材料复合（共12篇）
材料复合 篇1
0 引言
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
综上所述, 界面层是复合材料中的关键组成部分, 对整个复合材料的各项性能都有着极为重要的影响。界面层的行为主要取决于界面层的材质。在被研究过的界面层材料中, 层状热解碳是对提高复合材料力学性能最有效的界面层材料, 六方BN和多层陶瓷界面相次之。六方BN、多层陶瓷界面相和其他非层状结构材料界面层主要是用于提高复合材料的抗氧化能力, 这些材料中最有发展前景的应为多层陶瓷界面相, 莫来石和Si-O-C界面层虽也表现出很好的性能, 但要使其达到应用的程度还需做大量的工作。总之, 通过多年的努力, 界面层的研究已取得了大量成果: (1) 获得了不同界面层对复合材料性能的影响; (2) 对界面层的作用机理也有了初步认识; (3) 对理想的界面层结构有了新的认识。但同时也存在一些问题, 主要是界面层作用机理方面的研究较少, 且不够深入, 以致于目前界面层的许多作用机理不清楚, 也无法对出现的不一致结果做出解释。因此, 要为每种复合材料找到最适宜的界面层, 还需要大量的研究工作, 特别是作用机理方面的研究工作。
材料复合 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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复合材料装配工艺研究 篇3
关键词：顺切；逆切；劈裂；铰孔
中图分类号：TB333 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）15-0005-02
先进复合材料由于具有高比强度和高比刚度、耐高温、耐腐蚀、重量轻等优良的性能，是最理想的结构材料。复合材料装配工艺中的关键技术是修合、制孔和连接。而孔的质量状态能造成连接部位应力集中，导致结构提前破坏，对连接件的寿命影响极大。
1 研究内容
复合材料装配过程主要包括以下几个方面：修合-制孔（钻孔、扩孔、铰孔、锪窝）-紧固件安装。
2 复合材料的修合
复合材料壁板修合一般采用切割和修磨方法。修合量大时对壁板和蒙皮进行切割，修合量小时采用修磨的方法。
2.1 复合材料的切割
复合材料切割一般包括机械切割、高压水切割、激光切割和超声波切割，在装配生产中常用的方法为机械切割，机械切割包括顺切和逆切。
2.1.1 顺切和逆切
对复合材料壁板进行机械切割时必须采用顺切法，即刀具与壁板相接触处的速度方向和壁板相对刀具移动方向相同，一般不使用逆切法，如图1所示。
2.1.2 切割刀具和切割参数
①切割刀具：金刚石薄片砂轮，规格φ150×φ20×1 mm、φ100×φ20×1 mm，砂轮粒度80 #。
②切割参数：切削速度（V）8～12m/s、进给量（f）均匀。
2.1.3 切割中注意事项
①在切割过程中（包括进刀、切削、中途退刀、切割完毕）刀具均不能停转；
②应均衡用力，切割刀具对零件的压力不宜过大；
③切割时进刀要平稳，切割进给量要均匀；
④复合材料余量的切割必须使用专用刀具进行切割，严禁使用剪刀或用手折断；
⑤若手工切割锯加工不到的部位应该用锋利的锯条锯断；
⑥当余量快切割完毕时，要用手扶住余量部分，以免未被切割部分发生撕裂现象，R角部位在粗切之后，应用细纱布修磨。
2.2 复合材料的修磨
2.2.1 修磨刀具
金刚石柱型砂轮，规格φ5 mm、φ10 mm、φ20 mm、φ25 mm；金刚石锥型砂轮；120#、180#棕刚玉砂布。
