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探討復(fù)合材料的起源及發(fā)展應(yīng)用領(lǐng)域論文
摘要：復(fù)合材料在性能上互相取長補(bǔ)短, 產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng), 尤其是先進(jìn)復(fù)合材料, 基體較一般復(fù)合材料得到了一定的增強(qiáng), 其剛度和強(qiáng)度性能相當(dāng)于或超過鋁合金。先進(jìn)復(fù)合材料在聚集了一般復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)之外, 對于一定的領(lǐng)域, 又有一些針對性的優(yōu)點(diǎn), 比如無人機(jī)的隱蔽性、太陽能材料的導(dǎo)熱性等等;無論是醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域, 還是交通工具領(lǐng)域, 又或者建筑領(lǐng)域, 即使環(huán)顧整個(gè)我們能想到的領(lǐng)域, 無一不出現(xiàn)先進(jìn)復(fù)合材料的“身影”。
關(guān)鍵詞：先進(jìn)復(fù)合材料; 隱蔽性; 優(yōu)點(diǎn);
1 復(fù)合材料的起源及發(fā)展
1.1 復(fù)合材料的起源
復(fù)合材料的起源可以追溯到上古時(shí)期, 在距今七千多年的半坡遺址中, 我們曾發(fā)現(xiàn)其建筑材料是使用最古老的復(fù)合材料———草摻和泥巴制成的;而在一個(gè)三千多年前的商朝遺址中, 曾出土了一批色彩絢麗的漆器, 其所用的漆就是生漆, 是一種多年生喬木漆樹分泌的樹汁, 具有耐熱、耐磨、耐溶劑、耐酸、絕緣性好等特性。莊子曾做過漆國吏, 說明當(dāng)時(shí)漆器制造工藝已經(jīng)有了很高的水平, 還得派遣專人管理;在湖北出土的戰(zhàn)國時(shí)期的一個(gè)曾侯乙墓中, 發(fā)現(xiàn)了一種長桿兵器, 它是由木棒、竹絲、生漆等組成, 經(jīng)過干燥之后成型的;即使中國引以為豪的長城也是由糯米和石灰做砂漿粘合的基石組成的;秦磚漢瓦是在黏土中添加了一些天然纖維組成的;在魏晉南朝時(shí)佛教盛行, 而每座寺院中供奉的大佛是由麻纖維涂以生漆, 不斷干燥不斷重復(fù), 幾次之后, 在泥像外面形成了一層生漆與纖維復(fù)合的佛像。
由此可看出, 復(fù)合材料在我國古代就已經(jīng)有了很高的水平, 即使現(xiàn)在有些都已經(jīng)被樹脂代替, 但其在推動(dòng)我國材料發(fā)展方面所起到的作用卻是無可替代的。
1.2 復(fù)合材料的發(fā)展
隨著社會(huì)的發(fā)展, 復(fù)合材料的合成品越來越多, 使用的工藝也越來越先進(jìn), 人們開發(fā)了一批如碳纖維、碳化硅纖維、氧化鋁纖維等高性能增強(qiáng)材料, 并使用高性能樹脂、金屬與陶瓷為基體制成先進(jìn)復(fù)合材料, 在復(fù)合材料的基礎(chǔ)上得以改進(jìn)的先進(jìn)復(fù)合材料有了更大的應(yīng)用領(lǐng)域。比如美國的里爾芳2100號就使用碳纖維復(fù)合材料來制作;哥倫比亞號航天飛機(jī)的主艙門選擇了碳纖維/環(huán)氧樹脂、壓力容器采用了凱芙拉纖維/環(huán)氧樹脂;樹脂、金屬作為工作物質(zhì), 陶瓷做基體來制作航天收音機(jī)幾乎彰顯了很尖端的航天技術(shù);可載80人的波音-767大型客運(yùn)飛機(jī)主承力器件也是用到先進(jìn)復(fù)合材料[1]。
