1.5　先进复合材料的发展前景展望

自工业革命以来的历史表明，现代科学技术发展不是呈线性而是呈指数增长，因此任何试图对未来，尤其是中长期未来，做出准确预测的努力尽管不全是徒劳的，但却注定是非常困难的。先进复合材料领域也不例外。从前面的介绍可以看出，一百多年前的1914年，也就是莱特兄弟首次发明动力飞行后的第11年，航空材料还主要是木材加麻布。短短的一百多年间，我们就已经历了从木材到金属到合金到复合材料到先进复合材料的巨大变迁。谁能预料下一个一百年又会有什么样的变化呢？不过可以肯定的是，下一个百年巨变一定比上一个还要大，还要神奇，还要更加造福于人类。

基于这种认识，笔者根据有关资料，结合个人看法，从设计、材料、加工和市场四方面试着对先进复合材料领域未来10～15年的发展前景做一个简单粗略展望。

1.5.1　复合材料设计和模拟发展前景展望

按一般的看法，复合材料的设计和模拟似乎不是这本书涵盖的内容，因为它们更应该属于机械、计算机、航空航天或者其他相关专业，如工业设计等。这种看法大体是合理的。但笔者认为这多少有些欠缺，毕竟材料和制造工艺的选择终究是为了实现某种设定或期望的零部件甚至是总体设计目的的。如果从事复合材料或任何材料科学与工程工作的人完全不了解这种“大局”，难免有闭门造车之嫌。反之，如果做复合材料零部件设计或结构设计的人没有复合材料及其制造工程的基本常识，所做的设计也不可能是最优化的。至于计算机模拟，应该说已经成为材料设计、制造和检测等所有环节不可或缺的有效工具。正因为有了这样的工具，复合材料领域才得以实现持续的加速发展。

基于这样的看法，下面做一个最简单的讨论，以期达到抛砖引玉的目的。

通常复合材料设计的基本单元是层板或三明治板，往下是增强体和基体，往上是零部件，再往上是局部结构，最上是总体结构。从前面的讨论可知，早期使用复合材料的最初目的往往是取代金属材料以得到减重或其他效果，因此多半是在原有金属材料零部件设计基础上起步，有的甚至直接进入层板设计，这样的结果不一定能最大限度利用复合材料的物理和机械力学特性。后来，通过复合材料专门设计来实现零部件整合，或者为复合材料定身打造那些用金属材料无法实现的零部件设计，从而使设计本身及复合材料科学和工程上升到更高的层次。现代的设计，尤其是利用计算机辅助设计或突破性的设计工程如（全复合材料结构的中小型飞机、复合材料车架等），必须从上到下进行周密的设计。像波音787这样革命性的设计，本身就是一个庞大的工程，需要所有的上下游领域（如零部件加工企业、复合材料生产企业、模具、测试、评价，甚至是行政、立法等），在设计阶段就要进入合作状态。就当前国际航空航天和复合材料生产企业的共识和操作，在型号设计阶段，越早有上游供应商参与，越能准确到位地实现型号的设计目的。可以肯定，这一模式在未来会继续深入，并且会为更多的领域所采用。事实上，前面所提到的汽车行业已经开始的整车企业和碳纤维企业的战略合作就是这一模式的真实写照。

随着复合材料科学与工程的发展，复合材料的各种性能会得到更充分的认识，数据库会更大、更准确，在更强大的计算机技术的支持下，未来的计算机模拟设计几乎会无所不在，无所不包。各种神奇的仿生设计、智能设计、多功能设计、环保设计、替代能源设计等，都会通过复合材料的设计得到实现。

对复合材料的计算机模拟由来已久，无论是模拟某一零部件的承载，还是模拟它们的破坏，都直接帮助了复合材料的设计和使用。这种模拟未来也将更加精准，更加接近真实的状态，根据这些模拟而做出的预测也因此更加可靠。也许有一天，不仅可以通过复合材料试样件的测试就能预测其构成的零部件的行为，而且能够据此预测整个结构的性能。图1-19所示为复合材料测试模拟结构层次。

1.5.2　材料科学的发展前景展望

复合材料作为一种设计思路和材料形态在可见的将来会一直存在，毕竟单一材料无论多么先进，都不会是万能的，而进行材料的复合则是一种最现实、简易和经济的方法。

纤维增强复合材料的发展有两个必然方面：一是现有主体“建筑”材料（building blocks）性能的进一步提升；二是新的革命性的材料的发明。

主体材料中首要的是纤维，而纤维中最有可能看到性能和成本同时改善的是碳纤维和芳纶。可以预见，未来碳纤维的强度和模量会进一步提高，而且有可能得到强度模量双双提升的幅度大大高于T50-1000的“超级”碳纤维。新的原丝种类还会被发明或发现，新的工艺也会发展出来，而且不一定还是传统的纺丝、氧化、碳化这样一套程序。碳纤维及其织物的规格和种类会出现大幅增长，与其他纤维的混搭和杂化会越来越多。

