第四節　國內復合材料產業化的關鍵技術與現狀

一、 國內復合材料產業化的技術現狀

未來五年中國的發展趨勢，更明確了國家經濟布局，蘊藏著巨大的投資機會。其中，大力發展形狀記憶合金、自修復材料等智能材料，石墨烯、超材料等納米功能材料，磷化銦、碳化硅等下一代半導體材料，成為“十三五”規劃綱要的關鍵詞。

我國復合材料在應用與產業化方面，與國外相比至少落后10年以上。國內的復合材料很多產品不過關，技術與性能的穩定性都不達標。

目前復合材料的產業化備受矚目，是“十三五”規劃綱要中重點發展的三大新材料之一。

然而，我國的復合材料產業的發展必須以基礎研究的發展作為先導，產業的發展不能完全靠需求牽引來推動。

現階段我國復合材料產業的狀況是：有產能，無產量。和很多技術的推廣路線一樣，復合材料最先開始應用在航空航天與軍事領域，然后轉向民用領域。與發達國家相比，復合材料在我國航空航天與軍事領域的使用量并不高。據悉，發達國家復合材料在部分軍機上的用量早已超過50%，而我國軍用戰斗機上的最大用量尚不足10%。在民用方面，美國大型客機波音787上的復合材料用量也超過了50%，而我國首架擁有自主知識產權的支線客機ARJ21使用的復合材料僅占飛機結構重量的2%。

即便是如此少的用量，我國復合材料產量仍不能滿足國內需求。高品質、高性能的纖維還是沒有過關的。基礎研究不足、關鍵技術未能實現突破，是復合材料產業發展停滯不前的根本原因。我國基礎研究的水平整體上與國外差距較大，高水平的研究成果鮮有出現，制約了產業的發展。

需求的牽引大于科技推動時，科技還沒有成熟，技術度還沒有達到一定的程度，就著急進入應用領域，容易引起一系列問題。

在復合材料研究領域的科學與技術難題中，材料結構效率與可靠性的矛盾是最難解決的。和很多材料一樣，復合材料結構的高效率與高可靠性很難兼顧，是一對矛盾體。杜善義表示，復合材料的性能分散性和服役環境的不確定性是制約復合材料及結構工程化應用最大的問題，也是復合材料的“軟肋”。

據了解，美國于2011年研制的“獵鷹”級超聲速技術飛行器2號機（HTV-2）試驗失敗，根本原因就是在設計過程中對飛行環境載荷和材料使用性能的不穩定性認識不足。我國從20世紀80年代便開展了復合材料項目研究，后來由于穩定性差被迫“下馬”。我國的復合材料的應用之所以停滯不前，就是因為穩定性太差、離散性比較大，這批產品性能達標了，下批又不行了，這類現象經常發生。

穩定性的控制是復合材料界的世界性難題。英國諾丁漢大學教授李曙光致力于復合材料在海洋平臺與海底輸油管道中的應用，一個海洋平臺的碳纖維用量就相當于20架波音787的用量，海底輸油管道上的用量更大。然而，由于高昂的費用與可靠性問題，復合材料在海洋平臺建設領域仍未能占領“高地”。

解決難題應重返基礎研究，從復合材料的基礎研究入手，根本上解決產業發展的技術難題，這是專家的一致心聲。我國復合材料的基礎研究底子薄，產業發展有點急于求成。產業的發展應該重視基礎研究。

基礎研究固有的投入高、風險高、研究周期長的特點，是造成我國復合材料基礎研究薄弱、缺乏原創性技術的根本原因。因此專家建議政府應該布局復合材料產業的發展，用政策來推動基礎研究。政府對行業的規劃是制約復合材料產業化的重要因素，必須堅持科研、生產和應用的結合不斷線。

