人类已进入复合材料时代
By www.carbonfiber.com.cn
中国新材料产业市场增长空间巨大
据悉，工信部协同多部委共同编制的《新材料产业“十二五”发展规划》，将于今年8月发布实施。据统计，目前新材料产业约占我国国内生产总值的15%，预计年增长速度保持在20%以上。数据显示，目前，全球新材料市场规模每年已经超过4000亿美元，而由新材料带动产生的新产品和新技术市场则更为广阔，年营业额突破2万亿美元。2010年，中国新材料产业的市场规模超过800亿元；相关专家指出，至2015年，这一数值将达到2000亿元左右，增长空间巨大。
材料是人类社会生活的物质基础，材料创新则是科技进步的集中体现。如今，新材料的研发水平及成果转化规模正逐渐成为衡量一个国家经济发展和科技进步的重要标志。材料与化学之间有何关系？聚合物材料、复合材料以及纳米材料等新材料有何优势？当前的研发、运用现状如何？带着这些问题，记者采访了北京化工大学材料科学与工程学院隋刚教授。
■ 专家解读
控制化学反应，合成新材料
“不同的材料拥有不同化学组成，即便是化学元素相同，因其原子排列、分子构象发生变化，也会形成物理性质完全不同的材料。因此，材料与化学是两个密切相关的学科。从化学成分角度可以将材料划分为金属材料、无机非金属材料以及有机高分子材料。随着材料研究水平的提高，人类早已超越天然材料时代，进入了合成材料时代。”隋刚教授首先概括介绍了材料与化学之关系。
接着，隋刚教授进一步解释说：“如今，材料与化学的关系日益密切，利用化学手段，可以设计新的分子结构，通过控制化学反应过程合成出新材料，满足人类社会发展和生活水平提高的需求。其中有机高分子材料，也称作聚合物，就是一类最重要的合成材料，它是由许多个单体分子经聚合反应而成的。”
利用化学,“改造” 聚合物材料
塑料、橡胶、合成纤维……我们的生产与生活早已离不开这些常见的聚合物材料。而它们的研发与应用，离不开化学学科的贡献。
根据聚合物分子的化学结构，可以把有机高分子材料分为热塑性和热固性两大类。热塑性聚合物在适当溶剂中可以溶解，加热到一定温度能够熔化流动，可以反复加工成型，主要在室温或较低温度下使用，如尼龙、聚苯乙烯等。而热固性聚合物，如环氧树脂和酚醛树脂等，在成型前是可溶可熔的，但经过化学交联反应就变为不溶不熔的固体，即使加热至碳化也不会再软化。一般来说，热固性材料的模量和耐热性要优于热塑性聚合物，但韧性较差。
化学是怎样“改造”聚合物材料的呢？隋刚教授解释说：“为了让聚合物材料拥有更优异的综合性能，可以采用化学方法进行性能改进。例如，在高分子链中引入芳环结构，能够有效提高热塑性聚合物的模量和耐热性，聚芳砜（PASF）、聚苯硫醚（PPS）等热塑性聚合物的热变形温度可以达到250℃以上。而在热固性聚合物中，通过引入不同化学结构的固化剂进行交联，也可以使材料的模量和韧性得到调节。”
改变化学结构，催生复合材料
随着科技和工业的发展，对材料性能的要求不断提高，单一化学结构的材料已无法满足某些使用需求，复合材料越来越得到人们的重视。由于复合材料可以将不同化学结构、物理性质的材料组分结合在一起，发挥各自的性能优势，通过结构设计满足高性能和特殊功能要求，因而受到材料研究专家的高度重视，应用范围不断扩展。
在航空、航天、能源、交通、军事和体育等领域，有着高强度、高模量和耐高温性能的先进复合材料发挥着不可替代的作用。
