探討復合材料的起源及發展應用領域論文
摘要：復合材料在性能上互相取長補短, 產生協同效應, 尤其是先進復合材料, 基體較一般復合材料得到了一定的增強, 其剛度和強度性能相當于或超過鋁合金。先進復合材料在聚集了一般復合材料的優點之外, 對于一定的領域, 又有一些針對性的優點, 比如無人機的隱蔽性、太陽能材料的導熱性等等;無論是醫療衛生領域, 還是交通工具領域, 又或者建筑領域, 即使環顧整個我們能想到的領域, 無一不出現先進復合材料的“身影”。
關鍵詞：先進復合材料; 隱蔽性; 優點;
1 復合材料的起源及發展
1.1 復合材料的起源
復合材料的起源可以追溯到上古時期, 在距今七千多年的半坡遺址中, 我們曾發現其建筑材料是使用最古老的復合材料———草摻和泥巴制成的;而在一個三千多年前的商朝遺址中, 曾出土了一批色彩絢麗的漆器, 其所用的漆就是生漆, 是一種多年生喬木漆樹分泌的樹汁, 具有耐熱、耐磨、耐溶劑、耐酸、絕緣性好等特性。莊子曾做過漆國吏, 說明當時漆器制造工藝已經有了很高的水平, 還得派遣專人管理;在湖北出土的戰國時期的一個曾侯乙墓中, 發現了一種長桿兵器, 它是由木棒、竹絲、生漆等組成, 經過干燥之后成型的;即使中國引以為豪的長城也是由糯米和石灰做砂漿粘合的基石組成的;秦磚漢瓦是在黏土中添加了一些天然纖維組成的;在魏晉南朝時佛教盛行, 而每座寺院中供奉的大佛是由麻纖維涂以生漆, 不斷干燥不斷重復, 幾次之后, 在泥像外面形成了一層生漆與纖維復合的佛像。
由此可看出, 復合材料在我國古代就已經有了很高的水平, 即使現在有些都已經被樹脂代替, 但其在推動我國材料發展方面所起到的作用卻是無可替代的。
1.2 復合材料的發展
隨著社會的發展, 復合材料的合成品越來越多, 使用的工藝也越來越先進, 人們開發了一批如碳纖維、碳化硅纖維、氧化鋁纖維等高性能增強材料, 并使用高性能樹脂、金屬與陶瓷為基體制成先進復合材料, 在復合材料的基礎上得以改進的先進復合材料有了更大的應用領域。比如美國的里爾芳2100號就使用碳纖維復合材料來制作;哥倫比亞號航天飛機的主艙門選擇了碳纖維/環氧樹脂、壓力容器采用了凱芙拉纖維/環氧樹脂;樹脂、金屬作為工作物質, 陶瓷做基體來制作航天收音機幾乎彰顯了很尖端的航天技術;可載80人的波音-767大型客運飛機主承力器件也是用到先進復合材料[1]。
節能、環保是當今社會發展的一大主流, 為了支持相應的節能產品和環保產品的盛行, 先進復合材料又是不可缺少的。比如新能源油頁巖氣及油砂要在市場上流通, 其容納裝置卻是非先進復合材料莫屬了, 所以三菱麗陽公司最近開發了適用于高壓容器的PAN基碳纖維“Grafil 37-800”作為容納裝置。
對于航天領域的制作材料而言, 又需要先進復合材料的輕量化來滿足[2]。由此可見, 先進復合材料將在高端到低端各行各業大放異彩。
2 先進復合材料的工藝
2.1 制作工藝
主要制作工藝包括熱壓罐固化技術、自動鋪帶技術、熱隔膜輔助成型技術、拉擠成型技術、復合材料液體成型技術[3]等。
(1) 熱壓罐固化技術。熱壓罐固化技術是航空復合材料固件的主要工藝流程技術, 其制作的產品纖維體積高、力學性能可靠, 但其能耗和成本偏高, 是這一工藝目前尚未普及的主要原因。
(2) 非熱壓罐固化技術。主要包括干纖維樹脂浸漬工藝、電子束固化技術、非熱壓罐預浸染技術等, 因為不需要用到熱壓罐, 所以比熱壓罐工藝綜合成本效益高很多, UAC就使用該技術制造的MS-21機翼的主承力部件, 他們放棄了熱壓罐給他們帶來了更少的經費支出和更少的能量消耗。
