2022年复合材料综述 .pdf

武汉理工大学复合材料研究新进展课程名称：复合材料制备新技术学院：材料学院班级：建材院委培生学号：姓名：吴帅复合材料是指由两种或两种以上不同物质以不同方式组合而成的材料，它可名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 7 页 -以发挥各组元材料的优点，克服单一组元的缺陷。复合材料按用途可分为结构复合材料和功能复合材料，根据基体种类可分为金属基复合材料、陶瓷基复合材料、聚合物基复合材料和炭基复合材料等，按增强（韧）相可分为颗粒增强、晶须增强或纤维增强复合材料。复合材料已广泛应用于航空航天、汽车、电子电气、建筑、体育器材、医疗器械等领域，近几年更是得到了突飞猛进的发展。1 复合材料领域的国际前沿热点及进展1.1 金属基复合材料金属基复合材料是包括颗粒、晶须、纤维增强金属基体的复合材料。金属基复合材料兼具金属与非金属的综合性能，材料的强韧性、耐磨性、耐热性、导电导热性及耐候性能适应广泛的工程要求，且比强度、比模量及耐热性超过基体金属，对航空航天等尖端领域的发展具有重要作用。在该类材料中，所用基体金属包括轻合金（铝、镁、钛）、高温合金与金属间化合物，以及钢、铜、锌、铅等；增强纤维包括炭（石墨）、碳化硅、硼、氧化铝、不锈钢及钨等纤维；增强颗粒包括碳化硅、氧化铝、氧化锆、硼化钛、碳化钛、碳化硼等；增强晶须包括碳化硅、氧化硅、硼酸铝、钛酸钾等。以上各种基体和增强体可组成大量金属基复合材料，但目前多数处于研发阶段，只有少数得到应用。如硼、石墨纤维增强铝（镁）用于卫星、航天飞机结构、空间望远镜部件，碳化硅纤维与颗粒增强钛合金用于大推比飞机压气机部件，颗粒增强铝基复合材料（PRA）广泛用于航空、航天及汽车、电子领域。在金属基复合材料中颗粒增强铝基复合材料最具发展潜力。该材料具有比强度和比模量高，耐磨性、阻尼性及导热性好，热膨胀系数小等优异性能。其主要应用领域一是航空、航天和军事领域，二是汽车、电子信息和高速机械等民用领域。发展目标是代替铝合金、钛合金、钢等用于制造高性能的构件，减重并提高性能和仪器精度。美国已从455mm 圆坯中挤压出182kg 重的SiCp/Al 型材，并轧制出尺寸为3050mm 1320mm 3mm 的板材，制造了火箭发动机、导弹和卫星上的零件1。加拿大 Cer-cast公司试制了 PRA 材料飞机用光学底座、万向支架等精密铸件及液压管、压气机涡壳和卫星反动轮，代替铝合金，减重并提高了使用性能。美国DWA 公司用 SiC 颗粒增强 6092 铝基复合材料代替铝合金，大规模用于F16 战斗机的垂直尾翼，提高寿命17倍；代替树脂基复合材料用于 B777 和 C-17Globemaster 的 P&W4000 发动机风扇出口导流叶片，名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 7 页 -大幅提高使用寿命并降低成本33%。美国 DWA 公司和英国 AMC 公司将 SiC/Al 批量用于 EC-120 和 EC-135 直升机旋翼系统，大幅提高构件刚度和寿命。这些关键结构件的成功应用说明美国和英国对这种材料的应用研究已相当成熟。研究发展电子器件封装用高导热、低热膨胀金属基复合材料是国际上金属基复合材料研究发展的最新动态之一。美国已研制成功了SiCp/Al、Sip/Al、C/Al 等高性能电子封装用复合材料，用于高功率密度、高集成密度的电子器件，成为解决电子器件迅速传热、散热问题的关键材料。针对正迅速发展的高集成度、高功率密度电子器件的需求，最近研究发展的电子封装复合材料有：碳化硅颗粒增强铝基复合材料（SiCp 含量为 60%75%）；超高模量、高导热性沥青石墨纤维（k1100）增强铝基、铜基复合材料及银基复合材料。这些材料的导热系数为120630W/（m k），热膨胀系数0.58 10-6K-12。电子器件用金属基复合材料使用性能要求高、用量大，将成为金属基复合材料最主要的发展方向之一。汽车、高速列车和高速机械用金属基复合材料是当前及今后另一个重要研究方向。铝基复合材料（如SiCp/Al）具有重量轻、导热性好和耐磨的特点，是一种新型的刹车盘、活塞、连杆材料，成为汽车及高速列车轻量化的关键新材料。美国 Ford 公司已研制成SiCp/Al 复合材料刹车盘，批量用于高级轿车Lincoln Town Car 上。