复合材料简介.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,复合材料,材料学院,沈卫平,13693054652,shenwp,Materials Science Tetrahedron,材料科学四面体,结构,固有特性,制作方法,测定性能,使用性能,性能价格比,Cost(price)performance,复合材料按基体材料分类,复合材料按功能分类,先进复合材料的发展史,40,年代，玻璃纤维增强塑料（,GFRP,）复合材料发展的第一代,60,80,年代，先进复合材料,复合材料发展的第二代,80,年，先进复合材料充分发展,复合材料发展的第三代,复合材料的定义,复合材料是由,两种,或两种以上的,固相,组分，以,微观,或,宏观,的形式组成的材料；它具有与其组成物质不同的,新,的性能。,复合材料的性能特点,比强度、比刚度（比模量）大；性能可设计、易制成结构件；各向异性、非均匀性,以聚合物基复合材料为例：,比强度、比刚度（比模量）大,耐疲劳性能好,减震性好,过载时安全性好,具有多种功能性,有很好的加工工艺性,复合材料的组成,复合材料的命名,把增强剂的名称放在前面，基体的名称放在后面来命名，如,碳纤维,环氧,复合材料。,现代复合材料学科,包括增强材料、基体材料、界面粘结、结构设计、成型工艺、性能测定等方面并逐步形成了一门与化学、物理、力学及各种应用学科有关的跨学科的、有着广泛内在联系并互相渗透和互相推动的材料学科。,复合材料发展史,天然复合材料,竹、木、茅草、贝壳、骨骼,传统复合材料,麻刀（纸筋）石灰；土坯（草秆、粘土）；钢筋混凝土；,通用复合材料,1940,年玻璃纤维增强塑料（,GFRP,）,先进复合材料,1960,年，复合材料从结构复合材料单功能复合材料多功能复合材料,机敏材料和智能材料。,智能材料具有接受、传递、处理和发射信息的功能，是信息科学溶入材料科学的产物。,一种天然生物复合材料,竹子,先进复合材料,先进复合材料是比原有的通用复合材料有更高性能的复合材料。,包括用各种高性能增强剂,(,纤维等,),与耐温性好的热固性和热塑性树脂基体所构成的高性能树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料、玻璃基复合材料、碳基复合材料。,包括使用其力学性能的结构复合材料和使用热、电、磁、光、核、生物及其他性能的功能复合材料。,先进复合材料,功能材料是指除力学性能以外还提供其它物理、化学、生物等性能的复合材料。,包括压电、导电、雷达隐身、永磁、光致变色、吸声、阻燃、生物自吸收等种类繁多的复合材料，具有广阔的发展前途。,未来的功能复合材料比重将超过结构复合材料，成为复合材料发展的主流。,未来复合材料的研究方向主要集中在纳米复合材料、仿生复合材料、和发展多功能、机敏、智能复合材料等领域。,飞机上用的复合材料,碳纤维,/,环氧树脂,碳纤维,/,芳纶,/,环氧树脂,玻璃纤维增强塑料,芳纶,/,杜邦聚酰胺,芳纶,/,泡沫芯板,碳,纤维,/,杜邦聚酰胺,飞机上用的复合材料,增韧石墨,石墨,混杂复合材料,玻璃纤维,车身：开创性的大量应用源自,F1,赛车的碳纤维复合材料,GLARE,蒙皮用于,A380,飞机的上机身蒙皮,中国自研大飞机面临发动机与复合材料两大难题,大推力、高涵道比,涡扇发动机,大量运用了,复合材料,或钛合金空心宽弦叶片、整体叶盘。,B-2,隐形轰炸机,除主体结构是,钛复合材料,外，其它部分均由,碳纤维,和,石墨,等,复合材料,构成，,不易反射,。,轻巧的碳,/,碳复合材料,全复合材料,机身：轻型机的价格，中型机的宽敞客舱，客舱内站立高度为1.65,米。,目前商用飞机上复合材料仅占全机重量的,50%,，而某些直升机早已达到,90%,荷兰计划研发新型,绿色环保飞机,外形将酷似飞碟,另一个设想就是使用复合材料，如,纤维增强塑料,。这种复合材料,强度,可与金属媲美，而,重量,却比金属轻得多，因此可以,节省燃油,。,复合材料军用吉普车,玻璃纤维,/,碳纤维,/,增强树脂,美洲轻木,泡沫,超级跑车,车身大量应用碳纤维复合材料,生产充气船及其胶布制品，采用国际上先进的,A,级,RTP,复合材料,新型日光温室复合材料,温室,骨架,和,纵拉杆,全部采用复合材料制成,绿可木，生态,木塑,复合材料，,木塑,复合材料吸音板,复合材料（玻璃钢）制品,采用高分子复合材料制作浮雕和雕塑,碳纤维,/,树脂复合材料,碳,/,碳复合材料,生物医学制品和体育运动,复合材料被用来预防受伤，矫正生理机能，和帮助病人复原。