1、精選優質文檔-傾情為你奉上生物質復合材料的研究進展摘要：生物質炭復合材料是一種原材料價格低廉,制造成本合理,性能獨特,具有廣闊的開發應用前景的新型炭復合材料。本文綜述了生物質資源狀況、竹炭的特性及研究現狀,著重對多孔固體和生物質炭復合材料的結構與性能的研究進展進行了分析,并對生物質炭復合材料目前存在的問題進行了分析,對多孔固體材料和生物質炭復合材料的發展方向進行了展望。關鍵詞：生物質，復合材料，研究進展我國有比較豐富的生物質資源,據聯合國糧農組織資料,我國每年有1.1億噸麥秸,居世界第一位。具體到林業可利用生物質方面,我國目前擁有用材林7 862.58萬公頃,薪炭林2139萬公頃,竹林484.

2、26萬公頃。每年約有1.5億噸森林采伐剩余物和木材加工產生的廢棄物,每年約有1億噸疏伐樹木整枝生物質1。這些林業生物質資源為我國林產工業發展生物質產業提供了豐富的原料,展現了林化行業發展生物質產業的良好前景。同時,在我國石油資源短缺、能源嚴重依賴進口、“白色污染”嚴重的背景下,作為可循環利用天然資源的生物質及其廢棄物的資源化利用,具有良好的經濟、社會和生態效益,已逐漸成為21世紀主要的新材料和新能源之一。推動物質材料的應用,乃至催生一個新的生物質材料產業已成為我國新材料發展的一個重大方向。1生物質資源概述生物質是指任何可再生的或可循環的有機物質，包括專用的能源作物與能源林木,糧食作物和飼料作物

3、殘留物,樹木和木材廢棄物及殘留物,各種水生植物、草、殘留物、纖維和動物廢棄物、城市垃圾和其它廢棄材料。2003年11月在日本召開的第一屆生物基聚合物國際會議上提出了可持續發展的生物基聚合物全新概念,對生物基聚合物定義為:生物基聚合物是由可再生資源(如淀粉、秸稈等)、二氧化碳等為原料生產的聚合物。生物質資源在中國主要包括農業廢棄物和能源生物資源(能源/化工專用動植物和藻類)。目前,能源生物資源主要是指能源農業、能源林業種質資源,包括現有種質資源的挖掘、保護和開發及專用品種的培育。同時也包括利用高效能源植物進行的規?；?、商品化的生物質原料生產2。從國外研究情況來看,生物質能源為主的生物質資源的開發

4、利用早已引起世界各國政府和科學家的關注。有許多國家都制定了相應的開發研究計劃,如日本的陽光計劃、印度的綠色能源工程、美國的能源農場和巴西的酒精能源計劃等發展計劃。其它諸如丹麥、荷蘭、德國、法國、加拿大、芬蘭等國,多年來一直在進行各自的研究與開發,并形成了各具特色的生物質能源研究與開發體系,擁有各自的技術優勢3-6。在國內,國家中長期科技發展規劃(20052020)中,“農林生物質工程”被列為重大專項之列,并作為國家能源戰略的重要組成部分。通過走農業工業化之路,解決農民的增收和“三農”問題。生物質產業可望在未來1520年內為解決21世紀中國面臨的能源短缺、環境污染、食品安全等重大社會經濟問題,乃

5、至全面建設“小康”社會作出重大貢獻。同時,在由中國工程院主辦的2005年中國生物質工程論壇上,活躍在生物質工程技術前沿領域的專家指出,我國發展生物質產業的時機已經成熟,要不失時機地利用我國在資源、技術、人才等方面的優勢發展這一朝陽產業。田野里不僅生產糧食,還能提供優質原料生產清潔能源和化工產品,顯著改善生態環境。但是,現實與遠景還有很大差距。生物質產業為我國提供了一次歷史機遇,生物質產業使農林廢棄物和污染物無害化、資源化,這是繼傳統農業由初級農產品生產向農產品加工領域拓展之后,為農業和農民增收開辟的第三戰場7。2復合材料概述復合材料是指由兩種或兩種以上不同物質以不同方式組合而成的材料，它可以發

