第26卷第2期 河南理工大学学报(自然科学版 Vol 26 No. 2 2007年4月 JOURNAL OF HENAN POL YTECHNIC UNIVERSI TY( NATURAL SCIENCE Apr.2007 树脂基复合材料的应用与发展趋势 耿运贵,张永涛 (河南理工大学土木工程学院,河南焦作454003) 摘要:介绍了树脂基复合材料的性能特点,结合树脂基复合材料的优异性能,探讨了树脂基 复合材料在能源、建筑、汽车制造等民用工业上的应用.发展民用复合材料和高性能树脂基 复合材料是未来树脂基复合材料的发展趋势,从国内外的发展趋势看,我国有很大潜力有待 发掘 关键词:树脂基复合材料;材料性能;趋势分析 中图分类号:TB332文献标识码:A文章编号:1673787(2007)0201926 0引言 树脂基复合材料( Resin matriⅸ( omposite)也称纤维增强塑料( Fiber reinfor ced plastics).目前, 随着复合材料工业的迅速发展,树脂基复合材料正凭借它本身固有的轻质高强、成型方便、不易腐 蚀、质感美观等优点,越来越受到人们的青睐。本文结合树脂基复合材料的优异性能,探讨树脂基复 合材料的应用,目的在于抛砖引玉,与同人共同促进我国新型材料业的发展 1树脂基复合材料的优良性能 1.1轻质高强,力学性能好 力学性能是材料最重要的性能.树脂基复合材料具有比强度髙、比模量大、抗疲劳性能及减震性 能好等优点.树脂基复合材料的密度通常为1.7左右,而其机械强度却可以达到甚至超过普通碳素钢 的强度.如高模量碳纤维/环氧树脂的比强度是钢的5倍,是铝合金的4倍,其比模量是铝、铜的4 倍,制作承力构件可发挥其独特的优良力学性能 1.2可设计性优良 树脂基复合材料成型工艺灵活,其结构和性能具有很强的可设计性。通常纤维(如玻璃纤维)的 强度和弹性模量比树脂的强度和弹性模量大几十倍.它可以通过改变纤维的质量分数和分布方向,通 过对纤维不同排布的设计,把潜在的性能集中到必要的方向上,使增强材料更有效地发挥作用.它既 可使构件在不同方向承受不同的作用力,还可以制作兼有刚性、韧性和塑性的制品,以最大限度地接 近预期目标,满足工程性能要求 另外,在树脂分子中引入卤素或无卤素聚合物可使树脂基复合材料达到非常良好的阻燃效 果 掺入适当的抗静电剂且可起到防爆作用 1.3耐化学腐蚀性和耐候性优良 树脂基复合材料与普通金属的电化学腐蚀机理不同,其制品表面电阻值为1@106~1@102,在 电解质溶液里不会有离子溶解出来,因而对大气、水和一般浓度的酸、碱、盐等介质有着良好的化学 稳定性,特别是它在强非氧化性酸和相当广泛的pH值范围内的介质中都有着良好适应性,可代替不 锈钢材料.另外,在树脂中加入相关的辅料可有效改善其耐老化、耐候等物理化学性能 X收稿日期:200xo1l 基金项目:河南省科技攻关项目(961100130) 作者简介:耿运贵(19530,男,河南滑县人教授级高级工程师,从事复合材料和工程力学教学与科研工作 Qmail: gyg a hpu. edu. cn
树脂基复合材料的应用与发展趋势 X 耿运贵, 张永涛 ( 河南理工大学 土木工程学院, 河南 焦作 454003) 摘要: 介绍了树脂基复合材料的性能特点, 结合树脂基复合材料的优异性能, 探讨了树脂基 复合材料在能源、建筑、汽车制造等民用工业上的应用. 发展民用复合材料和高性能树脂基 复合材料是未来树脂基复合材料的发展趋势, 从国内外的发展趋势看, 我国有很大潜力有待 发掘. 关 键 词: 树脂基复合材料; 材料性能; 趋势分析 中图分类号: TB 332 文献标识码: A 文章编号: 1673O9787 ( 2007) 02O0192O06 0 引 言 树脂基复合材料 (Resin Matrix Composite) 也称纤维增强塑料 ( Fiber Reinforced Plastics). 目前, 随着复合材料工业的迅速发展, 树脂基复合材料正凭借它本身固有的轻质高强、成型方便、不易腐 蚀、质感美观等优点, 越来越受到人们的青睐. 本文结合树脂基复合材料的优异性能, 探讨树脂基复 合材料的应用, 目的在于抛砖引玉, 与同人共同促进我国新型材料业的发展. 1 树脂基复合材料的优良性能 1. 1 轻质高强, 力学性能好 力学性能是材料最重要的性能. 树脂基复合材料具有比强度高、比模量大、抗疲劳性能及减震性 能好等优点. 树脂基复合材料的密度通常为 1. 7 左右, 而其机械强度却可以达到甚至超过普通碳素钢 的强度. 如高模量碳纤维/ 环氧树脂的比强度是钢的 5 倍, 是铝合金的 4 倍, 其比模量是铝、铜的 4 倍[1] , 制作承力构件可发挥其独特的优良力学性能. 1. 2 可设计性优良 树脂基复合材料成型工艺灵活, 其结构和性能具有很强的可设计性. 通常纤维 (如玻璃纤维) 的 强度和弹性模量比树脂的强度和弹性模量大几十倍. 它可以通过改变纤维的质量分数和分布方向, 通 过对纤维不同排布的设计, 把潜在的性能集中到必要的方向上, 使增强材料更有效地发挥作用. 它既 可使构件在不同方向承受不同的作用力, 还可以制作兼有刚性、韧性和塑性的制品, 以最大限度地接 近预期目标, 满足工程性能要求. 另外, 在树脂分子中引入卤素或无卤素聚合物可使树脂基复合材料达到非常良好的阻燃效 果 [2- 4] ; 掺入适当的抗静电剂且可起到防爆作用. 1. 3 耐化学腐蚀性和耐候性优良 树脂基复合材料与普通金属的电化学腐蚀机理不同, 其制品表面电阻值为 1 @10 16 ~ 1 @10 22 , 在 电解质溶液里不会有离子溶解出来, 因而对大气、水和一般浓度的酸、碱、盐等介质有着良好的化学 稳定性. 特别是它在强非氧化性酸和相当广泛的 pH 值范围内的介质中都有着良好适应性, 可代替不 锈钢材料. 另外, 在树脂中加入相关的辅料可有效改善其耐老化、耐候等物理化学性能. 第 26 卷第 2 期 2007 年 4 月 河南理工大学学报(自然科学版) JOURNAL OF HENAN POLYTECHNIC UNIVERSITY( NATURAL SCIENCE) Vol. 26 No. 2 Apr. 2007 X 收稿日期: 2007O03O11 基金项目: 河南省科技攻关项目 ( 961100130) 作者简介: 耿运贵 ( 1952O) , 男, 河南滑县人, 教授级高级工程师, 从事复合材料和工程力学教学与科研工作. EOmail: gyg@hpu. edu. cn