,生物医学制品和以体育运动器材为主的碳纤维复合材料制品,热塑性,复合材料再近,20,年中，增长速率持续较快，是,热固性,的,3,倍。,JS,系列,自润滑,复合材料与部件,三维纺织,预成型技术和,RTM,技术是研制和开发高性能复合材料结构件的关键技术。,RTM,成型的复合材料,头盔,。,锂,/,复合材料聚合物电解质,-,热电池,聚合物纳米复合材料,聚合物,层状粘土,传统的,复合材料,插入的,纳米复合材料,片状剥离的,纳米复合材料,新型的纳米黏土,片层越小，分散得越好，则复合材料的性能越好,复合材料的铺层优化设计,当前常用的模压料品种有,热固性,复合材料，包括,SMC,、,BMC,和,TMC,等；,热塑性,复合材料,国际上的材料专家普遍认为当前人类已经从,合成材料,的时代进入,复合材料,时代。因为想要合成一种新的单一材料使之满足各种高要求的综合指标是非常困难的。,即使能研制出某种满意的单一材料，则从实验室到生产的周期也很长。,如果把现有的有机高分子、无机非金属和金属材料通过复合工艺组成复合材料则可以利用它们所特有的复合效应使之产生原组成材料不具备的性能而且还可以通过材料设计以达到预期的性能指标，并起到节约材料和费用的作用。,复合材料概念的提出只有,50,年左右。上世纪,60,年代的中后期由于出现了碳纤维和芳酰胺纤维等高性能增强剂和一些耐高温树脂基体，从而构成性能更高的复合材料。虽然由于技术难度大，造价高因而产量小，但是它们能满足当时高技术进展的需要，所以仍能迅速发展起来。,为了与一般通用复合材料,(,指玻璃纤维增强塑料,),有所区别，而获得了“先进复合材料”的名称。随后又把金属基复合材料、陶瓷基复合材料、碳基复合材料以及功能复合材料等充实到先进复合材料的范畴里来，充分体现出先进复合材料量小但性能特殊而优异的特点。,虽然它所包括的各种基体的复合材料和功能复合材料各有特点和缺陷，但综合起来看，先进复合材料可以通过选择，使之具备密度小、强度和刚度高、耐温、耐磨、导热、导电、膨胀系数小、抗疲劳性好、阻尼性能好、耐烧蚀、耐冲刷、抗辐射、吸波、换能以及其他物理功能等特点。这些正是推动高技术的发展中迫切需要解决的问题，因此，可以说先进复合材料的发展有力地促进了高技术的进步。同时高技术的进展也带动和加速了先进复合材料的不断更新，到上世纪,90,年代初，复合材料的世界总产量约为三百万吨，已在建筑、交通运输、化工、船舶、航空航天和通用机械等领域广泛应用。,先进复合材料在高技术中的作用,高技术对材料的选用是非常严格和苛刻的，先进复合材料的优越性能比一般材料更能适合各种高技术发展的需要。,几种典型先进复合材料和常用材料性能对比,材料,密度,(g/cm,3,),拉伸强度,(GPa),比强度,10,7,(mm),拉伸模量,(GPa),比模量,10,9,(mm),冲击强度,(kg,cm/cm,2,),线胀系数,10-6(,-1,),复合材料,碳纤维,(,高强,)/,环氧,1.6,1.8,11.3,128,8.0,76,0.2,芳纶,/,环氧,1.4,1.5,10.7,80,5.7,200,1.8,硼纤维,/,环氧,2.1,1.6,7.6,220,10.5,-,4.0,碳化硅纤维,/,环氧,2.0,1.5,7.5,130,6.5,260,2.6,石墨纤维,/,铝,2.2,0.8,3.6,231,10.5,-,2.0,金属,钢,7.8,1.4,1.8,210,2.7,-,12,铝合金,2.8,0.5,1.7,77,2.8,-,23,钛合金,4.5,1.0,2.2,110,2.4,-,9.0,高聚物,尼龙,6,1.2,0.07,0.06,2.7,0.02,12,40,复合材料的比强度和比模量,玻璃纤维,/,环氧树脂,芳纶纤维,/,环氧树脂,石墨纤维,/,环氧树脂,硼纤维,/,环氧树脂,石墨纤维,/,环氧树脂,铍,石墨纤维,/,环氧树脂,比拉伸模量,=,弹性模量,/,密度（任意单位）,比拉伸强度,=,拉伸强度,/,密度（任意单位）,开发空间是人类进步的重要标志，巳所需要的各种结构材料如运载火箭的壳体，航天飞机的支架、桁条蒙皮，卫星的支架、蒙皮、天线，空间站的各种结构件，都要求用轻质高强和高刚度材料以节约推动所需的燃料，先进复合材料能满足这些要求。,特别是像导弹的头部防热材料、航天飞机的防热前缘和火箭发动机的喷管等需要耐高温、抗烧蚀材树，更是非先进复合材料莫属。