所谓复合材料是指由两种或两种以上的组分材料，运用一定的工艺技术制备组合而成的多相新材料体系，其综合性能优于各自组分材料。先进复合材料指用高性能增强体如碳纤维、芳纶等高性能耐热高聚物构成的复合材料，包括金属基、陶瓷基和碳(石墨)基以及功能复合材料，复合材料的各个组成材料在性能上起协同作用，与传统材料相比，具有比强度高、质量轻、比模量高、抗疲劳性能好，及减振性能好等诸多优点，广泛应用于国防工业、航空航天、汽车制造等领域。

随着高科技领域的发展，特别是随着超高速导弹、大型运载火箭、太空舱、超音速战机、新一代大飞机等先进航天航空装备技术的发展，并伴随着人们对节约资源、保护环境意识的提高，对先进复合材料的要求逐步提高，进而对先进复合材料的高温热工装备的要求越来越高。正所谓“一代材料，一代装备”，先进复合材料的发展历程表明，一代新材料的出现支撑了一代新装备的研发，一代新装备研制牵引一代新材料的应用。

耐高温先进复合材料的制备工艺也不断推陈出新，但是，无论哪种制备工艺，都要用到热工设备。在碳纤维、碳/碳复合材料及大部分陶瓷基复合材料的制备过程中，均存在一个有机原材料无机化或陶瓷化的过程，而这个过程必须要特种热工装备来完成，以避免碳纤维、碳基体、有机原材料等非氧化物组分在高温下氧化。而对于金属基复合材料来说，在制备过程中也常常需要进行真空退火、淬火、渗碳等热处理工艺，这些工艺过程也需要特种热工装备来完成。只不过是不同的工艺所用的热工设备的结构、原理、功能不同而已。像采用Sol-gel工艺制备SiO2f/SiO2复合材料及构件时用于烧成的马弗炉，结构、原理、功能就相对简单；而像采用CVI工艺制备Cf/SiC复合材料及构件时用到的CVI炉，结构、原理、功能就相对复杂得多。然而，无论这些热工设备简单与否，它们的性能水平往往决定着所制备材料及构件的性能水平，正所谓“一代装备、一代材料”。

为了支撑先进航天航空等领域装备技术的发展，同时，为了有利于节约资源和环保，先进复合材料性能的不断突破，相应的制备工艺得到了持续的改进，由此也带动了先进复合材料热工装备技术的进步，并朝着大型化、集成化、自动化、智能化和绿色化方向发展。

大型化

随着航空航天工业的不断发展以及对重量轻、可靠、舒适性等需求的不断增加，期望能够将多个部件合并成一个整体，减少构件的数量，使得航空航天构件的尺寸越来越大，热工装备的大型化越发必要，如某航天飞行器的某先进复合材料部件外观尺寸大至3000*3000*4000mm，而相应的热工装备的炉壳尺寸更是大至6000*6000*10000mm。

传统的热工装备制造的构件尺寸有限，且构件依靠拼接，其稳定性较差，也无法更好的批量化生产。热工装备大型化可以生产大型构件，为满足航空航天行业需求提供了可能性。同时热工装备大型化后一次生产可制造更多构件，可提高生产效率，降低成本。

而在热工装备大型化研发过程中，通过模拟仿真优化装备温度场及流场又是重要发展趋势，也是调整优化装备相关部件的热膨胀系数，解决热膨胀绝对量的增加以及高温下加热原件膨胀失效问题的重要的技术手段。

集成化

热工装备发展的另一个趋势是集成化，即相关材料不同工序的热工装备集成到一台/套设备上。集成化可减少各工序的升温、冷却过程，降低能耗、提高生产效率，甚至实现由间歇式生产转变成连续式生产，并提高产品性能。例如，碳纤维制备一般依次包括预氧化、低温碳化、高温碳化、石墨化等热处理工序。传统工艺，这几个工序的热工装备是彼此独立，因此整个工艺过程是间歇式的，显然，每个工序都存在升温与冷却过程，而且还存在工序之间的转运过程。如果将这几个工序的热工装备有机的结合起来，集成为一台/套热工装备，形成连续式生产装备，不仅提高生产效率，显然也大大节省了原来各工序热工设备因升温、降温消耗及浪费的热能。不仅如此，集成化连续式生产，还有效地消除了传统工艺工序间转运过程空气对纤维质量的不利影响，提高纤维的质量。