德国一家公司成功研制了高速列车制动盘，运用在地铁和城郊列车上，取得了巨大的经济效益。此外，美国、英国等国家已经生产出SiCp 或 B4Cp增强铝基复合材料自行车，并在市场上销售。综观国际上 PRA 的研究与开发，不难看出，PRA 的大规模生产已经获得成功，只要进一步降低这种新材料的成本，提高性能、价格比，则这种复合材料不但将应用于航空、航天和军事领域，而且大规模商业应用也指日可待。1.2 陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料(CMC)的增韧材料主要有碳纤维（CF）、碳化硅纤维（SiCf）、玻璃纤维、氧化物纤维，以及碳化物和氧化物颗粒等，基体材料主要有氧化物陶瓷、碳化物陶瓷和氮化物陶瓷等。CMC 种类繁多，由于其“耐高温和低密度”特性优于金属和金属间化合物，因而美国、英国、法国、日本等发达国家一直把CMC 列为新一代航空发动机材料的发展重点，而连续纤维增韧的CMC 是重中之重。Cf/SiC、SiCf/SiC 和 SiCf/Al2O3等连续纤维增韧的CMC 具有耐高温、密名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 7 页 -度低、耐腐蚀、类似金属的断裂行为、对裂纹不敏感和没有灾难性损毁的特点。美国 NASA Lewis 研究中心制定高温发动机材料计划（HITEMP）明确发展连续纤维增韧的CMC，这一点在国际上已达成共识3。目前，Cf/SiC、SiCf/SiC 和SiCf/Al2O3等连续纤维增韧的CMC 已在推重比 910 一级的多种型号军用发动机和民用发动机中等载荷静止件上试验成功，主要试验应用的部位有燃烧室、燃烧室浮壁、涡轮外环、火焰稳定器和尾喷管（矢量喷管）调节片等。实践表明，航空发动机采用 CMC 构件大大节约了冷却气量，提高了工作温度，降低了结构重量并提高了使用寿命。美国、英国和法国在推重比520 发动机的研制中，CMC 更成为不可缺少的材料，应用部位显著增加，目前已进行了大批试验和应用。在 CMC 中，碳化硅陶瓷基复合材料还是一种新型制动材料。20 世纪 90 年代中期，为了满足高速列车、装甲车、重载卡车、高级轿车等安全行驶的需求，西方工业发达国家开始进行将碳化硅陶瓷基复合材料应用于制动领域的研究，现已经成为高性能制动材料的一个重要方向。2001 年波尔舍汽车公司生产出碳化硅陶瓷基复合材料陶瓷制动盘，与金属制动材料相比质量减轻了50%，而有效摩擦力提高 25%。英国 SAB Wabco 公司已经研制出了碳化硅陶瓷基复合材料制动闸瓦，试用于法国TGV-NG 高速列车。日本新干线正在试用碳化硅陶瓷基复合材料的制动闸瓦。2003年，美国国防部授权发表的面向21世纪国防需求的材料研究报告指出，到2020 年，CMC 的性能最有潜力获得20%25%的大幅提升，被列为优先发展的材料4。1.3 聚合物基复合材料聚合物基复材料（PMC）是以热固性或热塑性树脂为基体材料和另外不同组成、不同性质的短切的或连续纤维及其织物复合而成的多相材料。常用的增强纤维材料有玻璃纤维、碳纤维、高密度聚乙烯纤维等。聚合物基复合材料密度低、比强度高，耐腐蚀、减振性能好，模量高和热膨胀系数低，是一种高性能工程复合材料，广泛应用于汽车、航空航天和军事等领域。美国AV-8B 垂直起降飞机和 F-18 战斗机均采用了聚合物基复合材料，与采用传统材料相比，它们的质量分别减轻了27%和 10%。波音777 飞机上采用聚合物基复合材料用量达到9900kg，占结构总质量的 11%。聚合物基复合材料应用于汽车，可显著减轻汽车自重，降低油耗，提高汽车安全舒适性，降低汽车的制造与使用综合成本。另外名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 7 页 -聚合物基复合材料在交通、建筑、环保、体育用品等方面的应用也日趋广泛，已占复合材料用量的90%以上。在民用领域，某些功能性聚合物基复合材料具有防静电、抗菌除臭的效果，市场上出现的抗菌冰箱，无菌塑料餐具等便是这种技术的应用。2 我国复合材料的研究开发现状2.1 金属基复合材料我国结合国防军工及高技术发展的需要，已开展颗粒与纤维增强铝基、钛基、镁基、铁基、铜基等各类金属基复合材料的研发，已有较好的研究基础。