復(fù)合材料應(yīng)用

1、復(fù)復(fù) 合合 材材 料料 應(yīng)應(yīng) 用用 什么是復(fù)合材料？ 復(fù)合材料，是由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料，通過物理或化學(xué)的方法，在宏觀（微觀）上組成具有新性能的材料。各種材料在性能上互相取長補短，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使復(fù)合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料而滿足各種不同的要求。復(fù)合材料的基體材料分為金屬和非金屬兩大類。金屬基體常用的有鋁、鎂、銅、鈦及其合金。非金屬基體主要有合成樹脂、橡膠、陶瓷、石墨、碳等。增強材料主要有玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維、石棉纖維、晶須、金屬絲和硬質(zhì)細(xì)粒等。復(fù)合材料分類復(fù)合材料基體材料增強材料金屬基復(fù)合材料聚合物基復(fù)合材料無機非金屬基復(fù)合材料種類外形碳纖維復(fù)合材料玻璃

2、纖維復(fù)合材料芳綸纖維復(fù)合材料連續(xù)纖維（短纖維）復(fù)合材料片狀（粒狀）材料增強復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料的應(yīng)用 金屬基復(fù)合材料一方面具有一系列與金屬性能相似的優(yōu)點,另一方面增強相的加入又賦予材料一些特殊性能,這樣不同金屬與合金基體及不同增強體的優(yōu)化組合,就使金屬基復(fù)合材料具有各種特殊性能和優(yōu)異的綜合性能。 來自加州理工學(xué)院的科學(xué)家創(chuàng)造出了一系列鈦基結(jié)構(gòu)金屬玻璃復(fù)合材料。與先前該小組研發(fā)的任何成果相比，它的重量更輕并且價格更為低廉，但是卻保持了良好的韌性和延展性，切不易折斷。 在兵器工業(yè)領(lǐng)域，金屬基復(fù)合材料可用于大口徑尾翼穩(wěn)定脫殼穿甲彈彈托，反直升機/反坦克多用途導(dǎo)彈固體發(fā)動機殼體等零部件，以此來減輕戰(zhàn)

3、斗部重量，提高作戰(zhàn)能力。石墨烯/銅復(fù)合材料石墨烯/銀復(fù)合材料 石墨烯是目前發(fā)現(xiàn)的唯一存在的一種由碳原子致密堆積而成的二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的環(huán)保型碳質(zhì)新材料,具有超大比表面積(2630 m 2/g),是目前已知強度最高的材料(達(dá)130 gpa)。 美國科學(xué)家研發(fā)了一種全新的金屬材料，能夠漂浮在水面上。在設(shè)計上，這種鎂合金基復(fù)合材料利用中空碳化硅顆粒進(jìn)行加固，密度只有每立方厘米0.92克，相比之下，水的密度為每立方厘米1克。無論是制造船只甲板、汽車零部件、浮力模塊還是車輛裝甲，這種新材料都擁有廣闊的應(yīng)用前景 金屬基復(fù)合材料主要是指以Al、Mg等輕金屬為基體的復(fù)合材料。在航空和宇航方面主要用它來代替輕

4、但有毒的鈹。這類材料具有優(yōu)良的橫向性能、低消耗和優(yōu)良的可加工性,已成為在許多應(yīng)用領(lǐng)域最具商業(yè)吸引力的材料,并且在國外已實現(xiàn)商品化。 主要應(yīng)用位置：適合用作發(fā)動機的中溫段部件。 聚合物基復(fù)合材料 聚合物基復(fù)合材料（PMC）是以有機聚合物為基體，連續(xù)纖維為增強材料組合而成的。聚合物基體材料雖然強度低，但由于其粘接性能好，能把纖維牢固地粘接起來，同時還能使載荷均勻分布，并傳遞到纖維上去，并允許纖維承受壓縮和剪切載荷。而纖維的高強度、高模量的特性使它成為理想的承載體。纖維和基體之間的良好的結(jié)合充分展示各自的優(yōu)點，并能實現(xiàn)最佳結(jié)構(gòu)設(shè)計、具有許多優(yōu)良特性。 樹脂基復(fù)合材料 纖維增強樹脂基復(fù)合材料常用的樹脂