二、 新型聚氨酯玻璃纖維復合材料

我國某聚氨酯制品有限公司開發了一種新型聚氨酯玻璃纖維樹脂復合材料，包括聚氨酯泡沫層和玻璃纖維樹脂層。玻璃纖維樹脂層形成中空腔體，由聚氨酯經化學反應發泡形成泡沫層填充在中空腔體內。該材料的制備方法是：在預設模型的模具里，噴上離型劑，將玻璃纖維樹脂均勻地涂噴在模具內表面上，等玻璃纖維樹脂固化后，形成具有中空腔體的玻璃纖維樹脂層；然后，將低密度聚氨酯原料注入模具內，經化學反應進行發泡，使聚氨酯填充玻璃纖維樹脂層內的中空腔體，形成聚氨酯泡沫層；等發泡成型后，開模取出產品，再經過補修、外噴漆，完成加工制作。這種新型復合材料不但具有玻璃鋼的硬度以及低密度聚氨酯內芯泡沫強度、韌性的雙重特征，而且產品整體密度低、耐沖擊強度好。

三、城市建設推動玻璃纖維增強塑料電纜導管市場加快發展

近年來，隨著中國城市建設現代化的不斷加快，為科學有效利用有限的城市地上空間，人們越來越多地將電力、通信等電纜工程建設于地下，迫切需要一種性能優良、質量上乘、能減少城市道路開挖、使用壽命長，并能與現代電纜工程建設相配套的優質電纜保護用導管產品。與傳統的鋼管、鑄鐵管、PVC管、混凝土管等類型導管相比，玻璃纖維增強塑料電纜導管具有許多傳統導管無可比擬的優點，彌補了它們的不足，完全可作為上述傳統導管的更新換代產品。

1.高強度

玻璃纖維增強塑料電纜導管的抗外載能力強，可直接埋設于行車道下，不需構筑混凝土保護層，因而施工費用大大降低，具有顯著的社會經濟效益。

2.耐腐蝕

經過專門設計的玻璃纖維增強塑料電纜導管能夠抵抗酸、堿、鹽、未經處理的污水、腐蝕性土壤和地下水等眾多化學流體的侵蝕，比傳統導管的使用壽命長。其設計使用壽命達到50年以上。

3.阻燃、耐熱、抗凍性好

玻璃纖維增強材料電纜導管可在-50～+130℃長期使用而不變形。

4.電絕緣性能好

玻璃纖維增強塑料電纜導管無渦流損耗和電腐蝕，節能，適用于單芯電纜敷設；載流量大，熱阻小，對電纜的正常運行無任何不利影響。

四、新加壓浸膠系統優化復合材料拉擠制品后續鋪層工藝

哈爾濱某公司最新推出一款用于復合材料拉擠制品后續工藝鋪層用的加壓浸膠系統。該加壓浸膠系統能解決現有的浸潤系統存在的原材料無法充分浸潤，無法滿足高性能復合材料拉擠制品生產需求，且操作不方便的問題。該系統的底架上安裝有兩個支撐架，支撐架上安裝有浸膠環支架，浸膠環支架內安裝有增壓式浸膠環，支撐架的上端安裝有氣壓式壓力膠槽，氣壓式壓力膠槽的下端通過輸膠管與浸膠環連通，氣壓式壓力膠槽的上端通過壓力氣管與壓縮空氣壓力調解閥連接，支撐架上安裝有工裝板。該系統能保證原材料充分浸潤，同時滿足高性能復合材料拉擠制品生產需求。

五、稀土改性玻璃纖維環氧樹脂復合材料的制備方法

上海交通大學推出一種稀土改性玻璃纖維環氧樹脂復合材料的制備方法。研究人員首先對玻璃纖維進行燒蝕預處理，使其表面有機物殘留量在1%以下，再采用稀土改性劑處理，將玻璃纖維在室溫下浸入稀土改性劑中浸泡2～4h，待過濾后烘干。隨后，再將處理后的短切或粉狀玻璃纖維同環氧樹脂粉料進行機械共混，再將混合粉料放入平板硫化機模具中成型。最后，將模壓成型后的復合材料連同模具一起取出，在室溫下冷卻，獲得玻璃纖維環氧樹脂耐磨復合材料。該制備方法具有工藝簡單、成本低、環保性好、所制備的復合材料具有優良的力學性能等特點。