,其他如抗粒子流、隐身功能等方而，先进复合材料也是候选的优先对象。,先进复合材料在航天技术的建立方面已经作出了不可磨灭的贡献，而且在未来的发展中还将继续起关键作用。,开发新能源、节能和储能等能源新技术是高技术的另一重要组成部分。能源技术同样也需要轻质高强、耐温耐腐蚀的材料，先进复合材料也是理想的选用对象,(,见下表,),。,在能源技术中先进复合材料的应用范例,功 能,构 件,先进复合材料,新能源,太阳能发电,太阳能电池结构支架,碳纤维树脂基,太阳能发电,热变换器的吸热层,吸热功能,风力发电机,叶片及塔身,混杂碳纤维树脂基,核能源,核同位素分离离心机转子,碳纤维树脂基,核能源,核燃料包覆管,碳纤维碳,节能,汽车,转动轴、轮箍活塞,碳纤维树脂基,汽车,活塞连杆及销子,氧化铝纤维铝,燃气涡轮发动机,涡轮叶片,陶瓷基和耐高温金属基,储能,高效铅酸蓄电磁,电极,碳纤维铅,高能锂电池,固体电解质,离子导电功能,信息技术是现代发展最迅速的高技术。在信息技术中包括信息的检测、传输、贮存、处理运算和执行等方面，先进复合材料也能起到重要的作用,(,见下表,),先进复合材料在信息技术中的应用,功 能,部 件,先进复合材料,检 测,换能敏感元件,换能功能,传 输,光纤光缆的缆芯和管,碳纤维或芳纶,/,树脂基,存 储,磁记录和磁光记录盘片,磁性功能,处理与计算,大规模集成电路基片,碳纤维,/,铜,计算机及终端用屏幕罩高频覆铜电路板,半导体及导电性,键盘触点,柔性导电,执 行,打印机机械零件,碳纤维,/,树脂基,机械手与机器人,碳纤维,/,树脂基或金属基,在高技术的生物工程方面，先进复合材料不仅在力学性能上能满足各种生物工程用容器的要求，同时还能满足耐腐蚀、抗生物破坏以及生物相容性的要求。此外，功能复合材料还可以制造用于生物工程的物质分离的各种膜材料。上世纪,70,年代以来。先进复合材料的发展非常迅速特别是,80,年代更为显著。,(1),高性能增强剂,碳,(,石墨,),纤维的发展是非常突出的。以,PAN(,聚丙烯腈,),为先驱体的,MJ,系列碳纤维基本解决了过去的提高模量则会牺牲强度和断裂伸长的矛盾。因此特别适合树脂基先进复合材料的需要。,P,系列沥青基超高模量石墨纤维，其模量已接近石墨晶须它适合用作金属基复合材料的增强剂。,有机纤维中熔致液晶的聚芳酰胺类发展很快，现已出现许多牌号，性能可与,Kav1ar,系列媲美目前重点是解决该类纤维的吸湿性大的问题。为此热致液晶型聚芳酯纤维得以发展，它虽然热稳定性稍差但不吸湿而且强度与模量与聚芳酰胺相当。,值得一提的是用先进的冻胶纺丝法制成超高分子量的聚乙烯纤维，强度与模量均超过,Kavlar49,，其缺点是耐温性差只能适合于低温使用。用无机高分子作为先驱体，经纺丝后烧成陶瓷纤维，是当前受到关注的工艺路线。继,Nicalon SiC,纤维开发成功,最近又推出,Tyranno(,含,Ti,的,SiC),纤维其性能相当但耐温性明显高于,Nicalon,。用这类方法现已制成,Si,3,N,4,纤维，但尚未商品化，晶须已有较长的历史，尽管它强度和模量极高。但由于分散困难一直未能发挥作用。当前由于金属基,(,高温型,),和陶瓷基复合材料的要求，又重新活跃起来，但是又面临它带有细纤维污染环境的问题、能否允许使用有待裁决。,(2),高性能树脂基复合材料,制备树脂基复合材料首先需要有高性能的热固性和热塑性树脂基体。关于热固性树脂基体已提出一系列要求，即满足,200,300,长期使用的条件，并能对原来的力学性能有一定的保持率，容易制成预浸料并有较长的贮存期，在加工过程中基本上没有挥发物逸出。在工艺上容易掌握并能监控其质量以及具有合适的价格。目前新型的多官能团环氧，已经接近上述的部分要求，如用热塑性高分子固化剂的延长贮存期等，但耐温性尚不够理想。达到,200,以上使用温度的树脂，目前主要用热固性聚酰亚胺。现在已有,PMR,15,，,LARC,160,和,LR 600,等牌号的商品出现，其耐温性最高可达,300,。这类树脂可以通过共聚、改变封头结构和主链结构来进行改性。,双马聚酰亚胺耐温性虽不如聚酰亚胺但略高于环氧，可以满意地在,200,使用。它的工艺性能比聚酰亚胺好，交联度高从而刚度高和耐溶剂性好是其优点，但是它也存在脆性大的缺点。,现在这种树脂已有许多商品牌号，如,FE7003,、,Xu 295,、,H 795,和,EA 9102,等等。耐温更高的树脂基体只有杂环类高分子如共聚喹恶啉树脂，聚苯并咪唑树脂等，但由于价洛昂贵，加工性能又差，所以只有在特殊情况下才少量使用。