新型復(fù)合材料的發(fā)展與應(yīng)用

1、新型復(fù)合材料的發(fā)展與應(yīng)用復(fù)合材料是應(yīng)現(xiàn)代科學(xué)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(xué)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(fù)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(jì)性，即經(jīng)過選擇性設(shè)計(jì)和加工，通過各組分性能間的相互補(bǔ)充，可獲得新的優(yōu)良性能。生活中有許許多多的復(fù)合材料，傳統(tǒng)的復(fù)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(fù)合材料是具有更高性能的材料，具有比強(qiáng)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(qiáng)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(fù)合材料。人類在遠(yuǎn)古時(shí)代就從實(shí)

2、踐中認(rèn)識(shí)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(shì)互補(bǔ)，制成原始的復(fù)合材料。所以，復(fù)合材料既是一？種新型材料，也是一種古老的材料。復(fù)合材料的發(fā)展歷？史，可以從用途、構(gòu)成、功能，以及設(shè)計(jì)思想和發(fā)展研？究等，大體上分為古代復(fù)合材料和現(xiàn)代復(fù)合材料兩個(gè)階？段。？古代復(fù)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(qiáng)？土坯作住房墻體材料。？在金屬基復(fù)合材料方面，中國(guó)也有高超的技藝。最具代表性的如越王劍，是金屬包層復(fù)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(qiáng)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(qiáng)復(fù)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(zhēng)實(shí)踐中不斷改進(jìn)而取得的，同時(shí)都是取材于天然材料，對(duì)復(fù)合材料還是處于不自覺的感性認(rèn)識(shí)階段到了19世紀(jì)，兩次工業(yè)革命的進(jìn)行，天然聚合物的性能已經(jīng)不能滿足工業(yè)發(fā)展對(duì)材料性能的需要。工業(yè)革命的進(jìn)行、經(jīng)濟(jì)實(shí)力的迅速發(fā)展，帶動(dòng)科學(xué)技術(shù)巨大發(fā)展，不同于天然材料的現(xiàn)代復(fù)合材料應(yīng)運(yùn)而生。而真正現(xiàn)代意義上的復(fù)合材料最早出現(xiàn)在1847年。許許多多的科學(xué)家為復(fù)合材料的發(fā)展做出了重大貢獻(xiàn)。1847年

4、瑞典化學(xué)家Berzelius,這位現(xiàn)代化學(xué)的奠基人之一，首次在實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了飽和聚酯。1894年Vorlander在實(shí)驗(yàn)室著手對(duì)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(xué)家。1920年先鋒人物WallaceCarothers開始對(duì)乙二醇與不飽和脂肪酸合成的聚酯的研究工作。1922年首個(gè)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(bào)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(guó)的壓鑄商業(yè)市場(chǎng)

5、1942年美國(guó)橡膠公司開發(fā)出玻璃纖維增強(qiáng)聚酯樹脂作為基體的復(fù)合材料。1946年船艇制造商開始意識(shí)到纖維增強(qiáng)復(fù)合材料為整個(gè)工業(yè)帶來了何種變革，在這年中首個(gè)復(fù)合材料船身的游艇在美國(guó)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(qiáng)材料引入市場(chǎng)過20世界60年代末期使用，樹脂基高性能復(fù)合材料被用于飛機(jī)的承力結(jié)構(gòu)，后又逐漸進(jìn)入工業(yè)其他領(lǐng)域。70年代末期發(fā)展出了用高強(qiáng)度、高模量的耐熱碳纖維和陶瓷纖維與金屬復(fù)合，特別是魚輕金屬復(fù)合，形成了金屬基復(fù)合材料，克服了樹脂基復(fù)合材料耐熱性差、導(dǎo)熱性低等缺點(diǎn)，已廣泛應(yīng)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(fù)合材料。復(fù)合材料因其具有可設(shè)計(jì)的特點(diǎn)受到廣泛的重視，因而發(fā)展極快。目前全世界復(fù)合材料的年產(chǎn)量已達(dá)550多萬噸，年產(chǎn)值達(dá)1300億美元以上，若將歐、美的軍事航空航天的高價(jià)值產(chǎn)品計(jì)入，其產(chǎn)值將更為驚人。從應(yīng)用上看，復(fù)合材料在美國(guó)和歐洲主要用于航空航天、汽車等行業(yè)。2000年美國(guó)汽車零件的復(fù)合材料用量達(dá)14.8萬噸，歐洲汽車復(fù)合材料用量到2003年估計(jì)可達(dá)10.5萬噸。而在日本，復(fù)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(dá)7.5萬噸，汽車等領(lǐng)域的用量?jī)H為2.4萬噸。纖維復(fù)合材料是當(dāng)今世界發(fā)展最快運(yùn)用最多的新型多功能復(fù)合材料，其中碳纖維以優(yōu)

