復合材料的應用和發展一 復合材料的應用1 聚合物基復合材料的應用2 金屬基復合材料的應用3 陶瓷基復合材料的應用4 碳碳復合材料二 復合材料的發展1 復合材料的性能對比2 復合材料的發展趨勢 一 復合材料的應用1 聚合物基復合材料的應用2 金屬基復合材料的應用3 陶瓷基復合材料的應用4 碳碳復合材料 1 聚合物基復合材料的應用聚合物基復合材料已廣泛地應用于石油化工 交通運輸 建筑環保 文體用品以及國防軍工等各個領域 近20年以來 先進復合材料 ACM 更是迅速發展 1989年ACM的需求量為1 3萬噸 相當于39億美元 2000年超過3 0萬噸 2010年12萬噸 目前全球復合材料產量約為820萬噸 1 1在航天領域的應用 減重對航天飛行器和運載工具至關重要 一方面基于聚合物基復合材料的高比強度和比剛度 具有明顯的減重效果 同時也基于聚合物基復合材料優異的尺寸穩定性和環境適應性 聚合物基復合材料已成為航天飛行器和運載工具的極為重要的結構材料 如導彈 火箭發動機殼體 衛星天線 支撐結構 太陽能電池底板 發射衛星整流罩 哈勃望遠鏡鏡筒等均采用了聚合物基復合材料 美國航天飛機使用復合材料減輕結構重量1220公斤 包括壓力容器 6 1米長的遙控器機械臂等 其中僅艙門就使用聚合物基復合材料1452kg 美 歐國家的衛星廣泛使用聚合物基復合材料 使其結構重量不到總重量的10 圖14 1FRP在導彈火箭上的應用 航空領域是使用聚合物基復合材料最早 最多的部門之一 聚合物基復合材料可使飛機顯著輕量化 并顯著提高飛機的性能 如隱身性能 降低噪音 可靠性提高等 特別是隨著軍用飛機的發展和性能改善 聚合物基復合材料的使用量也大幅度增加 1 2在航空領域的應用 例如F 14A F 15戰斗機使用了2 的B EP F 16使用了4 2 的C EP F 18使用聚合物基復合材料的量增加到12 1 美國先進戰術戰斗機 ATF 則接近40 估計美國B 2戰略隱身轟炸機的使用量高達18 22 5噸 西方先進軍用飛機的結構材料的發展趨勢和顯著特點就是全復合材料化 并賦予隱身性能 我國的先進軍用飛機的結構也大量采用了聚合物基復合材料 現代商用飛機使用聚合物基復合材料的增長速度也十分迅速 并逐漸由次承力構件向主承力構件過渡 如波音飛機 空中客車等的方向舵 垂尾副翼 升降舵等 全復合材料飛機Voyager更是完成了人類歷史上首次不加油 不著陸的環球飛行 直升飛機的許多部件也采用了聚合物基復合材料 如旋翼槳葉幾乎都用聚合物基復合材料制作 我國研制的直 九直升機使用聚合物基復合材料的量高達60 圖14 2FRP在波音B 777上的應用 1 3在石油化工領域的應用由于聚合物基復合材料具有耐酸 堿 油 有機溶劑等腐蝕的性能 因而可用作各種化工管道 閥門 泵 槽罐 塔釜等 1 4在交通運輸領域的應用汽車工業是聚合物基復合材料應用最活躍的領域之一 可用做車身 驅動軸 操作桿 方向盤 客艙閣板 底盤 結構梁 發動機罩 散熱器罩等部件 各種汽車外殼 摩托車外殼以及高速列車車廂廂體等也廣泛采用了聚合物基復合材料 聚合物基復合材料大量用作運動和競技用車 全復合材料自行車 汽車已經問世 引起了廣泛注意 在船舶工業 由于聚合物基復合材料具有耐腐蝕 抗微生物附著等優點 