另外，在热工装备集成化个过程中，同时应当兼顾模块化。要根据产品功能进行模块划分，每个模块单独设计，并提高模块的通用性，但又要保证模块之间的连接简单、高效。由此降低产品设计周期，提高产品开发效率，同时提高设备使用过程中的检修、维护效率，降低用户的检修、维护成本。

热工装备集成化发展的难点在于各个工序之间不互相影响。如上一道工序未反应的原料或者未完全反应的产物不能影响下一道工序的工艺，又或者该工序的产物也不能回流到上一道工序。同时，各道工序之间若为不同的气氛保护，不同气氛之间也不能产生混合以及其他影响。

自动化

热工装备采用自动化控制系统，在生产过程中，温度、气氛、压力等参数都由设备自动控制，减少了人工的操作以及人为带来的偏差或误操作，提高了生产过程的精确性。此外，相比于传统热工装备人工输送物料，采用自动称量物料、进料、出料以及各道工序之间物料的自动化输送，减少人为因素对产品质量的影响，提高质量的稳定性。同时，人工操作减少，有利于减少生产安全隐患。

另外，随着新材料产业的发展，各种新工艺的应用，对于操作人员的要求越来越高。设备自动化程度提高，设备操作简单化，可以降低生产过程中对人员的技术要求、管理要求以及培训周期，降低人工成本。

智能化

在自动化的基础上，需要进一步朝着智能化方向发展。热工装备的智能化技术应当包括：自我感知（先进传感技术、物联网）、智能分析与决策（云计算、智能控制）、自学习和自适应（大数据预测、诊断和优化）。

对于智能化热工装备，首先要具有自我感知功能，也就是通过先进的传感技术，实时在线准确检测装备本身和先进复合材料制备工艺过程中各种有关参数，甚至还包括所制备的材料和构件的相关性能，并将检查感知到的数据传输至装备的数据智能处理器或装备生产厂商的数据处理中心。然后数据智能处理器或装备生产厂商的数据处理中心对这些数据通过云计算，进行分析，并根据相关分析结果，自动给装备相关机构下达调节指令，相关机构根据指令实现参数调节。最后，智能装备要具有自我学习和自适应能力，即智能热工装备能根据所要处理的材料或构件的初始和最终性能参数等，能基于大数据预测、诊断和优化，自动给出合理的设备和工艺参数，进行材料和构件的热处理。

另外，热工装备的智能化，应当还要包含装备的信息化。即要将设备信息的数字化，甚至可视化，并将设备连接网络，建立物联网，采集到的数据存放到设备数据中心，以提高智能热工装备的智能分析与决策及自学习和自适应能力和水平。

绿色化

热工装备的全面发展不仅要关注装备性能和有助于材料及其构件性能和生产效益的提高，在当前国家大力倡导工业制造绿色化的发展趋势下，还要最大限度的践行“高效、低能耗、低排放、零排放”绿色化产品制造理念，努力优化和完善装备设计与制造工艺，在满足材料及构件制备工艺要求的同时，要尽量提高能源利用效率、减少材料制备过程产生的废尾气等对人体和环境的伤害和污染。

例如，湖南顶立科技股份有限公司在设计制造某热工装备过程中，在设计制造热工装备过程中，通过采用计算机辅助设计与模拟等手段对炉体构造、加热元件形状及分布等进行优化设计，提高了设备节能性及均温性；同时通过传热学计算设计，采用新型隔热炉衬结构，减少炉衬的散热和蓄热量，提高炉温均匀性，且使装备炉壳外壁表面温度降低了20℃。另外，通过采用红外辐射涂料涂层等新型节能材料，并同时采用轻质砖、耐火纤维、复合炉衬，降低炉壳外壁热辐射，减少热损失，缩短升温时间。炉衬材料采用轻质耐火保温陶瓷纤维板，与传统全砖结构炉衬相比，散热损失和蓄热损失大为减少。纤维制品质量轻、比热容小，可使保温层厚度减少 1/3左右，故总重量减轻30%左右。此外，该装备炉衬采用全纤维整体结构，物料在热处理过程中不会出现炉温波动现象，比传统炉型结构节能30%左右，优化了尾气处理技术，提高了热效率，减少了废气排放。最后根据工序中产生的尾气成分，设计了相应的尾气处理装置，依次对其中含有的有害物质进行处理，实现了尾气的无害排放。

“工欲善其事，必先利其器”，装备制造技术的发展已经成为我国新材料产业提升与转型的关键因素。加快先进复合材料相关热工装备制造技术的发展，对推动复合材料产业技术进步，实现“中国制造”向“中国创造”的转变具有重大的意义。

（文章节选自《先进复合材料高温热工装备》）