第2期 耿运贵等:树脂基复合材料的应用与发展趋势 193 4电性能优良 树脂基复合材料具有良好的绝缘性能,它不受电磁波作用,不反射电波,通过设计可使其在很宽 的频段内都具有良好的透微波性能 1.5热性能良好 树脂基复合材料的导热系数为0.03~0.055,比普通材料小得多,在一定温度内,树脂基复合 材料具有较好的热稳定性. 2树脂基复合材料的主要应用 复合材料在国民经济发展中占有极其重要的地位,以至于人们把一个国家和地区的复合材料工业 水平看成衡量其科技与经济实力的标志之一6.以树脂基复合材料为代表的现代复合材料随着国民 经济的发展,已广泛应用于各个领域众所周知,树脂基复合材料首先应用于航空航天等国防工业领 域明,而后向民用发展最先进的技术首先应用在航空航天、国防领域,并推动整个行业的科技 进步.随着社会的进步,树脂基复合材料在人类物质生活中的需求量越来越大,并逐渐成为主要应用 领域,且研究投入越来越大.树脂基复合材料除在航空航天、国防科技领域应用外,民用领域的应用 也十分广泛 2.1能源工业 树脂基复合材料具有耐酸、耐碱、耐有机溶剂、耐油等优异的耐腐蚀性能,因此在煤矿生产及石 油的开采、运输、储备中得到非常广泛的应用.1994年国家实用新型专利阻燃、抗静电玻璃钢复合 材料罐道的开发与应用,为矿山井筒装备长效防腐开辟了一条新途径,解决了煤矿井筒装备长期 处于高湿、高风速和酸碱浸蚀等恶劣环境中的防腐蚀问题.多功能复合管道是我国20世纪9年代的 科研成果,其研制是根据煤矿生产、石油开采和运输的实际工况条件,将塑料、树脂基复合材料和金 属等复合而成一种压力[25MPa,公称直径5为25~600mm,最大长度为12m的新型高、中、低 压FRP塑料复合管道可,该复合管的开发应用为促进我国国民经济发展起到了重要作用.河南理工 大学近年来研制的高强双抗煤矿玻璃钢管道,重量轻、强度高、阻燃、抗静电,安装拆卸极为方便 由于管道内壁有丰富的树脂层,输送介质运行阻力小且不结垢,使用周期成本低.研制人员对玻璃钢 管道及其在煤矿井下铺设理论的硏究和设计,为在煤矿井下大规模使用树脂基复合材料管道提供了可 靠的理论基础1.高强双抗煤矿玻璃钢管道为国家重点推广计划,近年来在国内部分煤矿使用 产生了良好的社会效益和经济效益 玻璃钢锚杄是取代金属锚杆的新兴复合材料产品.该产品发挥了树脂基复合材料固有的理化特性 和力学性能,相对质量密度只有1.6~2.0,是同等钢锚杆的1/4,强度高并有一定的延伸量1.玻 璃钢锚杆在煤矿井下使用因不受紫外线照射,老化速度缓慢,保持支护效果好,较好地满足了煤矿生 产要求,大幅度提高了煤炭开采效率 我国的燃气输送管道尚处于从传统的钢管网向塑料管网发展的初始阶段,其潜在市场非常大,从 技术经济性能分析,树脂基复合材料管、罐十分适合于天然气、煤气的输送和储存,且有利于环保 其综合经济效益好,社会效益显著. 2.2建筑业 建筑工业在国民经济中占有很重要的地位,是国民经济的支柱产业之一.随着社会的进步,人们 在房屋质量、居住条件和娱乐设施等方面提出越来越高的要求.在建筑行业发展和使用树脂基复合材 料,对减轻建筑物自重、提高建筑物的使用功能、改革建筑设计、加速施工进度、降低造价以及提高 经济效益等都十分有利,是实现建筑现代化的必要条件.树脂基复合材料的可设计性和良好的力学性 能可用于建筑物的承载结构以及建筑物加固μ的.用作承载结构的复合材料建筑制品有柱、桁架、 梁、基础、承重折板、屋面板、楼板等,用粘贴预应力GFRP板加固混凝土梁可提高极限荷载 54%;GFRP筋作为钢筋的新型代用材料,更具有耐久性,其粘结强度高于钢筋约77%-2 人造大理石、人造玛瑙等装饰材料用于建筑物装饰,性能和外观效果极好,它可以配制成各种鲜艳的
1. 4 电性能优良 树脂基复合材料具有良好的绝缘性能, 它不受电磁波作用, 不反射电波, 通过设计可使其在很宽 的频段内都具有良好的透微波性能. 1. 5 热性能良好 树脂基复合材料的导热系数为 0. 03~ 0. 05 [ 5] , 比普通材料小得多, 在一定温度内, 树脂基复合 材料具有较好的热稳定性. 2 树脂基复合材料的主要应用 复合材料在国民经济发展中占有极其重要的地位, 以至于人们把一个国家和地区的复合材料工业 水平看成衡量其科技与经济实力的标志之一 [ 6] . 以树脂基复合材料为代表的现代复合材料随着国民 经济的发展, 已广泛应用于各个领域. 众所周知, 树脂基复合材料首先应用于航空航天等国防工业领 域[7- 9] , 而后向民用发展. 最先进的技术首先应用在航空航天、国防领域, 并推动整个行业的科技 进步. 随着社会的进步, 树脂基复合材料在人类物质生活中的需求量越来越大, 并逐渐成为主要应用 领域, 且研究投入越来越大. 树脂基复合材料除在航空航天、国防科技领域应用外, 民用领域的应用 也十分广泛. 2. 1 能源工业 树脂基复合材料具有耐酸、耐碱、耐有机溶剂、耐油等优异的耐腐蚀性能, 因此在煤矿生产及石 油的开采、运输、储备中得到非常广泛的应用. 1994 年国家实用新型专利阻燃、抗静电玻璃钢复合 材料罐道的开发与应用, 为矿山井筒装备长效防腐开辟了一条新途径[ 10] , 解决了煤矿井筒装备长期 处于高湿、高风速和酸碱浸蚀等恶劣环境中的防腐蚀问题. 