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1、复合材料 引言 人类为了谋求生存和发展 企求用理想材料制成新工具的愿望总是随着历史的发展不断探索不断前进 因此 人类发展的历史就和材料的发展的历史息息相关 研究人类历史的人们都可以清楚地知道 人类历史上各方面的进步是与新材料的发现 制造和应用分不开的 历史学家把人类发展史划分为 石器时代 陶器时代 青铜器时代 铁器时代 其后人类又发明了高分子材料 先进复合材料和智能材料 人类从天然物质中选择提炼出人类生活所必要的物质而加以利用 制造这些物质有两种方法 一种是利用了化学反应的物质合成 另一种是通过组合两种以上的物质 制成具有更高性能的材料 用后一种方法制造出的物质称之为复合材料 TheMater
2、ialsScienceTetrahedron材料科学四面体 结构 固有特性 制作方法 测定性能 使用性能 性能价格比Cost price performance 复合材料按基体材料分类 复合材料按功能分类 先进复合材料的发展史 40年代 玻璃纤维增强塑料 GFRP 复合材料发展的第一代60 80年代 先进复合材料复合材料发展的第二代80 年 先进复合材料充分发展复合材料发展的第三代 复合材料的定义 复合材料是由两种或两种以上的固相组分 以微观或宏观的形式组成的材料 它具有与其组成物质不同的新的性能 复合材料的性能特点 比强度 比刚度 比模量 大 性能可设计 易制成结构件 各向异性 非均匀性以聚
3、合物基复合材料为例 比强度 比刚度 比模量 大耐疲劳性能好减震性好过载时安全性好具有多种功能性有很好的加工工艺性 复合材料的组成 复合材料的命名 把增强剂的名称放在前面 基体的名称放在后面来命名 如碳纤维环氧复合材料 现代复合材料学科 包括增强材料 基体材料 界面粘结 结构设计 成型工艺 性能测定等方面并逐步形成了一门与化学 物理 力学及各种应用学科有关的跨学科的 有着广泛内在联系并互相渗透和互相推动的材料学科 复合材料发展史 天然复合材料竹 木 茅草 贝壳 骨骼传统复合材料麻刀 纸筋 石灰 土坯 草秆 粘土 钢筋混凝土 通用复合材料1940年玻璃纤维增强塑料 GFRP 先进复合材料1960
4、年 复合材料从结构复合材料 单功能复合材料 多功能复合材料 机敏材料和智能材料 智能材料具有接受 传递 处理和发射信息的功能 是信息科学溶入材料科学的产物 一种天然生物复合材料 竹子 先进复合材料 先进复合材料是比原有的通用复合材料有更高性能的复合材料 包括用各种高性能增强剂 纤维等 与耐温性好的热固性和热塑性树脂基体所构成的高性能树脂基复合材料 金属基复合材料 陶瓷基复合材料 玻璃基复合材料 碳基复合材料 包括使用其力学性能的结构复合材料和使用热 电 磁 光 核 生物及其他性能的功能复合材料 先进复合材料 功能材料是指除力学性能以外还提供其它物理 化学 生物等性能的复合材料 包括压电 导电
5、雷达隐身 永磁 光致变色 吸声 阻燃 生物自吸收等种类繁多的复合材料 具有广阔的发展前途 未来的功能复合材料比重将超过结构复合材料 成为复合材料发展的主流 未来复合材料的研究方向主要集中在纳米复合材料 仿生复合材料 和发展多功能 机敏 智能复合材料等领域 飞机上用的复合材料 碳纤维 环氧树脂 碳纤维 芳纶 环氧树脂 玻璃纤维增强塑料 芳纶 杜邦聚酰胺 芳纶 泡沫芯板 碳纤维 杜邦聚酰胺 飞机上用的复合材料 增韧石墨 石墨 混杂复合材料 玻璃纤维 车身 开创性的大量应用源自F1赛车的碳纤维复合材料 GLARE蒙皮用于A380飞机的上机身蒙皮 中国自研大飞机面临发动机与复合材料两大难题 大推力 高
