助力先进轨道交通装备轻量化
   
  　　我国先进轨道交通建设已进入繁荣期，这为复合材料产业提供了一个大有可为的崭新空间。复合材料制成的构件重量轻、强度高、刚性大，对减轻车厢重量，降低噪声、振动，提高安全性、舒适性，减少维修等均有重要作用，已成为理想的高速轨道交通用结构件。除用作轨道交通内部设施和装饰材料外，其在承重结构上的应用也越来越受到关注和重视。世界各国也围绕如何快速推进复合材料在轨道交通领域的应用开展了很多研究。减轻车辆自身质量是机车车辆工业的目标，而车体部分占车辆质量的15%~35%，转向架占车辆质量的25%~35%，因此，车体和转向架等部分是复合材料的主要研究领域。
  　　新型车辆车体 目前铝合金是车体轻量化的主要材料。由于车辆轻量化的要求越来越高，于是人们把目光转移到了复合材料等新型材料上。复合材料在列车车体上的应用也越来越受到重视。在保证安全性和环保性的基础上，复合材料应用于车体中能够减重达30%~40%，大幅度地促进了轨道交通车体的轻量化。碳纤维增强塑料(CFRP)和玻璃纤维增强塑料(GFRP)是车体轻量设计的两种优选材料。碳纤维复合材料具有密度低、蠕变小、耐超高温、耐疲劳性和耐腐蚀性等优异性能，可以满足车体设计的阻燃、隔热保温和减震等设计指标，应用范围正逐渐由次承载结构零部件向主承载结构发展。新型玻璃纤维复合材料比传统金属材料密度低，是钢材的1/4～1/5，是铝合金材料的2/3，其机械强度与刚度均高于传统金属材料，并且具有良好的阻燃、隔音性能，得以在轨道交通应用中普及，并迅速发展。此外，芳纶复合材料具有阻燃、强度高、耐高温、绝热等级高、耐潮、耐腐蚀、物理化学性质稳定等性质，在高速列车的电机、变压器、列车车体、零部件上都获得了广泛应用。
　　  高性能转向架 复合材料转向架的研究一直是人们关注的重点。机车车辆的转向架是支撑车体、保证列车平稳运行的重要部件，其构架特别重要，必须具有高强度、高耐疲劳性能。在国外，复合材料转向架研究比较活跃，其强度、结构稳定性、耐疲劳性等多方面的性能已经经过测试，能够满足轨道交通运行的要求。在某些车中复合材料转向架已经投入使用，并且减重效果非常明显。但是在国内，复合材料在转向架上的研究仍然处于实验研究阶段，应用还有很长的路要走。
　　  随着轻量化需求的逐步增加，复合材料在轨道交通上的应用将越来越广泛。从成本上来看，虽然复合材料必须要有更大的改进空间才能与金属材料竞争，但是若处理好成本、安全可靠性以及轻量化带来的其他优势之间的关系时，其带来的成本效益是长远的。目前，我国的轨道交通建设正处于繁荣时期，这也给复合材料在轨道交通的应用带来很大的机遇，在2030年左右，复合材料在轨道交通上的应用将取得一定阶段性的成果。首先是复合材料成本的改善，在保证复合材料性能的基础上，应降低其制造成本，加大复合材料在轨道交通车体上的应用，实现减重50%以上的轻量化目标，并且成本降低15%；其次是复合材料车体的制造工艺以及结构设计水平将有明显的提升，通过借鉴航空航天和军工等领域的先进结构设计，突破和完善现在的轨道车辆研发技术，使得复合材料车体的制造成本降低15%；第三是复合材料转向架将会转向应用研究阶段，通过提高复合材料的制造工艺和结构设计水平，将复合材料应用到转向架中，实现减重30%~40%的目标。在2050年时，复合材料将在先进轨道交通上有更大规模的具体应用。复合材料应用到轨道交通车体和转向架的技术及工艺更加成熟，实现减重50%以上的轻量化目标，并且成本降低25%。

