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複合材料的應用
日期：2024-09-01 10:17
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摘要：
複合材料的應用
複合材料是指由兩種或兩種以上不同物質(zhì)以不同方式組合而成的材料，它可以發(fā)揮各種材料的優(yōu)點，克服單一材料的缺陷，擴大材料的應用範圍。由於複合材料具有重量輕、強度高、加工成型方便、彈性優(yōu)良、耐化學腐蝕和耐候性好等特點，已逐步取代木材及金屬合金，廣泛應用於航空航天、汽車、電子電氣、建築、健身器材等領(lǐng)域，在近幾年更是得到了飛速發(fā)展。隨著科技的發(fā)展，樹脂與玻璃纖維在技術(shù)上不斷進步，生產(chǎn)廠家的製造能力普遍提高，使得玻纖增強複合材料的價格成本已被許多行業(yè)接受，但玻纖增強複合材料的強度尚不足以和金屬匹敵。因此，碳纖維、硼纖維等增強複合材料相繼問世，使高分子複合材料家族更加完備，已經(jīng)成為眾多產(chǎn)業(yè)的必備材料。目前全**複合材料的年產(chǎn)量已達550多萬噸，年產(chǎn)值達1300億美元以上，若將歐、美的**航空航天的高價值產(chǎn)品計入，其產(chǎn)值將更為驚人。從**範圍看，**複合材料的生產(chǎn)主要集中在歐美和東亞地區(qū)。近幾年歐美複合材料產(chǎn)需均持續(xù)增長，而亞洲的日本則因經(jīng)濟不景氣，發(fā)展較為緩慢，但中國尤其是中國內(nèi)地的市場發(fā)展迅速。據(jù)**主要複合材料生產(chǎn)商PPG公司統(tǒng)計，2000年歐洲的複合材料**占有率約為32%，年產(chǎn)量約200萬噸。與此同時，美國複合材料在20世紀90年代年均增長率約為美國GDP增長率的2倍，達到4%~6%。2000年，美國複合材料的年產(chǎn)量達170萬噸左右。特彆是汽車用複合材料的迅速增加使得美國汽車在**市場上重新崛起。亞洲近幾年複合材料的發(fā)展情況與政治經(jīng)濟的整體變化密切相關(guān)，各國的占有率變化很大。總體而言，亞洲的複合材料仍將繼續(xù)增長，2000年的總產(chǎn)量約為145萬噸，預計2005年總產(chǎn)量將達180萬噸。
從應用上看，複合材料在美國和歐洲主要用於航空航天、汽車等行業(yè)。2000年美國汽車零件的複合材料用量達14.8萬噸，歐洲汽車複合材料用量到2003年估計可達10.5萬噸。而在日本，複合材料主要用於住宅建設(shè)，如衛(wèi)浴設(shè)備等，此類產(chǎn)品在2000年的用量達7.5萬噸，汽車等領(lǐng)域的用量僅為2.4萬噸。不過從**範圍看，汽車工業(yè)是複合材料*大的用戶，今後發(fā)展?jié)摿θ允志薮?，目前還有許多新技術(shù)正在開發(fā)中。例如，為降低發(fā)動機噪聲，增加轎車的舒適性，正著力開發(fā)兩層冷軋板間粘附熱塑性樹脂的減振鋼板；為滿足發(fā)動機向高速、增壓、高負荷方向發(fā)展的要求，發(fā)動機活塞、連桿、軸瓦已開始應用金屬基複合材料。為滿足汽車輕量化要求，必將會有越來越多的新型複合材料將被應用到汽車製造業(yè)中。與此同時，隨著近年來人們對*問題的日益重視，高分子複合材料取代木材方麵的應用也得到了進一步推廣。例如，用植物纖維與廢塑料加工而成的複合材料，在北美已被大量用作托盤和包裝箱，用以替代木製產(chǎn)品；而可降解複合材料也成為國內(nèi)外開發(fā)研究的重點。
另外，納米技術(shù)逐漸引起人們的關(guān)注，納米複合材料的研究開發(fā)也成為新的熱點。以納米改性塑料，可使塑料的聚集態(tài)及結(jié)晶形態(tài)發(fā)生改變，從而使之具有新的性能，在克服傳統(tǒng)材料剛性與韌性難以相容的矛盾的同時，大大提高了材料的綜合性能。
樹脂基複合材料的增強材料