2.2.2 修磨中注意事项
①用金刚石砂轮或砂布进行修磨，允许用砂布包在平锉上手工精修操作；
②修磨时必须顺着表层纤维方向进行修磨，禁止垂直于纤维铺层修磨。
3 复合材料的制孔（钻孔、扩孔、铰孔、锪窝）
3.1 钻 孔
3.1.1 刀具及工艺参数
刀具：选用Y330碳化钨硬质合金钻头。
工艺参数，见表1。
3.1.2 工艺要求
在碳纤维复合材料构件上钻孔：
①在碳纤维复合材料壁板上钻∮3～∮12的通孔时，使用硬质合金钻头，推荐转速为800～2 800 r/min，进给量为0.01～0.06 mm/r。钻头几何参数见表1。
②钻孔时，为防止复合材料孔出口面劈裂，一方面当接近钻透时应放慢进给速度，一方面应在孔出口面加垫板支撑，垫板材料为硬塑料板、夹布胶木板或铝板，垫板应与壁板贴严。
③当钻大于φ12的孔时，应采用80～100粒度的金刚石空心钻。为防止孔出口面劈裂，应采用两面钻孔，即先制出中心孔，中心孔径按空心钻的导销定，把空心钻导销插入中心孔内，从零件的一面划至零件厚度的三分之一或一半，再把空心钻从零件的另一面插入在反面将孔钻出。如无法两面钻孔，应在孔出口端加垫板支撑。空心钻结构形式，如图2所示。
在碳纤维复合材料与铝或钛组合的构件上钻孔：
①从复合材料面钻入，可不加垫板支撑，用硬质合金麻花钻按钻铝或钛的转速钻削，直至钻通为止。为防止金属切屑划伤复合材料孔壁，应注意断屑，见图三
如图3所示。
③在碳纤维复合材料与铝组合的构件上钻孔时转速1 500
～3 500 r/min。在碳纤维复合材料与钛和钢组合的构件上钻孔时转速500～1 800 r/min。
3.2 扩 孔
复合材料在制孔过程中，为避免分层和劈裂，通常不进行扩孔。但当螺栓孔在φ6 mm以上时，由于不能一次加工到位，则必须进行扩孔。扩孔要求与钻孔基本一致，为避免复合材料分层和劈裂，扩孔前需在钻出初孔φ3.1 mm后，用φ2.5×120 °金刚石锪钻进行倒角，如图4所示，倒角尺寸应小于铰孔前孔径，按铰孔前孔径用硬质合金钻头进行一次扩孔，再用铰刀铰孔至最终尺寸。
3.3 铰 孔
3.3.1 刀 具
选用Y330碳化钨硬质合金类。
3.3.2 工艺要求
钻孔时应留出铰孔余量0.15～0.4 mm，每级铰削量为 0.1 mm，然后用硬质合金铰刀铰至最后尺寸，推荐转速为500 r/min，铰孔次数，见表2。
3.4 锪 窝
①高速钢电镀金刚石锪窝钻、硬质合金锪窝钻。
②使用硬质合金锪窝钻转速为500～800 r/min，金刚石锪窝钻的转速为800～1 400 r/min。为防止表面纤维劈裂，锪窝钻必须在旋转以后接触工件。
③锪窝深度应用锪窝限位器控制，试锪合格后方可使用。
④孔需要倒角时，用金刚石锪窝钻，倒角转速为500 r/min。
4 安装紧固件
4.1 螺接工艺
①由于复合材料层间强度和压缩强度低以及抗冲击性差，一般只能采取间隙配合，既H8/f8、H9/f9配合；孔与复合材料壁板的垂直度偏差在2 °以内，铰孔后必须用孔垂直度量规检查孔的垂直度；
②除非传力构件外，螺栓的螺纹部分不允许处在孔的挤压部位，既螺纹不允许处在夹层内；为此，在装配中应使用夹层厚度以选择具有合适光杆长度的螺栓；
③装配中，一般采用湿连接，即螺栓涂胶或涂漆后安装。装配中螺母必须在胶的施工期内拧紧。
④沉头螺栓螺栓头不允许下凹，允许螺栓头突出0.15 mm。
⑤高锁螺栓、大底角螺纹抽钉拧断螺母、螺杆后，螺纹不得凹在螺母或套环内，至少应露出螺纹1～2扣；
