复合材料学（精选12篇）
复合材料学 篇1
人类社会进步和物质文明与材料的发展密切相关,新材料技术及其产业化日益成为推动经济和社会发展的主导力量,成为综合国力的核心［1］。当前随着科学技术的不断发展,人们对材料性能的要求日益苛刻,由于复合材料的可设计自由度大, 常常能满足某些需求的综合指标。所以国内众多高校非常重视复合材料课程的开设及复合材料课程的教学［2］。复合材料学是材料化学专业开设的一门专业选修课,包含了多学科、多领域的一门综合性学科。复合材料学课程的特点是知识量大,内容繁杂,更新快,合成原理抽象等,使得教学中存在一些问题, 如本课程涉及的内容多,课时少,难以将知识点拓展开来; 教学内容中涉及到复合材料的合成原理及成型工艺等内容比较抽象,难于理解等。因此,我对该课程的教学内容和教学方法进行了详细的研究,尝试着对复合材料学进行教学改革,以提高学生的积极性、主动性和创新性的目的。
1教学目的与要求
复合材料学是材料化学专业非常重要的专业基础课程,是材料科学中的一个重要分支,它广泛应用于国民经济的各个领域,对尖端科学技术的发展起到了重大作用。学习本课程既是学习后续其他专业课程的基础,也是继续深造进入研究生课程学习的基础。
复合材料学的教学目的与要求是了解复合材料的定义与命名,材料的分类以及复合材料的特性; 掌握各种复合材料的制备方法、制备工艺及设备的原理及技术关键,了解复合材料及其表征的进展和发展趋势,为今后从事复杂的技术工作和研制性能优越的复合材料打下坚实的基础。
2教学内容的改革
复合材料学作为材料化学专业的一门选修课,安排的学时较少,所以必须对教学内容进行合理的取舍。在复合材料学课程教学中,讲解重心着力于基本概念和重点知识,主要讲授各复合材料的种类、基本性能、成型加工技术以及它们的应用。 在讲解的过程中对于其他相关课程所涉及到的或者介绍过的内容,没必要重复讲解,只需以提问的形式回顾,让学生了解其在复合材料学中所用到之处以及起到的作用,如对复合材料的界面,结构力学等内容进行了部分删减。另外,复合材料学课程教学内容突出一个 “新” 字。随着各种科学技术的不断发展,人们对材料性能的要求日益苛刻,新型的复合材料及合成技术不断出现,复合材料学教材的更新远远跟不上其发展的速度,这就要求对教学内容进行改革,在讲授复合材料主要理论内容的基础上,引进最新的复合材料的研究成果以及国内外的研究进展,将其穿插到相关章节的教学内容中,并且培养学生自行查阅文献了解复合材料的最新研究进展的能力,提高学习的积极性和主动性。
3教学手段和教学方法的改革
3. 1教学手段的改革
结合复合材料学课程的特点,本课程采取多媒体课件教学为主、板书为辅,将多媒体信息化和原始板书相结合的方式进行教学。由于复合材料学课程较为突出的问题是学科概念多、 内容繁杂、部分内容不易直观理解,将多媒体和板书相结合的教学方式既能解决使用传统的板书教学手段呆板、无趣,学生看不到实物的不足,又能吸引学生的注意力,能将部分理论结合实际图像或是视频生动地展现给学生,从而增加了学习的兴趣和对知识点的理解。在讲解到相关复合材料的制备工艺时, 可以采取播放相应的制备工艺视频观看,这样学生不必进入生产现场,就可以全方位的了解制备工艺流程。然而,多媒体教学可以将抽象的文字描述转化为形象的图像、声音、动画等令学生容易接受,并且其容量大,内容丰富,大大的增加了授课的信息量,加快了教学进度,加强了直观性,调动学生学习的主动性。同时,单纯地使用多媒体教学的方式也会造成教学气氛沉闷、学生注意力容易分散等的现象,影响上课和听课吸收的效率,使用多媒体教学与板书教学相结合的教学手段便能较好地解决这样的情况,特别是在公式的推导、课程的关键环节和重要部分等可进行适当的板书并详细讲解,做到详略得当, 重点突出,综合发挥多媒体教学和传统板书教学的优点。
3. 2教学方法的改革
教学方法是在高等教育教学中为完成一定的教学任务,达到一定的教学目的所采取的教学途径或教学程序［3］。在教学过程中,传统的灌输式教学方式难以调动学生的积极性,使得教学效果不明显。为了激发学生的学习欲望,提高积极性,可以采用讨论式和研究式相结合的教学方法。首先,教师讲解理清整体的知识脉络,介绍每类材料可以通过它的组成、结构、性能、生产工艺以及应用等方面学习。通过具体章节的讲解,使学生对复合材料的学习有一个基本的知识结构体系。教学中教师讲解课程中重点的知识点,其他容易混淆和不易理解的知识点可以通过课堂上学生一起讨论,加深理解。其次,我们把学生分成5 ~ 6人一组,每一组选择一种复合材料,通过书籍和网络等手段查阅相关资料,从材料的组成、结构、性能、制备方法、应用以及研究背景和研究现状等方面进行学习,整理资料做出课件,每一章节教师讲解内容结束后,留出一节课的时间给两组学生分别讲解他们所准备的相关内容。通过这样的教学方式,提高学生学习的主动性和积极性,并且更加深入的理解所学知识点。另外,我们鼓励学生直接参与教师的科研活动,通过查阅文献,实验方案的设定,以及动手操作实验,培养他们分析问题、解决问题的能力,同时提高他们的积极性、 动手能力和创新精神,逐步培养学生对本专业的兴趣,激发他们的学习以及科研热情。
4课程考核方式的改革
科学的教学评价体系能全面考察学生学习过程中的态度和实际掌握知识和运用知识的能力。考试并不是目的,只是一种手段。因此,对于专业选修课复合材料学的考试,可以采取笔试、专题演讲、小论文等多种形式相结合的方式。平时成绩除考虑作业完成、出席情况和课堂表现外,增加了学生专题演讲。通过开设专题演讲环节,调动学生的主动性和语言表达能力。期末考试主要考核学生对课程的基本概念的理解程度、基本原理的掌握程度、必要的公式的推导和记忆、以及如何使用所学的理论知识解决实际问题。因此,注重对学生平时学习情况的关注、建立学生平时学习档案、关注学生平时对该学科活动的参与及记录,同时兼顾学生期末考试( 学科论文与笔试) 的成绩,只有这样才能提高学生对本学科的认知和提升学生学习本学科的积极性。
5结语
通过教学改革,使得授课内容更直观生动,课堂气氛更活跃,提高学生分析问题解决问题的能力,以及自己获取知识的能力; 突出专业特色,强化学生动手能力的培养,提高学生积极性、主动性以及创新性,实现应用型人才的培养和创新型人才的塑造。
复合材料学 篇2
李 珈
（北京服装学院 100029 材料学院 高分子材料与工程专业09204班23号）
摘要
通过回顾国内外近代新型复合材料基体材料的发展，分类列举一些具体的研究成果，并总结几种基体材料的应用领域，对现存材料的一些缺点与不足进行思考，对未来基体材料的发展方向给予展望。关键词 复合材料；基体材料
Review of the development on the Matrix for Composites
Li Jia(Beijing institute of Fashion Technology;100029;School of Materials Science and Engineering;
High polymer materials and Engineering;Class 09204 No.23)Abstract: The research progress and variety applications of Matrix for Composites were summarized and reviewed in general.Details on some experimental as well as industrial achievements were listed in categories.Through considering the shortcomings of current materiels used as Matrix,bring out the basic assumption for future development in this field.Keywords: Composites;Matrix 前言
复合材料(Composite materials)，是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法组成的具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。随着人们对于高性能材料的要求日益复杂和严格，开发新型的先进的复合材料成为了人们的研究重点。因此总结和了解现代基体材料的发展对于以后的研究有着至关重要的作用。
复合材料根据基体种类可分为树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料、水泥基复合材料等。本文将集中探讨树脂基复合材料。
树脂基复合材料是最先开发和产业化推广的，因此应用面最广、产业化程度最高。根据基体的受热行为可分为热塑性复合材料和热固性复合材料。而热塑性复合材料是发展较晚的，其中包含很多的新型较先进的材料，下面将重点探讨热塑性复合材料的研究发展。正文
1.树脂基复合材料概述 1.1热固性树脂基复合材料
热固性树脂基复合材料是指以热固性树脂如不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、乙烯基酯树脂等为基体，以玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维等为增强材料制成的复合材料。
中国树脂基复合材料始于1958年，通过大量引进国外先进技术，发展相当迅猛。在建筑、防腐、轻工、交通运输、造船等工业领域以及建筑，石油化工，交通运输，航空航天及军事领域均有广泛应用。
热固性树脂基复合材料的基体材料主要有环氧树脂，聚酯，聚酰亚胺，酚醛树脂四类。其中，环氧树脂体系是先进基体材料中应用最为广泛的一种树脂体系，现代军队及航空航天领域的许多产品多用它的增强材料来做。下文中将会对一些针对环氧树脂的改性研究及应用进行详细陈述。而酚醛树脂是开发始于1910年的历史最长的合成树脂[1]。而聚酰亚胺则是另一种十分重要的集体材料，十分有名的双马来酰胺（BMI）即是一种特殊的API体系（热固性聚酰亚胺），而通过在聚酰亚胺主链上加入侧基或柔性键，则可以制得热塑性聚酰亚胺（TPI）。1.2.热塑性树脂基复合材料
中国的热塑性树脂基复合材料开始于20 世纪80 年代末期，近十年来取得了快速发展，2000年产量达到 12 万吨，约占树脂基复合材料总产量的 17%，与发达国家尚有差距。[2]过去基体材料主要以PA及PP为主，渐渐地作为热塑性复合材料的基体材料越来越多，如今，新型的，或者说应用于先进复合材料中的基体材料主要有亚芳基聚合物，聚苯硫醚（PPS），聚醚醚酮（PEEK），聚酰胺亚胺（PAI），热塑性聚酰亚胺（TPI），聚苯醚（PPE），以及聚硫醚砜，液晶聚合物，聚醚腈等。下文将就先进复合材料基体树脂材料进行详细的探讨。2.先进复合材料基体材料 下面将针对聚苯硫醚（PPS），聚醚醚酮（PEEK），聚酰胺亚胺（PAI），热塑性聚酰亚胺（TPI），聚苯醚（PPE），以及聚硫醚砜，液晶聚合物，聚醚腈每种基体材料在近些年的发展以及应用领域进行逐一总结概括。
2.1 聚醚醚酮（PEEK）
2.1.1聚醚醚酮(PEEK)优势与性能
聚醚醚酮(PEEK)是一种半结晶性的芳香族线性热塑性工程塑料,由于它兼具芳香族热固性塑料的耐热性、化学稳定性,及热塑性塑料的易加工性的特点，且具有无毒、重量轻和拉伸强度、弯曲强度、抗冲击强度、抗蠕变性、抗疲劳性、耐磨损性、阻燃性、耐辐照性、电绝缘性等综合性能优良的特点，是一种被广泛使用的高性基体材料。通过将不同品种和比例的补强填料和辅助原料,如玻璃纤维、碳纤维、碳纳米管、碳粉、碳化硅、氮化硅、石墨、二硫化钼等经过特殊处理,与聚醚醚酮相复合而得到的聚醚醚酮复合材料常常具有优秀的性能。
2.1.2聚醚醚酮(PEEK)复合材料的应用
目前，此种复合材料,产品已在压力容器、压缩机、水泵、阀门等通用机械中逐渐应用,有的产品已批量生产。比如高温用PEEK复合材料生产的三瓣密封环,用在氢气压缩机上,该压缩机的工况条件恶劣,压力为60MPa,温度为260℃,含有催化剂硬质颗粒等杂质。[3]另外，用PEEK复合材料生产的水泵导轴承、隔板、径向轴承、推力盘等产品,用在舰船水泵上。这些研究开发所得到的PEEK复合材料具有重量轻、强度高、耐高温、耐腐蚀、自润滑性能好、耐磨损、长寿命等优点,在汽车零部件、通用机械、工程机械、炼油、化工、宇航、军工等行业有着广泛的应用前景,是很多高强度、低磨损、长寿命零部件和产品的替代材料。
2.1.3聚醚醚酮(PEEK)的改性研究进展
自2000年以来，单一的聚醚醚酮树脂越来越难以满足人们的要求，于是国内外将研究的重点转向对于聚醚醚酮树脂的改性研究，而聚醚醚酮的改性主要有以下几种手段：
2.1.3.1 无机填料填充改性
