論文——樹脂基復(fù)合材料的發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀

1、先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料的現(xiàn)狀及應(yīng)用 高材0808 200821218王艷 先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料的現(xiàn)狀及應(yīng)用高材0808 200821218 王艷摘要：先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料以其比強(qiáng)度比模量高、良好的耐疲勞性能、良好的抗腐蝕性能、成型工藝的多選擇性等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)獲得廣泛應(yīng)用和迅速發(fā)展。本文簡要介紹了先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料的特性，并結(jié)合其特性從應(yīng)用的角度總結(jié)了先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料的應(yīng)用和前景 。關(guān)鍵字：樹脂基復(fù)合材料 現(xiàn)狀 應(yīng)用1 前言先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料是以有機(jī)高分子材料為基體、高性能連續(xù)纖維為增強(qiáng)材料、通過復(fù)合工藝制備而成,具有明顯優(yōu)于原組分性能的一類新型材料 1 。先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料具有比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料優(yōu)越得多的力

2、學(xué)性能，可設(shè)計(jì)性優(yōu)良，還兼有耐化學(xué)腐蝕和耐候性優(yōu)良、熱性能良好、振動阻尼和吸收電磁波等功能。目前，隨著復(fù)合材料工業(yè)的迅速發(fā)展，樹脂基復(fù)合材料正憑借其本身固有的輕質(zhì)高強(qiáng)、成型方便、不易腐蝕、質(zhì)感美觀等優(yōu)點(diǎn)，越來越受到人們的青睞。2 先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料的現(xiàn)狀據(jù)有關(guān)部門的統(tǒng)計(jì)，全世界樹脂基復(fù)合材料制品共有4萬多種，全球僅纖維增強(qiáng)復(fù)合材料產(chǎn)量目前達(dá)到750多萬t，從業(yè)約45萬人，年產(chǎn)值415億歐元，其生產(chǎn)能力與市場分布情況為：北美32%、亞太地區(qū)35%、歐洲30%、其他地區(qū)3% 2 。目前，全世界高性能樹脂基復(fù)合材料的產(chǎn)量超過300萬t，高性能熱塑性復(fù)合材料的產(chǎn)量為120多萬t，其應(yīng)用領(lǐng)域主要為：汽車

3、行業(yè)占23%、建筑業(yè)21%、航空業(yè)17%、體育運(yùn)動領(lǐng)域11% 3 。從全球發(fā)展趨勢來看，近幾年歐美復(fù)合材料生產(chǎn)均持續(xù)增長，亞洲的日本發(fā)展緩慢，而中國特別是中國內(nèi)地的市場發(fā)展迅速。我國樹脂基復(fù)合材料研究，經(jīng)過多年的發(fā)展，在生產(chǎn)技術(shù)、產(chǎn)品種類、生產(chǎn)規(guī)模等方面邁過了由小到大的臺階，產(chǎn)量已經(jīng)僅次于美國，居世界第2位，其市場分布為：建筑40%、管罐24%、工業(yè)器材12%、交通6%、船艇4%、其他14% 4-6 。我國高性能樹脂基復(fù)合材料發(fā)展水平不高，所采用的基體主要有環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、乙烯基酯樹脂等。3 先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料的應(yīng)用3.1航空、航天工業(yè)樹脂基復(fù)合材料以其典型的輕量特性、卓越的比強(qiáng)度、比模量

