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探讨复合材料的起源及发展应用领域

作者:2018-10-10 01:00阅读:文章来源:未知

  摘要:复合材料在性能上互相取长补短, 产生协同效应, 尤其是先进复合材料, 基体较一般复合材料得到了一定的增强, 其刚度和强度性能相当于或超过铝合金。先进复合材料在聚集了一般复合材料的优点之外, 对于一定的领域, 又有一些针对性的优点, 比如无人机的隐蔽性、太阳能材料的导热性等等;无论是医疗卫生领域, 还是交通工具领域, 又或者建筑领域, 即使环顾整个我们能想到的领域, 无一不出现先进复合材料的“身影”。

  关键词:先进复合材料; 隐蔽性; 优点;

复合材料

  The development and state of advanced composited materials

  ZHAI Yue XU Hai-ping DAI Xiu-juan QIN Yan-li XU Shi-hao

  Faculty of Engineering, Shanghai Polytechnic University Shanghai Research Institute of Materials

  Abstract:

  Composited materials get advantages from each other, and they will produce a synergistic effect, especially the advanced composited materials, the matrix materials are better than the common one, its stiffness and strength properties are equivalent to or more than the aluminum alloy. ACM gather the common materials' advantage, and have specific advantages in the particular area, such as the concealment of UAV, thermal conductivity of solar materials. Not only medical and health field, but also transport field or architecture field, even if all areas we can think about, there are always appear “composited materials”.

  Keyword:ACM; concealment medical and health field; advantages;

  1 复合材料的起源及发展

  1.1 复合材料的起源

  复合材料的起源可以追溯到上古时期, 在距今七千多年的半坡遗址中, 我们曾发现其建筑材料是使用最古老的复合材料———草掺和泥巴制成的;而在一个三千多年前的商朝遗址中, 曾出土了一批色彩绚丽的漆器, 其所用的漆就是生漆, 是一种多年生乔木漆树分泌的树汁, 具有耐热、耐磨、耐溶剂、耐酸、绝缘性好等特性。庄子曾做过漆国吏, 说明当时漆器制造工艺已经有了很高的水平, 还得派遣专人管理;在湖北出土的战国时期的一个曾侯乙墓中, 发现了一种长杆兵器, 它是由木棒、竹丝、生漆等组成, 经过干燥之后成型的;即使中国引以为豪的长城也是由糯米和石灰做砂浆粘合的基石组成的;秦砖汉瓦是在黏土中添加了一些天然纤维组成的;在魏晋南朝时佛教盛行, 而每座寺院中供奉的大佛是由麻纤维涂以生漆, 不断干燥不断重复, 几次之后, 在泥像外面形成了一层生漆与纤维复合的佛像。

  由此可看出, 复合材料在我国古代就已经有了很高的水平, 即使现在有些都已经被树脂代替, 但其在推动我国材料发展方面所起到的作用却是无可替代的。

  1.2 复合材料的发展

  随着社会的发展, 复合材料的合成品越来越多, 使用的工艺也越来越先进, 人们开发了一批如碳纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维等高性能增强材料, 并使用高性能树脂、金属与陶瓷为基体制成先进复合材料, 在复合材料的基础上得以改进的先进复合材料有了更大的应用领域。比如美国的里尔芳2100号就使用碳纤维复合材料来制作;哥伦比亚号航天飞机的主舱门选择了碳纤维/环氧树脂、压力容器采用了凯芙拉纤维/环氧树脂;树脂、金属作为工作物质, 陶瓷做基体来制作航天收音机几乎彰显了很尖端的航天技术;可载80人的波音-767大型客运飞机主承力器件也是用到先进复合材料[1]。

  节能、环保是当今社会发展的一大主流, 为了支持相应的节能产品和环保产品的盛行, 先进复合材料又是不可缺少的。比如新能源油页岩气及油砂要在市场上流通, 其容纳装置却是非先进复合材料莫属了, 所以三菱丽阳公司最近开发了适用于高压容器的PAN基碳纤维“Grafil 37-800”作为容纳装置。

  对于航天领域的制作材料而言, 又需要先进复合材料的轻量化来满足[2]。由此可见, 先进复合材料将在高端到低端各行各业大放异彩。

  2 先进复合材料的工艺

  2.1 制作工艺

  主要制作工艺包括热压罐固化技术、自动铺带技术、热隔膜辅助成型技术、拉挤成型技术、复合材料液体成型技术[3]等。

  (1) 热压罐固化技术。热压罐固化技术是航空复合材料固件的主要工艺流程技术, 其制作的产品纤维体积高、力学性能可靠, 但其能耗和成本偏高, 是这一工艺目前尚未普及的主要原因。