用于填充的无机填料一般都是微米、纳米级无机颗粒，如Al2O3、CuO、CaCO3、SiN、Si3N4、ZrO2等。纳米粒子化学反应活性高，并且可以与聚合物界面相互作用，因此，被广泛用于PEEK和其他聚合物的改性。
2004年山东东营石油大学机电学院的彭旭东，马红玉等人以纳米TiO2及聚四氟乙烯(PTFE)作为复合填料, 利用热压成型方法制备了纳米TiO2-PTFE填充聚醚醚酮(PEEK)复合材料，采用销-盘式摩擦磨损试验机考察了纳米微粒对复合材料摩擦学性能的影响，并用扫描电子显微镜观察分析了复合材料磨损表面形貌.得出了填充适量TiO2 有利于PEEK/PTFE复合材料的耐磨性能的提高。[4]2008年国外的R.K.Goyal等将PEEK粉末和Al2O3在酒精中通过磁力搅拌分散均匀,干燥后热压成型制得复合材料试样，并研究了其耐磨性能。[5] 2.1.3.2 连续纤维增强改性
连续纤维增强一般是采用PEEK树脂与长纤维在特定的设备与工艺条件下充分浸渍制得。增强纤维为玻璃纤维、芳纶纤维、碳纤维、麻纤维等。由于改性后的PEEK树脂具有优良的力学性能、冲击性能、耐高温性能而成为高分子复合材料研发与应用的热点领域。
2009年J.Paulo Davim 等分别以30% 碳纤维和30% 玻璃纤维为增强材料，通过挤出成型制得PEEK复合材料，研究了复合材料的耐磨性能和摩擦系数，并与纯PEEK进行对比，得出这种长纤维的添加对于PEEK增强树脂的耐磨性能改善显著，其中玻璃长纤维效果最好。[6]我国西北工业大学的吴新明,齐暑华,贺捷,理莎莎等人于同年12月对长玻纤增强注塑聚醚醚酮复合材料的加工工艺与力学性能进行了实验研究，以含30%的长玻璃纤维增强聚醚醚酮为原材料,采用注塑成型的方法研究了聚醚醚酮复合材料的加工工艺参数包括冷却速率、成型压力、成型温度及模具温度与力学性能的关系,并对模具温度为180℃时PEEK复合材料的微观形貌进行分析,得出综合性能最佳时的参数。[7] 2.1.3.3短纤维增强改性
短切纤维增强的高分子材料的突出优点是易加工成型，挤出、模压、注塑等常规加工方法均适用，短切玻璃纤维和碳纤维具有较高的强度和模量，与PEEK的亲和性好，可起到较好的增强效果。G.Zhang等以短碳纤维、石墨和聚四氟乙烯PTFE）为填料，在400 ℃下热压成型制得PEEK复合材料，发现填充后的PEEK[8]耐磨性提高。2009年，我国四川绵阳中国工程物理研究院化工材料研究所唐明静等人通过熔融共混法制备了聚醚醚酮/碳纤维(PEEK/CF)复合材料。采用差示扫描量热分析法(DSC)、扫描电子显微镜(SEM)、动态热机械分析仪(DMA)、微欧计、高阻计等考察了复合材料的热性能和电性能。[9]该文通过研究聚醚醚酮/碳纤维复合材料的热性能和电性能,得出了有利于拓宽高性能聚合物复合材料在航天、航空和军事领域的应用的研究结果。2.1.3.4 晶须增强改性
晶须是指高纯度单晶生长而成的直径几微米、长度几十微米的单晶纤维。机械强度近似等于原子间价键力的理论强度，是一类力学性能优异的新型复合材料补强增韧材料。
2005年我国李志方以CaCO3晶须为填料，通过热压成型工艺制得PEEK基复合材料，研究发现：在干摩擦条件下，填充CaCO3可明显降低PEEK基复合材料的摩擦系数。[10] 2006年林有希等人同样以CaCO3晶须为填料，利用热压成型方法制备含0%～50%(质量分数)碳酸钙晶须增强聚醚醚酮(PEEK)复合材料,采用MM2200型摩擦磨损试验机研究碳酸钙晶须含量对复合材料与45#钢环配副的摩擦磨损性能 的影响,利用扫描电子显微镜观察复合材料和钢环磨损表面形貌并分析其磨损机理.同样证明了碳酸钙晶须改善聚醚醚酮复合材料的作用。[11] 2.1.3.5聚合物共混改性
共混是开发新材料的一个重要方法,高分子混合物可以通过简便的方法得到，而所得的材料却具有混合组分所没有的综合性能。陈晓媛等研究了聚醚醚酮(PEEK)/ 聚苯硫醚(PPS)共混体系的加工流变行为，共混体系在不同状态下的相容性，以及相容性与力学性能的内在关联得出PPS的加入显著改善共混体系的流动性的结论。[12] 2.1.4 PEEK树脂的应用
PEEK树脂密度小，加工性能好，可直接加工成型要求精细的大型部件。由于具有良好的耐水解性能，耐雨水侵蚀性能以及良好的阻燃性能，故广泛应用与航空航天，电子电器及医疗和汽车制造领域。[13] 2.2 聚醚砜
另外的一种具有芳香结构的聚醚砜（PES）是一种引人注目的高性能工程塑料，它具有优良的力学性能、热稳定性、化学稳定性、抗高温蠕变性以及可加工性能, 其Tg 为225℃，长期使用温度可达180℃。填充适宜填料的聚醚砜复合材料摩擦系数低且耐磨性好，是一种优良的低摩耐磨材料，其中玻璃纤维增强聚醚砜复合材料已经用于轴承和其它滑动元件。
2000年北京航空航天大学赵伟岩，李岩等人利用销-盘摩擦磨损试验机考察了聚醚砜及其复合材料在干滑动摩擦条件下的摩擦磨损性能。得出了碳纤维可以明显地降低聚醚砜的摩擦系数及比磨损率，长纤维能更有效地改善聚醚砜的摩擦磨损性能。当碳纤维的体积分数为15%时，体系的摩擦系数及比磨损率最低。碳纤维体积含量超过20%以后，体系的摩擦磨损性能无明显变化。[14] 2009年李融峰,华熳煜和龙春光利用正交试验方法, 通过物理共混、模压成型工艺,制备了聚醚砜耐磨材料,通过方差分析对材料的耐磨性能进行了研究得出了钛酸钾晶须的加入能够明显改善复合材料的摩擦磨损性能的结论。[15] 2.3聚苯硫醚（PPS）2.3.1聚苯硫醚
聚苯硫醚是迄今为止世界上性价比最高的特种工程塑料，所以尽管聚苯硫醚的发展时间不长，但已成为特种工程塑料第一大品种。Schwartz、Blanchet等人研究了各种无机粒子填充PPS的机械性能与摩擦性质。Ag2S和Cu2S粒子在压模过程中产生塑性形变，在PPS基体中形成光滑界面，XPS表明Ag2S和Cu2S粒子与基体PPS有较强的键合作用，添加Ag2S和Cu2S粒子可明显增大PPS的挠曲强度和挠曲模量，降低PPS的磨损速率，降低PPS的摩擦系数。[16]~[17]袁冠军，周晓东等人采用粉末浸渍工艺制得连续玄武岩纤维和不锈钢纤维增强聚苯硫醚预浸料，预浸料的编织物经层压成型制备了聚苯硫醚复合材料，对复合材料的力学和电磁屏蔽性能进行了研究并得出结论；不锈钢纤维聚苯硫醚预浸料与玄武岩纤维聚苯硫醚预浸料层压所形成的复合材料其力学性能和电磁屏蔽性能均优于铝箔与玄武岩纤维聚苯硫醚预浸料层压所形成的复合材料;[18]
2.3.2 聚苯硫醚的应用
正是由于PPS具有无与伦比的综合性能和诱人的价格, 不仅在航空、航天、核工业、电子电气等高新技术领域作为耐高温、高性能的非金属结构材料获得了应用，而且在普通民用工业领域也有广阔的应用前景。如PPS可制成各种耐高温、耐腐蚀的稀硫酸水介罐、排气阀和出料阀。增强PPS制品可用于电器工业零部件, 如变压器骨架、线圈骨架等。机械行业的泵壳、叶轮等。[19]汽车行业的发动机活塞环、排气循环阀、汽车流量阀、反光灯碗；家电行业干洗机的齿轮等结构和摩擦件, 复印机部件等, 其碳纤维导电复合材料还可用于防静电和电磁波屏蔽产品, 石墨改性PPS可制作耐高温、耐磨蚀、不变形、密封性好的密封环、垫圈等产品。特别是汽车的轻量化和低成本为机械性能好、尺寸精度高、耐高温、耐腐蚀、耐磨的PPS的应用提供了广阔的市场。[20] 2.3.3聚苯硫醚的改性物——聚苯硫醚砜
聚苯硫醚砜(PPSS)是由美国Phillips石油公司开发成功的一种新型特种工程塑料，其研究开发历史已有30多年。它比聚苯硫醚更为优良的热稳定性、更优的抗冲击和抗弯曲性能，从而弥补了聚苯硫醚玻璃化温度和熔点不太高(Tg= 85℃，Tm=285℃)、韧性差、脆性大的缺点。聚苯硫醚砜的增强主要是通过添加纤维进行的，目前, 对聚苯硫醚砜的应用, 主要是利用其优良的耐高温性和优异的抗化学腐蚀性。由于聚苯硫醚砜密度小、强度大, 所以在航天、航空以及汽车工业上得到了广泛的应用, 如采用模压成型技术制成飞机的前机身。聚苯硫醚砜薄膜是极好的分离膜, 主要用于离子交换、电化学电池、渗透膜、燃料电池等如将聚苯硫醚砜/ 聚砜(PPSS/ PSF)合金材料作为离子交换薄膜。
当今发展PPS树脂合金是其改性的重要方向，利用PTFE/ PPS合金可提高PPS的耐腐蚀性。而聚苯硫醚复合材料的生产仍存在很多问题，可以说我国对于此种新型材料的研究并未跨越初级阶段，这在很大程度上将制约我国部分产业整体水平的提高。因此，研究开发部门和工程设计部门应通力合作,尽快建立成熟的PPS工业化装置, 打破技术垄断, 以满足国民经济对PPS日益增长的需求。2.4聚酰亚胺与聚酰亚胺改性材料 2.4.1聚酰亚胺
目前聚酰亚胺已经成为耐热聚合物中应用最为广泛的材料之一。聚酰亚胺的研究和应用得到迅猛的发展, 重要品种有20多个，例如聚醚酰亚胺、聚酰胺-酰亚胺，双马来酰亚胺以及聚酰亚胺纳米杂化材料等，其应用领域也在不断扩大。热塑性聚酰亚胺广泛用于汽车发动机部件、油泵和气泵盖、电子/电器仪表用高温插座、连接器、印刷线路板和计算机硬盘、集成电路晶片载流子、飞机内部载货系统等。[22]
中国科学院化学研究所研制的短纤维和颗粒增强聚酰亚胺复合材料是以PMR型304-KH热固型聚酰亚胺为基体的树脂, 其具有优良的力学性能、耐腐蚀性能、抗辐射性能、自润滑性能、耐磨耗性能、耐高温氧化性能、加工性。[23]
聚酰亚胺作为很有发展前途的高分子材料已经得到充分的认识，在绝缘材料中和结构材料方面的应用正不断扩大。在功能材料方面正崭露头角，其潜力仍在发掘中。但是在发展了40年之后仍未成为更大的品种，其主要原因是，与其他聚合物比较，成本还是太高。因此，今后聚酰亚胺研究的主要方向之一仍应是在单体合成及聚合方法上寻找降低成本的途径。[24] 2.4.2聚酰胺酰亚胺
聚酰胺酰亚胺(PAI)是一种重要的改性聚酰亚胺树脂。它具有耐高温、耐冲击、耐溶剂、耐辐照及良好的蠕变性等特点。[25]尤其是它的制品具有优良的粘接性、耐磨性和易加工成型性，是一种性能卓越的工程材料，在许多领域尤其在电器行业得到广泛的应用。近年来,随着PAI制备技术的发展，高性能的PAI产品不断出现，拓宽了PAI的应用范围,促进了PAI的发展。[26] Hu等通过溶胶-凝胶工艺来制备PAI-TiO2 复合膜，但由于膜的晶性不好，[27]Ranade等采用纳米蒙脱土对PAI进行改性。[28] 此种基体材料的研发在国外，尤其是日本进展迅速，现已应用于诸多领域，如三菱公应用聚酰胺酰亚胺研发的高强度复合软磁性材料。日本住友化学株式会社发明了一种新型耐热光纤, 其耐热性较以往的光纤维有所提高。此外，也用作柔性印刷电路板的制造，电子成像装置，反应装置及管道内部涂料，耐热性树脂轴承，感光树脂，电机永久磁铁及保护膜，耐热及绝缘涂料等。2.5其他新型基体材料 2.5.1 氰酸酯树脂
氰酸酯（CE）树脂是20世纪发展起来的新型热固性树脂，它具有与环氧树脂相类似的加工性能，其固化物具有良好的耐热性、耐湿热性、溶解性和优异的 介电性能而成为极具吸引力的高性能聚合物，广泛应用于多层印刷线路板、光电装置的高速基材、雷达天线罩、高增益天线隐形航空器及结构复合材料等高科技领域。刘敬峰和杨慧丽等人研究了石英纤维增强氰酸酯树脂基复合材料的力学性能和耐热性，对其进行了力学性能测试和热失重分析，并对树脂进行了流变分析。结果表明，该复合材料具有优异的耐热和高温力学性能。[29] 2.5.2 聚四氟乙烯基体材料
玻璃纤维增强聚四氟乙烯(PTFE)复合材料作为天线罩材料已有许多成功应用的实例。姜卫陵等人对高硅氧玻璃纤维布增强聚四氟乙烯复合材料制造生产过程中若干影响因素的试验研究分析,对这种材料介电性能的认识进一步加深，并确定了主要的影响因素。[30] 2.5.3 液晶聚合物分子复合材料
液晶聚合物分子复合材料主要分为溶致性和热致型两种。其中热致型液晶聚合物(TLCP)，通常为完全芳香族聚酯，有较高的链刚度和柔性，可以熔融。热致液晶聚合物与基体混合熔融时会在基体内部形成纤维，因此增强纤维可以在复合材料制备过程中形成，而且可以在基体内很好的分散，起到自增强作用，这种材料也叫原位复合材料。目前广泛应用于原位复合材料的TLCP大多是全芳香均聚聚酯和共聚聚酯。TLCP与各种通用型树脂复合，扩大了通用树脂进入高层次工程材料领域，TLCP与特种工程塑料复合，得到的高性能特种工程塑料合金，可满足航空航天、军事、电子电气、汽车、建筑、船舶等特殊的应用和要求。日本住友化学公司已经研发的PTFE/TLCP以及PEEK/TLCP都是已经工业化的成熟技术。[31] 3.其它新型基体材料概述
除以上总结的若干材料之外，近些年新兴起的研究热点还包括硅树脂及其改性，以及其它聚芳醚基体材料及其改性，此外，一些曾经一度被广泛使用的基础型热固性树脂基体材料也被积极的改性，进而应用与航空航天等高新科技领域，比如环氧树脂的改性，中国自主研发的韧性环氧树脂基体，及新型低黏度的二官
