材料科學目前在高新產業中的基礎和先導作用日益顯現,而復合化作為材料發展的必然趨勢也引起了業界的極大關注。長期從事復合材料
研究的上海交通大學吳人潔教授指出,復合材料發展至今,已在航空航天、交通運輸、建筑、電子電氣等領域中起到重要作用,但是價格偏高和可靠性相對不足阻礙了它的發展,加強科技攻關已刻不容緩。
吳人潔介紹,眼下我國復合材料的應用總量達450萬噸,產量很小,即使是在航空航天等主要領域的用量也不大。今后復合材料的發展關鍵在于降低成本、提高可靠性、發展新型復合材料,以及改善與環境的協調性四個方面。
吳人潔預測,復合材料應用于基礎設施的前景廣闊。相對于鋼鐵等傳統材料,復合材料應用于基礎建設的優越性在于投資少,可以提供特殊的功能,增韌防裂、耐磨、耐腐蝕、易維修,同時因材質輕施工方便。
如28米的高塔用鋼鐵材料需要4人幾天才能完成,而采用復合材料只需3個人幾小時就可完工。此外,應用范圍和原材料的選擇范圍廣,有利于環保。
復合材料應用于基礎設施如高速公路、橋梁大壩、港口、大型建筑、機場等,可使建筑行業的產品設計、功能、成本、壽命和修復等發生革命性變化,受到了國內外業界的高度重視,我國快速推進的基礎設施建設市場容量巨大,復合材料應該在這方面有所作為。
吳人潔認為,納米、智能、仿生等新型復合材料在21世紀將得以快速發展,但還有許多基礎問題需要深入研究。納米復合材料不僅保持了納米粒子的原有性能,還可以產生特殊的協同作用,在結構和功能方面具有一定的獨特性。由于該種材料是納米粒子分散在其他材料中,因此關鍵是如何使其均勻地分散在基體中,而在復合過程中不使納米粒子或晶體團聚或長大進而失去納米效應。
智能(機敏)材料是具有感覺、處理和執行功能,能夠自行診斷、自行適應和自行愈合的復合材料,其初級形式稱為機敏,高級形式稱為智能。智能(機敏)材料是信息科學與材料科學交叉滲透的產物,由于該材料是信息感知材料和執行驅動材料的復合體系,因此不可避免地存在相間的相互作用,以及提高穩定性和可靠性的問題,這些都是需要大力研究的內容。
仿生材料發展的必要性在于自然界的生物材料大都為復合材料,因此可以通過仿效生物結構來設計復合材料以克服復合材料中存在的缺點,同時可以利用仿生模型的計算來作為設計復合材料的基礎依據。吳人潔認為,仿生復合材料下一步的研究內容應該是學習生物過程以探索復合材料的制備途徑。
吳人潔提出復合材料基礎研究應在以下方面有所突破:一是多功能復合材料界面作用機制的研究。目前復合材料界面的力學行為基本清楚,但多功能復合材料界面對功能的傳遞行為的研究尚屬空白。二是復合材料的非線性復合效應及混雜復合效應的研究。復合材料的非線性復合效應是開發新型功能復合材料的基礎,需要從介觀到微觀層次上的物理行為加以研究。三是有利于環境的復合材料的研究。如復合材料的回收再生研究,由廢棄物構成的低性能通用復合材料和可自然降解復合材料的開發等。
據介紹,復合材料的加工成本占到總成本的70%,降低復合材料的成本,必須大力研究高效、快速的成型工藝。吳人潔說,增強體采用三維編織預型體方案,能有效降低成本,是這方面的最新研究成果。它先設計制造增強織物,然后用流態基體浸滲的方法提高復合材料的可靠性,同時有面外定向的纖維,從而提高了厚度方向上的強度,大大改善了復合材料的性能。
復合材料的主要特點是可設計性強,因此必然要研究利用先進的計算機技術進行設計優化。復合材料的性能預測和可靠性設計和改善可用計算機進行仿真虛擬,即在計算機上實現復合材料的設計、制造、功能測試和優化設計等過程,這也將是復合材料發展的新生長點之一。
