中國復合材料工業(yè)發(fā)展的趨勢
1．概況復合材料以其輕質(zhì)、高強、耐腐蝕、抗沖擊等優(yōu)異性質(zhì)而受到世界工業(yè)界的青睞。其中以玻璃纖維增強樹(shù)脂復合材料為該產(chǎn)品的主要部分。其產(chǎn)量逐年增加，應用范圍迅速擴大，以成為工業(yè)及人民日常生活不可缺少的材料。在美國及歐洲等發(fā)達國家，玻璃鋼及相關(guān)原材料工業(yè)的年增長(cháng)率一直遠高于本國的GDP增長(cháng)率。然而，世界復合材料的發(fā)展在地區上是不平衡的，復合材料工業(yè)主要集中在北美（占33％）、歐洲（占32％）以及亞洲（占30％）。與其他工業(yè)的發(fā)展速度相比，亞洲的復合材料工業(yè)的發(fā)展速度最快，尤其以中國最為迅猛，中國向世界提供大量的相關(guān)產(chǎn)品，國內的需求也持續增長(cháng)，估計這種情況將會(huì )持續相當長(cháng)的一段時(shí)間。眾所周知，復合材料工業(yè)在中國是朝陽(yáng)工業(yè)，每年均有大量的相關(guān)原材料及半成品乃至成品出口。玻璃鋼總產(chǎn)量多年來(lái)持續年增長(cháng)率超過(guò)12％，遠大于國民經(jīng)濟GDP的年增長(cháng)率。目前，我國玻璃鋼產(chǎn)量已居世界前三強的地位，2003年我國玻璃鋼年產(chǎn)量達94萬(wàn)噸。主要的消費結構是建筑、管道、化工防腐、工業(yè)電器，具體產(chǎn)品如城市民用上下水管道、輸油管道、化工食品儲罐、化工格柵、冷卻塔、地鐵第三軌保護罩、空調冰箱殼體、電器產(chǎn)品、建筑水箱、整體衛生間、化工吸收塔、空氣過(guò)濾器等。在飛速發(fā)展的同時(shí)，應清醒地看到我國復合材料發(fā)展中的不平衡，認真分析世界復合材料市場(chǎng)發(fā)展的趨勢，認清當前存在的問(wèn)題，才能把握方向，達到使我國復合材料工業(yè)健康地、可持續地發(fā)展。筆者認為，從發(fā)展的角度，當前應注意到如下問(wèn)題：● 高技術(shù)產(chǎn)品少，低水平重復產(chǎn)品多；● 產(chǎn)品應用領(lǐng)域遠不如發(fā)達國家寬廣；在高技術(shù)領(lǐng)域中的應用更少；● 工藝技術(shù)及設備急待提高；生產(chǎn)效率低；● 普遍缺少質(zhì)量控制體系，產(chǎn)品質(zhì)量重復性、可靠性差；材料及制品的標準化程度極低；● 急待解決回收及循環(huán)利用技術(shù)，改善對環(huán)境的大量污染；2．高性能復合材料應更加速發(fā)展復合材料在航空、航天、火車(chē)、汽車(chē)等方面的應用，國外已有大量報道，而且確有從非受力的部件向受力的結構件擴大的明顯趨勢。據最近的報道，波音公司宣稱(chēng)在其最新機型波音7E7的基礎結構上包括機翼及機身的結構上，使用更多的先進(jìn)復合材料，即石墨纖維增強環(huán)氧樹(shù)脂及石墨纖維增強金屬鈦合金，研究結果表明，復合材料使飛機結構件有更好的耐磨損性并減少了維修工作。歐洲品牌空中客車(chē)采用碳纖維復合材料的艙壁，大大減輕了機身重量。我國在高性能復合材料的研制工作中取得一定成果，但主要集中在軍用方面，民用方面應用甚少，主要原因是我國高性能復合材料從原材料、工藝技術(shù)等方面的成本居高不下，這方面與發(fā)達國家存在較大的差距。如德國已將高性能熱塑性復合材料制成彈簧，用這種復合材料彈簧做的床，在各個(gè)不同的角度上支撐人體，再胖的大塊頭也不會(huì )使床發(fā)生任何部分的塌陷，從而人感覺(jué)剛柔并存、非常舒適?！