  (2) 非热压罐固化技术。主要包括干纤维树脂浸渍工艺、电子束固化技术、非热压罐预浸染技术等, 因为不需要用到热压罐, 所以比热压罐工艺综合成本效益高很多, UAC就使用该技术制造的MS-21机翼的主承力部件, 他们放弃了热压罐给他们带来了更少的经费支出和更少的能量消耗。

  (3) 自动铺带技术。随着复合材料的应用面越来越广, 人工铺设、裁剪、定位、压实等等越来越困难, 20世纪60年代, 自动铺设技术在美国初现雏形, 80年代的时候, 已经大范围地使用在商业、航通、交通等技术领域, 它不但具有预浸带裁剪、铺设、压实等功能, 而且还加了质量测量、温度控制、湿度控制等测试调整。

  (4) 热隔膜辅助成型技术。曲面件之前都是采用人工铺层, 但是不光效率慢, 且压实不好, 纤维还容易起褶皱;机械铺层目前也只是用于平面铺层或简单曲面铺层, 对类似钣金折弯件、引伸件和压延件则难度很大甚至无法实现, 所以就要使用热隔膜辅助成型技术, 即将预浸的复合材料层压后放置于模具上, 通过一种特制隔膜的辅助作用经过抽真空和加热等方法, 将层压件压向模具, 形成所需形状[4]。

  (5) 拉挤成型技术。为使纤维呈纵向分布, 且质量稳定, 拉挤成型技术应运而生, 这项技术不光能兼顾前面所提出的条件, 还可以精确的控制树脂/纤维的含量。此项技术在美国兴起之后, 迅速蔓延开来, 席卷全球, 我国从引进技术开始, 逐渐自主创新, 大规模生产, 到2013年为止, 我国拉挤制品产量约达28万t, 约占全球总产量的50%[5]。

  (6) 复合材料液体成型技术。将金属融化成液体, 将其通过模具浇铸成想要的毛坯或零件, 这个过程称之为复合材料液体成型技术。液态成型工艺里程碑式的成果是2014年俄罗斯研制成功的M S-21单通道客机。该客机采用液体工艺成型制造机翼主承力件, 将促进复合材料构件制造从热压罐成型向液体成型的变革[3]。

  (7) 熔融共混技术。熔融共混是将共混所需的聚合物组分在它们的黏流温度以上用混炼设备制取均匀聚合物共熔体, 然后再冷却、粉碎或造粒的方法。设备主要有双辊混炼机、密闭式混炼机、挤出机等。该法的优点是熔融状态下, 异种聚合物分子之间打散和对流激化, 混合效果较好。

  2.2 应对先进复合材料进行质量控制

  (1) 存在的问题。由于先进复合材料的制备目前还未完全脱离手工制品, 根据传统制备流程, 对材料的制备大多是依靠经验, 难以得到内部结构的准确信息, 造成对数据的掌控太过匮乏, 对环境和原材料的太过依赖, 一旦有一丝波动, 则结果可能会千差万别, 复合材料产品性能就暴露出可重复性较差、随炉件数据离散性大等缺点。所以对质量控制就要求的非常严格了[6]。

  (2) 质量控制。主要是控制原材料纤维的纤维性能和表面状态;树脂的测定比重、粘度、水分甚至其化学成分和化学特征;控制预浸料的化学组成、自行固化和吸湿程度。

  在工艺过程中主要是控制树脂含量和挥发份含量;铺层时控制纤维方向、拼接方法及铺层的次序和层数。同时, 还应该保证机器能严格按照所要求的温度、开始加压的时间和速度等等参数执行。

  成品成型后要严格检查外观、尺寸、重量以及使用X射线和超声法检验内部是否有缺陷[6]。

  3 先进复合材料的应用

  3.1 航空航天

  先进复合材料自问世以来, 就在各种飞行器上大放异彩, 现已成为第四大航空结构材料, 其比强度和比模量高、热膨胀系数小、抗疲劳能力和减振能力强、可设计型号、吸波隐蔽型号, 是军用UAV的不二之选[7]。

