新型复合材料的发展与应用

.. . . word. … 新型复合材料的发展与应用 复合材料是应现代科学技术发展而涌现出的一类具有极大生命力的新材料，它们均由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合起来而得到的一种多相固材料。复合材料区别于单一材料的显著特征是材料性能的可设计性，即经过选择性设计和加工，通过各组分性能间的相互补充，可获得新的优良性能。 生活中有许许多多的复合材料，传统的复合材料有钢筋混凝土，玻璃钢鱼竿、一体成型的鞋子、用于开关绝缘的合成树脂等。新型复合材料是具有更高性能的材料，具有比强度高、比模量高、密度低等，它包括用碳、芳纶、瓷等纤维和晶体等高性能增强体与耐热性好的热固性和热塑性树脂基构成的高性能聚合物复合材料。 人类在远古时代就从实践中认识到， 可以根据用途需要，组合两种或多种材料，利用性能优 势互补，制成原始的复合材料。所以，复合材料既是一 种新型材料，也是一种古老的材料。复合材料的发展历 史，可以从用途、构成、功能，以及设计思想和发展研 究等，大体上分为古代复合材料和现代复合材料两个阶 段。 古代复合材料在东郊半坡村仰韶文化遗址， 发现早在公元前2000年以前，古代人已经用草茎增强 土坯作住房墙体材料。 在金属基复合材料方面，中国也有高超的技艺。最具代表性的如越王剑，是金属包层复合材料制品，不仅光亮锋利，而 且韧性和耐蚀性优异，埋藏在潮湿环境中几千年，出土 后依然寒光夺目，锋利无比。 5000年以前，中东地区用芦苇增强沥青造船。古 埃及墓葬出土，发现有用名贵紫檀

木在普通木材上装饰 贴面的棺撑家具。古埃及修建金字塔，用石灰、火山灰 等作粘合剂，混和砂石等作砌料，这是最早最原始的颗 粒增强复合材料。 但是，上述辉煌的历史遗产，只是人类在与自然界 的斗争实践中不断改进而取得的，同时都是取材于天然 材料，对复合材料还是处于不自觉的感性认识阶段。。 到了19世纪，两次工业革命的进行，天然聚合物的性能已经不能满足工业发展

对材料性能的需要。工业革命的进行、经济实力的迅速发展，带动科学技术巨大发展，不同于天然材料的现代复合材料应运而生。而真正现代意义上的复合材料最早出现在1847年。许许多多的科学家为复合材料的发展做出了重大贡献。 1847年 瑞典化学家Berzelius，这位现代化学的奠基人之一，首次在实验室发明了饱和聚酯。 1894年 Vorlander在实验室着手对乙二醇马来酸的研究工作，成为记录在案最早的一位研究不饱和聚酯树脂的化学家。 1920年 先锋人物Wallace Carothers开始对乙二醇与不饱和脂肪酸合成的聚酯的研究工作。 1922年 首个聚酯树脂被研发成功。 1930年末 研究人员Bradley， Kropa 和Johnson三人共同研究不饱和聚酯的固化情况，在报告中提高，固化后，它们可以分为可熔性和不可溶性（热固性）。 1935年 欧文斯科宁（Owens Corning）首次引入玻璃纤维 1941年 不饱和聚酯首次投入美国的压铸商业市场 1942年 美国橡胶公司开发出玻璃纤维增强聚酯树脂作为基体的复合材料。 1946年 船艇制造商开始意识到纤维增强复合材料为整个工业带来了何种变革，在这年中首个复合材料船身的游艇在美国建成，还首次引入了冷固化系统。 1950年早期 闭模工艺开发完成。 .. . . word. … 1951年中期 不饱和聚酯树脂在欧洲投入商业化生产。 1963年 碳纤维增强材料引入市场 过20世界60年代末期使用，树脂基高性能复合材料被用于飞机的承力结构，后又逐渐进入工业其他领域。70年代末期发展出了用高强度、高模量的耐热碳纤维和瓷纤维与金属复合，特别是鱼轻金属复合，形成了金属基复合材料，克服了树脂基复合材料耐热性差、导热性低等缺点，已广泛应用于航空航天等高科技领域。80年代开始，逐渐出现了瓷复合材料。复合材料因其具有可设计的特点受到广泛的重视，因而发展极快。目前全世界复合材料的年产量已达550多万吨，年产值达1300亿美元以上，若将欧、美的军事航空航天的高价值产品计入，其产值将更为惊人。从应用上看，复合材料在美国和欧洲主要用于航空航天、汽车等行业。2000年美国汽车零件的复合材料用量达14.8万吨，欧洲汽车复合材料用量到2003年估计可达10.5万吨。而在日本，复合材料主要用于住宅建设，如卫浴设备等，此类产品在2000年的用量达7.5万吨，汽车等领域的用量仅为2.4万吨。