窀咝阅芴祭w維資源是發(fā)展我國高性能復合材料的重要關(guān)鍵我國至今尚無(wú)能力生產(chǎn)高性能碳纖維，目前主要依靠進(jìn)口，西方國家在某些品種上對我國實(shí)行禁運，這在很大程度上限制了高性能復合材料的發(fā)展及應用?？磥?lái)這一瓶頸問(wèn)題仍然是我國化工界及復合材料界需下大力度攻克的關(guān)鍵項目。在發(fā)展高性能復合材料中，必須運用材料科學(xué)的方法，進(jìn)行材料結構的設計，用計算機模擬法研究工藝過(guò)程纖維的定向及界面所發(fā)生的變化；用有限元法分析計算受力過(guò)程中材料內部結構單元的受力狀況及材料總體負荷－應力－應變的關(guān)系，從而得出模型表面的數據、制品的壁厚、模壓后材料在模具中的分布、所需材料用量等重要工藝數據，從而實(shí)現了模擬計算－結構設計－工藝參數－制品批量生產(chǎn)的理想的、合理的制備流程。只有科學(xué)地進(jìn)行材料的結構設計，嚴密控制原材料品質(zhì)及工藝參數，才有可能實(shí)現復合材料制品性能的重復性及可靠性?！?nbsp;船艇制造、高壓氣瓶等高技術(shù)復合材料產(chǎn)業(yè)正在發(fā)展勢頭隨著(zhù)人民生活水平不斷的提高，休閑、娛樂(lè )已成為生活中不可缺少的部分，用于家庭及公司團體娛樂(lè )、休閑、會(huì )議用的豪華游艇將會(huì )成為下一個(gè)10年中的消費熱點(diǎn)。作為安全系數很高的產(chǎn)品，必須應用高性能復合材料，而高性能復合材料的發(fā)展將會(huì )應這種強大的市場(chǎng)需求而迅速商業(yè)化。目前國內相關(guān)項目已經(jīng)啟動(dòng)，可望有較好的市場(chǎng)前景。復合材料游艇● 重視納米技術(shù)在復合材料中的應用納米級尺度的金屬或半導體粒子所顯現出來(lái)的尺寸效應，對材料電、磁、光等性能革命性的改善，首先主要應用于磁電及高能物理領(lǐng)域；但人們也發(fā)現了納米技術(shù)在復合材料領(lǐng)域中應用的巨大潛力，如含有碳納米管CTN（直徑為納米級尺度，長(cháng)度可達毫米級）的新一代的復合超級碳纖維，具有比當今最好的碳纖維更優(yōu)異的性能，用它可制備高性能防彈衣，由于微觀(guān)結構中存在吸收能量的機制，故具有極強的抗沖擊性。用這種特殊的納米纖維還可制備用于能量轉換的動(dòng)力源或傳感器，或使材料具有特殊的光學(xué)性能。采用納米尺度的添加劑，可以改變復合材料用樹(shù)脂的許多性能，有可能制備出高性能的產(chǎn)品及涂料。納米技術(shù)將加速智能型復合材料的開(kāi)發(fā)及應用。在解決了納米尺度物質(zhì)的均勻分散技術(shù)、納米纖維或粒子與樹(shù)脂基體的界面相容性后，納米技術(shù)在復合材料中的應用就不會(huì )僅僅限于科學(xué)研究，而是可能迅速地商品化成為實(shí)用工業(yè)技術(shù)。3．建筑工程方面的應用將帶動(dòng)我國復合材料總產(chǎn)量的進(jìn)一步提高美國、日本等國家中復合材料在建筑及工程中的應用占有很大的比例，從屋面瓦、內外墻復面板到整體衛生間，人們在日常生活中享受著(zhù)復合材料帶給他們的快樂(lè )；復合材料可作成整體建筑、活動(dòng)房屋、屋頂、化工設施基礎、池罐、給排水管道、輸油管、儲油罐。用復合材料作為加強筋可強化混凝土結構，提高承載能力，在海底工程中及智能混凝土方面大有作為。我國這方面的市場(chǎng)雖然很大，已開(kāi)始開(kāi)發(fā)在建筑工程方面的應用，如玻璃鋼儲油池，糧倉等。但由于過(guò)去10年中劣質(zhì)玻璃鋼制品讓人們至今還心有余悸，可見(jiàn)產(chǎn)品質(zhì)量對當前市場(chǎng)乃至遠景市場(chǎng)的影響有多么大。