,目前发展的趋势表明，热塑性树脂基体正在逐步与热固性树脂争夺先进树脂基复合材料基体的主流地位。这是因为最近出现一大批高性能热塑性高分子材料，其力学性能和耐温性均能满足先进复合材料的要求。同时它还有明显节约加工周期和提高韧性的优点，特别是它的可修复性、二次加工成形和长期贮存等热固性树脂所不具有的特点。,另一种值得注意的新型树脂基体是半互穿网络高聚物,(SIPN),。它是由热固性网状高分子与线型高分子互穿而成的高聚物、所以兼有热固性和热塑性树脂的优点。由于它在较苛刻的环境条件下仍有良好的刚度和韧性，因此是应用于宇航结构复合材料中有潜力的树脂基体。,例如以二腈基双酚,A,作为其热固性部分，而以聚碳酸酯或聚醚砜作为热塑性部分。在加工过程中双腈单体受热互聚成交联网络，而聚碳酸酯等线型高分子则贯穿其中构成半互穿网络。,(3),金属基复合材料,上世纪,80,年代以来金属基复合材料发展很快。这是由于高新技术对材料的耐温性和其他性能要求日益提高而起了推动作用。,金属基复合材料除了和树脂基复合材料同样具有高强度、高模量和低膨胀系数的特点外，它能耐,300,500,或更高的温度、同时不燃、不吸潮、高导热与导电、抗辐射性能好，而且在较高温度情况下不会放出气体污染环境。这是树脂基复合材料所不能比拟的，但金属基复合材料也存在一些缺点，如密度较大、造价较高，有些金属基复合材料工艺较复杂，还不成熟。特别是它容易发生界面化学反应从而对性能产生明显的影响，这些都有待不断地改进和完善。,尽管如此，一些发达国家仍大力进行开发和研究，已有明显成效。,金属基复合材料,金属基复合材料基本上可分为纤维增强型,(,包括短纤维和毡,),、颗粒和晶须增强型、交替叠层型和共晶定向凝固型几类。低温用,(350,600),纤维增强金属基复合材料，目前已有碳,(,石墨,),纤维、硼纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维等增强铝、镁和钛及其合金。最近以高性能的铝锂合金和金属间化合物作为基体受到较大的关注。高温用,(1000,1400),纤维增强金属基复合材料则以碳化硅纤维,(CVD,法,),、钨与钼丝等增强镍基超合金、金属间化合物,(,钛铝、镍铝等,),。颗粒与晶须增强的金属基复合材料目前多数用碳化硅颗粒和晶须与上述各种金属基体复合。,金属基复合材料,特别应指出的是,SiC,颗粒增强铝合金发展最快，它是当前金属基复合材料最早能实现大规模产业化的品种。这是因为它的重量仅为钢的,1,3,，为钛合金的,2,3,，而与铝合金相近。它的强度比中碳钢好，与钛合金相近而比铝合金略高，模量略高于钛合金但比铝合金高很多。在耐磨性上与钢相似，优于钛合金，比铝合金要大,1,倍。在价格方面大致与铝合金相当，而仅为钛合金的,1,5,。目前已经小批量应用于汽车工业和机械工业中。,交替叠层型金属复合材料是金属与陶瓷、金属与金属以及金属与高性能纤维增强树脂交替叠合而成的超混杂型复合材料。前两种系用溅射或其他涂层方法交替叠合，现仅在实验室阶段。而后一种已经在航空工业中试用，例如一种称为,ARALL,的芳酰胺纤维增强环氧层与铝箔构成的叠层金属基复合材料，由于它的强度高、刚度好，尤其耐疲劳性能优良，而受到重视。关于共晶定向凝固型金属基复合材料有较长的研究历史，但由于工艺复杂一直未能得到发展。,(4),无机非金属基复合材料,无机非金属基复合材料包括纤维和晶须增强陶瓷和玻璃。,目前研究较多的以碳化硅或氧化铝纤维和晶须增强碳化硅、氮化硅、氧化铝等陶瓷或包括石英在内的各种高温玻璃。由于陶瓷基复合材构成型加工困难、尽管现在已经开发了热压烧结法、气相沉积法、高分子先驱体法和溶胶凝胶法等工艺，但是复合后的效果不太理想，特别是较大工件的可靠性较差。,目前比较成熟的是玻璃基复合材料。它的耐热性虽不及陶瓷基复合材料可在,1200,或更高的温度下使用、但也能较满意地应用于,600,1000,范围内。而且其性能特别是韧性比陶瓷基复合材料高很多。,无机非金属基复合材料,虽然这类复合材料目前仍处于实验室研究阶段，离工业化水平较远，但是它的高温性能具有很大的吸引力，所以研究工作仍然很活跃。值得一提的是这类复合材料，特别是陶瓷基的不像其他结构复合材料那样依靠增强剂来提高强度和刚度。陶瓷基体本身就有足够的强度和刚度，问题在于韧性太差。在这里纤维是起到阻止裂纹扩展分散应力集中的增韧作用。因此在复合工艺条件的设计中，应该考虑这个概念上的差别。