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  • 复合材料

    复合材料是由金属材料、陶瓷材料或高分子材料等两种或两种以上的材料经过复合工艺而制备的多相材料,各种材料在性能上互相取长补短,产生协同效应,使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。

    编辑摘要

    目录

    历史/复合材料 编辑

    复合材料使用的历史可以追溯到古代。从古至今沿用的稻草或麦秸增强粘土和已使用上百年的钢筋混凝土均由两种材料复合而成。20世纪40年代,因航空工业的需要,发展了玻璃纤维增强塑料(俗称玻璃钢),从此出现了复合材料这一名称。50年代以后,陆续发展了碳纤维、石墨纤维和硼纤维等高强度和高模量纤维。70年代出现了芳纶纤维和碳化硅纤维。这些高强度、高模量纤维能与合成树脂、碳、石墨、陶瓷、橡胶等非金属基体或铝、镁、钛等金属基体复合,构成各具特色的复合材料。

    现代高科技的发展离不开复合材料,复合材料

    对现代科学技术的发展,有着十分重要的作用。复合材料的研究深度和应用广度及其生产发展的速度和规模,已成为衡量一个国家科学技术先进水平的重要标志之一。进入21世纪以来,全球复合材料市场快速增长,亚洲尤其中国市场增长较快。2003~2008年间中国年均增速为15%,印度为9.5%,而欧洲和北美年均增幅仅为4%。

    第五代战机复合材料第五代战机复合材料

    60年代,为满足航空航天等尖端技术所用材料的需要,先后研制和生产了以高性能纤维(如碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维等)为增强材料的复合材料,其比强度大于4×10厘米(cm),比模量大于4×10cm。为了与第一代玻璃纤维增强树脂复合材料相区别,将这种复合材料称为先进复合材料。按基体材料不同,先进复合材料分为树脂基、金属基和陶瓷基复合材料。其使用温度分别达250~350℃、350~1200℃和1200℃以上。先进复合材料除作为结构材料外,还可用作功能材料,如梯度复 合材料(材料的化学和结晶学组成、结构、空隙等在空间连续梯变的功能复合材料)、机敏复合材料(具有感觉、处理和执行功能,能适应环境变化的功能复合材料)、仿生复合材料、隐身复合材料等。

    2007年中国(大陆)行业中,复合材料玻璃纤维产量160万吨,其中115.5万吨用于玻璃钢(FRP)工业;不饱和聚酯树脂(UPR)产量135万吨,其中68.8万吨用于玻璃钢领域、占51%;乙烯基树脂产量12640吨,胶衣树脂产量15870吨。

    2008年我国复合材料整个行业全年经济运行平稳,产量增长达12%左右。行业规模以上企业全年实现工业增加值86.7亿元,工业总产值258亿元,新产品产值11.6亿元,销售产值253亿元。

    现阶段,我国玻璃钢、复合材料

    行业面临一个新的大发展时期,如城市化进程中大规模的市政建设、新能源的利用和大规模开发、环境保护政策的出台、汽车工业的发展、大规模的铁路建设、大飞机项目等。在巨大的市场需求牵引下,复合材料产业的发展将有很广阔的发展空间。

    从2010年年初起,国家发改委、科技部、财政部、工信部四部委联合制定下发了《关于加快培育战略性新兴产业的决定》代拟稿,经过半年的意见征求,主要领域从7个扩为9个,其中“新材料”中分列了特种功能和高性能复合材料两项。

    在“十大产业振兴规划”之后,“战略性新兴产业”已经被认为是振兴经济的又一重大举措,此后的政府大规模投资也被市场普遍期待,所以这也被认为是继国家“4万亿”投资计划之后又一个大型产业投资计划。

    分类/复合材料 编辑

    复合材料

    是一种混合物。在很多领域都发挥了很大的作用,代替了很多传统的材料。复合材料按其组成分为金属与金属复合材料、非金属与金属复合材料、非金属与非金属复合材料。按其结构特点又分为:①纤维增强复合材料。将各种纤维增强体置于基体材料内复合而成。如纤维增强塑料、纤维增强金属等。②夹层复合材料。由性质不同的表面材料和芯材组合而成。通常面材强度高、薄;芯材质轻、强度低,但具有一定刚度和厚度。分为实心夹层和蜂窝夹层两种。③细粒复合材料。将硬质细粒均匀分布于基体中,如弥散强化合金、金属陶瓷等。④混杂复合材料。由两种或两种以上增强相材料混杂于一种基体相材料中构成。与普通单增强相复合材料比,其冲击强度、疲劳强度和断裂韧性显着提高,并具有特殊的热膨胀性能。分为层内混杂、层间混杂、夹芯混杂、层内/层间混杂和超混杂复合材料。

    复合材料主要可分为结构复合材料和功能复合材料两大类。

    结构复合材料是作为承力结构使用的材料,基本上由能承受载荷的增强体组元与能连接增强体成为整体材料同时又起传递力作用的基体组元构成。增强体包括各种玻璃、陶瓷、碳素、高聚物、金属以及天然纤维、织物、晶须、片材和颗粒等,基体则有高聚物(树脂)、金属、陶瓷、玻璃、碳和水泥等。由不同的增强体和不同基体即可组成名目繁多的结构复合材料,并以所用的基体来命名,如高聚物(树脂)基复合材料等。结构复合材料的特点是可根据材料在使用中受力的要求进行组元选材设计,更重要是还可进行复合结构设计,即增强体排布设计,能合理地满足需要并节约用材。