[32]能环氧基化合物已被广泛应用于飞机部件及机身机翼的生产。双马来酰亚胺树脂，广泛应用于航空航天、机械电子、交通运输等工业领域，但是目前商品化的双马来酰亚胺还存在熔点高、溶解性差、成型温度高、固化物脆性大等缺点。结语
1.存在的问题：
一：中国复合材料产业的布局有待调整。国际上树脂原料厂商的数量少、企业规模大，产品多为中小企业制作。而中国却是树脂厂家多而小，这样分散使得不少厂家的树脂产品质量差、能耗大、成本高。二：先进树脂基体材料的研发存在缺口，很多在技术上尚不过关，仍处于被欧美及日本垄断的状态，在高新基体材料领域科研进度缓慢，投入的科研力量不足。2.解决方案：
中国政府应大力扶持新型树脂基体材料的科研与开发，通过扩充科研队伍以及增加科研资金来保障中国先进复合材料的加速发展，继而打破相关产业的止步不前的僵局，使中国向此领域的世界先进水平靠近。3.发展展望：
中国复合材料行业在未来几年的应用和技术发展主要包括：开发能源、清洁、可再生能源用复合材料，包括风力发电用复合材、烟气脱硫装置用复合材料、输变电设备用复合材料和天然气、氢气高压容器。汽车、城市轨道交通用复合材料，包括汽车车身、构架和车体外覆盖件，轨道交通车体等。民航客机用复合材料，主要为碳纤维复合材料，热塑性复合材料约占10％，如机翼部件、垂直尾翼、机头罩等，中国未来20年间需新增支线飞机661架，将形成民航客机的大产业，复合材料可建成新产业与之相配此外，在欧美最近很有市场的船艇用复合材料也将逐渐将触角伸向中国，中国也应当做好相应的基体材料研发来应对这一新兴产业的发展。参考文献
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复合材料加工技术分析 篇3
关键词： 复合材料加工技术加工难点 材料切削 零件结构工艺性差
中图分类号TU5文献标识码A
1 前言
碳纤维复合材料尤其是高性能、耐高温碳纤维复合材料因为它结构的可设计性、优良的性能、长寿命、减重等，在航空领域应用的越来越广泛。 加工复合材料是当前复材零件使用过程中周期比较长、成本比较高、风险比较大的工序之一。 在我国构建复合材料产业链还存在相当大的缺失，相关的配套加工技术也不太成熟，在复合材料的加工技术研究方面所投入的人力物力也相对不够，跟国外比较先进的机械切削加工技术研究相比有相当大的差距。正是因为复合材料在各方面日益广泛的应用，才使其加工工艺的研究受到越来越多的关注。
2 复合材料加工技术的分析
复合材料是一种多相材料，所谓多相是指两种或者两种以上的组织或者化学性能的材料，而复合材料就是将多相材料经过各种加工方法加工而成。复合材料所含有的两相为增强相与基体相。复合材料有两种机械加工方法，即常规加工和特种加工两种方法。常规加工工艺与金属加工的方法相同，加工方法相对简单，工艺相对较为成熟。然而，当加工复杂工件的时候会对切削刀具产生很大的磨损，而且其加工质量较差而且切削过程中所产生的粉末会对人体产生很大的影响。特种加工工艺过程相对较易监控，加工时切削刀具与被加工工件接触量很小甚至为零，这对自动化加工非常有帮助。但因为复合材料自身的复杂性，特种加工的应用受到限制，所以相对而言，常规加工应用较多。
2.1 复合材料常规加工技术的研究
在复合材料加工初期，所采用的加工方法一般是金属材料的加工方法。随着复合材料的种类增多，加工过程当中出现了很多的问题，例如刀具磨损较快等，这就要求复合材料的加工技术面向多样化。后来，国内外很多的学者相继提出了一些关于复合材料加工的方法，并在原有方法的基础上提出了进一步改进复合材料切削工艺以及更新切削刀具等一系列的观点。直至后来，Koplev进行了很多的实验，认为复合材料切屑的形成其实就是其断裂过程的发生，而这个观点后来也得到很多人的认可。自此，很多学者开始把重点转向切削刀具结构设计等。
2.2 复合材料特种加工技术研究
复合材料常规加工过程中会对切削刀具产生很大的磨损，而且其加工质量较差而且切削过程中所产生的粉末会对人体产生很大的影响。此外，常规加工方法加工复杂工件也较为困难。而特种加工工艺过程相对较易监控，加工时切削刀具与被加工工件接触量很小甚至为零，有利于自动化加工，而且随加工工件的切割面所产生的损伤很小，所以，被加工工件形变量会非常小。目前常用的复合材料特种加工方法主要有：超声波加工以及电火花加工等等。
3复合材料加工难点分析
3.1材料切削性能差
复合材料在其密集处的脆性较大，所以切削较易崩裂，而在小分子区域，分子结合力很小，切削更易崩裂；而纤维密集处不容易被切断，此时若切削刀具不够锋利而切削过程当中的切削进给量又过大，这样，材料纤维极易被成片扯离而发生一系列的缺陷。复合材料强度较大，切削性能也很差，在切削过程中更易发生“起毛”和“扯离”。同时，在复合材料加工过程当中，刀具较易磨损而变钝，这既会对被加工件的表面质量及尺寸精度产生很大的影响，还会降低材料加工效率。总之，正是由于复合材料本身的组成及其特性，而使其切削性能较差。
3.2零件结构工艺性差
有很多零件都呈回转体形状，其主要是由柱、锥、曲面等所组成的，零件的主要的工作面大多是尖边结构，由单个圆孔或者锥孔等所形成，而这会严重影响复合材料的加工，而导致其在切削过程当中极易出现翻边以及崩边。
4 解决复合材料加工问题的措施
4.1改进毛坯结构和模压成型工艺
为了有利于材料加工，就要对结构进行改进，主要方法就是减少直角边，在台阶处要选择光滑连接并且应尽量减少尖角结构。研究表明影响复合材料切削性能的一个很大的方面就是其组织的均匀性，此外，模压过程当中的预浸料预烘环节的均匀性也是影响复合材料切削性能的一个主要因素。
4.2选择合适的刀具与切削参数
由于复合材料本身的特性，在进行复合材料切削加工时所用的切削刀具硬度要高，同时还要满足耐冲击以及耐磨等条件。而硬质合金作为一种能承受较大冲击负荷的材料可以同时满足上述条件。此外，人造金刚石以及立方氮化硼都是超硬的材料，所以可以用这三种材质刀具进行切削，同时选择合适的速度及进给切削参数。
4.3优化加工方法
研究各种加工方法可以减少复合材料加工问题的发生，通过对复合材料进行各方面的分析研究，笔者总结出如下几个方法：
（1）合理编排切削路径。
在复合材料的加工过程当中，如果被加工件的切削部位受到很大的拉应力会使其发生“翻边”、 “崩边”等现象。所以，在进行切削的时候要按“入体”的切削路径进行切削。
（2）设置工艺槽，防止零件崩边。
由于乱纤维复合材料在钻头的锋利程度上受到限制，不适合采取普通的钻孔方法进行加工通孔。但是可以用增加工艺槽的方法，这样就可以有效地防止孔口崩边现象的发生。
（3）采用粗、精加工。
对于乱纤维复合材料的模压件不适合用大切深的方法进行加工。为有效防止以上问题的发生，应该尽量增强刀具的耐用度，并尽量提升加工的效率，采用分粗、精加工的加工方法。
5 总结
通过分析复合材料加工技术，对复合材料加工技术也有了一定的了解。笔者认为在今后的研究当中应该在下面几个方向加以努力：
通过分析复合材料加工技术，对复合材料加工技术也有了一定的了解。笔者认为在今后的研究当中应该在下面几个方向加以努力：
（1）对切削力、复合材料的性能、切削热温度场的分布及产生原因进行深入的研究；
（2）对复合材料的加工刀具的材料、几何参数进行研究；
（3）对复合材料的特种加工技术进行研究；
（4）通过研究复合材料的表面质量的生成原因，建立一个可以综合评价其表面质量的统一的标准。
参考文献
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复合材料界面层材料的研究 篇4
界面层是复合材料中处于增强体和基体之间的一个局部微小区域。它将增强体和基体彼此良好地结合在一起, 起着传递载荷, 阻止裂纹越过增强体表面进行扩展, 缓解残余热应力, 阻挡基体和纤维间元素的相互扩散、溶解和有害化学反应, 阻止纤维在高温环境下发生氧化的作用[1]。界面层在复合材料中所占的体积分数虽不足10%, 但却是影响陶瓷基复合材料力学性能、抗环境侵蚀能力等的关键因素之一。特别是对于脆性纤维增强脆性基体复合材料来说, 纤维与基体间的界面层是决定复合材料强度和韧性的重要因素。因此, 对界面层材料及其结构的研究一直是复合材料研究的热点之一。本文对近年来在复合材料界面层领域的研究进行了综述。
1 复合材料界面层的功能
一般来讲, 界面层的功能主要有4个:传递、阻止裂纹扩展、缓解和阻挡。传递作用是指界面层作为一个“桥梁”将作用于基体的载荷充分传递至复合材料的主要承载者———纤维增强体上。阻止裂纹扩展是指当基体裂纹扩展到界面层区域时, 基体和纤维沿它们之间的界面发生分离, 并使裂纹的扩展方向发生改变, 即裂纹偏转, 阻止裂纹直接越过纤维表面进行扩展。缓解作用是指界面层通过过渡作用和界面滑移减少残余热应力。阻挡作用是指阻挡基体和纤维间元素的相互扩散、溶解和有害化学反应, 阻止外界环境对纤维增强体的侵害[1,2]。
以上只是一般意义上的界面层功能, 但不同功用的复合材料对界面层的要求不同。例如:以承受载荷为主要目的的复合材料对前3种功能有更为苛刻的要求, 而以抗氧化为主要目的的复合材料则对阻挡功能要求更严。一种界面层所具有的功能主要取决于界面层的材质、结构、厚度以及界面层与纤维或基体间的相互作用等因素。为了满足不同复合材料功能的需求, 不同功用的复合材料应具有不同的界面层。复合材料界面层的研究正是在这种需求下不断进行的。目前常被研究的界面层材料有很多, 大致可分为两类:层状结构材料和非层状结构材料, 其中层状结构材料又包括层状晶体结构材料和多层陶瓷界面相。
2 层状晶体结构界面层材料
具有层状晶体结构的材料由于其层间结合力较弱, 当外界裂纹扩展至材料的层面时可使裂纹发生分叉、扩展方向发生改变, 使裂纹的扩展功增加, 这种材料特点非常符合界面层材料的要求, 是一种非常理想的界面层材料。具有层状晶体结构的材料主要有石墨结构的热解碳及六方BN, 此外还有一些氧化物材料、层状硅酸盐 (如氟金云母KMg3 (AlSi3) -O10F2) 、合成层状硅氧化合物 (如KMg2AlSi4O12) 和可解离的六方铝酸盐 (如氧化钙铝矿CaAl12O19) 。目前研究最多的界面层材料是层状结构热解碳和六方BN[1]。具有层状结构的热解碳界面相一般是利用化学气相浸渗 (CVI) 法在低温、低压的条件下制得, 制备过程较为简单, 工艺也已非常成熟, 以其为界面层的复合材料一般都具有较好的力学性能, 是目前C/C、C/SiC、SiC/SiC复合材料最常采用的一种界面层材料[2,3]。虽然此类热解碳界面相已被广泛应用, 但近年来针对它的研究仍在不断深入进行。2009年, Liu等[4]研究了热解碳界面层在界面脱粘时的行为, 结果表明:在界面脱粘时, 热解碳界面层内部存在层间分离和桥联现象, 桥联区的石墨片层具有应力取向, 即由原来的平行于碳纤维表面变为垂直于碳纤维表面。Ahmed等[5]发现热解碳界面层的粗糙度越高, 杂质含量越少, 晶化程度越高, 就越有利于SiC基体的沉积生长。Yan等[6]利用聚碳硅烷的裂解过程在碳纤维和SiC基体间原位生成了热解碳界面层。与CVI方法相比, 这种界面层的制备方法更为简单, 虽然界面层是由乱层石墨构成, 但仍能很好地发挥界面层的作用。层状结构热解碳界面层在提高复合材料力学性能方面具有无可比拟的优势, 但其在高温氧化环境下却极易发生氧化, 使复合材料的力学性能急剧下降, 因而热解碳不适合应用于对抗氧化性有要求的复合材料。这促使人们不得不进行其他界面层材料的研究。六方BN具有与石墨类似的晶体结构, 相对于碳界面层具有较高的抗氧化性能、较低的电导率和介电常数, 因而受到越来越多的关注[7,8,9]。研究表明, BN界面层确实可提高陶瓷基复合材料的抗氧化能力, 并且BN的晶化程度越高, 复合材料的抗氧化性能越强[10]。BN之所以能提高复合材料的抗氧化能力, 除了其具有较高的氧化温度外, 更重要的是BN经氧化后生成可流动的玻璃态B2O3, B2O3可填充基体或界面层中的裂纹及界面处的间隙, 阻止外界气体对增强体的侵蚀[8]。由于六方BN具有与石墨类似的层状结构, 因此BN界面层也具有与热解碳类似的界面层特性。研究发现, BN可以降低复合材料的界面剪切强度[11];BN界面层的存在虽会使SiC纤维的强度降低, 但可使所制备的SiC/SiC和C/SiC复合材料的强度和断裂韧性大幅提高[7,8,9,12];BN的晶化程度越高, SiC/SiC材料的力学性能越好[13]。研究还发现, BN对SiC/SiC复合材料的微波介电性能影响不大[7]。BN界面层可采用CVI法制备[9,12,14], 也可采用浸渍涂覆工艺制备[7,8], 且两种工艺制备的BN都为六方结构, 都可很好地起到调节界面结合强度和提高复合材料力学性能的作用。目前, 六方BN界面层主要用于SiC/SiC复合材料[7,8,15], 在C/SiC复合材料中也有应用[9], 甚至可用于金属基复合材料[11]。BN界面层的主要缺点是:B2O3可挥发, 难以长时间维持复合材料的抗氧化性能;难以在800℃以下的低温区实现对某些复合材料的保护, 比如碳纤维增强陶瓷基复合材料;在提高复合材料力学性能方面, BN界面层的作用也比不上热解碳界面层[13]。此外, 人们还对CaAl12O19、LaAl11O18、Ca (Al, Fe) 12O19、LaFe1.5Al10.5O19、KMg2AlSi4O12等层状晶体材料进行了探索性的研究[16,17], 但由于这些界面层材料实用性较差, 目前还没有具体的应用。
