美國復合材料工業發展概況

    1 美國復合材料工業發展概況
    盡管當前美國經濟不景氣，復合材料工業卻由于這種材料的輕質、高強和優良的耐久性而得到持續的發展，產值還在逐年增長。
美國對復合材料/FRP的需求量幾乎占需求的一半，據美國歐文斯康寧公司的數據，1960年美國FRP生產量為11.3萬t，2002年生產量為190萬t，并預計在未來五年中將以4－5％的速率連續增長。據美國CFA（復合材料制造商協會）統計，現今美國有130OO條復合材料生產線，有23.6萬名雇員。復合材料產品中，約90％以上是玻璃纖維增強材料，約75％用的是不飽和聚酯UP或其它熱固性樹脂，25％是熱塑性樹脂（尼龍、聚丙烯及聚丁烯對苯二甲酸酯PBT）。
1.1 復合材料的幾個重要市場
    交通運輸業占美國復合材料市場的大份額，幾乎是市場總額的1/3，在2001年使用了49.9萬t的聚合物復合材料，僅次于交通運輸業的是建筑工程業，包括橋梁建設，使用了30.6萬t復合材料。耐腐蝕設備的應用（包括化工管道、石油、天然氣等）他用了18.5萬t，造船業使用15.1萬t，電力電子行業使用15萬t。風力發電行業顯示出對復合材料市場增長的需求，復合材料風機葉片的長度已從10m增大到30m，每座風塔的發電能力也從每年2.55萬kw增長到150萬kw。 美國不少州已提出要購買來自可再生資源的電力，如德克薩斯表示，到2009年時其電力供應應有3％是來自可再生資源，在德州西部將新建一個有160座電塔的風電場。
1.2 汽車市場
    2002年美國的汽車及載重車用復合材料比2001年增加了1l％，即需求量從15.6萬t增至17.4萬t（據ACA即美國汽車復合材料協會），該協會十年來一直跟蹤熱固性復合材料在美國汽車工業包括中型及重型載重車方面的應用。在此期間，汽年用復合材料的市場份額穩定增長，主要產品是轎車外車廂板、卡車外部板、車廂板、底板、擋泥板及后門等，預計美國汽車用增強熱固性復合材料到2005年將會增長至22.7萬t。歐文斯康寧公司復合材料部門的負責人表明該公司一直關注著復合材料的汽車市場并期待開發出更多的結構用復合材料如前臉、門框及保險杠等。
     汽車用復合材料部件中有1/3是模壓的（SMC），ACA指出，美國福特公司的雷鳥車是復合材料應用的優秀典范，他們的體會是采用復合材料使部件的設計更加靈活、部件制造的工模具發用減少50％，雷鳥車的外車身板的60％僅用熱固性復合材料。碳纖維復合材料正在受到美國汽車工業的矚目，美國塑料協會前主席Mike Dorney先生（美巴特公司塑料部副經理）說他一直得到不少制造商有關碳纖維增強熱固性復合材料的訊問以及對先進復合材料研究的合作態求，目前的問題是碳纖維的價格較高，但其優良的性能及減輕車重的作用對制造商來說具有巨大的魅力。
通用汽車公司繼續開發TPO基的納米復合材料，將分散到分子尺度的粘土作為增強劑加入到樹脂材料中；加入量為2.5％，制備出納米復合材料。這種材料已經被商品化，其目標是將這種納米復合材料用于汽車外部裝飾非投入大批量生產。
     產值為12億美元的旅游、娛樂車（RV）工業也是復合材料的另一大用戶，他們使用帶膠衣的FRP外側板，為增加其剛性在板后面加有聚合木材的夾心結構，用于車的前瞼、后罩、車頂板、洗浴室及車內裝飾及家具。Crane Kem1high公司就生產帶膠衣的半剛性板，以卷材供應，寬度可達2.9m，這種板材廣泛地用于RV車制造業、他們采用聚酯／苯乙烯復合型樹脂及連續玻纖光捻粗紗，將它們在一個運動著的皮帶上混和并覆蓋一層膠衣表面層，再將夾心材料通過一個壓輥在上述卷帶進入固化爐之前壓入板材。
l．3 飛機、電子市場
     復合材料用于飛機制造的市場正在下降，主要是波音飛機的建造速度放緩所致，2002年有370架飛機交付使用，而2001年則有527架（據Hexcel報道，該公司是先進復合材料的主要供應商），該公司還報道說，他們大的經營部門即商業航空部的銷售凈額比 2001年同期下降了27％，預計在2003年波音及空中客車均會進一步減產。 Hexcel還報道說電子市場的銷售凈額比去年略低，主要是由于用輕質玻璃纖維織物制造的印刷線路板的需求量比去年降低，這些市場的銷售凈額降低的部分原因還歸結于對航空／國防及工業市場的征稅連續提高。
