复合材料,顾名思义就是由两种或两种以上不同性质的材料,通过物理或化学的方法,在宏观上组成具有新性能的材料。目前国内研究的先进复合材料,主要是由树脂基、金属基、陶瓷基和聚合物基等基体材料和碳纤维、硼纤维、芳纶纤维和碳化硅纤维等高性能纤维增强材料复合而成。
复合材料的应用可以分为民用领域和军工领域。在研究室方面,中科院宁波材料技术与工程研究所在复合材料民用领域方面的研究最为领先,而北京航空材料研究员、北京航空航天大学和哈尔滨工业大学航天学院等在复合材料的军工领域方面的研究较为出色。
公司方面,中材科技拥有特种纤维复合材料国家重点实验室,是上市公司仅有的复合材料相关国家重点实验室。
研究所
中科院旗下众多研究所之中,复合材料研究主要集中在中科院宁波材料技术与工程研究所、中科院长春应用化学研究所、中科院金属研究所以及中科院化学研究所、中国科学院西安光学精密机械研究所等几个研究所。其中,中科院宁波材料技术与工程研究所在民用复合材料方面的研究领先。
“宁波所对复合材料方面的研究,主要是在先进制造技术研究所。”中科院宁波材料技术与工程研究所复合材料制造与装备团队负责人范欣愉对本报记者表示,“先进制造技术研究所原来依附于高分子与复合材料事业部,2009年独立建所,重点研究方向是汽车等民用工业中使用的轻量化复合材料。”
研究团队方面,先进制造技术研究所目前共有科研队伍120余人,其中旗舰研究员3人,研究员9人,副研究员5人,高级工程师3人,博士或工程师等硕士以上科研人员55人,重点开展的研究方向是复合材料制造工艺及装备、精密运动与先进机器人(行情,问诊)和光电陶瓷材料与器件等。
仅在2012年,该所便申请了“纤维复合材料开孔制件的补强片、连续纤维增强PBT复合材料用树脂传递模塑成型注胶机、减少纤维增强热塑性复合材料表面缺陷的方法”等51项专利。
根据范欣愉博士的介绍,复合材料制造工艺及装备团队目前主要从事车用碳纤维复合材料RTM制造技术研发、工业机械手及机器人技术、装备智能化升级、可重构制造装备技术、自动化生产线等民用轻量化复合材料的研究。目前复合材料方向承担的重点项目包括中科院电动车复合材料行动计划,制造装备走向智能化、数字化和网络化,宁波市自然科学基金,与企业共建的华缘复合材料工程中心等。
中科院长春应用化学研究所在复合材料研究方面也比较出色。该所拥有高分子复合材料工程实验室,成立于2009年,实验室现有研究员9人,副研究员11人,高级工程师2人,中级研究人员40人,初级研究人员10人。2011年经费达到4755万元,申请专利近40项。
该所高分子复合材料工程实验室主要研究方向包括:高分子结构复合材料、高分子功能复合材料、复合材料界面科学、复合材料的力学设计与仿真、高分子智能复合材料、高分子辐射化学、纳米复合材料、纤维增强复合材料大件成型技术、高分子/金属复合材料、纤维及其集成技术。
中国科学院西安光学精密机械研究所拥有复合材料技术中心,主要从事碳纤维复合材料的研究,该中心主任是王浩静博士。该所与镇江市人民政府战略合作协议的第一个产学研项目——江苏航科复合材料科技有限公司目前已经生产出性能稳定的T800高性能碳纤维,产品性能均达到国际巨头日本东丽公司T800碳纤维的技术指标。
“北京航空材料研究院、哈尔滨工业大学、北京航空航天大学、南京航空航天大学等也做复合材料方面的研究,这些研究所的研究重点是复合材料在军工方面的应用。”范欣愉博士表示。
其提到的北京航空材料研究院隶属于中国航空工业第一集团公司,是中国航空工业唯一的材料研究机构,业是国内最大的材料工程研究中心之一。该研究院拥有先进复合材料国防科技重点实验室,主要研究领域为先进的树脂基复合材料、先进的金属基和陶瓷基复合材料等。
大学研究室
与中科院研究所相比,国内大学在复合材料方面的研究更侧重基础研究,但其研究实力不可小觑。