六、碳纖維增強復合材料

碳纖維增強復合材料是以碳纖維或碳纖維織物為增強體，以樹脂、陶瓷、金屬、橡膠等為基體所形成的復合材料。在眾多輕量化材料中具有較高的比強度、比剛性，輕量化效果好，在航空航天、軍工等領域中得到廣泛應用。尤其是應用在汽車車身結構件中，減重效果十分顯著，得到國內外各大汽車公司的廣泛關注。

CFRP使用的樹脂有兩大類：一類是環氧樹脂及非飽和聚酯樹脂等熱硬化性樹脂；另一類是聚丙烯（PP）及聚酰胺（PA）等熱可塑性樹脂。這兩種樹脂的特性有所不同。

熱硬化性樹脂在碳纖維浸漬階段為低黏度單體，之后，隨著成型時的加熱發生聚合，變成聚合物（樹脂）。由于聚合反應需要一定時間，因此成型周期通常較長。利用制造飛機結構件時使用的熱壓罐法，加熱時間達到2～4h。

而使用熱可塑性樹脂時，其成型與通常的樹脂成型基本相同，小尺寸部件的射出成型可在10s內完成，即便是大尺寸部件的沖壓成型，也可在數分鐘內完成。由于加工效率高，因此可輕松實現低成本化。不過，與熱硬化樹脂相比，熱可塑性樹脂的熔融黏度較高，所以加工大尺寸部件時必須使用大型沖壓機。

七、熱塑性復合材料纖維鋪放技術

自動纖維鋪放技術是飛機復合材料構件自動化成型的關鍵制造技術之一，其又可細分為自動纖維絲鋪放技術和自動纖維帶鋪放技術。前者適用于平面型或低曲率的曲面型，或者說準平面型復合材料構件的鋪層制造；后者綜合了自動纖維纏繞與自動纖維帶鋪放兩者的優點，可實現復雜曲面型復合材料構件的鋪層制造。

在自動纖維鋪放過程中，以碳纖維增強熱固性樹脂基預浸絲或預浸帶為加工對象，結合“熱壓罐”技術來生產飛機復合材料構件。而以碳纖維增強熱塑性樹脂基預浸絲或預浸帶為加工對象，結合“原位固化”技術來生產飛機復合材料構件是飛機制造業一個新的發展趨勢。除了熱塑性樹脂具有良好的焊接性、抗沖擊韌性、可循環性、抗化學腐蝕性以及近乎無限的保質期等優點外，“原位固化”技術與“熱壓罐”技術相比，還具有不受加工場地、零件大小和形狀的限制等優點。

但目前據文獻報道，“原位固化”成型技術加工的鋪層層間強度為高壓固化成型加工的鋪層強度的89%～97%。如何消除近10%的差距，將是熱塑性復合材料纖維鋪放技術成功應用到實際生產當中的技術難題。因此，有必要對熱塑性復合材料纖維鋪放技術中涉及的關鍵技術進行深入研究。

1.加熱工藝

一般在自動纖維鋪放過程中，為提高鋪放效率，通常設置預加熱及主加熱兩個加熱環節。在這兩個環節中，都會涉及選擇熱源、建立加熱模型及確定加熱溫度三方面的問題。圖1-3所示為纖維鋪放工藝簡圖。

目前，應用在自動纖維鋪放中的熱源主要有激光熱源、紅外線熱源和高溫氣體熱源三種。選擇熱源時，針對不同的加工原料及結合具體的應用場合，需對所選熱源的加熱溫度（或加熱功率），可連續加熱時間，加熱溫度是否可控及熱源自身的價格、質量、體積、熱利用率等方面進行綜合考慮。首先，設置預加熱區，可顯著縮短主加熱所需時間，提高纖維鋪放速率，同時，可避免鋪層嚙合點處溫度梯度變化過大而引起過多的殘余應力。預加熱時，為保持基體材料原有的物理、化學性質及最大限度地提高鋪放速率，預加熱溫度通常應略低于基體材料玻璃轉化溫度。因此，預加熱熱源的加熱溫度選擇應略高于基體材料玻璃轉化溫度。在主加熱區，基體材料的安全加熱溫度通常應低于基體材料的退化溫度，為使基體材料充分熔融，主加熱區的溫度又應高于基體材料的玻璃轉化溫度，同時，考慮鋪放效率，選擇主加熱區熱源的加熱溫度略高于基體材料退化溫度是較為合理的。其次，熱源使用場所空間的大小及安裝的難易程度，在熱源選擇過程中也需要充分的考慮。

