中國復(fù)合材料工業(yè)發(fā)展的趨勢
1．概況復(fù)合材料以其輕質(zhì)、高強(qiáng)、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(qiáng)樹脂復(fù)合材料為該產(chǎn)品的主要部分。其產(chǎn)量逐年增加，應(yīng)用范圍迅速擴(kuò)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(dá)國家，玻璃鋼及相關(guān)原材料工業(yè)的年增長率一直遠(yuǎn)高于本國的GDP增長率。然而，世界復(fù)合材料的發(fā)展在地區(qū)上是不平衡的，復(fù)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(fù)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(nèi)的需求也持續(xù)增長，估計(jì)這種情況將會持續(xù)相當(dāng)長的一段時間。眾所周知，復(fù)合材料工業(yè)在中國是朝陽工業(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)量多年來持續(xù)年增長率超過12％，遠(yuǎn)大于國民經(jīng)濟(jì)GDP的年增長率。目前，我國玻璃鋼產(chǎn)量已居世界前三強(qiáng)的地位，2003年我國玻璃鋼年產(chǎn)量達(dá)94萬噸。主要的消費(fèi)結(jié)構(gòu)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(hù)罩、空調(diào)冰箱殼體、電器產(chǎn)品、建筑水箱、整體衛(wèi)生間、化工吸收塔、空氣過濾器等。在飛速發(fā)展的同時，應(yīng)清醒地看到我國復(fù)合材料發(fā)展中的不平衡，認(rèn)真分析世界復(fù)合材料市場發(fā)展的趨勢，認(rèn)清當(dāng)前存在的問題，才能把握方向，達(dá)到使我國復(fù)合材料工業(yè)健康地、可持續(xù)地發(fā)展。筆者認(rèn)為，從發(fā)展的角度，當(dāng)前應(yīng)注意到如下問題：● 高技術(shù)產(chǎn)品少，低水平重復(fù)產(chǎn)品多；● 產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域遠(yuǎn)不如發(fā)達(dá)國家寬廣；在高技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用更少；● 工藝技術(shù)及設(shè)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(fù)性、可靠性差；材料及制品的標(biāo)準(zhǔn)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(fù)合材料應(yīng)更加速發(fā)展復(fù)合材料在航空、航天、火車、汽車等方面的應(yīng)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(jié)構(gòu)件擴(kuò)大的明顯趨勢。據(jù)最近的報道，波音公司宣稱在其最新機(jī)型波音7E7的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上包括機(jī)翼及機(jī)身的結(jié)構(gòu)上，使用更多的先進(jìn)復(fù)合材料，即石墨纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂及石墨纖維增強(qiáng)金屬鈦合金，研究結(jié)果表明，復(fù)合材料使飛機(jī)結(jié)構(gòu)件有更好的耐磨損性并減少了維修工作。歐洲品牌空中客車采用碳纖維復(fù)合材料的艙壁，大大減輕了機(jī)身重量。我國在高性能復(fù)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(yīng)用甚少，主要原因是我國高性能復(fù)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(dá)國家存在較大的差距。如德國已將高性能熱塑性復(fù)合材料制成彈簧，用這種復(fù)合材料彈簧做的床，在各個不同的角度上支撐人體，再胖的大塊頭也不會使床發(fā)生任何部分的塌陷，從而人感覺剛?cè)岵⒋妗⒎浅Ｊ孢m?！窀咝阅芴祭w維資源是發(fā)展我國高性能復(fù)合材料的重要關(guān)鍵我國至今尚無能力生產(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(yùn)，這在很大程度上限制了高性能復(fù)合材料的發(fā)展及應(yīng)用?？磥磉@一瓶頸問題仍然是我國化工界及復(fù)合材料界需下大力度攻克的關(guān)鍵項(xiàng)目。