7、良的性能而應(yīng)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(xué)性能不同而有多種分類，如高強(qiáng)型、高模量型等分別用于不同場(chǎng)所。F1中復(fù)合材料的應(yīng)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(qiáng)樹脂由于能廉價(jià)生產(chǎn)，開始得到廣泛應(yīng)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(fù)合材料底盤是cooper車隊(duì)在20世紀(jì)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(jì)的基礎(chǔ)。業(yè)內(nèi)公認(rèn)碳纖維復(fù)合材料底盤首先

8、由麥克勞倫車隊(duì)在1980年引入，雖然蓮花車隊(duì)對(duì)此頗有爭(zhēng)議，但在隨后的1981年賽季，該底盤以其優(yōu)異的機(jī)械性能、自重輕、修補(bǔ)高效和方便獲得了廣泛認(rèn)同。在1981年意大利大獎(jiǎng)賽中麥克勞倫車隊(duì)的約翰-沃特僧由于賽車失控，劇烈撞擊了保護(hù)墻，然而他毫發(fā)無傷地走出來，徹底打消了人們對(duì)碳纖維復(fù)合材料底盤承受高應(yīng)力負(fù)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(hù)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(fù)合材料在F1中所表現(xiàn)出的優(yōu)異性能。現(xiàn)在，除了底盤，變速箱，懸掛，剎車等

9、都可以采用碳纖維復(fù)合材料。現(xiàn)代F1賽車約85%體積和30%的質(zhì)量都是碳纖維復(fù)合材料。碳纖維復(fù)合材料的能量吸收特點(diǎn)對(duì)提高賽車運(yùn)動(dòng)的安全性做出了很大貢獻(xiàn)?，F(xiàn)在，不僅專業(yè)比賽中的汽車使用高性能復(fù)合材料，許多民用汽車也開始使用復(fù)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(fù)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(jí)跑車，摸上去手感與塑料差不多，卻有著鋼鐵一般強(qiáng)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(jí)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(jì)成本，所以在車上大規(guī)

10、模應(yīng)用碳纖維組件甚至整車使用碳纖維材料。奔馳嘗試應(yīng)用碳纖維材料作為潰縮區(qū)域，首先在SLRMcLaren上得到了應(yīng)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(jiān)硬，但是在設(shè)計(jì)上讓它能夠在正面碰撞時(shí)破碎成無數(shù)細(xì)小的碎片，來吸收大量的能量，并且碎片不會(huì)對(duì)人造成傷害，這一點(diǎn)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(yīng)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(shí)可以原裝位安裝到發(fā)動(dòng)機(jī)艙的風(fēng)箱、進(jìn)氣歧管等碳纖維改裝件也是品種繁多。在飛機(jī)中的應(yīng)用2013年6月2日上