6、涵道比涡扇发动机大量运用了复合材料或钛合金空心宽弦叶片 整体叶盘 B 2隐形轰炸机除主体结构是钛复合材料外 其它部分均由碳纤维和石墨等复合材料构成 不易反射 轻巧的碳 碳复合材料 全复合材料机身 轻型机的价格 中型机的宽敞客舱 客舱内站立高度为1 65米 目前商用飞机上复合材料仅占全机重量的50 而某些直升机早已达到90 荷兰计划研发新型绿色环保飞机外形将酷似飞碟 另一个设想就是使用复合材料 如纤维增强塑料 这种复合材料强度可与金属媲美 而重量却比金属轻得多 因此可以节省燃油 复合材料军用吉普车 玻璃纤维 碳纤维 增强树脂美洲轻木泡沫 超级跑车车身大量应用碳纤维复合材料 生产充气船及其胶布制品
7、 采用国际上先进的A级RTP复合材料 新型日光温室复合材料温室骨架和纵拉杆全部采用复合材料制成 绿可木 生态木塑复合材料 木塑复合材料吸音板 复合材料 玻璃钢 制品 采用高分子复合材料制作浮雕和雕塑 碳纤维 树脂复合材料 碳 碳复合材料 生物医学制品和体育运动 复合材料被用来预防受伤 矫正生理机能 和帮助病人复原 生物医学制品和以体育运动器材为主的碳纤维复合材料制品 热塑性复合材料再近20年中 增长速率持续较快 是热固性的3倍 JS系列自润滑复合材料与部件 三维纺织预成型技术和RTM技术是研制和开发高性能复合材料结构件的关键技术 RTM成型的复合材料头盔 锂 复合材料聚合物电解质 热电池 聚合
8、物纳米复合材料 聚合物 层状粘土 传统的复合材料 插入的纳米复合材料 片状剥离的纳米复合材料 新型的纳米黏土 片层越小 分散得越好 则复合材料的性能越好 复合材料的铺层优化设计 当前常用的模压料品种有热固性复合材料 包括SMC BMC和TMC等 热塑性复合材料 国际上的材料专家普遍认为当前人类已经从合成材料的时代进入复合材料时代 因为想要合成一种新的单一材料使之满足各种高要求的综合指标是非常困难的 即使能研制出某种满意的单一材料 则从实验室到生产的周期也很长 如果把现有的有机高分子 无机非金属和金属材料通过复合工艺组成复合材料 则可以利用它们所特有的复合效应使之产生原组成材料不具备的性能 而且
9、还可以通过材料设计以达到预期的性能指标 并起到节约材料和费用的作用 复合材料概念的提出只有50年左右 上世纪60年代的中后期由于出现了碳纤维和芳酰胺纤维等高性能增强剂和一些耐高温树脂基体 从而构成性能更高的复合材料 虽然由于技术难度大 造价高因而产量小 但是它们能满足当时高技术进展的需要 所以仍能迅速发展起来 为了与一般通用复合材料 指玻璃纤维增强塑料 有所区别 而获得了 先进复合材料 的名称 随后又把金属基复合材料 陶瓷基复合材料 碳基复合材料以及功能复合材料等充实到先进复合材料的范畴里来 充分体现出先进复合材料量小但性能特殊而优异的特点 虽然它所包括的各种基体的复合材料和功能复合材料各有特
10、点和缺陷 但综合起来看 先进复合材料可以通过选择 使之具备密度小 强度和刚度高 耐温 耐磨 导热 导电 膨胀系数小 抗疲劳性好 阻尼性能好 耐烧蚀 耐冲刷 抗辐射 吸波 换能以及其他物理功能等特点 这些正是推动高技术的发展中迫切需要解决的问题 因此 可以说先进复合材料的发展有力地促进了高技术的进步 同时高技术的进展也带动和加速了先进复合材料的不断更新 到上世纪90年代初 复合材料的世界总产量约为三百万吨 已在建筑 交通运输 化工 船舶 航空航天和通用机械等领域广泛应用 先进复合材料在高技术中的作用 高技术对材料的选用是非常严格和苛刻的 先进复合材料的优越性能比一般材料更能适合各种高技术发展的需
11、要 几种典型先进复合材料和常用材料性能对比 复合材料的比强度和比模量 玻璃纤维 环氧树脂 芳纶纤维 环氧树脂 石墨纤维 环氧树脂 硼纤维 环氧树脂 石墨纤维 环氧树脂 铍 石墨纤维 环氧树脂 比拉伸模量 弹性模量 密度 任意单位 比拉伸强度 拉伸强度 密度 任意单位 开发空间是人类进步的重要标志 巳所需要的各种结构材料如运载火箭的壳体 航天飞机的支架 桁条 蒙皮 卫星的支架 蒙皮 天线 空间站的各种结构件 都要求用轻质高强和高刚度材料以节约推动所需的燃料 先进复合材料能满足这些要求 特别是像导弹的头部防热材料 航天飞机的防热前缘和火箭发动机的喷管等需要耐高温 抗烧蚀材树 更是非先进复合材料莫属