(3) 自動鋪帶技術。隨著復合材料的應用面越來越廣, 人工鋪設、裁剪、定位、壓實等等越來越困難, 20世紀60年代, 自動鋪設技術在美國初現雛形, 80年代的時候, 已經大范圍地使用在商業、航通、交通等技術領域, 它不但具有預浸帶裁剪、鋪設、壓實等功能, 而且還加了質量測量、溫度控制、濕度控制等測試調整。
(4) 熱隔膜輔助成型技術。曲面件之前都是采用人工鋪層, 但是不光效率慢, 且壓實不好, 纖維還容易起褶皺;機械鋪層目前也只是用于平面鋪層或簡單曲面鋪層, 對類似鈑金折彎件、引伸件和壓延件則難度很大甚至無法實現, 所以就要使用熱隔膜輔助成型技術, 即將預浸的復合材料層壓后放置于模具上, 通過一種特制隔膜的輔助作用經過抽真空和加熱等方法, 將層壓件壓向模具, 形成所需形狀[4]。
(5) 拉擠成型技術。為使纖維呈縱向分布, 且質量穩定, 拉擠成型技術應運而生, 這項技術不光能兼顧前面所提出的條件, 還可以精確的控制樹脂/纖維的含量。此項技術在美國興起之后, 迅速蔓延開來, 席卷全球, 我國從引進技術開始, 逐漸自主創新, 大規模生產, 到2013年為止, 我國拉擠制品產量約達28萬t, 約占全球總產量的50%[5]。
(6) 復合材料液體成型技術。將金屬融化成液體, 將其通過模具澆鑄成想要的毛坯或零件, 這個過程稱之為復合材料液體成型技術。液態成型工藝里程碑式的成果是2014年俄羅斯研制成功的M S-21單通道客機。該客機采用液體工藝成型制造機翼主承力件, 將促進復合材料構件制造從熱壓罐成型向液體成型的變革[3]。
(7) 熔融共混技術。熔融共混是將共混所需的聚合物組分在它們的黏流溫度以上用混煉設備制取均勻聚合物共熔體, 然后再冷卻、粉碎或造粒的方法。設備主要有雙輥混煉機、密閉式混煉機、擠出機等。該法的優點是熔融狀態下, 異種聚合物分子之間打散和對流激化, 混合效果較好。
2.2 應對先進復合材料進行質量控制
(1) 存在的問題。由于先進復合材料的制備目前還未完全脫離手工制品, 根據傳統制備流程, 對材料的制備大多是依靠經驗, 難以得到內部結構的準確信息, 造成對數據的掌控太過匱乏, 對環境和原材料的太過依賴, 一旦有一絲波動, 則結果可能會千差萬別, 復合材料產品性能就暴露出可重復性較差、隨爐件數據離散性大等缺點。所以對質量控制就要求的非常嚴格了[6]。
(2) 質量控制。主要是控制原材料纖維的纖維性能和表面狀態;樹脂的測定比重、粘度、水分甚至其化學成分和化學特征;控制預浸料的化學組成、自行固化和吸濕程度。
在工藝過程中主要是控制樹脂含量和揮發份含量;鋪層時控制纖維方向、拼接方法及鋪層的次序和層數。同時, 還應該保證機器能嚴格按照所要求的溫度、開始加壓的時間和速度等等參數執行。
成品成型后要嚴格檢查外觀、尺寸、重量以及使用X射線和超聲法檢驗內部是否有缺陷[6]。
3 先進復合材料的應用
3.1 航空航天
先進復合材料自問世以來, 就在各種飛行器上大放異彩, 現已成為第四大航空結構材料, 其比強度和比模量高、熱膨脹系數小、抗疲勞能力和減振能力強、可設計型號、吸波隱蔽型號, 是軍用UAV的不二之選[7]。
其中FML在最近幾年風靡于航空航天領域, 波音公司在最新的B787中就使用了Ti GR材料[8]。
1986年時C-17的次要結構已經開始使用復合材料;緊接著EADS研究的A400M開始增加復合材料的比重, 開始承擔一些主承力結構, 且采用碳纖維復合材料制作機翼, 這樣的話, 就不會產生金屬疲勞, 還可以減輕結構重量。
