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複合材料
日期：2024-11-23 06:50
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摘要：
複合材料 複合材料(Compositematerials)，是以一種材料為基體(Matrix)，另一種材料為增強體(reinforcement)組合而成的材料。各種材料在性能上互相取長補短，產生協同效應，使複合材料的綜合性能優(yōu)於原組成材料而滿足各種不同的要求。複合材料的基體材料分為金屬和非金屬兩大類。金屬基體常用的有鋁、鎂、銅、鈦及其合金。非金屬基體主要有合成樹脂、橡膠、陶瓷、石墨、碳等。增強材料主要有玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、碳化矽纖維、石棉纖維、晶須、金屬絲和硬質細粒等。
複合材料使用的曆史可以追溯到古代。從古至今沿用的稻草增強粘土和已使用上百年的鋼筋混凝土均由兩種材料複合而成。20世紀40年代，因航空工業(yè)的需要，發(fā)展了玻璃纖維增強塑料（俗稱玻璃鋼），從此出現了複合材料這一名稱。50年代以後，陸續(xù)發(fā)展了碳纖維、石墨纖維和硼纖維等高強度和高模量纖維。70年代出現了芳綸纖維和碳化矽纖維。這些高強度、高模量纖維能與合成樹脂、碳、石墨、陶瓷、橡膠等非金屬基體或鋁、鎂、鈦等金屬基體複合，構成各具特色的複合材料。 複合材料按其組成分為金屬與金屬複合材料、非金屬與金屬複合材料、非金屬與非金屬複合材料。按其結構特點又分為：①纖維複合材料。將各種纖維增強體置於基體材料內複合而成。如纖維增強塑料、纖維增強金屬等。②夾層複合材料。由性質不同的表麵材料和芯材組合而成。通常麵材強度高、薄；芯材質輕、強度低，但具有一定剛度和厚度。分為實心夾層和蜂窩夾層兩種。③細粒複合材料。將硬質細粒均勻分布於基體中，如彌散強化合金、金屬陶瓷等。④混雜複合材料。由兩種或兩種以上增強相材料混雜於一種基體相材料中構成。與普通單增強相複合材料比，其衝擊強度、疲勞強度和斷裂韌性顯著提高，並具有特殊的熱膨脹性能。分為層內混雜、層間混雜、夾芯混雜、層內／層間混雜和超混雜複合材料。
60年代，為滿足航空航天等**技術所用材料的需要，先後研製和生產了以高性能纖維（如碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、碳化矽纖維等）為增強材料的複合材料，其比強度大於4×106厘米（cm），比模量大於4×108cm。為了與**代玻璃纖維增強樹脂複合材料相區(qū)彆，將這種複合材料稱為先進複合材料。按基體材料不同，先進複合材料分為樹脂基、金屬基和陶瓷基複合材料。其使用溫度分彆達250～350℃、350～1200℃和1200℃以上。先進複合材料除作為結構材料外，還可用作功能材料，如梯度複合材料(材料的化學和結晶學組成、結構、空隙等在空間連續(xù)梯變的功能複合材料)、機敏複合材料（具有感覺、處理和執(zhí)行功能，能適應環(huán)境變化的功能複合材料）、仿生複合材料、隱身複合材料等。 複合材料中以纖維增強材料應用*廣、用量*大。其特點是比重小、比強度和比模量大。例如碳纖維與環(huán)氧樹脂複合的材料，其比強度和比模量均比鋼和鋁合金大數倍，還具有優(yōu)良的化學穩(wěn)定性、減摩耐磨、自潤滑、耐熱、耐疲勞、耐蠕變、消聲、電絕緣等性能。