研究的上海交通大學吳人潔教授指出,復合材料發展至今,已在航空航天、交通運輸、建筑、電子電氣等領域中起到重要作用,但是價格偏高和可靠性相對不足阻礙了它的發展,加強科技攻關已刻不容緩。
吳人潔介紹,眼下我國復合材料的應用總量達450萬噸,產量很小,即使是在航空航天等主要領域的用量也不大。今后復合材料的發展關鍵在于降低成本、提高可靠性、發展新型復合材料,以及改善與環境的協調性四個方面。
吳人潔預測,復合材料應用于基礎設施的前景廣闊。相對于鋼鐵等傳統材料,復合材料應用于基礎建設的優越性在于投資少,可以提供特殊的功能,增韌防裂、耐磨、耐腐蝕、易維修,同時因材質輕施工方便。
如28米的高塔用鋼鐵材料需要4人幾天才能完成,而采用復合材料只需3個人幾小時就可完工。此外,應用范圍和原材料的選擇范圍廣,有利于環保。
復合材料應用于基礎設施如高速公路、橋梁大壩、港口、大型建筑、機場等,可使建筑行業的產品設計、功能、成本、壽命和修復等發生革命性變化,受到了國內外業界的高度重視,我國快速推進的基礎設施建設市場容量巨大,復合材料應該在這方面有所作為。
吳人潔認為,納米、智能、仿生等新型復合材料在21世紀將得以快速發展,但還有許多基礎問題需要深入研究。納米復合材料不僅保持了納米粒子的原有性能,還可以產生特殊的協同作用,在結構和功能方面具有一定的獨特性。由于該種材料是納米粒子分散在其他材料中,因此關鍵是如何使其均勻地分散在基體中,而在復合過程中不使納米粒子或晶體團聚或長大進而失去納米效應。
智能(機敏)材料是具有感覺、處理和執行功能,能夠自行診斷、自行適應和自行愈合的復合材料,其初級形式稱為機敏,高級形式稱為智能。智能(機敏)材料是信息科學與材料科學交叉滲透的產物,由于該材料是信息感知材料和執行驅動材料的復合體系,因此不可避免地存在相間的相互作用,以及提高穩定性和可靠性的問題,這些都是需要大力研究的內容。
仿生材料發展的必要性在于自然界的生物材料大都為復合材料,因此可以通過仿效生物結構來設計復合材料以克服復合材料中存在的缺點,同時可以利用仿生模型的計算來作為設計復合材料的基礎依據。吳人潔認為,仿生復合材料下一步的研究內容應該是學習生物過程以探索復合材料的制備途徑。
吳人潔提出復合材料基礎研究應在以下方面有所突破:一是多功能復合材料界面作用機制的研究。目前復合材料界面的力學行為基本清楚,但多功能復合材料界面對功能的傳遞行為的研究尚屬空白。二是復合材料的非線性復合效應及混雜復合效應的研究。復合材料的非線性復合效應是開發新型功能復合材料的基礎,需要從介觀到微觀層次上的物理行為加以研究。三是有利于環境的復合材料的研究。如復合材料的回收再生研究,由廢棄物構成的低性能通用復合材料和可自然降解復合材料的開發等。
據介紹,復合材料的加工成本占到總成本的70%,降低復合材料的成本,必須大力研究高效、快速的成型工藝。吳人潔說,增強體采用三維編織預型體方案,能有效降低成本,是這方面的最新研究成果。它先設計制造增強織物,然后用流態基體浸滲的方法提高復合材料的可靠性,同時有面外定向的纖維,從而提高了厚度方向上的強度,大大改善了復合材料的性能。
復合材料的主要特點是可設計性強,因此必然要研究利用先進的計算機技術進行設計優化。復合材料的性能預測和可靠性設計和改善可用計算機進行仿真虛擬,即在計算機上實現復合材料的設計、制造、功能測試和優化設計等過程,這也將是復合材料發展的新生長點之一。