直升機采用先進復合材料可以減重, 改善抗墜毀性, 其中頃轉旋翼飛機V-22的復合材料大概構總重的45%;美國飛行器X-43的油箱是石墨/環氧框架及蒙皮做成。
先進復合材料在火箭和導彈的減重效果十分明顯, 且成本又可降低很多。環氧樹脂是巡航導彈彈體所使用最主要的基體材料, 隨著巡航導彈研究技術的發展, 基體由環氧樹脂向BMI、PI、氰酸酯樹脂發展。人造衛星使用碳復合材料制造衛星整流罩、展開式太陽能電池板。而宇宙飛船的一些主要部件, 比如:提供電力的太陽能基板、壓力容器等等, 都會使用先進復合材料來進行制作。航空發動機想要減輕其重量, 選用先進復合材料———碳纖維增強樹脂基復合材料就可以達到很好的效果, 并且也可以加快發動機的速度。民用飛機目前也開始用環氧樹脂基、雙馬來酰亞胺基碳纖維復合材料主要用來制造機翼、機身、地楞橫梁等部位的結構材料, 內部裝飾上也大面積使用了熱塑性工程塑料[9]。
美國航境公司研發成功的“探路者”的機翼主梁就是有碳纖維/環氧復合材料圓管, 翼肋也是復合材料薄壁殼結構;CF/環氧復合材料和MPIA/環氧制成復合物是“百步長”機翼的重要成分;“太陽能”無人機全身上下幾乎見不到一塊金屬, 因為它幾乎全部被先進復合材料包裹, 就連機翼的主要成立部件也是由Nomex材料制成的, 芳綸纖維復合材料用來增強強度, 主梁的端部和根部較厚, 以吸收飛行過程產生的持續彎曲擾動。管壁主要是碳纖維復合材料[10]。
3.2 交通工具
地鐵、輕軌、高鐵、動車等高速交通工具的盛行, 速度的快速增長與材料的輕質化密不可分。早期的軌道交通中, 先進復合材料只在非承力部件中有較多應用, 隨著科技的發展, 復合材料才漸漸充當承力結構器件。日本的CFRP車體的基體就是酚醛樹脂基體, 耐高溫性能優于鋁合金。
先進復合材料可以制作高質量加筋壁板以滿足軌道交通的大范圍要求, 其制作技術又可支持低成本液體成型工藝。可以為軌道車輛的耐異物撞擊性能要求提供必要的技術支撐。復合材料在承擔承載職責的同時, 又滿足可阻燃、隔熱、保溫、吸聲等特性[11]。
3.3 土木建筑
隨著先進復合材料的發展, 它已不僅僅在高端領域大放異彩, 而且已經越來越貼近生活, 比如講太陽能電池板與復合材料墻體一起使用, 便可使墻體不僅輕質, 又帶有自保溫和自發電等功能。
太陽能材料的短期計劃是使用夾層復合材料, 因為二氧化鈦和二氧化錫原材料便宜, 再加上如果能裝上這種玻璃, 則電量幾乎可以自給, 所以這種太陽能復合材料的前景十分光明。
Certain Teed的復合材料石板瓦和屋頂板耐久性極好且安裝成本不高;加拿大的ICI生產的熱塑性結構板, 可用于抵御颶風和地震, 抗腐爛和昆蟲[12]。
3.4 高端能源
由于石油開采行業的愈加盛行, 對石油的需求量也越來越大, 所以對采油工具的使用分外頻繁, 長此以往, 則對其的磨損就十分嚴重了, 加之在井下粉塵、沙子和細菌的滋生, 對采油工具的更新提升已經到了刻不容緩的地步了。
先進復合材料SSL外層材料采用玻璃纖維增強環氧樹脂, 并在表面覆馬丁氏, 經過測試, 其不光材料堅固、且操作溫度高、成本又低, 是可用于采油工具的一個很好的選擇。
熱塑加強管 (RTP) 含有凱夫拉纖維和高性能熱塑材料, 可承受高壓、高溫, 韌性好, 也可以用于制作采用工具的。
對于扶正器, 尼龍復合材料中的玻璃纖維增強尼龍、碳纖維/玻纖復合增強尼龍和聚四氟乙烯復合材料中的礦物填充增強復合PTFE、纖維增強復合PT-FE、金屬及其氧化物填充改性PTFE均可擔此大任, 它們具有強度高、耐高溫、耐腐蝕、耐高壓等特點[13]。
