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複合材料的應(yīng)用
日期：2024-09-20 19:46
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摘要：
複合材料的應(yīng)用
複合材料是指由兩種或兩種以上不同物質(zhì)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(diǎn)，克服單一材料的缺陷，擴(kuò)大材料的應(yīng)用範(fàn)圍。由於複合材料具有重量輕、強(qiáng)度高、加工成型方便、彈性優(yōu)良、耐化學(xué)腐蝕和耐候性好等特點(diǎn)，已逐步取代木材及金屬合金，廣泛應(yīng)用於航空航天、汽車、電子電氣、建築、健身器材等領(lǐng)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(shù)上不斷進(jìn)步，生產(chǎn)廠家的製造能力普遍提高，使得玻纖增強(qiáng)複合材料的價(jià)格成本已被許多行業(yè)接受，但玻纖增強(qiáng)複合材料的強(qiáng)度尚不足以和金屬匹敵。因此，碳纖維、硼纖維等增強(qiáng)複合材料相繼問世，使高分子複合材料家族更加完備，已經(jīng)成為眾多產(chǎn)業(yè)的必備材料。目前全世界複合材料的年產(chǎn)量已達(dá)550多萬噸，年產(chǎn)值達(dá)1300億美元以上，若將歐、美的**航空航天的高價(jià)值產(chǎn)品計(jì)入，其產(chǎn)值將更為驚人。從全球範(fàn)圍看，世界複合材料的生產(chǎn)主要集中在歐美和東亞地區(qū)。近幾年歐美複合材料產(chǎn)需均持續(xù)增長，而亞洲的日本則因經(jīng)濟(jì)不景氣，發(fā)展較為緩慢，但中國尤其是中國內(nèi)地的市場發(fā)展迅速。據(jù)世界主要複合材料生產(chǎn)商PPG公司統(tǒng)計(jì)，2000年歐洲的複合材料全球占有率約為32%，年產(chǎn)量約200萬噸。與此同時(shí)，美國複合材料在20世紀(jì)90年代年均增長率約為美國GDP增長率的2倍，達(dá)到4%~6%。2000年，美國複合材料的年產(chǎn)量達(dá)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(jīng)濟(jì)的整體變化密切相關(guān)，各國的占有率變化很大?？傮w而言，亞洲的複合材料仍將繼續(xù)增長，2000年的總產(chǎn)量約為145萬噸，預(yù)計(jì)2005年總產(chǎn)量將達(dá)180萬噸。
從應(yīng)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(dá)14.8萬噸，歐洲汽車複合材料用量到2003年估計(jì)可達(dá)10.5萬噸。而在日本，複合材料主要用於住宅建設(shè)，如衛(wèi)浴設(shè)備等，此類產(chǎn)品在2000年的用量達(dá)7.5萬噸，汽車等領(lǐng)域的用量僅為2.4萬噸。不過從全球範(fàn)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?，目前還有許多新技術(shù)正在開發(fā)中。例如，為降低發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)向高速、增壓、高負(fù)荷方向發(fā)展的要求，發(fā)動(dòng)機(jī)活塞、連桿、軸瓦已開始應(yīng)用金屬基複合材料。為滿足汽車輕量化要求，必將會(huì)有越來越多的新型複合材料將被應(yīng)用到汽車製造業(yè)中。與此同時(shí)，隨著近年來人們對(duì)*問題的日益重視，高分子複合材料取代木材方麵的應(yīng)用也得到了進(jìn)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(chǎn)品；而可降解複合材料也成為國內(nèi)外開發(fā)研究的重點(diǎn)。
另外，納米技術(shù)逐漸引起人們的關(guān)注，納米複合材料的研究開發(fā)也成為新的熱點(diǎn)。以納米改性塑料，可使塑料的聚集態(tài)及結(jié)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(shí)，大大提高了材料的綜合性能。
樹脂基複合材料的增強(qiáng)材料
樹脂基複合材料采用的增強(qiáng)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(qiáng)度玻璃纖維、石英玻璃纖維和高矽氧玻璃纖維等。由於高強(qiáng)度玻璃纖維性價(jià)比較高，因此增長率也比較快，年增長率達(dá)到10%以上。高強(qiáng)度玻璃纖維複合材料不僅應(yīng)用在**方麵，近年來民用產(chǎn)品也有廣泛應(yīng)用，如防彈頭盔、防彈服、直升飛機(jī)機(jī)翼、預(yù)警機(jī)雷達(dá)罩、各種高壓壓力容器、民用飛機(jī)直板、體育用品、各類耐高溫製品以及近期報(bào)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(qiáng)酚醛樹脂可製成各種結(jié)構(gòu)的耐高溫、耐燒蝕的複合材料部件，大量應(yīng)用於火箭、導(dǎo)彈的防熱材料。迄今為止，我國已經(jīng)實(shí)用化的高性能樹脂基複合材料用的碳纖維、芳綸纖維、高強(qiáng)度玻璃纖維三大增強(qiáng)纖維中，隻有高強(qiáng)度玻璃纖維已達(dá)到****水平，且擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，形成了小規(guī)模的產(chǎn)業(yè)，現(xiàn)階段年產(chǎn)可達(dá)500噸。
2、碳纖維