因而它被普遍用來制造汽艇 游艇 救生艇 漁船等小型船舶 更因為聚合物基復合材料具有無磁 可透磁和聲波 吸收振動等特點 因而最適合軍用掃雷艇的制造 1 5在建筑領域的應用玻璃纖維復合材料已大量應用于建筑材料 如冷卻塔 儲水塔 衛生間的浴盆浴缸 桌椅門窗 安全帽以及玻璃鋼暖房 臨時建筑 活動房屋等 國內外已有多座玻璃纖維復合材料橋梁 1 6在文體用品領域的應用聚合物基復合材料由于具有高比強度和比剛度 因此文體用品也是其最大的應用市場之一 90年文體用碳纖維占世界碳纖維總產量的35 達2240噸 僅歐洲用于文體用品的玻璃纖維年消耗量就達18000噸 聚合物基復合材料廣泛地用于制造登山越野鞋 滑雪鞋 網球拍 羽毛球拍 高爾夫球棒 釣魚桿 賽車賽艇 滑雪板 劃槳 冰球拍 壘球棒 弓箭以及樂器等文體用品 1 7在其它領域的應用玻璃纖維復合材料具有良好的電絕緣性能 可用于制成各種開關裝置 電纜輸送管道 高頻絕緣子 印刷電路板 雷達絕緣罩等 此外聚合物復合材料還用于醫療衛生領域 如制造醫療衛生器械 人造骨骼 關節等 2 金屬基復合材料的應用與聚合物復合材料相比 金屬基復合材料發展時間較短 只有30多年的歷史 還處于蓬勃發展的階段 由于金屬基復合材料的成本較高 在80年代 僅限于在航空 航天領域的應用 隨著各種新工藝的不斷出現 促進了顆粒 晶須增強金屬基復合材料的發展 使得復合材料的成本不斷下降 使得金屬基復合材料在汽車工業等民用領域得到使用 從而擴大了其應用范圍 進而又促進了金屬基復合材料的發展 連續纖維 金屬基復合材料應用的最著名例子就是美國航天飛機主倉承力桁架 原 蘇聯航天飛機 暴風雪號 級間連接環均使用了Bf Al復合材料 美國航天飛機主倉承力桁架使用Bf Al 減輕了結構重量145公斤 圖14 3美國航天飛機Bf Al主承力桁 heng 由于連續纖維 金屬基復合材料目前成本較高 制備工藝復雜 因此限制了其應用范圍僅在航空 航天等高技術和軍用領域 而顆粒 晶須增強金屬基復合材料相對成本低 工藝簡單成熟 應用范圍廣 開發前景大 如在航空 航天領域SiCP Al復合材料已用于衛星預埋件 火箭儀器倉蓋 中段蒙皮等 其它在輕質裝甲 導彈飛翼和直升機部件外 主要用于汽車工業 如發動機汽缸活塞 噴油咀部件 制動裝置等 3 陶瓷基復合材料 陶瓷基復合材料的發展速度遠不如聚合物和金屬基那么快 陶瓷基復合材料的制備涉及到高溫 制備工藝復雜 其成本昂貴 同時由于其基體和增強材料的熱膨脹系數差異 在制備過程和使用過程中易產生熱應力 因此它的發展困難更大 其應用也處于起始階段 目前已成功地用于制備高速切削工具 例如SiCw Al2O3陶瓷基復合材料高速切削工具大大地提高了使用壽命 進刀量和切削速度 它另一個應用領域是作為高溫結構材料和耐磨耐蝕材料 如C SiC SiC SiC已用于航天飛機的熱結構件 但目前陶瓷基復合材料主要還處于研制和試用階段 4 碳 碳復合材料 碳 碳復合材料最初的應用是作為耐燒蝕材料用在導彈彈頭和固體火箭發動機噴管等 碳 碳復合材料以密度低 耐燒蝕和導熱好 抗熱沖擊和熱震性能好成為導彈彈頭鼻錐的最佳材料 密度低可以提高導彈射程 彈頭每降低一公斤可增程約20公里 耐燒蝕可以使導彈彈頭外形保持穩定對稱的特點 