節(jié)能、環(huán)保是當(dāng)今社會(huì)發(fā)展的一大主流, 為了支持相應(yīng)的節(jié)能產(chǎn)品和環(huán)保產(chǎn)品的盛行, 先進(jìn)復(fù)合材料又是不可缺少的。比如新能源油頁巖氣及油砂要在市場上流通, 其容納裝置卻是非先進(jìn)復(fù)合材料莫屬了, 所以三菱麗陽公司最近開發(fā)了適用于高壓容器的PAN基碳纖維“Grafil 37-800”作為容納裝置。
對于航天領(lǐng)域的制作材料而言, 又需要先進(jìn)復(fù)合材料的輕量化來滿足[2]。由此可見, 先進(jìn)復(fù)合材料將在高端到低端各行各業(yè)大放異彩。
2 先進(jìn)復(fù)合材料的工藝
2.1 制作工藝
主要制作工藝包括熱壓罐固化技術(shù)、自動(dòng)鋪帶技術(shù)、熱隔膜輔助成型技術(shù)、拉擠成型技術(shù)、復(fù)合材料液體成型技術(shù)[3]等。
(1) 熱壓罐固化技術(shù)。熱壓罐固化技術(shù)是航空復(fù)合材料固件的主要工藝流程技術(shù), 其制作的產(chǎn)品纖維體積高、力學(xué)性能可靠, 但其能耗和成本偏高, 是這一工藝目前尚未普及的主要原因。
(2) 非熱壓罐固化技術(shù)。主要包括干纖維樹脂浸漬工藝、電子束固化技術(shù)、非熱壓罐預(yù)浸染技術(shù)等, 因?yàn)椴恍枰玫綗釅汗? 所以比熱壓罐工藝綜合成本效益高很多, UAC就使用該技術(shù)制造的MS-21機(jī)翼的主承力部件, 他們放棄了熱壓罐給他們帶來了更少的經(jīng)費(fèi)支出和更少的能量消耗。
(3) 自動(dòng)鋪帶技術(shù)。隨著復(fù)合材料的應(yīng)用面越來越廣, 人工鋪設(shè)、裁剪、定位、壓實(shí)等等越來越困難, 20世紀(jì)60年代, 自動(dòng)鋪設(shè)技術(shù)在美國初現(xiàn)雛形, 80年代的時(shí)候, 已經(jīng)大范圍地使用在商業(yè)、航通、交通等技術(shù)領(lǐng)域, 它不但具有預(yù)浸帶裁剪、鋪設(shè)、壓實(shí)等功能, 而且還加了質(zhì)量測量、溫度控制、濕度控制等測試調(diào)整。
(4) 熱隔膜輔助成型技術(shù)。曲面件之前都是采用人工鋪層, 但是不光效率慢, 且壓實(shí)不好, 纖維還容易起褶皺;機(jī)械鋪層目前也只是用于平面鋪層或簡單曲面鋪層, 對類似鈑金折彎件、引伸件和壓延件則難度很大甚至無法實(shí)現(xiàn), 所以就要使用熱隔膜輔助成型技術(shù), 即將預(yù)浸的復(fù)合材料層壓后放置于模具上, 通過一種特制隔膜的輔助作用經(jīng)過抽真空和加熱等方法, 將層壓件壓向模具, 形成所需形狀[4]。
(5) 拉擠成型技術(shù)。為使纖維呈縱向分布, 且質(zhì)量穩(wěn)定, 拉擠成型技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生, 這項(xiàng)技術(shù)不光能兼顧前面所提出的條件, 還可以精確的控制樹脂/纖維的含量。此項(xiàng)技術(shù)在美國興起之后, 迅速蔓延開來, 席卷全球, 我國從引進(jìn)技術(shù)開始, 逐漸自主創(chuàng)新, 大規(guī)模生產(chǎn), 到2013年為止, 我國拉擠制品產(chǎn)量約達(dá)28萬t, 約占全球總產(chǎn)量的50%[5]。