而新一代的芳纶无论强度还是抗湿热性都将得到很大改进，杜邦的新芳纶品种Kevlar XP较原来的纤维产品强度高出20％。芳纶的表面处理一直是一个很活跃的领域，经表面改性的芳纶产品也将更多地得到工业化。

特殊纤维，尤其是陶瓷纤维，将在未来得到长足发展。陶瓷基复合材料也必然会脱离今天的超高价位而使其能够应用到更普通的领域，例如能源、汽车，甚至家用电器和厨房用品中。

即使是非常成熟的纤维（如玻璃纤维）也会有新的面貌，继高强玻纤之后，超高强的玻纤也一直在研究之中。同时玻纤的专用化会更加明显，例如快速润湿玻纤、反应性玻纤等，都已经或将要进入市场。

值得指出的是高性能天然纤维将在未来的绿色复合材料中发挥重要作用，会有越来越多的研究者投入到这个领域，开发出许多对天然纤维改性的方法，提高纤维强度和与基体树脂的协同效应，使其能够达到越来越多的应用要求。

但是，纤维材料中最有可能出现重大突破的是纳米碳材料，包括纳米碳管和石墨稀两大类。通过现有的海量文献可以看出，这两大类材料作为改性组分用于先进复合材料已经显现出了巨大潜力，未来必定会成为复合材料继纤维和基体之后的重要成分。难度较大但是最终一定会实现的是实用性的纳米碳管或石墨烯长纤维或连续纤维的工业化制备，以目前的技术水平难以预测这个过程究竟需要多久。然而可以肯定的是，一旦这个目标得以实现，必然会导致先进复合材料甚至是整个科学技术世界性的、革命性的飞跃。使用这种地球上已知物质中强度最大的材料，我们的飞行器和目前碳纤维及其复合材料已经应用和将要应用的各领域都将变得更加神奇，即使是近乎科幻的太空电梯（space elevator）也将因此成为现实，极大地改变人类社会的面貌。

基体材料未来发展的潜力不亚于纤维材料，其中聚合物基材料的发展将最具有多向性和爆炸性。可以预见，现在已有的众多聚合物化学将会继续发展，制造出更多、更新、更高性能的树脂（包括热固和热塑）品种，而全新的化学也将被发明出来，合成出更多现在难以想象的全新的单体和聚合物材料。与此同时，更多更新的聚合物基体改性材料，如增韧材料、功能材料、固化剂、流变改性剂，以及其他目前尚未使用或知道的成分，都会被发明和发现。同现在情况相似，未来的陶瓷基体和金属基体材料的种类不太可能超过聚合物基体，但是它们也一样可能有显著成就。尤其是在制造工艺方面，一旦它们的制造成本得到有效控制，一定会导致一种良性循环，促成更多的突破。

复合材料的其他功能组成如芯材的发展会得到更多重视，无论是蜂窝芯还是泡沫芯，除了现有的材料种类外，新的芯材会不断开发出来。2014年，美国NASA旨在鼓励发展革命性新技术的GCD计划（game changing development program）出资约100万美元寻求比蜂窝和泡沫芯轻一半的超轻新型芯材，以制造未来的三明治结构复合材料。哈佛大学的研究者采用3D打印制得了比巴萨木（Balsa）更轻、更刚性的仿生复合材料芯材[14]。天然巴萨木具有独特的“细胞”结构，含有大量空间，类似闭孔泡沫，但是其孔壁具有很高强度，因此具有很高的刚度重量比，是优秀的芯材，其缺陷是天然材料的不一致性和低的抗湿热性。通过使用环氧树脂加上短碳纤维和碳化硅晶须的特殊油墨和3D打印，制得了同巴萨木结构相同但是更均匀、更高性能的芯材，如图1-20所示。这种融合不同的新技术来实现突破性进展的思路，在未来会越来越普遍。