有效地提高導彈彈頭的命中率和精度 同時也可保持固體火箭發動機噴管的尺寸穩定 適應其惡劣的工作條件 圖14 5固體發動機結構示意圖 圖14 4C C復合材料在航天飛機上應用部位示意圖 圖14 6C C復合材料人造髖關節示意圖 碳 碳復合材料的耐高溫 摩擦磨損性能優異 制動吸收能量大等特點表明是一種理想的摩擦材料 廣泛地應用于制造新型剎車盤 與金屬陶瓷 鋼摩擦副相比 碳 碳復合材料制成的剎車盤可減輕結構重量40 其使用壽命是金屬陶瓷 鋼摩擦副的2 4倍 除用作飛機剎車裝置剎車盤外 碳 碳剎車片還可用于一級方程式賽車和摩托車的剎車系統 碳材料與人類骨骼 血液和軟組織具有最佳的生物相容性 因此碳 碳復合材料可以作為人體骨骼的替代材料 例如可作為人工髖關節和膝關節植入體內 也可作為牙根植入體 另外 碳 碳復合材料還可以制作高溫緊固件 熱壓和超塑性加工模具以及加熱元件等 二 復合材料的發展1 復合材料的性能對比2 復合材料的發展趨勢 二 復合材料的發展復合材料的性能對比復合材料的室溫性能 表14 1各種復合材料以及常用金屬材料力學性能比較 復合材料的力學性能取決于增強相和基體的性能 含量 可根據使用條件設計 三種主要的復合材料都可得到高的力學性能 1 2復合材料的高溫性能主要取決于基體材料 樹脂基復合材料 300 C以下金屬基復合材料 鋁 鎂基復合材料 300 C鈦合金基復合材料 650 C金屬間化合物基復合材料 1000 C高溫合金基復合材料 1200 C陶瓷基復合材料 1500 C碳 碳復合材料 1800 C 圖14 7復合材料在不同溫度范圍的應用 1 3復合材料的其它性能 1 硬度 復合材料的硬度主要取決于基體材料性能 一般樹脂基復合材料小于金屬基復合材料 金屬基復合材料小于陶瓷基復合材料2 耐自然老化能力 取決于基體材料和界面的性能 一般來講陶瓷基復合材料優于金屬基復合材料 金屬基復合材料優于樹脂基復合材料 3 耐化學腐蝕性能 樹脂基復合材料和陶瓷基復合材料優于金屬基復合材料 4 導熱性能 金屬基復合材料 50 65W mK 陶瓷基復合材料 0 7 3 5W mK 樹脂基復合材料 0 35 0 45W mK 1 4生產工藝的難易程度 成本高低及實用化程度 復合材料生產工藝的難易程度 成本高低及實用化程度與其界面結合特點和制備成型工藝溫度的高低有直接關系 樹脂基復合材料一般為物理界面結合 或偶聯劑化學鍵結合 成型工藝溫度不高于300 C 工藝裝置相對簡單 生產工藝成熟 產品成本最低 金屬基復合材料次之 界面結合為化學反應結合 界面結合復雜并要求高 成型工藝溫度可達1000 C 工藝裝置復雜 陶瓷基復合材料工藝最復雜 成型工藝溫度在1200 C以上 同時其界面結合更為復雜 產品成本也最高 2 復合材料的發展趨勢2 1基體材料 1 聚合物近年來熱塑性聚合物以其高韌性 貯存期長 可修補 成型周期短為特點 已成為第三代聚合物基復合材料注目的焦點 目前已開發出PEEK PAI為基體的復合材料 最近發展的熱致液晶聚合物是熱塑性聚合物樹脂中的佼佼者 這種材料的大分子主鏈結構是由剛性或半剛性的棒狀單元鏈段與柔性單元鏈通過分子剪裁設計構造而成 使材料具有高強度和高模量 并改善了加工性 韌性和柔順性 2 金屬材料傳統金屬材料的發展幾乎已到了極限 