3 多层陶瓷界面相材料
多层结构界面层由多层不同材质的亚层构成, 各亚层之间结合力较弱, 可以允许裂纹在亚层间的界面处发生裂纹偏转, 使裂纹的扩展功增加, 故而这种结构材料也符合界面层的功能要求。从结构形式上看, 这种界面层可看作是对第一种界面层的宏观化拓展。目前研究的多层界面相体系主要有 (PyC-SiC) n、PyC-TaC-PyC、PyC/SiC/TaC/PyC和PyC-SiCN等。对于 (PyC-SiC) n多层界面相, 一般认为其可以提高SiC/SiC和C/SiC复合材料的强度和韧性, 并能延长材料的寿命和提高疲劳性能;多层界面相的微观结构也对SiC/SiC复合材料性能有着重要影响, 界面相中的亚层越薄越有利于材料力学性能的提高[18,19,20,21]。但由于多层界面相的层间作用较为复杂, 界面层对复合材料性能的影响也较为复杂, 从而造成各种研究结果并不一致。Taguchi等[20]认为PyC/SiC界面层可使SiC/SiC复合材料的弯曲强度提高10%。而Yang等[22]则认为引入SiC亚层会使SiC/SiC复合材料的界面剪切强度增加, 但对复合材料的弯曲强度影响不大。Wang等[23]的研究发现:PyC/SiC界面层可大幅提高C/SiC-ZrC复合材料的弯曲强度, 并使材料的脆性降低。而Yu等[24]则认为PyC/SiC界面层的存在使SiC/SiC复合材料的断裂韧性大幅增加, 而对弯曲强度却有不利影响, 且亚层的层数越多对复合材料强度的不利影响就越大。至于为什么这些试验结果会出现如此大的差异, 目前还无人给出解释。但这些试验结果的不一致, 从另一个侧面说明人们对界面层作用机理的认识还远不够深入。PyC/TaC/PyC和PyC/SiC/TaC/PyC多层界面相一般用于C/C复合材料。研究认为:采用PyC/TaC/PyC和PyC/SiC/TaC/PyC多层界面相可降低C/C复合材料的界面剪切强度, 使复合材料的强度增加[25,26];在PyC/TaC/PyC多层界面相中, 随着TaC相的增加, C/C复合材料弯曲强度下降, “塑性”变形能力增强, 在引入SiC亚层后, 强度又大幅增加, 同时脆性也增加[27];PyC/SiC/TaC/PyC界面层对提高C/C复合材料抗烧蚀能力不起作用[28]。至于TaC相为什么会使复合材料的力学性能下降, SiC界面相又为什么会使复合材料强度增加, 目前也无法给出明确的解释。此外, Y.Zhu等[29]还对PyC/SiCN界面层进行了研究, 结果表明:随SiCN沉积层厚度的增加, C/SiC复合材料的弯曲强度增加。
由于混合界面层中的每层材料都有各自不同的功能, 通过各层材料之间的相互配合可以使界面层具有单一材料界面层所没有的多种功能。Pasquier等[18]将SiC层与热解碳层相结合, 组成多层材料作为复合材料的界面层, 不仅使SiC/SiC复合材料具有较好的力学性能, 而且具有优异的抗氧化能力。实际上, 为复合材料制备多层界面相主要是为了提高材料的抗氧化性能。由于此类界面层能较好地满足复杂环境条件下的使用要求, 应用前景较好, 因而受到广泛关注和研究。
4 其他界面层材料研究
除了层状结构界面层外, 一些并不具有Naslain所推荐的理想界面层特征的材料也受到研究人员的广泛关注。目前被研究的材料主要有SiC、氧化物陶瓷材料和一些非晶态陶瓷材料。研究这类材料的初衷基本上都是为了提高一些复合材料的抗氧化能力。
SiC相对于BN具有更高的抗氧化性, 并且同BN一样在氧化后可生成粘流态的玻璃 (SiO2) , 填充界面处的缝隙或裂纹[30,31]。研究表明, C/SiC及SiC/SiC复合材料在采用SiC界面层后, 其抗氧化性能都明显提高。虽然SiC并不具有Naslain所推荐的理想界面层特征, 但也能起到界面层的作用。研究表明, 无界面层的SiC/SiC复合材料在采用SiC为界面层后, 强度和韧性都有明显提高[30,32]。只是由于SiC与纤维的界面结合较强, 复合材料在用SiC界面层取代热解碳界面层后强度会出现明显下降[33], 即SiC界面层在提高复合材料力学性能方面明显不如热解碳界面层。因此, SiC不宜单独作为界面层材料使用, 解决的方法就是与热解碳界面层相结合组成多层界面相。
氧化物陶瓷材料具有无可争议的高抗氧化性, 是提高界面层抗氧化性能的理想候选材料。早期, 科研工作者曾先后以β-Al2O3、磁铁铅矿结构材料CaAl12O19、多层钙钛矿化合物KCa2Nb3O10和BaNb2Ti3O10、KMg2AlSi4O12、ABO4型化合物CaWO4和ErTaO4为界面层材料进行了研究, 取得了大量成果, 但到目前为止都未达到实际应用的程度[17,34]。近年, Lu等[35,36]采用莫来石界面层来提高Cf/Si-C-N复合材料的抗氧化性能, 取得了明显效果, 并指出, 要想通过界面层来提高陶瓷基复合材料的抗氧化性能, 理想的界面层材料应具备以下条件: (1) 材料本身具有良好的抗氧化能力; (2) 具有较大的热膨胀系数; (3) 要具有适当的厚度; (4) 材料自身不可与碳纤维进行化学反应, 以免对纤维造成损伤。然而, 由于莫来石界面层与碳纤维和基体的界面结合较强, 在采用莫来石界面层后Cf/Si-C-N复合材料的弯曲强度出现明显下降[37], 故在未采取其他措施的情况下, 莫来石界面层的实用性也不大。
非晶态陶瓷材料一般都具有较好的热稳定性和化学稳定性, 可以作为界面层材料来提高复合材料的抗氧化性能。Labruquère等[38]曾选用B-C、Si-B-C和Si-C作为界面层材料来提高复合材料的抗氧化能力, 研究结果表明:选用适当的非晶态界面层材料可以提高复合材料的抗氧化性能。Lu等[39,40]选用非晶态的Si-O-C陶瓷作为Cf/Si-C-N复合材料的界面层, 可在力学性能基本不降低的情况下明显提高Cf/Si-C-N复合材料的抗氧化性能, Si-O-C界面层在提高复合材料抗氧化性能方面的作用则接近于莫来石界面层。研究中所采用的Si-O-C陶瓷材料并不具有很高的热膨胀系数, 厚度也不高, 但仍可使复合材料获得较好的抗氧化性能, 说明Si-O-C界面层具有不同于莫来石的抗氧化机制。
5 结束语
陶瓷基复合材料 篇5
一、简介
陶瓷基复合材料(Ceramic matr ix composite ,CMC)是在陶瓷基体中引入第二相材料, 使之增强、增韧的多相材料, 又称为多相复合陶瓷(Multiphase composite ceramic)或复相陶瓷(Diphase ceramic)。陶瓷基复合材料是20 世纪80 年代逐渐发展起来的新型陶瓷材料, 包括纤维(或晶须)增韧(或增强)陶瓷基复合材料、异相颗粒弥散强化复相陶瓷、原位生长陶瓷复合材料、梯度功能复合陶瓷及纳米陶瓷复合材料。其因具有耐高温、耐磨、抗高温蠕变、热导率低、热膨胀系数低、耐化学腐蚀、强度高、硬度大及介电、透波等特点,在有机材料基和金属材料基不能满足性能要求的工况下可以得到广泛应用, 成为理想的高温结构材料。报道,陶瓷基复合材料正是人们预计在21 世纪中可替代金属及其合金的发动机热端结构的首选材料。鉴于此, 许多国家都在积极开展陶瓷基复合材料的研究, 大大拓宽了其应用领域, 并相继研究出各种制备新技术。
其中,C/SiC 陶瓷基复合材料是其中一个非常重要的体系。C/SiC 陶瓷基复合材料主要有两种类型, 即碳纤维/碳化硅(Cf /SiC)和碳颗粒/碳化硅(Cp/SiC)陶瓷基复合材料。Cf /SiC 陶瓷基复合材料是利用Cf 来增强增韧SiC 陶瓷, 从而改善陶瓷的脆性, 实现高温结构材料所必需的性能, 如抗氧化、耐高温、耐腐蚀等;Cp/SiC 陶瓷基复合材料是利用Cp 来降低SiC 陶瓷的硬度, 实现结构陶瓷的可加工性能,同时具有良好的抗氧化性、耐腐蚀、自润滑等。本文主要综述了Cf /SiC 陶瓷基复合材料的制备及应用研究现状,并且从结构和功能一体化的角度, 提出了采用软机械力化学法制备Cp 与SiC 复合粉体, 通过无压烧结得到强度、抗氧化性、耐腐蚀等性能以满足普通民用工业用的Cp/SiC 陶瓷基复合材料的制备技术及应用前景。陶瓷基复合材料的性能与其结构紧密相关, 原材料、结构和工艺不同,材料的性能也不同。构成复合材料的组分材料包括纤维、基体和界面, 对于C/SiC 陶瓷基复合材料而言,界面的材料和结构是影响其性能的关键。陶瓷基复合材料的性能包括物理化学性能和力学性能, 物化性能主要有密度、孔隙率、线膨胀系数、热扩散系数、热导率、比热容、抗氧化等, 力学性能主要有强度、模量、断裂韧性、疲劳、高温蠕变、抗热震性、耐烧蚀等性能。韩秀峰等[4] 通过对C/SiC 复合材料进行基体改性, 制备了2D C/C-SiC 复合材料,并与2DC-SiC 的显微结构和力学性能作了对比, 结果表明, 2D C/CSiC复合材料可在基本保持2D C/SiC 的抗弯强度的基础上, 显著提高断裂韧性,基体改性效果明显, 并得出结论,纤维的逐级拔出是KIC提高的原因。郭友军等[ 5] 采用CVI 法制备了在厚度方向上具有纤维增强的3D-C/SiC 陶瓷基复合材料,其层间抗剪切强度比二维碳布叠层C/SiC 复合材料的剪切强度提高171.4 %, 表现出良好的结构特征和优异的力学性能。然而, 2D 层合编织结构虽工艺成熟、成本低、制品尺寸范围广,但层间结合强度不高, 易分层;3D 整体编织结构虽能有效提高厚度方向的强度和抗冲击损伤性能, 但编织角较小时横向力学性能较差。2.5D C/SiC 复合材料是一种不同于2D 和3D 的新型复合材料, 其编织结构是用纬纱贯穿经纱, 形成互锁, 从而增强材料层间结合强度, 并改善横向力学性能。如Boitier 等对2.5D C/SiC 复合材料的拉伸蠕变性能进行测试和研究。Dalmaz 等对2.5D C/SiC 复合材料的循环疲劳性能和弹性模量进行研究和分析。李宏等对2.5D C/SiC 复合材料的热物理性能进行了研究并得出结论:从室温到1400 ℃纵向、横向的热膨胀系数随温度的升高而缓慢增加,在350 ℃和700 ℃附近出现波动;横向的热膨胀系数略高于纵向, 厚度方向的热扩散系数随温度的升高逐渐降低, 且下降速率随温度的升高而变缓;经过CVD S iC 涂层后,材料热扩散系数提高1 ～ 2 倍。姚亚东等以正硅酸乙酯和硝酸铝为原料, 制备了莫来石溶胶, 用浸涂法在碳/碳化硅Cf /SiC)上制备莫来石涂层(Mullite coating , MC), 对Cf /S iC 和Cf /SiC MC 进行了等温-氧化实验,并研究了两者的氧化规律。结果表明,Cf /SiC 和Cf /SiC MC 的氧化都可以划分为3 个主要阶段:θ<700 ℃;700 ℃<θ<1000 ℃;1000 ℃<θ<1200 ℃。在各个阶段, 控制氧化速率的机理各有不同,Cf /SiCMC 的氧化质量损失比Cf /SiC 的低50 %左右, 由此得出,MC 有效提高了Cf /SiC 的抗氧化性能。
二、C/ SiC 陶瓷基复合材料的主要制备技术
前驱体有机聚合物浸渍热解转化技术
将前驱体有机聚合物浸渍热解(裂解)转化(Polymer infiltrationpyrolysis ,简称PIP)制备陶瓷基复合材料是20世纪70 年代至80 年代发展起来的新工艺和新技术。其基本原理是:合成前驱体有机聚合物, 将纤维预制体在前驱体溶液中浸渍,在一定条件下交联固化, 然后在一定的温度和气氛下热解转化为陶瓷基体, 经反复浸渍热解最终获得致密陶瓷基复合材料。Yajima S 曾以聚碳硅烷(Polycarbosilane, 简称PCS)为原料制备出SiC 纤维, 开创了有机聚合制备陶瓷的新领域。20 世纪80 年代中期掀起了对PIP 技术制备陶瓷基复合材料的研究热潮, 20 多年来, 日本、美国、法国和中国等在PIP 技术制备陶瓷基复合材料领域展开了广泛深入的研究,并取得了一些实用化的成果。简科等将先驱体聚碳硅烷与二乙烯基苯按物质的量比1 ∶0.4 配置成溶液, 真空浸渍碳纤维三维编织体, 120 ℃下交联固化6h , 经过一段时间后取出, 然后在氩气保护下高温热解, 制得三维编织碳纤维增强碳化硅复合材料, 经过7 个真空浸渍-交联固化-高温热解周期, 使材料致密化, 制得材料弯曲强度达到556.7MPa 的Cf /SiC 复合材料。然而, 前驱体有机聚合物浸渍热分解转化技术制备的陶瓷基复合材料孔隙率高、体积变形大、工艺周期长、生产效率低、工艺成本高, 不利于其推广应用。因此, 有待于探讨新的制备方法, 如PIP 与CV I 联用,不仅能够提高复合材料的致密性, 而且缩短周期, 提高生产效率。
