第四节 工程塑料的地位与作用
自20世纪中期工程塑料问世迄今，工程塑料为了满足工程结构的性能要求，取代传统结构材料、开拓新的应用领域、跻身于材料市场，采用各种改性手段，使其性能不断提高，在激烈的市场竞争中逐步发展壮大起来，呈现出旺盛的生命力。其发展速度为年增长10%以上。到目前为止，工程塑料已成为国民经济和国防建设及社会发展中的主导材料之一。
一、在国民经济建设中的作用
由于工程塑料具有优良的力学性能、耐化学性能、耐蚀性、高比强度、高比模量、良好的结构特性及功能特性、灵活的可设计性、可配制性与低成本加工性等，在国民经济各个部门具有广阔的应用前景，已成为各工业部门不可替代的重要原材料。
（一）工程塑料已成为车辆应用和制造中的主体材料
工程塑料在车辆中的应用量占工程塑料总体用量的1/3，主要部件类型为结构部件、装饰构件和功能制件等。
工程塑料的密度仅是钢的1/4～1/5，将这些材料用于车辆可在很大程度上减小自重、提高车速，同时还可以减少轴和轮胎的磨损，延长使用寿命。尤其重要的是自重减小可在很大程度上降低油耗。采用工程塑料制造汽车部件，在相同条件下耗油不超过钢制汽车的1/4，这是一个非常有诱惑力的比例，因此美国、日本等几个大汽车公司如福特、丰田，都非常重视用工程塑料制造汽车构件。据报道，福特公司一辆由碳纤维增强塑料制造车身主要部件的小轿车，其燃料效率提高了38%。此外，由于工程塑料韧性好，受到撞击后大幅度吸收冲击，可避免重大的伤亡事故。英国曾展出一辆由芳纶增强塑料制造的轿车，展览者用铁锤猛击车顶竟无破损，同时以100km/h速度碰撞也未损坏。用工程塑料制造的汽车部件很多，如驾驶室、挡泥板、保险杠、前脸、发动机罩、仪表盘、地板、座椅等。日本东丽公司研制成功用碳纤维/环氧做的驱动轴、板簧，这种板簧自重小、弹力大，仅用一片就可代替传统的多片叠板弹簧。
工程塑料构件已逐步渗入火车结构。铁路是国民经济的动脉，铁路运输对整个国民经济的发展具有重大影响。铁路运输约占一个国家运输总量的60%。制造火车的主体材料是钢材和木材，我国木材资源缺乏，使用钢材又不能满足要求，所以从20世纪50年代起人们就寻找可以替代的材料，通过国内外的试验证明，工程塑料是制造铁路运输装备较好的材料。世界上有许多国家已把工程塑料用到火车制造业中，并取得了良好的效果。日本新干线上的高速列车，其车箱外壳是由泡沫塑料夹芯的玻璃纤维增强聚酯制成的，这种材料结构刚度大，保温、抗振、防水性好，在高速行驶时不会产生过度的颠簸。用工程塑料制造的还有水箱、整体卫生间、车门窗、冷藏车保温车身、运输液体的贮罐、集装箱等。这种集装箱自重小、耐冲击性好、密封性好、防水、耐腐蚀、抗污染，因而运载效率高，又经久耐用，所以它将是取代钢制或铝制集装箱的极好材料。
除用于车体结构外，工程塑料还是铁道通信线路工程中使用的优良材料。通常用它做成信号机、变压器箱、电缆盒、轨道绝缘材料。据报道，英吉利海峡连接英、法两国的隧道铁路，其电缆线绝缘材料就使用了工程塑料。
（二）工程塑料是普遍应用的建筑材料，为推动高强轻质建筑结构的发展起了重要作用