碳纖維具有強(qiáng)度高、模量高、耐高溫、導(dǎo)電等一係列性能，首先在航空航天領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，近年來在運(yùn)動(dòng)器具和體育用品方麵也廣泛采用。據(jù)預(yù)測，土木建築、交通運(yùn)輸、汽車、能源等領(lǐng)域?qū)?huì)大規(guī)模采用工業(yè)級(jí)碳纖維。1997~2000年間，宇航用碳纖維的年增長率估計(jì)為31%，而工業(yè)用碳纖維的年增長率估計(jì)會(huì)達(dá)到130%。我國的碳纖維總體水平還比較低，相當(dāng)於國外七十年代中、末期水平，與國外差距達(dá)20年左右。國產(chǎn)碳纖維的主要問題是性能不太穩(wěn)定且離散係數(shù)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(jīng)表麵處理、價(jià)格偏高等。
3、芳綸纖維
20世紀(jì)80年代以來，荷蘭、日本、前蘇聯(lián)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(dá)到20%左右。芳綸纖維比強(qiáng)度、比模量較高，因此被廣泛應(yīng)用於航空航天領(lǐng)域的高性能複合材料零部件（如火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)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(yùn)輸帶、體育運(yùn)動(dòng)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(qiáng)度在各種纖維中位居**，尤其是它的抗化學(xué)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(dǎo)流罩，大大提高了艦艇的探雷、掃雷能力。除在**領(lǐng)域，在汽車製造、船舶製造、醫(yī)療器械、體育運(yùn)動(dòng)器材等領(lǐng)域超高分子量聚乙烯纖維也有廣闊的應(yīng)用前景。該纖維一經(jīng)問世就引起了世界發(fā)達(dá)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(qiáng)材料製成的複合材料。環(huán)氧樹脂的特點(diǎn)是具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、電絕緣性、耐腐蝕性、良好的粘接性能和較高的機(jī)械強(qiáng)度，廣泛應(yīng)用於化工、輕工、機(jī)械、電子、水利、交通、汽車、家電和宇航等各個(gè)領(lǐng)域。1993年世界環(huán)氧樹脂生產(chǎn)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(dá)到180萬噸左右。我國從1975年開始研究環(huán)氧樹脂，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前我國環(huán)氧樹脂生產(chǎn)企業(yè)約有170多家，總生產(chǎn)能力為50多萬噸，設(shè)備利用率為80%左右。酚醛樹脂具有耐熱性、耐磨擦性、機(jī)械強(qiáng)度高、電絕緣性優(yōu)異、低發(fā)煙性和耐酸性優(yōu)異等特點(diǎn)，因而在複合材料產(chǎn)業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。1997年全球酚醛樹脂的產(chǎn)量為300萬噸，其中美國為164萬噸。我國的產(chǎn)量為18萬噸，進(jìn)口4萬噸。乙烯基酯樹脂是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的一類新型熱固性樹脂，其特點(diǎn)是耐腐蝕性好，耐溶劑性好，機(jī)械強(qiáng)度高，延伸率大，與金屬、塑料、混凝土等材料的粘結(jié)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(jìn)荷蘭Atlac係列強(qiáng)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(chǎn)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(chǎn)品，70年代後開始轉(zhuǎn)向民用。從1987年起，各地大量引進(jìn)國外**技術(shù)如池窯拉絲、短切氈、表麵氈生產(chǎn)線及各種牌號(hào)的聚酯樹脂（美、德、荷、英、意、日）和環(huán)氧樹脂（日、德）生產(chǎn)技術(shù)；在成型工藝方麵，引進(jìn)了纏繞管、罐生產(chǎn)線、拉擠工藝生產(chǎn)線、SMC生產(chǎn)線、連續(xù)製板機(jī)組、樹脂傳遞模塑(RTM)成型機(jī)、噴射成型技術(shù)、樹脂注射成型技術(shù)及漁竿生產(chǎn)線等，形成了從研究、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)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(chǎn)企業(yè)達(dá)3000多家，已有51家通過ISO9000質(zhì)量體係認(rèn)證，產(chǎn)品品種3000多種，總產(chǎn)量達(dá)73萬噸/年，居世界**位。產(chǎn)品主要用於建築、防腐、輕工、交通運(yùn)輸、造船等工業(yè)領(lǐng)域。在建築方麵，有內(nèi)外牆板、透明瓦、冷卻塔、空調(diào)罩、風(fēng)機(jī)、玻璃鋼水箱、衛(wèi)生潔具、淨(jìng)化槽等；在石油化工方麵，主要用於管道及貯罐；在交通運(yùn)輸方麵，汽車上主要有車身、引擎蓋、保險(xiǎn)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(jī)械及電器領(lǐng)域如屋頂風(fēng)機(jī)、軸流風(fēng)機(jī)、電纜橋架、絕緣棒、集成電路板等產(chǎn)品都具有相當(dāng)?shù)囊?guī)模；在航空航天及**領(lǐng)域，輕型飛機(jī)、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(jì)80年代發(fā)展起來的，主要有長纖維增強(qiáng)粒料(LFP)、連續(xù)纖維增強(qiáng)預(yù)浸帶(MITT)和玻璃纖維氈增強(qiáng)型熱塑性複合材料(GMT)。