多功能复合管道是我国 20 世纪 90 年代的 科研成果, 其研制是根据煤矿生产、石油开采和运输的实际工况条件, 将塑料、树脂基复合材料和金 属等复合而成一种压力[ 25 MPa, 公称直径 5 为 25~ 600 mm, 最大长度为 12 m 的新型高、中、低 压 FRP/ 塑料复合管道[ 6] , 该复合管的开发应用为促进我国国民经济发展起到了重要作用. 河南理工 大学近年来研制的高强双抗煤矿玻璃钢管道, 重量轻、强度高、阻燃、抗静电, 安装拆卸极为方便. 由于管道内壁有丰富的树脂层, 输送介质运行阻力小且不结垢, 使用周期成本低. 研制人员对玻璃钢 管道及其在煤矿井下铺设理论的研究和设计, 为在煤矿井下大规模使用树脂基复合材料管道提供了可 靠的理论基础[ 11- 12] . 高强双抗煤矿玻璃钢管道为国家重点推广计划, 近年来在国内部分煤矿使用, 产生了良好的社会效益和经济效益. 玻璃钢锚杆是取代金属锚杆的新兴复合材料产品. 该产品发挥了树脂基复合材料固有的理化特性 和力学性能, 相对质量密度只有 1. 6~ 2. 0 , 是同等钢锚杆的 1/ 4, 强度高并有一定的延伸量[ 13] . 玻 璃钢锚杆在煤矿井下使用因不受紫外线照射, 老化速度缓慢, 保持支护效果好, 较好地满足了煤矿生 产要求, 大幅度提高了煤炭开采效率. 我国的燃气输送管道尚处于从传统的钢管网向塑料管网发展的初始阶段, 其潜在市场非常大, 从 技术经济性能分析, 树脂基复合材料管、罐十分适合于天然气、煤气的输送和储存, 且有利于环保, 其综合经济效益好, 社会效益显著. 2. 2 建筑业 建筑工业在国民经济中占有很重要的地位, 是国民经济的支柱产业之一. 随着社会的进步, 人们 在房屋质量、居住条件和娱乐设施等方面提出越来越高的要求. 在建筑行业发展和使用树脂基复合材 料, 对减轻建筑物自重、提高建筑物的使用功能、改革建筑设计、加速施工进度、降低造价以及提高 经济效益等都十分有利, 是实现建筑现代化的必要条件. 树脂基复合材料的可设计性和良好的力学性 能可用于建筑物的承载结构以及建筑物加固[ 14- 16] . 用作承载结构的复合材料建筑制品有柱、桁架、 梁、基础、承重折板、屋面板、楼板等, 用粘贴预应力 GFRP 板加固混凝土梁可提高极限荷载 54% [ 17- 18] ; GFRP 筋作为钢筋的新型代用材料, 更具有耐久性, 其粘结强度高于钢筋约 77% [ 19- 21] ; 人造大理石、人造玛瑙等装饰材料用于建筑物装饰, 性能和外观效果极好, 它可以配制成各种鲜艳的 第 2 期 耿运贵等: 树脂基复合材料的应用与发展趋势 193
19 河南理工大学学报(自然科学版) 2007年第26卷 色彩,也可以制造出不同的花纹和图案,适宜制造各种装饰板、大型浮雕及工艺美术雕塑等.透明玻 璃钢的透光性极好(同玻璃),可取代玻璃用于建筑物采光,其最大特点是承受荷载不易破碎,用于 建筑工程,可以将结构、围护及采光3者综合设计,能够达到简化采光设计、降低工程造价之目的 在工业厂房、民用建筑、农业温室及大型公用建筑的天窗、屋顶采光,可以用树脂基复合材料透明波 形板、半透明夹层结构板、整体式和组装式采光罩等 在采暖通风、给水、排水及污水处理工程中,已大量使用树脂基复合材料制品,如冷却塔、管 道、板材、栅板、风机、叶片及整体成型的采暖通风制品,工程上应用的中央空调系统中的通风厨、 送风管、排气管、防腐风杋罩,以及各种规格的给水玻璃钢管、高位水箱、化粪池、防腐及污水处理 设备等.由于废水耐蚀介质的种类和腐蚀性能都在不断增加,近年来越来越多废水处理系统的管道用 玻璃钢制造.应用于各类卫生洁具方面的产品有浴盆、洗面盆、坐便盆,各种整体式、组装式卫生间 等.高层建筑的楼顶旋转餐厅屋盖、异形尖顶装饰屋盖、球形屋盖、屋顶花园、屋顶游泳池、广告物 和楼房加高等也多采用树脂基复合材料 随着建筑工业的迅速发展,树脂基复合材料将越来越多地被用于建筑工程.实践表明,树脂基复 合材料应用在现代建筑中比传统建筑材料性能更加优良,综合效益更好. 2.3汽车工业 当今汽车工业的主体技术正步入转型换代的新时期,轻量化、智能化、节能、安全和环保是主要 的发展方向汽车技术的发展对材料提出了更高的要求,优质汽车材料是汽车工业技术创新的重要内 容和物质基础 树脂基复合材料用于汽车工业近年来发展迅速,欧美国家在汽车工业上的应用占总的复合材料的 23%,高于建筑和航空工业。汽车上应用树脂基复合材料可以减轻自重,降低油耗,从而提高运 载能力.它用于车辆内部装饰具有舒适隔声、隔热、降低震动等优点.树脂基复合材料汽车部件制品 主要有车身壳体、汽车顶蓬、引擎盖、保险扛、仪器盘、油箱、座椅、刹车片和安全气袋等.GRP 车厢壳体是树脂基复合材料在汽车应用的主要产品之一,它能承受外部气动栽荷、冲击栽荷及车身振 动,具有足够的强度、刚度和良好的尺寸稳定性.树脂基复合材料安全气袋既有刚性又有韧性,断裂 伸长率高,抗蠕变性能优异231.采用树脂基复合材料生产和制造汽车制动缸可节约原材料,减少 污染,该材料不易被制动液腐蚀,因而在一些发达的国家被广泛应用.国内用树脂基复合材料制造汽 车制动缸正处于研究的起步阶段2-2 从全球范围看,汽车工业是树脂基复合材料较大的用户之一,今后的发展潜力巨大,目前许多新 技术正在开发中.据有关部门调查,美国福特汽车公司用碳纤维/复合材料制作车身等160多个零部 件,使汽车整体质量减轻570kg,耗油降低3y%28,节约了大量的能源.因此,我国要进一步加大 对树脂基复合材料在汽车制造业的研究和开发应用的力度,进一步促进汽车制造业的发展 2.4其他领域 树脂基复合材料作为化学工业的耐腐蚀材料已有50多年的历史,氯碱工业是将玻璃钢用作耐腐 材料的最早应用领域之一,而后它陆续进入化工行业的各个领域.