先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料的現(xiàn)狀及應(yīng)用

1、先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料的現(xiàn)狀及應(yīng)用摘要：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(jiǎn)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)用一 、八1刖言先進(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(guò)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(dòng)阻尼和吸收電磁波等功能。目前

2、，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(lái)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(wàn)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(wàn)t，從業(yè)約45萬(wàn)人，年產(chǎn)值415億歐元，其生產(chǎn)能力與市場(chǎng)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(guò)300萬(wàn)t，高性能熱塑性復(fù)合材料的產(chǎn)量為120多萬(wàn)t，其應(yīng)用領(lǐng) 域主要為：汽車行業(yè)占23%、建筑業(yè)21%、航空業(yè)17%、體育運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域11% 3 。從全 球發(fā)展趨勢(shì)來(lái)

3、看，近幾年歐美復(fù)合材料生產(chǎn)均持續(xù)增長(zhǎng)，亞洲的日本發(fā)展緩慢，而中國(guó)特 別是中國(guó)內(nèi)地的市場(chǎng)發(fā)展迅速。我國(guó)樹脂基 復(fù)合材料研究，經(jīng)過(guò)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(guò)了由小到大的臺(tái)階，產(chǎn)量已經(jīng)僅次于美國(guó)，居世界第2位， 其市場(chǎng)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(guó)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、3.1航空、航天工業(yè)航空樹脂基復(fù)合材料以其典型的輕量特性、卓越的比強(qiáng)度、比模量、 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

4、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(guò)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(jiǎn)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(dòng)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(shì)，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

5、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(guó)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(wú)損檢測(cè)和裝 配等技術(shù)的完善，國(guó)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。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

6、、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(dòng)機(jī)燃燒室的絕熱殼體，也可用作發(fā)動(dòng)機(jī)噴管的燒蝕防熱 材料。先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料對(duì)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。近年來(lái)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)3.2能源工

7、業(yè)在現(xiàn)今國(guó)際社會(huì)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(chǔ)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(chǔ)存，且有利 于環(huán)保，其綜合經(jīng)濟(jì)效益好、社會(huì)效益顯著。3.3建筑業(yè)9 建筑行業(yè)發(fā)展和使用樹脂基復(fù)合材料，對(duì)減輕建筑物自重、提高建筑物的

8、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)。在門窗材料上玻璃鋼門 窗是很好的材料。玻璃鋼門窗是

9、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、廣告物和樓房加高等，也多

10、采用樹脂基復(fù)合材料制造。 大跨度飛機(jī)庫(kù)、各種尺寸的冷庫(kù)、防腐車間、活動(dòng)房屋、崗?fù)?、仿古建筑、移?dòng)劇院、透 微波塔樓、屏蔽房等,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(dòng)場(chǎng)座椅、海濱浴場(chǎng)活動(dòng)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(lái)發(fā)展迅速，歐美國(guó)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、隔熱、降低震

11、動(dòng)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(guó)內(nèi)用樹脂基復(fù)合材料制造汽車制動(dòng)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(guó)及日本等汽車制造業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)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(dòng)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(guó)外相比，我國(guó)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(yáng)罩、電瓶托架等。隨著原材料的發(fā)展與工藝上的

12、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(guó)汽車工業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。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(wèn)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(dòng)機(jī)系統(tǒng)中的推桿、連桿、搖桿、水泵葉輪；傳動(dòng)系統(tǒng)中的傳 動(dòng)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

13、，目前在汽車上應(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(dòng)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(guó)洛杉磯”級(jí)核潛艇的聲納導(dǎo)流罩長(zhǎng)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(guó)佩里”號(hào)驅(qū)逐艦首次用芳綸纖維增強(qiáng)塑料制作了裝甲； 美

14、國(guó)海軍用石墨纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂材料成功地制造出自動(dòng)無(wú)人深潛探海艇AUSSMOD2的耐 壓殼體；德國(guó)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(jí)相對(duì)于金屬槳下降5d B，甚 至在槳葉損壞的情況下振動(dòng)等級(jí)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(lè)、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

15、艇、帆板、沖浪板、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(dòng)員創(chuàng)造更佳成績(jī)。樹脂基復(fù)合材料釣魚竿是娛樂(lè)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(lè)設(shè)施中，大多公園及各類游樂(lè)場(chǎng)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(guó)外也

16、有以聚丙稀月青為原料的 碳纖維材料來(lái)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(wú)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(yǔ)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(gè)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(lái)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(guó)材料工程大典，第10卷：復(fù)合材料工程M.北京:

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