石墨纖維與樹脂複合可得到膨脹係數幾乎等於零的材料。纖維增強材料的另一個特點是各向異性，因此可按製件不同部位的強度要求設計纖維的排列。以碳纖維和碳化矽纖維增強的鋁基複合材料，在500℃時仍能保持足夠的強度和模量。碳化矽纖維與鈦複合，不但鈦的耐熱性提高，且耐磨損，可用作發(fā)動機風扇葉片。碳化矽纖維與陶瓷複合，使用溫度可達1500℃，比超合金渦輪葉片的使用溫度（1100℃）高得多。碳纖維增強碳、石墨纖維增強碳或石墨纖維增強石墨，構成耐燒蝕材料，已用於航天器、火箭導彈和原子能反應堆中。非金屬基複合材料由於密度小，用於汽車和飛機可減輕重量、提高速度、節(jié)約能源。用碳纖維和玻璃纖維混合製成的複合材料片彈簧，其剛度和承載能力與重量大5倍多的鋼片彈簧相當。 複合材料的成型方法按基體材料不同各異。樹脂基複合材料的成型方法較多，有手糊成型、噴射成型、纖維纏繞成型、模壓成型、拉擠成型、RTM成型、熱壓罐成型、隔膜成型、遷移成型、反應注射成型、軟膜膨脹成型、衝壓成型等。金屬基複合材料成型方法分為固相成型法和液相成型法。前者是在低於基體熔點溫度下，通過施加壓力實現成型，包括擴散焊接、粉末冶金、熱軋、熱拔、熱等靜壓和爆炸焊接等。後者是將基體熔化後，充填到增強體材料中，包括傳統(tǒng)鑄造、真空吸鑄、真空反壓鑄造、擠壓鑄造及噴鑄等、陶瓷基複合材料的成型方法主要有固相燒結、化學氣相浸滲成型、化學氣相沉積成型等。 複合材料的主要應用領域有：①航空航天領域。由於複合材料熱穩(wěn)定性好，比強度、比剛度高，可用於製造飛機機翼和前機身、衛(wèi)星天線及其支撐結構、太陽能電池翼和外殼、大型運載火箭的殼體、發(fā)動機殼體、航天飛機結構件等。②汽車工業(yè)。由於複合材料具有特殊的振動阻尼特性，可減振和降低噪聲、抗疲勞性能好，損傷後易修理，便於整體成形，故可用於製造汽車車身、受力構件、傳動軸、發(fā)動機架及其內部構件。③化工、紡織和機械製造領域。有良好耐蝕性的碳纖維與樹脂基體複合而成的材料，可用於製造化工設備、紡織機、造紙機、複印機、高速機床、精密儀器等。④醫(yī)學領域。碳纖維複合材料具有優(yōu)異的力學性能和不吸收X射線特性，可用於製造醫(yī)用X光機和矯形支架等。碳纖維複合材料還具有生物組織相容性和血液相容性，生物環(huán)境下穩(wěn)定性好，也用作生物醫(yī)學材料。此外，複合材料還用於製造體育運動器件和用作建築材料等。
複合材料的發(fā)展和應用
複合材料是指由兩種或兩種以上不同物質以不同方式組合而成的材料，它可以發(fā)揮各種材料的優(yōu)點，克服單一材料的缺陷，擴大材料的應用範圍。由於複合材料具有重量輕、強度高、加工成型方便、彈性優(yōu)良、耐化學腐蝕和耐候性好等特點，已逐步取代木材及金屬合金，廣泛應用於航空航天、汽車、電子電氣、建築、健身器材等領域，在近幾年更是得到了飛速發(fā)展。