和复合材料制造相关的材料，包括耗材，在未来也不可避免地会有长足发展，在此不再一一讨论。

把纤维增强复合材料作为一个整体来看，除了其各种性能，包括物理、力学、机械会继续得到全面提升外，未来的发展趋势至少有三个：一是多功能化；二是智能化；三是环保化。多功能化是指复合材料除了作为承载或结构材料外，还同时具备其他功能，如导电（例如，飞机使用高电导复合材料可以不使用或少使用雷电保护金属网）、阻尼（例如，汽车使用高阻尼复合材料可以不再使用阻尼涂层）、隐身、防火、记忆等。透明复合材料也可以作为多功能复合材料的例子，这些复合材料在承载的同时也可以作为窗户或透明幕墙。2014年，苹果公司的一项透明复合材料的专利更是打算将其用于未来的智能计算机iWatch[15]。智能化是指复合材料可以根据环境信息做出相应反应，例如自修复（self healing）复合材料可以在受到损伤时释放出修复物质进行自我修复，具有警示功能的复合材料在受到意外冲击或极端温度时通过颜色或电子信号发出警示。环保化是指复合材料可以实现完全回收重复利用或者生物降解，也就是所谓的可持续复合材料（sustainable composites）。热塑性复合材料一般被视为可重复使用材料，因此回收利用的难点在于热固性复合材料。而近年来这方面取得的进展是值得欣慰的，除了传统的低温、高温或机械方法外，一些可降解的树脂体系，如Connora Technologies利用一种可降解的胺制造的环氧树脂复合材料体系，也开始被研发出来[16]。

目前，一个比较流行的研究领域是纳米复合材料（nanocomposites），这种材料是指增强体为纳米材料的复合材料，其中的纳米材料可以是纳米级的粒子（如无机物粒子）、片状（如石墨烯片）、管状（如纳米碳管）、纤维（如电纺纳米碳纤维）等。目前，已经有报道称采用等离子处理过的石墨烯纳米片（GNP）可以提高复合材料的损伤容限达50％。由于纳米级物质极高的表面积，这些纳米复合材料能够有效地提高导电高导热和耐火性，甚至还可能具有一些特殊的性能，如特殊的光学、介电性等。但是，如前所述在有效增加复合材料的载荷方面需要待纳米长纤维发展后才能显现出来。美国代顿大学研究院（UDRI）鉴于目前的纳米碳管只能生长到厘米级，而分散到基体树脂中的纳米碳管增强效果欠佳的现状，采用了将纳米碳管直接在碳纤维上生长的方法，制得了一种有趣的改性碳纤维，称之为毛纤维（fuzzy fiber），如图1-21所示。据发明者称，这种纤维赋予复合材料独特得多功能性，不仅强度高，而且热电性能好[17]。

1.5.3　制造工程的发展前景展望

当前，制约先进复合材料向工业用途进一步扩展的因素之一是它们较高的加工成本。一般来讲，手工铺层加热压罐工艺复合材料的制造成本最高可能占据总成本的80％，一般的工艺也会占到一半。因此，复合材料的加工工程一直是一个研究热点，尤其在工业领域。

制造工程的发展和突破方向主要有两个：一是通过非热压罐成型（out of autoclave，OOA）减少设备和能源费用；二是通过自动铺放，包括自动铺带（automated tape layup，ATL）和自动铺丝（automated fiber placement，AFP）来增加制造速度。其中，非热压罐成型主要有真空袋成型（vacuum bag only，VBO）和纤维预成型体（fiber preform），前者采用预浸料（热固或热塑）但用烘箱替代热压罐来进行固化加工，后者采用液体树脂灌注（resin infusion，RI）或树脂膜灌注（resin film infusion，RFI），然后在加热模具或烘箱内成型，热塑性预浸料的模压成型也属于这类。自动铺放是指通过铺带机或铺丝机将预浸丝束（towpreg）、预浸带（tape）或干纤维按设计方案铺到模具上，然后成型。这种方法特别适用于形状相对简单但尺寸较大的零部件，例如波音787的机翼蒙皮和复合材料机身段都是采用自动铺放碳纤维环氧树脂预浸带和预浸丝，然后通过热压罐成型制造。

无疑这两类方法也可以结合使用。目前的一些大型航空制件，如庞巴迪最新的C系列支线飞机CS100和CS300的机身就是采用碳纤维环氧树脂VBO体系和自动铺放制造而成。而俄罗斯新的支线飞机MS21的机翼，则是采用碳纤维干丝铺放，然后通过液体环氧树脂灌注成型而制造。

从复合材料设计上看，日趋广泛的零部件归一化（part consolidation/integration）使得这些新的集成零部件形状和内嵌件数量种类日趋复杂，尤其是面对即将到来的汽车材料从金属到复合材料的转变大潮，如何在保证这些零部件各种性能达标的同时提高制造速度，是对制造工程新的挑战，尽快找到全新的解决方案是未来加工领域的主要任务之一。

值得一提的是复合材料工装（composite tooling）。这个领域既可以算是复合材料的应用范围，也可以归到复合材料加工制造工程方面。由于它们的轻质和较小的比热，使用复合材料工装来替代金属工装由来已久，同样是复合材料成功应用的典范。另一方面，复合材料工装的使用促进了复合材料加工成型工程的发展和优化，与金属材料，尤其是Invar材料相比，有价格优势，而且不需要精密机械成型抛光，还能直接从简易的原始模板复制，从而降低了工装的制造成本。由于复合材料工装较金属工装低的热容量和重量，使得成型过程的能耗大大降低。波音787的部分大型机身工装即是使用碳纤维双马来酰胺树脂复合材料制成，是该机型制造技术先进性的亮点之一。