,(5),碳基复合材料,这种复合材料即以石墨纤维增强石墨的复合材料，又称碳碳复合材料它主要是以碳,(,石墨,),纤维毡、布或二维及多维编织物与可碳化物质,(,如树脂、沥青等,),复合，再碳化与石墨化，如此反复进行多次直到所要求的密度为止，或者用化学气相沉积法把碳沉积在纤维上，这样反复进行亦可得到碳碳复合材料，但密度较低。,这种碳碳复合材料已经能满意地在瞬时高温下作为烧蚀材料使用。但是由于碳素不耐氧化，所以无法在高温又含氧的气氛中长期使用。,为此目前大量工作正致,力于在碳碳复合材料表面涂一层陶瓷抗氧化层。由于两种材料的热不匹配性带来很大的困难，但是设计热过渡层的工作最近已有一定的突破。这种耐温性最好的材料，将可能长期工作于,2000,以上的条件下。,6),功能复合材料,目前已经发展了不少功能复合材料，而且有的已获得应用。如复合压电材料、导电和超导材料、磁性材料、阻尼材料、摩擦磨耗材料、吸声材料、隐身吸波材料以及各种敏感换能材料等等。,PZT,压电材料，就是与树脂复合后降低了材料的介电常数，从而使其压电系数提高了一个数量级左右。但是这些功能复合材料大都应用了线性复合效应。,关于非线性的复合效应还仅仅有极少量地运用。例如有一个实例可以说明乘积效应的作用。即树脂基自控发热带，它是由导电颗粒与树脂以一定的形式复合成半导电材料，使之通电时产生热变形与变形变阻的乘积效应，使通电所发生的热自动控制材料的电阻以达到恒温的目的。这种材料已经有产品在石油化工上应用。,另外某些功能复合材料还可能具有多种功能的综合效果，或者兼有结构和功能的双重效能，特别值得指出的是各种新型的换能材料正需要通过功能复合的途径来提高它的性能，或者得到新的换能材料和综合换能材料。,功能材料发展趋势,功能材料是一大类具有特殊,电、磁、光、声、热、力、化学,以及,生物,功能的新型材料，是,信息,技术、,生物,技术、,能源,技术等高技术领域和,国防,建设的重要基础材料，同时也对改造某些传统产业，如农业、化工、建材等起着重要作用。功能材料种类繁多，用途广泛，正在形成一个规模宏大的高技术产业群，有着十分广阔的市场前景和极为重要的战略意义。功能材料按使用性能分，可分为,微电子材料、光电子材料、传感器材料、信息材料、生物医用材料、生态环境材料、能源材料,和,机敏（智能）材料,。由于我们已把电子信息材料单独作为一类新材料领域，所以这里所指的新型功能材料是除电子信息材料以外的主要功能材料。,功能材料是新材料领域的核心，对高新技术的发展起着重要的推动和支撑作用，在全球新材料研究领域中，功能材料约占,85%,。随着信息社会的到来，特种功能材料对高新技术的发展起着重要的推动和支撑作用，是二十一世纪,信息、生物、能源、环保、空间,等高技术领域的关键材料，成为世界各国新材料领域研究发展的重点，也是世界各国高技术发展中战略竞争的热点。,当前国际功能材料及其应用技术正面临新的突破，诸如,超导材料、微电子材料、光子材料、信息材料、能源转换及储能材料、生态环境材料、生物医用材料,及材料的,分子、原子设计,等正处于日新月异的发展之中，发展功能材料技术正在成为一些发达国家强化其经济及军事优势的重要手段。,生物医用材料,作为高技术重要组成部分的生物医用材料已进入一个快速发展的新阶段，其市场销售额正以每年,16%,的速度递增，预计,20,年内，,生物医用材料,所占的份额将赶上,药物,市场，成为一个支柱产业。,生物活性陶瓷,已成为医用生物陶瓷的主要方向；,生物降解高分子材料,是医用高分子材料的重要方向；,医用,复合,生物材料,的研究重点是,强韧化生物,复合,材料,和,功能性生物,复合,材料,带有治疗功能的,HA,生物,复合,材料,的研究也十分活跃。,能源材料,太阳能电池材料,是新能源材料研究开发的热点，,IBM,公司研制的,多层,复合,太阳能电池，转换率高达,40%,。美国能源部在全部氢能研究经费中，大约有,50%,用于,储氢,技术。,固体氧化物燃料电池,的研究十分活跃，关键是电池材料，如,固体电解质薄膜,和,电池阴极材料,，还有质子交换膜型燃料电池用的,有机质子交换膜,等，都是目前研究的热点。,生态环境材料,生态环境材料是,20,世纪,90,年代在国际高技术新材料研究中形成的一个新领域，其研究开发在日、美、德等发达国家十分活跃，主要研究方向是：直接面临的与环境问题相关的材料技术，例如，,生物可降解材料,技术，,CO,2,气体的固化,技术，,SOx,、,NOx,催化转化,技术、,废物的再资源化,技术，,环境污染修复,技术，材料制备加工中的洁净技术以及节省,资源,、节省,能源,的技术；开发能使经济可持续发展的环境协调性材料，如,仿生材料、环境保护材料,、,氟里昂、石棉,等有害物质的替代材料、绿色新材料等；材料的,环境协调性,评价。