隨著科技的發(fā)展，樹脂與玻璃纖維在技術上不斷進步，生產廠家的製造能力普遍提高，使得玻纖增強複合材料的價格成本已被許多行業(yè)接受，但玻纖增強複合材料的強度尚不足以和金屬匹敵。因此，碳纖維、硼纖維等增強複合材料相繼問世，使高分子複合材料家族更加完備，已經成為眾多產業(yè)的必備材料。目前全世界複合材料的年產量已達550多萬噸，年產值達1300億美元以上，若將歐、美的**航空航天的高價值產品計入，其產值將更為驚人。從全球範圍看，世界複合材料的生產主要集中在歐美和東亞地區(qū)。近幾年歐美複合材料產需均持續(xù)增長，而亞洲的日本則因經濟不景氣，發(fā)展較為緩慢，但中國尤其是中國內地的市場發(fā)展迅速。據世界主要複合材料生產商PPG公司統(tǒng)計，2000年歐洲的複合材料全球占有率約為32%，年產量約200萬噸。與此同時，美國複合材料在20世紀90年代年均增長率約為美國GDP增長率的2倍，達到4%~6%。2000年，美國複合材料的年產量達170萬噸左右。特彆是汽車用複合材料的迅速增加使得美國汽車在全球市場上重新崛起。亞洲近幾年複合材料的發(fā)展情況與政治經濟的整體變化密切相關，各國的占有率變化很大。總體而言，亞洲的複合材料仍將繼續(xù)增長，2000年的總產量約為145萬噸，預計2005年總產量將達180萬噸。
從應用上看，複合材料在美國和歐洲主要用於航空航天、汽車等行業(yè)。2000年美國汽車零件的複合材料用量達14.8萬噸，歐洲汽車複合材料用量到2003年估計可達10.5萬噸。而在日本，複合材料主要用於住宅建設，如衛(wèi)浴設備等，此類產品在2000年的用量達7.5萬噸，汽車等領域的用量僅為2.4萬噸。不過從全球範圍看，汽車工業(yè)是複合材料*大的用戶，今後發(fā)展?jié)摿θ允志薮螅壳斑€有許多新技術正在開發(fā)中。例如，為降低發(fā)動機噪聲，增加轎車的舒適性，正著力開發(fā)兩層冷軋板間粘附熱塑性樹脂的減振鋼板；為滿足發(fā)動機向高速、增壓、高負荷方向發(fā)展的要求，發(fā)動機活塞、連桿、軸瓦已開始應用金屬基複合材料。為滿足汽車輕量化要求，必將會有越來越多的新型複合材料將被應用到汽車製造業(yè)中。與此同時，隨著近年來人們對環(huán)保問題的日益重視，高分子複合材料取代木材方麵的應用也得到了進一步推廣。例如，用植物纖維與廢塑料加工而成的複合材料，在北美已被大量用作托盤和包裝箱，用以替代木製產品；而可降解複合材料也成為國內外開發(fā)研究的重點。
另外，納米技術逐漸引起人們的關注，納米複合材料的研究開發(fā)也成為新的熱點。以納米改性塑料，可使塑料的聚集態(tài)及結晶形態(tài)發(fā)生改變，從而使之具有新的性能，在克服傳統(tǒng)材料剛性與韌性難以相容的矛盾的同時，大大提高了材料的綜合性能。
樹脂基複合材料的增強材料
樹脂基複合材料采用的增強材料主要有玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維等。
1、玻璃纖維
目前用於高性能複合材料的玻璃纖維主要有高強度玻璃纖維、石英玻璃纖維和高矽氧玻璃纖維等。由於高強度玻璃纖維性價比較高，因此增長率也比較快，年增長率達到10%以上。高強度玻璃纖維複合材料不僅應用在**方麵，近年來民用產品也有廣泛應用，如防彈頭盔、防彈服、直升飛機機翼、預警機雷達罩、各種高壓壓力容器、民用飛機直板、體育用品、各類耐高溫製品以及近期報道的性能優(yōu)異的輪胎簾子線等。石英玻璃纖維及高矽氧玻璃纖維屬於耐高溫的玻璃纖維，是比較理想的耐熱防火材料，用其增強酚醛樹脂可製成各種結構的耐高溫、耐燒蝕的複合材料部件，大量應用於火箭、導彈的防熱材料。迄今為止，我國已經實用化的高性能樹脂基複合材料用的碳纖維、芳綸纖維、高強度玻璃纖維三大增強纖維中，隻有高強度玻璃纖維已達到******，且擁有自主知識產權，形成了小規(guī)模的產業(yè)，現階段年產可達500噸。