6、揮各組元材料的優點，克服單一組元的缺陷8。復合材料按用途可分為結構復合材料和功能復合材料，根據基體種類可分為金屬基復合材料、陶瓷基復合材料、聚合物基復合材料和炭基復合材料等，按增強（韌）相可分為顆粒增強、晶須增強或纖維增強復合材料。復合材料已廣泛應用于航空航天、汽車、電子電氣、建筑、體育器材、醫療器械等領域，近幾年更是得到了突飛猛進的發展。復合材料使用的歷史可以追溯到古代。從古至今沿用的稻草或麥秸增強粘土和已使用上百年的鋼筋混凝土均由兩種材料復合而成。20世紀40年代，因的需要，發展了玻璃纖維增強塑料（俗稱玻璃鋼），從此出現了復合材料這一名稱。50年代以后，陸續發展了碳纖維、和硼纖維等高強度和

7、高模量纖維。70年代出現了芳綸纖維和碳化硅纖維。這些高強度、高模量纖維能與合成樹脂、碳、石墨、陶瓷、橡膠等非金屬基體或鋁、鎂、鈦等金屬基體復合，構成各具特色的復合材料?，F代高科技的發展離不開復合材料，復合材料對現代科學技術的發展，有著十分重要的作用。復合材料的研究深度和應用廣度及其生產發展的速度和規模，已成為衡量一個國家科學技術先進水平的重要標志之一。進入21世紀以來，全球復合材料市場快速增長，亞洲尤其中國市場增長較快。20032008年間中國年均增速為15%，印度為9.5%，而歐洲和北美年均增幅僅為4%。2007年中國（大陸）行業中，復合材料玻璃纖維產量160萬噸，其中115.5萬噸用于玻璃

8、鋼（FRP）工業；不飽和聚酯樹脂（UPR）產量135萬噸，其中68.8萬噸用于玻璃鋼領域、占51%；乙烯基樹脂產量12640噸，膠衣樹脂產量15870噸。2008年我國復合材料整個行業全年經濟運行平穩，產量增長達12%左右。行業規模以上企業全年實現工業增加值86.7億元，工業總產值258億元，新產品產值11.6億元，銷售產值253億元。現階段，我國玻璃鋼、復合材料行業面臨一個新的大發展時期，如城市化進程中大規模的市政建設、新能源的利用和大規模開發、環境保護政策的出臺、汽車工業的發展、大規模的鐵路建設、大飛機項目等。在巨大的市場需求牽引下，復合材料產業的發展將有很廣闊的發展空間。從2010年年初

9、起，國家發改委、科技部、財政部、工信部四部委聯合制定下發了關于加快培育戰略性新興產業的決定代擬稿，經過半年的意見征求，主要領域從7個擴為9個，其中“新材料”中分列了特種功能和高性能復合材料兩項。在“十大產業振興規劃”之后，“戰略性新興產業”已經被認為是振興經濟的又一重大舉措，此后的政府大規模投資也被市場普遍期待，所以這也被認為是繼國家“4萬億”投資計劃之后又一個大型產業投資計劃。3復合材料領域的國際前沿熱點及進展3.1金屬基復合材料 金屬基復合材料是包括顆粒、晶須、纖維增強金屬基體的復合材料。金屬基復合材料兼具金屬與非金屬的綜合性能，材料的強韌性、耐磨性、耐熱性、導電導熱性及耐候性能適應廣泛的

10、工程要求，且比強度、比模量及耐熱性超過基體金屬，對航空航天等尖端領域的發展具有重要作用。在該類材料中，所用基體金屬包括輕合金（鋁、鎂、鈦）、高溫合金與金屬間化合物，以及鋼、銅、鋅、鉛等；增強纖維包括炭（石墨）、碳化硅、硼、氧化鋁、不銹鋼及鎢等纖維；增強顆粒包括碳化硅、氧化鋁、氧化鋯、硼化鈦、碳化鈦、碳化硼等；增強晶須包括碳化硅、氧化硅、硼酸鋁、鈦酸鉀等。以上各種基體和增強體可組成大量金屬基復合材料，但目前多數處于研發階段，只有少數得到應用。如硼、石墨纖維增強鋁（鎂）用于衛星、航天飛機結構、空間望遠鏡部件，碳化硅纖維與顆粒增強鈦合金用于大推比飛機壓氣機部件，顆粒增強鋁基復合材料（PRA）廣泛用于