目前，無論是工業上使用的預浸絲或預浸帶，其厚度都小于長度或寬度的1/10，因此，研究人員在進行纖維鋪放加熱模型建立時，通常根據熱力學第一定律，考慮熱量傳遞方向，建立一維或二維的熱傳遞模型。同時，根據熱源的不同、鋪放設備及周圍的實際環境，確定相應的熱傳遞方式，建立熱傳遞模型的邊界條件。鑒于熱傳遞模型及其邊界條件的復雜性，多數情況采用有限元的方式對模型進行數值求解，來研究不同時刻，溫度在纖維束中不同位置的分布情況，以及時間、溫度、位置三者之間的關系，然后與試驗數據進行對比，分析所建模型的合理性，同時對所建模型進行合理修正。

自動纖維鋪放過程中，在加熱溫度、加熱熱源、加熱模型三者確立之后，可以通過計算加熱時間確定的鋪放速率理論值范圍，指導實際鋪放過程鋪放參數的設定。

2.冷卻工藝

用于自動纖維鋪放的碳纖維單向增強樹脂基預浸絲或預浸帶，其基體材料通常為半結晶聚合物。這類聚合物兼有無定形聚合物和結晶聚合物的優點，其使用溫度、抗蠕變性、硬度和強度主要受結晶度的影響，隨結晶度的增大而增大。但結晶度過高，又會使聚合物變脆。因此，在實際應用中，需嚴格控制半結晶聚合物成品的結晶度來保證產品質量。在纖維鋪放過程中，通常會設置特定的冷卻區對熔合后的鋪層進行冷卻，以完成其最終的結晶固化，而不是讓其在室溫條件下自然冷卻。

對于半結晶聚合物，結晶速率是材料結晶程度和結晶狀態的顯著影響因素，而冷卻速率及冷卻時間決定了結晶速率。因此，在纖維鋪放過程中，只要嚴格控制冷卻速率，就可保證最終的產品品質。合理的冷卻速率主要是通過大量試驗數據得到的。首先，基體材料性能最優時所對應的結晶度值的范圍可從材料制造廠商處得到。其次，設定具體的冷卻條件（等溫冷卻或以一定的冷卻速率冷卻），通過試驗確定在此條件下的基體材料的結晶速率。結晶速率的測定方法通常有膨脹計法、光學解偏振法、DSC 法、熱臺偏光顯微鏡法、小角激光光散射法等。最后，通過仿真軟件，可計算出在此冷卻速率下達到要求結晶度所需的時間，即在纖維鋪放過程中，鋪層需在特殊冷卻區所停留的時間。

建立基體材料冷卻模型涉及傳熱學與結晶動力學兩個學科的知識。冷卻模型的建立是將結晶動力學模型與能量模型相耦合，通過設定溫度、材料的密度、黏度、熱導率、熱容等物理參數，同時設定符合實際情況的邊界條件，利用現有的多物理場仿真軟件（如COMSOL）得到達到某一結晶度的條件下冷卻速率與冷卻時間之間的關系。冷卻模型建立的關鍵是結晶動力學模型的選擇，國外學者已經對基于Avrami 方程的模型、基于Tobin 方程的模型及Ozawa模型進行了較為深入的研究。

在計算得到冷卻時間后，可以確定在這一區域合理鋪放速率理論值的范圍，但纖維鋪放過程中，鋪放速率只能是一個值，當由加熱時間所計算的鋪放速率與由冷卻時間所計算的鋪放速率不能協調一致時，可以通過調整加熱區間的長度或特定冷卻區間的長度來達到二者速率的一致。