用于建筑工业的工程塑料，绝大多数是高效低成本玻璃纤维增强塑料。由于这种材料具有优异的力学性能，较好的隔热、隔声性，吸湿和透水率低，电绝缘性能好，有很好的耐化学腐蚀性，特殊处理的玻璃纤维增强塑料具有较好的透光性，加之装饰性好，尤其是其性能的可设计性和产品设计的高度灵活性，一直为建筑业所青睐，目前已在建筑结构、围护、门窗、卫生洁具、供暖、通风、建筑装饰等方面广泛应用。玻璃纤维增强塑料制作承重结构和围护结构，与传统钢材或混凝土等材料相比独具特点，玻璃纤维增强塑料的轻质、高强，可做成大跨度、大幅面的屋梁及顶棚等建筑构件，用于宽敞明亮的展览馆、体育馆、电影院、剧场等建筑尤为适宜。前苏联、德国已建成跨度为18～24m的温室，上海玻璃钢研究所在云南建造了一座直径44m的玻璃纤维增强塑料球形雷达天线罩。按设计分析，如采用玻璃纤维增强塑料为双曲面屋顶结构，其跨度可达200m，这样无需任何梁柱支撑的大跨度结构只有用玻璃纤维增强塑料才能实现。同时由于它具有隔热、隔声、防水、阻燃、易装饰等性能，也是围护结构的极好材料。
用玻璃纤维增强塑料制备的凉水塔、卫生间洁具、高位水箱等制品在我国已形成较大的生产规模，目前已完全取代了钢筋混凝土、金属和木材等传统建筑材料，而且具有耐腐蚀、高强度、自重小，并可根据建筑的风格设计成各种形状。这一新的结构物对解决我国大多数城市供水缺乏问题无疑是件极大的好事。
（三）工程塑料已成为新型防腐材料，在化学防腐工程中具有无可替代的地位
玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、呋喃树脂和聚酰亚胺等增强塑料具有较高的耐化学介质腐蚀性。例如，在碱溶液中玻璃纤维增强环氧树脂可使用10年，而普通钢管只能使用1年多。在酸介质中玻璃纤维增强塑料比不锈钢表现出优异的耐蚀性，因此在石油化工等防腐蚀工程中，近年来越来越广泛地得到应用，已成为不可缺少的新型耐腐蚀材料。
目前用玻璃纤维增强塑料制造的化工耐腐蚀设备有大型的贮槽、容器、传质用各种管道、弯头、三通、管接头等配件以及通风管道、烟囱、风机、泵等。对用于防腐工程的玻璃纤维增强塑料产品早在1965年美国就制定了有关的设计、制造和检验标准与规范。英国、加拿大和日本等国也都相继制定了相应标准，如日本增强塑料技术协会1975年制定的“手糊法成型耐腐蚀玻璃纤维增强塑料设备制品标准”，美国1969年制定的“缠绕法制造玻璃纤维增强塑料贮槽制品规范”。由上述的定型标准和规范可见，工业发达地区的北美、西欧和日本等对玻璃钢在防腐工程领域所发挥的作用十分重视，并已经形成了一个庞大的产业，在国民经济中占有一定的地位。
我国20世纪60年代初引进玻璃纤维增强塑料技术后不久，即开始在化工防腐中的应用，并收到了良好的效果，预计玻璃纤维增强塑料作为防腐工程材料在我国将有极其光明的发展前景。
（四）工程塑料已逐渐成为基础工业不可短缺的主导材料
1）在电器工业中用于制作层压板、敷铜板、绝缘管、电机、护环、槽楔、绝缘子、灯具、电线杆、带电操作工具等。
2）在农渔业方面用于制作蔬菜、花卉、水产养殖、养鸡、养猪等温室，以及粮仓、水渠、化粪池、粪便车等。
3）在机械制造工业中工程塑料的用途很广，如风机叶片，纺织机械、化纤机械、矿山机械、食品机械等部件及齿轮、法兰盘、防护罩等。
4）用于制作体育器材，如撑杆、弓箭、赛车、滑板、球拍、雪橇、赛艇、划艇、划桨等。
5）航空工业在大型的主航线民航飞机上也开始应用，如美国波音737至波音767，欧洲的空中客车A310～A340，前苏联的主航线客机等型号上用作机头雷达罩、发动机罩、副翼、襟翼、垂直尾翼和水平尾翼的舵面、翼根整流罩以及内部的通风管道、行李架、地板、卫生间、压力容器等。
6）在船舶工业用于制作各种工作艇、渔船、交通艇、摩托艇、救生艇、游船、军用扫雷艇和潜水艇等。
