新型復合材料的發(fā)展與應用

1、新型復合材料的發(fā)展與應用復合材料是應現(xiàn)代科學技術(shù)發(fā)展而涌現(xiàn)出的一類具有極大生命力的新材料，它們均由兩種或兩種以上物理和化學性質(zhì)不同的物質(zhì)組合起來而得到的一種多相固材料。復合材料區(qū)別于單一材料的顯著特征是材料性能的可設(shè)計性，即經(jīng)過選擇性設(shè)計和加工，通過各組分性能間的相互補充，可獲得新的優(yōu)良性能。生活中有許許多多的復合材料，傳統(tǒng)的復合材料有鋼筋混凝土，玻璃鋼魚竿、一體成型的鞋子、用于開關(guān)絕緣的合成樹脂等。新型復合材料是具有更高性能的材料，具有比強度高、比模量高、密度低等，它包括用碳、芳綸、陶瓷等纖維和晶體等高性能增強體與耐熱性好的熱固性和熱塑性樹脂基構(gòu)成的高性能聚合物復合材料。人類在遠古時代就從實

2、踐中認識到，？可以根據(jù)用途需要，組合兩種或多種材料，利用性能優(yōu)？勢互補，制成原始的復合材料。所以，復合材料既是一？種新型材料，也是一種古老的材料。復合材料的發(fā)展歷？史，可以從用途、構(gòu)成、功能，以及設(shè)計思想和發(fā)展研？究等，大體上分為古代復合材料和現(xiàn)代復合材料兩個階？段。？古代復合材料在西安東郊半坡村仰韶文化遺址，？發(fā)現(xiàn)早在公元前2000年以前，古代人已經(jīng)用草莖增強？土坯作住房墻體材料。？在金屬基復合材料方面，中國也有高超的技藝。最具代表性的如越王劍，是金屬包層復合材料制品，不僅光亮鋒利，而？且韌性和耐蝕性優(yōu)異，埋藏在潮濕環(huán)境中幾千年，出土后依然寒光奪目，鋒利無比。5000年以前，中東地區(qū)用蘆葦增

3、強瀝青造船。古埃及墓葬出土，發(fā)現(xiàn)有用名貴紫檀木在普通木材上裝飾貼面的棺撐家具。古埃及修建金字塔，用石灰、火山灰等作粘合劑，混和砂石等作砌料，這是最早最原始的顆粒增強復合材料。但是，上述輝煌的歷史遺產(chǎn)，只是人類在與自然界的斗爭實踐中不斷改進而取得的，同時都是取材于天然材料，對復合材料還是處于不自覺的感性認識階段到了19世紀，兩次工業(yè)革命的進行，天然聚合物的性能已經(jīng)不能滿足工業(yè)發(fā)展對材料性能的需要。工業(yè)革命的進行、經(jīng)濟實力的迅速發(fā)展，帶動科學技術(shù)巨大發(fā)展，不同于天然材料的現(xiàn)代復合材料應運而生。而真正現(xiàn)代意義上的復合材料最早出現(xiàn)在1847年。許許多多的科學家為復合材料的發(fā)展做出了重大貢獻。1847年

4、瑞典化學家Berzelius,這位現(xiàn)代化學的奠基人之一，首次在實驗室發(fā)明了飽和聚酯。1894年Vorlander在實驗室著手對乙二醇馬來酸的研究工作，成為記錄在案最早的一位研究不飽和聚酯樹脂的化學家。1920年先鋒人物WallaceCarothers開始對乙二醇與不飽和脂肪酸合成的聚酯的研究工作。1922年首個聚酯樹脂被研發(fā)成功。1930年末研究人員Bradley,Kropa和Johnson三人共同研究不飽和聚酯的固化情況，在報告中提高，固化后，它們可以分為可熔性和不可溶性(熱固性)。1935年歐文斯科寧(OwensCorning)首次引入玻璃纖維1941年不飽和聚酯首次投入美國的壓鑄商業(yè)市場

5、1942年美國橡膠公司開發(fā)出玻璃纖維增強聚酯樹脂作為基體的復合材料。1946年船艇制造商開始意識到纖維增強復合材料為整個工業(yè)帶來了何種變革，在這年中首個復合材料船身的游艇在美國建成，還首次引入了冷固化系統(tǒng)。1950年早期閉模工藝開發(fā)完成。1951年中期不飽和聚酯樹脂在歐洲投入商業(yè)化生產(chǎn)。1963年碳纖維增強材料引入市場過20世界60年代末期使用，樹脂基高性能復合材料被用于飛機的承力結(jié)構(gòu)，后又逐漸進入工業(yè)其他領(lǐng)域。70年代末期發(fā)展出了用高強度、高模量的耐熱碳纖維和陶瓷纖維與金屬復合，特別是魚輕金屬復合，形成了金屬基復合材料，克服了樹脂基復合材料耐熱性差、導熱性低等缺點，已廣泛應用于航空航天等高科

