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        2005-07-31
        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?、非常舒適。
        ●高性能碳纖維資源是發(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行禁運,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)鍵項目。
        在發(fā)展高性能復(fù)合材料中,必須運用材料科學(xué)的方法,進(jìn)行材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計,用計算機(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),從而實現(xiàn)了模擬計算-結(jié)構(gòu)設(shè)計-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,嚴(yán)密控制原材料品質(zhì)及工藝參數(shù),才有可能實現(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
        中的消費熱點。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,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。
        現(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。
        ● 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計劃。
        ● 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。
        ● 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?。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,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);