5、為環(huán)氧樹脂和不飽和聚酯樹脂。目前常用的有：熱固性樹脂、熱塑性樹脂，以及各種各樣改性或共混基體。熱塑性樹脂可以溶解在溶劑中，也可以在加熱時軟化和熔融變成粘性液體，冷卻后又變硬。熱固性樹脂只能一次加熱和成型，在加工過程中發(fā)生固化，形成不熔和不溶解的網(wǎng)狀交聯(lián)型高分子化合物，因此不能再生。復(fù)合材料的樹脂基體，以熱固性樹脂為主。早在40年代，在戰(zhàn)斗機、轟炸機上就開始采用玻璃纖維增強塑料作雷達(dá)罩。60年代美國在F4、F111等軍用飛機上采用了硼纖維增強環(huán)氧樹脂作方向舵、水平安定面、機翼后緣、舵門等。在導(dǎo)彈制造方面，50年代后期美國中程潛地導(dǎo)彈“北極星A2”第二級固體火箭發(fā)動機殼體上就采用了玻璃纖維增強環(huán)氧

6、樹脂的纏繞制件，較鋼質(zhì)殼體輕27%；后來采用高性能的玻璃纖維代替普通玻璃纖維造“北極星A3”，使殼體重量較鋼制殼體輕50%，從而使“北極星A3”導(dǎo)彈的射程由2700千米增加到4500千米。70年代后采用芳香聚酰胺纖維代替玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂，強度又大幅度提高，而重量減輕。碳纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料在飛機、導(dǎo)彈、衛(wèi)星等結(jié)構(gòu)上得到越來越廣泛的應(yīng)用。 樹脂基復(fù)合材料由于重量輕、技術(shù)較成熟等特點被最大程度地應(yīng)用于一直以減重為需要的航空領(lǐng)域。樹脂基復(fù)合材料在大涵道比發(fā)動機上的帽罩前錐、風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片、風(fēng)扇機匣及包容環(huán)、風(fēng)扇出口導(dǎo)流葉片、風(fēng)扇靜子葉片、發(fā)動機短艙及反推裝置、消音結(jié)構(gòu)等部件上得到廣泛應(yīng)用 先進(jìn)

7、樹脂基復(fù)合材料在航空發(fā)動機冷端上的應(yīng)用是實現(xiàn)發(fā)動機減重增效的重要技術(shù)手段之一。 先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料是以高性能纖維為增強體、高性能樹脂為基體的復(fù)合材料。與傳統(tǒng)的鋼、鋁合金結(jié)構(gòu)材料相比,它的密度約為鋼的1/5,鋁合金的1/2,且比強度與比模量遠(yuǎn)高于后二者。 主要應(yīng)用位置：航空發(fā)動機冷端部件(風(fēng)扇機匣、壓氣機葉片、進(jìn)氣機匣等)和發(fā)動機短艙、反推力裝置等部件上得到廣泛應(yīng)用。樹脂基復(fù)合材料在國外先進(jìn)航空發(fā)動機冷端上的主要應(yīng)用部位樹脂基復(fù)合材料在短艙的主要應(yīng)用部位 樹脂基復(fù)合材料由于其優(yōu)異的比強度和比剛度，最初應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，目前正在快速商業(yè)化到其他行業(yè),如汽車和體育用品行業(yè)。樹脂基復(fù)合材料通過成分設(shè)

