復合材料發展形勢

 第十八屆國際復合材料大會（18th ICCM）于2011年8月21~26日在韓國濟州島（Jeju， Korea）的國際會議中心（ICC）舉行。
本次大會由國際復合材料學會（International Committee on Composite Materials）主辦，韓國復合材料學會（The Korean Society for Composite Materials）承辦，共吸引了來自47個國家、1600多名從事復合材料相關行業的科研工作者、研究生參加，刷新了歷屆參會人數的記錄。中國復合材料學會（Chinese Society for Composite Materials）理事長、本屆大會的副主席杜善義院士率領100多名來自中國各大高校、研究所專家學者及企業界代表參加了本次大會，這充分說明我國在復合材料領域已經逐步迎頭趕上并已成為國際復合材料行業非常重要的一部分。 123456
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第十八屆國際復合材料大會
復合材料及其相關產業是世界經濟產業鏈中重要的一環。根據JEC首席執行官 F. Mutel 女士提供的數據，全世界復合材料相關行業市場已經達到850億美元。市場分析數據預測，2007~2009年經濟危機以后，世界經濟將以5%~6%的速度逐步恢復，復合材料產業作為新興產業已成為許多國家的發展重點，將對世界經濟進一步復蘇產生重要的影響。因此，本次國際復合材料大會不僅吸引了大量大學及研究所研究人員參加，也吸引了許多工業界人士。

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Thomas Hahn教授獲得大會Scala獎
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在為期5天的會議中，安排了1個大會Scala報告（以著名復合材料專家Scala命名的報告）、18個主題報告、900多個口頭報告、300多個墻報。報告內容涵蓋傳統的樹脂基復合材料、金屬基復合材料、陶瓷基復合材料以及碳/ 碳材料等，同時還包括一些新型復合材料，如納米復合材料、生物復合材料等，其應用方向為航空航天、汽車、建筑以及風能等領域。本次大會為全世界從事不同研究方向的復合材料研究工作者提供了一個相互交流與探討的平臺。很多高水平的報告不僅介紹了現在復合材料的新技術、新發展，還對復合材料行業發展進行了預測。 本文來自123

新趨勢——結構材料的功能化
復合材料一直被認為是結構材料，但研究人員對其功能的開發越來越重視。參會的報告很多都與復合材料的功能有關。賦予復合材料更多的功能已經成為國際上復合材料基礎研究的一個新熱點。來自美國加州大學洛杉磯分校的Thomas Hahn教授做了題目為“復合材料：從結構材料到多功能材料（Composite Materials ：From Structural to Multifunctional）”的大會Scala報告。Hahn教授介紹，過去30年中，復合材料主要經歷了材料研制—低成本化—實際應用的研究過程。隨著復合材料在航空、風能、汽車等領域的廣泛應用，人們已經不再滿足復合材料僅作為結構材料，逐漸開發其多種功能。
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Tsai教授在Chomarat公司展臺與參會者研討
Hahn教授本次主要宣講了通過添加納米顆粒或開發具有新功能樹脂等方法實現復合材料的功能化。改進后的復合材料在電、熱、磁、化學、生物、光學等方面具有特殊的性能，將來可以應用于復合材料結構健康檢測、自愈合、能量儲存以及電磁等領域。 內容來自123456
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會議期間企業展臺