6、技領(lǐng)域。80年代開始，逐漸出現(xiàn)了陶瓷復合材料。復合材料因其具有可設(shè)計的特點受到廣泛的重視，因而發(fā)展極快。目前全世界復合材料的年產(chǎn)量已達550多萬噸，年產(chǎn)值達1300億美元以上，若將歐、美的軍事航空航天的高價值產(chǎn)品計入，其產(chǎn)值將更為驚人。從應用上看，復合材料在美國和歐洲主要用于航空航天、汽車等行業(yè)。2000年美國汽車零件的復合材料用量達14.8萬噸，歐洲汽車復合材料用量到2003年估計可達10.5萬噸。而在日本，復合材料主要用于住宅建設(shè)，如衛(wèi)浴設(shè)備等，此類產(chǎn)品在2000年的用量達7.5萬噸，汽車等領(lǐng)域的用量僅為2.4萬噸。纖維復合材料是當今世界發(fā)展最快運用最多的新型多功能復合材料，其中碳纖維以優(yōu)

7、良的性能而應用最多。碳纖維密度小、耐酸、熱膨脹系數(shù)小，具有良好的耐高溫蠕變性能，而且碳纖維根據(jù)力學性能不同而有多種分類，如高強型、高模量型等分別用于不同場所。F1中復合材料的應用1950年初，主流的F1賽車底盤主要由鋁合金制造。隨著二戰(zhàn)開發(fā)成功的玻纖增強樹脂由于能廉價生產(chǎn)，開始得到廣泛應用，并逐步替代了鋁合金，這種狀況一直持續(xù)到1980年。最早的真正意義上的復合材料底盤是cooper車隊在20世紀60年代早期開發(fā)的，以“切割一折疊”的方法，將鋁合金外殼和蜂窩狀鋁合金內(nèi)核和玻璃鋼的內(nèi)殼用樹脂粘合在一起。雖然這部車沒有真正上過賽道，但它確是后20年F1底盤設(shè)計的基礎(chǔ)。業(yè)內(nèi)公認碳纖維復合材料底盤首先

8、由麥克勞倫車隊在1980年引入，雖然蓮花車隊對此頗有爭議，但在隨后的1981年賽季，該底盤以其優(yōu)異的機械性能、自重輕、修補高效和方便獲得了廣泛認同。在1981年意大利大獎賽中麥克勞倫車隊的約翰-沃特僧由于賽車失控，劇烈撞擊了保護墻，然而他毫發(fā)無傷地走出來，徹底打消了人們對碳纖維復合材料底盤承受高應力負載的懷疑。2007年加拿大站庫比卡的賽車以超過300km/h的速度撞到防護墻，賽車被彈到空中掉落翻滾在賽道的另一頭從，賽車基本粉碎，可是座艙保持完好，車內(nèi)的庫比卡事后檢查只是扭傷了腳踝，竟然沒耽誤下一次的比賽。由此可見，碳纖維復合材料在F1中所表現(xiàn)出的優(yōu)異性能?，F(xiàn)在，除了底盤，變速箱，懸掛，剎車等

9、都可以采用碳纖維復合材料?，F(xiàn)代F1賽車約85%體積和30%的質(zhì)量都是碳纖維復合材料。碳纖維復合材料的能量吸收特點對提高賽車運動的安全性做出了很大貢獻。現(xiàn)在，不僅專業(yè)比賽中的汽車使用高性能復合材料，許多民用汽車也開始使用復合材料，許多跑車為追求加速性能，不得不降低整車質(zhì)量，這使復合材料低密度這一特性便有了很大用處。全碳車身的帕加尼ZondaR超級跑車，摸上去手感與塑料差不多，卻有著鋼鐵一般強度和韌性的碳纖維組件，不僅能夠幫助整車有效減重，更由于其昂貴的特性而變成奢華的象征。以法拉利、蘭博基尼、帕加尼等為代表的意大利超級跑車想必大家非常熟悉，為了追求輕量化，由于制造過程幾乎不計成本，所以在車上大規(guī)

10、模應用碳纖維組件甚至整車使用碳纖維材料。奔馳嘗試應用碳纖維材料作為潰縮區(qū)域，首先在SLRMcLaren上得到了應用。呈尖塔狀的碳纖維潰縮柱由無數(shù)根粗壯的碳纖維經(jīng)過編織而成，雖然結(jié)構(gòu)依舊無比堅硬，但是在設(shè)計上讓它能夠在正面碰撞時破碎成無數(shù)細小的碎片，來吸收大量的能量，并且碎片不會對人造成傷害，這一點非常類似于汽車鋼化玻璃的破碎原理。目前碳纖維材料在民用量產(chǎn)汽車，尤其是中檔產(chǎn)品應用也十分廣泛，很多廠商也已經(jīng)開始提供碳纖維材料的小組件，如后視鏡殼、內(nèi)飾門板、門把手、排擋桿、賽車座椅、空氣套件等，同時可以原裝位安裝到發(fā)動機艙的風箱、進氣歧管等碳纖維改裝件也是品種繁多。在飛機中的應用2013年6月2日上

