高分子复合材料的研究现状与展望

　　随着技术的发展，单一材料已不能满足尖端技术领域发展的需要，为此，新型的复合材料引起了科技界的广泛关注，成为材料研究领域的一个研究热点。复合材料可以发挥各种材料的优点，避其弱点，可充分利用和节约资源，因此科技界将复合材料作为一类新型材料来研究。例如玻璃钢，因质轻、坚硬，机械强度可与钢材相比，已成功用于印刷电路板、汽车车身、船体等领域。

　　复合材料与陶瓷、高聚物、金属并称为四大材料。其已成为衡量一个国家或地区的复合材料工业水平的标志之一，是国家安全和国民经济具有竞争优势的源泉。有关研究报道指出，到 2020 年，复合材料性能潜力可获得 20% ~25%的提升[1].

　　随着工业现代化的发展，设备的集群规模和自动化程度越来越高，同时针对设备的安全连续生产的要求也越来越高，传统的以金属修复方法为主的设备维护工艺技术已远远不能满足高新设备的维护需求，对此需要研发针对设备预防和现场解决的新技术和材料，为此诞生了包括高分子复合材料在内的更多新的维护技术和材料，满足新设备运行环境的维护需求。

　　1 高分子材料研究现状

　　高分子材料是以高分子化合物为基础的材料，由巨量原子以共价键结合形成相对分子量大、具有重复结构单元的有机化合物。高分子材料按来源分为天然高分子材料、合成高分子材料、半合成高分子材料。生活中的高分子材料很多，如蚕丝、棉、麻、毛、玻璃、橡胶、纤维、塑料、高分子胶粘剂、高分子涂料和高分子基复合材料等[2].

　　我国在高分子材料的开发和综合利用虽起步较晚，但高分子材料为我国的经济建设做出了重要的贡献，已建立了完善的高分子材料的研究、开发和生产体系，取得了进步。目前，我国应提高整体科研水平，致力于创新的高分子聚合反应和方法，开发出绿色功能和智能材料，满足工业和新技术的需求，提高人们生活质量。

　　高分子材料对我们未来的影响是不可预测的，随着科技的发展，高分子材料也可以具有其他材料的特性，成为最全面的材料，能满足人类在工业、医药、航天方面对新材料的需求，造福人类。

　　2 复合材料研究现状

　　复合材料中以纤维增强材料应用最广、用量最大。其特点是比强度和比模量大、比重小。例如碳纤维与环氧树脂复合的复合材料，其比强度、比模量比钢和铝合金的比强度、比模量大数倍，且具有优良的化学稳定性、减摩耐磨、自润滑、耐热、耐疲劳、耐蠕变、消声、电绝缘等性能[3].

　　纤维增强材料的另一个特点是各向异性，可按制件不同部位的强度要求设计纤维的排列。以碳纤维和碳化硅纤维增强的铝基复合材料，在 500℃时仍能保持足够的强度和模量。碳化硅纤维与钛复合，耐热性高，耐磨损，可作发动机风扇叶片。碳化硅纤维与陶瓷复合，使用温度可达 1500℃，比超合金涡轮叶片的使用温度（ 1100℃） 高得多。碳纤维增强碳、石墨纤维增强碳或石墨纤维增强石墨，构成耐烧蚀材料，已用于航天器、火箭导弹和原子能反应堆中。非金属基复合材料由于密度小，用于汽车和飞机可减轻重量、提高速度、节约能源。用碳纤维和玻璃纤维混合制成的复合材料片弹簧，其刚度和承载能力与重量大 5 倍多的钢片弹簧相当。

　　由于复合材料一般具有强度高、质量轻、耐高温、耐腐蚀等优异性能，在综合性能上超过了单一材料，因此，宇航工业就成了复合材料的重要应用领域。另外，复合材料在汽车工业、机械工业、体育用品甚至人类健康方面的应用前景也十分广阔[4].

　　现代高科技的发展离不开复合材料，复合材料对现代科学技术的发展，有着十分重要的作用。复合材料的研究深度和应用广度及其生产发展的速度和规模，已成为衡量一个国家科学技术先进水平的重要标志之一。

　　随着科技的发展，树脂与玻璃纤维在技术上不断进步，生产厂家的制造能力普遍提高，使得玻纤增强复合材料的价格成本已被许多行业接受，但玻纤增强复合材料的强度尚不足以和金属匹敌。因此，碳纤维、硼纤维等增强复合材料相继问世，使高分子复合材料家族更加完备，已经成为众多产业的必备材料。目前全世界复合材料的年产量已达 550多万吨，年产值达 1300 亿美元以上，若将欧、美的军事航空航天的高价值产品计入，其产值将更为惊人。从全球范围看，世界复合材料的生产主要集中在欧美和东亚地区。近几年欧美复合材料产需均持续增长，而亚洲的日本则因经济不景气，发展较为缓慢，但中国尤其是中国内地的市场发展迅速。

　　复合材料的市场有以下几个： 一是清洁、可再生能源用复合材料，包括风力发电用复合材料、烟气脱硫装置用复合材料、输变电设备用复合材料和天然气、氢气高压容器； 二是汽车、城市轨道交通用复合材料，包括汽车车身、构架和车体外覆盖件，轨道交通车体、车门、座椅、电缆槽、电缆架、格栅、电器箱等； 三是民航客机用复合材料，主要为碳纤维复合材料，热塑性复合材料约占 10%,主要产品为机翼部件、垂直尾翼、机头罩等。

　　3 高分子复合材料研究现状

　　二十世纪后期，世界发达国家以美国福世蓝（ 1st line） 公司为代表的研发机构，研发了以高分子材料和复合材料技术为基础的高分子复合材料，它是以高分子复合聚合物与金属粉末或陶瓷粒组成的双组分或多组分的复合材料，在有机化学、高分子化学、胶体化学和材料力学等学科基础上发展起来的高技术学科。极大解决和弥补金属材料的应用弱项，广泛用于设备部件的磨损、腐蚀、冲刷、裂纹、渗漏、划伤等修复保护。

　　高分子复合材料是高分子材料与不同形状、组成、性质的物质复合而成的、拥有界面的多相固体材料。其研发技术水平和推广应用的覆盖面在相当程度上反映-个国家军事工业和国防建设、能源利用和环境保护的水平[5].