(6) 復(fù)合材料液體成型技術(shù)。將金屬融化成液體, 將其通過模具澆鑄成想要的毛坯或零件, 這個(gè)過程稱之為復(fù)合材料液體成型技術(shù)。液態(tài)成型工藝?yán)锍瘫降某晒?014年俄羅斯研制成功的M S-21單通道客機(jī)。該客機(jī)采用液體工藝成型制造機(jī)翼主承力件, 將促進(jìn)復(fù)合材料構(gòu)件制造從熱壓罐成型向液體成型的變革[3]。
(7) 熔融共混技術(shù)。熔融共混是將共混所需的聚合物組分在它們的黏流溫度以上用混煉設(shè)備制取均勻聚合物共熔體, 然后再冷卻、粉碎或造粒的方法。設(shè)備主要有雙輥混煉機(jī)、密閉式混煉機(jī)、擠出機(jī)等。該法的優(yōu)點(diǎn)是熔融狀態(tài)下, 異種聚合物分子之間打散和對流激化, 混合效果較好。
2.2 應(yīng)對先進(jìn)復(fù)合材料進(jìn)行質(zhì)量控制
(1) 存在的問題。由于先進(jìn)復(fù)合材料的制備目前還未完全脫離手工制品, 根據(jù)傳統(tǒng)制備流程, 對材料的制備大多是依靠經(jīng)驗(yàn), 難以得到內(nèi)部結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確信息, 造成對數(shù)據(jù)的掌控太過匱乏, 對環(huán)境和原材料的太過依賴, 一旦有一絲波動(dòng), 則結(jié)果可能會(huì)千差萬別, 復(fù)合材料產(chǎn)品性能就暴露出可重復(fù)性較差、隨爐件數(shù)據(jù)離散性大等缺點(diǎn)。所以對質(zhì)量控制就要求的非常嚴(yán)格了[6]。
(2) 質(zhì)量控制。主要是控制原材料纖維的纖維性能和表面狀態(tài);樹脂的測定比重、粘度、水分甚至其化學(xué)成分和化學(xué)特征;控制預(yù)浸料的化學(xué)組成、自行固化和吸濕程度。
在工藝過程中主要是控制樹脂含量和揮發(fā)份含量;鋪層時(shí)控制纖維方向、拼接方法及鋪層的次序和層數(shù)。同時(shí), 還應(yīng)該保證機(jī)器能嚴(yán)格按照所要求的溫度、開始加壓的時(shí)間和速度等等參數(shù)執(zhí)行。
成品成型后要嚴(yán)格檢查外觀、尺寸、重量以及使用X射線和超聲法檢驗(yàn)內(nèi)部是否有缺陷[6]。
3 先進(jìn)復(fù)合材料的應(yīng)用
3.1 航空航天
先進(jìn)復(fù)合材料自問世以來, 就在各種飛行器上大放異彩, 現(xiàn)已成為第四大航空結(jié)構(gòu)材料, 其比強(qiáng)度和比模量高、熱膨脹系數(shù)小、抗疲勞能力和減振能力強(qiáng)、可設(shè)計(jì)型號、吸波隱蔽型號, 是軍用UAV的不二之選[7]。
其中FML在最近幾年風(fēng)靡于航空航天領(lǐng)域, 波音公司在最新的B787中就使用了Ti GR材料[8]。
1986年時(shí)C-17的次要結(jié)構(gòu)已經(jīng)開始使用復(fù)合材料;緊接著EADS研究的A400M開始增加復(fù)合材料的比重, 開始承擔(dān)一些主承力結(jié)構(gòu), 且采用碳纖維復(fù)合材料制作機(jī)翼, 這樣的話, 就不會(huì)產(chǎn)生金屬疲勞, 還可以減輕結(jié)構(gòu)重量。