11、航空、航天及汽車、電子領域。在金屬基復合材料中顆粒增強鋁基復合材料最具發展潛力。該材料具有比強度和比模量高，耐磨性、阻尼性及導熱性好，熱膨脹系數小等優異性能。其主要應用領域一是航空、航天和軍事領域，二是汽車、電子信息和高速機械等民用領域。發展目標是代替鋁合金、鈦合金、鋼等用于制造高性能的構件，減重并提高性能和儀器精度。電子器件用金屬基復合材料使用性能要求高、用量大，將成為金屬基復合材料最主要的發展方向之一。汽車、高速列車和高速機械用金屬基復合材料是當前及今后另一個重要研究方向。鋁基復合材料（如 SiCp/Al）具有重量輕、導熱性好和耐磨的特點，是一種新型的剎車盤、活塞、連桿材料，成為汽車及高速

12、列車輕量化的關鍵新材料。3. 2 陶瓷基復合材料陶瓷基復合材料(CMC)的增韌材料主要有碳纖維（CF）、碳化硅纖維（SiCf）、玻璃纖維、氧化物纖維，以及碳化物和氧化物顆粒等，基體材料主要有氧化物陶瓷、碳化物陶瓷和氮化物陶瓷等。CMC種類繁多，由于其“耐高溫和低密度”特性優于金屬和金屬間化合物，因而美國、英國、法國、日本等發達國家一直把 CMC列為新一代航空發動機材料的發展重點，而連續纖維增韌的CMC是重中之重。Cf/SiC、SiCf/SiC和SiCf/Al2O3等連續纖維增韌的 CMC 具有耐高溫、密度低、耐腐蝕、類似金屬的斷裂行為、對裂紋不敏感和沒有災難性損毀的特點。目前，Cf/SiC、S

13、iCf/SiC和SiCf/Al2O3等連續纖維增韌的CMC已在推重比 910一級的多種型號軍用發動機和民用發動機中等載荷靜止件上試驗成功，主要試驗應用的部位有燃燒室、燃燒室浮壁、渦輪外環、火焰穩定器和尾噴管（矢量噴管）調節片等。實踐表明，航空發動機采用 CMC 構件大大節約了冷卻氣量，提高了工作溫度，降低了結構重量并提高了使用壽命。美國、英國和法國在推重比520 發動機的研制中，CMC更成為不可缺少的材料，應用部位顯著增加，目前已進行了大批試驗和應用。在 CMC 中碳化硅陶瓷基復合材料還是一種新型制動材料。3.3 聚合物基復合材料聚合物基復材料（PMC）是以熱固性或熱塑性樹脂為基體材料和另外不

14、同組成、不同性質的短切的或連續纖維及其織物復合而成的多相材料。常用的增強纖維材料有玻璃纖維、碳纖維、高密度聚乙烯纖維等。聚合物基復合材料密度低、比強度高，耐腐蝕、減振性能好，模量高和熱膨脹系數低，是一種高性能工程復合材料，廣泛應用于汽車、航空航天和軍事等領域。聚合物基復合材料應用于汽車，可顯著減輕汽車自重，降低油耗，提高汽車安全舒適性，降低汽車的制造與使用綜合成本。另外聚合物基復合材料在交通、建筑、環保體育用品等方面的應用也日趨廣泛，已占復合材材料天地47料用量的90%以上。在民用領域，某些功能性聚合物基復合材料具有防靜電、抗菌除臭的效果，市場上出現的抗菌冰箱，無菌塑料餐具等便是這種技術的應用

15、。自20世紀90年代以來，納米技術和納料材料得到飛速發展，科學家將具有納米尺寸（小于100nm）的金屬或金屬氧化物材料采用填充、共混、增強等技術分布于聚合物基體中，利用納米材料獨特的小尺寸效應、界面效應及量子效應引起的一系列特異的聲、光、熱、電等性能，開發出具有特殊功能的聚合物基納米復合材料，能吸收和衰減電磁波、減少反射和散射，用于隱形飛機、隱形軍艦等其他需要電磁波屏蔽場所的涂敷。3.4 炭/炭復合材料炭/炭（C/C）復合材料是以碳纖維增強炭基體的復合材料，其使用溫度高達 2000以上，密度低于 2.0g/cm3，比強度是高溫合金的5倍，是一種優秀的輕質高溫結構材料。從 20 世紀60年代美國