复合材料大型船舶应用力度待提高
   
　　  船舶采用复合材料能产生一系列优势，如减轻船重、提高航速、节省燃油、增加稳性与载货量、提高寿命、降低维修成本、减少腐蚀、提高隐身性以及促进节能环保，具有可设计性、易成型与修补等特点，从而实现船舶的轻量化，提高船舶的综合性能。目前复合材料在船舶中获得了较广泛应用。
  　　用于船舶的复合材料主要有三种：一是纤维增强塑性材料，主要包括玻璃纤维增强塑性材料、碳纤维复合材料以及芳纶纤维增强塑性材料等，重点要发展高性能纤维增强塑性材料；二是夹层结构复合材料，多用于船舶的上层建筑、舱壁和桅杆等结构，是船舶结构材料发展的一个重要方向；三是细粒复合材料和混杂复合材料。研制集超高强度、强韧性、耐低温和长寿命等优良性能于一体的新型高性能复合材料是今后的研究重点与热点。
  　　美国海军首次将复合材料用于船舶建造，掀开了复合材料应用在船舶建造中的篇章。此后，世界各国相继开始研究各种复合材料船舶，挪威、瑞典等国家制定了相应的复合材料先进技术开发计划，并在客船和舰船上层建筑中推广使用复合材料。复合材料在船舶应用发展上的代表性成果有“瑞典的LASs计划一轻质材料结构在海上的应用”。
  　　近年来，我国针对复合材料在船舶上层建筑应用研究做了较多工作，已经有客船、游览船和休闲渔船采用复合材料上层建筑，并取得了较好的成效。但其在大型船舶上的应用仍受到限制，原因如下：一是复合材料自身的性能不足，尤其是弹性模量小、抗剪性差以及抗冲击性差，而高弹性模量的高性能复合材料价格昂贵；复合材料在极地集装箱船、大型豪华游船艇等高技术船舶中的应用存在较大风险；对于大型船舶，应用复合材料建造面临的主要问题是船体梁的刚度太低，船体梁挠度增加会带来一系列问题，如在铰接处和连结处等产生疲劳裂缝，影响推进系统及有关设备工作，降低船舶性能，甚至产生灾难性后果。二是缺乏统一的设计准则与规范，由于复合材料的多样性，难以制定统一的标准和体系。三是复合材料在船上应用的经验数据收集整理不够充分、全面，缺乏简易适用的成本估算方法和性能优化模型。四是缺乏低成本、高质量的制造工艺与建造方法。
  　　随着复合材料的改进和制造工艺的改良，复合材料在商用和军用高性能船舶上具有节省总成本的优势，并已经有学者验证和量化了船舶工程项目应用复合材料后的寿命周期效益，复合材料较钢质材料在船艇上的应用具有较低的总成本优势。今后可从以下两方面进一步提高其成本效益：降低材料及结构的制造成本；开发设计与建造一体化技术。
  　　十年内，预测复合材料在船舶领域的应用将进一步扩大，复合材料在相对较小的船舶或大型船的上层建筑或非关键性部件的应用技术上将更加成熟。复合材料的用量将达到造船材料总用量的5%~10%，尤其是碳纤维等高模量的纤维作为增强材料将进一步应用到船舶工业中。
　　
复合材料用于航空航天装备潜力巨大
    
  　　随着材料科学的进步，20世纪70年代开始，新一代航空材料——复合材料应运而生。复合材料用于航空设备上具有比强度高、比刚度大、质量轻，以及抗疲劳、抗减振、耐高温等一系列优点。大量采用复合材料，可以大幅度减轻结构重量，提高燃油效率。单从材料成本而言，采用聚合物基结构复合材料相对传统金属材料的成本较高，但聚合物基结构复合材料的减重效果、液氧相容性等是传统金属材料所无法比拟的，具有更好的综合成本效益。当复合材料技术发展到一定程度之后，可以大大降低飞机的非重复成本和制造成本。
  　　飞行器复合材料
  　　复合材料可以使飞机在维持强度不变的前提下大幅减重。复合材料在民用飞机上的应用是从受力很小的构件发展到受力较小的部件再发展到受力较大的部件，然后才发展到宽体客机的主承力结构。这是因为不同的民机复合材料结构需要不同的复合材料体系，同时性能更加优良的复合材料体系的研发促进了民机复合材料结构的应用。以宽体客机为例，复合材料的应用大致分为5个阶段。
    第一阶段：应用于受力很小的构件，如前缘、口盖、整流罩、扰流板等，例如B747和A300机型。
    第二阶段：用于受力较小的部件，如升降舵、方向舵、襟副翼等，已有了一定的规模，例如A330/A340机型。
    第三阶段：用于受力较大的部件，如水平尾翼、垂直尾翼等部件，规模已较大，如在B777上用于平尾、垂尾、机身地板梁等处。
    第四阶段：应用于主要结构，例如A380中央翼和翼肋。
    第五阶段：用于机翼、机身等主承力结构，例如B787和A350XWB，复合材料用量达到50%。
  　　复合材料在飞机结构中的应用将影响到飞机的各种技术指标和飞机的设计与制造成本。复合材料技术的不成熟，特别是在机翼和机身上的应用，都会影响到飞机的非重复成本和重复成本。
    大推力火箭发动机及重型运载火箭技术
  　　航天技术的发展对航天飞行器性能提出了更高的要求，使得低温推进系统成为了研究重点。为了进一步提高航天器的性能，必须从结构减重入手，贮箱作为低温推进系统中最大的部件，成为了未来减重的重点发展方向。用CFRPS代替铝合金制备可使用飞行器(RLV)的燃料贮箱成为近些年各个航天大国的重点研究方向。
  　　Wilson公司采用韧性环氧/氰酸酯(CE)作为基体树脂，采用湿法缠绕工艺制备了复合材料氧贮箱。2004年洛克希德马丁(LM)公司宣布成功研制出碳纤维全复合材料液氧贮箱，这被认为是液氧贮箱研究领域的革命性进展。洛马公司从最初的复合材料入手开发出了专门用于液氧贮箱的环氧树脂，此树脂具有优良的液氧相容性、耐低温开裂性等特点。美国空军研究室采用环氧和双马来酰亚胺两种树脂作为基体，制备了IM7碳纤维增强复合材料。
  　　复合材料应用于贮箱的制造需要解决低温疲劳、热振损伤、泄漏、液氧相容性以及先进制造技术等技术难题。从现有研究来看，新材料的发展和应用直接推动着低温贮箱的发展。未来复合材料低温贮箱会向大型化、轻量化、多元化方向发展。随着液氢、液氧贮箱技术的突破，液态甲烷贮箱也将向随着甲烷推进系统的发展而得到应用。可以确定的是，一旦复合材料低温贮箱获得应用，将为航天飞行器的未来发展带来很大影响。
   （本文整理自《复合材料学科方向预测及技术路线图》）