隋刚教授以树脂基复合材料为例，对复合材料的广泛应用进行了简单说明：“这是技术发展比较成熟，使用范围最广泛的一类复合材料，一般是由短切纤维、连续纤维及其织物增强热固性或热塑性聚合物基体而成。
在航空方面，碳纤维树脂基复合材料在减轻结构重量、提高结构效率、改善结构可靠性、延长结构使用寿命方面，具有其他材料无法比拟的优势，已经是应用于A380、波音787等飞机的主结构材料。
在航天方面，固体火箭发动机壳体、液体燃料贮箱、仪器舱段、卫星整流罩等重要部件也都是由复合材料制造的。而风能和核能发电设备、轻量化汽车、体育休闲用品等更是离不开复合材料的身影。此外，在集成电路、电磁屏蔽、隐身材料以及生物组织工程等方面，复合材料同样大有可为。”
有机化学修饰，带来纳米材料领域新进展
材料科学发展到今天，纳米材料越来越多地得到人们的关注。纳米粒子具有许多不同于常规固体的新奇特性，而且，仅用少量的纳米填料就可实现复合材料性能的提高。因此，纳米材料领域受到不少复合材料研究人员的重视与青睐。不过，由于碳纳米管和碳纳米纤维等一维纳米材料在聚合物基体中易团聚、界面粘结差，难以发挥性能优势，这让不少研究者都颇为伤神。针对此项难题，隋刚教授进行了多年研究，终于有所收获。
“我们对碳纳米材料表面进行了有机化学修饰，并通过与特殊化合物的力化学反应及后处理技术，得到液态的纳米添加物。这种液态纳米添加物在环氧树脂等聚合物基体中不聚集不缠绕，易于分散，并具有适当的反应活性，能够和环氧树脂基体发生化学及物理结合，形成一种超分子结构。”隋刚教授这样说。
当问到这种纳米添加物与传统工艺的简单混合以及普通化学接枝有何不同时，隋刚教授解释道：“它消除了纳米粒子对于环氧树脂黏度的影响，能够通过共价键链接在环氧树脂分子链上，均匀分布在环氧树脂交联网络之中，发挥增强作用。同时，通过调节交联网络密度，改善材料韧性。此外，还可以降低环氧树脂表面能，提高热稳定性，改善聚合物基体与碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维和超高分子量聚乙烯纤维等增强材料的界面黏接。通过碳纳米材料和连续纤维的多尺度协同增强作用，可同时实现纳米复合材料的高强、高韧和良好的界面性能。”(文·实习生 马媛媛)
■ 延伸阅读
材料与化学的“双重变奏史”
材料的每一次发展，都影响着科学技术领域的整体水平，并给人们的生活带来巨大的变化。没有半导体单晶硅材料就不可能有今天的微电子产品，没有先进复合材料也不可能有航空航天工业的飞速发展。
天然橡胶产品出现于19世纪初期，但由于它在炎热天气下会变软，而在寒冷天气下又会变脆，在实用性方面存在很大障碍。1839年发明的天然橡胶硫化技术解决了这一难题，化学促进剂和稳定剂的加入改善了天然橡胶存在的问题，而这一基本方法现今仍在使用。
从20世纪20年代早期试验火箭的首次发射，到50年代的通信卫星，再到80年代的可重复使用的航天飞机，人类在探索太空方面取得了骄人的业绩。在这一过程中，化学技术提供了符合设计要求的材料。研制出来的铝、钛合金为飞机制造提供了强度高、重量轻、耐高温和耐腐蚀的材料。随着对碳纤维及复合材料研究的不断深入，其技术和产品也逐渐进入军用和民用领域，如用作飞机结构材料、电磁屏蔽除电材料、人工韧带等人体代用材料以及用于制造火箭外壳、机动船、工业机器人、汽车板簧和驱动轴等。
在不远的将来，各种新型材料都有望得到研制开发，比如可被随意挤压成形的凝胶材料、可以制作隐身斗篷的隐身材料、透光混凝土材料、气凝胶材料等等。