化学气相沉积及渗积技术
化学气相沉积技术(Chemical vapor deposition , 简称CVD)是在具有贯通间隙的增强相材料(如纤维、晶须或颗粒)坯体或纤维编织体骨架中沉积陶瓷基体制备陶瓷基复合材料的方法, 其工艺为纤维编织体骨架或坯体置于化学气相沉积炉内,通入沉积反应源气, 在沉积温度下热解或发生反应,生成所需的陶瓷基体材料,沉积在坯体的孔隙中, 并逐步填满。化学气相沉积温度一般为1100 ～ 1500 ℃。如闫志巧等采用化学气相沉积法, 于1100 ℃在碳纤维增强碳化硅复合材料表面制备SiC 涂层, 研究了涂层连续沉积和分4 次沉积(每次沉积时间为6h)所制备的SiC 涂层的微观结构和涂层样品的氧化性能。结果表明,与连续涂层样品相比,4 次涂层能显著提高C/SiC 样品的抗氧化性能。CVD 工艺的优点是:复合材料在制备过程中纤维受到的机械损伤和化学损伤小;可以制备纤维多向排布、编织和复杂形状的制品;可用于制备组成可调的梯度功能复合材料。但CV D 技术也存在不足:生产周期长, 效率低, 成本高;坯体中的孔隙在CV D 过程中容易堵塞或形成闭孔, 即使提高压强, 反应源气体也无法进入, 因而难以获得高致密性的复合材料。目前常见的有常压CV D、低压CV D、等离子CVD、热CVD、间隙CVD 和激光CVD 等方法。基于CVD 技术存在难以克服的缺点, 人们又在此基础上发展了化学气相渗积技术。其基本原理是将气态先驱体送达多孔隙的纤维编制预成型体中的纤维表面, 在其上发生化学反应,生成不挥发的产物并沉积, 形成陶瓷基体, 与预成型体中的纤维一道构成复合材料, 并有可能用于净成型而毋须对复合材料产品进行二次机械加工。CVI 与CVD 相比具有效率高、速度快、密度高、强度高、韧性高、临界应变值高,可以制备大尺寸部件等诸多优点。常规的CV I 工艺是等温CVI , 它具有能在同一反应炉中同时沉积多个或不同形状的预制件的优点, 但只能沉积简单的薄壁件, 对于粗厚型件内部往往出现孔洞, 存在致密性差, 材料沉积不均匀的问题, 同时其工艺周期特别长, 材料制备成本较高。为了降低成本, 缩短工艺周期和优化工艺,陆续出现了脉冲法、热梯度法、压差温度梯度法等。北京航空材料研究院提出了一种位控化学气相沉积法来制备Cf /SiC 材料, 制备的复合材料致密性好, 当纤维的体积分数约为50 %时, 材料的密度达到2.44g/cm3 , 为理论密度的96 %。此外还有激光CV I(LCVI)法、强制流动热梯度CVI法(FCVI)、微波CVI 法(MWCVI)等, 应用这些工艺, 可制备零维到三维的形状稍微复杂的陶瓷材料构件[ 17 ,18]。如魏玺等根据C 纤维预制体的结构特征, 建立了ICVI 过程中预制体孔隙演变的“多尺度孔隙模型” , 并根据化学反应动力学和传质学的基本理论, 建立了用于C/SiC 复合材料ICVI过程的数学模型, 很好地描述了C/SiC 复合材料ICVI 致密化过程,对ICVI 工艺的优化有指导意义。因此, CVI 技术是目前应用较广泛的一种制备陶瓷基复合材料行之有效的方法。
料浆浸渍及热压烧结法
料浆浸渍及热压烧结法是最早用于制备连续纤维增强陶瓷基复合材料的方法,其基本原理是将具有可烧结性的基体原料粉末与连续纤维用浸渍工艺制成坯体, 然后在高温下加压烧结, 使基体材料与纤维结合制成复合材料。该技术已用于制备各种纤维增强玻璃和玻璃陶瓷基复合材料。20世纪90 年代初又将此工艺用于制备非氧化物陶瓷基体, 如S iC、Si3N4 陶瓷基体等, 并将该法用于先驱体转化制备Cf /S iC 陶瓷基复合材料, 在料浆浸渍热压工艺制备Cf /SiC 复合材料中,可制备性能较好的纤维增强陶瓷基复合材料。但用该法难以制备大尺寸及形状复杂的陶瓷基复合材料,只能制得一维或二维的纤维增强陶瓷基复合材料, 对于三维编织物增强陶瓷基复合材料, 热压时易使纤维骨架变形移位和受到损伤, 并且纤维与基体的比例较难控制, 成品中的纤维不易均匀分布。
液相硅浸渍法
液相硅浸渍法(Liquid silicon infiltration , 简称LSI)是指在真空条件下, 固体硅在1600 ℃下熔融成液态硅, 通过多孔碳/碳坯体中气孔的毛细作用渗透到坯体内部与碳基体反应生成碳化硅基体, 因此, 又称反应性熔体浸渗法(Reactivemelt infilt ration , RMI)。通过控制硅的用量可以得到C/CSiC 复合材料或C/Si-SiC 复合材料。德国宇航院曾采用反应熔体浸渗多孔C/C 复合材料的方法制备了C/SiC 复合材料。万玉慧等采用液相硅浸渍法制备了密度为2.31g/cm3的2D C/SiC 陶瓷基复合材料, 并对材料的结构和力学性能进行了研究。采用液相硅浸渍工艺可以制备大尺寸、复杂的薄壁结构组件, 工艺时间短, 材料来源广泛, 可以近净成型, 成本较低。然而LS I 工艺的不足在于制备Cf /SiC 复合材料时, 由于熔融Si 与基体C 发生反应的过程中, 不可避免地会与碳纤维发生反应, 纤维被浸蚀导致性能下降;同时, 复合材料中残留有一定量的Si 导致复合材料抗蠕变性能降低。
其他制备方法
上述方法均用来制备碳纤维增强碳化硅(Cf /SiC)陶瓷基复合材料,对于制备碳颗粒复合碳化硅(Cp/SiC)陶瓷基复 合材料,采用软化学方法[ 23] 较为经济合理、普遍。随着科学技术的不断进步和社会需求的不断增长, 人们对基础性材料之一———颗粒的粒径、纯度、形貌及微结构提出了越来越高的要求。传统的高温固相烧结法制得的颗粒粒径大且分布范围宽,杂质含量高且波动性大, 一定程度上影响了材料的性能。因此, 高温固相法已不能满足科技发展的要求。相对于传统的高温固相法而言, 软化学方法(Soft chemistry , SF)是一种在低温低压的“软环境”中制备粉体材料的方法,近年来已广泛应用于制备功能纳米材料。作为一类先进的材料制备手段, 软化学方法接近自然过程, 其因反应条件温和, 且生产出的纳米颗粒高纯超细、性能优异, 引起了人们的广泛关注, 并得到迅速发展[ 24]。因此, 加强软化学稳定体系的基础理论及应用研究, 对于开发新的功能材料, 提高材料的性能,不断拓展新的应用空间具有重要意义。溶胶-凝胶法
溶胶-凝胶(S ol-Gel)制备技术已用于生产各种高性能陶瓷[ 27] , 在软化学方法中具有特殊的地位。溶胶-凝胶技术是一种由金属有机化合物、金属无机化合物或上述两者混合物经水解缩聚过程, 逐渐胶化并进行相应的后处理, 最终获得氧化物或其他化合物的工艺。如今它已成为研究最多、应用最广泛的制备纳米材料的化学方法之一。溶胶-凝胶法制备的复合组分纯度高、分散性好,可广泛用于制备颗粒(包括纳米粒子)/陶瓷、(纤维-颗粒)/陶瓷复合材料, 且制得的陶瓷基复合材料性能良好。Liedtke 等[ 25] 采用快速溶胶-凝胶法, 将碳纤维预制体经过溶胶浸渍、固化得到凝胶, 然后经高温高压热分解制备C/SiC 复合材料, 用此法制备的C/SiC 复合陶瓷的性能和可能的应用将优于商业化的产品。Gadiou 等通过溶胶-凝胶法制备的碳化物涂层提高了C 纤维的抗氧化性能。
软机械力化学法
机械力化学技术(Mechanochemical process , CP)是利用机械能诱发化学反应和诱导材料组织、结构和性能产生变化来制备新材料或对材料进行改性处理。机械力化学法与传统的技术工艺相比,具有以下优势:①减少生产阶段, 简化工艺流程;②不涉及溶剂的使用及熔炼, 减少了对环境的污染;③可获得用传统的工艺很难或不能获得的亚稳相产品。21 世纪初, Lu 等将Ti、Si、C 按Ti25 Si25C50 的比例混合, 采用机械力化学法, 经过100h 行星球磨后, 制备出TiC-SiC 复合粉体;崔晓龙等以硅粉和石油焦为原料利用机械合金化技术制备出SiC , 并认为生成物是六方晶型的α-SiC。然而,硬机械力化学法在随机研磨过程中能量效率低, 并对材料产生污染。但是, 软机械力化学法(“ Soft ” mechanochemicalprocesses , SMCP)是采用机械法将原材料进行预处理,从而降低其反应活化能, 制备陶瓷复合粉体的一种方法。如Yang Yun 等以C 粉、Si 粉、聚四氟乙烯/PVC/NH4Cl为原料, 采用机械激活(软机械力化学)燃烧合成反应法(MASHS)在氩气氛保护下球磨2 ～ 8h , 制备出β-SiC 不同粒径的超细粉料, 将传统的燃烧合成SiC 微粉的燃烧温度从2273 ～ 3273K 降低到1600 ～ 1700K , 甚至更低。笔者通过试验得出, 软机械力化学法是制备Cp/SiC 复合粉体行之有效的方法之一, 采用该法不仅较好地改善了碳颗粒在SiC 中的分散均匀性问题, 而且能够降低复合粉体的烧结温度, 制备出综合性能(热稳定性、化学稳定性、可加工性等)良好的陶瓷基复合材料。三、应用前景
现代飞机的“血肉”：复合材料 篇6
2005年和2007年，世界上最大的民用客机——空中客车A380以及美国的大型喷气客机——波音787相继诞生，它们代表了当今世界民机的最高水平。细心的人们惊奇地发现，在这两款飞机的选材介绍中，复合材料的用量均达到空前水平。其中，A380飞机上的复合材料用量为25％左右，而波音787飞机上的复合材料用量则超过了50％。事实上，除了上述民机以外，现在最先进的第四代战机F－22、F－35等的复合材料用量也分别高达24％和30％。A380、波音787、F－22、F－35等一批先进飞机的问世标志着现代飞机已从“铝为主，钛、钢、复合材料结构并存”的时代迈向“复合材料为主，铝、钛、钢结构共存”的新时代。
另据专家透露，在我国着手建造的国产大飞机上，传统的铝合金部件有望被大量轻而强韧的碳纤维等复合材料所取代，并且这件完美“外衣”将尽可能地实现中国制造。
第四代材料
那么，到底什么是复合材料呢?不同的组织或出处给出的定义略有不同。如，国际标准化组织将复合材料定义为：“两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料”；而“材料大辞典”则将复合材料定义如下：“复合材料是由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料。它与一般材料的简单混合有本质区别，既保留原组成材料的重要特色，又通过复合效应获得原组分所不具备的性能。可以通过材料设计使原组分的性能相互补充并彼此关联，从而获得更优越的性能。”
可见，复合材料并不是什么新材料，它只是由两种或两种以上的不同材料组合而成的工程材料而已。也许其中某种组分的某项特性并不优越，但不同材料之间却能互相协同，取长补短，使复合材料的最终综合性能优于原组成材料，从而满足各种不同的要求。
研究人员把复合材料这种扬长避短的作用称为复合效应。人们利用复合效应可以自由选择复合材料的组成物质，人为设计各种新型复合材料，从而把材料科学推进到新的阶段。所以，国外也把复合材料称为第四代材料或“设计材料”。
现代飞机为何大量使用复合材料
目前飞机上广泛使用的复合材料以碳、硼、玻璃等纤维增强树脂为主。这些碳纤维、硼纤维或玻璃纤维通常具有很高的强度和刚度，而树脂基体的密度很低。除了上述的纤维增强树脂复合材料以外，飞机上还使用了金属基复合材料、陶瓷基复合材料以及碳／碳复合材料。
现代飞机结构中之所以大量使用这些复合材料，主要有以下几个原因。
首先，和金属材料相比，复合材料具有更高的比强度和比刚度。这里所说的比强度、比刚度指的是材料的强度或刚度除以密度。这是两个衡量材料承载能力的重要指标。显然，比强度和比刚度越高，说明这种材料的重量越轻，并且相对强度和刚度越大。碳、硼、玻璃等纤维增强树脂的这些特性，正是结构设计，特别是航空、航天结构设计对材料的基本要求。
其次，复合材料具有良好的抗疲劳性能。飞机在滑行、起飞、降落和着陆过程中不断经受着交变的循环载荷，即所谓的疲劳载荷。结构或材料承受这种疲劳载荷的能力通常被称为材料的抗疲劳性能。研究表明，金属结构在受到疲劳载荷时，局部位置极有可能萌生裂纹，裂纹进而会在不知不觉中增长，最后突然断裂。相比之下，复合材料的疲劳断裂通常是从基体开始，逐渐扩展到纤维和基体的界面上，始终没有突发性的变化。因此，检修人员可以有足够的时间来检查和补救。一项实验表明，用碳纤维复合材料制成的直升飞机旋翼，其疲劳寿命比用铝合金金属的长数倍。