,智能材料,智能材料是继天然材料、合成高分子材料、人工设计材料之后的第四代材料，是现代高技术新材料发展的重要方向之一，将支撑未来高技术的发展，使传统意义下的功能材料和结构材料之间的界线逐渐消失，实现,结构功能化、功能多样化,。科学家预言，智能材料的研制和大规模应用将导致材料科学发展的重大革命。,国外在智能材料的研发方面取得很多技术突破，如英国宇航公司的,导线传感器,，用于测试飞机蒙皮上的,应变,与,温度,情况；英国开发出一种,快速反应形状记忆合金,，寿命期具有百万次循环，且输出功率高，以它作制动器时、反应时间，仅为,10,分钟；在,压电材料、磁致伸缩材料、导电高分子材料、电流变液,和,磁流变液,等智能材料,驱动组件材料,在航空上的应用取得大量创新成果。,功能材料的国内需求分析,中国作为一个,12,亿人口的大国，正在实施宏伟的第三步发展战略，这一根本国情加之特种功能材料在经济社会发展中的重要作用和地位，决定了我国对功能材料的需求将是巨大的。,功能材料不仅是发展我国,信息技术、生物技术、能源技术,等高技术领域和国防建设的重要基础材料，而且是改造与提升我国基础工业和传统产业的基础，直接关系到我国,资源、环境,及,社会,的,可持续,发展。,我国,国防现代化,建设一直受到以美国为首的西方国家的封锁和禁运，所以我国国防用关键,特种功能材料,是不可能依靠进口来解决的，必须要走独立自主、自力更生的道路。如,军事通信、航空、航天、导弹、热核聚变、激光武器、激光雷达、新型战斗机、主战坦克,以及军用,高能量密度组件,等，都离不开,特种功能材料,的支撑。,我国经济的快速增长和社会可持续发展，对发展新型能源及能源材料具有迫切的需求。能源材料是发展能源技术、提高能源生产和利用效率的关键因素，我国目前是世界上能源消费增长最快的国家，同时也是能源紧缺的国家。发展,电动汽车,、使用清洁能源、节约石油资源等政策措施使得新型,能源转换,及,储能,材料的需求不断增加。近年来，随着电子信息技术的迅猛发展，我国便携式电器如手提电话、笔记本计算机用户每年均以超过,20%,的速度增加，形成了一个对,小型高能量密度电池,的巨大社会需求。,随着移动通信等新一代电子信息技术的迅速崛起，作为一大批基础电子元器件技术核心的,信息功能陶瓷,日益成为我国发展相关高技术的需求重点。按照,5%,的世界市场占有率计，,2010,年我国信息功能陶瓷材料及制品的年销售额将达,300,亿元人民币，对信息通讯产业发展具有举足轻重的作用。,我国是一个稀土大国，其工业储量占世界总储量的,70%,以上，发展稀土功能材料我国有着独特的资源优势。例如，,稀土永磁材料,全世界的年平均增长率为,23%,，而我国高达,60%,，,1995,年全球的,钕铁硼永磁材料,的生产总量为,6000,吨，其中我国为,2000,吨，占总量的,1/3,，预测,2010,年全球钕铁硼永磁材料的产量将达,14.6,万吨，产值达,80,亿美元，其中我国的产量将达,5.4,万吨，产值达,20,多亿美元，相关器件产值达,100,150,亿美元。稀土在,发光、催化,等领域的应用也具有广阔的市场需求。,我国西部还拥有一些储量丰富的资源，如,稀土、钨、钛、钼、钽、铌、钒、锂,等，有的工业储量甚至占世界总储量的一半以上，这些资源均是,特种功能材料,的重要原材料。研究开发与上述元素相关的特种功能材料，拓宽其应用领域，取得自主知识产权，将大幅度地提高我国相关特种功能材料及制品的国际市场竞争力，这对实现西部资源的高附加值利用，将西部的资源优势转化为技术优势和经济优势具有重要意义，将有力地支持国家的西部大开发。,随着我国人民生活质量的进一步改善和提高，我国潜在的,生物医用材料,市场将很快转化为充满勃勃生机的现实市场，从而创造出巨大的社会经济效益，成为国民经济的一个支柱产业。,我国已确定“在发展中解决保护，在保护环境的基础上实现持续发展”的原则，签署了有关国际公约，并通过了国家有关环境保护的法律、法规，这些都为,生态环境材料,需求发展创造了有利条件。发展生态环境材料，除了在社会和经济方面具有巨大的需求之外，在政治上还对我国加入,WTO,，融入国际社会，提升国际地位具有重要作用。此外，生态环境材料还对我国的“科技、人文、绿色”奥运工程起着特殊的作用。