例如，Hahn教授小組利用納米顆粒表面存在的鋁羥基，在氧化鋁納米顆粒表面用雙功能偶聯劑進行修飾，偶聯劑可以進一步與乙烯基脂樹脂單體聚合，采用此方法改性后的樹脂強度和模量均有提升，而且提升幅度與納米顆粒含量有關。
新思路——新的鋪層設計方案
非均衡、非對稱鋪層的實現可以大大減少鋪層設計的難度、降低結構重量，從而減少成本，但是非均衡、非對稱鋪層很少被采用。這是因為在固化過程中，非均衡、非對稱的鋪層存在較大的內應力而容易產生變形。來自斯坦福大學的Stephen Tsai教授主要介紹了一種非均衡、非對稱鋪層方法，可以達到降低結構重量和節省成本的目的。
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筆者與參會廠商交流
一般鋪層設計中，常用鋪層有0，±45°，90°這4個不同角度。Tsai教授則建議使用[0/25] 雙鋪層結構代替以上常用鋪層，而每一個雙鋪層的厚度僅為常用鋪層厚度的1/2。通過彎曲- 扭轉耦合矩陣的計算，[0/25] 雙鋪層結構可以有效減少內應力，從而實現非均衡、非對稱鋪層設計。Tsai教授同時開發了非皺紋織物（Non Crimp Fabric），可以實現[0/25]雙鋪層結構。與Tsai教授合作的Chomarat公司在會場開設了展臺，進行產品展示。 copyright 123456

新革命——納米技術
碳纖維是復合材料產業中最重要的原材料之一。日本的Toray集團是世界上最重要的碳纖維生產廠商。Toray集團的Y. Suga介紹了現階段東麗公司關于碳纖維增強聚合物（CFRP）5個研究重點： 本文來自123
（1）在纖維研究方面，Toray公司仍舊致力于研究性能更優的碳纖維，即高強度、高模量的碳纖維，要實現這一目標可能需要納米技術。研究表明碳纖維的強度與其表面缺陷的尺寸有關，如果能將碳纖維表面缺陷控制在納米范圍內，可以大幅提升碳纖維的強度，而纖維的模量則與纖維內部石墨納米晶體的尺寸和方向有關，如果能在控制石墨納米晶體的尺寸與方向，可以很好地改善碳纖維的模量。此外，納米纖維也是Toray公司研發的重點，如他們已經開發出了20~150nm的尼龍、滌綸和聚苯硫醚的纖維。采用這種纖維制成的織物由于其表面積大，在吸水、保濕等方面有廣泛的用途。 內容來自123456
（2）在CFRP制備工藝方面，考慮到大規模產業化的要求，東麗主要關注的成型工藝主要是FW（纖維纏繞）、RTM以及預浸料的模具加壓成型等工藝。
（3）除了技術上亟待取得突破以外，作為全球知名企業，他們對全生命周期管理（LCM）也格外重視，東麗主要從全生命周期分析（LCA）和全生命周期成本（LCC）兩方面考慮，研究CFRP在CO2減排以及成本兩方面對社會的貢獻。 123456
（4）在航空領域，東麗認為連接技術，特別厚壁結構處連接方法的設計是目前的一個難點。
（5）在汽車行業，保時捷CARRERA GT、豐田LF-A 等車型已采用CFRP整體外殼設計，但東麗認為成本問題以及碰撞試驗的結構模擬是限制CFRP在此領域應用的主要障礙。此外，碳纖維增強熱塑性材料由于其制造工藝較短引起了人們的注意，但在這方面的設計經驗現在很缺乏。

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新理念——將復合材料
作為系統融入飛行器設計復合材料在航空領域的應用從20世紀70年代開始。在過去的幾十年中，復合材料部件的結構越來越復雜，制造工藝也從最早期的手工鋪層發展到近幾年的熱壓垂簾成型(Hot Drape Forming)、自動纖維鋪放（Automatic fiber Placement)、非熱壓罐（Out-of Autoclave) 等新工藝。
波音787已經成為復合材料在飛行器中應用的一個典范。波音公司G.K. Young主要總結了波音在復合材料設計方面的一些經驗、面臨的主要問題以及對未來飛行器設計的設想。
波音認為，在復合材料構件設計中，第一代的復合材料往往被作為準各向同性材料來處理，業內人士稱之為“黑色的鋁”，因此，第一代的復合材料設計主要采用經驗以及少量的設計，復合材料則應被視為一個系統來處理。這就要求人們在各種尺度范圍內詳細研究樹脂、纖維、樹脂與纖維界面、最終飛行器與環境的相互作用等。同時，計算機處理速度提升、軟件的發展可以幫助人們更好地理解新一代復合材料的性能以及使用極限。隨著實驗室研究手段的不斷豐富，人們可以摒棄傳統的根據經驗來進行復合材料設計的理念，將新型復合材料的研發變成復合材料設計過程中的重要環節。