    功能复合材料一般由功能体组元和基体组元组成,基体不仅起到构成整体的作用,而且能产生协同或加强功能的作用。功能复合材料是指除机械性能以外而提供其他物理性能的复合材料。如:导电、超导、半导、磁性、压电、阻尼、吸波、透波、磨擦、屏蔽、阻燃、防热、吸声、隔热等凸显某一功能。统称为功能复合材料。功能复合材料主要由功能体和增强体及基体组成。功能体可由一种或以上功能材料组成。多元功能体的复合材料可以具有多种功能。同时,还有可能由于复合效应而产生新的功能。多功能复合材料是功能复合材料的发展方向。

    复合材料也可分为常用和先进两类。

    常用复合材料如玻璃钢便是用玻璃纤维等性能较低的增强体与普通高聚物(树脂)构成。由于它的价格低廉的以大量发展,已广泛用于船舶、车辆、化工管道和贮罐、建筑结构、体育用品等方面。

    先进复合材料指用高性能增强体如碳纤维、芳纶等于高性能耐热高聚物构成的复合材料,后来又把金属基、陶瓷基和碳(石墨)基以及功能复合材料包括在内。它们的性能虽然优良,但价格相对较高,主要用于国防工业、航空航天、精密机械、深潜器、机器人结构件和高档体育用品等。

    性能/复合材料 编辑

    再生树脂复合材料再生树脂复合材料

    复合材料中以纤维增强材料应用最广、用量最大。其特点是比重小、比强度和比模量大。例如碳纤维与环氧树脂复合的材料,其比强度和比模量均比钢和铝合金大数倍,还具有优良的化学稳定性、减摩耐磨、自润滑、耐热、耐疲劳、耐蠕变、消声、电绝缘等性能。石墨纤维与树脂复合可得到热膨胀系数几乎等于零的材料。纤维增强材料的另一个特点是各向异性,因此可按制件不同部位的强度要求设计纤维的排列。以碳纤维和碳化硅纤维增强的铝基复合材料,在500℃时仍能保持足够的强度和模量。碳化硅纤维与钛复合,不但钛的耐热性提高,且耐磨损,可用作发动机风扇叶片。碳化硅纤维与陶瓷复合, 使用温度可达1500℃,比超合金涡轮叶片的使用温度(1100℃)高得多。碳纤维增强碳、石墨纤维增强碳或石墨纤维增强石墨,构成耐烧蚀材料,已用于航天器、火箭导弹和原子能反应堆中。非金属基复合材料由于密度小,用于汽车和飞机可减轻重量、提高速度、节约能源。用碳纤维和玻璃纤维混合制成的复合材料片弹簧,其刚度和承载能力与重量大5倍多的钢片弹簧相当。

    成型方法/复合材料 编辑

    复合材料相关照片复合材料相关照片

    复合材料的成型方法按基体材料不同各异。树脂基复合材料的成型方法较多,有手糊成型、喷射成型、纤维缠绕成型、模压成型、拉挤成型、RTM成型、热压罐成型、隔膜成型、迁移成型、反应注射成型、软膜膨胀成型、冲压成型等。

    金属基复合材料成型方法分为固相成型法和液相成型法。前者是在低于基体熔点温度下,通过施加压力实现成型,包括扩散焊接、粉末冶金、热轧、热拔、热等静压和爆炸焊接等。后者是将基体熔化后,充填到增强体材料中,包括传统铸造、真空吸铸、真空反压铸造、挤压铸造及喷铸等、陶瓷基复合材料的成型方法主要有固相烧结、化学气相浸渗成型、化学气相沉积成型等。

    应用/复合材料 编辑

    应用领域

    verton复合材料verton复合材料

    复合材料的主要应用领域有:①航空航天领域。由于复合材料热稳定性好,比强度、比刚度高,可用于制造飞机机翼和前机身、卫星天线及其支撑结构、太阳能电池翼和外壳、大型运载火箭的 壳体、发动机壳体、航天飞机结构件等。②汽车工业。由于复合材料具有特殊的振动阻尼特性,可减振和降低噪声、抗疲劳性能好,损伤后易修理,便于整体成形,故可用于制造汽车车身、受力构件、传动轴、发动机架及其内部构件。③化工、纺织和机械制造领域。有良好耐蚀性的碳纤维与树脂基体复合而成的材料,可用于制造化工设备、纺织机、造纸机、复印机、高速机床、精密仪器等。④医学领域。碳纤维复合材料具有优异的力学性能和不吸收X射线特性,可用于制造医用X光机和矫形支架等。碳纤维复合材料还具有生物组织相容性和血液相容性,生物环境下稳定性好,也用作生物医学材料。此外,复合材料还用于制造体育运动器件和用作建筑材料等。

    发展和应用

    复合材料电缆支架复合材料电缆支架

    复合材料是指由两种或两种以上不同物质以不同方式组合而成的材料,它可以发挥各种材料的优点,克服单一材料的缺陷,扩大材料的应用范围。由于复合材料具有重量轻、强度高、加工成型方便、弹性优良、耐化学腐蚀和耐候性好等特点,已逐步取代木材及金属合金,广泛应用于航空航天、汽车、电子电气、建筑、健身器材等领域,在近几年更是得到了飞速发展。

