復(fù)合材料及碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用現(xiàn)狀_董博

1、第 42卷第 5期 遼 寧 化 工 Vol.42,No. 5 2013年 5月 Liaoning Chemical Industry May, 2013收稿日期 : 2013-04-24 作者簡介 : 董博(1981- ,男,助理工程師,遼寧沈陽人,2004年畢業(yè)于北京化工大學(xué)高分子材料與工程專業(yè),研究方向:工程咨詢。E-mail:amateurdb。復(fù)合材料及碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用現(xiàn)狀董 博(遼寧咨發(fā)建設(shè)監(jiān)理預(yù)算咨詢有限公司, 遼寧 沈陽 110014摘 要 :簡述了復(fù)合材料的定義、分類、發(fā)展和特點,對碳纖維復(fù)合材料在航空航天、軍工、風(fēng) 電葉片和體育器材等領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹。 關(guān) 鍵 詞

2、:復(fù)合材料;碳纖維復(fù)合材料;應(yīng)用現(xiàn)狀中圖分類號 :TQ 050.4+3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 : A 文章編號 : 1004-0935(201305-0552-04科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與新材料的出現(xiàn)相輔相成、互 相促進(jìn)。早在 100萬年前,人類開始使用石材做工 具,進(jìn)入舊石器時代,之后歷經(jīng)新石器時代、青銅 時代、鐵器時代、鋼鐵時代。20世紀(jì) 90年代,現(xiàn) 代復(fù)合材料、各種新材料得到快速發(fā)展,人類進(jìn)入 新材料時代。美國國家科技委員會指出:技術(shù)更新 與經(jīng)濟(jì)發(fā)展從未像現(xiàn)在這樣依賴于新材料的開發(fā)利 用。復(fù)合材料已經(jīng)發(fā)展成為與金屬材料、無機(jī)非金 屬材料、高分子材料并列的四大材料體系之一。1 復(fù)合材料的定義和分類1.1

3、復(fù)合材料的定義國際化標(biāo)準(zhǔn)組織 (ISO 將復(fù)合材料定義為:“兩 種或兩種以上在物理和化學(xué)上不同的物質(zhì)組合起來 而得到的一種多相固體” 。 復(fù)合材料是多相材料, 包 括基體相和增強相?；w相為連續(xù)相,把改善性能 的增強相材料固結(jié)為一體,并起傳遞應(yīng)力的作用; 增強相一般為分散相,主要起承受應(yīng)力和表現(xiàn)功能 的作用。復(fù)合材料與一般材料的簡單混合有本質(zhì)區(qū) 別,既保留原組成材料的重要特色,又通過復(fù)合效應(yīng)獲得原組分所不具備的性能 1。1.2 復(fù)合材料的分類復(fù)合材料有很多種分類方法。根據(jù)基體材料的不同,主要分為聚合物基復(fù)合 材料、金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料和碳基復(fù) 合材料;按照增強纖維的種類不同,可分為無

4、機(jī)纖維、 有機(jī)纖維、金屬纖維和陶瓷纖維復(fù)合材料等;按照增強相形態(tài)的不同,可分為顆粒增強(零 維 、 晶須增強/短纖維增強/連續(xù)長纖維增強 (一維和片狀增強(二維復(fù)合材料 2。2 復(fù)合材料的發(fā)展和特點2.1 復(fù)合材料的發(fā)展在自然界中,許多植物(竹子、樹木等就是 自生長長纖維增強復(fù)合材料。 早在公元前 2000年以 前,人類就開始使用稻草加黏土作為建筑材料砌建 房屋墻壁。大約 100年前,由砂石、水和水泥固結(jié) 而成的混凝土材料開始使用,在其中加入鋼筋可以 大大提高混凝土的抗拉伸強度和抗彎曲強度,即鋼 筋混凝土。20世紀(jì) 40年代,玻璃纖維增強塑料的出現(xiàn)標(biāo) 志著現(xiàn)代復(fù)合材料的產(chǎn)生。 20世紀(jì) 60-

5、70年代, 硼 纖維、碳纖維、芳綸纖維的出現(xiàn)使復(fù)合材料的發(fā)展 進(jìn)入新的階段。 隨著聚合物基復(fù)合材料的不斷發(fā)展, 金屬基、陶瓷基以及陶瓷金屬基復(fù)合材料的開發(fā) 與應(yīng)用得到重視。復(fù)合材料的技術(shù)進(jìn)步可分為 4個階段 3: 第 一 代 (1940-1960 :玻 璃 纖 維 增 強 塑 料 (GFRP ;第二代 (1960-1980 : 碳纖維增強塑料 (CFRP 和金屬纖維增強塑料(MFRP ;聚合物基復(fù)合材料是以有機(jī)聚合物為基體的 纖維增強材料,基體包括熱固性樹脂和熱塑性樹脂 兩大類,增強相包括碳纖維、硼纖維、玻璃纖維和 有機(jī)纖維(如芳綸等。聚合物基復(fù)合材料集結(jié)構(gòu)承載和功能于一身, 具有比強度/比剛