在化肥、造纸、生物工程、环境工 程及金属电镀等工业中发挥了重要作用.它在机械、电子、体育、娱乐、医疗等方面也得到较好的应 用和发展,如机械制造中的轴承、齿轮、叶轮等零部件,体育上的各种水上赛艇、帆板、冲浪板、雪 橇、高尔夫球杆、各种球拍等体育器材.实践证明,很多体育用品改用树脂基复合材料制造,大大改 善了其使用性能,有利于运动员创造更佳成绩.树脂基复合材料钓鱼竿是娱乐器材中的大宗产品,目 前的玻璃钢钓鱼竿和碳纤维复合材料钓鱼竿比模量大,具有足够的强度和刚度,且重量轻、可收缩、 造型美观、携带方便.用树脂基复合材料制造的扬声器、小提琴和电吉它等,其音响效果良好,很有 发展前景.目前在娱乐设施中,大多公园及各类游乐场所的设施,均已采用不同类型的树脂基复合材 料取代传统的材料 在生物复合材料中,树脂基复合材料的担架、呼吸器,碳纤缃/环氧结构的假肢,人造假牙和人 造脑壳等早己经出现,国外也有以聚丙稀腈为原料的碳纤维材料来修补韧带刘.用碳纤维复合材
色彩, 也可以制造出不同的花纹和图案, 适宜制造各种装饰板、大型浮雕及工艺美术雕塑等. 透明玻 璃钢的透光性极好 (同玻璃) , 可取代玻璃用于建筑物采光, 其最大特点是承受荷载不易破碎, 用于 建筑工程, 可以将结构、围护及采光 3 者综合设计, 能够达到简化采光设计、降低工程造价之目的. 在工业厂房、民用建筑、农业温室及大型公用建筑的天窗、屋顶采光, 可以用树脂基复合材料透明波 形板、半透明夹层结构板、整体式和组装式采光罩等. 在采暖通风、给水、排水及污水处理工程中, 已大量使用树脂基复合材料制品, 如冷却塔、管 道、板材、栅板、风机、叶片及整体成型的采暖通风制品, 工程上应用的中央空调系统中的通风厨、 送风管、排气管、防腐风机罩, 以及各种规格的给水玻璃钢管、高位水箱、化粪池、防腐及污水处理 设备等. 由于废水耐蚀介质的种类和腐蚀性能都在不断增加, 近年来越来越多废水处理系统的管道用 玻璃钢制造. 应用于各类卫生洁具方面的产品有浴盆、洗面盆、坐便盆, 各种整体式、组装式卫生间 等. 高层建筑的楼顶旋转餐厅屋盖、异形尖顶装饰屋盖、球形屋盖、屋顶花园、屋顶游泳池、广告物 和楼房加高等也多采用树脂基复合材料. 随着建筑工业的迅速发展, 树脂基复合材料将越来越多地被用于建筑工程. 实践表明, 树脂基复 合材料应用在现代建筑中比传统建筑材料性能更加优良, 综合效益更好. 2. 3 汽车工业 当今汽车工业的主体技术正步入转型换代的新时期, 轻量化、智能化、节能、安全和环保是主要 的发展方向. 汽车技术的发展对材料提出了更高的要求, 优质汽车材料是汽车工业技术创新的重要内 容和物质基础. 树脂基复合材料用于汽车工业近年来发展迅速, 欧美国家在汽车工业上的应用占总的复合材料的 23% [ 6] , 高于建筑和航空工业. 汽车上应用树脂基复合材料可以减轻自重, 降低油耗, 从而提高运 载能力. 它用于车辆内部装饰具有舒适隔声、隔热、降低震动等优点. 树脂基复合材料汽车部件制品 主要有车身壳体、汽车顶蓬、引擎盖、保险扛、仪器盘、油箱、座椅、刹车片和安全气袋等. GRP 车厢壳体是树脂基复合材料在汽车应用的主要产品之一, 它能承受外部气动栽荷、冲击栽荷及车身振 动, 具有足够的强度、刚度和良好的尺寸稳定性. 树脂基复合材料安全气袋既有刚性又有韧性, 断裂 伸长率高, 抗蠕变性能优异 [ 22- 23] . 采用树脂基复合材料生产和制造汽车制动缸可节约原材料, 减少 污染, 该材料不易被制动液腐蚀, 因而在一些发达的国家被广泛应用. 国内用树脂基复合材料制造汽 车制动缸正处于研究的起步阶段[ 24- 27] . 从全球范围看, 汽车工业是树脂基复合材料较大的用户之一, 今后的发展潜力巨大, 目前许多新 技术正在开发中. 据有关部门调查, 美国福特汽车公司用碳纤维/ 复合材料制作车身等 160 多个零部 件 , 使汽车整体质量减轻 570 kg, 耗油降低 33% [28] , 节约了大量的能源. 因此, 我国要进一步加大 对树脂基复合材料在汽车制造业的研究和开发应用的力度, 进一步促进汽车制造业的发展. 2. 4 其他领域 树脂基复合材料作为化学工业的耐腐蚀材料已有 50 多年的历史, 氯碱工业是将玻璃钢用作耐腐 材料的最早应用领域之一, 而后它陆续进入化工行业的各个领域. 在化肥、造纸、生物工程、环境工 程及金属电镀等工业中发挥了重要作用. 它在机械、电子、体育、娱乐、医疗等方面也得到较好的应 用和发展, 如机械制造中的轴承、齿轮、叶轮等零部件, 体育上的各种水上赛艇、帆板、冲浪板、雪 橇、高尔夫球杆、各种球拍等体育器材. 实践证明, 很多体育用品改用树脂基复合材料制造, 大大改 善了其使用性能, 有利于运动员创造更佳成绩. 树脂基复合材料钓鱼竿是娱乐器材中的大宗产品, 目 前的玻璃钢钓鱼竿和碳纤维复合材料钓鱼竿比模量大, 具有足够的强度和刚度, 且重量轻、可收缩、 造型美观、携带方便. 用树脂基复合材料制造的扬声器、小提琴和电吉它等, 其音响效果良好, 很有 发展前景. 目前在娱乐设施中, 大多公园及各类游乐场所的设施, 均已采用不同类型的树脂基复合材 料取代传统的材料. 在生物复合材料中, 树脂基复合材料的担架、呼吸器, 碳纤维/ 环氧结构的假肢, 人造假牙和人 造脑壳等早已经出现, 国外也有以聚丙稀腈为原料的碳纤维材料来修补韧带[ 29- 30] . 用碳纤维复合材 194 河南理工大学学报 (自然科学版) 2007 年第 26 卷