  其中FML在最近几年风靡于航空航天领域, 波音公司在最新的B787中就使用了Ti GR材料[8]。

  1986年时C-17的次要结构已经开始使用复合材料;紧接着EADS研究的A400M开始增加复合材料的比重, 开始承担一些主承力结构, 且采用碳纤维复合材料制作机翼, 这样的话, 就不会产生金属疲劳, 还可以减轻结构重量。

  直升机采用先进复合材料可以减重, 改善抗坠毁性, 其中顷转旋翼飞机V-22的复合材料大概构总重的45%;美国飞行器X-43的油箱是石墨/环氧框架及蒙皮做成。

  先进复合材料在火箭和导弹的减重效果十分明显, 且成本又可降低很多。环氧树脂是巡航导弹弹体所使用最主要的基体材料, 随着巡航导弹研究技术的发展, 基体由环氧树脂向BMI、PI、氰酸酯树脂发展。人造卫星使用碳复合材料制造卫星整流罩、展开式太阳能电池板。而宇宙飞船的一些主要部件, 比如:提供电力的太阳能基板、压力容器等等, 都会使用先进复合材料来进行制作。航空发动机想要减轻其重量, 选用先进复合材料———碳纤维增强树脂基复合材料就可以达到很好的效果, 并且也可以加快发动机的速度。民用飞机目前也开始用环氧树脂基、双马来酰亚胺基碳纤维复合材料主要用来制造机翼、机身、地楞横梁等部位的结构材料, 内部装饰上也大面积使用了热塑性工程塑料[9]。

  美国航境公司研发成功的“探路者”的机翼主梁就是有碳纤维/环氧复合材料圆管, 翼肋也是复合材料薄壁壳结构;CF/环氧复合材料和MPIA/环氧制成复合物是“百步长”机翼的重要成分;“太阳能”无人机全身上下几乎见不到一块金属, 因为它几乎全部被先进复合材料包裹, 就连机翼的主要成立部件也是由Nomex材料制成的, 芳纶纤维复合材料用来增强强度, 主梁的端部和根部较厚, 以吸收飞行过程产生的持续弯曲扰动。管壁主要是碳纤维复合材料[10]。

  3.2 交通工具

  地铁、轻轨、高铁、动车等高速交通工具的盛行, 速度的快速增长与材料的轻质化密不可分。早期的轨道交通中, 先进复合材料只在非承力部件中有较多应用, 随着科技的发展, 复合材料才渐渐充当承力结构器件。日本的CFRP车体的基体就是酚醛树脂基体, 耐高温性能优于铝合金。

  先进复合材料可以制作高质量加筋壁板以满足轨道交通的大范围要求, 其制作技术又可支持低成本液体成型工艺。可以为轨道车辆的耐异物撞击性能要求提供必要的技术支撑。复合材料在承担承载职责的同时, 又满足可阻燃、隔热、保温、吸声等特性[11]。

  3.3 土木建筑

  随着先进复合材料的发展, 它已不仅仅在高端领域大放异彩, 而且已经越来越贴近生活, 比如讲太阳能电池板与复合材料墙体一起使用, 便可使墙体不仅轻质, 又带有自保温和自发电等功能。

  太阳能材料的短期计划是使用夹层复合材料, 因为二氧化钛和二氧化锡原材料便宜, 再加上如果能装上这种玻璃, 则电量几乎可以自给, 所以这种太阳能复合材料的前景十分光明。

  Certain Teed的复合材料石板瓦和屋顶板耐久性极好且安装成本不高;加拿大的ICI生产的热塑性结构板, 可用于抵御飓风和地震, 抗腐烂和昆虫[12]。

  3.4 高端能源

  由于石油开采行业的愈加盛行, 对石油的需求量也越来越大, 所以对采油工具的使用分外频繁, 长此以往, 则对其的磨损就十分严重了, 加之在井下粉尘、沙子和细菌的滋生, 对采油工具的更新提升已经到了刻不容缓的地步了。

  先进复合材料SSL外层材料采用玻璃纤维增强环氧树脂, 并在表面覆马丁氏, 经过测试, 其不光材料坚固、且操作温度高、成本又低, 是可用于采油工具的一个很好的选择。