7）人造地球卫星几乎全部是由不同的纤维增强塑料和复合材料制造的空间结构，如卫星仪器舱本体、框、梁、桁、蒙皮、支架、太阳能电池的基板、天线反射面等。特别是地球同步通信卫星的天线反射面，始终要准确地对准地面上某一个接收站，当卫星反复处于地球的向阳面和背阳面的交变过程，卫星上的温差可达200℃以上，在这样的交变温差下要求天线反射面的支架不热胀冷缩，需要由“零膨胀”材料制成。目前只有经过精心设计的工程塑料和复合材料才能具备“零膨胀”这一特殊性能。
二、在国防建设中的地位与作用
工程塑料特别是高性能纤维增强塑料，属军用新材料技术发展的重点材料。它不仅具有结构材料优良的结构性能、良好的综合特性，而且还具备某些功能材料特性（如耐腐蚀、不锈蚀、隐身性、电磁波屏蔽性、绝热耐热和优良的电绝缘性等），以及质量小、比强度高、比模量高等性能。工程塑料是武器装备实现轻量化、小型化、功能化以及智能化的重要材料技术，具有极其重要的军事实用价值，也是未来武器装备制造中极为重要的结构和功能材料。
未来战争对武器装备的要求可概括为“三化”“三性”“三高”“一全”，即轻量化、小型化、功能化，隐蔽性、机动性和生存性，高精度、高威慑和高速度，以及全天候作战的能力。这些要求具体体现在减小武器装备质量、缩小其体积、提高战争的机动性和生存能力上，要制得这种武器装备满足未来战争需要，除了在武器装备结构的设计上下功夫外，选用高性能材料是解决问题的关键。
（一）利用工程塑料密度低、比强度高、比模量高，使武器装备轻量化和小型化
工程塑料特别是高性能纤维增强塑料已应用多年，其轻质高强的特性早已被军方认可，这是那些对质量要求十分苛刻的武器装备系统可选用的最佳材料。
1．航天武器装备
20世纪60年代初期，美国采用玻璃纤维增强环氧塑料制备了“北极星”导弹第二级火箭发动机壳体，使其质量比原金属壳体质量减小310kg，使其射程由1600km提高到2400km。而采用石墨纤维增强环氧塑料制备的三叉戟导弹仪器舵比用铝制备的仪器舵质量减小146kg，减小质量率达30%，且简化了部件组装工艺。还用此增强塑料制备了陀螺仪支架、电池支架、发射筒支环等55个部件，使得此导弹增程达340km以上。美国的三叉戟-Ⅱ型、飞马座和朱儒等导弹也大量采用碳纤维增强塑料制备，使弹体质量减小30%以上。美国爱国者和战斧导弹的仪器舱和发射筒等重要部件也采用高性能纤维增强塑料制备，使其结构质量大幅减小。据设计计算，一枚洲际导弹如用高性能工程塑料取代金属结构，可使其质量减小300kg以上，射程提高1000km。
目前，国外军事强国导弹弹头有效载荷与结构质量比已达4∶1，固体火箭发动机质量比已达0.92～0.93。这都是采用高性能工程塑料的结果。
2．航空武器装备
军用飞机也是最早采用工程塑料，特别是高性能纤维增强塑料的武器装备之一。作战飞机的机翼蒙皮、机身、垂尾、副翼、水平尾翼、侧壁板、隔框、翼肋和加强筋等主承力构件大量采用高性能纤维增强塑料制备，不仅明显减小了飞机结构质量，改善了机体总体结构和外形，而且减少了零部件数量和组装工序，使飞机的整体性和可靠性得到显著改善。就其减小质量效果而言，一翼梁采用铝合金设计为220kg，用纤维增强塑料制备为157kg，减小质量率为28.6%；加强筋用铝合金制备为67.9kg，用纤维增强塑料制备为58.4kg，减小质量率为14%；蒙皮用铝合金制备为87.5kg，用纤维增强塑料制备为16.6kg，减小质量率为29.5%；而铝合金口盖为18.5kg，纤维增强塑料口盖则为16.6kg，减小质量率为10%左右。