要反省過(guò)去的失誤，當前最重要的是提高建筑用玻璃鋼產(chǎn)品的質(zhì)量建立、健全中國復合材料制品的國家標準并使之與國際標準接軌。由于復合材料的輕質(zhì)、高強、耐腐蝕及耐久性，在橋梁建筑中必將大有作為。據美國市場(chǎng)開(kāi)發(fā)協(xié)會(huì )統計，現世界上共有復合材料橋337座，其中過(guò)車(chē)橋有175座，人行橋有162座。這些橋絕大部分分布在北美，占80％，另外10％分布在歐洲，10％分布在亞洲及遠東地區。僅美國在2000年后，就新建了46座人行橋及93座過(guò)車(chē)橋，全美有15家公司從事復合材料的筑橋工程。筑橋工程中采用的主要復合材料部件是橋面板、增強筋、及吊桿等。美國馬丁復合材料公司和美國國家復合材料中心在2002年5月22日宣稱(chēng)，作為復合材料用于基礎設施建設規劃的一部分，他們已安裝了第一座橋的復合材料橋面板（計劃中共6座橋）。該橋位于美國俄亥俄州的格林斯縣菲爾葛朗德公路上，共三個(gè)跨度，總面積為7074平方英尺即786平方米。英國A19公路早在1988年就完成了1.6萬(wàn)平方米的T型架橋?，F已存在的鋼筋混凝土結構的橋梁中，由于在大氣環(huán)境下發(fā)生在鋼筋及混凝土界面附近的微電池的作用，使鋼筋很快被腐蝕，橋梁出現裂縫，嚴重時(shí)影響使用。用碳纖維織物與環(huán)氧樹(shù)脂制備的增強片，可修復這類(lèi)橋梁，使之回復安全使用，國外在這方面的市場(chǎng)很大。由于建筑方面的應用涉及的材料數量很大，故對我國復合材料總產(chǎn)量的迅速增長(cháng)所貢獻的份額將會(huì )很大。
用復合材料建造的會(huì )議中心（美國芝加哥）4．閉模工藝肯定是發(fā)展趨勢●模壓工藝模壓工藝（如SMC、BMC等）是典型的閉模工藝，適合于大批量的生產(chǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量穩定，但一次性投資高；近期開(kāi)發(fā)了低壓SMC，比傳統模壓的模具及制造成本大大降低國內玻璃鋼企業(yè)現在大量采用的是手糊工藝及噴射工藝，即所謂的開(kāi)模工藝。設備簡(jiǎn)陋，操作條件惡劣，對環(huán)境造成破壞，生產(chǎn)效率低，已引起各方的密切關(guān)注。國內近年來(lái)引進(jìn)的纖維纏繞制備管道生產(chǎn)線(xiàn)，雖然設備先進(jìn)，可實(shí)現半自動(dòng)化生產(chǎn)，但工藝過(guò)程仍是開(kāi)模型的，樹(shù)脂中苯乙烯的揮發(fā)依然使操作環(huán)境惡劣，加強排風(fēng)可局部改善車(chē)間環(huán)境，但有大量苯乙烯及其他揮發(fā)物排放至大氣中?！?nbsp;RTM 工藝80年代初，各國相繼出臺的環(huán)保政策，對玻璃鋼制備過(guò)程中釋放的苯乙烯含量進(jìn)行了強行性的限制以減少對環(huán)境的污染及對工人健康的損害，促使生產(chǎn)商不得不將開(kāi)模工藝向閉模工藝過(guò)渡，開(kāi)發(fā)了如RTM（英譯文為樹(shù)脂傳遞模塑成型工藝），不但大大減少了苯乙烯的揮發(fā)，比模壓工藝（SMC）的模具成本低，生產(chǎn)成本降低，產(chǎn)品質(zhì)量提高。