先進復合材料在民用市場的應(yīng)用與發(fā)展

先進復合材料自上世紀60年代中期誕生以來，其應(yīng)用歷來分為三大領(lǐng)域：以航空航天為主的國防軍工系統(tǒng)應(yīng)用，目前約占20%左右；體育休閑用品，目前約占20%左右；工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用，目前約占60%左右。此處所言的先進復合材料，主要系指碳纖維增強樹脂基復合材料。我多年來是從碳纖維的產(chǎn)耗量入手研究先進復合材料在民用領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展情況。據(jù)統(tǒng)計，目前世界碳纖維總產(chǎn)能約在66000噸/年左右，產(chǎn)量約為46000噸/年左右。


復合材料的民用領(lǐng)域

一、體育休閑用品應(yīng)用

這是一個開發(fā)較早，現(xiàn)仍有穩(wěn)定需求的應(yīng)用領(lǐng)域，但已有漸趨飽和的態(tài)勢。

1.高爾夫球拍：4000萬只/年，約占總數(shù)的80%以上，“已碳化了”。
2.其他各種球拍（網(wǎng)球拍、曲棍球拍、羽毛球拍等）：1000多萬只/年，幾乎獨占市場。其中網(wǎng)球拍占 80%以上。 本文來自123
3.釣魚桿：1200萬只/年，約占總數(shù)的50%以上。
4.自行車：20萬輛/年以上。
5.其他：賽艇、賽車、弓箭、滑雪板、桿（400萬套/年）、滑板等。

前四項約占CF耗量的85%左右，其他只占15%左右。我國的臺灣有“復合材料體育用品王國”之稱，但近年來已向大陸轉(zhuǎn)移。臺灣碳纖維2007年可有3000噸/年的產(chǎn)能。

二、工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用

這是一個覆蓋甚廣，內(nèi)容甚多，也是一個發(fā)展最快，前景最好的應(yīng)用領(lǐng)域。

1.基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域

基礎(chǔ)設(shè)施（Infrastructure）系指建筑領(lǐng)域的房屋、梁、隧道、涵洞、地鐵及其相關(guān)的混凝土工程，其修復、更新、加固已構(gòu)成復合材料目前極重要的應(yīng)用領(lǐng)域。結(jié)構(gòu)應(yīng)用：承拉索、護欄、扶手、梁、柱、桿、樁、桁架、構(gòu)架、格柵、筋條（代鋼筋）、修復、加固、更新：層壓板、包纏料（片材）。

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2. 汽車領(lǐng)域

復合材料用于汽車領(lǐng)域多數(shù)代替鋼材，可減重40%以上→節(jié)省燃油→降低使用成本。但復合材料成本較高→進展一直不如人意→碳纖維須降至＄11/kg以下才會有大的變化。近年來隨大絲束纖維、RTM工藝等低成本技術(shù)的發(fā)展，情況大有變化，應(yīng)用日益增多。汽車：車體結(jié)構(gòu)，傳動軸、板簧、賽車、環(huán)保型的電動汽車（車體、儲能飛輪必用）。壓縮天然氣瓶：環(huán)保→天然氣汽車（NGV）→CNG→復合材料氣瓶：鋁內(nèi)膽+纏繞成形。

當前世界性的能源短缺，燃油漲價，車體減重需求增加，車體重量每減重10%，燃油消耗下降7%。最近美國能源部（DOE）聯(lián)合美國汽車研究會（USCAR）共同發(fā)起了一個五年計劃項目，共投資$1.95億，旨在發(fā)展輕質(zhì)高強材料提高燃油效率，復合材料首當其沖。近年來國際上先進復合材料的汽車制件日漸增多，已有多臺全復合材料汽車展出亮相。如K200Rood全復合材料汽車，車體重僅300KG，號稱世界上最輕的雙座轎車。還有全復合材料巴士。國內(nèi)汽車上復合材料應(yīng)用亦日多，但多為玻璃鋼制件，先進復合材料應(yīng)用開發(fā)幾乎還是空白，極待開發(fā)。汽車應(yīng)用量大面廣，必將形成復合材料的潛在應(yīng)用大戶。將新能源汽車和復合材料輕結(jié)構(gòu)汽車結(jié)合起來是最好的發(fā)展方向！

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碳纖維復合材料汽車：日本東麗公司在名古屋耗資2430萬美元建汽車復合材料中心，目標是開發(fā)低成本碳纖維復合材料車身面板和混合動力汽車。帝人公司計劃2010 年提供碳纖維/環(huán)氧樹脂復合材料制造汽車零件，計劃由下屬公司TOHO執(zhí)行。預計碳纖維在汽車領(lǐng)域的銷售額從2008年的3%增加到2010年的7%。開發(fā)快速成形技術(shù)，成形過程僅需10分鐘。美國PNGV里程目標30km/升汽油，為此尋求更輕的結(jié)構(gòu)材料。美國能源部橡樹嶺國家實驗室擬將碳纖維從現(xiàn)在8-10美元/磅降到3-5美元/磅，以滿足輕型汽車對更輕的結(jié)構(gòu)材料的要求。

3、沿海油氣田領(lǐng)域

先進復合材料具有重量輕和高耐腐蝕的獨特優(yōu)點，適用于沿海油氣田的開發(fā)和生產(chǎn)，在該領(lǐng)域有極為廣泛的應(yīng)用前景。應(yīng)用可分為岸基（on-shore）和沿海（off-shore）、井上結(jié)構(gòu)和井下系統(tǒng)。應(yīng)用方向包括：管道系統(tǒng)、油箱、油罐、圍欄、扶手、通道，特別是采油的豎井（Riser）和將平臺錨固到海底的安全索和功能纜線（umbilical）與繩索（tether）等。以上設(shè)施均可長達幾千米，重達幾千噸。