第2期 耿运贵等:树脂基复合材料的应用与发展趋势 195 料制成的心脏瓣膜成功植入人体已有几十年的历史,以尼龙为增强材料的人造器官也已投入使用.实 验研究表明,这些材料做成的人体器官无排异反应,与人体有很好相容性,因此有着广阔的应用前 景 3树脂基复合材料研究现状 3.1国外现状 据有关部门的统计,全世界树脂基复合材料制品共有40000多种,全球仅纤维增强复合材料产 量目前达到750多万t,从业约45万人,年产值415亿欧元.其生产能力与市场分布情况为:北美 32%,亚太地区35%,欧洲30%,其他地区3%1.一些发达国家如美国、西德和日本等早在20世 纪90年代初就由原来重点发展热固性树脂转向大力发展高性能热塑性树脂,首先生产合成了很多不 同类型的耐温性能好且力学性能优良的热塑性树脂.实践证明,采用热塑性树脂作为基体可以明显节 约加工时间,同时改善了复合材料的韧性.近年来聚合物/碳纳米管复合材料的研究,成为碳纳米 管应用研究的热点聚合物纳米复合材料是一类非常重要的新材料33,有望赋予复合材料前所未 有的独特性能。目前全世界高性能树脂基复合材料的产量超过300万t,高性能热塑性复合材料的产 量为120多万t,其应用领域主要为:汽车行业占23%,建筑业21%,航空业17%,体育运动领域 11%3.从全球发展趋势来看,近几年欧美复合材料生产均持续增长,亚洲的日本发展缓慢,而中 国特别是中国内地的市场发展迅速 3.2国内现状 我国树脂基复合材料研究起始于1958年,经过多年的发展,在生产技术、产品种类、生产规模 等方面迈过了由小到大的台阶,产量己经仅次于美国,居世界第2位.其市场分布为建筑40%, 管罐24%,工业器材12%,交通6%,船艇4%,其他14%13.与世界市场分布比较可以看出 中国的复合材料在汽车、航空、体育器材等领域所占比重较低,表明中国复合材料市场在上述领域具 有巨大的发展潜力.此外,我国高性能树脂基复合材料发展水平不高.高性能树脂基复合材料所采用 的基体主要有环氧树脂、酚醛树脂、乙烯基酯树脂等.始于20世纪80年代末期的我国高性能树脂基 复合材料研究近15a来发展迅速,从2005年公开发表的近百篇文献看,近期科研人员研究的重点依 然是对传统热固性大品种树脂特别是环氧树脂的改性、功能化、专用化,且对新型结构的热固性 树脂的合成与改性也投入了较多精力,已取得了显著的研究成果,但与发达国家相比尚有差距 4我国树脂基复合材料发展前景 近50a来,树脂基复合材料良好的发展和应用前景决定了人们将继续重视发展树脂基复合材料 的研究与开发./十一五0期间,我国将致力于资源节约、环境友好型和谐社会的建设,将通过实施 以自主创新为核心的中长期经济发展规划,突破制约我国发展的资源、能源短缺问题,使我国经济建 设走上全面协调可持续发展的轨道34.统计资料表明,我国每年的工业设备与器材因腐蚀造成的 损失达100亿元以上,而工业发达的美国曾高达其国民生产总值的49%424,表明由于腐蚀所造 成的能源与材料消耗十分惊人.因此,进一步扩大生产和使用树脂基复合材料,特别是高性能树脂基 复合材料,是节约能源和资源的重要举措.目前我国的经济正处在稳定发展时期,社会主义市场经济 已经形成,国家正在进行大规模的基础设施建设,在这种形势下,我国复合材料的发展应以市场为导 向,加大创新力度,加强基础性研究和应用性硏究,努力降低原材料成本,开拓新的应用领域,要通 过产学研结合,立足自主开发,同时积极引进技术和资金,坚持高起点、高水平、高效益;在科技攻 关、项目建设、装置规模上要力求与国际接轨,以推动我国复合材料工业全面、快速、健康地发展. 参考文献 [1]周曦亚.复合材料[M].北京:化学工业出版社,2005 [2] SHEN K, FERM D F. Flame retardants 90 [C] MElsevier Applied Science, 1990: 1 34C142
料制成的心脏瓣膜成功植入人体已有几十年的历史, 以尼龙为增强材料的人造器官也已投入使用. 实 验研究表明, 这些材料做成的人体器官无排异反应, 与人体有很好相容性, 因此有着广阔的应用前 景. 3 树脂基复合材料研究现状 3. 1 国外现状 据有关部门的统计, 全世界树脂基复合材料制品共有 40 000 多种, 全球仅纤维增强复合材料产 量目前达到 750 多万 t, 从业约 45 万人, 年产值 415 亿欧元. 其生产能力与市场分布情况为: 北美 32% , 亚太地区35%, 欧洲 30%, 其他地区 3% [ 31] . 一些发达国家如美国、西德和日本等早在 20 世 纪 90 年代初就由原来重点发展热固性树脂转向大力发展高性能热塑性树脂, 首先生产合成了很多不 同类型的耐温性能好且力学性能优良的热塑性树脂. 实践证明, 采用热塑性树脂作为基体可以明显节 约加工时间, 同时改善了复合材料的韧性[ 32] . 近年来聚合物/ 碳纳米管复合材料的研究, 成为碳纳米 管应用研究的热点. 聚合物纳米复合材料是一类非常重要的新材料 [ 33- 35] , 有望赋予复合材料前所未 有的独特性能. 目前全世界高性能树脂基复合材料的产量超过 300 万 t, 高性能热塑性复合材料的产 量为 120 多万 t, 其应用领域主要为: 汽车行业占 23%, 建筑业 21% , 航空业 17%, 体育运动领域 11% [ 28] . 从全球发展趋势来看, 近几年欧美复合材料生产均持续增长, 亚洲的日本发展缓慢, 而中 国特别是中国内地的市场发展迅速. 3. 2 国内现状 我国树脂基复合材料研究起始于 1958 年, 经过多年的发展, 在生产技术、产品种类、生产规模 等方面迈过了由小到大的台阶, 产量已经仅次于美国, 居世界第 2 位. 其市场分布为: 建筑 40%, 管罐 24% , 工业器材 12% , 交通 6%, 船艇 4% , 其他 14% [36- 38] . 与世界市场分布比较可以看出, 中国的复合材料在汽车、航空、体育器材等领域所占比重较低, 表明中国复合材料市场在上述领域具 有巨大的发展潜力. 此外, 我国高性能树脂基复合材料发展水平不高. 