6、度較高、抗疲勞、耐腐蝕、結(jié)構(gòu)尺第 42卷第 5期 董 博:復(fù)合材料及碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用現(xiàn)狀 553寸穩(wěn)定性好、 可設(shè)計性強、 便于大面積成型等優(yōu)點。 其成型工藝包括手糊、 噴射、 熱壓罐/真空袋、 模壓、 樹脂傳遞模塑 (RTM 、纖維纏繞、 拉擠等。 自上世 紀(jì) 40年代玻璃鋼產(chǎn)生以來, 聚合物基復(fù)合材料在航 空航天、武器裝備、汽車、海洋工業(yè)等方面獲得了 日益廣泛的應(yīng)用。表 1數(shù)據(jù)表明,與傳統(tǒng)材料相比,碳纖維復(fù)合 材料的密度約為鋼的 1/5,鋁合金的 1/2,且比強度 與比模量遠(yuǎn)高于二者。表 1 常用結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能比較材料體系 抗拉伸 模量/GPa抗拉伸強度/MPa密度/(gcm -3比

7、剛度GPa/(gcm -3比強度 MPa/(gcm -3鋁合金 72 420 2.8 26.0 151 鋼(結(jié)構(gòu)用 206 1 200 7.8 26.0 153 鈦合金 117 1 000 4.5 26.0 222 SMC 10 100 1.9 5.3 53 LFT 14 200 1.4 10.0 146 單向板 48 1 245 2.0 24.0 623 玻璃纖維/聚酯織物 22 550 2.0 11.0 275 單向板 56 1 795 2.0 28.0 898 S-玻璃纖維/環(huán)氧樹脂織物 26 820 2.0 13.0 410 單向板 130 1 760 1.6 81.0 1 100 T

8、300碳纖維/環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)鋪層 60 810 1.6 38.0 506單向板 130 2 100 1.6 81.0 1 310 T700碳纖維/環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)鋪層 60 1 010 1.6 38.0 631單向板 154 2 950 1.6 96.0 1 844 T800碳纖維/環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)鋪層 71 1 360 1.6 44.0 850金屬基復(fù)合材料是指以高強度的纖維、晶須、 顆粒等增強 Al、Mg、Ti、Cu 等金屬基體的復(fù)合材 料, 具有優(yōu)良的導(dǎo)電/導(dǎo)熱性能、 耐高溫性能和耐磨 性能,應(yīng)用于航空航天、汽車、機(jī)械工業(yè)和微電子 等領(lǐng)域。硼纖維增強鋁基復(fù)合材料(B/Al密度低、力 學(xué)性能好,作為

9、承力部件應(yīng)用于飛行器和航空發(fā)動 機(jī)上可獲得明顯的減重效果。 憑借密度小、 比剛度/比強度高、耐高溫性能好(815 環(huán)境下,強度比 鎳基超耐熱合金高兩倍等優(yōu)點,碳化硅纖維增強 鈦基復(fù)合材料 (SiCf / Ti 在渦輪發(fā)動機(jī)葉片、 機(jī)匣、 傳動軸等部件上已得到廣泛應(yīng)用。在保持陶瓷材料強度高、耐高溫、抗氧化、抗 腐蝕、耐磨損、熱膨脹系數(shù)小等優(yōu)點的同時,由于 增強體的加入,陶瓷基復(fù)合材料的韌性大大改善。 連續(xù)纖維增強陶瓷基復(fù)合材料是斷裂韌性最佳 的一種陶瓷基復(fù)合材料,具有密度小、比模量高、 比強度高、隔熱性好、比熱容高、抗沖擊強度高和 耐燒蝕等優(yōu)點,主要用于高溫、耐磨制品。利用化 學(xué)氣相滲透(CVI

10、制備的 C f / SiC和 SiC f / SiC材料 主要應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)的渦輪葉片、火箭發(fā)動機(jī)噴 管和高速列車的制動件等。碳/碳復(fù)合材料是以化學(xué)氣相滲透的熱解碳或 液相浸漬、碳化的樹脂碳、瀝青碳為基體,由碳纖 維或其織物(碳?xì)只蛱疾荚鰪姷囊环N純碳多相結(jié) 構(gòu),具有耐高溫、耐燒蝕、耐固體微粒沖刷、熱膨 脹系數(shù)小、高溫強度好、低蠕變等特點。應(yīng)用于再 入飛行器頭部/鼻錐、固體火箭發(fā)動機(jī)喉襯/噴管和 剎車盤(片等領(lǐng)域。制備碳/碳復(fù)合材料一般采用化學(xué)氣相滲透 (CVI和液態(tài)樹脂/瀝青浸漬、碳化等兩種方法。 碳化的方法有中壓碳化和高壓碳化,高溫處理方法 有充氣保護(hù)石墨化和真空石墨化 1。3 碳纖維復(fù)合