,总之，在未来的五到十年，我国经济、社会及国家安全对功能材料有着巨大的需求，功能材料是关系到我国能否顺利实现第三步战略目标的关键新材料。,发展重点,高温超导材料制备与应用技术,稀土功能材料,新型能量转换材料与技术（能源材料）,生物医用材料,绿色奥运工程材料与技术分离膜材料与技术（海水、氯碱膜）,印刷（制版、感光）、显示（,OLED,）材料,高新技术改造传统产业技术,关键技术选择,能源材料,固体氧化物燃料电池：,固体氧化物燃料电池,是一种新型绿色能源装置，比,质子交换膜燃料电池,有更高的转换效率和节能效果，可减少二氧化碳排放,50%,，不产生,NOx,，已成为发达国家重点研究开发的新能源技术。但目前研究的固体氧化物燃料电池的工作温度达,800,900,，其关键部件的材料制备总是成为制约固体氧化物燃料电池发展的瓶颈。应突破的关键技术主要有：,a,）,高性能电极材料,及其制备技术；,b,）,新型电解质材料,及,电极支撑电解质隔膜,的制备技术；,c,）电池结构优化设计及其制备技术；,d,）电池的结构、性能与表征的研究。,光电转换效率大于,18%,的,硅基太阳能电池,商品化；,研制出光电转换效率大于,18%,的低成本、大面积、可商业化的硅基太阳能电池及其组件。,太阳能的综合利用,(,光电、热电,、热交换,),及其与,风力发电,的耦合技术；建立总体利用效率达,15%,的追尾聚集光式太阳能光电、热电、热交换系统并实用化，建立太阳能综合利用与风力发电耦合的实用型分布式地面电站，并可并网供电。,稀土材料,稀土,催化,材料,稀土,永磁,材料,突破高性能,(N50),、高均匀性、高工作温度、低温度系数的烧结稀土永磁材料和高性能,(,磁能积,20MGOe,）粘结稀土永磁材料的产业化关键技术。,高亮度、长寿命白光,LED,节能照明系统,低成本、高亮度、长寿命白光,LED,节能照明系统产业化并进入普通百姓家庭。,生物医用材料,生物芯片；,生物兼容性好、可降解,或,可诱导再生,的人体,软、硬,组织,替换,材料；,具有,分子识别,和,特异免疫功能,的,血液净化材料,和装置。,生态环境材料,有机膜分离,技术：海水（或盐碱水）淡化效率达,50%,的有机膜实用化和产业化。,固沙植被材料,与技术；,节能、环保,的,建筑材料,及其关键工艺技术：,突破日产,2000,吨的流态化,水泥,烧成技术，其单位能耗与粉尘排放低于目前的新型干法工艺；实现纯氧燃烧生产浮法,建筑玻璃的产业化。,特种功能材料,无机分离催化膜：突破无机分离催化膜（,透氧膜、分子筛膜、透氢膜,）的关键制备技术，建立无机分离催化膜用于,天然气催化转化,制备,合成气,和,液体燃料,、天然气直接转化制备,乙烯,、生物质原料制备,乙醇,、天然气制,氢,等方面的示范性生产装置。,大尺寸,光学金刚石膜,；,有机磁性材料：突破本征,有机磁性材料,的关键技术。,敏感材料,与,传感器,。,超导材料,高温超导,材料的制备与应用技术。,树脂基复合材料的发展史,树脂基复合材料（,Resin Matrix Composite,）也称纤维增强塑料（,Fiber Reinforced Plastics,），是目前技术比较成熟且应用最为广泛的一类复合材料。这种材料是用,短切,的或,连续纤维,及其,织物,增强,热固性,或,热塑性,树脂基体，经复合而成。,以玻璃纤维作为增强相的树脂基复合材料在世界范围内已形成了产业，在我国俗称,玻璃钢,。,树脂基复合材料的发展史,树脂基复合材料于,1932,年在美国出现，,1940,年以手糊成型制成了玻璃纤维增强聚酯的军用飞机的,雷达罩,，其后不久，美国莱特空军发展中心设计制造了一架以玻璃纤维增强树脂为,机身,和,机翼,的飞机，并于,1944,年,3,月在莱特帕特空军基地试飞成功。从此纤维增强复合材料开始受到军界和工程界的注意。,第二次世界大战以后这种材料迅速扩展到民用，风靡一时，发展很快。,1946,年纤维缠绕成型技术在美国出现，为纤维缠绕压力容器的制造提供了技术贮备。,1949,年研究成功玻璃纤维预混料并制出了,表面光洁，尺寸、形状准确,的复合材料,模压件,。,树脂基复合材料的发展史,1950,年,真空袋,和,压力袋,成型工艺研究成功，并制成直升飞机的,螺旋桨,。,60,年代在美国利用纤维缠绕技术，制造出北极星、土星等大型固体火箭发动机的,壳体,，为航天技术开辟了轻质高强结构的最佳途径。在此期间，玻璃纤维聚酯树脂喷射成型技术得到了应用，使,手糊工艺,的质量和生产效率大为提高。