纤维复合材料是当今世界发展最快运用最多的新型多功能复合材料，其中碳纤维以优良的性能而应用最多。碳纤维密度小、耐酸、热膨胀系数小，具有良好的耐高温蠕变性能，而且碳纤维根据力学性能不同而有多种分类，如高强型、高模量型等分别用于不同场所。 F1中复合材料的应用 1950年初，主流的F1赛车底盘主要由铝合金制造。随着二战开发成功的玻纤增强树脂由于能廉价生产，开始得到广泛应用，并逐步替代了铝合金，这种状况一直持续到1980年。最早的真正意义上的复合材料底盘是cooper车队在20世纪60年代早期开发的，以“切割一折叠”的方法，将铝合金外壳和蜂窝状铝合金核和玻璃钢的壳用树脂粘合在一起。虽然这部车没有真正上过赛道，但它确是后20年F1底盘设计的基础。业公认碳纤维复合材料底盘首先由麦克劳伦车队在1980年引入，虽然莲花车队对此颇有争议，但在随后的1981年赛季，该底盘以其优异的机械性能、自重轻、修补高效和方便获得了广泛认同。在1981年意大利大奖赛中麦克劳伦车队的约翰一沃特僧由于赛车失控，剧烈撞击了保护墙，然而他毫发无伤地走出来，彻底打消了人们对碳纤维复合材料底盘承受高应力负载的怀疑。2007年加拿大站库比卡的赛车以超过300km/h的速度撞到防护墙，赛车被弹到空中掉落翻滚在赛道的另一头从，赛车基本粉碎，可是座舱保持完好，车的库比卡事后检查只是扭伤了脚踝，竟然没耽误下一次的比赛。由此可见，碳纤维复合材料在F1中所表现出的优异性能。现在，除了底盘，变速箱，悬挂，刹车等都可以采用碳纤维复合材料。现代F1赛车约85％体积和30％的质量都是碳纤维复合材料。碳纤维复合材料的能量吸收特点对提高赛车运动的安全性做出了很大贡献。 现在，不仅专业比赛中的汽车使用高性能复合材料，许多民用汽车也开始使用复合材料，许多跑车为追求加速性能，不得不降低整车质量，这使复合材料低密度这一特性便有了很大用处。全碳车身的帕加尼Zonda R超级跑车，摸上去手感与塑料差不多，却有着钢铁一般强度和韧性的碳纤维组件，不仅能够帮助整车有效减重，更由于其昂贵的特性而变成奢华的象征。以法拉利、兰博基尼、帕加尼等为代表的意大利超级跑车想必大家非常熟悉，为了追求轻量化，由于制造过程几乎不计成本，所以在车上大规模应用碳纤维组件甚至整车使用碳纤维材料。 奔驰尝试应用碳纤维材料作为溃缩区域，首先在SLR McLaren上得到了应用。呈尖塔状的碳纤维溃缩柱由无数根粗壮的碳纤维经过编织而成，虽然结构依旧无比坚硬，但 .. . . word. … 是在设计上让它能够在正面碰撞时破碎成无数细小的碎片，来吸收大量的能量，并且碎片不会对人造成伤害，这一点非常类似于汽车钢化玻璃的破碎原理。 目前碳纤维材料在民用量产汽车，尤其是中档产品应用也十分广泛，很多厂商也已经开始提供碳纤维材料的小组件，如后视镜壳、饰门板、门把手、排挡杆、赛车座椅、空气套件等，同时可以原装位安装到发动机舱的风箱、进气歧管等碳纤维改装件也是品种繁多。 