根據(jù)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(shù)的不斷成熟以及可回收利用的優(yōu)勢(shì)，該品種的複合材料發(fā)展較快，歐美發(fā)達(dá)國家熱塑性樹脂基複合材料已經(jīng)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(chǎn)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(qiáng)聚丙烯在汽車中的應(yīng)用包括通風(fēng)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(dòng)皮帶保護(hù)罩等。
滑石粉填充的PP具有高剛性、高強(qiáng)度、極好的耐熱老化性能及耐寒性?；墼鰪?qiáng)PP在車內(nèi)裝飾方麵有著重要的應(yīng)用，如用作通風(fēng)係統(tǒng)零部件，儀表盤和自動(dòng)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(jié)構(gòu)的吸音天花板和轎車的搖窗升降器卷繩筒外殼。
雲(yún)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(jià)格等特點(diǎn)，利用雲(yún)母/聚丙烯複合材料可製作汽車儀表盤、前燈保護(hù)圈、擋板罩、車門護(hù)欄、電機(jī)風(fēng)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(jì)80年代末期，近十年來取得了快速發(fā)展，2000年產(chǎn)量達(dá)到12萬噸，約占樹脂基複合材料總產(chǎn)量的17%，，所用的基體材料仍以PP、PA為主，增強(qiáng)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(dá)國家尚有差距。
我國複合材料的發(fā)展?jié)摿蜔狳c(diǎn)
我國複合材料發(fā)展?jié)摿艽螅毺幚砗靡韵聼狳c(diǎn)問題。
1、複合材料**
複合材料**包括複合材料的技術(shù)發(fā)展、複合材料的工藝發(fā)展、複合材料的產(chǎn)品發(fā)展和複合材料的應(yīng)用，具體要抓住樹脂基體發(fā)展**、增強(qiáng)材料發(fā)展**、生產(chǎn)工藝發(fā)展**和產(chǎn)品應(yīng)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(fèi)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(diǎn)、國內(nèi)碳纖維發(fā)展過程、中國PAN基CF市場概況、特點(diǎn)、“十五”科技攻關(guān)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(jié)構(gòu)調(diào)整
我國玻璃纖維70%以上用於增強(qiáng)基材，在**市場上具有成本優(yōu)勢(shì)，但在品種規(guī)格和質(zhì)量上與**國家尚有差距，必須改進(jìn)和發(fā)展紗類、機(jī)織物、無紡氈、編織物、縫編織物、複合氈，推進(jìn)玻纖與玻鋼兩行業(yè)密切合作，促進(jìn)玻璃纖維增強(qiáng)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(fēng)力發(fā)電用複合材料、煙氣脫硫裝置用複合材料、輸變電設(shè)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(gòu)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(jī)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(chǎn)品為機(jī)翼部件、垂直尾翼、機(jī)頭罩等。我國未來20年間需新增支線飛機(jī)661架，將形成民航客機(jī)的大產(chǎn)業(yè)，複合材料可建成新產(chǎn)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(fèi)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(diǎn)仍有發(fā)展的空間。
5、纖維複合材料基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用
國內(nèi)外複合材料在橋梁、房屋、道路中的基礎(chǔ)應(yīng)用廣泛，與傳統(tǒng)材料相比有很多優(yōu)點(diǎn)，特彆是在橋梁上和在房屋補(bǔ)強(qiáng)、隧道工程以及大型儲(chǔ)倉修補(bǔ)和加固中市場廣闊。
6、複合材料綜合處理與再生
重點(diǎn)發(fā)展物理回收（粉碎回收）、化學(xué)回收（熱裂解）和能量回收，加強(qiáng)技術(shù)路線、綜合處理技術(shù)研究，示範(fàn)生產(chǎn)線建設(shè)，再生利用研究，大力拓展再生利用材料在石膏中的應(yīng)用、在拉擠製品中的應(yīng)用以及在SMC/BMC模壓製品中的應(yīng)用和典型產(chǎn)品中的應(yīng)用。
21世紀(jì)的高性能樹脂基複合材料技術(shù)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(qiáng)度、高濕熱環(huán)境下使用的複合材料為重點(diǎn)，構(gòu)築材?%9