    然而， Hexcel的第二大部門即工業應用部的銷售凈額在2002年的第二季度比2001年同期增長了3．3％，主要是因為制造柔性人體防彈衣以及用于娛樂休閑和一般工業應用的復合材料需求量增加的緣故。這些市場在第二季度的銷售凈額比去年同期增長17．9％。
1．4 休閑娛樂市場
    美國12．5億元的旅艇市場是復合材料的大用戶，盡管在當前經濟動蕩的條件下，依然正常發展。據美國Freedonia集團公司的預測，到2005年之前，美國對休閑娛樂船的需求將以每年6％的速度增長、造船廠商目前都在為減少污染物的排放符合新的環保法規MACT（高可達到的控制技術）所規定的標準而努力。
1.5 基本建設市場
    盡管建筑工程單位接受復合材料技術的步伐一直比較遲緩，但復合材料在美國基本建設中的應用前景是好的，已經看到了大量的應用機會，基本建設行業代表了復合材料工業增長的巨大潛力，的家公路管理局（FHWA）已就創建一個新的研發規劃即建造對世紀的橋梁規劃問題，正在征求復合材料工業界的意見。因為目前已有大量的橋梁出現問題并等待修建。據 FHWA統計，美國現有35萬座橋梁需要修建，有40％的橋梁在結構上已失修或橋體功能喪失，這個百分數還在升高。用于橋梁建設中的復合材料主要是拉擠板材和型板，在很多場合下已經成功地替代鋼結構。
     緬因大學獲獎項目RESPI是用于基本建設上的一種復合材料，他們將拉擠的FRP板材通過沒漬過程使之與木材復合，可以制備梁、I字接頭、平法蘭等。研究表明，這種材料的梁的彎曲強度可提高50％。緬因大學在緬因州的項目中采用了復合材料夾心結構，其中的芯那是夾層木材，兩端面是E玻璃纖維增強乙烯基樹脂薄板，薄板外部還有一層聚合物混凝土以便涂覆瀝青，他們估計采用這項技術可在一天內甚至不到一天就可安裝好橋面板，而通常則需要6－8周的時間才完成。
     美國大的拉擠型材生產廠商之―Strongwell公司的Glerm Barefoot認為，在下一個十年中對用于橋梁建設的結構拉擠材料的需求將會顯著地增長。Tech DeCk公司（專門供應 FRP橋面板廠商）的橋面板是將一排拉擠成型的玻璃鋼管（其內部填滿混凝土）用有環氧樹脂涂層的鋼帶捆綁起來制成橋面板，在俄亥俄州的一座橋上應用了這種新型的橋面板；安裝整座橋僅用了14天，比采用傳統的橋面板提前了18天；在這種橋面板上再鋪上一層防水膜及7.6cm厚的瀝青，上面就無需再加增強筋板了，預計這種橋面板的工作壽命為60－9O年。
     馬丁?瑪麗埃塔復合材料公司和復合材料中心（ NCC）在2002年5月宣布他們今年在俄亥俄州的 Green Gounty 的Fairground Road一座橋上安裝了纖維增強聚合物橋面板，這座橋是3跨的，橋面共 786m2。此項工程是 NCC橋梁安裝應用規劃的一部分（C41），該中心計劃安裝6座復合材料橋面板的橋。據報道，在美國弗吉尼亞州的黑堡，他們用碳纖維增強樹佛的拉擠型材替代了原有的鋼工字架，其剛度提高到43 GPa以上。
2 美國 CFA 2002年商務展覽會
     2002年美國CFA商務展覽會于2002年9月25一27日在佐治亞州亞特蘭大會議中心舉行。此次商務展覽會由美國復合材料制造商協會及美國造船協會聯合舉辦。此次展覽會共有422家以美國為主的參展商，還有來自歐洲、南美、加拿大及的展商。盡管受恐怖主義9．11的影響，2001年的會議相當蕭條，但今年的會議較之有很大的復蘇、有7家公司作為參展商參加了此次盛會，不少國內單位也組團赴美參觀展覽、以下是此次展會的主要特點：
（l）作為復合材料重要原料的增強物纖維材料及纖維制品仍然是各商家及參觀者所關心的熱點。美國年產玻璃纖維約90萬t，占產量的40％，是玻璃纖維產量大的，會上美國歐文斯康寧公司（年產40萬t）、PPG公司（年產30萬t）及法國圣戈班（年產70萬t以上）這三大著名廠商，均占有顯著地位。
    我國無堿玻纖總產員雖每年僅達15萬t左右，由于質量不斷提高并在主要技術指標方面已達到國際水平，生產成本較低，在國際市場上有很強的競爭能力，故而我國桐鄉巨石集團、山東泰山玻纖、重慶國際復合材料及重慶玻纖的產品在展會上受到矚目。