目前美国采用纤维增强塑料的军用飞机中，F117采用量为42%，B-2采用量为38%，FY-22采用量为35%，FY-23采用量为50%，F-16采用量为39%，AV-86采用量为26%等。到目前为止，战机纤维增强塑料用量已占结构质量的26%～65%；每架飞机的平均使用量为2.4～6.5t，且年增长率达20%左右。
3．陆军武器装备
（1）坦克装甲车辆 坦克装甲车辆，特别是主战坦克是陆军主战武器装备，也代表一个国家的武器装备水平和威慑力。目前主战坦克战斗总质量在60t以上，已超过地面武器装备的极限质量，再无限制地加厚装甲，会给坦克机动性和生存力带来极大的危害，坦克装甲车辆轻量化已势在必行。轻量化的途径除结构设计外，关键技术仍是采用轻质结构材料技术。
美国和英国近年来研制并通过演示试验的全纤维增强塑料装甲车车体，与原金属车体相比，可减小质量33%。为采用高性能纤维增强塑料制备坦克装甲车辆奠定了技术基础。
各国目前应用的复合装甲，由于采用了纤维增强塑料，其抗弹能力比均质钢装甲有了明显提高，而且减小质量30%。用纤维增强塑料为结构材料的电（磁）装甲，又进一步提高了抗弹水平，在使车体无损伤的情况下，可抗御大口径弹药或串联式弹药的攻击。最新研制的集成装甲，将金属、陶瓷、橡胶组合成一装甲体系，其中的纤维增强塑料主要起保持装甲结构的整体性和提高抗弹性能及隐身功能的作用。在同等体积下，比均质钢装甲减小质量30%～50%。
美国M1A1主战坦克采用工程塑料制备的22个零部件，与以前所采用的金属部件相比，减小质量近5t，降低制造成本1.2万美元。
（2）战术导弹火箭 弹箭武器装备是对减小质量要求十分迫切的装备，轻质结构材料应用较早，也比较普遍。世界各国的反坦克导弹、火箭和防空导弹等均大量采用工程塑料制备。所采用的工程塑料，以玻璃纤维增强塑料为主，芳纶增强塑料和碳纤维增强塑料也开始应用。可以说，战术导弹火箭已基本实现塑料化。其质量比采用金属结构件减小40%～65%。特别是法国的“阿匹拉斯”反坦克火箭发动机壳体和发射筒采用芳纶增强塑料制备，其他结构件采用通用工程塑料和改性通用塑料制备，除其中装药和战斗部及发动机外，几乎均用工程塑料制成，其质量仅为3kg。
（3）火炮和枪械 火炮制造采用工程塑料是从塑料附件代替金属附件开始的。由碳纤维/环氧增强塑料制造的复合炮管、炮管延伸管等关键部件，其质量仅为钢炮管质量的1/3。被称为战争之神的大口径火炮，由于本身质量极大，机动性较差，用工程塑料代替钢构件，就能显著地减小质量，提高机动性。例如，一个122mm口径的加农炮，原来尾臂装配质量为1115kg，改用玻璃纤维工程塑料后只有445kg，比原来减小了55%；再如步兵用迫击炮原来钢制底盘质量为41kg，改用工程塑料只有28kg，一个战士可以背在背上机动。
枪械用工程塑料是从以塑代木应用开始的，而后以塑料代金属制备结构件和承力件。目前正在研制在钢衬筒上缠绕金属纤维或碳纤维/环氧的复合枪管。到目前为止，世界各国的枪械枪托、握把、护木、弹匣、刺刀等均采用尼龙制造。使枪体质量减小50%以上，使用性能大幅度提高。最为典型的是奥地利的AHG步枪，其中30个零部件用9种工程塑料制成，占全枪零件的16%；法国的FAMA3步枪中33个部件用尼龙制成，占全枪部件的30%。以上两种枪的质量减小程度高。美国雷明顿兵工厂研制出的全尼龙枪除枪管和自动结构外，其他部件均用尼龙制造而成，轻量化程度更高。
（4）单兵装具 工程塑料在单兵装具制造中的广泛应用，将会引起装备的重大革新。战士的头盔由钢制改成工程塑料，不仅质量减小，同时还提高了防护能力，在阵地上构筑单人掩体，传统的办法是用锹镐挖坑填土，不仅费力，还要消耗时间，目前已用工程塑料做成对步枪子弹有很好的防护能力、可随身携带作为装具的掩体，临战时展开即可参加战斗。此外，还有用工程塑料做成防弹衣、防弹盾牌、防地雷的防爆靴等，这些用工程塑料制造的单兵装具一旦装备部队，无疑会大大地提高战士的作战能力。