金屬間化合物 如Ni Al Fe Al和Ti Al系 具有高比強度 高比模量以及高溫性能良好等優點 是今后高溫金屬材料發展的方向 如果能夠解決金屬間化合物的脆性等問題 金屬間化合物及其復合材料將具有廣闊的應用前景 納米材料由于其量子效應 物質的局域性及巨大的表面及界面效應 使物質呈現出許多既不同于宏觀物體 也不同于單個孤立原子的奇特現象 金屬納米材料的進一步深入研究將會發現和開發出許多新穎性能 同樣也會使得金屬基復合材料的研究 如界面研究和工藝研究出現新的變革 3 陶瓷材料多種陶瓷混合作為基體材料使陶瓷基復合材料具有更好的性能 納米陶瓷的出現是陶瓷材料的一場革命 納米陶瓷顆粒晶粒細化有助于晶粒間的滑移 因而使材料具有超塑性 顆粒晶粒細化使材料體系具有巨大的表面積 必然引起整個燒結動力學的變化 明顯降低燒結溫度 顆粒晶粒細化也會減少材料內部缺陷 獲得無缺陷或無有害缺陷陶瓷 納米陶瓷是解決陶瓷材料脆性的一個重要途徑 新型結構陶瓷 三元層狀化合物結構具有共價鍵 金屬鍵及離子鍵和結合 大量的研究工作證明 三元層狀化合物Ti3SiC2集金屬和陶瓷的性能于一體 具有高強度 低密度 良好的化學穩定性和抗氧化 抗熱沖擊 高電導率和熱導率 塑性好 易加工等優異性能 同時兼有陶瓷和金屬的特性 使其具有廣闊的應用前景 Ti3SiC2陶瓷是一種新型復合材料基體和增強劑材料 2 2增強材料根據復合材料的發展趨勢 與之適應的增強相應具有耐高溫 高 比 性能并與基體材料 物理和化學相容性 良好的綜合性能 碳纖維目前向高強 高模 低成本的方向發展 高強碳纖維的極限抗拉強度可達7060MPa 日本東麗T1000 高模碳 石墨 纖維的彈性模量達830GPa 美國Amoco公司P120 同時低成本通用碳纖維的價格降至幾十美元 為碳纖維的廣泛應用創造了良好條件 另外 聚乙烯 Kevlar PBO等有機纖維除了具有優異的力學性能外 同時也具有其它功能特性 其發展令人注目 對于金屬基復合材料來講 由于金屬基體的化學活性以及在高溫下的制備和使役過程 決定了金屬基復合材料的界面更為復雜 化學反應結合是其主要結合方式 如何控制界面化學反應是極為重要的問題 但大多數金屬基復合材料在熱力學上是非平衡體系 目前技術上成熟的增強劑 即使綜合性能良好的SiC纖維 嚴格來說并不十分理想 特別是對于鈦合金 金屬間化合物 高溫合金以及陶瓷等高溫基體 因此 除了采取有效的纖維表面改性等措施外 開發新型更高性能的增強劑也是當務之急 從熱力學角度來講 可能用于增強鈦鋁金屬間化合物的增強相有 氧化鈹 氮化鈦 硅化鈦等 適合于用于增強鎳鋁金屬間化合物的增強相有 氧化鈹 氮化鈦 二硼化鈦等 納米碳管和納米碳纖維是近年來出現的新型高性能增強劑 其強度比鋼高100倍 比石墨高5到10倍 而密度僅為鋼的六分之一 目前納米碳管和納米碳纖維的制備基本已突破產量小的難關 其成本也逐漸下降 這類高性能增強劑的復合材料的研究已日見活躍 2 3新型復合材料1 高性能熱塑性聚合物復合材料 近年來熱塑性聚合物以其高韌性 貯存期長 可修補 成型周期短為特點 已成為第三代聚合物基復合材料注目的焦點 2 Ti合金基復合材料 鈦合金及鈦鋁金屬間化合物具有密度低 比強度和比模量高 