■ 相关新闻
助力国际化学年，中科院院士揭秘分子世界
本报讯（马媛媛）化学世界丰富多彩，分子世界更是充满玄机。近日，中国科学院院士、化学研究所所长万立骏做客中国科技馆，介绍分子器件、化学反应以及表面修饰等分子科学最新研究成果，与听众一起探秘分子世界。
万立骏院士的报告从认识分子世界的扫描隧道显微技术开始，该技术利用扫描隧道显微镜中的“探针”，探索分子世界的秘密，接触分子科学的前沿；如果将其运用于化学研究，在溶液中工作的话，则被称为电化学扫描隧道显微技术。在介绍了电化学扫描隧道显微技术的结构与工作原理之后，万立骏院士从认识分子、分子世界的秩序、分子和分子伴侣以及让分子运动四个部分出发，逐一做了简明扼要且深入浅出的阐释。
分子是构成物质的微小单元，它是能够独立存在并保持物质原有的一切化学性质的最小微粒，在化学、物理、生物、材料等众多学科的研究中都占有重要地位。需要注意的是，分子世界并非杂乱无章，而是按照一定秩序建构起来的。比如，金刚石、石墨、富勒烯以及石墨烯、碳纳米管等都是“碳家族”的成员，只是由于结构、作用力等的不同，而呈现出不同的性质。万立骏院士指出，在探究分子世界的秩序之时，分子结构转变机理以及“手性现象”等值得关注。
此外，万立骏院士还引入了“分子伴侣”的概念，给体和受体通过分子间作用能够形成杂化复合结构。关于分子运动，在合适的条件控制下，通过有序的运动，能够让分子按照研究者的设想形成不同的形状，如硝基苯分子的电化学反应等。
讲座结束后，万立骏院士与现场听众互动答疑。提问的人中既有年长好学的老者，又有意气风发的大学生，更有充满好奇心的小孩子；涉及的范围从化学的宏观发展到实际应用，以及纳米技术、高分子材料等，万立骏院士对各个问题一一进行了详细解答，并表示希望通过“国际化学年在中国”系列活动的开展，能够有更多人“走进科学，热爱化学”，共同为化学事业的发展贡献力量。
(科技日报)
中国新材料产业市场增长空间巨大
据悉，工信部协同多部委共同编制的《新材料产业“十二五”发展规划》，将于今年8月发布实施。据统计，目前新材料产业约占我国国内生产总值的15%，预计年增长速度保持在20%以上。数据显示，目前，全球新材料市场规模每年已经超过4000亿美元，而由新材料带动产生的新产品和新技术市场则更为广阔，年营业额突破2万亿美元。2010年，中国新材料产业的市场规模超过800亿元；相关专家指出，至2015年，这一数值将达到2000亿元左右，增长空间巨大。
材料是人类社会生活的物质基础，材料创新则是科技进步的集中体现。如今，新材料的研发水平及成果转化规模正逐渐成为衡量一个国家经济发展和科技进步的重要标志。材料与化学之间有何关系？聚合物材料、复合材料以及纳米材料等新材料有何优势？当前的研发、运用现状如何？带着这些问题，记者采访了北京化工大学材料科学与工程学院隋刚教授。
■ 专家解读
控制化学反应，合成新材料
“不同的材料拥有不同化学组成，即便是化学元素相同，因其原子排列、分子构象发生变化，也会形成物理性质完全不同的材料。因此，材料与化学是两个密切相关的学科。从化学成分角度可以将材料划分为金属材料、无机非金属材料以及有机高分子材料。随着材料研究水平的提高，人类早已超越天然材料时代，进入了合成材料时代。”隋刚教授首先概括介绍了材料与化学之关系。