8、計和結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)特殊應(yīng)用，這種功能定制設(shè)計能實現(xiàn)許多其他功能，如電、熱、光和/或磁性性能。MGI列出了樹脂基復(fù)合材料的9個重點發(fā)展方向。 特斯拉Roadster跑車采用創(chuàng)新的輕體碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料作為車身面板。 2015 年歐洲JEC復(fù)合材料展，展出了一款創(chuàng)新型的前懸掛。這種懸掛式有玻璃纖維和樹脂聚合物通過RTM工藝制成。 自修復(fù)聚合物基復(fù)合材料作為一種新穎的智能結(jié)構(gòu)功能材料，通過實現(xiàn)微裂紋的自愈合，為預(yù)防潛在的危害提供了一種新方法，在一些重要工程和尖端技術(shù)領(lǐng)域孕育著巨大的發(fā)展前景和應(yīng)用價值。通過研究自修復(fù)體系的結(jié)構(gòu)與修復(fù)性能的關(guān)系，修復(fù)劑的修復(fù)機理，以及修復(fù)過程的動力學(xué)，從而研制出在使用環(huán)

9、境下可長期儲存，對裂紋能進(jìn)行快速高效自修復(fù)的材料，無論在理論上還是實踐上都具有重要意義。 INA金屬聚合物復(fù)合材料軸承：支撐軸向載荷的推力墊圈。可在最小空間內(nèi)完成擺動旋轉(zhuǎn)直線運動的滑動襯套由多種材質(zhì)構(gòu)成的滑動條，如直線滑動引導(dǎo)系統(tǒng)。無機非金屬基復(fù)合材料 以無機非金屬類物質(zhì)為基礎(chǔ)組成(簡稱基體)，包括單質(zhì)(如形成共價鍵巨大分子的單質(zhì)C、Si等)、氧化物及復(fù)合氧化物(如Al2O3、ZrO2、BeO、Cr2O3、BaTiO3等)、非氧化物(如SiC、Si3N4、B4C、ZrB2、MoSi2等)、無機鹽類(如硅酸鹽、硼酸鹽、磷酸鹽、鉍酸鹽等)，也包括上述各基體的復(fù)合物(如CSiC、ZrB2SiC等)，

10、還包括由上述基體復(fù)合而成的材料(如陶瓷、玻璃、耐火材料、水泥、搪瓷等)。這些基體可以與不同化學(xué)性質(zhì)、不同組織相、不同功能的單一無機物或金屬或有機物相復(fù)合，還可以與無機物、有機物及金屬混雜復(fù)合。 陶瓷基復(fù)合材料 陶瓷基復(fù)合材料是以陶瓷為基體與各種纖維復(fù)合的一類復(fù)合材料。陶瓷基體可為氮化硅、碳化硅等高溫結(jié)構(gòu)陶瓷。這些先進(jìn)陶瓷具有耐高溫、高強度和剛度、相對重量較輕、抗腐蝕等優(yōu)異性能，而其致命的弱點是具有脆性，處于應(yīng)力狀態(tài)時，會產(chǎn)生裂紋，甚至斷裂導(dǎo)致材料失效。而采用高強度、高彈性的纖維與基體復(fù)合，則是提高陶瓷韌性和可靠性的一個有效的方法。纖維能阻止裂紋的擴展，從而得到有優(yōu)良韌性的纖維增強陶瓷基復(fù)合材料

11、。陶瓷基復(fù)合材料具有優(yōu)異的耐高溫性能，主要用作高溫及耐磨制品。其最高使用溫度主要取決于基體特征。陶瓷基復(fù)合材料已實用化或即將實用化的領(lǐng)域有刀具、滑動構(gòu)件、發(fā)動機制件、能源構(gòu)件等。法國已將長纖維增強碳化硅復(fù)合材料應(yīng)用于制造高速列車的制動件，顯示出優(yōu)異的摩擦磨損特性，取得滿意的使用效果。陶瓷基復(fù)合材料（CMC）在航空發(fā)動機上的應(yīng)用日趨廣泛 GE航空公司通過F414渦扇發(fā)動機驗證機的旋轉(zhuǎn)低壓渦輪葉片成功試驗了世界上首個非靜子組件的輕質(zhì)陶瓷基復(fù)合材料（CMC）部件。該驗證機設(shè)計用于進(jìn)一步驗證GE公司當(dāng)前與美國空軍研究實驗室（AFRL）合作開展的下一代自適應(yīng)發(fā)動機技術(shù)驗證機（AETD）項目在高應(yīng)力工況下