16、 NASA的Apollo登月計劃實施以來,C/C 復合材料已成為航空航天領域不可替代的熱結構材料。當今,無論是火箭發動機噴管、導彈的再入防護，還是航空剎車副，C/C 復合材料都是首選材料。C/C 復合材料早在20世紀70年代末80年代初已成功用于航天飛機的鼻錐帽和機翼前緣，滿足了航天飛機多次往返飛行的需求。C/C 復合材料在高溫非結構方面因能夠很好地滿足各種苛刻技術要求而嶄露頭角，其應用正向多個方向發展，其中最重要的應用對象有：火箭噴管；導彈鼻錐（端頭帽）。更具有挑戰性的應用是在多次重復的高溫氧化環境下長期工作初級或次級承力結構，這是當前C/C研究的重點和熱點。C/C 復合材料還是一種優異的航

17、空剎車材料，它不僅重量輕、壽命長、熱容大，而且工作更加可靠。因此，國內外新一代的飛機（無論是民航機還是軍用機），其剎車副已大多采用 C/C 復合材料，它代表了新型航空剎車材料的發展方向。4功能性生物質炭復合材料的研究進展利用生物質生產一些材料的替代品也是將來材料發展的一個方向,如利用生物質熱壓成板材,中國林科院木材工業研究所對利用農業剩余物秸稈作原料生產人造板重大課題進行了研究,并獲得了國家專利。1200萬噸可供作人造板生產原料,生產約2000萬方人造板,可代替6000萬方木材。目前,世界人造板產量的15%20%是利用農業剩余物生產的。秸稈熱壓板材具有質輕、強度高、剖面密度均勻等特點,并且經特

18、殊處理后還可阻燃、防火、防蟲9。利用生物質炭本身具有的吸附性、研磨性、吸光性、隔熱性和較強的反應性,再加上復合的其它材料的性能,制成新的具有特殊用途的功能材料,是開發生物質炭的新用途的重要途徑。目前國內生物質炭化復合材料的研究非常有限,且主要集中于對木陶瓷和C/C復合材料的研究。在日本崗部敏弘于1990年首次提出木陶瓷后,李淑君等10、李堅等11對木陶瓷的生產工藝、力學性能進行了研究,并采用低溫氮吸附法對比木炭研究了木陶瓷的孔隙結構。林銘等12對不同材料制造木陶瓷得炭率和硬度進行了研究,結果表明:試樣的得炭率和硬度隨升溫速率升高而減小;材質不同,硬度差異顯著;該研究結果為木陶瓷的生產和利用提供

19、了科學的理論依據。謝志勇等13對氈體密度對C/C復合材料增密和結構的影響進行了研究,研究表明,化學氣相滲透工藝增密速度隨氈體密度的增加呈下降趨勢,而較高的氈體密度有利于獲得較高石墨化度的高結構的粗糙層結構(RL)熱解炭。韓紅梅等14對C/C復合材料高溫力學行為進行了研究,研究表明,界面在C/C復合材料中起著重要作用,界面狀態的改變會直接影響材料的破壞方式及力學性。陳騰飛15對基體炭結構對C/C復合材料的界面結合強度的影響進行了研究,結果表明:基體炭的結構和類型影響炭纖維,基體炭間的界面強度,粗糙層熱解炭與炭纖維間的界面強度比光滑層熱解炭的高,而樹脂炭和瀝青炭由于與炭纖維間存在化學鍵合,因而界面