第三，复合材料具有良好的安全性及减振性能。在纤维增强复合材料的基体中有成千上万根独立的纤维。当用这种材料制成的构件超载，并有少量纤维断裂时，载荷会被迅速重新分配并传递到未遭破坏的纤维上，因此整个构件不至于在短时间内丧失承载能力。与此同时，纤维复合材料的纤维和基体界面的阻尼(指振动系统能量损失、振幅逐渐减小的能力)较大，因此，纤维复合材料结构的振动衰减时间比相应的轻金属结构要短得多，即具有较好的减振性能。
第四，复合材料的成型工艺简单。纤维增强复合材料一般适合于整体成型，因而减少了零部件的数目，从而可减少设计计算工作量并有利于提高计算的准确性。另外，制作纤维增强复合材料部件的步骤是把纤维和基体黏结在一起，先用模具成型，而后加温固化，在制作过程中基体由流体变为固体，不易在材料中造成微小裂纹，而且固化后残余应力(构件在机械制造加工的过程中，将受到来自各种工艺等因素的作用和影响，在这些因素消失后，若构件所受到的上述作用力不能随之完全消失，仍有部分作用和影响残留在构件内。则这种残留的作用和影响被称为残留应力，或残余应力)很小。这些对提高结构的疲劳寿命都是极其有利的。
第五，使用复合材料的经济性价比高。虽然碳纤维等复合材料的成本在目前依旧比铝合金要贵，但飞机重量大幅度减轻所带来的经济效益远远超过了材料成本较高的负面效应。根据波音公司的承诺，使用了50％复合材料的波音787飞机可以降低20％的油耗，其中有8％的油耗归功于大量使用复合材料后显著减轻了机身重量。另外，与钢或铝合金零件相比，复合材料更适合整体化成型，如波音787机身就是由4个大型复合材料机身段拼接而成。减少了零部件数量就意味着成本的降低。与此同时，由于选用了大量的复合材料零部件，传统的金属结构机械修补方法，如铆接、焊接、螺接等可以大量被新的复合材料结构胶接修补技术所替代。复合材料胶接修补不仅工艺简单、维修质量可靠，而且成本低廉。据报道，若大量采用复合材料结构胶接修补技术，波音787的外场维护间隔时间将有望从同类波音767飞机的500小时提高到1000小时，维修费用则比同类波音777飞机低32％。
第六，铝、钛等合金通过冶金手段加入碳化硅短纤维、氧化铝粒子等增强剂后，在比强度、耐高温、耐疲劳、抗紫外辐射等性能方面与未强化前的合金相比，都有显著的改进。
最后，陶瓷基复合材料以及碳／碳复合材料具有良好的强度和热稳定性，非常适合于制作某些耐高温的发动机部件。
现代飞机使用了哪些复合材料
目前飞机上使用的复合材料一般以纤维增强树脂为主。严格地讲，树脂其实也属于塑料，常用的主要包括环氧树脂、聚酯、乙烯酯、酚醛和聚酰亚胺树脂等。虽然这些树脂低密度的特点符合飞机设计“斤斤计较”的要求，但是其强度较低，于是研究人员通过加入各种纤维来增加材料的强度。这些增强纤维主要有碳纤维、硼纤维、玻璃纤维和芳纶纤维等。
除了纤维增强树脂复合材料以外，近20年来，以铝、钛及镁等为基体的复合材料在航空领域内也取得了重大突破，如以碳化硅短纤维、氧化铝粒子增强的铝、钛合金为基体的复合材料。这类材料与未强化合金相比，在比强度和比刚度、耐高温、耐疲劳、抗震动、耐紫外线辐射、可加工性等性能方面都有大幅度的提高。
陶瓷基复合材料以及碳／碳复合材料也是近年来出现的可用作耐高温发动机部件的两类新型复合材料。目前用的最多的陶瓷基复合材料产品是以碳化硅或碳纤维增强的氧化物或氮化物基体材料，可用于制造飞机发动机加力燃烧室、燃烧室瓦片、喷嘴、火焰稳定器等，以代替高温合金。这种陶瓷基复合材料抗弯强度高，断裂韧性高，比重小，抗氧化，耐高温，热膨胀系数较小，工作温度在1250℃－1650℃。与此类似，碳／碳复合材料的耐热性也很好，能耐1650℃以上的高温，它具有密度小、强度高、模量高、导热性优良、膨胀率低以及抗蠕变和抗热冲击性等优点，已开始应用于火箭发动机的喷管喉衬、隔热瓦片和飞机刹车块等部位。
值得一提的是，一种近来出现的被称作“Glare层板”的新型复合材料。这种材料具有三明治结构。外层通常是由铝合金板组成，铝合金板中间夹有芳纶或玻璃等加强纤维。这种Glare层板具有复合材料高强低密的特点，又兼有铝合金的优点——韧性和抗疲劳性能好。据报道，合理设计使用Glare层板可使飞机结构减重30％，而且经济效益更好，因此，A380客机上已大量应用了这种Glare层板。
复合相变储能材料的研究 篇7
随着微纳加工技术的发展, 航空航天领域中的电子元器件向高功率化、小型化等方向发展。随着飞行器速度不断提升, 电子元器件的温控问题已经成为影响器件可靠工作的关键。资料分析显示:电子元器件的温度每升高2℃可靠性下降10%, 因此航空航天领域中电子元器件可靠地温度控制是飞行器正常运行的重要保障。目前被广泛应用于解决电子元器件散热问题的导热界面材料不能满足航天领域电子元器件的温控需求, 对于此类处于较高温度的密闭环境体系中高密度电子元器件的热保护必须采用一种新型的热控技术, 即相变储热式温控技术。相变材料被提出装配于电子元器件和散热片之间, 通过相变过程的相变潜热吸收电子元器件工作产生的热量, 达到控制电子元器件温升, 保证电子元器件可靠性的目的。同时, 相变材料具有常温下呈固态, 可以制成垫片便于装配, 达到一定温度后融化润湿配合界面, 降低界面热阻, 是替代界面导热材料的新型热控材料。
针对目前复合相变储能材料存在的问题, 研制二元有机/无机纳米复合相变储能材料, 以无机层状化合物为载体基质、二元有机储能材料为工作成分, 利用插层离子交换技术将储能纳米粒子填充到无机片层纳米结构中, 提高单位质量导热性能, 通过溶胶-凝胶法制备出新型二元有机/无机纳米复合相变储能材料。在二元有机相变储能材料研究中, 从增加材料的导热系数和储能密度展开研究, 通过相变储能材料共混机理、复合相变储能材料优化设计, 为固-液相变储能材料的优化设计提供技术支持。最终研制出的二元有机/无机纳米复合相变储能材料兼具高储能密度与高导热性能, 将其应用于建筑节能领域 (如墙体保温材料、砂浆等) 、恒温保温纺织领域 (如冷库出入、井下作业人员等) , 可以有效提高能源的利用率。
1 复合相变储能材料优化设计
在复合相变储能材料的设计阶段, 体系的选取及合适的组分的确定都可以直接根据相图加以确定。
由于一些纯化合物具有较高的相变焓, 是很好的相变储能材料, 但其中大部分纯化合物的熔点高于实际应用要求的相变温度, 并不能直接应用。如果能把这些物质进行混合, 通过调节物质的比例来调节混合物相变温度, 使其相变温度范围落在具体应用领域的舒适度范围内, 并且具有较高的相变焓, 就获得了高品质的相变储能材料, 所以只有将它们进行复合, 才能制备出符合要求的相变储能材料, 即通过互相混合以降低相变材料的相变温度。
将两种纯化合物混合成理想溶液模型, 两组分体系混合能达到最低的熔点, 称为低共熔点。将纯化合物混合而成的溶液冷却, 则获得的低共熔点温度为混合后相变材料的计算相变温度。
通过施罗德 (Schroder) 公式计算可得到两种单体不同混合比例对应的不变温度。低共熔温度时呈三相平衡:
在定温定压时, 为使溶质A溶于溶剂B所形成的溶液和纯溶质A处于平衡, A在两相中的化学位必须相等。即:
公式中:µA* (S) (T, P) 为纯固体溶质A的化学位 (摩尔吉布斯能) 。在平衡时用饱和溶液中溶质A的摩尔分数xA为溶解度。
因为是理想溶液模型, 所以µAl=µA* (l) +RT lnx A, 因此,
对上式两边取全微分,
在一定压力时,
由此得出,
式中, xA为混合物主要成分A的摩尔分数;∆SlHA为纯化合物A的熔化潜热, J·mol-1;Tf为纯化合物A的熔化温度, K T含有化合物A的混合物的熔化温度, R为气体常数, 8.315 J·kmol-1。
材料的熔点受到材料纯度的影响, 纯度过低可能造成材料的熔点与其理论差值相差3℃, 因此选用的原材料首先要用DSC方法测量其相变温度和相变焓, 然后就可以利用测得的值 (Tf, ∆SlHA) 和公式 (4) 来计算二元混合物的低共熔点 (xA, T) 。
通过有机相变材料混合制成的二元复合相变材料, 属于新的混合有机相变材料, 其相变特性与原材料相比会发生很大改变, 相变温度区间一般相对较大。借鉴无机相变材料减小过冷度的方法, 在二元复合相变材料中添加形核剂, 加速相态转化, 可以减小材料相变温度区间。
2 复合相变储能材料制备研究
利用溶胶-凝胶法制备复合相变储能材料, 金属醇盐中加入纳米粒子经水解和缩聚反应形成溶胶, 通过搅拌使其混合均匀。在凝胶形成过程中, 相变储能材料与溶剂一起被裹入一定结构和尺寸的孔或“笼”维网络结构, 而相变储能材料则被均匀地分散、嵌入在二氧化硅的三维网络中, 使其很难再溢出;从而将有机相变材料和无机物的结构、物理和化学特性充分的结合起来。
此外, 凝胶孔大量地以闭合孔的形式存在, 在化学惰性的密闭孔中密封了大量的相变储能材料, 形成了所谓“笼效应”, 使得相变储能材料被包覆在“笼”中, 在宏观上始终呈现固体状态。
溶胶-凝胶法的主要原理是将酯类化合物或者金属醇盐溶于有机溶剂中, 形成均匀的溶液, 然后加入其他组分, 在一定温度下反应形成凝胶, 最后经干燥处理制成产品。基本反应为水解反应和聚合反应。
(1) 水解反应:对金属醇盐M (OZ) n而言 (其中n为M的原子价) , 金属醇盐的水解反应式如下:
(2) 缩聚反应:金属醇盐的缩聚反应与水解反应同时发生, 分为失水缩聚和失缩聚:
(3) 总反应:
式中, M为金属;Z为有机基团, 制备的溶胶中含有大量的水和醇, 经干燥、焙烘除去溶剂可得到具有网络结构的凝胶。
2.1 溶胶制备研究
溶剂:制取含金属醇盐和水的均相溶液是溶胶凝胶制备的关键, 以保证醇盐的水解反应在分子的水平上进行。
金属醇盐:过渡金属醇盐一般都具有配位数增高的趋向。带有部分正电荷的金属原子, 通过其空间轨道接受亲核配体提供的电子, 使配位数增高, 这通常要借助于溶剂化齐聚作用。
水的加入量:水的加入量习惯上以水与醇盐的物质的量比计量, 用R'表示。由于水本身是一种反应物, 水的加入量对溶胶的制备及其以后的工艺过程都有重要影响。研究表明水的加入量对溶胶的粘度, 溶胶向凝胶的转变以及胶凝化作用的时间均有影响。要获得清澈透明的凝胶必须在 的条件下。
水解温度:提高水解温度对醇盐水解速率是有利的, 特别是对水解活性低的醇盐 (如硅醇盐) 。为了缩短水解时间, 常常需要在加温条件下操作, 此时制备溶胶的时间和胶凝时间会明显缩短。
催化剂:催化剂可以是酸、碱或者它们的混合物, 在催化剂的作用下, 水金和属醇盐发生水解反应, 水解反应以及胶凝时间受到催化剂的种类的显著影响。
2.2 催化剂在溶胶-凝胶中的作用机理研究
溶胶-凝胶反应过程以及生成凝胶的结构及粒度受到催化剂的显著影响。在溶胶-凝胶法制各复合材料过程中, 胶体特性受催化剂种类的影响极大, 从而最终对复合材料的结构与性能起到只关注重要的影响作用。
加入溶液中的酸或碱起到调节溶液的酸碱度作用的同时具有催化作用。本文拟用氨水来调节溶胶的p H值。在氨水催化条件下, 氢氧根离子的作用使硅原子带负电性并导致其电子云向另一侧的-OZ基团偏移, 使该基团Si-OZ键减弱并最终断裂。水解机理如下:
水解过程由于位阻效应的影响, 通过不断聚合作用、水解作用形成一线性硅氧链, 随着硅氧链的伸展、交联, 最后形成了线性交联的三维无规网络结构。
3 复合相变储能材料的应用
我国大量的钢铁、机械制造等企业每年对于煤、电、天然气等需求非常严重, 尤其是电力负荷的需求, 日趋严重。采用复合相变储能材料, 可以用于工业余热回收、电力的峰调等, 有效解决我国日益严重的能源缺乏问题。
以普通的热水储热器与相变储能器为例, 同样的5 L供热水量, 同样的输出功率:200 k W, 同样的输入功率:19 6 k W。每天消耗的电费差别相当大, 相变储能器为379元/天, 热水储热器为1288元/天, 变储能器可节省电费:1288-379=909元, 单以次计算, 每年可节约电费33万余元, 节电效果非常明显。
节能环保、可持续发展是我国目前工业建设的发展趋势。相变储能材料能够有效地节约能源, 缓解能源问题, 提升能源利用效率, 提高热转换效率。尽管人们对相变储能技术的研究虽然只有几十年的历史, 但它的市场前景十分广泛己日益受到人们重视。
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复合材料修复技术概述 篇8
20世纪40年代, 为满足航空工业发展的需求, 美国生产出了第一代复合材料—玻璃纤维增强塑料, 自此复合材料走入了人们的视线中。20世纪90年代, 波音787飞机大范围使用新型碳纤维复合材料, 标志着复合材料技术已经较为成熟, 材料已克服成本障碍, 应用于越来越多高性能结构中, 新型材料用量占整体结构总质量不低于50%。现阶段高性能新型复合材料已经进入许多关键领域, 如运行在铁路线路上的高速列车[1]。
复合材料优越的性能展现在越来越多的领域。20世纪70年代初期, 澳大利亚研究人员Alan Baker博士就已经开始对金属飞机结构损伤修复进行了探索[2], 并首次运用在飞机结构件的维修。复合材料修复结构损伤已经作为对精密部件修复的首选技术。截止2010年, 北约国家在用复合材料修复结构损伤已超过万例[3]。