本文來自123

新機遇——節能減排的新型汽車需要復合材料
世界各國對CO2排放標準的要求日趨嚴格。歐洲要求截至2012年，汽車的排放量要從130g/km減少到90g/km，美國、日本、韓國等國家要求截止到2020年，減少40%的CO2排放。實現這一目標需要對汽車動力系統進行改進，同時需要減輕結構重量。現代- 起亞（Hyundai-Kia）公司的目標是到2015年，將汽車重量減少10%。據現代- 起亞公司的J.D. Kim先生介紹，他們準備使用復合材料代替部分金屬部件，如玻璃纖維的復合材料可以應用于汽車前端零件、汽油蓋、進氣歧管等，含有滑石或黏土的復合材料可以用于改善結構的空間穩定性，碳纖維增強的復合材料可以使用在結構組件、傳動桿等部位。

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碳纖維復合材料要實現在汽車產業中批生產仍需解決2個難題：
（1）降低成本。碳纖維的高價格是阻礙復合材料在汽車工業應用的最大障礙，縮短生產周期可以降低制造工藝成本。
（2）提高復合材料的可靠性和耐久性。與航空用復合材料不同，汽車用復合材料不可能經常檢修，因此對材料的可靠性和耐久性要求很高。除此以外，現代- 起亞還嘗試使用金屬基復合材料，但是由于成本高及工藝復雜尚未形成批生產能力。 123456

新挑戰——復合材料在80m長風扇葉片中的應用
復合材料風機葉片是本次大會的一個熱點話題，很多復合材料的研究單位和企業都設置了展臺，展示他們在復合材料風機葉片已取得的進展。作為世界風能行業的領跑者，Vestas 公司在復合材料風機葉片的設計與制造方面有著非常豐富的經驗。現階段，風扇葉片的尺寸基本達到40~60m。 123,123
Vestas公司的P.A. Hibbard先生認為在風機葉片發展方面仍存在以下難題：
（1）大尺寸風機葉片的制造。由于市場需求不斷增加，風機葉片尺寸也不斷增加，2011 年Vestas 公司研制的V164風機葉片達到80m。
（2）疲勞機理研究。風機葉片對材料疲勞性能要求很高，但風機葉片在工作環境下所受載荷復雜，需要研究復合材料層壓板與連接處的疲勞機理，對葉片設計進行優化。 內容來自123456
（3）材料的基礎研究，即開發具有較高的比強度、性價比的材料。解決材料的內部減震、回收等問題。

結束語
本屆大會涉及的內容十分廣泛，不僅邀請國際著名大學、研究所的學者做了學術報告，還邀請了很多著名企業界的研究人員參會，如波音、Toray、Hyundai-Kia、Vestas 等國際最有影響力的復合材料企業。這為企業與研究單位的互動提供了一個很好的平臺。 copyright 123456

大會討論的議題幾乎涵蓋所有復合材料專業，包括納米復合材料、多功能復合材料、綠色復合材料、復合材料的應用、高性能復合材料、復合材料的連接磨損行為、聚合物復合材料的記憶變形功能、納米復合材料與聚合物納米復合材料、結構設計、制造工藝技術、破損和斷裂等。研究對象從納米顆粒到幾十米的大尺寸構件。值得注意的是當今復合材料的研究重點已由單一結構材料向功能化材料轉移，這對多學科間的交叉要求越來越高。
此外，很多中外企業在大會會址設置了展臺，其中韓國企業所占比重最大，如Hannkuk Carbon、DACC、Hanwha L & C、Hyosung和Kukdo等。他們分別展示了其公司最新的碳纖維、樹脂、玻璃纖維復合材料、碳纖維復合材料、陶瓷基復合材料、碳/碳材料及相關產品，使人們對韓國復合材料行業有了初步的了解。(航空制造網)