复合材料是新材料领域的重要组成部分,具有可设计性强、比强度比模量高、抗疲劳断裂性能好、耐腐蚀性能强、结构功能一体化等一系列优越性能,是其他材料难以替代的功能材料和结构材料,是发展现代工业、国防和科学技术不可缺少的基础材料,也是新技术革命赖以发展的重要物质基础。复合材料已成为新材料领域的重要主导材料。
随着科学技术的日新月异和科技成果转化的日益加快,发展新兴产业越来越成为一个国家和地区加快经济转型升级、提升区域核心竞争力的重要举措。复合材料作为新材料的重要组成部分,如何有效引入新兴产业和如何推动新兴产业在复合材料领域的发展成为各界关心的一个重要问题。
复合材料领域新兴产业
与战略性新兴产业
新兴产业是指随着新的科研成果和新技术的发明、应用而出现的,承担新的社会生产分工职能,代表着市场对经济系统整体产出的新要求和产业结构转换升级的新方向,并正处于产业自身生命周期成长阶段的产业,具有时代性、创新性、融合性等特征。主要有两种类型,一类是以高科技为依托的全新产业,如信息产业、生物医药、新材料等;一类是基于产业融合的新兴产业,如休闲产业、文化产业、金融产业等。就复合材料而言,以新技术的发明、应用,代表复合材料产业发展新要求和结构调整、转型升级的新方向的产业即为复合材料领域的新兴产业。如长纤维和连续纤维增强热塑性复合材料、轨道交通用复合材料、碳纤维复合芯导线和复合材料杆塔为代表的电力复合材料及生物医疗复合材料和航空航天用复合材料等。
战略性新兴产业是指关系到国民经济社会发展和产业结构优化升级,具有全局性、长远性、导向性和动态性等四大特征的新兴产业。全球战略性新兴产业主要是指新能源、新材料、新医药、物联网、节能环保、宽带网络、低碳经济、海洋和空间等产业。在我国,“国发[2010]32号”《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》,明确将节能环保、新一代信息技术、生物、高端装备制造、新能源、新材料和新能源汽车产业作为战略性新兴产业。国务院以国发[2012]28号印发的《“十二五”国家战略性新兴产业发展规划》将新材料产业纳入其中,《规划》明确规定:要大力发展新型功能材料、先进结构材料和复合材料,开展共性基础材料研究和产业化,建立认定和统计体系,引导材料工业结构调整。按照《规划》,“十二五”期间我国将推广30个重点新材料,并实施若干示范推广应用工程。这些新材料集中在特种金属材料、高端金属结构材料、先进高分子材料、新型无机非金属材料、高性能复合材料和前沿新材料等六大新材料。
以碳纤维等高性能纤维增强的高性能复合材料作为新材料的重要组成部分,当然属于战略性新兴产业;新能源汽车中用于汽车结构减重的复合材料、用于贮存能源的复合材料压缩天然气瓶、液化石油气瓶和氢气瓶等也属战略性新兴产业;风力发电叶片是新能源战略性新兴产业的组成部分之一。
复合材料新兴产业发展现状
(一)长纤维及连续纤维增强热塑性复合材料
长纤维及连续纤维增强热塑性复合材料以其优异的抗冲击性能、突出的尺寸稳定性和化学稳定性、较高的生产效率和可回收性能而受到业界的普遍认可,是目前国际上极为活跃的复合材料之一。近几年,我国长纤维及连续纤维增强热塑性复合材料发展迅速,GMT、LFT、LFT-D及连续纤维增强热塑性复合材料等生产线已实现产业化生产。产品广泛应用于汽车、机械、电气、建筑、船艇、航空航天等领域。
(二)轨道交通用复合材料
随着高速铁路建设和城市轨道交通的快速发展,我国复合材料在轨道交通领域得到广泛应用。从车辆部件中的车箱板、地板、座椅、卫生间到轨道材料中的枕木 、第三轨保护罩、疏散平台等,展示了复合材料巨大的优势及其在轨道交通领域广泛的应用前景。当前我国正处于轨道交通建设的繁荣时期,已经成为世界上最大的城市轨道交通市场。对于复合材料产业而言,这是一个崭新的、大有可为的应用领域。
(三)电力复合材料
碳纤维复合芯导线是一种全新结构的架空输电导线,具有重量轻、抗拉强度大、耐热性能好、热膨胀系数小等一系列优点,是一种“环境友好型输电线路用导线”,其推广运用可提高线路的单位输送容量,节省输电走廊资源,减少土地占用面积、杆塔和基础的材料用量,降低成本,有利于保护环境、节能减排、改善人类生存环境。
碳纤维复合芯导线已在我国深圳、无锡、常州、厦门、南平、盘锦、抚顺等地挂网运行,到目前未发生过如通用导线已发生的驰度明显下降、导线发热、断股、断线等任何异常现象,其耐张线夹和接续管也运行正常。然而,碳纤维复合芯导线在国内的进一步发展,还需集中解决型线模具的设计、软铝线的时效及绞制工艺等关键技术问题。
复合材料杆塔具有良好的耐腐蚀性、电绝缘性、可设计性、防撞和抗冲击性能及特殊地区可以有效防止人为外力破坏等特点,为施工、检修提供了极大的便利,其研究成果已在国内多个省市线路中得到应用,在材料选型、结构设计、电气及防雷设计、压缩输电线路走廊等方面取得了一定进展,已建示范工程9项,在建4项。由于复合材料杆塔主要采用拉挤、缠绕、压注工艺,对基材的要求较大,面临降低材料成本、开发低成本化复合材料杆塔制备技术、攻克复合材料构件的连接,降低桡度,提高运行的安全性,开展老化与安全寿命评估、无损检测和线路在线检测等关键技术问题,其进一步的推广应用,需全行业共同努力。
(四)生物医用复合材料
生物医用复合材料优异的可设计性使其可采用结构仿生而获得结构和性质类似于人体组织的人工替代材料,为生物医用材料的研究和发展开拓了一条广阔的途径,是生物医用材料研究和发展中的活跃领域,已成功研发出碳纤维增强HDPE复合材料、碳纤维增强聚砜复合材料及由四氟乙烯纤维与碳纤维复合制备出的多孔复合材料,可用作骨水泥、人工关节、接骨板、颅骨缺损修复,牙槽骨、下颌骨、关节软骨的修复等。此外,碳/碳复合材料的骨盘、骨夹板和骨针已有临床应用,用碳/碳制成的人工心脏瓣膜、中耳修复材料也有研究报道。生物医用复合材料有非常好的经济效益。普通复合材料制品每公斤几十元,而医用复合材料有的产品价值可达每公斤十五万元左右,可见医用复合材料的附加值是相当可观的。
(五)航空航天用复合材料
新型航空航天器的先进性标志之一是结构先进性,而先进复合材料是实现结构先进性的重要基础和先导技术。目前飞机上的复合材料由小到大,由少到多,由弱到强,由结构到功能,其需求量越来越大。飞机结构也一步一步地走向材料复合化。复合材料正由次承力结构材料发展到主承力结构材料。波音787所用复合材料达到飞机结构总重量的50%,并已用于飞机的主要受力件。伴随着神五、神六的成功发射,大运、商飞等项目推进,我国先进复合材料在航天航空领域取得了重大进步。然而,技术装备严重不足和国外技术的封锁仍是主要问题。要实现航空航天复合材料研制和应用的可持续发展,必须坚持自主创新,解决原材料问题和成本技术难题。