⑥螺母、螺杆拧断后，应对剪断后的表面进行保护，防止腐蚀；
⑦对沉头螺栓，将0.05 mm厚的千分垫插入间隙时，允许在圆周的40%以内存在间隙，但不应触到头部和杆部的交接处；
⑧多螺栓连接安装时，由于复合材料层间剪切强度低，不宜逐一的将单个螺栓一次拧紧，而应均衡、对称的将所有螺栓分若干次拧紧，直至达到规定的拧紧力矩值。
4.2 铆接工艺
①铆接应尽可能选用压铆工艺，在无法压铆时，应采用冲击力小的铆枪正铆，严禁使用大功率铆枪；
②当铆钉镦头部位为复合材料时，应在镦头形成部位加钛合金垫圈或不锈钢垫圈。
5 结 语
先进的复合材料在国内航空制造业中得到了迅速的发展，但在实际装配中也存在一定的问题。加大研制力度、提高复合材料制造技术是我们的责任。我们必须结合生产实际，深入开展工艺试验研究，不断创新，找到最优工艺方案，将复合材料优良性能最大范围地用于航空产品中。
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金属基复合材料概述 篇4
金属基复合材料是以金属或合金为基体,以纤维、晶须、颗粒等为增强体的复合材料。通过合理的设计和复合工艺,使之兼有金属良好的塑韧性和加工性能以及增强体的高比强、比刚,更好的导热性、耐磨性以及尺寸稳定性等优点。在早期的金属基复合材料研究发展中,航空、航天、武器等军事技术的需求起到了巨大的推动作用,而在可预期的将来,汽车、电子等民用工业的迅速发展必为金属基复合材料提供更加广阔的应用前景。
2 金属基复合材料的分类
按照基体和增强体的不同,金属基复合材料可按照如下分类。
按基体材料分为:黑色金属基(钢、铁)、有色金属基(铝基、锌基、镁基、铜基、钛基、镍基)、耐热金属基、金属间化合物基复合材料等。目前铝基、镁基、钛基复合材料发展较为成熟,已逐步应用于航空航天、电子、汽车等工业领域。
按增强体分为:连续纤维增强金属基复合材料;非连续增强金属基复合材料(颗粒、短纤维、晶须增强金属基复合材料);混杂增强金属复合材料、层板金属基复合材料;自生增强金属基复合材料(包括反应、定向凝固、大变形等途径自生颗粒、晶须、纤维状增强体)等。其中,自生复合材料的增强相在热力学上是稳定的,界面结合强度高,而且增强体的尺寸和体积分数可以通过工艺参数控制,是目前研究的热点。
3 金属基复合材料的性能特点
金属基复合材料既能保留原组成材料的主要特色,并通过复合效应获得原组分所不具备的性能。不同于化合物和合金材料,复合材料中的组分材料始终作为独立形态的单一材料而存在,没有明显的化学反应。金属基复合材料的性能取决于所选用基体金属或合金本身的性能,增强体的特性、含量、分布、尺寸以及界面状态等参数。通过优化组合复合材料可以获得既有金属特性,又兼具增强体的比强度、耐热、耐磨等的综合性能。相对于基体金属材料而言,金属基复合材料的性能优势主要有如下方面。
3.1 力学性能
在金属基体中加入适量的高强度、高模量、低密度的纤维、晶须及颗粒等增强体,可显著提高复合材料的比强度和比模量。如:碳纤维密度只有1.85g/cm3,最高强度可达7,000MPa,比铝合金强度高出10倍以上。石墨纤维的最高模量可达900GPa,比普通钢材要高4倍以上,而B纤维、Si C颗粒的密度也只有2.5~3.4g/cm3,其强度高达3,000~4,500MPa,模量350~450GPa。此类增强材料加入后作为复合材料的主要力学承载体,使其比强度、比模量数倍高于相应基体和合金材料。
3.2 导热、导电性能好,热膨胀系数小、尺寸稳定性好
