复合材料在我国的发展和应用

复合材料在我国的发展和应用

摘要:近年来,因复合材料强度较高、重量较轻、加工成型较方便,且具有优良的弹性、耐化学腐蚀性和耐候性等特点,已在我国各行业领域中逐步取代木材及金属合金。本文分析了各种复合材料在我国各行业领域的发展与应用,并总结了复合材料在我国的发展瓶颈。

关键词:复合材料性能发展应用

复合材料由基体和增强体两种材料组合而成的材料。两种材料在性能上各发挥其优点,从而产生协同效应,使复合材料的综合性能优于原组成单一材料,从而扩大复合材料的应用范围。复合材料通常有纤维复合材料、夹层复合材料、细粒复合材料、混杂复合材料以及为满足航空航天等尖端技术所研制的先进复合材料。

早在远古时期,我国祖先就以麻、稻草及木料等材料制做兵器,这些早期兵器的制作材料即为我国早期的复合材料。复合材料在新中国的发展历程以十一届三中全会为界可分为以下两个阶段:在十一届三中全会之前,致力以国防军工;之后,我国生产社会化。因复合材料比重小、比强度大、加工成型较方便,比模量较大,在我国各行业领域中得到广泛的应用,主要应用于汽车、航空航天、电子电气、建筑等领域,在近几年更是得到了迅猛发展。

随着我国科技的发展,复合材料相关技术不断进步,各生产厂家的制造能力也都有很大的提高,使复合材料的价格大大降低,但其强度仍

无法和金属的强度相比。因此,在此基础上又研发出碳纤维、硼纤维等增强复合材料,使的高分子复合材料家族更加齐备,已作为众多产业的必备材料。

1 复合材料的主要应用领域

1.1 航空航天领域

因复合材料热稳定性好,比强度与比刚度较高等特点,可用其制造飞机的机翼和前机身的卫星天线以及这些部件的支撑结构;另外,很多其他的航空用零部件结构都用复合材料制造。

1.2 汽车工业

复合材料特殊的振动阻尼特性,可以减振和降低噪音,另外,复合材料具有优良的抗疲劳特性,且损伤后极易修复修理,生产时便于整体成形,因此常用其制造汽车车身及其受力构件与传动轴、汽车发动机架及其内部结构件。由于汽车制造满足力学要求的前提下越轻越好,使得新型复合材料将被广泛应用到汽车制造业中。

1.3 医学领域

复合材料家族中的碳纤维,具有不吸收X射线的特性以及优良的力学性能,通常用碳纤维制造医用X光机及矫形支架等。同时,碳纤维还具有血液与生物组织相容性,因此,碳纤维在生物环境下稳定性较好,可用于生物医学材料及制造体育运动器件等。

1.4 化工、纺织和机械制造领域

因碳纤维具有良好的耐腐蚀性,由碳纤维与树脂基体复合而成的复合材料可用于制造纺织机、复印机、造纸机、精密仪器及各类化工设备等。

2 复合材料的发展和应用

2.1 树脂基复合材料的增强材料

树脂基复合材料用增强材料通常包括以下几种。

2.1.1 玻璃纤维

高性能复合材料的玻璃纤维目前主要有高强度、高硅氧及石英玻璃纤维等。高强度玻璃纤维因具有较高的性价比,近几年得到较快的增长速度。其不仅在军用方面得到较好的应用,而且在民用产品如防弹服与头盔、高压压力容器及各类耐高温制品与体育用品等也有较广泛的应用。高硅氧和石英玻璃纤维具有耐高温特性,是较理想的耐火材料,主要应用为火箭与导弹的防热材料。

2.1.2 碳纤维

碳纤维具有上述一系列优点,在航空航天领域及运动器具和体育用品领域得到广泛的应用。我国生产的碳纤维因其性能不太稳定,性价比较低,与世界先进水平还存在差距。

2.1.3 超高分子量聚乙烯纤维

超高分子量聚乙烯纤维的抗蚀性与抗老化性较高,并具有良好的耐海水腐蚀性和高频声纳透过性。在军事领域及汽车、医疗器械、船舶、体育器材等领域具有较好的应用前景。

2.1.4 芳纶纤维

芳纶纤维发热比强度及比模量都很高,已被广泛应用在汽车及航空航天领域的复合材料零部件、耐热运输带及体育器材等领域。

2.1.5 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与增强材料制成的复合材料。乙烯基酯树脂为一种新型热固性树脂,其具有耐腐蚀与耐溶剂性的特点,机械强度高且延伸率较大,乙烯基酯树脂与塑料、金属及混凝土等材料的粘结性很好,且耐老化,耐疲劳,且固化收缩率低。广泛应用于容器、贮罐及管道等制作中。

2.2 热塑性树脂基复合材料

热塑性树脂基复合材料常用的主要有以下三种:玻璃纤维毡增强型热塑性复合材料、长纤维增强粒料与连续纤维增强预浸带。该类复合材料因可回收利用具有较好的应用前景。我国生产的热塑性树脂基复合材料基体材料主要采用PP、PA,而增强材料则以玻璃纤维为主,也有少量采用碳纤维做增强材料。

高性能热塑性树脂基复合材料基体以PP、PA为主。以其生产的产品主要有管件、阀门、电器、轴承与汽车零件、模压制品、座椅及汽车踏板等。

云母复合材料因具有高刚性,低收缩率、低密度、低挠曲性及较低的价格。广泛应用于制作各类仪表盘,护栏护罩等零部件,同时,云母复合材料具备阻尼性与屏蔽性,用其可制作音响零件与蓄电池箱等。

3 复合材料在我国发展的特点

复合材料在我国发展潜力很大,有以下特点。

3.1 复合材料有待创新

随着我国对复合材料的重视,近几年复合材料在我国各行业的应用有较大的发展,但与发达国家相比仍然差距较大。在技术、工艺及产品发展与应用方面仍需大力创新,具体应在以下几个方面做进一步的发展与创新,如树脂基体、增强材料、生产工艺与产品应用方面。

3.2 玻璃纤维的结构需调整

玻璃纤维在我国主要是用做增强基材,成本在全球市场上具有优势,但品种规格和质量方面却与先进国家差距较大,须不断改进与发展。

3.3 聚丙烯腈基纤维的发展

虽然我国碳纤维工业发展缓慢,但聚丙烯腈基纤维仍有发展的必要和空间。

3.4 需要进一步开发能源与交通用复合材料市场

能源相关方面,要大力开发清洁与可再生能源用复合材料;同时要着眼开发应用于汽车、城市轨道交通、民航客机及船艇等行业的复合材料。

3.5 加大纤维复合材料基础设施应用

复合材料因具有其它材料无法比拟的优点,近年来其在房屋、道路与桥梁的基础应用发展迅速,尤其在隧道工程、桥梁、房屋等基础设施的修补与加固中应用前景良好。

3.6 复合材料综合处理与再生技术需大力发展

我国应着重发展物理回收、化学回收和能量回收技术。在大飞机开发领域,扩大飞机用复合材料的使用比例;加大复合材料在民用方面的应用;大力发展特殊环境用复合材料,如需经受温度变化、海水腐蚀、压力和冲击的材料;同时要引入纳米材料与多功能材料及结构。

4 复合材料在我国的发展瓶颈

复合材料与金属材料、陶瓷材料及聚合物材料并称四大材料体系,目前中国复合新材料发展主要有以下三大瓶颈。