2、碳纖維
碳纖維具有強度高、模量高、耐高溫、導電等一係列性能，首先在航空航天領域得到廣泛應用，近年來在運動器具和體育用品方麵也廣泛采用。據預測，土木建築、交通運輸、汽車、能源等領域將會大規(guī)模采用工業(yè)級碳纖維。1997~2000年間，宇航用碳纖維的年增長率估計為31%，而工業(yè)用碳纖維的年增長率估計會達到130%。我國的碳纖維總體水平還比較低，相當於國外七十年代中、末期水平，與國外差距達20年左右。國產碳纖維的主要問題是性能不太穩(wěn)定且離散係數大、無高性能碳纖維、品種單一、規(guī)格不全、連續(xù)長度不夠、未經表麵處理、價格偏高等。
3、芳綸纖維
20世紀80年代以來，荷蘭、日本、前蘇聯也先後開展了芳綸纖維的研製開發(fā)工作。日本及俄羅斯的芳綸纖維已投入市場，年增長速度也達到20%左右。芳綸纖維比強度、比模量較高，因此被廣泛應用於航空航天領域的高性能複合材料零部件（如火箭發(fā)動機殼體、飛機發(fā)動機艙、整流罩、方向舵等）、艦船（如航空母艦、核潛艇、遊艇、救生艇等）、汽車（如輪胎簾子線、高壓軟管、摩擦材料、高壓氣瓶等）以及耐熱運輸帶、體育運動器材等。
4、超高分子量聚乙烯纖維
超高分子量聚乙烯纖維的比強度在各種纖維中位居**，尤其是它的抗化學試劑侵蝕性能和抗老化性能優(yōu)良。它還具有優(yōu)良的高頻聲納透過性和耐海水腐蝕性，許多國家已用它來製造艦艇的高頻聲納導流罩，大大提高了艦艇的探雷、掃雷能力。除在**領域，在汽車製造、船舶製造、醫(yī)療器械、體育運動器材等領域超高分子量聚乙烯纖維也有廣闊的應用前景。該纖維一經問世就引起了世界發(fā)達國家的極大興趣和重視。
5、熱固性樹脂基複合材料
熱固性樹脂基複合材料是指以熱固性樹脂如不飽和聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、乙烯基酯樹脂等為基體，以玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維等為增強材料製成的複合材料。環(huán)氧樹脂的特點是具有優(yōu)良的化學穩(wěn)定性、電絕緣性、耐腐蝕性、良好的粘接性能和較高的機械強度，廣泛應用於化工、輕工、機械、電子、水利、交通、汽車、家電和宇航等各個領域。1993年世界環(huán)氧樹脂生產能力為130萬噸，1996年遞增到143萬噸，1997年為148萬噸，1999年150萬噸，2003年達到180萬噸左右。我國從1975年開始研究環(huán)氧樹脂，據不完全統(tǒng)計，目前我國環(huán)氧樹脂生產企業(yè)約有170多家，總生產能力為50多萬噸，設備利用率為80%左右。酚醛樹脂具有耐熱性、耐磨擦性、機械強度高、電絕緣性優(yōu)異、低發(fā)煙性和耐酸性優(yōu)異等特點，因而在複合材料產業(yè)的各個領域得到廣泛的應用。1997年全球酚醛樹脂的產量為300萬噸，其中美國為164萬噸。我國的產量為18萬噸，進口4萬噸。乙烯基酯樹脂是20世紀60年代發(fā)展起來的一類新型熱固性樹脂，其特點是耐腐蝕性好，耐溶劑性好，機械強度高，延伸率大，與金屬、塑料、混凝土等材料的粘結性能好，耐疲勞性能好，電性能佳，耐熱老化，固化收縮率低，可常溫固化也可加熱固化。南京金陵帝斯曼樹脂有限公司引進荷蘭Atlac係列強耐腐蝕性乙烯基酯樹脂，已廣泛用於貯罐、容器、管道等，有的品種還能用於防水和熱壓成型。南京聚隆複合材料有限公司、上海新華樹脂廠、南通明佳聚合物有限公司等廠家也生產乙烯基酯樹脂。