樹脂基複合材料采用的增強材料主要有玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維等。
1、玻璃纖維
目前用於高性能複合材料的玻璃纖維主要有高強度玻璃纖維、石英玻璃纖維和高矽氧玻璃纖維等。由於高強度玻璃纖維性價比較高，因此增長率也比較快，年增長率達到10%以上。高強度玻璃纖維複合材料不僅應用在**方麵，近年來民用產(chǎn)品也有廣泛應用，如防彈頭盔、防彈服、直升飛機機翼、預警機雷達罩、各種高壓壓力容器、民用飛機直板、體育用品、各類耐高溫製品以及近期報道的性能優(yōu)異的輪胎簾子線等。石英玻璃纖維及高矽氧玻璃纖維屬於耐高溫的玻璃纖維，是比較理想的耐熱防火材料，用其增強酚醛樹脂可製成各種結(jié)構(gòu)的耐高溫、耐燒蝕的複合材料部件，大量應用於火箭、導彈的防熱材料。迄今為止，我國已經(jīng)實用化的高性能樹脂基複合材料用的碳纖維、芳綸纖維、高強度玻璃纖維三大增強纖維中，隻有高強度玻璃纖維已達到****水平，且擁有自主知識產(chǎn)權(quán)，形成了小規(guī)模的產(chǎn)業(yè)，現(xiàn)階段年產(chǎn)可達500噸。
2、碳纖維
碳纖維具有強度高、模量高、耐高溫、導電等一係列性能，首先在航空航天領(lǐng)域得到廣泛應用，近年來在運動器具和體育用品方麵也廣泛采用。據(jù)預測，土木建築、交通運輸、汽車、能源等領(lǐng)域?qū)笠?guī)模采用工業(yè)級碳纖維。1997~2000年間，宇航用碳纖維的年增長率估計為31%，而工業(yè)用碳纖維的年增長率估計會達到130%。我國的碳纖維總體水平還比較低，相當於國外七十年代中、末期水平，與國外差距達20年左右。國產(chǎn)碳纖維的主要問題是性能不太穩(wěn)定且離散係數(shù)大、無高性能碳纖維、品種單一、規(guī)格不全、連續(xù)長度不夠、未經(jīng)表麵處理、價格偏高等。
3、芳綸纖維
20世紀80年代以來，荷蘭、日本、前蘇聯(lián)也先後開展了芳綸纖維的研製開發(fā)工作。日本及俄羅斯的芳綸纖維已投入市場，年增長速度也達到20%左右。芳綸纖維比強度、比模量較高，因此被廣泛應用於航空航天領(lǐng)域的高性能複合材料零部件（如火箭發(fā)動機殼體、飛機發(fā)動機艙、整流罩、方向舵等）、艦船（如航空母艦、核潛艇、遊艇、救生艇等）、汽車（如輪胎簾子線、高壓軟管、摩擦材料、高壓氣瓶等）以及耐熱運輸帶、體育運動器材等。
4、超高分子量聚乙烯纖維
超高分子量聚乙烯纖維的比強度在各種纖維中位居**，尤其是它的抗化學試劑侵蝕性能和抗老化性能優(yōu)良。它還具有優(yōu)良的高頻聲納透過性和耐海水腐蝕性，許多國家已用它來製造艦艇的高頻聲納導流罩，大大提高了艦艇的探雷、掃雷能力。除在**領(lǐng)域，在汽車製造、船舶製造、*療器械、體育運動器材等領(lǐng)域超高分子量聚乙烯纖維也有廣闊的應用前景。該纖維一經(jīng)問世就引起了**發(fā)達國家的極大興趣和重視。
5、熱固性樹脂基複合材料
熱固性樹脂基複合材料是指以熱固性樹脂如不飽和聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、乙烯基酯樹脂等為基體，以玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維等為增強材料製成的複合材料。環(huán)氧樹脂的特點是具有優(yōu)良的化學穩(wěn)定性、電絕緣性、耐腐蝕性、良好的粘接性能和較高的機械強度，廣泛應用於化工、輕工、機械、電子、水利、交通、汽車、家電和宇航等各個領(lǐng)域。1993年**環(huán)氧樹脂生產(chǎn)能力為130萬噸，1996年遞增到143萬噸，1997年為148萬噸，1999年150萬噸，2003年達到180萬噸左右。我國從1975年開始研究環(huán)氧樹脂，據(jù)不完全統(tǒng)計，目前我國環(huán)氧樹脂生產(chǎn)企業(yè)約有170多家，總生產(chǎn)能力為50多萬噸，設(shè)備利用率為80%左右。