,1961,年,片状模塑料,（,Sheet Molding Compound,简称,SMC,在法国问世，利用这种技术可制出大幅面,表面光洁，尺寸、形状稳定,的制品，如汽车、船的,壳体,以及,卫生洁具,等大型制件，从而更扩大了树脂基复合材料的应用领域。,1963,年前后在美、法、日等国先后开发了高产量、大幅宽、连续生产的玻璃纤维复合材料,板材,生产线，使复合材料制品形成了规模化生产。,树脂基复合材料的发展史,拉挤成型工艺的研究始于,50,年代，,60,年代中期实现了连续化生产，在,70,年代拉挤技术又有了重大的突破，近年来发展更快。除,圆棒状,制品外，还能生产,管、箱形、槽形、工字形,等复杂截面的型材，并还有环向缠绕纤维以增加型材的侧向强度。目前拉挤工艺生产的制品断面可达,76cm20cm,。,在,70,年代树脂反应注射成型（,Reaction Injection Molding,简称,RIM,）和增强树脂反应注射成型（,Reinforced Reaction Injection Molding,简称,RRIM,）两种技术研究成功，进一步改善了手糊工艺，使产品两面光洁，现已大量用于,卫生洁具,和,汽车的零件,生产。,树脂基复合材料的发展史,1972,年美国,PPG,公司研究成功热塑性片状模型料成型技术，,1975,年投入生产。这种复合材料最大特点是改变了热固性基体复合材料生产周期长、废料不能回收问题，并能充分利用塑料加工的技术和设备，因而发展得很快。,制造管状构件的工艺除缠绕成型外，,80,年代又发展了,离心浇铸成型法,，英国曾使用这种工艺生产,10m,长的复合材料,电线杆,、大口径受外压的,管道,等。,从上述可知，新生产工艺的不断出现推动着聚合物复合材料工业的发展。,树脂基复合材料的发展史,进入,20,世纪,70,年代，对复合材料的研究突破了仅仅采用玻璃纤维增强树脂的局面，人们一方面不断开辟玻纤树脂复合材料的新用途，同时也发现，这类复合材料的比刚度不能满足要求很高的尖端技术的需求，因而开发了一批如,碳纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维、硼纤维、芳纶纤维、高密度聚乙烯纤维,等高性能增强材料，并使用高性能树脂、,金属,与,陶瓷,为基体，制成先进复合材料（,Advanced Composite Materials,简称,ACM,）。这种先进复合材料具有比玻璃纤维复合材料更好的性能，是用于飞机、火箭、卫星、飞船等航空航天飞行器的理想材料。,树脂基复合材料的发展史,自从先进复合材料投入应用以来，有三件值得一提的成果。,第一件是美国全部用,碳纤维,复合材料制成一架八座商用飞机里尔芳,2100,号，并试飞成功，这架飞机仅重,567kg,，它以结构小巧重量轻而称奇于世。,第二件是采用大量先进复合材料制成的哥伦比亚号航天飞机，这架航天飞机用,碳纤维,/,环氧树脂,制作长,18.2m,、宽,4.6m,的主货舱门，用,凯芙拉纤维,/,环氧树脂,制造各种压力容器，用,硼,/,铝复合材料,制造主机身隔框和翼梁，用,碳,/,碳复合材料,制造发动机的喷管和喉衬，发动机组的传力架全用,硼纤维增强钛合金,复合材料制成，被覆在整个机身上的防热瓦片是耐高温的,陶瓷基复合材料,。在这架代表近代最尖端技术成果的航天收音机上使用了,树脂、金属,和,陶瓷基复合材料,。,树脂基复合材料的发展史,第三件是在波音,767,大型客机上使用了先进复合材料作为主承力结构，这架可载,80,人的客运飞机使用,碳纤维、有机纤维、玻璃纤维增强树脂,以及各种,混杂纤维,的复合材料制造了机翼前缘、压力容器、引擎罩等构件，不仅使飞机结构重量减轻，还提高了飞机的各种飞行性能。复合材料在这几个飞行器上的成功应用，表明了复合材料的良好性能和技术的成熟，这对于复合材料在重要工程结构上的应用是一个极大的推动。,树脂基复合材料在中国的发展,中国的复合材料起始于,1958,年，首先用于军工制品，而后逐渐扩展到民用。,1958,年以手糊工艺研制了,玻璃钢艇,，以层压和卷制工艺研制玻璃钢板、管和,火箭弹,。,1961,年研制成用于远程火箭的,玻璃纤维酚醛树脂,烧蚀防热弹头，,1962,年引进,不饱和聚酯树脂,、喷射成型和蜂窝夹层结构成型技术，并制造了,玻璃钢,的,直升机螺旋桨叶,和,风洞叶片,，同年开始纤维缠绕工艺研究并生产出一批,氧气瓶,等压力容器。,1970,年用,玻璃钢蜂窝夹层结构,制造了一座直径,44m,的,