    随着科技的发展,树脂与玻璃纤维在技术上不断进步,生产厂家的制造能力普遍提高,使得玻纤增强复合材料的价格成本已被许多行业接受,但玻纤增强复合材料的强度尚不足以和金属匹敌。因此,碳纤维、硼纤维等增强复合材料相继问世,使高分子复合材料家族更加完备,已经成为众多产业的必备材料。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。从全球范围看,世界复合材料的生产主要集中在欧美和东亚地区。近几年欧美复合材料产需均持续增长,而亚洲的日本则因经济不景气,发展较为缓慢,但中国尤其是中国内地的市场发展迅速。据世界主要复合材料生产商PPG公司统计,2000年欧洲的复合材料全球占有率约为32%,年产量约200万吨。与此同时,美国复合材料在20世纪90年代年均增长率约为美国GDP增长率的2倍,达到4%~6%。2000年,美国复合材料的年产量达170万吨左右。特别是汽车用复合材料的迅速增加使得美国汽车在全球市场上重新崛起。亚洲近几年复合材料的发展情况与政治经济的整体变化密切相关,各国的占有率变化很大。总体而言,亚洲的复合材料仍将继续增长,2000年的总产量约为145万吨,预计2005年总产量将达180万吨。

    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。不过从全球范围看,汽车工业是复合材料最大的用户,今后发展潜力仍十分巨大,目前还有许多新技术正在开发中。例如,为降低发动机噪声,增加轿车的舒适性,正着力开发两层冷轧板间粘附热塑性树脂的减振钢板;为满足发动机向高速、增压、高负荷方向发展的要求,发动机活塞、连杆、轴瓦已开始应用金属基复合材料。为满足汽车轻量化要求,必将会有越来越多的新型复合材料将被应用到汽车制造业中。与此同时,随着近年来人们对环保问题的日益重视,高分子复合材料取代木材方面的应用也得到了进一步推广。例如,用植物纤维与废塑料加工而成的复合材料,在北美已被大量用作托盘和包装箱,用以替代木制产品;而可降解复合材料也成为国内外开发研究的重点。

    另外,纳米技术逐渐引起人们的关注,纳米复合材料的研究开发也成为新的热点。以纳米改性塑料,可使塑料的聚集态及结晶形态发生改变,从而使之具有新的性能,在克服传统材料刚性与韧性难以相容的矛盾的同时,大大提高了材料的综合性能。

    增强材料

    树脂基复合材料采用的增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维等。

    玻璃纤维

    目前用于高性能复合材料的玻璃纤维主要有高强度玻璃纤维、石英玻璃纤维和高硅氧玻璃纤维等。由于高强度玻璃纤维性价比较高,因此增长率也比较快,年增长率达到10%以上。高强度玻璃纤维复合材料不仅应用在军用方面,近年来民用产品也有广泛应用,如防弹头盔、防弹服、直升飞机机翼、预警机雷达罩、各种高压压力容器、民用飞机直板、体育用品、各类耐高温制品以及近期报道的性能优异的轮胎帘子线等。石英玻璃纤维及高硅氧玻璃纤维属于耐高温的玻璃纤维,是比较理想的耐热防火材料,用其增强酚醛树脂可制成各种结构的耐高温、耐烧蚀的复合材料部件,大量应用于火箭、导弹的防热材料。迄今为止,中国已经实用化的高性能树脂基复合材料用的碳纤维、芳纶纤维、高强度玻璃纤维三大增强纤维中,只有高强度玻璃纤维已达到国际先进水平,且拥有自主知识产权,形成了小规模的产业,现阶段年产可达500吨。

    碳纤维

    碳纤维具有强度高、模量高、耐高温、导电等一系列性能,首先在航空航天领域得到广泛应用,近年来在运动器具和体育用品方面也广泛采用。据预测,土木建筑、交通运输、汽车、能源等领域将会大规模采用工业级碳纤维。1997~2000年间,宇航用碳纤维的年增长率估计为31%,而工业用碳纤维的年增长率估计会达到130%。中国的碳纤维总体水平还比较低,相当于国外七十年代中、末期水平,与国外差距达20年左右。国产碳纤维的主要问题是性能不太稳定且离散系数大、无高性能碳纤维、品种单一、规格不全、连续长度不够、未经表面处理、价格偏高等。

    芳纶纤维

    20世纪80年代以来,荷兰、日本、前苏联也先后开展了芳纶纤维的研制开发工作。日本及俄罗斯的芳纶纤维已投入市场,年增长速度也达到20%左右。芳纶纤维比强度、比模量较高,因此被广泛应用于航空航天领域的高性能复合材料零部件(如火箭发动机壳体、飞机发动机舱、整流罩、方向舵等)、舰船(如航空母舰、核潜艇、游艇、救生艇等)、汽车(如轮胎帘子线、高压软管、摩擦材料、高压气瓶等)以及耐热运输带、体育运动器材等。