4、、獨(dú)特的耐燒蝕和隱蔽性、材料性能的可設(shè)計(jì)性、制備的靈活性和易加工性等,在實(shí)現(xiàn)武器系統(tǒng)輕量化、快速反應(yīng)能力、高威力、大射程、精確打擊等方面起著巨大作用,使它成為航空航天工業(yè)中非常理想的材料。在航空工業(yè)中，先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料在應(yīng)用過程中不斷積累應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),提高技術(shù)水平, 完善配套技術(shù), 從非承力構(gòu)件整流蒙皮逐漸發(fā)展到承力構(gòu)件尾翼、機(jī)翼, 從簡單結(jié)構(gòu)層合壁板, 逐漸發(fā)展到整體復(fù)合材料結(jié)構(gòu)尾翼和機(jī)翼。先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料在飛機(jī)上的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)15% 30%減重, 可有效降低飛機(jī)的結(jié)構(gòu)重量, 提高飛機(jī)的機(jī)動性能和有效載荷等。飛機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料化已經(jīng)成為趨勢, 先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料已經(jīng)成為不可缺少的關(guān)鍵航空結(jié)構(gòu)材

5、料。從上世紀(jì)90 年代開始, 先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)大量使用先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料, 如f - 22飛機(jī)復(fù)合材料的用量達(dá)到約25% , f - 35 復(fù)合材料用量達(dá)到35% ,主要應(yīng)用包括機(jī)翼、機(jī)身、尾翼等主要承力構(gòu)件。先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料在民用飛機(jī)的應(yīng)用從2003 年用量得到了跨越發(fā)展, 空客公司的a380寬體客機(jī)復(fù)合材料的用量增加到24% , 波音公司的b787飛機(jī)復(fù)合材料用量達(dá)到約50% , 空客公司在研究的a350xwb復(fù)合材料用量將達(dá)到52%。隨著國內(nèi)先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料性能的提高, 制造技術(shù)的不斷成熟, 配套無損檢測和裝配等技術(shù)的完善, 國內(nèi)先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料在直升機(jī)、殲擊機(jī)和大型飛機(jī)得到相當(dāng)?shù)膽?yīng)用。

6、殲擊機(jī)復(fù)合材料的用量已經(jīng)達(dá)到6% 9% , 主要包括機(jī)翼、平尾、垂尾、前機(jī)身、鴨翼、襟副翼、腹鰭等; 直升機(jī)復(fù)合材料用量達(dá)到25% 33% ,主要包括旋翼系統(tǒng)和機(jī)身結(jié)構(gòu)。先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料機(jī)翼、平尾、垂尾、鴨翼、直升機(jī)機(jī)身、尾段等復(fù)合材料構(gòu)件已經(jīng)實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn) 7 。在航天領(lǐng)域，樹脂基復(fù)合材料不僅是方向舵、雷達(dá)、進(jìn)氣道的重要材料，而且可以制造固體火箭發(fā)動機(jī)燃燒室的絕熱殼體，也可用作發(fā)動機(jī)噴管的燒蝕防熱材料。先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料對于導(dǎo)彈屏蔽或衰減雷達(dá)波或紅外特征,提高自身生存和突防能力,具有著至關(guān)重要的作用 8 。近年來研制的新型氰酸樹脂復(fù)合材料具有耐濕性強(qiáng)、微波介電性能佳、尺寸穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛

7、用于制作宇航結(jié)構(gòu)件、飛機(jī)的主次承力結(jié)構(gòu)件和雷達(dá)天線罩。3.2能源工業(yè)在現(xiàn)今國際社會上能源短缺，各種新型能源不斷涌現(xiàn)，風(fēng)能是現(xiàn)在很有前景的清潔、可再生能源，風(fēng)力發(fā)電正快速發(fā)展，將逐步成為電力結(jié)構(gòu)的主要組成部分。風(fēng)力機(jī)組葉片是大型樹脂基復(fù)合材料，已經(jīng)成功的在風(fēng)力機(jī)組上得到應(yīng)用。樹脂基復(fù)合材料具有耐酸、耐堿、耐有機(jī)溶劑、耐油等優(yōu)異的耐腐蝕性能，因此在煤礦生產(chǎn)及石油的開采、運(yùn)輸、儲備中得到非常廣泛的應(yīng)用。從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、性能分析，如纖維增強(qiáng)塑料（f r p）塑料復(fù)合管和玻纖增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料管道十分適于天然氣、煤氣的輸送和儲存，且有利于環(huán)保，其綜合經(jīng)濟(jì)效益好、社會效益顯著。3.3建筑業(yè) 9 建筑行業(yè)發(fā)展