20、強度較高。曹偉等16-17對C/C復合材料CVI工藝的各種結構模型進行了研究,指出對C/C復合材料CVI工藝的精確數值模擬必須建立在完備的、精確的動力學描述的基礎上,需對熱解炭的沉積機理以及沉積過程有清楚的認識,對預制體結構的變化有準確的描述;而目前這兩方面都還有待于進一步探索。隨著科學技術的發展,竹炭已不再是一種簡單的能源性材料,對其利用的范圍和領域將會更加寬廣。尤其是納米技術和高新材料制備技術的發展使竹炭的應用范圍擴大到整個材料領域,其作為環保材料和功能性材料將會取得更為廣泛的應用。把導電性的竹炭粉和助劑混合后裝入衣物、織物、蒲團、枕頭、帽子、墊子和寵物用具等物品中縫合或黏合,具有空氣清凈

21、、按摩、消臭、抗紅外線、調溫調濕、抗菌和抑制毒性的作用。因此由竹炭開發的上述保健炭枕、床墊、坐墊等生活用品十分有利于健康18。張齊生等成功地把不具催化性能的納米材料負載到竹炭上,使竹炭的性質發生根本的變化,得到了納米改性竹炭光催化吸附、殺菌劑,使竹炭的吸附作用和納米材料的優異性能得到了完善的結合。納米改性竹炭催化吸附、殺菌劑材料除了具有較強的吸附能力外,同時具有很好的抑菌、殺菌能力,能將吸附過來的有毒、有害物質分解為無毒、無害的二氧化碳和水,也能將吸附過來的細菌殺死,起到殺菌的作用。利用納米技術將竹炭粉化,再通過熔融紡絲程序把竹炭均勻地融入聚酯纖維中,從而制成竹炭纖維,竹炭纖維在日本市場有“黑

22、鉆石”的美譽,不僅具有自然和環保特性,更有抗菌、負離子等多種功能,適用于生產貼身衣物和防護型紡織品19。目前日本正在進行大型的研究計劃,利用竹炭極好的電磁特性開發可用于磁懸浮列車的超導體材料。5展望生物質炭復合材料研究還處于初始階段,因其具有耐火、防腐防霉、熱膨脹系數低、吸振性好等一系列優點,開始引起科技工作者的關注。目前國內在生物質炭化復合材料領域的研究非常有限,大量的資源得不到利用,更談不上相關的新材料開發。目前主要存在的問題和發展方向有以下幾點：1)國內外在生物質固化成型方面進行了大量的研究,“八五”期間,我國重點對生物質固體成型技術進行了科技攻關,引進國外先進機型,經消化、吸收,研制出

23、各種類型的適合我國國情的生物質壓縮成型機,其螺桿使用壽命達500h以上,屬國際先進水平。但粉體炭化材料的固體成型工藝和設備的研究尚未成熟,離實現工業化生產炭化復合材料還有較大距離。2)對竹炭等生物質炭的物理性質、力學性能、特殊功能等方面進行了一定的研究,表明竹炭等生物質炭是環境友好型的多功能材料,為其精深加工提供了一定的依據。但各種添加劑對其成型后所具備的功能及其影響機理尚未可知。3)生物質炭化復合材料的耐火、防腐、防霉等功能已較明確,但缺少從化學成分、微觀結構、加工工藝3個方面進行理論研究,使得生物質炭復合材料無法產業化。4)金屬、聚合物、玻璃和陶瓷等發泡體多孔固體作為一種優秀的工程材料,具

24、有功能和結構的雙重屬性,是一類廣為使用而又具有巨大應用潛力的功能結構材料,其結構與性能的研究已達到較高水平。而作為天然改性多孔固體的生物質炭復合材料,其結構和性能相關性研究還處于初始階段,結構和性能模型化將是其發展方向。參考文獻:1周義德,王方,岳峰.我國生物質資源化利用新技術及其進展J.節能,2004,10:8-11.2孫振鈞. 中國生物質產業及發展取向J.農業工程學報,2004,20(5):1-5.3Steininger K W, Voraberger H. Exploiting the medium term biomass energy potentials in Austria:a

25、comparison of costs and macroeconomic impactJ. Environmental and Resource Economics, 2003,24(4):359-377.4Lin D A I. The development and prospective of bio-energy technology in ChinaJ. Biomass and bio-energy, 1998,15(2):181-186.5Demirba A. Energy balance,energy sources,energy policy,future developments and energy investments in TurkeyJ. Energy Conversion and Management,2001, 42(10):1239-1258.6Cook J, Bey