直升機(jī)采用先進(jìn)復(fù)合材料可以減重, 改善抗墜毀性, 其中頃轉(zhuǎn)旋翼飛機(jī)V-22的復(fù)合材料大概構(gòu)總重的45%;美國飛行器X-43的油箱是石墨/環(huán)氧框架及蒙皮做成。
先進(jìn)復(fù)合材料在火箭和導(dǎo)彈的減重效果十分明顯, 且成本又可降低很多。環(huán)氧樹脂是巡航導(dǎo)彈彈體所使用最主要的基體材料, 隨著巡航導(dǎo)彈研究技術(shù)的發(fā)展, 基體由環(huán)氧樹脂向BMI、PI、氰酸酯樹脂發(fā)展。人造衛(wèi)星使用碳復(fù)合材料制造衛(wèi)星整流罩、展開式太陽能電池板。而宇宙飛船的一些主要部件, 比如:提供電力的太陽能基板、壓力容器等等, 都會(huì)使用先進(jìn)復(fù)合材料來進(jìn)行制作。航空發(fā)動(dòng)機(jī)想要減輕其重量, 選用先進(jìn)復(fù)合材料———碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料就可以達(dá)到很好的效果, 并且也可以加快發(fā)動(dòng)機(jī)的速度。民用飛機(jī)目前也開始用環(huán)氧樹脂基、雙馬來酰亞胺基碳纖維復(fù)合材料主要用來制造機(jī)翼、機(jī)身、地楞橫梁等部位的結(jié)構(gòu)材料, 內(nèi)部裝飾上也大面積使用了熱塑性工程塑料[9]。
美國航境公司研發(fā)成功的“探路者”的機(jī)翼主梁就是有碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料圓管, 翼肋也是復(fù)合材料薄壁殼結(jié)構(gòu);CF/環(huán)氧復(fù)合材料和MPIA/環(huán)氧制成復(fù)合物是“百步長”機(jī)翼的重要成分;“太陽能”無人機(jī)全身上下幾乎見不到一塊金屬, 因?yàn)樗鼛缀跞勘幌冗M(jìn)復(fù)合材料包裹, 就連機(jī)翼的主要成立部件也是由Nomex材料制成的, 芳綸纖維復(fù)合材料用來增強(qiáng)強(qiáng)度, 主梁的端部和根部較厚, 以吸收飛行過程產(chǎn)生的持續(xù)彎曲擾動(dòng)。管壁主要是碳纖維復(fù)合材料[10]。
3.2 交通工具
地鐵、輕軌、高鐵、動(dòng)車等高速交通工具的盛行, 速度的快速增長與材料的輕質(zhì)化密不可分。早期的軌道交通中, 先進(jìn)復(fù)合材料只在非承力部件中有較多應(yīng)用, 隨著科技的發(fā)展, 復(fù)合材料才漸漸充當(dāng)承力結(jié)構(gòu)器件。日本的CFRP車體的基體就是酚醛樹脂基體, 耐高溫性能優(yōu)于鋁合金。
先進(jìn)復(fù)合材料可以制作高質(zhì)量加筋壁板以滿足軌道交通的大范圍要求, 其制作技術(shù)又可支持低成本液體成型工藝。可以為軌道車輛的耐異物撞擊性能要求提供必要的技術(shù)支撐。復(fù)合材料在承擔(dān)承載職責(zé)的同時(shí), 又滿足可阻燃、隔熱、保溫、吸聲等特性[11]。
3.3 土木建筑
隨著先進(jìn)復(fù)合材料的發(fā)展, 它已不僅僅在高端領(lǐng)域大放異彩, 而且已經(jīng)越來越貼近生活, 比如講太陽能電池板與復(fù)合材料墻體一起使用, 便可使墻體不僅輕質(zhì), 又帶有自保溫和自發(fā)電等功能。