1971年以前我國的熱固性樹脂基複合材料工業(yè)主要是**產品，70年代後開始轉向民用。從1987年起，各地大量引進國外先進技術如池窯拉絲、短切氈、表麵氈生產線及各種牌號的聚酯樹脂（美、德、荷、英、意、日）和環(huán)氧樹脂（日、德）生產技術；在成型工藝方麵，引進了纏繞管、罐生產線、拉擠工藝生產線、SMC生產線、連續(xù)製板機組、樹脂傳遞模塑(RTM)成型機、噴射成型技術、樹脂注射成型技術及漁竿生產線等，形成了從研究、設計、生產及原材料配套的完整的工業(yè)體係，截止2000年底，我國熱固性樹脂基複合材料生產企業(yè)達3000多家，已有51家通過ISO9000質量體係認證，產品品種3000多種，總產量達73萬噸/年，居世界**位。產品主要用於建築、防腐、輕工、交通運輸、造船等工業(yè)領域。在建築方麵，有內外牆板、透明瓦、冷卻塔、空調罩、風機、玻璃鋼水箱、衛(wèi)生潔具、淨化槽等；在石油化工方麵，主要用於管道及貯罐；在交通運輸方麵，汽車上主要有車身、引擎蓋、保險杠等配件，火車上有車廂板、門窗、座椅等，船艇方麵主要有氣墊船、救生艇、偵察艇、漁船等；在機械及電器領域如屋頂風機、軸流風機、電纜橋架、絕緣棒、集成電路板等產品都具有相當的規(guī)模；在航空航天及**領域，輕型飛機、尾翼、衛(wèi)星天線、火箭噴管、防彈板、防彈衣、魚雷等都取得了重大突破。
熱塑性樹脂基複合材料
熱塑性樹脂基複合材料是20世紀80年代發(fā)展起來的，主要有長纖維增強粒料(LFP)、連續(xù)纖維增強預浸帶(MITT)和玻璃纖維氈增強型熱塑性複合材料(GMT)。根據使用要求不同，樹脂基體主要有PP、PE、PA、PBT、PEI、PC、PES、PEEK、PI、PAI等熱塑性工程塑料，纖維種類包括玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維和硼纖維等一切可能的纖維品種。隨著熱塑性樹脂基複合材料技術的不斷成熟以及可回收利用的優(yōu)勢，該品種的複合材料發(fā)展較快，歐美發(fā)達國家熱塑性樹脂基複合材料已經占到樹脂基複合材料總量的30%以上。
高性能熱塑性樹脂基複合材料以注射件居多，基體以PP、PA為主。產品有管件（彎頭、三通、法蘭）、閥門、葉輪、軸承、電器及汽車零件、擠出成型管道、GMT模壓製品（如吉普車座椅支架）、汽車踏板、座椅等。玻璃纖維增強聚丙烯在汽車中的應用包括通風和供暖係統(tǒng)、空氣過濾器外殼、變速箱蓋、座椅架、擋泥板墊片、傳動皮帶保護罩等。
滑石粉填充的PP具有高剛性、高強度、極好的耐熱老化性能及耐寒性?；墼鰪奝P在車內裝飾方麵有著重要的應用，如用作通風係統(tǒng)零部件，儀表盤和自動剎車控製杠等，例如美國HPM公司用20%滑石粉填充PP製成的蜂窩狀結構的吸音天花板和轎車的搖窗升降器卷繩筒外殼。
雲母複合材料具有高剛性、高熱變形溫度、低收縮率、低撓曲性、尺寸穩(wěn)定以及低密度、低價格等特點，利用雲母/聚丙烯複合材料可製作汽車儀表盤、前燈保護圈、擋板罩、車門護欄、電機風扇、百葉窗等部件，利用該材料的阻尼性可製作音響零件，利用其屏蔽性可製作蓄電池箱等。