    超高分子量聚乙烯纤维

    超高分子量聚乙烯纤维的比强度在各种纤维中位居第一,尤其是它的抗化学试剂侵蚀性能和抗老化性能优良。它还具有优良的高频声纳透过性和耐海水腐蚀性,许多国家已用它来制造舰艇的高频声纳导流罩,大大提高了舰艇的探雷、扫雷能力。除在军事领域,在汽车制造、船舶制造、医疗器械、体育运动器材等领域超高分子量聚乙烯纤维也有广阔的应用前景。该纤维一经问世就引起了世界发达国家的极大兴趣和重视。

    热固性树脂基复合材料

    热固性树脂基复合材料是指以热固性树脂如不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、乙烯基酯树脂等为基体,以玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维等为增强材料制成的复合材料。环氧树脂的特点是具有优良的化学稳定性、电绝缘性、耐腐蚀性、良好的粘接性能和较高的机械强度,广泛应用于化工、轻工、机械、电子、水利、交通、汽车、家电和宇航等各个领域。1993年世界环氧树脂生产能力为130万吨,1996年递增到143万吨,1997年为148万吨,1999年150万吨,2003年达到180万吨左右。中国从1975年开始研究环氧树脂,据不完全统计,目前中国环氧树脂生产企业约有170多家,总生产能力为50多万吨,设备利用率为80%左右。酚醛树脂具有耐热性、耐磨擦性、机械强度高、电绝缘性优异、低发烟性和耐酸性优异等特点,因而在复合材料产业的各个领域得到广泛的应用。1997年全球酚醛树脂的产量为300万吨,其中美国为164万吨。中国的产量为18万吨,进口4万吨。乙烯基酯树脂是20世纪60年代发展起来的一类新型热固性树脂,其特点是耐腐蚀性好,耐溶剂性好,机械强度高,延伸率大,与金属、塑料、混凝土等材料的粘结性能好,耐疲劳性能好,电性能佳,耐热老化,固化收缩率低,可常温固化也可加热固化。南京金陵帝斯曼树脂有限公司引进荷兰Atlac系列强耐腐蚀性乙烯基酯树脂,已广泛用于贮罐、容器、管道等,有的品种还能用于防水和热压成型。南京聚隆复合材料有限公司、上海新华树脂厂、南通明佳聚合物有限公司等厂家也生产乙烯基酯树脂。

    1971年以前中国的热固性树脂基复合材料工业主要是军工产品,70年代后开始转向民用。从1987年起,各地大量引进国外先进技术如池窑拉丝、短切毡、表面毡生产线及各种牌号的聚酯树脂(美、德、荷、英、意、日)和环氧树脂(日、德)生产技术;在成型工艺方面,引进了缠绕管、罐生产线、拉挤工艺生产线、SMC生产线、连续制板机组、树脂传递模塑(RTM)成型机、喷射成型技术、树脂注射成型技术及渔竿生产线等,形成了从研究、设计、生产及原材料配套的完整的工业体系,截止2000年底,中国热固性树脂基复合材料生产企业达3000多家,已有51家通过ISO9000质量体系认证,产品品种3000多种,总产量达73万吨/年,居世界第二位。产品主要用于建筑、防腐、轻工、交通运输、造船等工业领域。在建筑方面,有内外墙板、透明瓦、冷却塔、空调罩、风机、玻璃钢水箱、卫生洁具、净化槽等;在石油化工方面,主要用于管道及贮罐;在交通运输方面,汽车上主要有车身、引擎盖、保险杠等配件,火车上有车厢板、门窗、座椅等,船艇方面主要有气垫船、救生艇、侦察艇、渔船等;在机械及电器领域如屋顶风机、轴流风机、电缆桥架、绝缘棒、集成电路板等产品都具有相当的规模;在航空航天及军事领域,轻型飞机、尾翼、卫星天线、火箭喷管、防弹板、防弹衣、鱼雷等都取得了重大突破。

    热塑性树脂基复合材料

    pvd复合材料pvd复合材料

    热塑性树脂基复合材料是20世纪80年代发展起来的,主要有长纤维增强粒料(LFP)、连续纤维增强预浸带(MITT)和玻璃纤维毡增强型热塑性复合材料(GMT)。根据使用要求不同,树脂基体主要有PP、PE、PA、PBT、PEI、PC、PES、PEEK、PI、PAI等热塑性工程塑料,纤维种类包括玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维和硼纤维等一切可能的纤维品种。随着热塑性树脂基复合材料技术的不断成熟以及可回收 利用的优势,该品种的复合材料发展较快,欧美发达国家热塑性树脂基复合材料已经占到树脂基复合材料总量的30%以上。

    高性能热塑性树脂基复合材料以注射件居多,基体以PP、PA为主。产品有管件(弯头、三通、法兰)、阀门、叶轮、轴承、电器及汽车零件、挤出成型管道、GMT模压制品(如吉普车座椅支架)、汽车踏板、座椅等。玻璃纤维增强聚丙烯在汽车中的应用包括通风和供暖系统、空气过滤器外壳、变速箱盖、座椅架、挡泥板垫片、传动皮带保护罩等。

    滑石粉填充的PP具有高刚性、高强度、极好的耐热老化性能及耐寒性。滑石粉增强PP在车内装饰方面有着重要的应用,如用作通风系统零部件,仪表盘和自动刹车控制杠等,例如美国HPM公司用20%滑石粉填充PP制成的蜂窝状结构的吸音天花板和轿车的摇窗升降器卷绳筒外壳。