太陽能材料的短期計(jì)劃是使用夾層復(fù)合材料, 因?yàn)槎趸伜投趸a原材料便宜, 再加上如果能裝上這種玻璃, 則電量幾乎可以自給, 所以這種太陽能復(fù)合材料的前景十分光明。
Certain Teed的復(fù)合材料石板瓦和屋頂板耐久性極好且安裝成本不高;加拿大的ICI生產(chǎn)的熱塑性結(jié)構(gòu)板, 可用于抵御颶風(fēng)和地震, 抗腐爛和昆蟲[12]。
3.4 高端能源
由于石油開采行業(yè)的愈加盛行, 對石油的需求量也越來越大, 所以對采油工具的使用分外頻繁, 長此以往, 則對其的磨損就十分嚴(yán)重了, 加之在井下粉塵、沙子和細(xì)菌的滋生, 對采油工具的更新提升已經(jīng)到了刻不容緩的地步了。
先進(jìn)復(fù)合材料SSL外層材料采用玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂, 并在表面覆馬丁氏, 經(jīng)過測試, 其不光材料堅(jiān)固、且操作溫度高、成本又低, 是可用于采油工具的一個(gè)很好的選擇。
熱塑加強(qiáng)管 (RTP) 含有凱夫拉纖維和高性能熱塑材料, 可承受高壓、高溫, 韌性好, 也可以用于制作采用工具的。
對于扶正器, 尼龍復(fù)合材料中的玻璃纖維增強(qiáng)尼龍、碳纖維/玻纖復(fù)合增強(qiáng)尼龍和聚四氟乙烯復(fù)合材料中的礦物填充增強(qiáng)復(fù)合PTFE、纖維增強(qiáng)復(fù)合PT-FE、金屬及其氧化物填充改性PTFE均可擔(dān)此大任, 它們具有強(qiáng)度高、耐高溫、耐腐蝕、耐高壓等特點(diǎn)[13]。
3.5 生活用品
(1) 桿塔。桿塔在生活中的作用真是不可謂不大, 但是桿塔長期處于戶外的環(huán)境, 經(jīng)歷風(fēng)吹日曬, 時(shí)時(shí)面臨腐蝕和老化的威脅, 使用壽命也會(huì)急劇縮短。所以對于桿塔的先進(jìn)復(fù)合材料選擇, 則重點(diǎn)應(yīng)以耐腐蝕、抗老化為主。
武漢電網(wǎng)的吳雄、胡虔等通過對聚氨酯PU進(jìn)行改性, 使其氨酯分子間增加, 已達(dá)到增強(qiáng)材料內(nèi)部分子鏈間交聯(lián)結(jié)構(gòu), 保護(hù)樹脂粉質(zhì)鏈中易降解的酯鍵, 提高材料耐候穩(wěn)定性的目的。主要工藝是拉擠生產(chǎn), 耐老化性更優(yōu);最后制作出來的產(chǎn)品, 較之金屬產(chǎn)品還具有更高的耐腐蝕性。最后制作出來的產(chǎn)品, 較之金屬產(chǎn)品除了上述優(yōu)點(diǎn)之外, 還具有更高的耐腐蝕性[14]。
(2) 體育器械。隨著社會(huì)的發(fā)展, 人們對生活質(zhì)量的要求也越來越高, 體育運(yùn)動(dòng)不再像以前那么匱乏且稀有, 而是成了人們強(qiáng)身健體、娛樂休閑必不可少的項(xiàng)目。相應(yīng)地, 人們也就對體育器械的要求也越來越高, 不但要輕質(zhì), 還要耐打。這時(shí)候, 先進(jìn)復(fù)合材料代替原有材料的趨勢也出現(xiàn)了苗頭。
球拍、釣魚竿、箭弓、高爾球棒、滑雪板、自行車等等器材基本上都是由含氧基纖維復(fù)合材料制造, 海上比賽運(yùn)動(dòng)的船艇都是用環(huán)氧或環(huán)氧乙烯基酯樹脂增強(qiáng)纖維材料制成[15]。