11、午，中國(guó)首架波音787夢(mèng)想飛機(jī)”抵達(dá)廣州白云機(jī)場(chǎng)，這一噴繪著夢(mèng)想之翼"涂裝的787飛機(jī)從此將加入南航機(jī)隊(duì)。南航成為中國(guó)首家、全球第10家接收787夢(mèng)想飛機(jī)的航空公司。波音787擁有多項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新，其中最引人注目的是波音787機(jī)體結(jié)構(gòu)的50%都用更輕、更堅(jiān)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(jī)，也是是迄今為止復(fù)合材料用量最多的一個(gè)機(jī)型：其機(jī)身、機(jī)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(dòng)機(jī)艙除受力大的發(fā)動(dòng)機(jī)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(fù)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(qiáng)鋁材料）材料，與傳統(tǒng)鋁材料相比，重量輕、強(qiáng)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(jī)約25%由高級(jí)減重材料制造，其中22%為碳纖維混合型增強(qiáng)塑料（CFRP）,3%為首次用于民用飛機(jī)的GLARE纖維-金屬板?？罩锌蛙嘇380首次采用了復(fù)合材料碳纖維制成的連接機(jī)翼與機(jī)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(jī)身采用了復(fù)合材料。被叫做空中巨無霸的大型客機(jī)空客A380,約有25%由先進(jìn)輕質(zhì)復(fù)合材料制造，其中22%為碳、玻璃或者石英纖維增強(qiáng)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(qiáng)環(huán)氧樹脂的FRP,用這種材料模型成型的符合空氣動(dòng)力學(xué)線型要求的車頭，具有優(yōu)異的抗沖擊能力，當(dāng)列車以300km/h速度行駛時(shí)有很好的尺寸穩(wěn)定性法國(guó)國(guó)營(yíng)鐵路公司（SNCF）認(rèn)為對(duì)于未來的TGV高速列車，考慮到迫切需要進(jìn)一步減輕車體質(zhì)量，采用碳和玻璃纖維強(qiáng)化環(huán)氧樹脂包覆發(fā)泡蜂窩材料芯，制造雙層掛車，并進(jìn)行線路運(yùn)行試驗(yàn)，對(duì)其耐火性、抗沖擊強(qiáng)度等進(jìn)行運(yùn)行測(cè)試，結(jié)果表明：?復(fù)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(qiáng)度大，用碳纖維復(fù)材預(yù)計(jì)可比鋁制車的質(zhì)量減少25%;?復(fù)合材料車體在振動(dòng)性能、透聲性能和絕熱性能方面的優(yōu)點(diǎn)，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(qiáng)度部件，關(guān)系到整個(gè)車輛安全性。轉(zhuǎn)向架必須滿足安全、運(yùn)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(qiáng)度鋼、耐候鋼制造的構(gòu)架。近來研究熱點(diǎn)為高分子復(fù)合材料和鋁合金制造的構(gòu)架。德國(guó)開發(fā)了世界上第一個(gè)纖復(fù)合材料的轉(zhuǎn)向架構(gòu)架，并過了靜態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)、耐久試驗(yàn)、運(yùn)行試驗(yàn)，運(yùn)營(yíng)了100多萬km后檢測(cè)未現(xiàn)任何損壞、磨損或撕裂。現(xiàn)狀目前全球復(fù)合材料從業(yè)人員約45萬人，總產(chǎn)值約1000億歐元。我國(guó)2009年產(chǎn)量達(dá)323萬噸，已先后超過德國(guó)、日本而居世界第二位，并接近居世界首位的美國(guó)水平。全球復(fù)合材料行業(yè)的重心正在從歐美發(fā)達(dá)國(guó)家轉(zhuǎn)向亞洲，亞洲復(fù)合材料產(chǎn)量高速增長(zhǎng)是行業(yè)發(fā)展最明顯的趨勢(shì)之一，產(chǎn)量到2015年有望翻番，達(dá)1000萬噸。預(yù)計(jì)亞洲在全球復(fù)合材料市場(chǎng)所占比重將從本世紀(jì)初的25%提升至2013年的51%o中國(guó)隨著風(fēng)能和航空航天等高精尖技術(shù)的發(fā)展，復(fù)合材料在高附加值領(lǐng)域的應(yīng)用將更多將成為全球復(fù)合材料最活躍、發(fā)展最快的地區(qū)。未來幾年隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變、經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)型以及國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，復(fù)合材料在中國(guó)將獲得更大發(fā)展。印度在復(fù)合材料方面也蘊(yùn)藏著不可忽視的增長(zhǎng)潛力，汽車等應(yīng)用領(lǐng)域的快速發(fā)展將帶動(dòng)印度復(fù)合材料行業(yè)成長(zhǎng)。中東、馬來西亞、越南和印度尼西亞也是高增長(zhǎng)潛力的國(guó)家和地區(qū)