先进复合材料(ACM)一般是指高性能纤维增强树脂、碳、陶瓷、金属、橡胶、水泥等的复合材料, 目前用量*大的是碳纤维增强树脂(CFRP)。
如所周知,现代文明得以持续发展的*重要课题是要解决能源问题及地球污染和暖化所造成的危害,具体说来石化原料在今后1~2世纪内将枯竭,因此急需缩小原油和天然气的用量,而采用相对丰富的煤资源、油页岩气及油砂等,然而对煤来说,每单位热量所排放的CO,量大,而页岩油和油砂的利损分支点为80美元/桶,比原油低,因此*近各国都重视页岩气的开发,从而带动了运输和储存该气体的高压容器用CFRP及其专用碳纤维的开发和发展,例如三菱丽阳公司*近开发了适用于高压容器的PAN基碳纤维“Grafil37-800” ,现供不应求。
另外,涉及能源的环境保护问题又是极其复杂,作为其对策之一是实现交通运输工具及传动设备等的轻量化和节能化,大力发展大型风能,逐步普及电动汽车和混合动力汽车等,这就为汽车等交通运输工具的ACM结构材料和部件及各种高性能电池的ACM部件、扩散层等提出了新课题,并促进ACM压缩天然气瓶、液化气瓶、高压氢气瓶以及AcM刹车片、高性能轮胎帘子布、同步带、传动带、消音器、尾气处理装置的发展。
当然,要解决大气污染特别是雾霾天气问题,除解决47%~50%来自汽车尾气的污染外,那就是火力发电厂、水泥厂及各种高温粉尘排放工厂的排放物, 即采用耐高温纤维的针刺滤袋除尘,可以滤去99.9% 的粉尘,其中包括PM2.5的微粉,而我国目前占90%左右的火电厂仍采用静电除尘法,其过滤效率只有97%,不能解决PM2.5问题。
对于航天领域,材料的轻量化尤为重要,每减重1 kg的经济效益高达百万美元,同时材料性能还要满足宇宙空问的苛刻环境要求, 如大温差范围(一7O~150℃)的尺寸稳定性,在高度数百千米的低轨道(LEO)所存在的高活性原子态氧(A.O)环境下的耐久性,在高真空状态下防止因太阳照射面与阴面有超过200~C的温差而导致CFRP与其他材料粘接面的界面剥离及裂纹的发生,还要防止在高真空及微小重力下因材料老化而产生的低分子挥发物在宇宙飞船等表面发生凝固,或因飞船材料自身放出的低分子挥发污染物质导致舱内放电电池及光敏传感器功能下降,此外由于飞船表面的带放电会导致表面材质的绝缘体破坏和功能的下降而影响其使用寿命。当然,*基本的要求是飞船往返通过30 km的大气层时须经受约3 000℃ 的摩擦而产生的高温(耐烧蚀材料)。这些都是ACM所需要不断解决和提高的课题。
对航空工业而言,尤其是战斗机、舰载机、无人机和大型运输机,轻量化是至关重要的,它涉及到其远程化、机动化、高速化、多载重、隐身和缩短起落跑道等的需求。对民航机来说,ACM是继A.380、B787和A.350后,未来发展的同温层超速飞机所需的关键结构材料,但要全面达到其需求,尚待时目。
对船舶和舰艇而言,轻量化和节能减排的同时,后者还要求防弹、抗冲击、隐身、电磁波屏蔽等,对深海潜艇还要求材料有足够的抗压性和防海床声呐等,这些都是ACM须不断解决的重要研发课题和目标。
当然,对传统能源而言,更深海域的油井平台、更深陆上油田的抽油杆,及更长挖煤通道的刮板等,都需要大量的ACF,这些都是未来ACM陆续发展的机遇。