    為提高玻璃鋼制品的表面質量所需用的表面氈，也是熱門產品，有的公司推出了系列產品，包括具有密度梯度特性的梯度表兩位，以滿足不同工藝的要求。
     碳纖維及芳綸纖維的品種琳瑯滿目，是制備各種高性能復合材料制品的市要原，高強、高彈模的型號為T300－T700G及M35J－M40的碳纖維早已商品化，芳綸纖維的高強度及低密度，作為增強材料，早已受到軍方的重視。石墨纖維及石墨短纖維在復合材料上業中也占有一席之地、在碳纖維及芳綸纖維的生產制造技術方面，我國明顯處于落后地位，差距較大。
    天然纖維作為環保型的增強材料越來越受到人們的重視，亞麻、苧麻等植物天然纖維作為增強材料，已越過實驗室研究階段，在本次展會中已有商品批量出售，訂貨者相當踴躍。會上USB（聯合大豆公司）還展示了以大豆為原料制備的各類粘結劑、樹脂添加劑、表面處理劑以及大豆制品在復合材料領域中應用的其他研究成果，受到參展人員的關注。
（2）隨著材料性能的提高、性能的穩定性，重復性，可靠性的實現以及制備工藝的完善及低成本化，復合材料在造船工業、游艇制造業及汽車制造業中的應用技術已經成熟，與2000年CFA拉斯維加斯年會上展出一臺全玻璃鋼殼體的小型貨車而引起轟動的情形相比較，在今年的亞特蘭大展會上，有不同廠商制造的多臺全玻璃鋼殼體及內部裝飾的小轎車、貨車、賽車向人們展示著它們在體輕、節能、外形設列一優雅等方面的魁力，人們對復合材料在汽車上的應用已不持任何懷疑態度，而是如何應用得更好的問題。在汽車部件的制造中，除了采用產量大的情況時所采用的SMC工藝以外，還有全部部件采用RTM（即樹脂傳遞模塑工藝的簡稱）＼VM、MIT等低成本工藝及組合工具制造的，說明人們對汽車車型變化及改動的需求，由于復合材料工藝的改進及成熟而變得更容易實現了。
     美國造船協會是本次展會的承辦者之一，與造船相關的展位占約五分之一，除了展示造船工業中的設計軟件、制造技術外，船舶、游艇制造中所需要的配件，如發動機、內部裝飾、各色油漆及涂料、儀表及表盤、各種電鍍把手、豪華家具及床墊，總之，整體船上的各個部分，無一不有。由此可見，游艇在美庭中的普及程度是遠非可比的。
（3）復合材料制造設備及技術仍然是復合材料工業的核心部分。在展會上，著名的設備制造商展示了他們新的技術成果，如 Magnum Venus ProductS是提供內混、外混式噴射設備的專業公司，針對開模工藝中苯乙烯的揮發造成環境污染的普遍問題，他們推出了流體包覆技術，制造出新型低壓噴嘴，大程度地減少了苯乙烯的揮發量，在競爭中顯示了他們的特點；他們推出了一種新型風機系統，應用于拉擠及纏繞工藝，這種風機可在160度角內造成空氣流動，影響范圍達27m寬，空氣流量為每分鐘2200m3；該公司還提出了“正壓通風”的概念，有效地用于復合材料工廠的防火及有毒氣體的排出。
     從生產技術方面來看，美國復合材料廠商中很多采用諸如手糊和噴射制造工藝，基于政府方面施加的降低空氣污染的壓力，他們中的大多數逐漸向閉模工藝轉變，RTM、VARTM（真空輔助 RTM）、 SCRIMP（西曼復合材料樹脂滲注模塑工藝）、 VIP（真空滲注工藝）。
     英國的Plastech公司雖然是一家注射成型的設備制造公司，但其在復合材料制品制備技術方面十分活躍，以新技術的開發來推動公司產品的銷售，在RTM領域的技術開發方面極有特色。該公司新推出了 VM/RTM Light系列 RTM工藝技術及 MIT多功能夾具，并與北美、中南美、法國、東南亞、伊朗、澳大利亞、意大利、日本等復合材料專業技術公司組成性的技術交流及技術服務的網絡，通過舉辦訓練班等各種方式，不斷推廣他們的新設備、新產品、新技術。通過他們的技術咨詢和技術服務，幫助生產廠商改進工藝、降低成本、提高產品質量。在此過程中，使RTM技術不斷發展完普，為更廣大的客戶所接受。如 JHM Technologies Inc/Platech of NOrth America協助美國一家游艇制造J Sea Ray Boat。進行技術
服務，采用RTM技術及新推出的技術MIF制造游艇的殼體，使該廠生產高度復雜形狀的船殼產品時，也能實現自動化，目前， SCa Ray BOats已成為美國一家游艇生產大廠。