其中,上海交通大学、武汉理工大学和北京化工大学三所高校均拥有复合材料的国家重点实验室,西北工业大学、哈尔滨工业大学和国防科技大学三所高校则拥有复合材料的国防科技重点实验室,6所高校在复合材料领域的研究无疑占据先机。
其中,上海交通大学拥有金属基复合材料国家重点实验室,现任实验室主任是张荻教授,学术委员会主任是叶恒强院士。研究团队方面,实验室现有固定人员66人,其中教授(研究员)51人,副教授(高工)15人,具有博士学位55人。
2008-2012年,该实验室共承担各类科研项目359项,累计到位科研经费3.47亿元,其中国家重大基础研究规划(973计划)32项;围绕金属基复合材料发表学术论文1334篇,其中SCI论文1091篇,获国家授权发明专利346项。2011年,实验室主任张荻教授作为首席科学家成功申请国家973计划项目“先进金属基复合材料制备科学基础”,项目经费达3600万。
武汉理工大学复合材料的研究也走在国内高校前列。该校拥有材料复合新技术国家重点实验室,现任实验室学术委员会主任为中科院院士顾秉林教授,实验室主任为张清杰教授。研究团队方面,实验室现有固定人员60名,其中包括中国工程院院士1人,国家“千人计划”特聘专家2人,国家“
研究方向上,实验室构建了以纳米复合技术、原位复合技术和梯度复合技术为主要特色的材料复合与制备新技术创新平台,重点研究和开发四类关键新材料:面向国防的先进复合材料、面向新能源技术的高效能源转换材料、面向生命科学的新型生物复合材料和面向信息技术的信息功能材料及器件。
武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室与美国哈佛大学化学与化学生物学系、日本航空宇宙技术开发机构、日本东北大学材料研究所、英国牛津大学先进材料与复合结构中心、美国加州大学复合材料研究中心、加拿大燃料电池国家研究院等国际著名研究机构开展了实质性的合作,成立了材料复合新技术国际联合实验室、武汉理工大学——哈佛大学纳米联合重点实验室等国际合作研究平台,承担了一批国家重点国际合作项目。
依附于北京化工大学的有机无机复合材料国家重点实验室则刚刚于2013年7月通过了科技部的验收。实验室现有固定人员60人,其中研究人员50人,中国工程院院士1名,973首席科学家2名,学术委员会主任杜善义院士,实验室主任为陈剑峰。
5年来,该实验室承担了国家自然科学基金重大项目、创新研究群体项目、973计划项目、863计划重点项目等118项国家级科研课题。此外,还承担了34项国防军工项目。
根据范欣愉博士的介绍,在军工复合材料上,北京航空航天大学、西北工业大学、南京航空航天大学、国防科技大学等研究水平都属一流。
其中,西北工业大学的超高温复合材料国防科技重点实验室、国防科技大学的新型陶瓷纤维及其复合材料国防科技重点实验室都是与上述国家重点实验室实力相当的复合材料研究室。
“先进复合材料的特点是性能优秀,但研发成本高导致价格居高不下。”北京航空航天大学材料学院高分子及复合材料系的段博士表示,“我们所做的研究是拓宽复合材料的应用,降低其使用成本。”
北航材料学院先后组织近10名教师参加了大飞机专项的选材规划,并与上海飞机公司共建了“民用复合材料工程中心”。在2项973项目的支持下,该学院在先进树脂基复合材料制造模拟技术和材料结构一体化研究方面取得重大突破,相关技术的应用使先进复合材料在某型无人机上的用量超过飞机结构重量40%。
此外,四川大学、北京理工大学、天津工业大学、苏州大学、中山大学、华南理工大学等院校在复合材料方面的研究实力也比较靠前。
公司研究室
复合材料研究方面,领先的公司包括中材科技、西部材料、博云新材、银邦股份(行情,问诊)、长海股份等。
其中,中材科技拥有特种纤维复合材料国家重点实验室,是唯一拥有复合材料类国家级重点实验室的上市公司。由于依托于上市公司,该实验室的研发和产业化结合得较好,在特种纤维产业化、复合材料风电叶片产业化、新型热防护材料、新型高压复合气瓶产业化等方面的研究做得较为深入。