12、 其他如抗粒子流 隐身功能等方而 先进复合材料也是候选的优先对象 先进复合材料在航天技术的建立方面已经作出了不可磨灭的贡献 而且在未来的发展中还将继续起关键作用 开发新能源 节能和储能等能源新技术是高技术的另一重要组成部分 能源技术同样也需要轻质高强 耐温耐腐蚀的材料 先进复合材料也是理想的选用对象 见下表 在能源技术中先进复合材料的应用范例 信息技术是现代发展最迅速的高技术 在信息技术中包括信息的检测 传输 贮存 处理运算和执行等方面 先进复合材料也能起到重要的作用 见下表 先进复合材料在信息技术中的应用 在高技术的生物工程方面 先进复合材料不仅在力学性能上能满足各种生物工程用容器的要求 同
13、时还能满足耐腐蚀 抗生物破坏以及生物相容性的要求 此外 功能复合材料还可以制造用于生物工程的物质分离的各种膜材料 上世纪70年代以来 先进复合材料的发展非常迅速 特别是80年代更为显著 1 高性能增强剂 碳 石墨 纤维的发展是非常突出的 以PAN 聚丙烯腈 为先驱体的MJ系列碳纤维基本解决了过去的提高模量则会牺牲强度和断裂伸长的矛盾 因此特别适合树脂基先进复合材料的需要 P系列沥青基超高模量石墨纤维 其模量已接近石墨晶须 它适合用作金属基复合材料的增强剂 有机纤维中熔致液晶的聚芳酰胺类发展很快 现已出现许多牌号 性能可与Kav1ar系列媲美 目前重点是解决该类纤维的吸湿性大的问题 为此热致液晶
14、型聚芳酯纤维得以发展 它虽然热稳定性稍差 但不吸湿而且强度与模量与聚芳酰胺相当 值得一提的是用先进的冻胶纺丝法制成超高分子量的聚乙烯纤维 强度与模量均超过Kavlar49 其缺点是耐温性差只能适合于低温使用 用无机高分子作为先驱体 经纺丝后烧成陶瓷纤维 是当前受到关注的工艺路线 继NicalonSiC纤维开发成功 最近又推出Tyranno 含Ti的SiC 纤维 其性能相当但耐温性明显高于Nicalon 用这类方法现已制成Si3N4纤维 但尚未商品化 晶须已有较长的历史 尽管它强度和模量极高 但由于分散困难一直未能发挥作用 当前由于金属基 高温型 和陶瓷基复合材料的要求 又重新活跃起来 但是又面
15、临它带有细纤维污染环境的问题 能否允许使用有待裁决 2 高性能树脂基复合材料 制备树脂基复合材料首先需要有高性能的热固性和热塑性树脂基体 关于热固性树脂基体已提出一系列要求 即满足200 300 长期使用的条件 并能对原来的力学性能有一定的保持率 容易制成预浸料并有较长的贮存期 在加工过程中基本上没有挥发物逸出 在工艺上容易掌握并能监控其质量以及具有合适的价格 目前新型的多官能团环氧 已经接近上述的部分要求 如用热塑性高分子固化剂的延长贮存期等 但耐温性尚不够理想 达到200 以上使用温度的树脂 目前主要用热固性聚酰亚胺 现在已有PMR 15 LARC 160和LR600等牌号的商品出现 其耐
16、温性最高可达300 这类树脂可以通过共聚 改变封头结构和主链结构来进行改性 双马聚酰亚胺耐温性虽不如聚酰亚胺 但略高于环氧 可以满意地在200 使用 它的工艺性能比聚酰亚胺好 交联度高从而刚度高和耐溶剂性好是其优点 但是它也存在脆性大的缺点 现在这种树脂已有许多商品牌号 如FE7003 Xu295 H795和EA9102等等 耐温更高的树脂基体只有杂环类高分子如共聚喹恶啉树脂 聚苯并咪唑树脂等 但由于价洛昂贵 加工性能又差 所以只有在特殊情况下才少量使用 目前发展的趋势表明 热塑性树脂基体正在逐步与热固性树脂争夺先进树脂基复合材料基体的主流地位 这是因为最近出现一大批高性能热塑性高分子材料 其力学性能和耐温性均能满足先进复合材料的要求 同时它还有明显节约加工周期和提高韧性的优点 特别是它的可修复性 二次加工成形和长期贮存等热固性树脂所不具有的特点 另一种值得注意的新型树脂基体是半互穿网络高聚物 SIPN 它是由热固性网状高分子与线型高分子互穿而成的高聚物 所以兼有热固性和热塑性树脂的优点 由于它在较苛刻的环境条件下仍有良好的刚度和韧性 因此是应用于宇航结构复合材料中有潜力的树脂基体 例