接着，隋刚教授进一步解释说：“如今，材料与化学的关系日益密切，利用化学手段，可以设计新的分子结构，通过控制化学反应过程合成出新材料，满足人类社会发展和生活水平提高的需求。其中有机高分子材料，也称作聚合物，就是一类最重要的合成材料，它是由许多个单体分子经聚合反应而成的。”
利用化学,“改造” 聚合物材料
塑料、橡胶、合成纤维……我们的生产与生活早已离不开这些常见的聚合物材料。而它们的研发与应用，离不开化学学科的贡献。
根据聚合物分子的化学结构，可以把有机高分子材料分为热塑性和热固性两大类。热塑性聚合物在适当溶剂中可以溶解，加热到一定温度能够熔化流动，可以反复加工成型，主要在室温或较低温度下使用，如尼龙、聚苯乙烯等。而热固性聚合物，如环氧树脂和酚醛树脂等，在成型前是可溶可熔的，但经过化学交联反应就变为不溶不熔的固体，即使加热至碳化也不会再软化。一般来说，热固性材料的模量和耐热性要优于热塑性聚合物，但韧性较差。
化学是怎样“改造”聚合物材料的呢？隋刚教授解释说：“为了让聚合物材料拥有更优异的综合性能，可以采用化学方法进行性能改进。例如，在高分子链中引入芳环结构，能够有效提高热塑性聚合物的模量和耐热性，聚芳砜（PASF）、聚苯硫醚（PPS）等热塑性聚合物的热变形温度可以达到250℃以上。而在热固性聚合物中，通过引入不同化学结构的固化剂进行交联，也可以使材料的模量和韧性得到调节。”
改变化学结构，催生复合材料
随着科技和工业的发展，对材料性能的要求不断提高，单一化学结构的材料已无法满足某些使用需求，复合材料越来越得到人们的重视。由于复合材料可以将不同化学结构、物理性质的材料组分结合在一起，发挥各自的性能优势，通过结构设计满足高性能和特殊功能要求，因而受到材料研究专家的高度重视，应用范围不断扩展。
在航空、航天、能源、交通、军事和体育等领域，有着高强度、高模量和耐高温性能的先进复合材料发挥着不可替代的作用。
隋刚教授以树脂基复合材料为例，对复合材料的广泛应用进行了简单说明：“这是技术发展比较成熟，使用范围最广泛的一类复合材料，一般是由短切纤维、连续纤维及其织物增强热固性或热塑性聚合物基体而成。
在航空方面，碳纤维树脂基复合材料在减轻结构重量、提高结构效率、改善结构可靠性、延长结构使用寿命方面，具有其他材料无法比拟的优势，已经是应用于A380、波音787等飞机的主结构材料。
在航天方面，固体火箭发动机壳体、液体燃料贮箱、仪器舱段、卫星整流罩等重要部件也都是由复合材料制造的。而风能和核能发电设备、轻量化汽车、体育休闲用品等更是离不开复合材料的身影。此外，在集成电路、电磁屏蔽、隐身材料以及生物组织工程等方面，复合材料同样大有可为。”
有机化学修饰，带来纳米材料领域新进展
材料科学发展到今天，纳米材料越来越多地得到人们的关注。纳米粒子具有许多不同于常规固体的新奇特性，而且，仅用少量的纳米填料就可实现复合材料性能的提高。因此，纳米材料领域受到不少复合材料研究人员的重视与青睐。不过，由于碳纳米管和碳纳米纤维等一维纳米材料在聚合物基体中易团聚、界面粘结差，难以发挥性能优势，这让不少研究者都颇为伤神。针对此项难题，隋刚教授进行了多年研究，终于有所收获。
“我们对碳纳米材料表面进行了有机化学修饰，并通过与特殊化合物的力化学反应及后处理技术，得到液态的纳米添加物。这种液态纳米添加物在环氧树脂等聚合物基体中不聚集不缠绕，易于分散，并具有适当的反应活性，能够和环氧树脂基体发生化学及物理结合，形成一种超分子结构。”隋刚教授这样说。