由于金属基复合材料中金属基体占有很高的体积分数,一般在60%以上,因此仍保持金属所特有的良好导热性和导电性,在电子封装领域,金属基复合材料制造集成电路底板和封装件可以迅速有效地降低温度梯度,提高集成电路的可靠性。另外,由于C、B、Si C纤维和颗粒等增强体普遍具有高模量和低膨胀系数,尤其是超高模量的石墨纤维具有负的膨胀系数,通过调整增强体的类型和数量,可有效地控制整体材料的线膨胀系数,避免膨胀系数不匹配导致的变形开裂和虚焊。
3.3 耐磨性好
金属基复合材料的增强体一般均为高硬度、高强度的陶瓷纤维和颗粒,尤其是纳米级别的陶瓷颗粒,在复合材料中起到类似于耐磨合金中弥散强化的第二项的作用,不仅可提高材料的强度和刚度,还可提高复合材料的硬度和耐磨性。目前Si C、Ti B2增强的铝基复合材料耐磨性甚至优于铸铁,已在汽车、机械工业中初步用于发动机部件、刹车盘、活塞等重要零件。
3.4 良好的高温性能
高温环境下增强体起到主要的力学承载作用,只要增强体具备远比基体材料更高的高温强度和模量,复合材料的高温性能必将大大提高。一些高温金属纤维、陶瓷纤维和颗粒可将高温性能保持至接近熔点,如:石墨纤维增强铝基复合材料在500℃下仍有600MPa的高温强度,而基体材料强度在300℃时已降至100MPa。
3.5 良好的断裂韧性和抗疲劳性能
金属基复合材料的断裂韧性和抗疲劳性能取决于增强体与金属基体的界面结合状态。增强体在金属基体中的分布以及金属基体、增强体本身的特性,特别是界面状态,最佳的界面结合状态既可有效地传递载荷,又能阻止裂纹的扩展,提高材料的断裂韧性。
此外,选择合适的金属基体和增强体,并通过合理的制备技术和加工工艺,还可获得具有耐老化、气密性好、不吸潮等特性的金属基复合材料。
4 典型的金属基复合材料
4.1 铝基复合材料
铝及铝合金具有密度低、塑韧性好、导热导电性较好等优点,但其熔点低、耐磨性差的缺陷限制了其在更广范围和更高领域的应用。而铝基复合材料通过增强相的加入使之具有高比强度、高比刚度、耐磨性好、尺寸稳定性好以及易于加工等一系列优良特性,在航空航天、汽车、电子等工业领域具有十分广泛的应用前景。
铝基复合材料常用的基体有A l-M g、A lSi、Al-Cu和Al-Fe等体系。增强体主要有Si C颗粒、Al2O3颗粒、BC4颗粒、Ti C颗粒等。其中采用Si C颗粒增强的铝基复合材料具有性能高、价格低、密度小等优点,是目前应用最广泛的铝基复合材料,在国外已经实现规模化生产。美国DWA公司用Si C颗粒增强6092铝基复合材料代替铝合金制造F-16战斗机的垂直尾翼,提高寿命17倍。Eurocopter公司已经大规模采用Si Cp/A1复合材料用于生产直升机旋翼系统的一级关键零件上。美国的Duralcan公司研制出用Si C颗粒增强铝基复合材料制造汽车制动盘,在汽车减重的同时提高了耐磨性,而且噪音明显减小,同时该公司还用Si C颗粒增强铝基复合材料制造了汽车发动机活塞和齿轮箱等汽车零部件。此类铝基复合材料的制备工艺简单、成本较低,易于二次加工。但陶瓷颗粒与铝合金基体互不湿润,难以获得分布均匀的复合材料,且陶瓷颗粒一旦与铝合金液发生界面反应,容易生成大量的脆性界面产物,导致复合材料在拉伸变形或热处理过程中产生应力集中,使增强颗粒脱粘,这种弱界面的存在会导致复合材料的强度反而低于基体合金,这类问题还需在以后的研究中着重解决。
4.2 镁基复合材料