11、材料的應(yīng)用現(xiàn)狀碳纖維具有低密度、高強度、高模量、耐高溫、 耐腐蝕、自潤滑、導(dǎo)電/導(dǎo)熱性能好、熱膨脹系數(shù)低 和生體相容性好等特點, 是目前唯一能在 2 200 以 上 (在真空或惰性環(huán)境下 保持高溫強度的增強纖維, 其強度隨溫度的升高(2 200 以前而增大。 碳纖維諸多的優(yōu)異性能,使其成為制備各種結(jié)構(gòu)和功能性復(fù)合材料的重要原材料。碳纖維復(fù)合材 料主要是指碳纖維增強聚合物基復(fù)合材料和碳纖維 增強碳基復(fù)合材料,目前的研究方向主要是提高性 能、降低成本。其廣泛應(yīng)用于航空航天、軍工、風(fēng) 電葉片和體育器材等領(lǐng)域。2011年全球碳纖維總用量 45 800 t,其中航空 航天占 15%,工業(yè)(含風(fēng)能占 65

12、%,消費品/運動 器材占 20%;中國大陸碳纖維用量 11 000 t,占全 世界 1/4,其中文體占 60%,工業(yè)與能源占 25%, 建筑結(jié)構(gòu)補強占 10%,航空航天及軍工占 5%3。 3.1 航空航天及軍工空客 A380是目前世界上最大的飛機(jī),其結(jié)構(gòu) 重量的 25%為復(fù)合材料,碳纖維復(fù)合材料構(gòu)件(機(jī) 身段、 襟翼、 副翼、 艙壁等 占其結(jié)構(gòu)重量的 22%。 碳纖維復(fù)合材料的大量應(yīng)用使其明顯減重,大大減 少了油耗,降低了運營成本。波音 787是迄今為止復(fù)合材料用量最多的機(jī) 型,復(fù)合材料占其結(jié)構(gòu)重量的 50%左右,其機(jī)身、 機(jī)尾翼采用碳纖維層合結(jié)構(gòu),升降舵、方向舵保留 碳纖維夾芯機(jī)構(gòu)。 大量應(yīng)

13、用復(fù)合材料獲得的低油耗、 高巡航速度使其得以實現(xiàn)更多的點對點不經(jīng)停直飛 航線。30多年來, 復(fù)合材料已經(jīng)從非承力構(gòu)件發(fā)展到 次承力、 主承力構(gòu)件, 如垂直尾翼、 副翼、 前機(jī)身、 方向舵等。采用碳纖維制造的機(jī)翼,質(zhì)量是同等強 度鋁合金機(jī)翼的 75%80%,且不會產(chǎn)生金屬疲 勞。 歐洲的 A400M 屬于新一代大型軍用運輸機(jī), 復(fù) 合材料占其結(jié)構(gòu)重量的 35%40%,碳纖維復(fù)合材 料占機(jī)翼結(jié)構(gòu)重量 85%1。固體火箭發(fā)動機(jī)是各種導(dǎo)彈武器的主要動力裝 置,在其殼體應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料可大大減輕火箭 和導(dǎo)彈的發(fā)射質(zhì)量、節(jié)省發(fā)射費用,或攜帶更重的 彈頭、或增加有效射程和落點精度。3.2 風(fēng)電葉片風(fēng)能是一

14、種清潔可再生能源,取之不盡、用之 不竭。風(fēng)電系統(tǒng)中,碳纖維復(fù)合材料主要用于風(fēng)電 葉片與貯能用飛輪等。當(dāng)風(fēng)電葉片長度超過 40 m, 就需要部分使用碳 纖維復(fù)合材料。 目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)組正朝大型化發(fā)展, 風(fēng)輪直徑已突破 120 m,最長葉片超過 60 m,全玻 璃鋼葉片已無法滿足大型化、輕量化要求。以直徑 為 120 m的風(fēng)電葉片為例,使用碳纖維復(fù)合材料可 減少總重量 38%, 降低葉片成本 14%, 降低整個風(fēng) 電裝置成本 4.5%4。未來海上風(fēng)電機(jī)組的額定功率將超過 20 MW, 轉(zhuǎn)子直徑約 200 m,碳纖維復(fù)合材料可充分發(fā)揮其 輕質(zhì)、高強、高彈的優(yōu)點,為海上風(fēng)力發(fā)電提供更 輕質(zhì)、抗拉、耐腐

