生物质复合材料综述

生物质复合材料的研究进展

摘要：生物质炭复合材料是一种原材料价格低廉,制造成本合理,性能独特,具有

广阔的开发应用前景的新型炭复合材料。本文综述了生物质资源状况、竹炭的特性及研究现状,着重对多孔固体和生物质炭复合材料的结构与性能的研究进展进行了分析,并对生物质炭复合材料目前存在的问题进行了分析,对多孔固体材料和生物质炭复合材料的发展方向进行了展望。

关键词：生物质，复合材料，研究进展

我国有比较丰富的生物质资源,据联合国粮农组织资料,我国每年有1.1亿吨麦秸,居世界第一位。具体到林业可利用生物质方面,我国目前拥有用材林7 862.58万公顷,薪炭林2139万公顷,竹林484.26万公顷。每年约有1.5亿吨森林采伐剩余物和木材加工产生的废弃物,每年约有1亿吨疏伐树木整枝生物质[1]。这些林业生物质资源为我国林产工业发展生物质产业提供了丰富的原料,展现了林化行业发展生物质产业的良好前景。同时,在我国石油资源短缺、能源严重依赖进口、“白色污染”严重的背景下,作为可循环利用天然资源的生物质及其废弃物的资源化利用,具有良好的经济、社会和生态效益,已逐渐成为21世纪主要的新材料和新能源之一。推动物质材料的应用,乃至催生一个新的生物质材料产业已成为我国新材料发展的一个重大方向。

1生物质资源概述

生物质是指任何可再生的或可循环的有机物质，包括专用的能源作物与能源林木,粮食作物和饲料作物残留物,树木和木材废弃物及残留物,各种水生植物、草、残留物、纤维和动物废弃物、城市垃圾和其它废弃材料。2003年11月在日本召开的第一届生物基聚合物国际会议上提出了可持续发展的生物基聚合物全新概念,对生物基聚合物定义为:生物基聚合物是由可再生资源(如淀粉、秸秆等)、二氧化碳等为原料生产的聚合物。生物质资源在中国主要包括农业废弃物和能源生物资源(能源/化工专用动植物和藻类)。目前,能源生物资源主要是指能源农业、能源林业种质资源,包括现有种质资源的挖掘、保护和开发及专用品种的培育。同时也包括利用高效能源植物进行的规模化、商品化的生物质原料生产[2]。从国外研究情况来看,生物质能源为主的生物质资源的开发利用早已引起世界各国政府和科学家的关注。有许多国家都制定了相应的开发研究计划,如日本的阳光计划、印度的绿色能源工程、美国的能源农场和巴西的酒精能源计划等发展计划。其它诸如丹麦、荷兰、德国、法国、加拿大、芬兰等国,多年来一直在进行各自的研究与开发,并形成了各具特色的生物质能源研究与开发体系,拥有各自的技术优势[3-6]。在国内,国家中长期科技发展规划(2005～2020)中,“农林生物质工程”被列为重大专项之列,并作为国家能源战略的重要组成部分。通过走农业工业化之路,解决农民的增收和“三农”问题。生物质产业可望在未来15～20年内为解决21世纪中国面临的能源短缺、环境污染、食品安全等重大社会经济问题,乃至全面建设“小康”社会作出重大贡献。同时,在由中国工程院主办的2005年中国生物质工程论坛上,活跃在生物质工程技术前沿领域的专家指出,我国发展生物质产业的时机已经成熟,要不失时机地利用我国在资源、技术、人才等方面的优势发展这一朝阳产业。田野里不仅生产粮食,还能提供优质原料生产

清洁能源和化工产品,显著改善生态环境。但是,现实与远景还有很大差距。生物质产业为我国提供了一次历史机遇,生物质产业使农林废弃物和污染物无害化、资源化,这是继传统农业由初级农产品生产向农产品加工领域拓展之后,为农业和农民增收开辟的第三战场[7]。

2复合材料概述

复合材料是指由两种或两种以上不同物质以不同方式组合而成的材料，它可以发挥各组元材料的优点，克服单一组元的缺陷[8]。复合材料按用途可分为结构复合材料和功能复合材料，根据基体种类可分为金属基复合材料、陶瓷基复合材料、聚合物基复合材料和炭基复合材料等，按增强（韧）相可分为颗粒增强、晶须增强或纤维增强复合材料。复合材料已广泛应用于航空航天、汽车、电子电气、建筑、体育器材、医疗器械等领域，近几年更是得到了突飞猛进的发展。

复合材料使用的历史可以追溯到古代。从古至今沿用的稻草或麦秸增强粘土和已使用上百年的钢筋混凝土均由两种材料复合而成。20世纪40年代，因航空工业的需要，发展了玻璃纤维增强塑料（俗称玻璃钢），从此出现了复合材料这一名称。50年代以后，陆续发展了碳纤维、石墨纤维和硼纤维等高强度和高模量纤维。70年代出现了芳纶纤维和碳化硅纤维。这些高强度、高模量纤维能与合成树脂、碳、石墨、陶瓷、橡胶等非金属基体或铝、镁、钛等金属基体复合，构成各具特色的复合材料。

现代高科技的发展离不开复合材料，复合材料对现代科学技术的发展，有着十分重要的作用。复合材料的研究深度和应用广度及其生产发展的速度和规模，已成为衡量一个国家科学技术先进水平的重要标志之一。进入21世纪以来，全球复合材料市场快速增长，亚洲尤其中国市场增长较快。2003～2008年间中国年均增速为15%，印度为9.5%，而欧洲和北美年均增幅仅为4%。

2007年中国（大陆）行业中，复合材料玻璃纤维产量160万吨，其中115.5万吨用于玻璃钢（FRP）工业；不饱和聚酯树脂（UPR）产量135万吨，其中68.8万吨用于玻璃钢领域、占51%；乙烯基树脂产量12640吨，胶衣树脂产量15870吨。2008年我国复合材料整个行业全年经济运行平稳，产量增长达12%左右。行业规模以上企业全年实现工业增加值86.7亿元，工业总产值258亿元，新产品产值11.6亿元，销售产值253亿元。现阶段，我国玻璃钢、复合材料行业面临一个新的大发展时期，如城市化进程中大规模的市政建设、新能源的利用和大规模开发、环境保护政策的出台、汽车工业的发展、大规模的铁路建设、大飞机项目等。在巨大的市场需求牵引下，复合材料产业的发展将有很广阔的发展空间。从2010年年初起，国家发改委、科技部、财政部、工信部四部委联合制定下发了《关于加快培育战略性新兴产业的决定》代拟稿，经过半年的意见征求，主要领域从7个扩为9个，其中“新材料”中分列了特种功能和高性能复合材料两项。在“十大产业振兴规划”之后，“战略性新兴产业”已经被认为是振兴经济的又一重大举措，此后的政府大规模投资也被市场普遍期待，所以这也被认为是继国家“4万亿”投资计划之后又一个大型产业投资计划。

3复合材料领域的国际前沿热点及进展

3.1金属基复合材料

金属基复合材料是包括颗粒、晶须、纤维增强金属基体的复合材料。金属基复合材料兼具金属与非金属的综合性能，材料的强韧性、耐磨性、耐热性、导电