在發(fā)展高性能復(fù)合材料中，必須運(yùn)用材料科學(xué)的方法，進(jìn)行材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，用計(jì)算機(jī)模擬法研究工藝過程纖維的定向及界面所發(fā)生的變化；用有限元法分析計(jì)算受力過程中材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)單元的受力狀況及材料總體負(fù)荷－應(yīng)力－應(yīng)變的關(guān)系，從而得出模型表面的數(shù)據(jù)、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(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)了模擬計(jì)算－結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)－工藝參數(shù)－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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，嚴(yán)密控制原材料品質(zhì)及工藝參數(shù)，才有可能實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料制品性能的重復(fù)性及可靠性。● 船艇制造、高壓氣瓶等高技術(shù)復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)正在發(fā)展勢頭隨著人民生活水平不斷的提高，休閑、娛樂已成為生活中不可缺少的部分，用于家庭及公司團(tuán)體娛樂、休閑、會議用的豪華游艇將會成為下一個10年中的消費(fèi)熱點(diǎn)。作為安全系數(shù)很高的產(chǎn)品，必須應(yīng)用高性能復(fù)合材料，而高性能復(fù)合材料的發(fā)展將會應(yīng)這種強(qiáng)大的市場需求而迅速商業(yè)化。目前國內(nèi)相關(guān)項(xiàng)目已經(jīng)啟動，可望有較好的市場前景。復(fù)合材料游艇● 重視納米技術(shù)在復(fù)合材料中的應(yīng)用納米級尺度的金屬或半導(dǎo)體粒子所顯現(xiàn)出來的尺寸效應(yīng)，對材料電、磁、光等性能革命性的改善，首先主要應(yīng)用于磁電及高能物理領(lǐng)域；但人們也發(fā)現(xiàn)了納米技術(shù)在復(fù)合材料領(lǐng)域中應(yīng)用的巨大潛力，如含有碳納米管CTN（直徑為納米級尺度，長度可達(dá)毫米級）的新一代的復(fù)合超級碳纖維，具有比當(dāng)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，由于微觀結(jié)構(gòu)中存在吸收能量的機(jī)制，故具有極強(qiáng)的抗沖擊性。用這種特殊的納米纖維還可制備用于能量轉(zhuǎn)換的動力源或傳感器，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(fù)合材料用樹脂的許多性能，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(fù)合材料的開發(fā)及應(yīng)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脂基體的界面相容性后，納米技術(shù)在復(fù)合材料中的應(yīng)用就不會僅僅限于科學(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(yīng)用將帶動我國復(fù)合材料總產(chǎn)量的進(jìn)一步提高美國、日本等國家中復(fù)合材料在建筑及工程中的應(yīng)用占有很大的比例，從屋面瓦、內(nèi)外墻復(fù)面板到整體衛(wèi)生間，人們在日常生活中享受著復(fù)合材料帶給他們的快樂；復(fù)合材料可作成整體建筑、活動房屋、屋頂、化工設(shè)施基礎(chǔ)、池罐、給排水管道、輸油管、儲油罐。用復(fù)合材料作為加強(qiáng)筋可強(qiáng)化混凝土結(jié)構(gòu)，提高承載能力，在海底工程中及智能混凝土方面大有作為。我國這方面的市場雖然很大，已開始開發(fā)在建筑工程方面的應(yīng)用，如玻璃鋼儲油池，糧倉等。但由于過去10年中劣質(zhì)玻璃鋼制品讓人們至今還心有余悸，可見產(chǎn)品質(zhì)量對當(dāng)前市場乃至遠(yuǎn)景市場的影響有多么大。要反省過去的失誤，當(dāng)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(fù)合材料制品的國家標(biāo)準(zhǔn)并使之與國際標(biāo)準(zhǔn)接軌。由于復(fù)合材料的輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕及耐久性，在橋梁建筑中必將大有作為。據(jù)美國市場開發(fā)協(xié)會統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)世界上共有復(fù)合材料橋337座，其中過車橋有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(yuǎn)東地區(qū)。