3.纖鋪層間強度提高

利用自動纖維鋪放技術加工的復合材料構件，其基體材料的性能指標由加熱工藝參數和冷卻工藝參數共同決定；其整體性能指標還與鋪層間強度有關，即與任意相鄰兩鋪層熔合后所能達到的鋪層間強度有關。鋪層間強度受到兩鋪層間緊密接觸程度、兩鋪層熔合時分子滲透距離及纖維鋪放壓力三方面因素的共同影響。

鋪層間緊密接觸度被定義為：在任意給定時間，兩鋪層接觸面積占鋪層總面積的百分比，與溫度、壓力、接觸時間有關。由于表面粗糙度的原因，預浸絲或預浸帶表面與鋪層表面（或芯模表面）微觀幾何形貌為不規則體，在未加熱和未施加壓力的條件下，預浸絲或預浸帶表面與鋪層表面（或芯模表面）不可能完全接觸。為理論計算方便，國外研究人員首先將不規則的微觀幾何體簡化成大小不同的矩形（指截面），然后再將上述矩形簡化成大小相同的矩形。纖維鋪放過程中，在加熱到一定溫度時，當壓輥對預浸絲或預浸帶施加一定的鋪放壓力后，預浸絲或預浸帶與鋪層表面（或芯模表面）突起的矩形將發生變形，矩形高度將減小，寬度將增大，然后根據這一模型，建立計算鋪放壓力與鋪層間緊密接觸度之間的函數關系。將現行的粗糙度評價指標融入上述計算模型中，可顯著提高實際應用的方便程度。圖1-4為鋪層表面微觀幾何形貌及簡化模型示意圖。

鋪層間熔合是指相鄰兩鋪層表面，當加熱到溫度高于自身基體熔化溫度時，并在一定的鋪放壓力作用下，會發生一鋪層表面的分子向另一鋪層擴散的現象。分子擴散的距離決定了鋪層間強度，這與溫度、壓力及擴散時間有關。基于鏈的塌滑理論，研究人員分別對等溫條件下與非等溫條件下，熱塑性聚合物的熔合模型進行了研究，建立鋪層間強度與鋪放溫度、鋪放壓力之間的函數，找出熔合所需的最佳時間，為纖維鋪放過程提供壓輥壓實的時間參數。

在溫度一定的條件下，鋪層間的緊密接觸度與鋪層間熔合由鋪放壓力和施壓時間來決定。研究人員對此建立了二維的可壓縮的牛頓流體模型，對壓輥及所接觸鋪層的壓力場分布進行了較為深入的研究。此外，鋪放壓力還影響基體材料的孔隙率，目前所見文獻，僅通過試驗的對比進行了定性研究，定量研究未見報道。

4.纖維鋪放軌跡規劃算法設計

鑒于自動纖維帶鋪放主要用于加工形狀簡單的平板類或類平板類復合材料構件，這里所研究的纖維鋪放軌跡規劃算法主要針對自動纖維絲鋪放而言。由于自動纖維絲鋪放設備具有可靈活操作的鋪放頭及鋪放所采用的預浸纖維絲寬度窄等特點，可用于加工形狀復雜的自由曲面復合材料構件。

目前，在實際生產中，應用最為廣泛的是采用定角度纖維鋪放所制造的0°鋪層、45°鋪層和90°鋪層?；谏鲜鲣亴?，針對不同形狀的復合材料構件，國內研究人員提出了不同的軌跡規劃算法。例如，針對自由曲面復合材料構件，研究了基于等距線、等分點原理的兩種軌跡規劃算法；針對S形進氣道，在分析等鋪放角法和等距偏置法兩種軌跡規劃方法的基礎上，提出基于纖維帶邊緣曲線的軌跡規劃方法；將等鋪放角法和等距偏置法2種軌跡規劃方法相結合，提出以曲線在曲面內等距偏置為核心的鋪放軌跡優化方法。