酚醛樹脂具有耐熱性、耐磨擦性、機械強度高、電絕緣性優(yōu)異、低發(fā)煙性和耐酸性優(yōu)異等特點，因而在複合材料產(chǎn)業(yè)的各個領(lǐng)域得到廣泛的應用。1997年**酚醛樹脂的產(chǎn)量為300萬噸，其中美國為164萬噸。我國的產(chǎn)量為18萬噸，進口4萬噸。乙烯基酯樹脂是20世紀60年代發(fā)展起來的一類新型熱固性樹脂，其特點是耐腐蝕性好，耐溶劑性好，機械強度高，延伸率大，與金屬、塑料、混凝土等材料的粘結(jié)性能好，耐疲勞性能好，電性能佳，耐熱老化，固化收縮率低，可常溫固化也可加熱固化。南京金陵帝斯曼樹脂有限公司引進荷蘭Atlac係列強耐腐蝕性乙烯基酯樹脂，已廣泛用於貯罐、容器、管道等，有的品種還能用於防水和熱壓成型。南京聚隆複合材料有限公司、上海新華樹脂廠、南通明佳聚合物有限公司等廠家也生產(chǎn)乙烯基酯樹脂。
1971年以前我國的熱固性樹脂基複合材料工業(yè)主要是**產(chǎn)品，70年代後開始轉(zhuǎn)向民用。從1987年起，各地大量引進國外**技術(shù)如池窯拉絲、短切氈、表麵氈生產(chǎn)線及各種牌號的聚酯樹脂（美、德、荷、英、意、日）和環(huán)氧樹脂（日、德）生產(chǎn)技術(shù)；在成型工藝方麵，引進了纏繞管、罐生產(chǎn)線、拉擠工藝生產(chǎn)線、SMC生產(chǎn)線、連續(xù)製板機組、樹脂傳遞模塑(RTM)成型機、噴射成型技術(shù)、樹脂注射成型技術(shù)及漁竿生產(chǎn)線等，形成了從研究、設(shè)計、生產(chǎn)及原材料配套的完整的工業(yè)體係，截止2000年底，我國熱固性樹脂基複合材料生產(chǎn)企業(yè)達3000多家，已有51家通過ISO9000質(zhì)量體係認證，產(chǎn)品品種3000多種，總產(chǎn)量達73萬噸/年，居****位。產(chǎn)品主要用於建築、防腐、輕工、交通運輸、造船等工業(yè)領(lǐng)域。在建築方麵，有內(nèi)外牆板、透明瓦、冷卻塔、空調(diào)罩、風機、玻璃鋼水箱、衛(wèi)生潔具、淨化槽等；在石油化工方麵，主要用於管道及貯罐；在交通運輸方麵，汽車上主要有車身、引擎蓋、保險杠等配件，火車上有車廂板、門窗、座椅等，船艇方麵主要有氣墊船、救生艇、偵察艇、漁船等；在機械及電器領(lǐng)域如屋頂風機、軸流風機、電纜橋架、絕緣棒、集成電路板等產(chǎn)品都具有相當?shù)囊?guī)模；在航空航天及**領(lǐng)域，輕型飛機、尾翼、衛(wèi)星天線、火箭噴管、防彈板、防彈衣、魚雷等都取得了重大突破。
熱塑性樹脂基複合材料
熱塑性樹脂基複合材料是20世紀80年代發(fā)展起來的，主要有長纖維增強粒料(LFP)、連續(xù)纖維增強預浸帶(MITT)和玻璃纖維氈增強型熱塑性複合材料(GMT)。根據(jù)使用要求不同，樹脂基體主要有PP、PE、PA、PBT、PEI、PC、PES、PEEK、PI、PAI等熱塑性工程塑料，纖維種類包括玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維和硼纖維等一切可能的纖維品種。隨著熱塑性樹脂基複合材料技術(shù)的不斷成熟以及可回收利用的優(yōu)勢，該品種的複合材料發(fā)展較快，歐美發(fā)達國家熱塑性樹脂基複合材料已經(jīng)占到樹脂基複合材料總量的30%以上。
高性能熱塑性樹脂基複合材料以注射件居多，基體以PP、PA為主。產(chǎn)品有管件（彎頭、三通、法蘭）、閥門、葉輪、軸承、電器及汽車零件、擠出成型管道、GMT模壓製品（如吉普車座椅支架）、汽車踏板、座椅等。玻璃纖維增強聚丙烯在汽車中的應用包括通風和供暖係統(tǒng)、空氣過濾器外殼、變速箱蓋、座椅架、擋泥板墊片、傳動皮帶保護罩等。