12、的耐高溫材料。 陶瓷基復(fù)合材料（CMC）由于其本身耐溫高、密度低的優(yōu)勢，在航空發(fā)動機上的應(yīng)用呈現(xiàn)出從低溫向高溫、從冷端向熱端部件、從靜子向轉(zhuǎn)子的發(fā)展趨勢。 CMC材料具有耐溫高、密度低、類似金屬的斷裂行為、對裂紋不敏感、不發(fā)生災(zāi)難性損毀等優(yōu)異性能，有望取代高溫合金滿足熱端部件在更高溫度環(huán)境下的使用，不僅有利于大幅減重，而且還可以節(jié)約甚至無須冷氣，從而提高總壓比，實現(xiàn)在高溫合金耐溫基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升工作溫度400500，結(jié)構(gòu)減重50%70%，成為航空發(fā)動機升級換代的關(guān)鍵熱結(jié)構(gòu)用材。 主要應(yīng)用位置：短期目標(biāo)為尾噴管、火焰穩(wěn)定器、渦輪罩環(huán)等；中期目標(biāo)是應(yīng)用在低壓渦輪葉片、燃燒室、內(nèi)錐體等；遠(yuǎn)期目標(biāo)鎖定

13、在高壓渦輪葉片、高壓壓氣機和導(dǎo)向葉片等應(yīng)用。用陶瓷發(fā)動機裝備的坦克 坦克的紅外輻射是其被紅外探測器發(fā)現(xiàn)、并被紅外制導(dǎo)武器摧毀的根源，因此降低坦克紅外輻射也是隱形技術(shù)發(fā)展的一個重要方面。步兵戰(zhàn)車用效率高、熱損耗較小的絕熱陶瓷發(fā)動機可降低坦克的紅外輻射，使其不易被紅外探測器發(fā)現(xiàn)并被紅外制導(dǎo)武器所摧毀，起到良好的隱身效果，提高了生存率。 碳/碳復(fù)合材料 碳/碳復(fù)合材料（c-c composite or carbon-carbon composite material）是碳纖維及其織物增強的碳基體復(fù)合材料。具有低密度 (2.0g/cm3)、高強度、高比模量、高導(dǎo)熱性、低膨脹系數(shù)、摩擦性能好，以及抗熱沖

14、擊性能好、尺寸穩(wěn)定性高等優(yōu)點，是如今在1650以上應(yīng)用的少數(shù)備選材料，最高理論溫度更高達(dá)2600，因此被認(rèn)為是最有發(fā)展前途的高溫材料之一。 C/C基復(fù)合材料，即碳纖維增強碳基本復(fù)合材料，它把碳的難熔性與碳纖維的高強度及高剛性結(jié)合于一體，使其呈現(xiàn)出非脆性破壞。由于它具有重量輕、高強度，優(yōu)越的熱穩(wěn)定性和極好的熱傳導(dǎo)性，是當(dāng)今最理想的耐高溫材料，特別是在 1000-1300的高溫環(huán)境下，它的強度不僅沒有下降，反而有所提高。是近年來最受重視的一種更耐高溫的新材料。最顯著的優(yōu)點是耐高溫（大約2200）和低密度，可使發(fā)動機大幅度減重，以提高推重比。 主要應(yīng)用位置：碳碳復(fù)合材料如果能夠解決表面以及界面在中溫時的氧化問題，并能在制備時提高致密化速度，并降低成本，則有望在航空發(fā)動機中得到大量的實際應(yīng)用。 智能復(fù)合材料 智能復(fù)合材料是一類基于仿生學(xué)概念發(fā)展起來的高新技術(shù)材料，集成了傳感器、信息處理器和功能驅(qū)動器等