（二）运用工程塑料的功能特性，使武器装备功能化
1．隐身性
工程塑料特别是那些具有导电或导磁性能的导电塑料和磁性塑料对雷达波反射率低，且具有很高的吸波特性。一般认为，这类功能塑料对红外和雷达波以及电磁波反射仅30%，而吸波能力为70%，且噪声小、振动低、隔热性优良。因而其良好的隐身功能，可防雷达波、热成像仪等光电探测系统的探测，也可防止具有热寻功能弹头寻的。运用工程塑料可改性的特点，在加工过程中加入高性能吸收剂或纳米剂可制成武器装备隐身用结构件。
美国的F-117A飞机上采用了纤维增强塑料为主体的结构吸波材料，使雷达反射截面面积降低到只有0.1m2的程度。
能够吸收雷达波的结构隐身材料，在设计中可能有如下几个措施：
1）在基体材料构筑环形或方形的电阻材料几何图形中，制成复合材料蜂窝结构，在蜂窝中填充能吸收电磁波的铁氧体材料。
2）在结构表面制成小的圆柱、半球或方形的凹坑，在其中填充吸收材料。
3）在树脂基体材料中镶嵌环形天线等吸收单元。
另外，可利用纤维增强塑料的非均质性、可透射雷达波的特点，常用工程塑料制造飞机或导弹雷达罩。
2．工程塑料可保障战略武器突破热障难题
众所周知，导弹弹头是导弹的战斗部，在飞向敌方目标冲落时会受到高温气流的摩擦而产生极高温度，例如射程为8000～12000km的洲际导弹鼻锥驻点温度可达10000℃，这在战略武器上称为热障，不突破热障，威力再大的战斗部在未到达敌方目标之前都将被烧毁。早期的防热措施是采用高热容材料的热沉式结构和复杂的发汗冷却结构，这些办法使得弹头质量很大，影响战斗效应。采用纤维增强塑料烧蚀防热结构不仅有效地解决了防热问题，还减小了头部质量。在未来战争中由于空中拦截技术的发展，要求导弹的弹头小型化，并可多头分导，能耐高温、抗核爆、抗中子浸沏、抗强激光，并具有隐身等功能，预计解决这一问题的惟一途径是在抗烧蚀纤维增强塑料的基础上添加多种材料制成具有多功能的纤维增强塑料。
另外，还可将纤维增强塑料作为导弹和火箭发动机隔热绝热材料、耐烧蚀材料等。
（三）运用功能塑料的机敏特性开发智能材料与结构，使武器装备智能化
利用压电塑料或压电陶瓷增强塑料可以制备智能材料与结构中的驱动机构和传感机构。利用压电聚合物或增强压电聚合物材料制成的高速驱动机构可把电能转化为机械能，且不发生相变，而是通过改变材料的自发偶极矩来改变材料尺寸，此种效应可产生200～300μm应变，88层压电增强塑料制成驱动器可在20ms内产生50μm的应变位移，且可成膜，加工性良好。这种材料制成的传感器或自适应结构具备可感知压力、温度、冲击、弯曲等功能，并可利用不同模式识别出边、角、棱等几何特征，且具备热释放效应和温度传感功能。配合形态化材料、电磁流变材料和电致材料技术可组成智能结构。此材料与结构在武器装备中具有很高的应用价值。美国国防部计划研究局投资8900万美元开发此项材料，预计在装甲防护、武装直升机、士兵作战服装、弹药、导弹和火箭中具有巨大的应用潜力。
美、德等国已研制出智能复合装甲和智能反应复合装甲，从被动装甲防护向主动装甲防护迈进了一大步。美国陆军预算投资300万美元，把反应装甲与短距离传感器网络及一台计算机等组成一体，制成主动反应装甲系统。美陆军还把智能材料系统用于M1坦克防120mm动能弹、50mm动能弹。德国已研制出制备计算机或火控系统的薄膜传感器、冲击传感器和加速传感器的被动装甲及反应装甲，并将其改造为主动装甲。英国也研制出类似的智能装甲。