高溫性能和抗氧化性能優異 與SiC纖維化學相容性好等特點 SiC纖維增強鈦合金及鈦鋁金屬間化合物基復合材料是新一代高推重比航空發動機部件的理想候選材料 航空發動機壓氣機采用鈦基或鈦鋁化合物基復合材料葉環結構新設計方案可比傳統設計減重40 70 圖14 8 使發動機的推重比大幅度提高 目前美英德法等國均投入相當大的人力和經費 對SiC纖維 鈦基或鈦鋁化合物基復合材料研究和應用給予強有力的支持和保證 美國已建立了世界上第一條SiC纖維 鈦基復合材料生產線 美國著名的綜合高性能渦輪發動機技術規劃 IHPTET 1987 2009 對鈦鋁化合物基復合材料極為重視 在1998年公布的十年成就中展示了采用SiC纖維增強TiAl基復合材料制作的壓氣機轉子樣件 英國在國防研究署支持下 開發出PVD等先進制備工藝 羅 羅公司研制成發動機壓氣機葉環部件 減重效果大于50 并成功試車 圖14 8Ti合金基復合材料先進發動機葉環結構示意圖 3 陶瓷基復合材料 熱機的循環壓力和循環氣體的溫度提高 其熱效率也就越高 采用陶瓷或陶瓷基復合材料代替高溫合金已成了目前的一個重要研究內容 為此許多西方國家 如美國能源部和宇航局開展了AGT100 101 先進燃氣輪機 和CATE 陶瓷在渦輪發動機中的應用 等計劃 我國也進行了研究探索 陶瓷基復合材料葉片的研制是其中的一個重點 要實現這一目標還有相當大的難度 陶瓷基復合材料葉片的實用化將極大地提高發動機的性能 4 碳 碳復合材料 近年來碳 碳復合材料的制備工藝取得了新的突破 如中國科學院金屬研究所采用直熱式化學氣相滲技術將制備工藝周期從原來的1000多小時縮短到30小時以內 使材料成本大幅度下降 隨著成本的下降 碳 碳復合材料在航空 航天及在民用領域的應用前景越來越廣闊 5 水泥復合材料 碳纖維增強水泥復合材料不僅大大地減輕了自重 而且其彈性模量接近混合定律值 斷裂功提高幾個數量級 改善其抗蠕變和耐疲勞性能 另外 碳纖維增強水泥復合材料還具有良好的修補性能 隨著碳纖維的成本不斷下降 碳纖維增強水泥復合材料在重要的建筑工程中 如高層建筑 立交橋 橋梁等 得到廣泛的應用 2 4復合材料的幾種發展趨勢1 由宏觀復合形式向微觀 細觀 復合形式發展 包括原位復合材料 納米復合材料及分子復合材料 納米復合材料包括兩種以上納米尺寸的晶粒進行復合或兩種以上納米厚度的薄膜交替疊層或納米粒子和薄膜復合的復合材料 這些復合材料由于存在納米尺寸效應可望明顯改善復合材料的韌性和耐溫性 另外在納米尺度上形成的無機 無機和無機 有機復合材料則有可能形成性能優異的新一代功能復合材料 分子復合材料是指剛性棒狀高分子為增強相 在分子水平上與柔性高聚物基體復合而成的復合材料 這種復合材料的界面是超微觀的 基本上不存在界面相容性和界面應力集中問題 界面粘接性極好 同時有很好的加工性和設計自由度 2 由雙元混雜復合向多元混雜和超混雜方向發展 所謂多元混雜是指復合材料包括兩種以上的增強相 其中包括在混雜的纖維增強相中加入顆粒填料 基體也可以用共混高聚物等 近來出現的最典型的例子是鋁板和纖維 樹脂復合材料交替疊層的復合材料 也稱為超混雜復合材料 這種超混雜復合材料具有優異耐疲勞性能和高模量 3 由結構復合材料為主向功能復合材料 結構功能一