我國的熱塑性樹脂基複合材料的研究開始於20世紀80年代末期，近十年來取得了快速發(fā)展，2000年產量達到12萬噸，約占樹脂基複合材料總產量的17%，，所用的基體材料仍以PP、PA為主，增強材料以玻璃纖維為主，少量為碳纖維，在熱塑性複合材料方麵未能有重大突破，與發(fā)達國家尚有差距。
我國複合材料的發(fā)展?jié)摿蜔狳c
我國複合材料發(fā)展?jié)摿艽螅毺幚砗靡韵聼狳c問題。
1、複合材料**
複合材料**包括複合材料的技術發(fā)展、複合材料的工藝發(fā)展、複合材料的產品發(fā)展和複合材料的應用，具體要抓住樹脂基體發(fā)展**、增強材料發(fā)展**、生產工藝發(fā)展**和產品應用發(fā)展**。到2007年，亞洲占世界複合材料總銷售量的比例將從18%增加到25%，目前亞洲人均消費量僅為0.29kg，而美國為6.8kg，亞洲地區(qū)具有極大的增長潛力。
2、聚丙烯腈基纖維發(fā)展
我國碳纖維工業(yè)發(fā)展緩慢，從CF發(fā)展回顧、特點、國內碳纖維發(fā)展過程、中國PAN基CF市場概況、特點、“十五”科技攻關情況看，發(fā)展聚丙烯腈基纖維既有需要也有可能。
3、玻璃纖維結構調整
我國玻璃纖維70%以上用於增強基材，在國際市場上具有成本優(yōu)勢，但在品種規(guī)格和質量上與先進國家尚有差距，必須改進和發(fā)展紗類、機織物、無紡氈、編織物、縫編織物、複合氈，推進玻纖與玻鋼兩行業(yè)密切合作，促進玻璃纖維增強材料的新發(fā)展。
4、開發(fā)能源、交通用複合材料市場
一是清潔、可再生能源用複合材料，包括風力發(fā)電用複合材料、煙氣脫硫裝置用複合材料、輸變電設備用複合材料和天然氣、氫氣高壓容器；二是汽車、城市軌道交通用複合材料，包括汽車車身、構架和車體外覆蓋件，軌道交通車體、車門、座椅、電纜槽、電纜架、格柵、電器箱等；三是民航客機用複合材料，主要為碳纖維複合材料。熱塑性複合材料約占10%，主要產品為機翼部件、垂直尾翼、機頭罩等。我國未來20年間需新增支線飛機661架，將形成民航客機的大產業(yè)，複合材料可建成新產業(yè)與之相配套；四是船艇用複合材料，主要為遊艇和漁船，遊艇作為**娛樂耐用消費品在歐美有很大市場，由於我國魚類資源的減少、漁船雖發(fā)展緩慢，但複合材料特有的優(yōu)點仍有發(fā)展的空間。
5、纖維複合材料基礎設施應用
國內外複合材料在橋梁、房屋、道路中的基礎應用廣泛，與傳統(tǒng)材料相比有很多優(yōu)點，特彆是在橋梁上和在房屋補強、隧道工程以及大型儲倉修補和加固中市場廣闊。
6、複合材料綜合處理與再生
重點發(fā)展物理回收（粉碎回收）、化學回收（熱裂解）和能量回收，加強技術路線、綜合處理技術研究，示範生產線建設，再生利用研究，大力拓展再生利用材料在石膏中的應用、在拉擠製品中的應用以及在SMC/BMC模壓製品中的應用和典型產品中的應用。
21世紀的高性能樹脂基複合材料技術是賦予複合材料自修複性、自分解性、自診斷性、自製功能等為一體的智能化材料。以開發(fā)高剛度、高強度、高濕熱環(huán)境下使用的複合材料為重點，構築材料、成型加工、設計、檢查一體化的材料係統(tǒng)。組織係統(tǒng)上將是聯盟和集團化，這將更充分的利用各方麵的資源（技術資源、物質資源），緊密聯係各方麵的優(yōu)勢，以推動複合材料工業(yè)的進一步發(fā)展。