8、和使用樹脂基復(fù)合材料，對減輕建筑物自重、提高建筑物的使用功能、改革建筑設(shè)計(jì)、加速施工進(jìn)度、降低造價(jià)以及提高經(jīng)濟(jì)效益等都十分有利，是實(shí)現(xiàn)建筑現(xiàn)代化的必要條件。實(shí)踐表明，樹脂基復(fù)合材料應(yīng)用在現(xiàn)代建筑中比傳統(tǒng)建筑材料性能更加優(yōu)良，綜合效益更好。下面詳細(xì)介紹下樹脂基復(fù)合材料在建筑業(yè)的應(yīng)用。由于樹脂基復(fù)合材料的可設(shè)計(jì)性和良好的力學(xué)性能,其可用于建筑物的承載結(jié)構(gòu)以及建筑物加固。用作承載結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料建筑制品有柱、桁架、梁、基礎(chǔ)、承重折板、屋面板、樓板等。樹脂基復(fù)合材料圍護(hù)結(jié)構(gòu)制品有各種玻璃鋼波紋板、夾層結(jié)構(gòu)板、整體式和裝配式折板結(jié)構(gòu)和殼體結(jié)構(gòu)。用作殼體結(jié)構(gòu)的板材,它既是維護(hù)結(jié)構(gòu),又是承重結(jié)構(gòu)。在門窗材料上

9、玻璃鋼門窗是很好的材料。玻璃鋼門窗是采用中堿玻璃纖維及其織物作為增強(qiáng)材料,采用不飽和樹脂作為基體材料,并添加其他礦物填料制成。玻璃鋼門窗既有鋼窗、鋁窗的堅(jiān)固性,又有塑鋼窗的防水、耐腐蝕、保溫、節(jié)能性能,更具有自身獨(dú)特的隔音、抗老化、尺寸穩(wěn)定等性能。此外，玻璃鋼的壽命是50年,基本與建筑物的壽命相同,因此,采用玻璃鋼門窗是今后房屋建筑門窗節(jié)能保溫的發(fā)展方向。樹脂基復(fù)合材料在建筑中的其他用途也很多,如工業(yè)廠房、農(nóng)業(yè)溫室及大型公用建筑的天窗、屋頂采光,可以采用樹脂基復(fù)合材料透明板、半透明夾層結(jié)構(gòu)板、整體式和組裝式采光罩等。高層建筑的樓頂旋轉(zhuǎn)餐廳屋蓋、異形尖頂裝飾屋蓋、球形屋蓋、屋頂花園、屋頂游泳池、

10、廣告物和樓房加高等,也多采用樹脂基復(fù)合材料制造。大跨度飛機(jī)庫、各種尺寸的冷庫、防腐車間、活動房屋、崗?fù)?、仿古建筑、移動劇院、透微波塔樓、屏蔽房?也都屬于樹脂基復(fù)合材料建筑物。另外,樹脂基復(fù)合材料還可用于制作各種家具、馬路上的陰井蓋、公園和運(yùn)動場座椅、海濱浴場活動更衣室、公園仿古涼亭等。應(yīng)用于各類衛(wèi)生潔具方面的產(chǎn)品有浴盆、洗面盆、坐便盆,各種整體式、組裝式衛(wèi)生間等。3.4汽車工業(yè) 10 先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料用于汽車工業(yè)近年來發(fā)展迅速，歐美國家在汽車工業(yè)上的應(yīng)用占復(fù)合材料總量的23%，高于建筑和航空工業(yè)。汽車上應(yīng)用樹脂基復(fù)合材料可以減輕自重、降低油耗，從而提高運(yùn)載能力，用于車輛內(nèi)部裝飾具有舒適隔聲