11、午，中國首架波音787夢想飛機”抵達廣州白云機場，這一噴繪著夢想之翼"涂裝的787飛機從此將加入南航機隊。南航成為中國首家、全球第10家接收787夢想飛機的航空公司。波音787擁有多項技術(shù)創(chuàng)新，其中最引人注目的是波音787機體結(jié)構(gòu)的50%都用更輕、更堅固的碳纖維合成材料代替鋁合金，是第一款以碳纖維合成物為主體材料的民用噴氣式客機，也是是迄今為止復合材料用量最多的一個機型：其機身、機尾翼采用碳纖維層合結(jié)構(gòu)；而升降舵、方向舵卻保留了過去采用的碳纖維夾芯結(jié)構(gòu)；發(fā)動機艙除受力大的發(fā)動機吊架外均采用碳纖維夾芯結(jié)構(gòu)；整流罩采用玻璃纖維夾芯結(jié)構(gòu)。在使用復合材料方面,空中客車A380在研制中使用了創(chuàng)

12、新的GLARE（玻璃纖維增強鋁材料）材料，與傳統(tǒng)鋁材料相比，重量輕、強度高、抗疲勞特性好，維修性能和使用壽命也得到大大改善，不需要特別的加工工藝。飛機約25%由高級減重材料制造，其中22%為碳纖維混合型增強塑料（CFRP）,3%為首次用于民用飛機的GLARE纖維-金屬板?？罩锌蛙嘇380首次采用了復合材料碳纖維制成的連接機翼與機身的中央翼盒。止匕外，空中客車A380還首次在后壓力艙后部的后機身采用了復合材料。被叫做空中巨無霸的大型客機空客A380,約有25%由先進輕質(zhì)復合材料制造，其中22%為碳、玻璃或者石英纖維增強塑料，3%為GLAREL種玻璃纖維一鋁層壓板）材料。高鐵意大利ETR500高速

13、列車的車頭前突部分采用的是芳綸纖維增強環(huán)氧樹脂的FRP,用這種材料模型成型的符合空氣動力學線型要求的車頭，具有優(yōu)異的抗沖擊能力，當列車以300km/h速度行駛時有很好的尺寸穩(wěn)定性法國國營鐵路公司（SNCF）認為對于未來的TGV高速列車，考慮到迫切需要進一步減輕車體質(zhì)量，采用碳和玻璃纖維強化環(huán)氧樹脂包覆發(fā)泡蜂窩材料芯，制造雙層掛車，并進行線路運行試驗，對其耐火性、抗沖擊強度等進行運行測試，結(jié)果表明：?復合材料車體的制造工藝是有效的，它比鋁制或鋼制車體的強度大，用碳纖維復材預計可比鋁制車的質(zhì)量減少25%;?復合材料車體在振動性能、透聲性能和絕熱性能方面的優(yōu)點，提高了車體的舒適性。轉(zhuǎn)向架的構(gòu)架是特別

14、重要的高強度部件，關(guān)系到整個車輛安全性。轉(zhuǎn)向架必須滿足安全、運行舒適度以及耐磨損、易檢修等要求。多采用優(yōu)質(zhì)碳素鋼、低合金低碳高強度鋼、耐候鋼制造的構(gòu)架。近來研究熱點為高分子復合材料和鋁合金制造的構(gòu)架。德國開發(fā)了世界上第一個纖復合材料的轉(zhuǎn)向架構(gòu)架，并過了靜態(tài)模擬實驗、耐久試驗、運行試驗，運營了100多萬km后檢測未現(xiàn)任何損壞、磨損或撕裂?，F(xiàn)狀目前全球復合材料從業(yè)人員約45萬人，總產(chǎn)值約1000億歐元。我國2009年產(chǎn)量達323萬噸，已先后超過德國、日本而居世界第二位，并接近居世界首位的美國水平。全球復合材料行業(yè)的重心正在從歐美發(fā)達國家轉(zhuǎn)向亞洲，亞洲復合材料產(chǎn)量高速增長是行業(yè)發(fā)展最明顯的趨勢之一，產(chǎn)量到2015年有望翻番，達1000萬噸。預計亞洲在全球復合材料市場所占比重將從本世紀初的25%提升至2013年的51%o中國隨著風能和航空航天等高精尖技術(shù)的發(fā)展，復合材料在高附加值領(lǐng)域的應用將更多將成為全球復合材料最活躍、發(fā)展最快的地區(qū)。未來幾年隨著中國經(jīng)濟結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變、經(jīng)濟的轉(zhuǎn)型以及國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，復合材料在中國將獲得更大發(fā)展。印度在復合材料方面也蘊藏著不可忽視的增長潛力，汽車等應用領(lǐng)域的快速發(fā)展將帶動印度復合材料行業(yè)成長。中東、馬來西亞、越南和印度尼西亞也是高增長潛力的國家和地區(qū)