相比与传统机械联接, 复合材料修复损伤技术具有明显的优越性。现阶段已经在航空、航天飞行器, 高速列车结构件得到应用, 并逐渐涉及生物学, 力学, 材料, 医学和计算机技术等领域及学科[4]。本文主要介绍碳纤维复合材料修复损伤技术。
1 碳纤维修复损伤介绍
碳纤维复合材料修复技术是指用高性能的碳纤维复合材料修补缺陷或损伤的结构, 实现降低裂纹的扩展速率、制止裂纹的扩展、降低结构损伤部位的应力水平的效果, 在一定程度上提高临界裂纹长度, 使损伤构件的功能和承载能力得以最大限度的恢复, 达到延长结构使用寿命的目的[5]。
复合材料修复结构技术有如下优点:
1) 新型修复方法不破坏结构的原始状态, 并较大程度地减少应力集中、改善承载情况以及避免二次损伤, 从而提高结构性能。
2) 最大程度恢复和增强原始结构的强度和刚度。
3) 由于纤维及基体材料的密度较小, 相比于原始修理方法, 新型修理方法修理后结构整体增重小。
4) 新型复合材料修复后的结构抗疲劳性能和耐腐蚀性能良好。
5) 复合材料修复技术消耗时间短、经济性好、成本低。
6) 复合材料修复技术适用于修理各种复杂表面, 有效恢复原有结构形状, 保持光滑气动外形[6]。
2 碳纤维复合材料修复技术应用领域及研究现状
碳纤维复合材料修复技术应用广泛, 并逐渐成为重点注目的研究和发展课题[7]。1982年, 阿拉尔塔里木河大桥建成通车, 结构为钢筋混凝土简支T梁特大桥。其承载力近年来明显下降。检测大桥的基本结构损伤后, 确定使用粘贴碳纤维布的加固方案, 获得圆满成功。碳纤维复合材料修补、加固桥梁效果显著。日本也采用这种工艺对大地震造成损坏的钢筋混凝土桥板、桥墩进行修补作业[8]。
碳纤维复合材料修复技术不只于应用修复桥梁损伤, 在其他领域也有很好的成效。2007年6月, 鄯善输气站进行了腐蚀缺陷检测, 并少量进行开挖验证。检测发现多处管体腐蚀缺陷, 最严重处达到壁厚的67%, 常规的焊接修复方法难以进行修复。综合考虑下游居民、企业的正常用气以及可能会给输油公司造成巨大的经济损失等多方面因素, 最终选用碳纤维复合材料修复技术。测试发现管道均恢复了正常的运行压力[9]。
近些年在对海底管道例行的检测中, 检测人员发现渤西中段海管登陆段管道多处达到高风险评级。为保证海上油气田的生产安全, 最终采用Perpe Wrap复合材料系统对高危段管道进行了修复[10]。
2.1 碳纤维表面处理
改善与提高纤维基体界面的结合强度, 应从增强界面结合能力的方式实现:增加基体对纤维表面的润湿性能, 去除纤维表面的污染层, 增加纤维表面的粗糙度, 引入一些极性基团对纤维进行活化, 以及多种方法共同使用等。
处理纤维表面常用的方法有如下几种。1) 湿化学处理;2) 电化学处理;3) 偶联剂处理;4) 等离子体处理;5) 高能辐照处理。当前主要使用空气氧化法和硝酸氧化法。
特别需要注意:复合材料成型模表面为了脱模, 常涂有含氟聚合物或硅酮类的脱模剂, 这些脱模剂有可能降低碳纤维和基体材料的结合强度, 也要对此情况进行考虑[11]。
通过分析碳纤维 (CF) 增强热塑性复合材料的力学性能发现, 浓硝酸对碳纤维表面刻蚀沟明显, 纤维与基体界面结合良好[12]。
特殊的纤维, 其纤维表面需要进行涂层处理等手段, 使得结合强度达到要求的水平;适时地发生界面脱粘, 界面位置出现的裂缝生长、伴随的滑移、纤维拔出以及摩擦滑移过程中, 吸收较多的能量, 使材料保持较好的韧性[13]。
2.2 碳纤维三维编织方法增强复合材料的性能
对于连续纤维增强相, 纤维的排列结构方式大致可分为单取向、二维 (2D) 和三维 (3D) 。
二维织物增强聚合物基层压结构复合材料的发展和应用已经较为成熟, 但这种工艺本身存在一系列不可抗拒的缺陷, 造成在厚度方向的力学性质较差;易出现分层;抗冲击性能;损伤容限较低。
三维结构碳纤维在面内方向和厚度方向都有一定比例的纤维, 厚度方向的纤维将各层的面内方向的纤维捆绑成了一个整体。三维结构的聚合物基复合材料结构的整体性较高, 抗分层性能较好。三维编织是解决分层问题的有效途径[14]。
三维编织纤维技术还可以运用在零部件的设计中。针对一个零部件的工作环境、受载荷情况以及其他诸多条件, 利用特定原料, 特别设计编织方法, 达到增强零部件整体性能的目的。
2.3 耐高温高压管路修复技术发展现状
国外管道修复方式及方法包括沟内修复和沟外修复、停输或不停输修复、人工修复或机械化修复、内修复和外修复等。其中较多地采用停输修复的方式, 对于不宜停输的管道亦采用不停输的方式进行修复。在允许停输条件下, 采用沟外修复方法多于沟内修复法。
目前, 国外采用较为多样的内修复方法, 包括管道内衬法、PE管道插入法或软翻内衬套修复法等。低压天然气管道、煤气管道、自来水管道或污水管道等民用设施管道一般使用内修复方法。对于高、中压油气管道等复杂管道, 则多采用外修复法[25]。
外修复方法还可细分为管体缺陷补强修复和管道防腐层修复。管体缺陷补强的方法一般有补焊、打补丁、半圆套管、整圆套管、环氧填充套筒修复以及复合材料修复。国内的管道修复中已广泛采用换管法、打补丁、金属卡具法这三种方法。
国内复合材料修复是一项较新的技术, 2004年, 四川省西南油气田分公司首次应用美国的Clock-spring复合材料贴片修复天然气管道。在北美和欧洲的各类油气管道修复中此技术应用已非常普遍, 成为可供选择的经济、有效的永久性管道修复方法。
复合材料修复的原理是将缺陷部位所承受的应力通过高强度的填充物转移至复合套筒上。常用的复合材料有加入玻璃纤维或碳纤维等强化物质的基体材料。
管道补强套件可用于腐蚀或损伤程度低于80%的管道补强。修复后的管道, 其承压能力将会100%地恢复到新建管道的水平。
摘要：复合材料修复技术是一种使用胶结方法对损伤结构进行修复的新技术, 其中碳纤维复合材料表面胶结损伤修复技术是综合性能最优、前景最为广阔的维修技术。文中介绍了碳纤维复合材料修复表面损伤在管道修复领域的应用现状, 以及可能对修复性能有效提升的碳纤维表面改性技术和三维编织技术。分析认为碳纤维复合材料修复技术将在航空航天、管道修复以及更多其他领域广泛应用。
热塑性增强复合材料 篇9
该热塑性增强的复合材料, 包括以下重量份数的组分:
聚丙烯树脂30～80, 无碱玻璃纤维10～50, 相容剂5～20, 抗氧剂0.2～1.5, 成核剂0.2～3, 加工助剂0.2～2。
优选地, 所述相容剂选自聚烯烃、热塑性弹性体和酸酐中的一种或多种。
优选地, 所述抗氧剂选自抗氧剂1010、抗氧剂168、抗氧剂B215中的一种或多种。
优选地, 所述成核剂选自脂肪酸及其金属皂类、芳香酸金属皂类、山梨醇类、有机磷酸盐类、松香酸皂类中的一种或多种。
优选地, 所述加工助剂选自硬酯酸钙、铝酸酯、钛酸酯和石蜡中的一种或多种。
优选地, 该复合材料还包括重量份数为0.1～1.0的光稳定剂, 所述光稳定剂选自UV770、UV3326、UV429中的一种或多种。
优选地, 所述聚丙烯树酯的熔体流动速率为2g/min～4 g/min。
优选地, 所述聚烯烃选自聚丙烯或/和聚乙烯。
优选地, 所述热塑性弹性体为乙烯-辛烯共聚物、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物、氢化苯乙烯-丁二烯-笨乙烯共聚物、三元乙丙胶中的一种或多种。
优选地, 所述无碱玻璃纤维的直径为8μ～13μ。
优选地, 所述酸酐为马来酸酐。
优选地, 所述相容剂是通过如下步骤制作而成的:将原料聚烯烃、热塑性弹性体和酸酐中的一种或多种搅拌均匀后, 在引发剂作用下, 于180℃～210℃下, 通过同向双螺杆挤出造粒, 烘干后即得相容剂;
其中所述引发剂选自过氧化二异丙苯、过氧化苯甲酰和过氧化二叔丁基中的一种或多种。
与现有技术相比, 本发明玻璃纤维增强聚丙烯复合材料, 在冲击强度、弯曲强度、弯曲模量、透明度上比一般的玻璃纤维增强材料都有很大的提高, 实现了玻璃纤维增强聚丙烯复合材料的高韧、高强、高模、高透明度等性能。
联系人:陈如意
地址:湖南省株州市北站路69号株州时代工程塑料制品有限责任公司
浅议编织复合材料技术 篇10
在航空航天方面, 编织结构复合材料主要应用于航天飞机及飞机的机翼、飞行器机体的骨架、火箭和导弹发动机壳体、喷管和压力容器等。不光在航空航天方面, 在其他工程领域编织复合材料也有很好的应用前景。编织复合材料由于其比硬度大、比强度高、整体性能好而在实际应用中有着许多的优势。织物结构增大了聚合物基体的强度, 同时改善了材料整体中的应变分布。编织复合材料的热膨胀性小、耐腐蚀、在较大的温度范围内都可以保持良好的空间稳定性。现今无人机的应用越来越广泛, 其中减重是无人机结构设计的一个永恒的话题, 而如何合理的应用复合材料是解决这一问题的一个有效途径, 本文对编织复合材料进行了初步探索, 为以后无人机研制奠定理论基础。
2 编织复合材料技术
2.1 立体织物的分类
立体织物主要分为以下五类:
(1) 机织;
(2) 针织;
(3) 三维编织;
(4) 正交及非正交;
(5) 针刺、穿刺缝合。
2.2 编织复合材料基体
编织复合材料的基体主要是聚合物, 有热塑性树脂和热固性树脂两大类。热塑性树脂的特点是遇热软化或熔融而处于可塑性状态, 冷却后又变坚硬, 而且这一过程可以反复进行。热塑性树脂复合材料需要在一定的温度和压力下加工, 适于大规模的自动化生产, 并能降低单位产品的成本。
2.3 编织复合材料成型技术
编织复合材料的成型技术与单向纤维增强复合材料的成型技术有很大程度的相似性。主要涉及到的成型技术有:模压成型、树脂传递模塑 (RTM) 成型、手工成型和真空浸渍法成型等。成型过程中同样涉及到树脂浸渍、固化定型等过程, 但在树脂浸渍方面明显地优于传统的浸渍法。在这些成型技术中, 应用最多的是RTM (Resin Transfer Mould) 工艺。由于纤维纺织结构物具有很好的整体性和均匀性, 其整体性保证了纤维不会因注入树脂产生的流动压力而引起纤维的变位, 而其均匀性保证了预制品空隙均匀, 使注胶的压头平齐, 不会造成回流包住气体而形成气孔, 所以, 可生产出高性能RTM结构制品。
2.4 中空织物
中空织物的设计:主要包括:
(1) “逆向”交织成芯技术;
(2) 芯部形态的多结构设计;
(3) “8”字形芯部形态设计。
织物复合成型方法:织物可采用手糊, 浸胶, 喷射或抽真空等成型方法。
夹芯材料性能对比, 如表1所示。
从表中可以看出:
(1) 整体中空夹层复合材料的平拉、双层剪切性能明显优于传统蜂窝夹层复合材料, 平压、弯曲性能二者差异不大, 且该种材料为整体成型, 因此, 在很多方面的实际使用中可替代传统蜂窝夹层符合材料。
(2) 中空夹层复合材料纬向剪切性能和弯曲性能均优于经向。实际应用中应根据结构载荷方向进行合理设计, 使结构受力达到最佳状态。
对比结果:
(1) 中空织物复合板可采用气压压注的方法进行发泡, 但由于板的空间较小, 泡沫密度不得低于70Kg/m3。发泡工艺方法可用于制作批量泡沫夹层中空织物复合板。 (2) 泡沫夹层中空织物复合板整体性能高于泡沫夹芯板;高密度泡沫夹层中空织物复合板和高密度泡沫夹芯板均高于低密度泡沫夹芯板;泡沫夹层中空织物复合板的经向侧压和面板强度高于纬向, 弯曲性能经纬向差别不大。 (3) 泡沫夹层中空织物复合板及泡沫夹芯板力学性能均随泡沫密度的提高而提高, 实际应用时应考虑性能与重量的优化设计。 (4) 加工工艺、材料选择对力学性能有一定的影响, 性能对比时应考虑各种条件的一致性问题。本次试验两种泡沫夹层结构性能对比时泡沫密度有一定差别, 主要是由于泡沫中空板与面板及芯材接触处泡沫密度偏高, 但基本能反映性能差异。 (5) 将PU聚氨酯硬泡灌注填充中空织物复合板中间空腔部分使PU硬泡和中空织物复合板有机粘接在一起, 在增加很小质量下能较好的提高中空织物复合板的各项机械性能。
结语
(1) 编织结构具有高强度、高模量, 特别是在厚度方向, 使材料具有高损伤容限、高断裂韧性、耐冲击、抗分层和抗疲劳等;
(2) 编织结构具有优良的可设计性, 可根据要求增减增强纤维的含量, 并可一次完成复杂构件的成型;
(3) 整体成型中空复合材料的预制体为三维整体成型, 可以充分保证材料的整体力学性能, 夹芯层的空间可以成为充分利用的功能层, 如预埋件、监控探头、导线与发泡成型;
(4) 整体夹芯中空复合材料比其它夹芯材料具有更加优异的力学性能, 尤其是层间强度大大增强, 解决了一般夹芯材料层间强度低、易分层的缺点。
(5) 编织复合材料的初步探索, 为以后无人机复合材料的研制奠定了理论基础。
参考文献
[1]张艳明, 邱冠雄, 二维纺织复合材料成型的研究[J].产业用纺织品, 2005 (2) :21-28.