11、、隔熱、降低震動等優(yōu)點(diǎn)。樹脂基復(fù)合材料汽車部件制品主要有車身殼體、汽車頂蓬、引擎蓋、保險(xiǎn)扛、儀器盤、油箱、座椅、剎車片和安全氣袋等，國內(nèi)用樹脂基復(fù)合材料制造汽車制動缸正處于研究的起步階段。3.4.1 玻璃纖維增強(qiáng)塑料（gfrp）在汽車上的應(yīng)用在歐洲、美國及日本等汽車制造業(yè)發(fā)達(dá)的國家，已普遍采用玻璃鋼材料制造汽車零部件。其應(yīng)用范圍包括內(nèi)裝飾件（儀表板、車門內(nèi)板、座椅、發(fā)動機(jī)罩等）；外裝飾件（保險(xiǎn)杠、擋泥板、導(dǎo)流罩等）；功能與結(jié)構(gòu)件（天然氣氣瓶、油箱、風(fēng)扇葉片、油氣踏板等）。與國外相比，我國生產(chǎn)的汽車用玻璃鋼部件較少，產(chǎn)品主要包括保險(xiǎn)杠、車頂蓋、阻流板、太陽罩、電瓶托架等。隨著原材料的發(fā)展與工藝上

12、的改進(jìn)，在汽車中大量應(yīng)用玻璃鋼/復(fù)合材料將是今后我國汽車工業(yè)發(fā)展的必然趨勢。3.4.2 碳纖維增強(qiáng)塑料（cfrp）在汽車上的應(yīng)用cfrp是汽車輕量化最理想的材料。用cfrp取代鋼材制造車身和底盤構(gòu)件，可減輕質(zhì)量68%,油耗下降40%。但由于成本高現(xiàn)在還未批量生產(chǎn)，若解決成本問題將有大量cfrp用于汽車工業(yè)中，應(yīng)用部件將包括發(fā)動機(jī)系統(tǒng)中的推桿、連桿、搖桿、水泵葉輪；傳動系統(tǒng)中的傳動軸、離合器片、加速裝置及其罩等；底盤系統(tǒng)中的懸置件、彈簧片、框架、散熱器等；車體上的車頂內(nèi)外襯、地板、側(cè)門等。 3.4.3 芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用 芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料由于比強(qiáng)度、比模量較高，由于價(jià)格高，目

13、前在汽車上應(yīng)用很少。主要用于汽車上的輪胎簾子線、高壓軟管、摩擦材料、高壓氣瓶等。芳綸纖維作為高性能防護(hù)材料還可用作汽車防彈裝甲，例如汽車門及汽車外殼的防彈內(nèi)襯。3.5船舶工業(yè) 11 先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料除具有優(yōu)越的力學(xué)性能外, 往往還兼有耐腐蝕、振動阻尼和吸收電磁波等功能, 但其價(jià)格昂貴, 只能用在艦船上關(guān)鍵性的部位, 如大型核潛艇的聲納導(dǎo)流罩、大深度魚雷的殼體、深海潛水器殼體以及高性能艇的艇體結(jié)構(gòu)、水面艦艇的重要甲板構(gòu)件等處。例如美國“洛杉磯”級核潛艇的聲納導(dǎo)流罩長7.6m、最大直徑8.1m，是目前世界上最大的先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料制品；美國“佩里”號驅(qū)逐艦首次用芳綸纖維增強(qiáng)塑料制作了裝甲；美國海