    印度研发复合材料武装直升机印度研发复合材料武装直升机

    云母复合材料具有高刚性、高热变形温度、低收缩率、低挠曲性、尺寸稳定以及低密度、低价格等特点,利用云母/聚丙烯复合材料可制作汽车仪表盘、前灯保护圈、挡板罩、车门护 栏、电机风扇、百叶窗等部件,利用该材料的阻尼性可制作音响零件,利用其屏蔽性可制作蓄电池箱等。

    中国的热塑性树脂基复合材料的研究开始于20世纪80年代末期,近十年来取得了快速发展,2000年产量达到12万吨,约占树脂基复合材料总产量的17%,,所用的基体材料仍以PP、PA为主,增强材料以玻璃纤维为主,少量为碳纤维,在热塑性复合材料方面未能有重大突破,与发达国家尚有差距。

    复合材料创新

    复合材料创新包括复合材料的技术发展、复合材料的工艺发展、复合材料的产品发展和复合材料的应用,具体要抓住树脂基体发展创新、增强材料发展创新、生产工艺发展创新和产品应用发展创新。到2007年,亚洲占世界复合材料总销售量的比例将从18%增加到25%,目前亚洲人均消费量仅为0.29kg,而美国为6.8kg,亚洲地区具有极大的增长潜力。

    聚丙烯腈基纤维发展

    中国碳纤维工业发展缓慢,从CF发展回顾、特点、国内碳纤维发展过程、中国PAN基CF市场概况、特点、“十五”科技攻关情况看,发展聚丙烯腈基纤维既有需要也有可能。

    玻璃纤维结构调整

    中国玻璃纤维70%以上用于增强基材,在国际市场上具有成本优势,但在品种规格和质量上与先进国家尚有差距,必须改进和发展纱类、机织物、无纺毡、编织物、缝编织物、复合毡,推进玻纤与玻钢两行业密切合作,促进玻璃纤维增强材料的新发展。

    复合材料市场

    一是清洁、可再生能源用复合材料,包括风力发电用复合材料、烟气脱硫装置用复合材料、输变电设备用复合材料和天然气、氢气高压容器;二是汽车、城市轨道交通用复合材料,包括汽车车身、构架和车体外复盖件,轨道交通车体、车门、座椅、电缆槽、电缆架、格栅、电器箱等;三是民航客机用复合材料,主要为碳纤维复合材料。热塑性复合材料约占10%,主要产品为机翼部件、垂直尾翼、机头罩等。中国未来20年间需新增支线飞机661架,将形成民航客机的大产业,复合材料可建成新产业与之相配套;四是船艇用复合材料,主要为游艇和渔船,游艇作为高级娱乐耐用消费品在欧美有很大市场,由于中国鱼类资源的减少、渔船虽发展缓慢,但复合材料特有的优点仍有发展的空间。

    基础设施应用

    国内外复合材料在桥梁、房屋、道路中的基础应用广泛,与传统材料相比有很多优点,特别是在桥梁上和在房屋补强、隧道工程以及大型储仓修补和加固中市场广阔。

    处理与再生

    重点发展物理回收(粉碎回收)、化学回收(热裂解)和能量回收,加强技术路线、综合处理技术研究,示范生产线建设,再生利用研究,大力拓展再生利用材料在石膏中的应用、在拉挤制品中的应用以及在SMC/BMC模压制品中的应用和典型产品中的应用。

    21世纪的高性能树脂基复合材料技术是赋予复合材料自修复性、自分解性、自诊断性、自制功能等为一体的智能化材料。以开发高刚度、高强度、高湿热环境下使用的复合材料为重点,构筑材料、成型加工、设计、检查一体化的材料系统。组织系统上将是联盟和集团化,这将更充分的利用各方面的资源(技术资源、物质资源),紧密联系各方面的优势,以推动复合材料工业的进一步发展。

    汽车应用

    随着现代科学技术的发展,具有轻质、高强度、耐腐蚀、易合成型等优点的非金属材料越来越多的取代传统的金属材料,在汽车上得到了应用。在汽车工业中非金属材料有塑料、橡胶、摩擦材料、涂料、胶黏剂、复合材料、玻璃、纺织材料、密封材料及润滑油等。其中汽车用复合材料在汽车工业中越来越得到广泛的重视和应用,而且有着一定的市场开发前景。

    车用复合材料的特点

    一般称为复合材料的是由纤维等增强材料与基底(母体)等2种或2种以上性质不同的材料,通过各种工艺手段组合而成。它与纤维增强塑料(FRP)、纤维增强金属(FRM)、金属-塑料层叠材料等相当,具有质量轻、强度高、刚度好的特点,这些复合材料在汽车零部件上应用很盛行。

    复合材料是并向异性的非均质材料,与其他材料相比有以下突出特点:

    1)比强度与比模量高。比强度、比模量是指材料的强度和模量与密度之比,比强度越高,零件自重越小;比模量越高,零件的刚性越大。因此对高速运转的结构件或需减轻自重的运输工具具有重要意义。

    2)纤维增强复合材料中的纤维与基体间的界面能够有效地阻止疲劳裂纹的扩展,外加载荷由增强纤维承担。大多数金属材料的疲劳强度极限是其拉伸强度的30%~50%,而复合材料则可达到60%~80%。