僅美國在2000年后，就新建了46座人行橋及93座過車橋，全美有15家公司從事復(fù)合材料的筑橋工程。筑橋工程中采用的主要復(fù)合材料部件是橋面板、增強(qiáng)筋、及吊桿等。美國馬丁復(fù)合材料公司和美國國家復(fù)合材料中心在2002年5月22日宣稱，作為復(fù)合材料用于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)劃的一部分，他們已安裝了第一座橋的復(fù)合材料橋面板（計(jì)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1.6萬平方米的T型架橋?，F(xiàn)已存在的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)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(xiàn)裂縫，嚴(yán)重時影響使用。用碳纖維織物與環(huán)氧樹脂制備的增強(qiáng)片，可修復(fù)這類橋梁，使之回復(fù)安全使用，國外在這方面的市場很大。由于建筑方面的應(yīng)用涉及的材料數(shù)量很大，故對我國復(fù)合材料總產(chǎn)量的迅速增長所貢獻(xiàn)的份額將會很大。
用復(fù)合材料建造的會議中心（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(wěn)定，但一次性投資高；近期開發(fā)了低壓SMC，比傳統(tǒng)模壓的模具及制造成本大大降低國內(nèi)玻璃鋼企業(yè)現(xiàn)在大量采用的是手糊工藝及噴射工藝，即所謂的開模工藝。設(shè)備簡陋，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(nèi)近年來引進(jìn)的纖維纏繞制備管道生產(chǎn)線，雖然設(shè)備先進(jìn)，可實(shí)現(xiàn)半自動化生產(chǎn)，但工藝過程仍是開模型的，樹脂中苯乙烯的揮發(fā)依然使操作環(huán)境惡劣，加強(qiáng)排風(fēng)可局部改善車間環(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，對玻璃鋼制備過程中釋放的苯乙烯含量進(jìn)行了強(qiáng)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)商不得不將開模工藝向閉模工藝過渡，開發(fā)了如RTM（英譯文為樹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(yù)制件；樹脂滲透工藝（F RTM）；連續(xù)工藝（CRTM ）；樹脂循環(huán)注射工藝；光、電子束固化工藝；機(jī)械振動輔助工藝； 值得提出的是造船工業(yè)，目前絕大多數(shù)采用手糊或噴射工藝制備船的殼體，是環(huán)境污染大戶，現(xiàn)在國際上正迅速開發(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，過程中樹脂經(jīng)周邊到達(dá)全部，由于內(nèi)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(xiàn)工藝的自動化。 ●VEC（虛擬工程） 工藝據(jù)報道，世界上最大的游艇制造商、美國的Genmar造船廠開發(fā)了造船的閉模工藝即VEC（Virtual Engineered Composite Fiberglass）工藝，即“虛擬復(fù)合材料工程技術(shù)”, 是計(jì)算機(jī)控制的自動化的閉模工藝，共有500多工藝參數(shù)對過程進(jìn)行控制，采用“浮動模型”及高壓水介質(zhì)，生產(chǎn)過程在一個封閉系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行。制備的船殼體比采用傳統(tǒng)工藝的制備速度快4倍且質(zhì)量更好，具有更高的機(jī)械強(qiáng)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(dá)到完全沒有揮發(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(rèn)第三代VEC工藝是低壓過程，低成本，更適于大批量的生產(chǎn)。該項(xiàng)技術(shù)獲得美國環(huán)保局的凈化空氣獎。5．即使采用開模工藝，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(hù)的復(fù)合材料工業(yè)技術(shù)瑞典的Viamare Group是歐洲著名的造船公司，目前雖然采用開模工藝，但在生產(chǎn)過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(biāo)準(zhǔn)，1970年時，苯乙烯排放量限制在100ppm以下，而在2003年，該2003年時排放量已為10ppm以下。