14、軍用石墨纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂材料成功地制造出自動無人深潛探海艇aussmod2的耐壓殼體；德國a i r加工技術(shù)公司開發(fā)出一種碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料螺旋槳，這種螺旋槳的槳葉由碳纖維和環(huán)氧樹脂模制而成，據(jù)稱槳葉具有很高的強(qiáng)度，可在惡劣的海況下工作；新型槳的另一項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)是槳葉材料的阻尼性能好，可使噪聲等級相對于金屬槳下降5d b，甚至在槳葉損壞的情況下振動等級仍在可接受的范圍之內(nèi)。3.6其他 先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料在化肥、造紙、生物工程、環(huán)境工程及金屬電鍍等工業(yè)中發(fā)揮了重要作用。它在機(jī)械、電子、體育、娛樂、醫(yī)療等方面也得到較好的應(yīng)用和發(fā)展,如機(jī)械制造中的軸承、齒輪、葉輪等零部件,體育上的各種水上賽艇、帆板、沖浪

15、板、雪橇、高爾夫球桿、各種球拍等體育器材。實(shí)踐證明,很多體育用品改用樹脂基復(fù)合材料制造,大大改善了其使用性能,有利于運(yùn)動員創(chuàng)造更佳成績。樹脂基復(fù)合材料釣魚竿是娛樂器材中的大宗產(chǎn)品,目前的玻璃鋼釣魚竿和碳纖維復(fù)合材料釣魚竿比模量大,具有足夠的強(qiáng)度和剛度,且重量輕、可收縮、造型美觀、攜帶方便。用樹脂基復(fù)合材料制造的揚(yáng)聲器、小提琴和電吉它等,其音響效果良好,很有發(fā)展前景。目前在娛樂設(shè)施中, 大多公園及各類游樂場所的設(shè)施,均已采用不同類型的樹脂基復(fù)合材料取代傳統(tǒng)的材料。在生物復(fù)合材料中,樹脂基復(fù)合材料的擔(dān)架、呼吸器,碳纖維/環(huán)氧結(jié)構(gòu)的假肢,人造假牙和人造腦殼等早已經(jīng)出現(xiàn),國外也有以聚丙稀腈為原料的碳纖

16、維材料來修補(bǔ)韌帶 12-13 。用碳纖維復(fù)合材料制成的心臟瓣膜成功植入人體已有幾十年的歷史,以尼龍為增強(qiáng)材料的人造器官也已投入使用。實(shí)驗(yàn)研究表明,這些材料做成的人體器官無排異反應(yīng),與人體有很好相容性,因此有著廣闊的應(yīng)用前景。4 結(jié)束語樹脂基復(fù)合材料具有良好的成形工藝性、高的比強(qiáng)度、高的比模量、低的密度、抗疲勞性、減震性、耐化學(xué)腐蝕性、良好的介電性能、較低的熱導(dǎo)率等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域中，已經(jīng)成為許多領(lǐng)域不可或缺的關(guān)鍵材料之一。因此，樹脂基復(fù)合材料具有在未來持續(xù)發(fā)展的潛力。參考文獻(xiàn) 1 益小蘇，杜善義，張立同.中國材料工程大典，第10卷：復(fù)合材料工程m.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006. 2

17、計(jì)國慶.玻璃鋼復(fù)合材料應(yīng)用于道路護(hù)擋的可行性研究j .城市道路與防洪, 2006 (4) : 49-51. 3 楊瑞成,丁旭,陳奎.材料科學(xué)與材料世界m.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005. 4 薛忠民,陳淳.復(fù)合材料的應(yīng)用與回顧j .硅酸鹽通報(bào),2005 (5):84-88. 5 潘文琴.玻璃鋼復(fù)合材料基體樹脂的發(fā)展現(xiàn)狀j .纖維復(fù)合材料, 2006 (4) : 55-58. 6 張先知.合成樹脂和塑料手冊m.3 版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2006. 7 劉代軍,陳亞莉.先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料在航空工業(yè)中的應(yīng)用j,材料工程， 2008 ( supp l. 1)：194-198. 8 翟青霞，黃英，苗璐，陳穎.樹脂基復(fù)合吸波材料在航空、航天中的應(yīng)用j.玻璃鋼/復(fù)合材料，2009（6）