复合材料的最新研究进展.pdf

http:/ 复合材料的最新研究进展 季益萍1,杨云辉21天津工业大学先进纺织复合材料天津市重点实验室 2天津工业大学计算机技术与自动化学院,（300160） 摘摘 要：要：本文主要介绍了当前复合材料的最新发展情况，主要集中在复合材料的增强纤维、加工技术、智能材料和非破坏性检测技术等方面。希望能抛砖引玉，激发研究人员更有价值的创意。关键词：关键词：复合材料，最新进展 1.引言引言 人类社会正面临着诸多的问题和需求，如矿物能源、资源的枯竭、环境问题、信息技术以及生活质量等，这推动了复合材料的发展，也促进了各种高新技术的发展。但目前人们已不仅仅局限于新材料的创造、发现和应用上，科学研究已进入一个各种材料综合使用的新阶段，即向着按预定的性能或功能设计新材料的方向发展。并且，在复合材料性能取得飞速发展的同时，其应用领域不断拓宽，性能持续优化，加工工艺不断改善，成本不断降低。复合材料的独特之处在于其可提供单一材料难以拥有的性能，其最大的优势是赋予材料可剪切性，从而优化设计每个特定技术要求的产品，最大限度地保证产品的可靠性、减轻重量和降低成本。近年以来，复合材料在加工领域中取得了一系列重要的进展，由于计算机辅助设计工具的介入和先进加工技术的开发，使复合材料的市场竞争力有了很大的提高，应用领域不断扩大，除用于结构复合材料外，还大量的进入了功能材料市场。我们观察到，复合材料的发展趋势是1：（1）进一步提高结构型先进复合材料的性能；（2）深入了解和控制复合材料的界面问题；（3）建立健全复合材料的复合材料力学；（4）复合材料结构设计的智能化；（5）加强功能复合材料的研究。近年来，复合材料在增强纤维、加工技术、智能材料和非破坏性检测技术等方面研究较多，并且不断有新的市场应用，能够代表复合材料的最新发展方向。2.增强纤维环保化2 目前，增强纤维的发展趋势主要是强度、模量和断裂伸长的提高。但随着全球环保意识的风行，复合材料产品也逐渐受到环保方面要求的压力，尤其欧洲地区已有相关规定，热固性复材产品由于无法回收再利用而不易销往欧洲。在树脂之外，复材产品中的增强纤维迄今绝大部分都是无法回收再利用的，包括玻璃纤维、碳纤维、芳纶等，全都是如此。最近有一种新型增强纤维玄武岩纤维(Basalt Filament)，是由火山岩石所提炼而成的，堪称 100%天然且环保，预期在不久的未来，将会取代相当比例的各种纤维，而加入复合-1-http:/ 材料产品中。在我国，黄麻等天然纤维增强复合材料也正在研究之中，这类纤维不仅环保，而且可循环利用。3.加工技术高效化加工技术高效化2 降低加工成本对复合材料的应用起着十分重要的作用。当前树脂转注成型(Resin Transfer Molding,RTM)系列技术的盛行，就是因为可以大幅降低模具与制作的成本。一般而言，复材产品的制造成本主要取决于模具技术与加工技术两个主要项目，因此在发展平价复材产品的过程中，模具与制程是研发改进的重点。在制造复材产品所使用的模具方面，须同时兼顾精确、耐用、低成本、加工容易等要求。Materia Inc.公司发展出一种新型高分子材料，可以快速成型成模具，在收缩率、硬度和耐热各方面都有很适合的平衡性质。同时也或视需要采用金属粉作为补强，包括铝、铜或钨，以提高硬度与耐热性。这种模具材料结合了热塑性树脂的韧性与耐久性，热固性树脂的简易成型(低粘度)与耐高温性、以及氟系树脂的化学安定性，所以特别适合作为模具材料。另外，针对大型零件一次成型，或是原型件制作，采用发泡材(Syntactic Foam)也可促成快速经济的制程，包括可调整的宽度，耐热性，以及简易加工性。此种发泡复材中经由添加玻璃粉、塑胶、陶瓷或金属涂布的球体，可达到各种不同的密度与耐温性质。在复材制程改良方面，针对复材制程中的加压技术，Torr Technology lnc.，约在 10 年前即发展出可重覆使用的抽真空加压装置，而最近在此方面又有新的发展。一种经由抽气可定型而密封于模具表面的加压模袋，在平常呈现柔软的皮袋状，可平顺地伏贴在具有立体模线的模具上，但在抽气之后，即成为坚硬的适形外压模，可以顺利地压在模具外侧，如此即经济有效地进行复材加压硬化，而达到降低复材制作成本的目标。4.功能性功能性/智能复合材料多样化智能复合材料多样化 当前，采用较多的 6 种生产功能性或智能复合材料的技术为：纤维及微粒的复合；变层功能膜的组合；多孔絮材料的组装和梯度材料模型；纳米材料组装；分子(原子)团簇材料智能化；功能超分子器件组装3。用这些技术开发的产品涉及众多领域。随着现代科技的进步，人们对环境舒适性的要求也日益提高，因而具有吸音减振功能的蜂巢芯材料三明治结构愈来愈受到重视。这种材料质量轻且高强度高刚性，并能显著降低办公、居家环境以及各类交通载具的噪音与振动。Pratt&Whitney Autoair Inc.生产的引擎外罩结构，采用铝蜂巢制作，且在蜂巢夹芯面板上钻孔，以发挥吸音的效果。一般而言，蜂巢面板上的钻孔径愈小，愈适合吸收高频的声波。此种利用蜂巢结构配合面板钻孔而达到吸音效果的技术，预计也可应用在其他运输载具如船舶游艇的隔舱，或是飞机隔舱，以及建筑结构体等。另一项吸音制振的新技术，是采用塑胶(如聚丙烯)蜂巢，据闻已有用在游艇上作为隔间，以促进减振隔音的效果。由于聚丙烯不易接着，通常在此塑胶蜂巢上附加一层聚酯薄纱，塑胶蜂巢材料除了吸音减振之外，还可提供许多特殊功能，包括隔热、电磁遮蔽(Electromagnetic Insulation,EMI)，耐化学性、防水、空气与流体之导引、可回收再制，以及可以加热成型等。