3.5 生活用品
(1) 桿塔。桿塔在生活中的作用真是不可謂不大, 但是桿塔長期處于戶外的環境, 經歷風吹日曬, 時時面臨腐蝕和老化的威脅, 使用壽命也會急劇縮短。所以對于桿塔的先進復合材料選擇, 則重點應以耐腐蝕、抗老化為主。
武漢電網的吳雄、胡虔等通過對聚氨酯PU進行改性, 使其氨酯分子間增加, 已達到增強材料內部分子鏈間交聯結構, 保護樹脂粉質鏈中易降解的酯鍵, 提高材料耐候穩定性的目的。主要工藝是拉擠生產, 耐老化性更優;最后制作出來的產品, 較之金屬產品還具有更高的耐腐蝕性。最后制作出來的產品, 較之金屬產品除了上述優點之外, 還具有更高的耐腐蝕性[14]。
(2) 體育器械。隨著社會的發展, 人們對生活質量的要求也越來越高, 體育運動不再像以前那么匱乏且稀有, 而是成了人們強身健體、娛樂休閑必不可少的項目。相應地, 人們也就對體育器械的要求也越來越高, 不但要輕質, 還要耐打。這時候, 先進復合材料代替原有材料的趨勢也出現了苗頭。
球拍、釣魚竿、箭弓、高爾球棒、滑雪板、自行車等等器材基本上都是由含氧基纖維復合材料制造, 海上比賽運動的船艇都是用環氧或環氧乙烯基酯樹脂增強纖維材料制成[15]。
3.6 風電領域
風能自新能源提出以來, 一直受到人們的廣泛關注, 其中它的風葉就一直由復合材料玻纖制成, 但是隨著對風機的要求越來越高, 比如轉速的加快, 便要求其質量要較之以前, 輕盈許多, 再加上對剛度和強度的要求提高, 玻纖無法再滿足需求, 碳纖便進入人們的視野。據知2.5 MW葉片及長45 m以上的葉片多已采用先進復合材料, 主要應用部位是主承力梁, 碳纖維多用50 k左右的大絲束, 因其成本較低, 估計在這一方面會有很大的發揮空間[16]。
3.7 節能與儲能
隨著社會的發展, “節能”和“環保”是當今世界的兩大主題, 為節約不可再生能源, 一些電動汽車逐步市場化, 所以, 亟需一些電力儲存裝置與之相應的匹配。同時, 因為電力需求量的不斷增長, 電網峰谷量負荷過大, 所以當電網分布和新能源開始使用時, 用戶可以利用儲能原件合理用電, 減緩電網波動[17]。新型儲能材料的需求迫在眉睫, 如相變儲能材料, 如用LA、DA、TA、DD制作的復合材料, 就聚合了各個原材料的優點, 如無相分離現象、高相變潛熱、低成本、無腐蝕等[18-19];電介質儲能材料, 如CNT/PANI 2復合材料, 既具有CNT良好的導熱性, 又具有PANI 2的高比熱容, 同時還可彌補兩方的缺點[20]。
4 結束語
先進復合材料已經進入發力期, 憑借其耐高溫、耐高壓、耐腐蝕、高強度等優良特性, 已經慢慢取代一些傳統的模式, 汽車領域的專家就曾預言, 汽車制造中的沖壓、焊接、涂裝、總裝將來可能會被代替, 他們甚至預言, 將來的汽車制造將會十分簡單, 只要直接將先進復合材料粘合即可[21]。
當航空航天即將進入高速發展的時期, 所以也會有力帶動航空航天材料特別是先進復合材料的發展, 同時, 先進復合材料也在急速進展, 由于其輕質、高強度、耐腐蝕、耐高溫、性能可裁剪等諸多優點, 也會在航天領域大放異彩[22]。先進復合材料的輕質性、隱蔽性、成本低等特點也為無人機的發展提供了一個方向。
由此可見, 先進復合材料一直處于高速發展的狀態, 可以預見, 不遠的將來, 復合材料能為我們帶來一個全新的、輕質的生活。
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