纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的應(yīng)用現(xiàn)狀與展望

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的應(yīng)用現(xiàn)狀與展望

輕量化研究是現(xiàn)代材料設(shè)計(jì)和制造的主流。隨著節(jié)能環(huán)保要求的提高，輕量化材料在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用將更加廣泛。目前,開發(fā)應(yīng)用的輕質(zhì)材料主要包括高強(qiáng)度鋼、輕合金材料、工程塑料及復(fù)合材料。復(fù)合材料主要以高性能纖維增強(qiáng)基體樹脂的復(fù)合材料為主。在輕質(zhì)材料領(lǐng)域,纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料是在工程塑料高性能化的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,具有質(zhì)輕、高模高強(qiáng)、易成型、耐腐蝕、隔熱隔電、耐沖擊、抗振等特點(diǎn),在質(zhì)量減輕與強(qiáng)度方面達(dá)到甚至超過了輕質(zhì)合金、工程塑料等。在先進(jìn)復(fù)合材料領(lǐng)域,除廣泛應(yīng)用的玻璃纖維外,碳纖維、芳綸、超高相對分子質(zhì)量聚乙烯纖維是當(dāng)今世界三大高性能纖維,是高性能纖維復(fù)合材料領(lǐng)域的關(guān)鍵材料。本文分別從玻璃纖維、碳纖維、芳綸及超高相對分子質(zhì)量聚乙烯纖維等纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料出發(fā),介紹了纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在輕量化領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀。1基復(fù)合材料制品20世紀(jì)60年代中葉,我國就已研發(fā)出多種玻璃纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料制品。隨著先進(jìn)制備技術(shù)、成型工藝的引進(jìn)開發(fā),以及環(huán)氧樹脂、不飽和聚酯等樹脂基體的配套生產(chǎn),我國成為繼日本、美國之后自主研發(fā)并具有世界先進(jìn)水平的玻璃纖維工業(yè)的國家。1.1璃纖維復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的是高強(qiáng)高模玻璃纖維復(fù)合材料。在飛機(jī)上,玻璃纖維復(fù)合材料主要用于制造內(nèi)外側(cè)副翼、方向舵、擾流板、機(jī)艙內(nèi)的頂板、行李箱、各類儀表盤、機(jī)身空調(diào)艙、蓋板等,達(dá)到質(zhì)輕美觀耐用的效果。在航天領(lǐng)域,玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料可應(yīng)用于固體發(fā)動機(jī)殼體、熱防護(hù)材料等。1.2風(fēng)力發(fā)電將帶動風(fēng)力發(fā)電發(fā)展目前,風(fēng)機(jī)葉片的主要材料是玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂、不飽和聚酯樹脂復(fù)合材料。我國風(fēng)力發(fā)電發(fā)展迅速,預(yù)計(jì)2014—2015年年均裝機(jī)容量將高于l萬MW,需纖維增強(qiáng)復(fù)合材料14萬~18萬t;到2020年我國風(fēng)力發(fā)電能力將達(dá)到3萬MW,這將為高性能玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料提供市場空間。1.3車內(nèi)板、后護(hù)板、外裝飾件的安裝玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用研究較早,可用于制作內(nèi)裝飾件中的儀表盤、車門內(nèi)板、后護(hù)板、車內(nèi)頂、座椅、發(fā)動機(jī)罩、蓋板等;外裝飾件中的保險(xiǎn)杠、檔泥板、導(dǎo)流罩等;功能與結(jié)構(gòu)件中的天然氣氣瓶、油箱、風(fēng)扇葉片、油氣踏板等。目前,歐美發(fā)達(dá)國家汽車用玻璃鋼約占其玻璃鋼總產(chǎn)量的30%以上,而我國應(yīng)用比例較小,約為5%~10%。1.4用于壓力檢測高性能玻璃纖維可以用于纏繞各種高壓氣瓶,應(yīng)用于醫(yī)療、煤礦、消防等領(lǐng)域。1.5體育用品方面玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料可用來制作滑雪板和沖浪板、游艇、帆船、山地自行車、釣竿、網(wǎng)球和羽毛球拍、劃艇、高爾夫球桿、撐桿、滑雪板等體育用品。2碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是材料領(lǐng)域的輕質(zhì)、高強(qiáng)高模的典型代表,可廣泛應(yīng)用于新能源開發(fā)、交通運(yùn)輸、太空和海洋開發(fā)、建筑、機(jī)械、武器制備等領(lǐng)域。從表1數(shù)據(jù)可以看出,碳纖維復(fù)合材料的減重效果顯著。從材料性能來講,碳纖維復(fù)合材料是目前最理想的輕量化材料。2.1碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在起落架中的使用高性能碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料輕質(zhì)、高強(qiáng)等特性能夠滿足高性能航空、航天飛行器的使用要求,在航空航天領(lǐng)域得到了推廣應(yīng)用,且目前仍然是其研發(fā)應(yīng)用的重點(diǎn)。在民用領(lǐng)域,碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧、雙馬來酰亞胺樹脂基復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于起落架艙門、內(nèi)外側(cè)副翼、內(nèi)外襟翼、方向舵、升降舵、擾流板、中央翼、整個(gè)尾端、機(jī)翼后端、飛機(jī)尾部等,如碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在空客A380、波音787、C919等中的使用比例超過20%。在軍用飛機(jī)上,碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料使用比例約為35%,可用于翼梁、縱梁、機(jī)翼箱型梁、升降舵蒙皮、氣動舵面、機(jī)翼蒙皮、桁條以及中央翼盒與外翼盒接頭等,此外,碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料還可用于巡航導(dǎo)彈、宇宙飛船部件以及固體火箭發(fā)動機(jī)殼體。