与单质的同类金属相比,镁的最大优点是质量更轻。但其低高温强度、低弹性模量和较差的耐磨性能限制了它的进一步应用。而镁基复合材料密度低,比强度和比刚度高,同时还具有良好的耐磨性、耐高温性、耐冲击性及良好的尺寸稳定性和阻尼减振性能等,是继铝基复合材料之后又一具有竞争力的轻金属基复合材料,是宇航、兵器、汽车和电子等高新技术行业的理想材料。构成镁基复合材料的基体合金主要分为铸造和变形系列。侧重铸造性能一般选择Mg—Al、Mg—Zn、Mg—Al—Zn等体系;侧重挤压变形性能则采用Mg—Mn、Mg—Al—Zn、Mg—Zn—Zr、Mg—RE等。增强体主要有C纤维、Ti纤维、B纤维、Al2O3颗粒、Si C晶须和颗粒、B4C颗粒等。镁基复合材料选择增强体的要求与其他复合材料大致相同,都要求物理、化学相容性好,润湿性良好,载荷承受能力强,尽量避免增强体与基体合金之间的界面反应等。由于镁具有熔点比较低、化学活性高、易氧化等特点,常规的许多金属基复合材料的制备工艺都无法直接应用于镁基复合材料。采取适当的工艺措施使颗粒在基体内分布均匀,减少颗粒间的团聚,以改善材料受载时内部的应力分布,是保证镁基复合材料具有良好性能的关键因素。目前镁基复合材料的制备方法可分为外加法和原位自生法两种。外加颗粒法制备镁基复合材料的优点是工艺简单,但易造成颗粒表面的污染,基体和颗粒表面润湿困难,导致界面强度的降低。原位合成有着增强相细小、分布均匀、界面无污染、结合良好的优点,材料性能优越。
4.3 钛基复合材料
钛与钛合金是一种物理性能优良、化学性能稳定的材料,具有强度高、相对密度小、耐海水和海洋气氛腐蚀等许多优异的特性。但其弹性模量和耐磨性低,在600℃以上其强度和蠕变抗力急剧下降。而且通过传统的合金化方法已无法满足对高温和蠕变性能的要求。与基材相比,钛基复合材料的强度及硬度大幅度提高,且具有良好的高温强度、优异的蠕变性能、高周疲劳性能、抗蠕变性能以及优异耐腐蚀性能。在航空航天、军工、医疗和汽车等领域具备广泛的应用前景,并被誉为超高音速宇航飞行器和下一代先进航空发动机的黄金材料。钛基复合材料的增强体主要有Ti C、Ti B2、Si C、B4C、Ti B等,此类复合材料具有各相同性、制备简单、易加工成型、成本较低等特点,近年来发展迅速。钛基复合材料比铝基复合材料有更高的耐热、耐蚀等特性,但其成本也明显提高,因此应用主要集中于航空航天、高端汽车、医疗材料等附加值高的领域,如:荷兰皇家空军将纤维增强钛基复合材料用于F-16主起落架下部的后撑杆;Toyota公司已在旗下汽车使用钛合金复合材料制造的阀门;美国Dynamet公司制造的人体骨替代材料和飞机发动机部件已商业化。
此外,镍基、铜基、铁基、高温合金基等复合材料也是目前材料学界的研究热点,并已在各自领域内得到了相应的应用验证。
5 制备方法
依据增强体的加入方式,金属基复合材料的制备方法可分为外加法和原位反应法。外加法是以粉体混合、熔融金属中添加陶瓷颗粒等物理方式达到基体和增强相相容,再通过烧结、铸造、压力加工等后续工艺制备成品,常用的外加法主要有粉末冶金法、喷射沉积法、搅拌铸造法、挤压铸造法等。原位反应法同外加法的区别在于增强体不是额外加入,而是通过添加原料与基体、添加原料之间发生反应生成,并原位析出。目前报道的原位合成法主要有:放热弥散法、气液反应合成法、自蔓延燃烧反应法和反应喷射沉积等。各类制备技术在工艺和材料性能方面各有优缺点,增强体和基材的复合技术目前仍是制约金属基复合材料应用的重要因素,也是各国材料学者的研究热点。
5.1 原位反应自生法