    3)在热塑性塑料中掺入少量的短切碳纤维可大大地提高它的耐磨性,其增加的倍数可为原来的好几倍。如聚氯乙烯以碳纤维增强后为其本身的3.8倍,聚四氟乙烯为其本身的3倍;聚丙烯为其本身的2.5倍;聚酰胺为其本身的1.2倍;聚酯为其本身的2倍。选用适当塑料与钢板复合可作耐磨物件,如轴承材料等。用聚四氟乙烯(或聚甲醛)为表层、多孔青铜和钢板为里层的三层复合材料,可制成滑动轴承的良好材料。

    4)化学稳定性优良。纤维增强酚醛塑料可长期在含氯离子的酸性介质中使用,用玻璃纤维增强塑料,可制造耐强酸、盐、酯和某些溶剂的化工管道、泵、阀及容器等设备。如用耐碱纤维与塑料复合,还能在强碱介质中使用。耐碱纤维可用来取代钢筋与水泥复合。

    5)耐高温烧蚀性好。纤维增强复合材料中,除玻璃纤维软化点较低(700~900℃)外,其他纤维的熔点(或软化点)一般都在2000℃以上,用这些纤维与金属基体组成的复合材料,高温下强度和模量均有提高。例如:用碳纤维或硼纤维增强后,400℃时强度和模量基本可保持室温下水平。同样用碳纤维增强金属镍,不仅密度下降,而且高温性能也提高。由于玻璃钢具有极低的导热系数,可瞬时耐超高温,故可做耐烧蚀材料。

    6)工艺性与可设计性好。调整增强材料的形状、排布及含量,可满足构件强度和刚度等性能要求,且材料与构件可一次成型,减少了零部件、紧固件和接头数目,材料利用率大大提高。

    复合材料的作用和性能

    复合材料与传统材料相比,具有比强度高、质量轻、比模量高、抗疲劳性能好及减振性能好等诸多优点。复合材料的各个组成材料在性能上起协同作用,具有单一材料无法比拟的优越综合性能。因此,在汽车工业中,复合材料被广泛应用于车身、灯壳罩、前后护板、保险杠、板弹簧、座椅架及驱动轴等部件的设计与制造。

    在汽车工业中的复合材料设计应注意3个原则:1)比强度高和比刚度高;2)材料与环境相适应;3)性价比高。另外,在设计车身时,有一些经验方法,如:在应力高的区域适用碳纤维复合材料;在对韧性和刚度要求比较高的区域使用三合板复合材料;在几何形状复杂的区域可以使用层合板。

    复合材料性能适合车身轻量化的要求,降低油耗。传统的汽车车身材料处于以薄钢板为主的单一状态,不能适应人们追求高速与轻量化的要求,为减轻其质量,改善风阻系数和降低油耗,许多汽车厂家都积极研究和利用新材料以达到上述要求。汽车自重减少50kg,1L燃油行驶距离可增加2Km;若自重减少10%,燃油经济性可提高约5.5%。许多类型的复合材料都在车身轻量化过程中得到了施展才能的舞台,并在汽车的轻量化进程中大显生手。汽车轻量化的目的就是节能和减轻排放污染。同时环境保护已成为可持续发展战略必不可少的条件,而复合材料的发展趋势正朝着延长使用期以及可再生的方向发展。

    研发中的复合材料

    1)碳纤维强化塑料(CFRP)。碳纤维由纤维和聚丙烯睛经高温加热处理制造而成,具有耐热性高,比重比铝和玻璃纤维还小,而且与塑料复合其强度可与钢和铝相匹敌。可是CFRP的成本与GFRP(玻璃纤维增强塑料)相比,远高很多,大多限于航空宇宙和体育用品范围内使用。

    1979年,美国福特汽车公司发表了用GFRP制作轻型实验车的新构想(见图1),其中使用CFRP约300kg,燃费约可降低35%。该实验车主要是将CFRP材料应用于车体面板,其他是传动轴和板弹簧等功能性零件,同时,还尝试在发动机机体和连杆、活塞等零部件上应用。CFRP材料质轻,刚度和强度也高,因材料的各向异性,设计时,可在所需的方向保持其强度和刚性。CFRP的弹性模量是GFRP的4~9倍,是金属材料的3~4倍。如果成批生产,成本将进一步下降,故而它将是一种期望很高的复合材料。

    2)纤维增强金属(FRM)。CFRP与GFRP具有各种优越的机械性能,但其基底是塑料,与金属相比耐热性差。因此,作为高温强度材料使用的FRM的研究十分盛行,并且揭开了可将其在汽车上使用的可能性。增强纤维有:碳元素、碳化硅、硼、氧化铝等。基底,开始有铝、铜及镍,后又有与各种目的相适应的钛、镁、锌及锡等。增强纤维与各种金属相结合,将制造出各种特性的FRM。现正进行将FRM应用于活塞、连杆及其他一些滑动零件的研究。因这种纤维价格高,以及还未达到成批生产的规模,它作为高温强度好的材料,其利用价值是相当高的。