-2-http:/ 另外，使用蜂巢芯时将蜂巢切割为金字塔形也有助于增强吸音效果。同时，制作三明治结构的芯材不只有蜂巢，另有发泡材，包括聚胺基甲酸酯(Polyurethane,PU)，聚酰亚胺(Polyimide,PI)等发泡材，以及巴沙木(Balsa)等，都可以提供不同品质特性/价格的三明治结构选材2。功能性复合材料在其它领域也有新发明。美国某大学的研究人员开发成功一种能自修复的环氧树脂复合材料，这种材料包括两种关键的额外组分：含 DCDP（聚合形成环氧树脂的单体）的玻璃微球；促进聚合的一种催化剂。当元件形成裂纹时，一些微球破裂并释放出DCDP 液体。随着它在裂纹中流动，它与催化剂接触，聚合成固态的树脂。研究人员称，这种材料在修复困难或不可能修复的应用中（如在外太空或植入的医疗设备）具有潜在的用途，为更长使用寿命的元件开辟了广阔的前景。另外，他们也开发出了适合航天员在空间站使用的复合材料新型土壤，这为在太空生产生命所需的有机食品提供了保障。在医学领域，瑞士科学家开发出一种可替代断裂骨骼的人造骨复合材料，它能够让骨质细胞迅速生长、自身却随着骨质细胞的不断成熟而“溶解”，并最终让路给发育好的新骨骼。5.检测技术成型化检测技术成型化 复合材料的非破坏检测技术，一直是复合材料结构件发展的关键之一。近期美国 Laser Technology Inc.研发出一套激光检测装置，可快速有效地找出复材表面的缺陷如凹陷、脱层等。其操作过程是先用热风机吹过待测物的表面，使温度升高，接着以激光摄影机扫描待测物表面，根据散热速率(或温度分布)的差异，而在萤幕上显示出缺陷所在位置。随着复材技术的演进，大型复材结构的厚度正不断增加，尤其是军用结构的厚度往往可以超过 2.54 cm 以上。针对如此厚的零件，如何在制作中避免在内部成气泡等缺陷，同时又要加快制作速率，发挥经济效益，确实对工程人员的创新能力是一项极大的挑战2。6.前景展望前景展望 品种繁多的复合材料具有诸如轻质、高强度、高刚度、高导热、低膨胀系数、高阻尼、透光和耐腐蚀性强等性能，使之得到了越来越广的应用。现主要应用于航空航天、交通运输、基础结构(建筑)、船舶、电子电气、办公设备以及消费品等领域。到 2003 年，复合材料的世界总产量约达到 580 万吨，产值将近 1682 亿美元。其中先进复合材料仅占其总量的 1%，而价值比例却占到 7%，接近 118 亿美元，经济效益十分诱人。并且目前的先进材料市场，已经从过去的性能导向也就是不计一切成本追求最高性能，改为对价格与平价的重视。我们可以看到，复合材料的应用也不再限于航空航天领域，而已被拓展到了清洁能源车辆、土木建筑工程、近海油田勘探和生产、风力发电机大型叶片、高尔夫球杆和球拍等日常生活用品方面。今后，复合材料构件若能一次成型和避免零件加工，装配和维护可使最终系统的价格有望低于普通材料。影响复合材料使用和开发的因素还将包括集成化设计和制造、系统的成本分析方法、交叉学科研究和生产、教育和培训、标准的制定以及设计和制造自动化等。在未来的市场中，加值服务也必将占有极要的地位，也就是在材料与技术之外提供整套的服务，整个工具组出售(例如已经完成加工成型的蜂巢材料工具组，客户不需要再额外对蜂巢加-3-http:/ 工)、后勤维修服务等。理想的状态是，我们所提供的服务或产品，能够有效地为客户提供加值、赚钱的机会。在材料选用方面，除了性能与价格之外，储存条件、储存成本、加工条件、零件全寿期成本等项目，均受到极高的重视。另外，纳米级航空材料由于同时具有优异的机械、热传导、电磁效应等的多功能材料，未来将有极大的发展与应用潜力，包括以防腐蚀、耐燃与耐磨耗的纳米结构涂层、纳米碳管/高分子基材复合材料、纳米分层材料与轻量化耐热合金为主的纳米构造材料等2。相信在广大科学和技术人员的共同努力下，复合材料在各领域的应用将取得切实的进展。参考文献 1 刘海林等，材料进展复合材料篇，五金科技,2005,5,pp37 2 沈贤，复合材料进展的回顾与前瞻，高科技纤维与应用,2004,12,pp39-42 3 张建春，复合材料的最新进展与应用,新纺织,2003,4,pp24-27 Newest Progress in Research of Composite Material Ji Yiping 1,Yang Yunhui 2 1.Tianjin Key Laboratory of Advanced Textile Composite Materials,Tianjin Polytechnic University(300160)2.School of Computer Technology and Automation，Tianjin Polytechnic University(300160)Abstract Newest progress in research of composite material is summarized.Main focuses are put on reinforced fibers,processing technologies,smart materials and non-destructive detecting technologies,etc.Hopefully,all these provide references for our researchers to further develop new products.Keywords:composite material,newest progress -4-