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國際上對該領(lǐng)域的應(yīng)用已有大力開發(fā)，并召開過多次國際會議，第4次國際年會（CMOD-4）不久前在美國Houston大學召開，主持人為Su Su Wang。該領(lǐng)域技術(shù)問題比較復雜，如深水低溫、壓力、渦流振動等。但因用量大，據(jù)說若豎井、繩索等都實現(xiàn)復合材料化，目前世界上全部的碳纖維尚不足一家之用！國內(nèi)該領(lǐng)域的應(yīng)用幾乎還是空白，極待開發(fā)。

4 .風力發(fā)電領(lǐng)域

風力是清潔環(huán)保的可再生能源→風力發(fā)電是世界能源增長最快的領(lǐng)域：每年以25%以上的速率遞增。趨勢：單機容量越來越大→葉片越來越長、自重越來越大→剛度、強度要求越來越高→由玻纖轉(zhuǎn)向碳纖。目前可達4～5MW，塔高70m，葉片可長達50m~60m。葉片長度每增加6%，發(fā)電量可增加12%。歐洲德國領(lǐng)先（8750MW），其次是美國，亞洲是印度、日本等，我國尚有很大的發(fā)展空間。應(yīng)用：葉片、機艙罩、導流罩、塔架等。

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5、艦船領(lǐng)域

先進復合材料是性能優(yōu)異的可大幅度減重的結(jié)構(gòu)材料，又兼有高耐腐蝕的特點，因此在艦船結(jié)構(gòu)上有廣泛的應(yīng)用前景。應(yīng)用領(lǐng)域包括：賽艇、游艇、帆船、艦艇以至潛水艇等應(yīng)用的部位包括：船體、甲板、艙室結(jié)構(gòu)、風帆桅桿、船舵等制造上會大量采用RTM技術(shù)，特別是SCRIMP，即西曼復合材料樹脂熔塑成形法，大規(guī)模整體成形，并多用夾層結(jié)構(gòu)，芯材可用NOMEX蜂窩或閉孔泡沫材料。美國甚至要用復合材料造潛艇屆時艇體壁厚可達70mm。美國諾斯羅普·格魯門公司2005年采購了453.6噸碳纖維，用于兩艘艦船制造，規(guī)?？梢娨话?。每艘驅(qū)逐艦可用225噸碳纖維。

6、防彈產(chǎn)品領(lǐng)域

現(xiàn)代的防彈產(chǎn)品多由復合材料制成，可用到芳綸、超高分子量聚乙烯纖維等。防彈板：飛機、武裝直升機、坦克防彈頭盔：金屬→非金屬（陶瓷）→復合材料→混雜復合材料。防彈服：武警、特種部隊需求增加。防彈車：防彈運鈔車、轎車，或整車或局部。目前國產(chǎn)的防彈頭盔和防彈服等已大量出口。

7、其他工業(yè)領(lǐng)域

復合材料幾乎是個無所不為的材料，在其他工業(yè)領(lǐng)域亦有廣泛應(yīng)用。應(yīng)用需要創(chuàng)造性的開發(fā)。電子領(lǐng)域：拋物面天線、印刷電路板、電器設(shè)備殼架。生物工程和醫(yī)學：人工關(guān)節(jié)、假肢、人工臟器等，CT床板等成像設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備等。發(fā)熱體：電暖氣、發(fā)熱墻體、發(fā)熱床體修理產(chǎn)業(yè)（修理金屬飛機結(jié)構(gòu)、工業(yè)設(shè)備等）其他：高速列車、機械設(shè)備、工業(yè)羅拉（軸輥）、殘疾人用車及用品、齒輪、軸承、飛輪、集裝箱、樂器、機器人結(jié)構(gòu)、燃料電池、電纜等。其中輸電纜線會有巨大發(fā)展。

關(guān)于復合材料民用產(chǎn)品開發(fā)的幾點建議

1、中國3大領(lǐng)域應(yīng)用概況；航空航天5%、工業(yè)領(lǐng)域35%、體育休閑用品60%，與國外相比，存在“病態(tài)”。此情此景極應(yīng)改變！
2、開發(fā)應(yīng)以工業(yè)領(lǐng)域為主，如汽車領(lǐng)域、風機葉片、沿海油氣田應(yīng)用等。應(yīng)用要靠創(chuàng)造性的自主開發(fā)，注意形成自主知識產(chǎn)權(quán)。 本文來自123
3、任何產(chǎn)品開發(fā)都必須和相關(guān)的產(chǎn)業(yè)部門、應(yīng)用部門密切合作，共創(chuàng)共贏，才能有可為有可成。
4、任何產(chǎn)品的成功開發(fā)和應(yīng)用都必須注意發(fā)揮復合材料的優(yōu)點和特點，用其所長、揚長避短，應(yīng)用才會有生命力，市場才會有推廣力。
5、任何產(chǎn)品一旦形成結(jié)構(gòu)，必有設(shè)計、計算分析和制造等問題，對此必須給以充分注意。
6、國內(nèi)嚴重缺乏復合材料設(shè)計人才，民用部門情況尤甚，這嚴重影響了我國復合材料產(chǎn)事業(yè)的發(fā)展，必須充分注意人才的培養(yǎng)、培訓、鍛煉提高。以人為本，事在人為。