  热塑加强管 (RTP) 含有凯夫拉纤维和高性能热塑材料, 可承受高压、高温, 韧性好, 也可以用于制作采用工具的。

  对于扶正器, 尼龙复合材料中的玻璃纤维增强尼龙、碳纤维/玻纤复合增强尼龙和聚四氟乙烯复合材料中的矿物填充增强复合PTFE、纤维增强复合PT-FE、金属及其氧化物填充改性PTFE均可担此大任, 它们具有强度高、耐高温、耐腐蚀、耐高压等特点[13]。

  3.5 生活用品

  (1) 杆塔。杆塔在生活中的作用真是不可谓不大, 但是杆塔长期处于户外的环境, 经历风吹日晒, 时时面临腐蚀和老化的威胁, 使用寿命也会急剧缩短。所以对于杆塔的先进复合材料选择, 则重点应以耐腐蚀、抗老化为主。

  武汉电网的吴雄、胡虔等通过对聚氨酯PU进行改性, 使其氨酯分子间增加, 已达到增强材料内部分子链间交联结构, 保护树脂粉质链中易降解的酯键, 提高材料耐候稳定性的目的。主要工艺是拉挤生产, 耐老化性更优;最后制作出来的产品, 较之金属产品还具有更高的耐腐蚀性。最后制作出来的产品, 较之金属产品除了上述优点之外, 还具有更高的耐腐蚀性[14]。

  (2) 体育器械。随着社会的发展, 人们对生活质量的要求也越来越高, 体育运动不再像以前那么匮乏且稀有, 而是成了人们强身健体、娱乐休闲必不可少的项目。相应地, 人们也就对体育器械的要求也越来越高, 不但要轻质, 还要耐打。这时候, 先进复合材料代替原有材料的趋势也出现了苗头。

  球拍、钓鱼竿、箭弓、高尔球棒、滑雪板、自行车等等器材基本上都是由含氧基纤维复合材料制造, 海上比赛运动的船艇都是用环氧或环氧乙烯基酯树脂增强纤维材料制成[15]。

  3.6 风电领域

  风能自新能源提出以来, 一直受到人们的广泛关注, 其中它的风叶就一直由复合材料玻纤制成, 但是随着对风机的要求越来越高, 比如转速的加快, 便要求其质量要较之以前, 轻盈许多, 再加上对刚度和强度的要求提高, 玻纤无法再满足需求, 碳纤便进入人们的视野。据知2.5 MW叶片及长45 m以上的叶片多已采用先进复合材料, 主要应用部位是主承力梁, 碳纤维多用50 k左右的大丝束, 因其成本较低, 估计在这一方面会有很大的发挥空间[16]。

  3.7 节能与储能

  随着社会的发展, “节能”和“环保”是当今世界的两大主题, 为节约不可再生能源, 一些电动汽车逐步市场化, 所以, 亟需一些电力储存装置与之相应的匹配。同时, 因为电力需求量的不断增长, 电网峰谷量负荷过大, 所以当电网分布和新能源开始使用时, 用户可以利用储能原件合理用电, 减缓电网波动[17]。新型储能材料的需求迫在眉睫, 如相变储能材料, 如用LA、DA、TA、DD制作的复合材料, 就聚合了各个原材料的优点, 如无相分离现象、高相变潜热、低成本、无腐蚀等[18-19];电介质储能材料, 如CNT/PANI 2复合材料, 既具有CNT良好的导热性, 又具有PANI 2的高比热容, 同时还可弥补两方的缺点[20]。

  4 结束语

  先进复合材料已经进入发力期, 凭借其耐高温、耐高压、耐腐蚀、高强度等优良特性, 已经慢慢取代一些传统的模式, 汽车领域的专家就曾预言, 汽车制造中的冲压、焊接、涂装、总装将来可能会被代替, 他们甚至预言, 将来的汽车制造将会十分简单, 只要直接将先进复合材料粘合即可[21]。

  当航空航天即将进入高速发展的时期, 所以也会有力带动航空航天材料特别是先进复合材料的发展, 同时, 先进复合材料也在急速进展, 由于其轻质、高强度、耐腐蚀、耐高温、性能可裁剪等诸多优点, 也会在航天领域大放异彩[22]。先进复合材料的轻质性、隐蔽性、成本低等特点也为无人机的发展提供了一个方向。

  由此可见, 先进复合材料一直处于高速发展的状态, 可以预见, 不远的将来, 复合材料能为我们带来一个全新的、轻质的生活。

  参考文献
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