     會上頗有幾家機器手機器人的供應商，如加拿大的INTRAD Robatic Systems公司可提供用于噴射工藝、切邊、噴漆、施膠、組裝、包裝等操作的機器人，為復合材料生產的自動化及精確化創造了有利條件。
   模具制造新技術及新材料、泡沫材料、織物切裁自動化設備以及復合材料制備用的各種輔助材料及工具。在展會上也是琳瑯滿目。引人注目的是美國的石膏公司，他們生產一種短纖維增強石膏，產品是粉末狀外表，可以用它制備復合材料成型用模具，模具強度高、表面非常光滑，很難相信是石膏制備的，這對小批量生產或一次性模具來說是很有吸引力的。
（4）本屆參加復合材料工程競獎（ACE）活動的新產品。
復合材料抽油桿：是一種橋式保護式抽油桿，用于油田鉆井工程，在6700m深度150℃環境下工作，可以大大提高工作效率；
15.24m/50ft長、考察用實驗室裝備平底艇；船體設計是FRP的，模具是聚合物木材制備的，船體成型后可拆除；船底為雙層，其中充填聚氨脂泡沫。主要優點是吃水淺、重且輕、優良的耐腐蝕性、極少的維修工作量、推動功率低等，此船設計性能符合LIoyd鋼船標準，但建造速度快得多；
壘球棒；采用纏繞技術與高壓RTM技術相結合的工藝制造，可批量生產；
碳纖維復合材料制光盤驅動操作管；
     玻璃鋼承重柱，用于建筑工程；用閉模離心法制備；尺寸為長2.84m／8ft直徑0.15m/6in以及9.14cm/30ft直徑0.76m30in。無空隙、防水、不會被蟲蛀，可適于居民及商用的室內外應用；
用于海上石油鉆探的玻璃鋼漂浮系統；可提供快速、高浮力的高效上浮系統。每一個海h 石油作業平臺需要36個此種上浮系統。采用復合材料可簡化上評的設計，減小作業平臺的尺寸；
玻璃鋼側流管:用 RTM工藝制備的復合材料 Honeywell引擎側流管。已用于噴氣式飛機。采用復合材料后，使緊湊性好，原來使用791個，現降至116個；原采用金屬板組裝時需有1099個孔，采用復合材料后只用372個孔，大大節省了人力；另外，大大減輕了重量里，如采用金屬鋁，每個部件重6.35kg/14ib以上，采用復合材料每個部件4.08一4.54kg/9－101b。由于部件數量的減少、人工費用減少，綜合考慮原料費用，總體成本降低了30％。
    復合材料帆用壓板，是碳纖維（T700）/環氧基的材料；拉擠成型；長度2-10m，長方形橫截面；寬25－75mm，厚度6-12mm；擠拉成材后，再經機加工形成所需的形狀；
輕型高強、高韌滑板，采用真空袋及真空滲注成型工藝，預制件，環氧樹脂材料；可調顏色及圖案；
     玻璃鋼擋風板，用于橋梁建筑領域，減小刮風時對橋梁產生的水平作用力負荷，在紐約及新澤西的城市大橋上應用、擋風板安裝在橋的兩側，用于取代已有的剛性桁梁，總長約為2500m，是當今上采用復合材料大量的基本建設項比總共使用了劇及的復合材料，有390個V字型帶有硬芯的復合材料擋風板，擋風板的長度有4．27m／14ft和 7．62m/25ft兩種，深度為3．35m/11ft。
建筑裝飾板，用于幕墻外墻裝飾，具有砂巖效果并可調節顏色，具有優良的抗紫外線的性能：
全復合材料的飛機用螺旋槳葉片，采用 RTMa 藝，碳纖物環氧樹脂材料系統；采用復合材料后，制備的人工費用降低了30％，材料費用降低了35％；
      軍車用復合材料防彈夾層結構材料；在100t壓力機下壓制成型，后再加割成所需的形狀及尺寸。軍車外部安裝上127/40.64cm/5/16in的防彈復合材料，顯示出優異的防彈性能，
    通過了實彈測試；
    玻璃鋼冷卻塔系統，更新了設計，更便于安裝；
    聚合物膠凝材料用于揚聲器的遮音板；
    復合材料梁，用于弗吉尼亞的橋梁建設；拉濟型材，梁的端部及底部采用碳纖維以增強其剛性，其余部分采用E玻纖以保證強度及變形抵抗能力；
    復合材料防彈板，在材料及結構設計方面極有特色，此板正常時是剛性的，一旦受到沖擊（如爆炸），就變得柔軟了，可用于飛機座艙門及防爆的行李箱，在當前反恐的形勢下，這種材料大有可為。這種材料是用熱塑性樹脂/Kevlar纖維（一種芳綸纖維）制成的，在板與板之間的連接設計上，也獨具特色，使這種板得到廣泛的應用。