    3)金属-塑料层辑材料。将高强度钢板和铝、塑料等紧密结合在一起的材料是种理想的轻型材料,也是种夹层结构的层叠材料。由于它是在塑料芯的两面粘结上薄钢板或铝板,具自优越的隔热和隔音性能。层叠材料,它叫发挥与钢板相匹敌的刚性好的特点,它由塑料芯两面的金属板承受弯曲应力,由塑料芯材承受剪切应力。在同样刚性下,层叠钢板与一般钢板相比,质量是其30%~-70%, 如果对于层叠板质量有一定限制要求时,可由改变芯两面的金属板与芯板的厚度等来解决。层叠材料的成本一般是钢板的1~3倍,但它还存在一些需要解决的问题,如:使用在车体面板时,与各面板如何粘结拼合;在其表面金属钢板锈蚀时,刚性会降低等。然而随着层叠材料研究开发的进步,使它实用化将有很大的可能性。

    4)车用玻璃纤维增强复合材料。由于增强材料和填充材料品种繁多,因此将使用玻纤当做增强材料的材料称为GFRR。由于玻纤的加入大大地改善了塑料的物理机械性能,通过塑料经过增强后,也能作为工程材料应用。目前汽车上使用的玻纤增强塑料主要有玻纤增强PP、玻纤增强PA66或PA6以及少量PBT和PPO材料。汽车上应用的玻璃纤维增强复合材料包括玻璃纤维增强热塑性材料、玻璃纤维毡增强热塑性材料(GMT)、片状模塑材料(SMC)、树脂传递模塑材料(RTM)以及手糊FRP制品。

    增强PP主要用于制作发动机冷却风扇叶片和正时齿带上下罩盖等制品,但有些制品存在外观质量不好、翘曲等缺欠,因此非功能件逐渐被滑石粉添充PP所替代。增强PA材料在轿车、厢式车及载货车上都已采用,一般都是用于制作些小的功能件,例如:锁体防护罩、保险楔块、嵌装螺母、油门踏板、换挡上下护架-防护罩和开启手柄等。GMT是目前国际上极为活跃的复合材料开发品种,这是种以热塑性树脂为基体,以玻璃纤维毡为增强骨架的新颖、节能及轻质的复合材料,一般可以生产出片材半成品,然后直接加工成所需形状的产品,纤维可以是短切玻璃纤维或连续的玻璃纤维毡。

    SMC是一种较重要且用途广的模压复合材料制品的半成品。与钢制汽车零件相比,SC生产周期短,便于汽车改型,投资效益好;质量较轻,节约燃油;设计自由;制件的整体性好,零件的数量很少;耐用性和隔热性好。但是SMC不可以回收,污染环境;虽然性能价格比较好,但一次性投资往往高于对应的钢制件,如福特金牛座和水星黑貂轿车前围里的下散热器托架,原钢制的有22个零件,而SMC的只有2件,质量大减,成本降低14%。

    尽管许多汽车厂在生产汽车车身时都已改用由玻璃纤维为增强的材料来替代相对笨重的金属,但是玻璃纤维是由熔融玻璃拉成的纤维,它在高温融化后非常容易重新凝固,这给废旧汽车回收处理带来了很大困难。为此,法国国家科学研究中心正在研究一种以大麻和聚氨酯为原料的合成材料,这种材料的特点是除具有金属和玻璃纤维各有的优点外,价格更便宜,质量更轻,韧度更强,而且叫以生物降解。现在,该中心正在对这种材料的强度及其他特性进行测试,一期目标是用这种材料生产出汽车车门。

    汽车中的金属基复合材料

    MMC用于汽车工业主要是颗粒增强和短纤维增强的铝基复合材料。MMC具有高的比强度和比刚度、耐磨性好、导热性好及热膨胀系数低等特性,已在工业中得到了较为广泛的应用。应用于汽车工业的MMC为铝或镁基质加粉末或碎屑纤维增强。在汽车制动盘、制动鼓、制动钳、活塞、传动轴以及轮胎螺栓上,采用MMC制造。

    目前,铝基复合材料一般采用铝硅合金。常用的填充增强剂有陶瓷纤维和微粒等。它与铝合金相比具有质量轻、比强度高和弹性模量高、耐热性和耐磨性好等优点,是汽车轻量化的理想材料。

    活塞是发动机的主要零件之一,它在高温高压下工作,因而选合适的活塞材料是至关重要的。目前,应用于活塞的复合材料由低密度金属和增强陶瓷纤维组成,主要用于高性能铝活塞。近年来,有所发展的是纤维增强金属(FRM),铝合金基FRM具有抗拉强度高和耐磨耐热特性。纤维增强的轻金属能用于仅靠轻合金不能满足强度和耐磨性的部位上,是很有发展前途的材料。在此基础上,围外又推出了氧化铝纤维增强活塞顶的铝活塞及氧化铝增强的镁合金制造的活塞等,进一步扩大了它在活塞上的应用。

    美国已将铝基复合材料应用于刹车轮。其特点是铝基复合材料使质量减轻了30%~60%,导热性好,最高使用温度叫达到450℃,其热性能己达到原先使用的铸铁水平。MMC必须用新的方法制造,限制应用的原理是是必须研制匹配的制动踏板。制动钳采用金属基复合材料制造时,除了降低质量外,最主要的益处是刚度。MMC制动钳应用于高性能体育赛车上,由于高成本而限制了其大量应用。MMC活塞主要用于柴油机上,但也可用于汽油发动机。因氧化铝和氧化硅短纤维增强,但是热疲劳易导致断裂。采用陶瓷纤维预型坯可弱化这一问题,提高活塞寿命。