1.5.4　应用领域和市场的发展前景展望

在可以预见的将来，由于石油价格的相对稳定和原材料制造成本的优化，纤维和基体材料的价格将会稳中趋降，加上复合材料加工成本的改善，复合材料的竞争力会持续上升，在更多领域取代金属材料，占据更大的市场。

航空航天领域仍将是复合材料的主要版图之一。2012年，复合材料在该领域的市场约为103亿美元，此后五年的增长速度维持在10％左右。虽然美国和欧洲仍旧是最大的市场（从复合材料的使用量看，波音和空客合计约占据了该市场总量的70％），但是亚洲和中东的需求增长最大，将成为未来五年发展的主要地区。俄罗斯也会是热点之一，随着俄罗斯航空工业的整合完成，已经显现出了迅速复苏的迹象，也就是人们现在热议的所谓俄罗斯航空业的“文艺复兴”（Russian Renaissance）。

未来的军民用无人飞行系统（unmanned aerial systems，UAS）市场将是航空领域一个最活跃的部分，仅2013年全球在无人机上的花费就超过了65亿美元，而2020年前这个数字将翻一倍，使无人机总数达到约57000架。

未来的航天市场将由过去的国家主导变为国家民间共同发展的格局。除前面提到过的太空X公司和维京星系公司外，更多的民间企业加入到太空发射、探索和旅游的生意中，使得这个市场的发展变得更迅速和更像航空或汽车领域，这将为先进复合材料提供很多机会。例如，美国Sierra Nevada公司的“追梦”（Dream Chaser）太空飞机虽然没有入选NASA的新一代太空飞机型号，但他们矢志要通过这个计划推动民间太空旅游，而该型飞船的主承载和次承载结构件，包括机舱、机头、机翼、蒙皮和外保护层，都是由先进复合材料制成，而且主要使用的是碳纤维和双马来酰亚胺的复合材料。在这种发展趋势下，更多国家的空间项目也更注重借鉴民间公司的商业模式，像美国2013年发射的月球大气和尘埃探测卫星（LADEE），这颗卫星使用的复合材料基本上是目前市场上现成的材料，这种“公共汽车”模式使得它从设计到发射仅2年，而且费用仅为5000万美元。这种模式从客观上必定会加速和扩大复合材料在航天领域的使用。

未来5～10年复合材料在汽车和轨道交通上的增长最为乐观，据估计每年的增长率不会低于7％。目前，平均每辆汽车约含有907kg钢或铁，272kg铝或铝合金，复合材料仅占约51kg（其中约16kg还是天然纤维增强的内饰复合材料），因此取代钢铁或铝用于结构件的先进复合材料的发展有极大的空间。据统计，2013年碳纤维复合材料用于汽车约为7500t，占全球总量的3.5％。2016年约为16000t，到2022年应该会达到45万t，占全球总量的25％。

2006—2010年受全球经济影响，民用船艇制造业遭遇了严重低谷，2013年所用的复合材料大约不到10亿美元，但是随着全球经济的复苏，在未来五年应该以不低于4％的速度增长，在2018年达到约12亿美元的规模。与此同时，复合材料船艇制造工艺正在全面由过去的开模向闭模转移，这一改变除了环保收益外，也会促进该领域逐步由传统复合材料主导向先进复合材料主导方向发展。据估计，到2019年复合材料在海洋（不包括军用舰艇）领域的市场将达49亿美元。

在基础设施方面，复合材料未来仍然有巨大的市场潜力。首先是全球将继续使用复合材料帮助翻修更新已经老旧的基础设施，其次是仍然在增大的取代钢铁制件的耐锈蚀结构件市场，再次是正在兴起的复合材料建筑市场和电力基础设施市场，还有一些成长迅速的新兴市场，如水纯化和海水淡化等。需要指出的是，尽管这个市场的先进复合材料用量会持续增加，未来相当长的时期仍会受到成本限制，因此将继续为传统复合材料所主导。

复合材料在运动休闲领域虽然已经占据了重要位置，但未来5～10年增长幅度相比其他领域会小得多，估计不会超过5％，大约会从2013年的18亿美元增加到2018年的30亿美元。不过正如前面所讲，这个领域所消耗的复合材料量却大大超过航空航天的用量，只不过它们的相对价值较小，因而没有占到相应的经济量。

总的来说，纤维增强复合材料尚处于发展的初级阶段，远远没有达到顶峰，相应的市场也远远没有达到饱和。未来的复合材料世界将更加丰富多彩，人类的未来世界也必将更多地得益于这一重要领域的科学、技术和市场的发展。