滑石粉填充的PP具有高剛性、高強度、極好的耐熱老化性能及耐寒性?；墼鰪奝P在車內(nèi)裝飾方麵有著重要的應用，如用作通風係統(tǒng)零部件，儀表盤和自動剎車控製杠等，例如美國HPM公司用20%滑石粉填充PP製成的蜂窩狀結(jié)構(gòu)的吸音天花板和轎車的搖窗升降器卷繩筒外殼。
雲(yún)母複合材料具有高剛性、高熱變形溫度、低收縮率、低撓曲性、尺寸穩(wěn)定以及低密度、低價格等特點，利用雲(yún)母/聚丙烯複合材料可製作汽車儀表盤、前燈保護圈、擋板罩、車門護欄、電機風扇、百葉窗等部件，利用該材料的阻尼性可製作音響零件，利用其屏蔽性可製作蓄電池箱等。
我國的熱塑性樹脂基複合材料的研究開始於20世紀80年代末期，近十年來取得了快速發(fā)展，2000年產(chǎn)量達到12萬噸，約占樹脂基複合材料總產(chǎn)量的17%，，所用的基體材料仍以PP、PA為主，增強材料以玻璃纖維為主，少量為碳纖維，在熱塑性複合材料方麵未能有重大突破，與發(fā)達國家尚有差距。
我國複合材料的發(fā)展?jié)摿蜔狳c
我國複合材料發(fā)展?jié)摿艽螅毺幚砗靡韵聼狳c問題。
1、複合材料**
複合材料**包括複合材料的技術(shù)發(fā)展、複合材料的工藝發(fā)展、複合材料的產(chǎn)品發(fā)展和複合材料的應用，具體要抓住樹脂基體發(fā)展**、增強材料發(fā)展**、生產(chǎn)工藝發(fā)展**和產(chǎn)品應用發(fā)展**。到2007年，亞洲占**複合材料總銷售量的比例將從18%增加到25%，目前亞洲人均消費量僅為0.29kg，而美國為6.8kg，亞洲地區(qū)具有極大的增長潛力。
2、聚丙烯腈基纖維發(fā)展
我國碳纖維工業(yè)發(fā)展緩慢，從CF發(fā)展回顧、特點、國內(nèi)碳纖維發(fā)展過程、中國PAN基CF市場概況、特點、“十五”科技攻關(guān)情況看，發(fā)展聚丙烯腈基纖維既有需要也有可能。
3、玻璃纖維結(jié)構(gòu)調(diào)整
我國玻璃纖維70%以上用於增強基材，在**市場上具有成本優(yōu)勢，但在品種規(guī)格和質(zhì)量上與**國家尚有差距，必須改進和發(fā)展紗類、機織物、無紡氈、編織物、縫編織物、複合氈，推進玻纖與玻鋼兩行業(yè)密切合作，促進玻璃纖維增強材料的新發(fā)展。
4、開發(fā)能源、交通用複合材料市場
一是清潔、可再生能源用複合材料，包括風力發(fā)電用複合材料、煙氣脫硫裝置用複合材料、輸變電設(shè)備用複合材料和天然氣、氫氣高壓容器；二是汽車、城市軌道交通用複合材料，包括汽車車身、構(gòu)架和車體外覆蓋件，軌道交通車體、車門、座椅、電纜槽、電纜架、格柵、電器箱等；三是民航客機用複合材料，主要為碳纖維複合材料。熱塑性複合材料約占10%，主要產(chǎn)品為機翼部件、垂直尾翼、機頭罩等。我國未來20年間需新增支線飛機661架，將形成民航客機的大產(chǎn)業(yè)，複合材料可建成新產(chǎn)業(yè)與之相配套；四是船艇用複合材料，主要為遊艇和漁船，遊艇作為**娛樂耐用消費品在歐美有很大市場，由於我國魚類資源的減少、漁船雖發(fā)展緩慢，但複合材料特有的優(yōu)點仍有發(fā)展的空間。
5、纖維複合材料基礎(chǔ)設(shè)施應用
國內(nèi)外複合材料在橋梁、房屋、道路中的基礎(chǔ)應用廣泛，與傳統(tǒng)材料相比有很多優(yōu)點，特彆是在橋梁上和在房屋補強、隧道工程以及大型儲倉修補和加固中市場廣闊。
6、複合材料綜合處理與再生
重點發(fā)展物理回收（粉碎回收）、化學回收（熱裂解）和能量回收，加強技術(shù)路線、綜合處理技術(shù)研究，示範生產(chǎn)線建設(shè)，再生利用研究，大力拓展再生利用材料在石膏中的應用、在拉擠製品中的應用以及在SMC/BMC模壓製品中的應用和典型產(chǎn)品中的應用。
21世紀的高性能樹脂基複合材料技術(shù)是賦予複合材料自修複性、自分解性、自診斷性、自製功能等為一體的智能化材料。以開發(fā)高剛度、高強度、高濕熱環(huán)境下使用的複合材料為重點，構(gòu)築材?%9