    轮胎螺栓采用MMC制造,质量减轻50%。2000年世界汽车工业对金属基复合材料的用量达到0.6万t。随着复合材料制备技术、性能的不断提高,以及价格的日益下降,MMC必将在汽午上得到越来越广泛的应用。

    复合材料与车身悬架系统

    20世纪60年代以后,由于复合材料的深入研究,比如玻璃纤维增强材料、碳纤维增强材料及高弹性基体复合材料的出现,使大幅度降低整车质量成为可能。其中,玻璃纤维增强材料被较多的采用,原因是虽然碳纤维增强复合材料力学性质稳定,然而其价格昂贵,从经济性考虑,尽量多的使用玻璃纤维增强材料是一条设计准则。

    在最近几年的车身制造业中,许多汽车公司开始大量使用一种叫SMC钣金复合成型的复合材料,低密度SMC的密度只有1.3g/cm,而它的热膨胀系数却与钢铁一样,同时,它在耐腐蚀、抗损伤以及声学性质上均优于钢铁。比如雪弗兰的车型C5卡福特的金属车顶,自1999年出产以后,取得了巨大的商业成功。这个长140 cm,宽1.47 cm,顶部厚度0.168 cm,内板厚0.178 cm的框架顶部是普通SMC,侧面及内板由低密度SMC构成,它仅重10.5 kg。然而,SMC也有缺点,它的价格比较昂贵,同时在抗磨损的性能上比不上碳纤维复合材料。另外,高温时,会部分丧失承载能力。针对这些弱点,许多新型的SMC被开发出来,其中,SMC3374是 一种较典型的材料,它的密度仍然维持在1.3 g/cm左右,然而它在93.3℃能够保持住75%的力学性能,与原来的SMC只能在65.5℃保持有了明显的提高。因此,在2001奥德汽车极光,庞帝阿克-邦奈威勒2000以及2000别克-萨罗上,都采用了SMC3374材料。

    从以上的分析不难看出,SMC仅适用于制造车身上温度不高且承受的载荷不大的区域,比如顶部和侧面。而底部以及高温区域,就需要能够抗高温和耐高压的复合材料了。

    戴尔福公司在1981年生产出第一个采用复合材料小弯曲的板掸簧。小弯曲材料有很高的刚度,也就是说,在很大的压力下,它的应变却可以保持在很小的范围内,同时它的密度很小,只有钢材的50%~70%,因此,小弯曲材料的承载与自身质量之比是钢材的5倍。另外,实验数据显示,它比钢材要坚硬3.5倍。这些优点都是由材料性能直接带来的,除此之外,复合材料板掸簧要比钢板弹簧的结构简单得多,很容易装配,维修以及采取防腐措施。而且,由于它比钢板弹簧小得多的厚度,使它叫以更接近地面,从而节省了汽车的有效空间。必要时,更可以用来降低汽车的底盘,提高汽车的舒适性能。

    高温下材料的性能,一直是材料选择的因素。测试结果显示,车下板弹簧处的温度最高可以达到130℃,小弯曲材料在这个温度下性能是稳定的。正是基于以上的诸多优点,小弯曲材料被广泛应用于制造汽车的板弹簧,从轿车到轻型货车,甚至重型商业运输车都采用了这种板掸簧。

    复合材料与未来汽车

    未来的汽车是属于适应环境保护的绿色汽车,因而在此不可避免的要提到复合材料的环保意识。复合材料能提高材料性能,延长使用期,加强功能性,这些都是对环境有利的特性。但应认真对待并努力克服复合材料的再生问题,使复合材料朝着环境协调化的方向发展。

    复合材料零件的再生利用是非常难的事,会对环境产生些不利的影响。如目前发展最快、应用最高的聚合物基复合材料中绝大多数属易燃物,燃烧时会放出大量有毒气体,污染环境;且在成型时,基体中的挥发成分即溶剂会扩散到空气中,造成污染。复合材料使用本身就是多种组分材料构成,属多相材料,难以粉碎、磨细、熔融及降解,复合零件首先分解成单一材料的零件,然而这种分解工艺成本和再生成本较高,而且要使其恢复原有性能十分困难。因此再生利用的主要条件之一是零件容易拆卸,尽可能是单一品种材料,即便是复合材料也要尽量使用复合性少的材料。基于上述原则上的考虑,热塑性聚烯烃弹性体、聚丙烯发泡材料及GMT增强板材的应用量还会大幅度增加,相反热固性树脂的用量将受到限制。目前在再生性和降解性方面的研究工作已经取得了很大的进展。当今社会,人们目光的角度逐渐转到人与自然的关系问题上,环境与能源问题成为世界上每个国家能否生存和发展的关键。随着人们环保意识的不断提高以及符合环保法规的相继出台,绿色汽车已经成为未来汽车发展的必然趋势,因而如何使汽车满足环境保护的要求,便提到了汽车厂商们的议事日程。而复合材料作为末来汽车材料发展的主流,必将在其中扮演非常重要的角色。

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    1复合材料

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