15、的葉片、塔架和飛輪。3.3 體育器材出于對安全、減重的需要,碳纖維復(fù)合材料用 于生產(chǎn)自行車、釣魚竿、沖浪板、滑雪板、高爾夫 球桿、羽毛球拍和網(wǎng)球拍等,是我國目前消耗量最 大的碳纖維應(yīng)用領(lǐng)域,每年約消耗 5 000 t碳纖維, 相對穩(wěn)定。3.4 碳纖維復(fù)合材料芯導(dǎo)線20世紀(jì) 90年代以來,日本、美國相繼開發(fā)出 了碳纖維復(fù)合材料芯導(dǎo)線。碳纖維復(fù)合材料芯導(dǎo)線 (ACCC是用碳纖維復(fù)合材料芯替代傳統(tǒng)的鋼芯制 成,強度高、比重小,可有效降低架線鐵塔負(fù)荷、 大大縮短安裝工期、提高安全性,并且不存在鋼絲 引起的磁損或熱損,輸電損失小、節(jié)能效果可觀。 目前, 全球碳纖維復(fù)合材料芯導(dǎo)線應(yīng)用里程超過 10 000

16、 km,其中中國超過 5 000 km。我國現(xiàn)階段應(yīng)用主要以線路增容改造為主,在 新建線路中還未大規(guī)模推廣, 主要存在安全可靠性、 經(jīng)濟(jì)實用性和運行穩(wěn)定性的問題 4。4 結(jié)語與建議碳纖維產(chǎn)業(yè)在發(fā)達(dá)國家支柱產(chǎn)業(yè)升級乃至國民 經(jīng)濟(jì)整體提高方面,發(fā)揮著非常重要的作用,對我 國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和傳統(tǒng)材料的更新?lián)Q代也有重要 意義。目前,高成本已成為碳纖維復(fù)合材料擴(kuò)大應(yīng) 用的主要障礙,開發(fā)低成本技術(shù)(包括材料、設(shè)計 制造、使用維護(hù)成為當(dāng)務(wù)之急。(1 通過加強國際交流、 建立公共資源庫等方 式,加快低成本設(shè)計、制造技術(shù)(如整體化制造、 設(shè)計制造一體化等的引進(jìn)、消化和吸收; (2 通過混雜纖維復(fù)合材料 (如在碳

17、纖維復(fù)合 材料中加入玻纖、芳綸纖維取得成本與性能的最 優(yōu)化; (下轉(zhuǎn)第 562頁工程實例J. 水處理技術(shù),2010,36(11:132-135.2張辰. 城鎮(zhèn)污水處理廠升級改造工程要點J. 給水排水, 2008, 34(5: 16-17.3沈曉鈴,張萬里,梁汀,等.SBR 類污水處理廠升級改造工藝選 擇及運行J. 給水排水,2010,36(7:38-41.4宋乾武,白璐,秦琪,等. 東莞市污水處理廠升級改造工藝路線 初探J. 中國環(huán)保產(chǎn)業(yè),2010, 3:56-61. 5莊磊, 黃勇. 城市污水處理廠升級改造的探討J. 工業(yè)用水與廢水, 2010,41(1:14-18.6周金全,董小龍,蔣伯忠

18、.污水處理廠升級改造一級 A 排放標(biāo)準(zhǔn) 新工藝及工程實例J. 水工業(yè)市場,2009,20(1:84-88. 7張辰.國外污水處理廠升級改造實例J. 水工業(yè)市場,2008, 10: 21-24.Applicable Methods for Upgrading Reconstruction ofMunicipal Wastewater Treatment PlantsSUN Wen-han1, ZHAO Han2(1. Anshan City Dadaowan Sewage Treatment Plant, Liaoning Anshan 114000, China;2. Shenyang Jia

19、nzhu University, Liaoning Shenyang 110168, China Abstract : In order to research how to upgrade the original process of existing municipal wastewater treatment plants to optimize the effect of nitrogen and phosphorus removal based on A standard of urban sewage treatment plant pollutant discharge sta

20、ndards (GB 18918-2002, combined with several successful cases,applicable methods for upgrading reconstruction were discussed. Based on case analysis, transformation orientation and points for attention of various processes under different conditions were summed up. Key words: wastewater treatment plant; upgrading; nitrogen and phosphorus removal; case analysis(上接第 554頁(3開發(fā)熱壓罐外(Out of Autoclave固化預(yù) 浸料體系,如電子束固化、新型拉擠與纏繞等;開 發(fā)低成本液體成型技術(shù),如 RTM、RFI、VARI 等; 發(fā)展自動化制造技術(shù),如自動鋪帶技術(shù)(ATL 、纖 維自動鋪放(AFP等。我國應(yīng)結(jié)合當(dāng)前實際,通過引進(jìn)學(xué)習(xí)、自主創(chuàng) 新,使復(fù)合材料在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮更大效益, 盡快由復(fù)合材料大國轉(zhuǎn)型成為復(fù)合材料強國。 參