高性能树脂基复合材料所采用 的基体主要有环氧树脂、酚醛树脂、乙烯基酯树脂等. 始于 20 世纪 80 年代末期的我国高性能树脂基 复合材料研究近 15 a 来发展迅速, 从 2005 年公开发表的近百篇文献看, 近期科研人员研究的重点依 然是对传统热固性大品种树脂特别是环氧树脂的改性、功能化、专用化[ 39] , 且对新型结构的热固性 树脂的合成与改性也投入了较多精力, 已取得了显著的研究成果, 但与发达国家相比尚有差距. 4 我国树脂基复合材料发展前景 近 50 a 来, 树脂基复合材料良好的发展和应用前景决定了人们将继续重视发展树脂基复合材料 的研究与开发. / 十一五0 期间, 我国将致力于资源节约、环境友好型和谐社会的建设, 将通过实施 以自主创新为核心的中长期经济发展规划, 突破制约我国发展的资源、能源短缺问题, 使我国经济建 设走上全面协调可持续发展的轨道[39- 41] . 统计资料表明, 我国每年的工业设备与器材因腐蚀造成的 损失达 100 亿元以上, 而工业发达的美国曾高达其国民生产总值的4. 9% [42- 43] , 表明由于腐蚀所造 成的能源与材料消耗十分惊人. 因此, 进一步扩大生产和使用树脂基复合材料, 特别是高性能树脂基 复合材料, 是节约能源和资源的重要举措. 目前我国的经济正处在稳定发展时期, 社会主义市场经济 已经形成, 国家正在进行大规模的基础设施建设, 在这种形势下, 我国复合材料的发展应以市场为导 向, 加大创新力度, 加强基础性研究和应用性研究, 努力降低原材料成本, 开拓新的应用领域; 要通 过产学研结合, 立足自主开发, 同时积极引进技术和资金, 坚持高起点、高水平、高效益; 在科技攻 关、项目建设、装置规模上要力求与国际接轨, 以推动我国复合材料工业全面、快速、健康地发展. 参考文献: [ 1] 周曦亚. 复合材料 [M] . 北京: 化学工业出版社, 2005. [ 2] SHEN K, FERM D F. Flame retardants. 90 [C] MElsevier Applied Science, 1990: 134O142. 第 2 期 耿运贵等: 树脂基复合材料的应用与发展趋势 195
196 河南理工大学学报(自然科学版) 2007年第26卷 [3]张军,纪奎江,夏延致.聚合物燃烧与阻燃技术[M].北京:化学工业出版社,2005:5768 [4 FORSDY K E, HEMMING J D. Phenolic GRR and its appl icat ion in mass transit [ C MProceedings of t he Annual Con ference. 1989 [S]王顺亭,杨学忠,庄瑛,树脂基复合材料[M].北京:中国建材出版社,1997 [6]李学闵.21世纪树脂基复合材料工业展望[.工程塑料应用,1999(9):38 [刁王荣国,武卫莉,复合材料概论[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,199 [8]郭全贵,宋进仁,复合材料高温氧化过程中的结构变化模型的研究[].碳素技术,1998(3):O11 [9 ROBERT G, JAMES H, MICHAEL H. Compos ite over wrapped pressure vessels for space appl ication [J. SAMPE Jour nal,2003,39(2):44 曾宪桃.煤矿立井玻璃钢复合材料罐道[M.北京:冶金工业出版社,2002. lI]耿运贵,廖明成,王钦亭.玻璃钢管道在井下敷设跨距的确定[J].玻璃钢/复合材料,2000(6):3940. 12]耿运贵,王正友,廖明成.玻璃钢管道在煤矿的应用[J].工程塑料应用,2001,29(8):2m9 [13]马念杰,李英明,颉爱珍,新型玻璃钢锚杆成型工艺研究[J.玻璃钢/复合材料,2006(1):4x)4 [14]李建辉,邓宗才.FRP筋混凝土结构的现状与发展[.玻璃钢/复合材料,2005(4):5■6. [15]丁亚红,张春生.玻璃钢板加固混凝土梁界面应力有限元分析[J玻璃钢/复合材料,2005(5):6Ol 16]王旭,晏雄.纤维增强复合材料的特点及其在土木工程中的应用[].玻璃钢/复合材,2005(5):55 [1η]曾宪桃,成香莉,周森,等.。对玻璃钢薄板施加预应力方法及其基本原理[J.河南理工大学学报:自然 科学版,2005,24(6):480. [18]于锦生,王海龙.GFRP加固钢筋混凝土结构的技术和应用[J].纤维复合材料,2006,23(2):4760 [19]周继凯,陈施学,陈礼和.GFRP筋与混凝土粘结性能试验研究[J.玻璃钢/复合材料,2007~(1:1③)18 [20] TEPFRS R, HEDLUND G, ROSINSKI B. PulOout and tensile rein for cement splice test with GFRP bars [R] 21] ACI Committee 440. Guide for construc ion of concrete rein for ced with FRP bars [M]. MI: American Institute, [22][日]田中勤.玻璃钢成型工艺技术及应用[M].申从祥,译.北京:中国环境科学出版社,19%6 [23]王斌,戴芳,张振英.汽车用塑料的研究进展[J].工程塑料应用,2006,34(4):7④80. [24]马翠英,黄晖,王福生,树脂基复合材料及其在汽车工业中的应用,汽车工艺与材料,2005(1):3B9. [25]孟春玲,张力,郑家杰.复合材料在汽车制动缸中的应用研究[J.工程塑料应用,2006,34(11):500 [26]沃丁柱.复合材料大全[M].