先进复合材料的发展和展望.doc

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1、先进复合材料的发展和展望哈尔滨工业大学材料科学与工程学院哈尔滨近年来随着科学技术的不断进步材料技术得到飞速发展其中尤以先进复合材料的发展最为突出。先进复合材料AdvancedCompositesACM专指可用于加工主承力结构和次承力结构、其刚度和强度性能相当于或超过铝合金的复合材料。目前主要指有较高强度和模量的硼纤维、碳纤维、芳纶等增强的复合材料。ACM在航空航天等军事上的应用价值特别大。比如军用飞机和卫星要又轻又结实军用舰船要又耐高压又耐腐蚀。这些苛刻的要求只有借助新材料技术才能解决。ACM具有质量轻较高的比强度、比模量、较好的延展性、抗腐蚀、导热

2、、隔热、隔音、减振、耐高低温独特的耐烧蚀性、透电磁波吸波隐蔽性、材料性能的可设计性、制备的灵活性和易加工性等特点。以碳纤维增强树脂基复合材料为代表的先进复合材料已经成为航空航天、交通运输、能源动力、体育休闲、电子信息、基础工程建设、武器装备等工业领域不可缺少的重要材料近年来更是呈现飞速发展的趋势。本文将对先进复合材料的发展情况进行介绍并对未来的发展方向进行展望。随着碳纤维增强复合材料在航空航天和其他工业领域应用的迅速发张碳纤维的需求迅速增加。我国先进复合材料行业所用的碳纤维几乎全部依赖进口因此碳纤维短缺的局面严重影响了我国复合材料产业的增长真至制约了

3、航空航天及国防军工事业的发展与我国的经济社会发展进程极不相称。我国碳纤维的研制已经历近30多年的漫长历程其间亦曾想从国外引进原丝技术或与国外合作开发但未有进展。我国科技工作者独立自主对原丝进行了一系列研究形成了以IK、3K、6K小丝束的实验线但由于存在杂质含量高金属离子、机械杂质、质量稳定性差、变异系数大、毛丝断头多、分纤性差以及油剂等问题不能制得稳定的高性能碳纤维原丝再加上众多基础科学问题、设备问题、管理和机制上的问题冃前我国并没有形成和T300相当的稳定供应的碳纤维。因此加速国家碳纤维的产业化并形成规模化牛产能力对先进复合材料行业和我国国民经济其

4、他行业的发展至关重要和迫切。碳纤维的发展最早可追溯到1860年J.Swon研制但未成功的试图用于灯泡的灯丝开始1空()年T.A.Edison成功研制出白炽碳丝灯泡而真正有工业化意义的应该是从1959年美国联合碳化物公司UCC粘胶基碳纤维CF工业化同年日本人A.Shindo发明了用PAN原丝制取CF的新方法并中请了专利算起。历时四十余年的风雨历程碳纤维的发展已初具规模到目前为止已有包括日、美为主的十余家牛产企业和每年近5.2万余吨的产能其中PAN基占93沥青基占7并J4该规模的前提是Zohek等公司能按计划在200()年达标由于强度和模量的平衡性更好因

5、而日前的生产及其在碳纤维增强树脂CFRP中的应用更多地是以聚丙烯H青PAN慕碳纤维为主。在PAN慕CF生产过程中严格控制金属离子含量及环境条件如原料要进行严格净化处理生产过程宜在超净化场所进行等以制备出高纯度的PAN原丝是牛产高品质碳纤维的首要条件。另外原丝氧化和碳化工艺也是控制碳纤维性能的关键碳纤维最初是作为航空航天高技术产品没计而发展起来的。因此碳纤维的性能是其合适与否的关键。随着经济的发展性能优异的碳纤维在体育休闲用途如钓鱼杆、高尔夫球杆、球拍、自行车、游艇等和一般产业领域得到了更广泛的发展。80年代中期碳纤维在体育用途方面的消耗量超过宇航用途

6、到1996年在一般产业用途的消耗量达到4480吨占整个PAN基碳纤维消耗量的42在历史上首次超过体育用途41。当然碳纤维在宇航以外的领域能否得到更大的发展经济可承受性或者说碳纤维的价格将是最直接的因素。碳纤维是由石墨层片维机体结构单元组成的乱层石墨结构数十张层片组成石墨微晶再由石墨微晶组成原纤进而形成沿纤维轴择优取向的同质多晶结构碳纤维。由于在碳纤形成过程中非碳原子的脱除会形成各种微小的缺陷加之微晶的大小、取向程度等诸因素的影响使得最终纤维的强度及模量与理论值有较大差异从另一方面说明发展高强高模碳纤维仍具有很大的潜力。目前92以上碳纤维是作为增强纤维

7、用于复合材料。控制好碳纤维与基体常用环氧类树脂界面是获得具有理想界面剪切强度、层间剪切强度ILSS等特征或者好的应用性能复台材料的关键。未经表而处理的碳纤维表而呈惰性缺乏与慕体间高的化学键合或者物理结合因子CF环氧体系以化学结台对界面性能提高贡献为主在CF酚醛体系中以机械锲合为主因此碳纤维常经过诸如表面氧化、表面涂层、表面沉积或者中了辐照、电聚合等等多种工艺处理主要作用原理就是增加碳纤表面上能与基体间共价键台的活性官能团或者增加碳纤表面微孔粗糙度。当然影响界面粘合①囊蜃蛹捌淆八嗔壻椁叵的壳吧胁皐扌查智咒弗6威姨枷吮薯姻護沓潭纫脖魁弧口六肿宋D姑慷刃幵

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