　　高分子复合材料技术已发展成为重要的现代化应用技术之一，其主要有以下特点： （ 1） 优异的附着力； （ 2） 优异的机械性能； （ 3） 抗化学腐蚀性能；（ 4） 材料的安全性。

　　目前，高分子复合材料主要有高分子液晶复合材料、高分子纳米复合材料、导热高分子复合材料。

　　随着科学技术的发展，这三类高分子复合材料都得到了长足的发展，下面分别介绍各种高分子复合材料的发展状况。

　　（ 1） 高分子液晶复合材料

　　自 1888 年奥地利植物学家 F. Reinitzer 在合成苯甲酸胆甾醇时发现了液晶后，科技界对液晶材料的探索就从未停止。1966 年，Dopont 公司首次使用各向异性的向列态聚合物溶液制出商品纤维---Fi2bre B 后，高分子液晶材料走向了工业化道路[6].

　　当今，高分子液晶材料已成为高分子复合材料学科研究的一个重要领域。高分子液晶复合材料的发展趋势是： 发展液晶高分子原位材料； 降低成本； 发展功能液晶高分子材料； 开发新的成型加工技术和新品种。目前，关于热致液晶高分子原位复合是高分子液晶复合材料领域研究的一大热点。

　　（ 2） 高分子纳米复合材料

　　高分子纳米复合材料是由各种纳米单元与有机高分子材料以各种方式复合成型的一种新型复合材料，被称为 21 世纪最有前途的材料，是经济增长的发动机。高分子纳米复合材料是新型材料发展的重点，已成为材料科学研究的前沿、热点课题。

　　目前，高分子纳米复合材料在碳纳米管/高分子复合材料、纳米粒子对聚合物改性等方面有了很大进展。

　　（ 3） 导热高分子复合材料

　　导热高分子复合材料具有优良的耐化学腐蚀、耐高温、优异的电绝缘性等综合性能，因而逐渐用其来代替传统金属材料。导热高分子复合材料的研究与开发在 20 世纪 90 年代开始成为功能性复合材料的研究热点之一，特别是日本把“开发可成型的导热性高分子绝缘材料”列为功能高分子的首选课题，随后日本、美国等国家相继有 50 余项发明专利申请。

　　4 展望

　　高分子复合材料所具有的高性能、高功能、合金化、精细化、智能化等性能决定了其具有强大的市场竞争力和无限的生命。其未来的发展方向有：

　　（ 1） 纳米材料与聚氨酯材料相结合。将纳米材料应用到聚氨酯材料中，以有效解决 MDI 类芳香族聚氨酯耐黄变性能差的问题。制备出力学性能良好、耐黄变的皮革产品，特别是皮革涂饰剂，满足对汽车、飞机坐垫革等高档用革的要求； 同时可制备出高性能的合成革产品，延长皮革的使用寿命[7].

　　（ 2） 氯化聚氯乙烯（ CPVC） 树脂。氯化聚氯乙烯（ CPVC） 树脂作为新型高分子材料，具有温度适用范围宽、阻燃性较好、耐腐蚀等特点。只要掌握其成型技术，可大大降低产品成本，从而能够推动CPVC 其广泛应用。

　　（ 3） 阻隔性纳米复合材料。随着纳米技术的不断发展，阻隔性纳米复合材料逐渐成为阻隔高分子材料研究的热点。应该加强相关技术的研发与创新，促使阻隔性高分子复合材料朝着高性能、多品种、绿色环保、物美价廉、使用方便的方向发展，使其具有更加广阔的应用前景[8].

　　参考文献

　　[1]豆丁网。 高分子热固性材料 [DB/OL]. （ 2012 -8 - 21）

　　[2]丁会利，袁金凤，钟国伦，等 . 高分子材料及应用[M]. 北京： 化学工业出版社，2012.

　　[3]梁晓梅 . 国内外高性能高分子复合材料发展与应用[J]. 哈尔滨职业技术学院学报，2014（ 1） .

　　[4]李顺林，王兴业 . 复合材料结构设计基础[M].武汉理工大学出版社，1993.

　　[5]刘科科，汪涛，蔚永强，等 . 高分子复合材料用导热填料研究进展[J]. 塑料工业，2013（ 4） .

　　[6]杨振，陈佑宁 . 五种新型高分子液晶研究进展及应用前景[J]. 应用化工，2006（ 1） .

　　[7]龚舒，李月番，张抗，等。 氯化聚氯乙烯树脂的工艺研究及其供需现状分析[J]. 大科技，2014（ 3） .

　　[8]刘秋菊，李旭阳，陈国伟，等 . 阻隔性高分子复合材料研究与应用进展[J]. 塑料科技，2013 （ 7 ） .