原位反应自生法分为固态自生法和液态自生法。其基本原理是:把预期反应生成增强相的两种或多种组分粉末与基体金属混合均匀,或者在熔融基体中加入能反应生成预期增强相的元素或者化合物,在一定温度下,元素之间发生放热反应,在基体的熔液中生成并析出细小、弥散的增强相。增强相的含量可以通过反应元素的加入量来控制。反应生成的增强相种类繁复,Al2O3、Ti C、Si C、Ti N等常用陶瓷颗粒均可通过反应制备。原位法制备金属基复合材料其增强颗粒与基体的相容性好,避免了外加增强颗粒的污染以及颗粒与基体的界面之间的化学反应问题,增强颗粒热力学稳定,高温工作时性能不易退化,此外原位反应生成的增强相细小弥散,均匀性好,性能优异。但原位法生成的相比较复杂、不易控制。
5.2 粉末冶金法
粉末冶金法是最早开发用于制备金属基复合材料的工艺。同常规粉末冶金相同,其工艺包括增强体和基体的粉体制备、前处理(包括烘干、清洗)、均匀混合、压坯、热成型等步骤。制备工艺中每一步都决定了复合材料界面结合状况,从而对最终材料的性能产生重要影响。在粉末冶金工艺中粉体混合的均匀性至关重要。由于粉体颗粒细小,表面带有电荷,混合时产生的增强体颗粒团聚在后续挤压过程中难以有效进行分散。为实现增强体的均匀分布,一些高能高速的工艺手段,如机械合金化工艺被引入其中,通过高能球磨实现部分或全部的固态合金化转变,同时使得增强相均匀分布在基体合金之中。粉末冶金制备复合材料的优点很突出:(1)基体和增强体基本不受限制,可选择不同的增强体种类、尺寸、数量,甚至多种增强体共同强化;(2)基体金属与强化颗粒之间不易发生反应;(3)工艺简单易操作。但其缺点也很明显:尺寸受限,复杂型腔难以制备,成本高,界面难以融合,成品致密性差等。
5.3 喷射沉积法
喷射沉积法是将基体金属熔化后通过导液管流入喷枪,再用惰性气体将其雾化,在喷射途中与另一路由惰性气体送出的增强微细颗粒会合,共同沉积在有水冷衬底的平台上,凝固成复合材料。根据沉积坯形状和冷却速度的要求,雾化器和衬底的移动受计算机控制,保持基体的下降速率与沉积坯长大速率一致,经过雾化液流的多次往返扫描沉积,最终成形为坯件。喷射沉积法制备金属基复合材料工艺简单快速,可以避免成分偏析和界面反应,增强体的加入依靠计算机实时控制,分布均匀。但是这种方法制备的坯料中气孔和疏松多,凝固的雾化颗粒、沉积层之间不能完全冶金结合,因此后续必须进行热挤压、热轧、热压实等二次加工,对其进行有效的热致密化加工。
5.4 搅拌铸造法
搅拌铸造法也叫掺和铸造,是利用机械猛烈搅拌使液态的合金形成涡流,同时将增强体颗粒加入,并使颗粒均匀分布在基体中,然后使其快速凝固即可制得颗粒增强复合材料。根据铸造时加热温度可以分为全液态搅拌铸造、半固态搅拌铸造和搅熔铸造。搅拌铸造法工艺简单、成本低,对产品的尺寸、形状限制较低,可以生产大体积的复合材料,但加入的增强相体积分数一般不超过20%,且易造成增强颗粒分布的不均匀。
5.5 挤压铸造法
挤压铸造法是目前制备非连续增强金属基复合材料最成功的工艺。它是通过铸造机将液态金属强行压入增强材料预制件中以制造复合材料的一种方法。挤压铸造法是将增强体制成预成型体,干燥预热后,再浇入金属熔体并将模具压下并加压,液态金属在压力下浸渗入预制件中,并在压力下凝固,制成接近最终形状和尺寸的零件。挤压铸造法具有成本低、工艺简单、增强体体积分数可调范围大、可以制备近净成型产品的优点。另外,由于基体合金在高压下浸渗和凝固,可以大大改善增强体和基体合金的结合状况,减少铸造缺陷,提高材料的致密度,从而改善复合材料的机械性能。但挤压铸造法受产品形状和尺寸的影响,对大体积零件的适应性不高,而且对模具和设备要求较高,预制件的制备技术直接影响到增强体颗粒在基体合金内的分布情况,继而对复合材料力学性能产生影响,同时挤压压力会损害预制件的完整性,使得其应用受到一定的限制。
