duì)環(huán)保問(wèn)題的日益重視，高分子復(fù)合材料取代木材方面的應(yīng)用也得到了進(jìn)一步推廣。而可降解復(fù)合材料也成為國(guó)內(nèi)外開發(fā)研究的重點(diǎn)。 另外，納米技術(shù)逐漸引起人們的關(guān)注，納米復(fù)合材料的研究開發(fā)也成為新的熱點(diǎn)。以納米改性塑料，可使塑料的聚集態(tài)及結(jié)晶形態(tài)發(fā)生改變，從而使之具有新的性能，在克服傳統(tǒng)材料剛性與韌性難以相容的矛盾的同時(shí)，大大提高了材料的綜合性能。 我國(guó)對(duì)復(fù)合材料的研究發(fā)展方向及其成果 歷史之回顧1956年賴際發(fā)部長(zhǎng)率代表團(tuán)在蘇聯(lián)考察學(xué)習(xí)4個(gè)月，開始認(rèn)識(shí)到復(fù)合材料在國(guó)防軍工上的重要作用，并把這種材料命名為“玻璃鋼”。這就揭開了我國(guó)復(fù)合材料工業(yè)的序幕。 我國(guó)的復(fù)合材料工業(yè)始于1958年。發(fā)展歷程大致可分為兩個(gè)階段：以1978年12月份召開的中共十一屆三中全會(huì)為界。此前致力于國(guó)防軍工，為我國(guó)復(fù)合材料工業(yè)發(fā)展打基礎(chǔ)；此后國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)與人民生活所需的復(fù)合材料制品日趨發(fā)展。就這個(gè)行業(yè)本身而言，一直處于由小變大、由弱變強(qiáng)的進(jìn)程之中。復(fù)合材料主要原材料之一的玻璃纖維工業(yè)起步稍早。1957年，在北京管莊的建材研究院與上海耀華玻璃廠先后以坩堝拉制出了無(wú)堿玻璃纖維。60年代中期開發(fā)的中堿玻纖對(duì)發(fā)展耐酸蝕復(fù)合材料與降低成本、廣為應(yīng)用頗有意義。酚醛、不飽和聚酯樹脂生產(chǎn)技術(shù)，手糊、層壓、模壓、布帶纏繞、纖維纏繞工藝及設(shè)備設(shè)計(jì)技術(shù)此時(shí)已初步掌握。 1966年，建材部從英國(guó)引進(jìn)不飽和聚酯樹脂生產(chǎn)線，在常州二五三廠投產(chǎn)，對(duì)嗣后國(guó)內(nèi)復(fù)合材料發(fā)展起到了啟蒙和基礎(chǔ)性的作用。直到30多年后的今天，許多當(dāng)年的牌號(hào)還廣被生產(chǎn)與使用。 八十年代初我國(guó)復(fù)合材料工業(yè)的發(fā)展駛?cè)肓丝燔嚨馈? 1984年，經(jīng)國(guó)家建材局報(bào)呈國(guó)家經(jīng)委，批準(zhǔn)中國(guó)玻璃鋼工業(yè)協(xié)會(huì)成立。 1986年，引進(jìn)意大利纖維纏繞復(fù)合材料管道與貯罐生產(chǎn)線，首開規(guī)?；笊a(chǎn)復(fù)合材料制品之先河。以此為契機(jī)，建立了我國(guó)的復(fù)合材料管道與貯罐工業(yè)，并促進(jìn)了玻纖、樹脂、助劑的