荷蘭代爾夫特理工大學的研究人員提出了“變剛度”鋪層鋪放的概念。這類鋪層剛度的變化是由于鋪放角度的不斷變化所導致的。針對變角度纖維鋪放，他們研究了測地線方式、常曲率方式及角度線性變化方式的軌跡規劃算法。自動鋪帶軌跡規劃中采用的測地線算法，也可歸為變角度纖維鋪放。

針對不同類型的自由曲面復合材料構件，在纖維鋪放過程中，如何避免或減少除構件邊緣外的剪切和重送，是軌跡規劃算法研究的一個主要出發點。因為復合材料構件鋪層內部過多的剪切與重送，一方面會對復合材料構件的外形精度和各項性能產生影響，另一方面會使纖維鋪放過程的復雜程度加劇，不利于生產效率的提高。軌跡規劃算法直接影響所形成鋪層的力學特性，因此滿足鋪層力學特性的需要也是設計和研究軌跡規劃算法的一個主要出發點。

目前，我們提出了一種新的變角度軌跡規劃算法，可實現錐殼類零件、外殼類零件及變截面接頭類零件的加工制造。在上述零件的具體實現中，變角度軌跡規劃算法的最大優點是避免了除零件端面外的剪切與重送，可簡化纖維鋪放過程，提高加工效率。同時，改變初始鋪放角，還可以改變零件的固有頻率，對改善整體系統的共振，具有一定的作用。

5.鋪層特性靜力學分析

鋪層特性研究主要針對復合材料構件在不同的工況條件下，對其進行靜力學分析或動態響應分析，通過分析結果，對鋪層進行優化，以得到滿足設計要求的鋪層為最終目標。

纖維的變角度鋪放是一種新型的軌跡規劃算法，此算法可增大復合材料構件鋪層設計的靈活性，充分利用復合材料的方向特性來滿足設計要求。目前，國外研究人員主要針對這種變角度鋪層進行深入研究。首先，針對變角度鋪放制造的平板、類平板或平板上帶孔結構，進行了靜力學分析，研究了在拉伸載荷作用下，這類結構的承載能力，結合分析結果，對鋪層角進行優化。優化后的鋪層，較傳統定角度鋪放制造的鋪層，各項性能指標都有明顯的提高。其次，針對變角度鋪放制造的圓柱殼和圓錐殼，重點研究了鋪放角對其固有頻率的影響。通過改變纖維鋪放角，可改變殼體的固有頻率，在實際應用中，對避免整體系統的共振具有積極的意義。

國內對于變角度鋪層結構的研究較少。從發表的文獻來看，國內學者對于變角度鋪層結構的研究基本處于起步階段。目前，國內的研究重點仍集中在固定角度直線鋪層力學特性的分析上，通過改變纖維鋪放角的固定角度及改變不同角度值鋪層之間的層疊順序來提高鋪層的力學特性；并且這類研究主要針對平板或平板帶孔類結構，對殼體類結構的研究較少。

鋪層特性研究與鋪放軌跡規劃算法研究，二者是密不可分的。一方面，鋪層特性研究為鋪層軌跡規劃算法的合理性提供了理論支持；另一方面，軌跡規劃算法又為鋪層特性研究提供了多種的選擇性。

6.熱塑性復合材料纖維鋪放技術與評價

熱塑性復合材料纖維鋪放技術是未來復合材料構件極端制造發展的一個重要方向。但就我國而言，制約其發展的主要因素主要有以下兩點：

① 碳纖維單向增強熱塑性樹脂基預浸絲或預浸帶的生產。目前，國內僅見有生產碳纖維單向增強熱固性樹脂基（環氧樹脂基）預浸絲或預浸帶的企業，沒有生產碳纖維單向增強熱塑性樹脂基預浸絲或預浸帶的單位。這類預浸絲或預浸帶通過實驗室制作，會存在生產質量不穩定的問題，不利于鋪放工藝與鋪層特性研究。

②自動纖維鋪放設備。國內自動纖維鋪放設備主要依靠進口，并且大多為自動纖維帶鋪放設備。在自動纖維絲鋪放設備方面，哈爾濱工業大學已完成樣機研制。纖維絲鋪放設備制約了鋪放軌跡規劃算法及鋪層特性的研究。