隨著飛行器向高空、高速、無人化、智能化、低成本化方向發(fā)展,碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的地位會越來越重要。2.2碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在船舶的應(yīng)用船舶行業(yè)大多采用玻璃纖維增強(qiáng)聚酯樹脂復(fù)合材料,隨著復(fù)合材料向低成本、高性能化發(fā)展及對制品性能要求的提高,船舶行業(yè)開始采用高性能碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料應(yīng)用于船舶上層建筑,可減輕上層建筑的質(zhì)量,提高安全性能;用于艦船推進(jìn)器,如碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料螺旋槳具有可批量生產(chǎn)、成本低、質(zhì)量輕、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn);還可用于制造復(fù)合材料桅桿、船體結(jié)構(gòu)等。2.3應(yīng)用泛的應(yīng)用汽車輕量化研究是現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)制造的一大主流。采用碳纖維復(fù)合材料的汽車部件既能同時(shí)實(shí)現(xiàn)輕量化,又能保證安全性與舒適性,在汽車節(jié)能減排等領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。近年來,隨著低成本大絲束碳纖維的出現(xiàn)及低成本工藝的發(fā)展,碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料成本下降,其在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用開始呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展之勢,可用于汽車發(fā)動機(jī)部件、車頂、底盤、板簧、車身、輪轂、傳動軸、剎車盤等,目前已在賽車、高檔跑車、轎車及特種車上得到了應(yīng)用,如奔馳、寶馬、奧迪、福特、大眾、本田、日產(chǎn)等幾乎都開始采用各種碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。但由于碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料成本仍然較高且成型周期長,在汽車領(lǐng)域的批量化應(yīng)用還有待進(jìn)一步發(fā)展。2.4碳纖維復(fù)合材料風(fēng)機(jī)葉片用纖維在能源工業(yè)領(lǐng)域,碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料可用于制備風(fēng)力發(fā)電葉片、輸電桿塔及電網(wǎng)設(shè)備等。2010年我國風(fēng)機(jī)葉片市場碳纖維應(yīng)用量為250t,到2015年碳纖維的應(yīng)用量將為3000t,其市場份額將由2010年的3.08%增至15.63%,而碳纖維風(fēng)電葉片復(fù)合材料將達(dá)到5000t,到2020年我國風(fēng)機(jī)葉片市場對碳纖維的需求量將達(dá)到萬噸級水平。同時(shí),隨著我國電網(wǎng)新建和改造,碳纖維復(fù)合材料輸電導(dǎo)線應(yīng)用前景也十分廣闊。2010年該領(lǐng)域?qū)μ祭w維的需求量為310t,到2015年將為1200t,而對碳纖維復(fù)合材料的需求量將達(dá)到2000t。2.5對碳纖維復(fù)合材料的需求現(xiàn)代國際性體育運(yùn)動項(xiàng)目中,許多高性能羽毛球拍、網(wǎng)球拍、釣魚竿、箭弓、高爾夫球棒、滑雪板、沖浪板、登山器材及比賽用自行車、賽車、跑車、賽艇、高速游艇等基本上都是由碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧基復(fù)合材料制造。在體育休閑用品領(lǐng)域,2010年碳纖維的需求量為6000t,到2015年將為1萬t,對碳纖維復(fù)合材料的需求量將達(dá)到1.7萬t。但隨著碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在工業(yè)等領(lǐng)域的發(fā)展,未來5年其在體育休閑用品領(lǐng)域的份額會有所下降。3高性能聚苯胺材料芳綸是芳香族聚酰胺纖維的簡稱,具有高強(qiáng)高模、低密度、耐腐蝕、低導(dǎo)熱、耐沖擊、抗疲勞以及良好的減震性能及介電性能,是先進(jìn)復(fù)合材料中僅次于碳纖維的另一種高性能纖維。3.1增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料在固體熱彈頭體體的應(yīng)用芳綸增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料工業(yè)發(fā)展的最初動力是固體火箭發(fā)動機(jī)殼體、航空氣瓶及其它軍用制品,目前這些領(lǐng)域仍然是開發(fā)重點(diǎn)。芳綸增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料最早應(yīng)用于美國潛地導(dǎo)彈固體火箭發(fā)動機(jī)殼體,比玻璃纖維復(fù)合材料殼體的質(zhì)量減輕1/3,而強(qiáng)度大為提高。此后,芳綸復(fù)合材料被用于第二代固體火箭發(fā)動機(jī)殼體材料,美國、俄羅斯、法國等國家均開展了相關(guān)研究及應(yīng)用。在民用領(lǐng)域,芳綸復(fù)合材料已成功用于波音B757、B767飛機(jī)的殼體、起落架艙門、貨艙、內(nèi)部裝飾件及座椅等,可使飛機(jī)質(zhì)量減輕30%。3.2排放的織物上、區(qū)域在體育用品領(lǐng)域應(yīng)用,芳綸復(fù)合材料可用于賽艇艇身、帆板板體、曲棍球棒、高爾夫球棒、羽毛球拍等,但應(yīng)用較少。此外芳綸增強(qiáng)復(fù)合材料還可應(yīng)用于防彈材料、雷達(dá)天線罩及防護(hù)織物等領(lǐng)域。4材料主流材料超高相對分子質(zhì)量聚乙烯纖維所具有的輕質(zhì)高強(qiáng)及高韌性的特性,使其成為防刺防彈材料的首選,可應(yīng)用于軍事、警用防彈防護(hù)領(lǐng)域,成為該領(lǐng)域中替代傳統(tǒng)防彈材料的主流材料。此外,由于超高相對分子質(zhì)量聚乙烯纖維具有低密度、高韌性,適用于制作輕質(zhì)高強(qiáng)繩索。5纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在其他領(lǐng)域的應(yīng)用綜上所述,隨著各領(lǐng)域材料輕量化、高