在飞机中的应用 2013年6月2日上午，中国首架波音787“梦想飞机”抵达白云机场，这一喷绘着“梦想之翼”涂装的787飞机从此将加入南航机队。南航成为中国首家、全球第10家接收787梦想飞机的航空公司。波音787拥有多项技术创新，其中最引人注目的是波音787机体结构的50%都用更轻、更坚固的碳纤维合成材料代替铝合金，是第一款以碳纤维合成物为主体材料的民用喷气式客机，也是是迄今为止复合材料用量最多的一个机型：其机身、机尾翼采用碳纤维层合结构；而升降舵、方向舵却保留了过去采用的碳纤维夹芯结构；发动机舱除受力大的发动机吊架外均采用碳纤维夹芯结构；整流罩采用玻璃纤维夹芯结构。 在使用复合材料方面，空中客车A380在研制中使用了创新的GLARE（玻璃纤维增强铝材料）材料，与传统铝材料相比，重量轻、强度高、抗疲劳特性好，维修性能和使用寿命也得到大大改善，不需要特别的加工工艺。飞机约25%由高级减重材料制造，其中22%为碳纤维混合型增强塑料 （CFRP），3%为首次用于民用飞机的GLARE纤维-金属板。空中客车A380首次采用了复合材料碳纤维制成的连接机翼与机身的中央翼盒。此外，空中客车A380还首次在后压力舱后部的后机身采用了复合材料。被叫做空中巨无霸的大型客机空客A380，约有25%由先进轻质复合材料制造，其中22%为碳、玻璃或者石英纤维增强塑料，3%为GLARE(一种玻璃纤维―铝层压板)材料。 高铁 意大利ETR500 高速列车的车头前突部分采用的是芳纶纤维增强环氧树脂的FRP，用这种材料模型成型的符合空气动力学线型要求的车头，具有优异的抗冲击能力，当列车以300 km/h 速度行驶时有很好的尺寸稳定性 法国国营铁路公司（SNCF）认为对于未来的TGV 高速列车，考虑到迫切需要进一步减轻车体质量，采用碳和玻璃纤维强化环氧树脂包覆发泡蜂窝材料芯,制造双层挂车，并进行线路运行试验，对其耐火性、抗冲击强度等进行运行测试，结果表明： Ø复合材料车体的制造工艺是有效的，它比铝制或钢制车体的强度大，用碳纤维复

材预计可比铝制车的质量减少25 %；Ø复合材料车体在振动性能、透声性能和绝热性能方面的优点，提高了车体的舒适性。 转向架的构架是特别重要的高强度部件，关系到整个车辆安全性。转向架必须满足安全、运行舒适度以及耐磨损、易检修等要求。多采用优质碳素钢、低合金低碳高强度钢、耐候钢制造的构架。 近来研究热点为高分子复合材料和铝合金制造的构架。德国开发了世界上第一个纤复合材料的转向架构架，并过了静态模拟实验、耐久试验、运行试验，运营了100 多万km后检测未现任何损坏、磨损或撕裂。 现状 目前全球复合材料从业人员约45万人，总产值约1000亿欧元。 我国2009年产量达323万吨，已先后超过德国、日本而居世界第二位，并接近居世界首位的美国水平。