[2]杨桂, 敖大新, 张志勇, 姚学锋.编织结构复合材料制造[J].工艺及工业实践, 1999 (2) .
[3]沃丁柱.复合材料大全[M].北京:化学工业出版社, 2000.
《复合材料工学》教学方法初探 篇11
摘 要： 《复合材料工学》是复合材料与工程专业学生的专业方向课程之一，相关知识教学有其规律与特点，笔者结合自身教学实践，从课程作用、教材选择、课程教学、成绩考核与评价、教学效果与评价等方面探讨这门课的教学方法。
关键词： 《复合材料工学》 案例教学 教学要点
复合材料与工程专业人才可从事阻尼材料、抗辐射材料、热功能材料、摩擦功能材料、压电复合材料、仿生复合材料、梯度功能材料、功能陶瓷材料、超导功能材料、医用功能材料的研发、生产与管理工作[1]。复合材料相关工艺及设备的研究是复合材料与工程专业学生学习、研究的重要内容，不同组成、结构的复合材料对成型加工工艺及设备提出不同的参数要求，而工艺和设备的研究、开发和持续改进是从事相关工作的永恒主题[2]。复合材料工学就是面向高教学生开设的一门有关复合材料成型工艺及设备的专业方向课程。通过多年对本门课的教学，笔者总结出以下教学要点。
1.讲明本课程的作用
《复合材料工学》是复合材料与工程专业的一门专业方向课，是在学生学习了高分子化学与物理、材料复合原理、材料表面与界面、复合材料力学与结构设计等专业课基础上开设的。它是一门理论性和应用性都较强的课程，为学生今后从事有关复合材料加工的理论研究和生产一线工作打基础。
2.本课程教材的选择
目前，国内关于《复合材料工学》可选的教材比较少，笔者选用武汉理工大学刘雄亚主编的《复合材料工艺及设备》。该教材面向本科生教学，通过教材的学习，学生能对手糊成型工艺及设备、夹层结构成型工艺及设备、模压成型工艺及设备、层压成型工艺及设备、缠绕成型工艺及设备、挤出成型工艺及设备、注塑成型工艺及设备、无机非金属基复合材料成型工艺及设备、金属基复合材料成型工艺及设备等有比较系统的了解，具有一定的解决实际问题的能力。当然，由于教学过程中课程设定为64学时，老师可根据学生的学习兴趣进行适当取舍，如第十五章金属基复合材料成型工艺及设备的讲解可以适当补充一些教材以外的内容，因为这一章节的编写相对简单些，而无机非金属基、金属基复合材料是复合材料的一部分，近来研究和应用取得长足进展。
3.本课程的教学方法
3.1多媒体结合板书
信息拓展展示以多媒体为主，重点问题讲解以板书为主[3]。对于《复合材料工学》课程教学，多媒体课件的重点在以下三个方面突出应用：（1）当涉及大量信息拓展或者多种形式的直观展示时，以多媒体为主。如工艺流程图、各种设备图、一些成型加工过程的动画演示等。（2）对于大量公式推导、文字描述可以通过多媒体方式进行展示，从而比较准确完整地反映同时节省大量的授课时间。而板书的引导会带动学生思维层层深入，更容易将一个知识点讲透彻。如讲成型加工过程中的质量控制时，通过板书讲解与分析，引导学生思考，更容易将难点讲透。
3.2案例教学法
案例教学法是一项系统工程，需要教师精心创设教学情境，巧妙设置探究问题，引导学生在分析案例中研究问题，从而形成认识、发展能力、升华情感，并借助情境与问题实现教学目标[4]。对于《复合材料工学》课程教学，工厂已经采用的一些工艺实例都是鲜活的案例，教师可以在课堂上适当引入工艺实例，通过对工艺实例的分析，告诉学生各种参数是如何影响最终产品质量的，在工艺、设备设计与控制时遵循什么样的设计规律，为学生将来从事生产一线工作打好基础。
3.3课后在线答疑
电脑在当前高校学生中非常普及，学生对电脑的常用操作基本熟练，特别是一些交流工具，如电子邮件、QQ在线聊天甚至视频对话等，笔者认为借助互联网进行学生课后答疑是一种教学辅助方法。学生在课后学习，如在做课后作业时遇到问题，借助电子邮件向老师提问，提高学生的学习效率。当然，这种答疑方法有待进一步探索，如果老师每天进行大量的邮件答疑会增加教学负担，这时可以采取更为灵活的一些方法如建立QQ群，在指定时间内在线集中答疑等。
4.成绩考核与评价
《复合材料工学》是专业必修课，应采用笔试闭卷考核，由于这是一门应用性很强的课程，学生将来运用到相关知识时需要很强的主观能动性，笔者经过多年实践认为应侧重对概念和应用能力的考核，如用填充题、名词解释、简答、案例分析等题型，特别是案例分析题型，结合生产实际出现的产品质量问题要求学生分析问题、提出解决方案，不强求学生答案的唯一性，而是根据学生对课堂学习知识的把握和灵活应用情况综合评分。学生最终成绩按学校、系部要求进行，结合平时考核和期末考试成绩综合评分。笔者采用百分制，平时成绩占总成绩30%，期末考试成绩占总成绩70%。
5.教学效果与评价
通过本课程学习，要让学生基本掌握复合材料的各种成型加工工艺及熟悉相关的加工设备，具备一定的分析和解决与复合材料成型加工相关问题的能力，为复合材料与工程专业学生将《复合材料工学》知识应用到科学研究和生产实践中，为经济社会服务打下良好的基础。从已经毕业的学生反馈看，学习这门课为从事相关工作打下很好的基础，学生进入工厂后，能在比较短的时间满足岗位要求，从事复合材料工艺和设备的设计、改进等工作。
目前，工业上复合材料的加工工艺及生产设备的研发不断取得新的进展，知识更新非常快，而学生的学习方式、学习兴趣也有时代特征，如何上好《复合材料工学》这门课，还需要不断探索、持续研究。
参考文献：
[1]薄鑫涛.一种新型材料—复合材料.热处理，2015（2）：13.
[2]孙开颜，姚伟，高祥政，等.纤维增强复合材料产品加工工艺的改进.工程塑料应用，2015（2）：71-73.
[3]卞鸿巍，王荣颖，马恒.多媒体与板书在课堂教学中优化组合方法探讨.教育教学论坛，2014（39）：235-236.
复合材料性能与应用分析 篇12
关键词：复合材料,轻量化,航空,汽车,轨道交通
1复合材料概述
复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料,通过物理或化学的方法,在宏观(微观)上组成具有新性能的材料。复合材料是以一种材料为基体,另一种材料为增强体组合而成的材料,各种材料在性能上互相取长补短,产生协同效应,使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。
复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类,金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金,非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷和碳等。增强体材料主要有碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、硼纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。
2复合材料性能分析
与普通材料相比,复合材料具有许多特性,可改善或克服单一材料的弱点,充分发挥各材料的优势,并赋予材料新的性能;可按照构件的结构和受力要求,给出预定的分布合理的配套性能,进行材料最佳性能设计等。具体表现在:
(1)复合材料可实现性能的可设计性。复合材料的性能取决于基体、增强体和其含量、铺设方式。复合材料的力学性能及热、光、防腐、抗老化等性能都可以按照使用要求和环境条件,通过组分材料的选择和匹配以及界面控制等手段,对复合材料进行合理的设计,用最少的材料满足设计要求,有效发挥材料作用。
(2)复合材料可具备较高的比强度和比模量。比强度和比模量是材料强度和弹性模量与密度的比值,比强度和比模量是真正体现材料性能优劣的参数。先进的复合材料比强度可以高出铝合金6-10倍,比模量高出4倍。
(3)复合材料可具备良好的抗疲劳性能。一般金属的疲劳强度为抗拉强度的40~50%,而某些复合材料可高达70~80%。复合材料的疲劳断裂是从基体开始,逐渐扩展到纤维和基体的界面上,没有突发性的变化。
(4)复合材料可具备良好的减振性能。纤维增强复合材料的纤维和基体界面的阻尼较大,因此具有较好的减振性能。用同形状和同大小的两种梁分别作振动试验,碳纤维复合材料梁的振动衰减时间比轻金属梁要短得多。
(5)复合材料可具备耐高温性能。在高温下,用碳纤维或硼纤维增强的金属,其强度和刚度都比原金属的强度和刚度高很多。在400℃时,普通铝合金的弹性模量大幅度下降,强度也下降,而碳纤维或硼纤维增强铝合金的强度和弹性模量基本不变。
(6)复合材料可具备良好的耐腐蚀性。很多种复合材料都能耐酸碱腐蚀,如玻璃纤维增强酚醛树脂复合材料,在含氯离子的酸性介质中能长期使用,可用来制造耐强酸、盐、酯和某些溶剂的化工管道、泵、阀、容器和搅拌器等设备。
(7)复合材料可具备良好的安全性。在纤维增强复合材料的基体中有成千上万根独立的纤维。当用这种材料制成的构件超载,并有少量纤维断裂时,载荷会迅速重新分配并传递到未破坏的纤维上,因此整个构件不至于在短时间内丧失承载能力。
(8)复合材料可实现整体成型。复合材料的构件与材料是同时形成的,具有复合材料的组分材料在复合的同时也形成了结构,一般不再对复合材料进行加工。因此复合材料的整体性好,大幅度减少零部件和连接件数量,降低成本、缩短加工周期、提高可靠性。
3复合材料应用分析
由于复合材料可实现重量轻、强度高、弹性优良、耐化学腐蚀和耐候性好等性能,已在众多领域逐步替代金属合金及木材,在近几年得到了飞速发展。复合材料用量已成为衡量军民装备先进性的重要标志,其中,具备高强度、高模量、低比重的碳纤维复合材料已成为各类军民装备重要的候选材料之一。美国国防部在2025年国防材料发展预测中提到,只有复合材料能够将耐高温、高强度、高模量的指标在现有基础上同时提高25%以上。复合材料主要应用于以下领域。
(1)航空航天及军工领域。国际先进军民用飞机中,复合材料用量持续增长。主要应用复合材料的部位包括整流罩、平尾、垂尾、平尾翼盒、机翼、中前机身等。F-22战机与空客A380飞机的复合材料用量在20%-25%之间,而波音B787与空客A350的复合材料用量已突破50%,超越铝合金成为用量最大的材料。飞机正进入复合材料时代。
(2)汽车工业领域。随着各国节能减排要求的提高,汽车工业越来越多地应用复合材料,尤其是电动车,为了降低整车质量,更是对复合材料如饥似渴。目前欧美日各大汽车研制和生产厂商都在开发基于复合材料的车型,可以预见未来汽车市场将成为复合材料的主要市场。具有代表性的三家汽车巨头:宝马、奔驰、奥迪,他们均非常重视复合材料的设计应用。
(3)轨道交通装备领域。碳纤维复合材料制造动车组车体,将比铝合金车体减重30%,这是下一代高速列车的理想材料。日本新干线、法国TGV、德国ICE等高速列车均不同程度采用碳纤维复合材料设计,使列车大幅度轻量化,取得了显著效益。为了进一步减轻重量,改善隔声性能,以及便于设计、制造,国外甚至已开始试用碳纤维增强塑料夹层结构代替金属制造车体。
(4)体育运动装备。碳纤维复合材料在高尔夫球杆、钓鱼竿、网球拍、羽毛球拍、自行车、滑雪板、皮划艇等体育器材及帆船、摩托艇等运动装备上均有大量应用,取得了较好的市场效果。
(5)风电领域。在风电领域,复合材料是制造风电叶片及其它重要结构部件的主要材料,叶片90%以上重量由复合材料组成,能够满足开发大型化、轻量化、高性能、低成本的发电叶片的要求。
(6)船舶领域。复合材料优异舒适性的设计理念和无缝船体的优势进一步推动了各种复合材料船舶的开发。近年来,碳纤维复合材料在船只上的使用不断增加,主要包括船壳、地板、甲板、舱壁,以及管道系统、油箱等上层建筑。
(7)基础设施领域。使用多年的基础设施都会面临翻新、加固与重建的问题,如高速公路、桥梁、码头、水工建筑、输变电线路等都需要使用大量的复合材料。目前复合材料的桥梁、输变电塔、灯杆都已获实际应用。
4展望
复合材料轻量化已成为当今全球交通装备乃至整个工业领域的重点发展方向,成为装备先进性的重要衡量指标,未来市场前景极为广阔。目前,航空领域的波音、空客及汽车领域的宝马等知名公司已走在了时代前列。