北京:化学工业出版社,2000 7]金永君.解析玻璃钢在球型车厢壳体应用中的设计[].玻璃钢/复合材料,2005(4):3x85 28]杨瑞成,丁旭,陈奎.材料科学与材料世界[M].北京:化学工业出版社,2005. [29] LESLIEN PHILLIPS.复合材料的设计基础与应用[M]理有亲,译.北京:航空工业出版社,1992 [30]傅明源,孙酣经.聚氨酯弹性体及其应用[M].3版.北京:化学工业出版社,2006 [31]计国庆,玻璃钢复合材料应用于道路护挡的可行性研究[].城市道路与防洪,2006(4):4961 [32]国家自然科学基金委员会,高分子材料科学[M].北京:科学出版社,1994 [3]王建国,郭建龙,屈泽华.碳纳米管的氨基化对环氧树脂力学性能的影响[J.工程塑料应用,2006,34 [34 ANDRE WS, WIESENBERGER MC. Carbon nanotube pol ymer composites [J]. Current Opin ion in Sol id State and Mater ials Science, 2004, 8(1): 31 35]欧育湘,辛菲,赵毅,等.聚合物/碳纳米管纳米复合材料的制备[.中国塑料,2006(8):6. [36]薛忠民,陈淳.复合材料的应用与回顾[J].硅酸盐通报,2005(5):848 潘文琴.玻璃钢复合材料基体树脂的发展现状[J.纤维复合材料,2006(4):5父 [38]张先知.合成树脂和塑料手册[M].3版.北京:化学工业出版社,2006 [39]张振,赵志鸿.2005年我国热固性工程塑料进展[J.工程塑料应用,2006(5):6x68 [40]中国工程塑料工业协会.中国工程塑料工业/十一五0发展规划[J工程塑料应用,2006,34(8):O11 [41]郑恺.中国工程塑料行业现状与发展[J].塑料工业,2006(5):6067 [42]陈博,世纪之交的中国玻璃钢工业[].玻璃钢/复合材料,2001(2):5065
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第2期 耿运贵等:树脂基复合材料的应用与发展趋势 197 [43]李卓球,岳红军.玻璃钢管道与容器[M].北京:科学出版社,1990 Current Development and Applicat ion of Resin Matrix Composites GENG YurQguL ZHANG Y ongQao Schod of avil Engineering Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454003, China) Abstr act: The paper int roduced the performance of Res n Matrix Compas it es, and combin ing it. s out2 standing performance, discussed the application in civil industry such as energy, building, aut omobile manufacture. The development of high per formance RMC and civil RMC is the trend of RMC in the near future. For home and abroad developing trend, our country still has great potent ial it ies to excavat ion and the development prospect is very broad Key words resin matrix composites; performance;current (责任编辑宫福满) 5河南理工大学学报(自然科学版)6作者须知 1论文撰写的几点要求 (1)摘要:中文文摘要务必不少于200字,其内容务必包括研究的目的、方法、结果和结论等重要信息,摘要中 不用图表、化学结构式和非公知的符号术语,也不宜引用图表、公式和参考文献序号等 (2)关键词:以3~5个为宜,中英文关键词应一一对应 会、(3)作者简介:姓名(出生年O,性别(民族))汉族可省略),籍贯,职称,学位,研究方向,电子信箱,联 (4)基金项日:项目应注明名称(如国家重大攻关项目、国家自然科学基金项目、省重点攻关项目等)和编号 (5)文稿中应注意外文字母的大小写、上下标、正斜体等,如英文字母 SCOPVWZJK等的大小写应标注清 楚 (6)图名、表名应使用中英文两种文字,不得以图序、表序或附图、附表代替图名、表名,文中表格一律使用三 线表.图中线条、数字、字母要标注清楚、无误,并应与文中表述一致 (7)参考文献只列出在正文中被引用过并且已正式发表的文献资料(学位论文与研究报告除外),参考文献中的 作者姓名应写出前3位,余者写/,等0,参考文献的序号应在正文引用处相应的序号标注.参考文献应尽量不少于 15条,应尽量引用最新出版的国内外期刊文献 2几种常用参考文献的著录格式 (1)连续出版物:作者.文题名[刀.刊名(外文刊名可缩写,缩写后的首字母应大写),出版年,卷号(期 号):起-止页码 (2)专(译)著:作者.书名[M].版本(第1版不标注),(译者).出版地:出版者,出版年,起)止页 (3)论文集:作者.析出文题名[C]M主编或文献的责任者.论文集名,出版地:出版者,出版年.起-止页 (4)学位论文:作者.文题名[D].保存地点:保存单位,学位授予年 来稿一定要具有科学性、创新性、真实性,立论正确,论据可靠,文字、量和单位等使用务必规范,表达符合逻 辑,并注意保守国家机密,文责一律自负 论文格式:中文标题、作者姓名、作者单位[单位全称(要写能通信联系上的具体单位)、单位所在地、邮政编 码多个作者单位要分别列出]、摘要、关键词,中图分类号,正文,参考文献,英文文章标题,作者姓名汉语拼音, 英文作者单位,英文摘要,英文关键词,作者简介,基金项目名称及编号. 本刊重视研究论文的完备性,论文字数应在8000字(包括图表)以上,经审定录用者,2个月内通知作者.对不 符合以上各项基本要求的稿件,本刊一概不予受理.对经过审稿拟录用的稿件,本刊将按规定标准收取发表费 文章及发表费请寄:454003河南省焦作市河南理工大学学报(自然科学版)编辑部,投稿可发电子邮件,B mai:kxb@ahpu.edu.cn联系电话:(0391)3987068,3987253