颗粒增强 PRA 的研究已形成了自身的特色，不仅基础研究工作的深度和水平处于国际前列，研制的铝基复合材料的性能达到了国际先进水平，而且应用研究正在和国外应用研究接轨，并努力将材料推向实际应用。结合铝基复合材料的应用要求，我国还发展了复合材料的导热性、热膨胀性、磨擦磨损特性、疲劳特性、尺寸稳定性等应用基础研究，为铝基复合材料的实际应用打下了良好的基础。在铝基复合材料的复合和成形技术研究方面，已基本掌握了精密铸造、挤压成形、超塑成形、搅拌铸造、真空压力浸渍等技术，并达到了国际先进水平。在铸造法制备颗粒增强铝基复合材料的研究方面，我国已经解决了复合材料铸造成形中的一些缺点，如气孔、夹杂缺陷等，并可以浇注复杂的薄壁铸件，已经成功地浇注了近10 种 PRA 精密铸件，铸件的最大尺寸达到250mm，精铸件的质量达到普通铝合金精铸件的水平，制成了颗粒增强铝基复合材料飞机液压分油盖、卫星遥感镜身和镜盒，并获得了应用。火箭用延伸喷管动作筒的应用研究也取得了较大进展。一些民用品，如摩托车轮毂等，通过了试车5。在 PRA 制备工艺研究方面，已具备了批量生产40kg 容量 PRA 的能力，生产成本已降低到4050 元/kg，接近于普通铝合金的水平。然而，由于对RRA 研究的投资力度较小，我国与先进国家在应用基础研究和开发方面有一定差距，特别是PRA 关键承力结构件的研究与应用差距较大，制约了我国高技术的发展，有待加强。2.2 陶瓷基复合材料纤维增强的 CMC 一直是 CMC 研究的重点和热点，我国从20 世纪 90 年代初开始对 Cf/SiC、SiCf/SiC、Cf/LAS、SiCf/LAS、SiCf/LCAS 等高性能纤维增强名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 7 页 -CMC 进行重点研究，研究内容包括工艺、组成、显微结构、界面结构、力学性能和热处理等方面。在众多的 CMC 中，碳化硅陶瓷基复合材料因具有耐高温（可达3000）、低密度（比铝还轻）、韧性好（砸不烂）和可加工（大型复杂精密）等显著优点，成为航空、航天、能源、交通等领域发展不可缺少的一种新型热结构材料。国际上近 10 年才步入应用研究阶段，其制备技术一直受到西方发达国家的严密封锁。在交通制动领域，我国已形成了碳纤维预处理、化学气相沉积、熔融渗硅、热压成型、液相浸渍、原位反应等碳化硅陶瓷基制动材料的核心制备技术。在高等院校和应用单位的合作下，我国正逐步将碳化硅陶瓷基复合材料制动盘（闸片、滑撬）推广应用于直升机旋翼、磁悬浮列车、装甲车、高速列车、汽车等交通工具的制动系统，应用研究达到了国际领先水平。在航空航天领域，我国突破了航空航天用碳化硅陶瓷基复合材料制造与应用的关键技术，建立了具有自主知识产权的高性能、低成本制造工艺、制造设备和应用考核 3 个技术平台。材料综合性能居国际领先水平，多种构件在我国航空航天重点型号工程中获得应用。从而打破了国际技术封锁，使我国成为国际上少数能批量制备碳化硅陶瓷基复合材料构件的国家，产生了广泛的国际影响。走出了一条自主创新、跨越式发展国际前沿性材料的道路，有力地支撑了我国航空、航天器等武器装备的跨越式发展。总之，汽车工业、石油化工、建筑业及航空航天工业的发展，已经带动复合材料产业的形成，并正在走向面大量广的应用。同时，国家经济建设和国防建设的需求将有力地推动复合材料向高性能化、多功能化发展，逐步形成“结构功能”一体化的新一代复合材料。参考文献：1吴人洁.2000.复合材料.天津:天津大学出版社。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 7 页 -2丁永涛,王志,殷敬华.2005.高分子复合材料研究新进展.郑州:黄河水利出版社。3包蕾，姜继森.2005.磁性微粒 导电高分子纳米复合材料的研究进展.材料科学与工程学报,23(6):925928。4Kim H S,Sohn B H,Lee W,et al.2002.Multifunctional layer-by-layer self-assembly of conducting polymers and magnetic nanoparticles.Thin Solid Films,419:173177。5李成功,傅恒志,于翘等.2000.航空航天材料.北京:国防工业出版社。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 7 页，共 7 页 -