近年來(lái)已形成了系列的RTM技術(shù)，如：真空模塑（VM），適用于大型部件及玻纖含量高的部件；共同注射工藝（CI RTM）柔性RTM即采用柔性膜制備預制件；樹(shù)脂滲透工藝（F RTM）；連續工藝（CRTM ）；樹(shù)脂循環(huán)注射工藝；光、電子束固化工藝；機械振動(dòng)輔助工藝； 值得提出的是造船工業(yè)，目前絕大多數采用手糊或噴射工藝制備船的殼體，是環(huán)境污染大戶(hù)，現在國際上正迅速開(kāi)發(fā)適合于造船工業(yè)的閉模工藝，如法國的PPE公司推出了中心真空、周邊注射及中心注射、周邊真空的閉模工藝，過(guò)程中樹(shù)脂經(jīng)周邊到達全部，由于內部壓力低，可以采用較輕量的上模，降低成本，采用這兩種工藝均可獲得均勻的厚度及平滑的表面并可實(shí)現工藝的自動(dòng)化。 ●VEC（虛擬工程） 工藝據報道，世界上最大的游艇制造商、美國的Genmar造船廠(chǎng)開(kāi)發(fā)了造船的閉模工藝即VEC（Virtual Engineered Composite Fiberglass）工藝，即“虛擬復合材料工程技術(shù)”, 是計算機控制的自動(dòng)化的閉模工藝，共有500多工藝參數對過(guò)程進(jìn)行控制，采用“浮動(dòng)模型”及高壓水介質(zhì)，生產(chǎn)過(guò)程在一個(gè)封閉系統內進(jìn)行。制備的船殼體比采用傳統工藝的制備速度快4倍且質(zhì)量更好，具有更高的機械強度、極佳的剛性及韌性。目前，該公司已推出第三代的VEC技術(shù)，已達到完全沒(méi)有揮發(fā)物的逸出。由于采用了特殊的表面技術(shù)，船殼體表面具有對微裂紋的自愈性能，表面耐磨性提高3倍，表面光澤好、耐刮傷、耐污垢、耐紫外；確認第三代VEC工藝是低壓過(guò)程，低成本，更適于大批量的生產(chǎn)。該項技術(shù)獲得美國環(huán)保局的凈化空氣獎。5．即使采用開(kāi)模工藝，也必須采用新材料、新措施，減少對環(huán)境的污染發(fā)展環(huán)境保護的復合材料工業(yè)技術(shù)瑞典的Viamare Group是歐洲著(zhù)名的造船公司，目前雖然采用開(kāi)模工藝，但在生產(chǎn)過(guò)程中采取各種措施不斷降低苯乙烯的揮發(fā)量，包括采用低揮發(fā)樹(shù)脂、特種表面固化促進(jìn)劑及苯乙烯的回收技術(shù)。遵照歐洲環(huán)保標準，1970年時(shí)，苯乙烯排放量限制在100ppm以下，而在2003年，該2003年時(shí)排放量已為10ppm以下。法國限量為50ppm; 而我國目前制定的標準與歐洲差距甚大，規定二級企業(yè)苯乙烯的排放標準為5-7mg/m3, 盡管此數值比數年前降低了10倍，仍然對環(huán)境及工人健康造成威脅。為減少苯乙烯的揮發(fā)量，工業(yè)界推出了系列的低苯乙烯揮發(fā)樹(shù)脂及膠衣（LSC），與傳統樹(shù)脂相比，苯乙烯揮發(fā)量減少了30％，同時(shí)采用促進(jìn)表面快速固化的添加劑，進(jìn)一步減少了苯乙烯的揮發(fā)，且使固化后的樹(shù)脂性能更好。我國如新上樹(shù)脂項目的話(huà)，必須考慮這個(gè)技術(shù)方向。6．復合材料的回收及循環(huán)利用復合材料的回收必須提到議事日程，這個(gè)問(wèn)題已成為左右復合材料工業(yè)發(fā)展的壁壘問(wèn)題，甚至可以說(shuō)回收利用是復合材料生命攸關(guān)的問(wèn)題。很多國家為此限定復合材料制品生產(chǎn)商的年產(chǎn)量如歐洲對報廢車(chē)輛的要求是，到2006年年底，每輛車(chē)要有85％可回收的塑料、橡膠和玻璃，到2015年底，這個(gè)數值要達到95％；面對這種局勢，中國作為復合材料的生產(chǎn)大國，不能僅僅為年產(chǎn)量高居世界第三位而自喜，而應進(jìn)一步認識到因此所承擔的更重要的環(huán)境責任。