[ 43] 李卓球, 岳红军. 玻璃钢管道与容器 [ M]. 北京: 科学出版社, 1990. Current Development and Application of Resin Matrix Composites GENG YunOgui, ZHANG YongOtao ( School of Civil E ng ineering Henan Polytech ni c University, Jiaozuo 454003, China) Abstr act: The paper introduced the performance of Resin Matrix Composites, and combining it. s out2 standing performance , discussed the application in civil industry such as energy, building, automobile manufacture. T he development of high performance RMC and civil RMC is the trend of RMC in the near future. For home and abroad developing trend, our country still has great potentialities to excavation and the development prospect is very broad. Key words: resin matrix composites; performance; current ( 责任编辑 宫福满) 5河南理工大学学报 ( 自然科学版) 6 作者须知 1 论文撰写的几点要求 ( 1) 摘要: 中文文摘要务必不少于 200 字, 其内容务必包括研究的目的、方法、结果和结论等重要信息, 摘要中 不用图表、化学结构式和非公知的符号术语, 也不宜引用图表、公式和参考文献序号等. ( 2) 关键词: 以 3~ 5 个为宜, 中英文关键词应一一对应. ( 3) 作者简介: 姓名 ( 出生年O), 性别 ( 民族) )) 汉族可省略), 籍贯, 职称, 学位, 研究方向, 电子信箱, 联 系电话. ( 4) 基金项目: 项目应注明名称 ( 如国家重大攻关项目、国家自然科学基金项目、省重点攻关项目等) 和编号. ( 5) 文稿中应注意外文字母的大小写、上下标、正斜体等, 如英文字母 S C O P V W Z J K 等的大小写应标注清 楚. ( 6) 图名、表名应使用中英文两种文字, 不得以图序、表序或附图、附表代替图名、表名, 文中表格一律使用三 线表. 图中线条、数字、字母要标注清楚、无误, 并应与文中表述一致. ( 7) 参考文献只列出在正文中被引用过并且已正式发表的文献资料 ( 学位论文与研究报告除外) , 参考文献中的 作者姓名应写出前 3 位, 余者写 / , 等0 , 参考文献的序号应在正文引用处相应的序号标注. 参考文献应尽量不少于 15 条, 应尽量引用最新出版的国内外期刊文献. 2 几种常用参考文献的著录格式 ( 1) 连续出版物: 作者. 文题名 [ J] . 刊名 ( 外文刊名可缩写, 缩写后的首字母应大写), 出版年, 卷号 ( 期 号): 起- 止页码. ( 2) 专 (译) 著: 作者. 书名 [M] . 版本 ( 第 1 版不标注), ( 译者) . 出版地: 出版者, 出版年. 起) 止页码. ( 3) 论文集: 作者. 析出文题名 [C] M主编或文献的责任者. 论文集名. 出版地: 出版者, 出版年. 起- 止页 码. ( 4) 学位论文: 作者. 文题名 [D] . 保存地点: 保存单位, 学位授予年. 来稿一定要具有科学性、创新性、真实性, 立论正确, 论据可靠, 文字、量和单位等使用务必规范, 表达符合逻 辑, 并注意保守国家机密, 文责一律自负. 论文格式: 中文标题、作者姓名、作者单位 [ 单位全称 ( 要写能通信联系上的具体单位) 、单位所在地、邮政编 码多个作者单位要分别列出]、摘要、关键词, 中图分类号, 正文, 参考文献, 英文文章标题, 作者姓名汉语拼音, 英文作者单位, 英文摘要, 英文关键词, 作者简介, 基金项目名称及编号. 本刊重视研究论文的完备性, 论文字数应在 8 000 字 ( 包括图表) 以上. 经审定录用者, 2 个月内通知作者. 对不 符合以上各项基本要求的稿件, 本刊一概不予受理. 对经过审稿拟录用的稿件, 本刊将按规定标准收取发表费. 文章及发表费请寄: 454003 河南省焦作市 河南理工大学学报 ( 自然科学版) 编辑部, 投稿可发电子邮件, EO mail: zkxb@hpu. edu. cn 联系电话: ( 0391) 3987068, 3987253 第 2 期 耿运贵等: 树脂基复合材料的应用与发展趋势 197