美国用压电复合材料制造出直升机的固态自适应旋翼，这种智能压电材料应用于直升机后其隐身能力提高2倍，机动性提高30%，速度提高15%，可靠性大有增强。
美国运用电致变色高分子材料设计出自动变色服。这是采用电致变色织物制成的，可随外界环境变化而改变颜色，与背景保持一致，大大提高了伪装功能。
随着武器装备的智能化进程，智能材料系统将会发挥越来越大的作用。
三、在高新技术中的地位与作用
工程塑料是新材料之一，也是高新技术的组成部分。高新工程技术的发展依赖于新材料技术的进步，新材料在整个高新技术发展中发挥着先导和推动作用。
（一）信息工程技术
信息技术是当前高技术群的核心，而用于信息技术中能接收、处理、定存和传播信息的材料称为信息材料。在这类材料中工程塑料占有重要地位。首先，任何一个信息技术装备，如电话机、收录机、电视机、录音机、录像机和计算机等都离不开导线和电缆。导线要求有良好的导电性，同时又要求具有很好的绝缘性，这种截然相反的性能要求绝不可能由单一材料完成，它是由导电的金属和包围其周围的绝缘工程塑料构成的。其次，计算机等所用多层印制电路板是典型的层压塑料，它是用纤维增强树脂和覆铜层压复合而成。多层混杂的层合板具有高散热性、高度的尺寸稳定性，从而能满足大规模集成电路高密度的装配要求。用于录音机、录像机和计算机的录音（像）带和软盘等信息记录材料，是由将粉末状磁性材料均匀掺混在树脂中的磁性塑料制成的。最近出现的垂直记录带，用气相沉积法在塑料基材上沉积一层铬-钴化合物，钴的柱状晶体和铬之间有明显界面，这种新型大存储量的磁记录器材实际上是一种高性能功能塑料。
（二）能源工程技术
人们早已想到了太阳能，并已在宇航飞行器等上面应用，但在地面上有效地利用太阳能还不普遍。尽管已有一些太阳能灶、太阳能加热器装备出现，可是在常年多雨的地域就很难利用。据报道，在20世纪80年代美国已拟定在太空中建造一座太阳能发电站的规划，发电站长25km、宽3.8km，所有构件全部由碳纤维增强塑料制成，零件在地面成型后用航天飞机运到太空中安装，电站上由太阳能转换的电能用安装在两端的直径为700m的微波天线发送到地面接收站，这个电站所生产的电能可供一个大城市用电。这个设在太空的太阳能电站不受地球天气阴晴的影响。
原子能站发电的核燃料是具有放射性的铀235。从天然铀矿中提取铀235是利用高速旋转的离心机，提取效率与离心机转筒的线速度的四次方成正比。为了提高效果需加大转速，这就要求转筒材料经得住高速旋转的离心载荷的作用。对多种材料进行试验，高强铝合金的最大线速度为357m/s，钛合金为400～460m/s，碳纤维增强塑料是800～900m/s。由此可见，碳纤维增强塑料是制造提取铀235离心机转筒的理想材料。
（三）生命工程技术
材料科学与医学的结合发展了一系列医用人体材料。为了人类延年益寿，正在研究用人造器官代替破损病变或衰老的器官，工程塑料特别是纤维增强塑料是这一领域的首选材料。用碳纤维增强塑料制成的心脏瓣膜已经成功地植入人体；以尼龙为增强材料的人造血管也已投入使用。此外，还有有机硅、尼龙等制成的鼻、耳等器官。试验研究表明，碳-碳复合材料与人体有很好的相容性，做成的人体器官无排异反应，因此这方面的研究有广阔的应用前景。据预测，碳-碳复合材料可以制成人造心脏、人造肾脏、人造肝脏等重要器官，一旦投入使用，人类对于破损病变的器官可以像机器调换零件一样进行修理调换，这样可大大地延长人类的寿命。