当问到这种纳米添加物与传统工艺的简单混合以及普通化学接枝有何不同时，隋刚教授解释道：“它消除了纳米粒子对于环氧树脂黏度的影响，能够通过共价键链接在环氧树脂分子链上，均匀分布在环氧树脂交联网络之中，发挥增强作用。同时，通过调节交联网络密度，改善材料韧性。此外，还可以降低环氧树脂表面能，提高热稳定性，改善聚合物基体与碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维和超高分子量聚乙烯纤维等增强材料的界面黏接。通过碳纳米材料和连续纤维的多尺度协同增强作用，可同时实现纳米复合材料的高强、高韧和良好的界面性能。”(文·实习生 马媛媛)
■ 延伸阅读
材料与化学的“双重变奏史”
材料的每一次发展，都影响着科学技术领域的整体水平，并给人们的生活带来巨大的变化。没有半导体单晶硅材料就不可能有今天的微电子产品，没有先进复合材料也不可能有航空航天工业的飞速发展。
天然橡胶产品出现于19世纪初期，但由于它在炎热天气下会变软，而在寒冷天气下又会变脆，在实用性方面存在很大障碍。1839年发明的天然橡胶硫化技术解决了这一难题，化学促进剂和稳定剂的加入改善了天然橡胶存在的问题，而这一基本方法现今仍在使用。
从20世纪20年代早期试验火箭的首次发射，到50年代的通信卫星，再到80年代的可重复使用的航天飞机，人类在探索太空方面取得了骄人的业绩。在这一过程中，化学技术提供了符合设计要求的材料。研制出来的铝、钛合金为飞机制造提供了强度高、重量轻、耐高温和耐腐蚀的材料。随着对碳纤维及复合材料研究的不断深入，其技术和产品也逐渐进入军用和民用领域，如用作飞机结构材料、电磁屏蔽除电材料、人工韧带等人体代用材料以及用于制造火箭外壳、机动船、工业机器人、汽车板簧和驱动轴等。
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万立骏院士的报告从认识分子世界的扫描隧道显微技术开始，该技术利用扫描隧道显微镜中的“探针”，探索分子世界的秘密，接触分子科学的前沿；如果将其运用于化学研究，在溶液中工作的话，则被称为电化学扫描隧道显微技术。在介绍了电化学扫描隧道显微技术的结构与工作原理之后，万立骏院士从认识分子、分子世界的秩序、分子和分子伴侣以及让分子运动四个部分出发，逐一做了简明扼要且深入浅出的阐释。
分子是构成物质的微小单元，它是能够独立存在并保持物质原有的一切化学性质的最小微粒，在化学、物理、生物、材料等众多学科的研究中都占有重要地位。需要注意的是，分子世界并非杂乱无章，而是按照一定秩序建构起来的。比如，金刚石、石墨、富勒烯以及石墨烯、碳纳米管等都是“碳家族”的成员，只是由于结构、作用力等的不同，而呈现出不同的性质。万立骏院士指出，在探究分子世界的秩序之时，分子结构转变机理以及“手性现象”等值得关注。
此外，万立骏院士还引入了“分子伴侣”的概念，给体和受体通过分子间作用能够形成杂化复合结构。关于分子运动，在合适的条件控制下，通过有序的运动，能够让分子按照研究者的设想形成不同的形状，如硝基苯分子的电化学反应等。
讲座结束后，万立骏院士与现场听众互动答疑。提问的人中既有年长好学的老者，又有意气风发的大学生，更有充满好奇心的小孩子；涉及的范围从化学的宏观发展到实际应用，以及纳米技术、高分子材料等，万立骏院士对各个问题一一进行了详细解答，并表示希望通过“国际化学年在中国”系列活动的开展，能够有更多人“走进科学，热爱化学”，共同为化学事业的发展贡献力量。
(科技日报)
