纤维增强复合材料支撑现代工业

先进纤维增强复合材料作为一个重要的材料品种，在推进工业技术进步，提高人类生存质量等方面正发挥着越来越重要的作用，当前和未来它都将是国防工业和民用工业产业结构调整强有力的材料支撑。复合材料的独特之处在可提供单一材料难以拥有的性能，其最大优势是赋予材料可剪裁性，从而优化设计每个特定技术要求的产品，根据具体情况最大限度保证产品的可靠性，减轻重量和降低成本。 二十世纪下半叶以来在复合材料应用领域取得的众多成就，就是人类在最佳选配材料使用方面实现的一次飞跃。近几年来复合材料在加工领域取得了一系列重要进展，尤其值得一提的是，CAD等（计算机辅助设计工具）的介入和先进加工技术的开发，使得复合材料的竞争力不断增加，应用领域不断扩大，除用于结构材料外，还出现在功能材料领域，使复合材料变得更加引人注目。 全球复合材料工业不断发展，到1997年世界总产量约达500万吨，价值接近1450亿美元。其中先进复合材料仅占其总量的1％，价值比例却占到7％左右，可谓是该领域的一匹黑马，而连续纤维增强材料又在其中占有相当大的比例，尤其是在需要较高力学性能的应用领域占绝对优势。 现代结构复合材料中纤维是承担负荷的主体，它的性能对获得优异性能结构材料至关重要。先进纤维增强材料包括有机高分子纤维、碳纤维、无机陶瓷纤维，其2000年的产量约为3.5万吨，仅占世界增强纤维材料总产量的1.9％。但由于它对于国家支柱产业、军事工业升级乃至国民经济整体水平的提高正产生着日益深远的影响，因而受到了人们越来越多的关注。 先进有机高分子纤维属一维链状结构纤维，呈高度各向异性特征，主要包括超高相对分子质量聚乙烯纤维、芳香族纤维、芳香族聚酯纤维、芳杂环高聚物纤维等。它的主要局限性是温度限制和压缩、轴外性能不好。而碳纤维的压缩性能优于链状一维结构纤维，是高性能复合材料应用最广泛的增强纤维。它是高惰性材料，具有良好的耐化学腐蚀、耐潮湿和耐海水侵蚀性能及生物惰性，有良好的热、电传导性，其纤度很细，可用各种方法将其制成复合材料。但它是脆性材料，耐磨损性和压缩性能欠佳。无机陶瓷纤维为三维网状或粒状结构，属各向同性材料，横向性能甚至优于纵向性能，主要包括硼纤维、SiC纤维和Al2O3纤维。近年来，复合材料在交通运输工具及相关装置、工业装置、医用材料、科学研究用特种装置、建筑领域、航空航天设备和仪器、飞行器和体育运动、休闲娱乐用品等方面都有出色表现。先进纤维增强复合材料更是在有效利用无污染、可再生能源，节能降耗和污染治理以及在延长民用基础设施使用寿命方面大有作为；在研制非侵害性诊断和提高诊断准确率的医疗仪器和高质量植入材料，制造提高竞技体育运动成绩和高质量休闲运动器材等方面正在发挥越来越重要的作用；在航天、航空等高科技领域，以及在探索自然界奥秘方面也扮演着难以替代的关键角色，是近些年来发达国家学术界、产业界极其活跃的研发热点。 另一方面，我们应该认识到作为复合材料承重的主体和最重要基础原料的纤维，我国和国际先进水平存在着巨大差距，已成为我国复合材料整体研究和制造水平提高的瓶颈。今后应该在以下几方面加大研发力度：加强对获得均匀、连续纤维形态材料各种新颖纺丝方法的研究；注重改善连续纤维力学性能均匀性，将现代质量控制的理念和方法引入纤维制造的研发过程中；加强对使用各种有机高分子先驱物纤维制备碳、SiC、Al2O3等多种小直径纤维技术的研究；重视对增强纤维的力学性能，尤其是横向力学性能，以及蠕变、疲劳行为和高温下相关性能的测定方法和数据分析技术的研究。此外，及时掌握连续纤维材料的应用最新动态，对降低我国科研投入风险，促进相关产业技术进步具有重要意义。