法國限量為50ppm; 而我國目前制定的標(biāo)準(zhǔn)與歐洲差距甚大，規(guī)定二級企業(yè)苯乙烯的排放標(biāo)準(zhǔn)為5-7mg/m3, 盡管此數(shù)值比數(shù)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)樹脂及膠衣（LSC），與傳統(tǒng)樹脂相比，苯乙烯揮發(fā)量減少了30％，同時采用促進(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)，且使固化后的樹脂性能更好。我國如新上樹脂項(xiàng)目的話，必須考慮這個技術(shù)方向。6．復(fù)合材料的回收及循環(huán)利用復(fù)合材料的回收必須提到議事日程，這個問題已成為左右復(fù)合材料工業(yè)發(fā)展的壁壘問題，甚至可以說回收利用是復(fù)合材料生命攸關(guān)的問題。很多國家為此限定復(fù)合材料制品生產(chǎn)商的年產(chǎn)量如歐洲對報廢車輛的要求是，到2006年年底，每輛車要有85％可回收的塑料、橡膠和玻璃，到2015年底，這個數(shù)值要達(dá)到95％；面對這種局勢，中國作為復(fù)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(yīng)進(jìn)一步認(rèn)識到因此所承擔(dān)的更重要的環(huán)境責(zé)任。為此，復(fù)合材料的生產(chǎn)企業(yè)、大用戶及政府均應(yīng)給予有力度的投入。在徹底解決這個問題之前，估計(jì)中國在不遠(yuǎn)的幾年內(nèi)就會對企業(yè)熱固性玻璃鋼生產(chǎn)量的嚴(yán)格限制。英國利茲大學(xué)與工業(yè)界經(jīng)過2年的研究，提出了解決廢棄復(fù)合材料的科學(xué)方法以解決日益增長的復(fù)合材料廢棄物問題。他們提出可將廢舊的保險杠變成新的。這種技術(shù)是將復(fù)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(zhuǎn)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(qiáng)度能夠保持如初，不會變脆。進(jìn)行物理分離后所有的組分均可循環(huán)利用；英國化工及汽車界諸多組織、部門及公司均參與了這項(xiàng)計(jì)劃?！?nbsp;熱塑性樹脂給復(fù)合材料的回收利用帶來可能 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年比前一年增長了10％。采用熱塑性樹脂是循環(huán)再利用復(fù)合材料的積極措施?！?nbsp;復(fù)合木質(zhì)材料（WPC）的啟示復(fù)合木質(zhì)材料（WPC）是很值得推薦的一種復(fù)合材料，先起源于歐洲，后在北美迅速擴(kuò)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(fù)合材料的制造工藝與聚合物如PP、PE、PVC及循環(huán)再利用的回收樹脂等制備出聚合物木材，從而使傳統(tǒng)的木材工業(yè)發(fā)生了令人驚詫的革命性的變化。過去5年中這種材料的市場需求增長很快，市場每年以100％的速率增長。這種材料中固體添加物含量可達(dá)70％，可制成外觀與木材相仿的板材、型材，目前用于室內(nèi)外裝飾、復(fù)面板、門窗框等，替代天然木材。該材料的主要特點(diǎn)是：尺寸穩(wěn)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(shù)與鋁合金接近、高溫下機(jī)械性能有所提高、耐低溫性能優(yōu)異。如添加適當(dāng)?shù)淖枞紕７阑饎?，可使材料的阻燃性能大大提高。加工、使用這種材料時，可使用傳統(tǒng)工具，可彎曲、鉆孔、釘、鋸、刻花紋、開榫；需加用固緊件時，其固緊強(qiáng)度比天然木材高2－4倍并可對其進(jìn)行各種類型的連接。引起關(guān)注的是，如采用一定的技術(shù)，可以制備出用于結(jié)構(gòu)件的WPC，如加拿大的某公司采用定向技術(shù)開發(fā)出了定向復(fù)合木材，具有更優(yōu)異的力學(xué)性能，其外觀、結(jié)構(gòu)、手感更接近木材，并可起到結(jié)構(gòu)件的作用。木材復(fù)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的材料來替代天然木材，會為我們國家保護(hù)了多少寶貴的森林資源！7．結(jié)論● 我國復(fù)合材料在近年中仍會保持高速發(fā)展的趨勢；● 高性能復(fù)合材料制品如船艇、高壓容器等將會迅速發(fā)展；● 大部分傳統(tǒng)開模工藝如手糊、噴射必定有較大的革新，向閉模工藝過渡；● 國內(nèi)將逐漸建立、健全與國際接軌的復(fù)合材料材料及產(chǎn)品相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)；● 與環(huán)境友好的材料及工藝是發(fā)展趨勢；● 復(fù)合材料的回收、循環(huán)利用將成為新的產(chǎn)業(yè)；