為此，復合材料的生產(chǎn)企業(yè)、大用戶(hù)及政府均應給予有力度的投入。在徹底解決這個(gè)問(wèn)題之前，估計中國在不遠的幾年內就會(huì )對企業(yè)熱固性玻璃鋼生產(chǎn)量的嚴格限制。英國利茲大學(xué)與工業(yè)界經(jīng)過(guò)2年的研究，提出了解決廢棄復合材料的科學(xué)方法以解決日益增長(cháng)的復合材料廢棄物問(wèn)題。他們提出可將廢舊的保險杠變成新的。這種技術(shù)是將復合材料在缺氧的條件中在較低的溫度下進(jìn)行熱解，使先轉變成其初始組元即油及纖維及少量的碳，它們是可再利用的；由于處理溫度低，纖維的強度能夠保持如初，不會(huì )變脆。進(jìn)行物理分離后所有的組分均可循環(huán)利用；英國化工及汽車(chē)界諸多組織、部門(mén)及公司均參與了這項計劃?！?nbsp;熱塑性樹(shù)脂給復合材料的回收利用帶來(lái)可能 如PA（聚酰胺）， PBT（聚丁烯對苯二甲酸脂），PP（聚丙烯），POM（聚縮醛縮二醇）， PC（聚碳酸脂）等，在我國也發(fā)展很快，2002年比前一年增長(cháng)了10％。采用熱塑性樹(shù)脂是循環(huán)再利用復合材料的積極措施?！?nbsp;復合木質(zhì)材料（WPC）的啟示復合木質(zhì)材料（WPC）是很值得推薦的一種復合材料，先起源于歐洲，后在北美迅速擴展。這種材料是以天然的含有纖維的木材下腳料、亞麻、黃麻、竹子、麥稈、玉米皮甚至廢報紙為原料，采用復合材料的制造工藝與聚合物如PP、PE、PVC及循環(huán)再利用的回收樹(shù)脂等制備出聚合物木材，從而使傳統的木材工業(yè)發(fā)生了令人驚詫的革命性的變化。過(guò)去5年中這種材料的市場(chǎng)需求增長(cháng)很快，市場(chǎng)每年以100％的速率增長(cháng)。這種材料中固體添加物含量可達70％，可制成外觀(guān)與木材相仿的板材、型材，目前用于室內外裝飾、復面板、門(mén)窗框等，替代天然木材。該材料的主要特點(diǎn)是：尺寸穩定性好、不腐朽、耐潮濕、吸水率低（僅0.7％松木為17％）、耐沖擊、膨脹系數與鋁合金接近、高溫下機械性能有所提高、耐低溫性能優(yōu)異。如添加適當的阻燃劑。防火劑，可使材料的阻燃性能大大提高。加工、使用這種材料時(shí)，可使用傳統工具，可彎曲、鉆孔、釘、鋸、刻花紋、開(kāi)榫；需加用固緊件時(shí)，其固緊強度比天然木材高2－4倍并可對其進(jìn)行各種類(lèi)型的連接。引起關(guān)注的是，如采用一定的技術(shù)，可以制備出用于結構件的WPC，如加拿大的某公司采用定向技術(shù)開(kāi)發(fā)出了定向復合木材，具有更優(yōu)異的力學(xué)性能，其外觀(guān)、結構、手感更接近木材，并可起到結構件的作用。木材復合材料這種材料利用大量的廢棄物，制造成本低廉，易于制造及使用，可回收再利用（甚至可回收利用多次），是對環(huán)境友善的材料，值得推廣?？梢韵胂?，如果用這種使用壽命更長(cháng)的材料來(lái)替代天然木材，會(huì )為我們國家保護了多少寶貴的森林資源！7．結論● 我國復合材料在近年中仍會(huì )保持高速發(fā)展的趨勢；● 高性能復合材料制品如船艇、高壓容器等將會(huì )迅速發(fā)展；● 大部分傳統開(kāi)模工藝如手糊、噴射必定有較大的革新，向閉模工藝過(guò)渡；● 國內將逐漸建立、健全與國際接軌的復合材料材料及產(chǎn)品相關(guān)標準；● 與環(huán)境友好的材料及工藝是發(fā)展趨勢；● 復合材料的回收、循環(huán)利用將成為新的產(chǎn)業(yè)；