3.6 風(fēng)電領(lǐng)域
風(fēng)能自新能源提出以來, 一直受到人們的廣泛關(guān)注, 其中它的風(fēng)葉就一直由復(fù)合材料玻纖制成, 但是隨著對風(fēng)機(jī)的要求越來越高, 比如轉(zhuǎn)速的加快, 便要求其質(zhì)量要較之以前, 輕盈許多, 再加上對剛度和強(qiáng)度的要求提高, 玻纖無法再滿足需求, 碳纖便進(jìn)入人們的視野。據(jù)知2.5 MW葉片及長45 m以上的葉片多已采用先進(jìn)復(fù)合材料, 主要應(yīng)用部位是主承力梁, 碳纖維多用50 k左右的大絲束, 因其成本較低, 估計(jì)在這一方面會(huì)有很大的發(fā)揮空間[16]。
3.7 節(jié)能與儲(chǔ)能
隨著社會(huì)的發(fā)展, “節(jié)能”和“環(huán)保”是當(dāng)今世界的兩大主題, 為節(jié)約不可再生能源, 一些電動(dòng)汽車逐步市場化, 所以, 亟需一些電力儲(chǔ)存裝置與之相應(yīng)的匹配。同時(shí), 因?yàn)殡娏π枨罅康牟粩嘣鲩L, 電網(wǎng)峰谷量負(fù)荷過大, 所以當(dāng)電網(wǎng)分布和新能源開始使用時(shí), 用戶可以利用儲(chǔ)能原件合理用電, 減緩電網(wǎng)波動(dòng)[17]。新型儲(chǔ)能材料的需求迫在眉睫, 如相變儲(chǔ)能材料, 如用LA、DA、TA、DD制作的復(fù)合材料, 就聚合了各個(gè)原材料的優(yōu)點(diǎn), 如無相分離現(xiàn)象、高相變潛熱、低成本、無腐蝕等[18-19];電介質(zhì)儲(chǔ)能材料, 如CNT/PANI 2復(fù)合材料, 既具有CNT良好的導(dǎo)熱性, 又具有PANI 2的高比熱容, 同時(shí)還可彌補(bǔ)兩方的缺點(diǎn)[20]。
4 結(jié)束語
先進(jìn)復(fù)合材料已經(jīng)進(jìn)入發(fā)力期, 憑借其耐高溫、耐高壓、耐腐蝕、高強(qiáng)度等優(yōu)良特性, 已經(jīng)慢慢取代一些傳統(tǒng)的模式, 汽車領(lǐng)域的專家就曾預(yù)言, 汽車制造中的沖壓、焊接、涂裝、總裝將來可能會(huì)被代替, 他們甚至預(yù)言, 將來的汽車制造將會(huì)十分簡單, 只要直接將先進(jìn)復(fù)合材料粘合即可[21]。
當(dāng)航空航天即將進(jìn)入高速發(fā)展的時(shí)期, 所以也會(huì)有力帶動(dòng)航空航天材料特別是先進(jìn)復(fù)合材料的發(fā)展, 同時(shí), 先進(jìn)復(fù)合材料也在急速進(jìn)展, 由于其輕質(zhì)、高強(qiáng)度、耐腐蝕、耐高溫、性能可裁剪等諸多優(yōu)點(diǎn), 也會(huì)在航天領(lǐng)域大放異彩[22]。先進(jìn)復(fù)合材料的輕質(zhì)性、隱蔽性、成本低等特點(diǎn)也為無人機(jī)的發(fā)展提供了一個(gè)方向。
由此可見, 先進(jìn)復(fù)合材料一直處于高速發(fā)展的狀態(tài), 可以預(yù)見, 不遠(yuǎn)的將來, 復(fù)合材料能為我們帶來一個(gè)全新的、輕質(zhì)的生活。
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