另外,金属基复合材料的制备工艺还有自蔓延高温合成法、快速凝固法、混合盐反应法、燃烧辅助铸造、直接还原技术、悬浮浇注法等。
6 展望
半个世纪以来,金属基复合材料一直是学术界的热点领域,目前的研究主要集中于新合金新体系的开发、制备方法的改进、各类性能的表征以及应用探索。虽然已经取得相当瞩目的理论成绩,在航空航天等高科技领域也取得了一定的应用成果,但距离大规模商用和人们的预期相比,还有很大差距。目前金属基复合材料在制备和加工领域仍缺乏足够的基础理论支撑,增强体的均匀分散,多相融合的界面效应及其机理,产品性能参数的离散性大,基体与增强体本身特性导致的应力集中、不浸润等缺点仍是制约金属基复合材料应用的桎梏,在以后的研究中应着重解决这些问题。
摘要：本文对金属基复合材料的分类、性能和制备工艺进行了总结分析,列举了三种典型的金属基复合材料及其应用,阐述了国内外研究现状,指出了金属基复合材料研究中存在的问题并对其发展作出展望。
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
《复合材料》教学改革初探 篇6
摘要：本文从授课内容、教学方法及考核方式三面对《复合材料》课程的教学改革方式进行了阐述，力求提高教学效果，充分发挥学生的主观能动性和创造性，使学生能够在学习过程中体会到知识所带来的乐趣。
关键词：复合材料，教学改革，选修课
【中图分类号】TB33-4
复合材料是由两种或两种以上的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，与传统材料相比，复合材料具有许多优点，比如其成分及性能的可设计性高，由于加入了高性能的增强相，其强度和弹性模量很高，尤其是比强度远高于传统材料，另外还具有抗疲劳、断裂性能好、结构功能一体化等一系列优越性能，是其他材料难以替代的功能材料和结构材料，在国防、机械、化工、医疗等各领域有广泛的应用，是新技术革命赖以发展的重要物质基础。目前，复合材料已成为新材料研究领域的重要方向，对于材料科学的发展意义重大。正因如此，众多高校非常重视复合材料课程的开设，《复合材料》是材料学院材料科学与工程、金属材料、高分子材料等非复合材料专业本科生的专业选修课之一。根据复合材料涉及的分类，这门课程主要讲述复合材料增强体、复合材料的设计原理、聚合物基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料等内容。通过学习，使学生了解复合材料的基本理论知识、分类及其应用前景，掌握材料所具有的使用性能，以及常见复合材料制备方法，以提高对于复合材料的设计、制造、性能及应用能力。但本课程的特点是内容繁杂，涉及了基体、增强体、复合原理、材料设计、成型方法及工艺、生产设备等内容，涵盖化学、物理、计算机、工程学等方面的基础课程。因此，在教学中普遍存在学生对所涉及的概念、理论不甚理解，导致厌学、重视不足现象，同时也存在教师很难将知识点一一阐述透彻，学生难以进行深入的学习等问题。另外，该课程多为陈述性内容，在授课过程中很容易陷入乏味的陈述之中，使得学生对本门课程无法提起兴趣。因此，针对以上問题，本课程需要在教学过程中进行了改革，并分析复合材料学课程理论教学改革的方法和意义，以期为高等院校的相关课程和专业建设提供一定的参考。
1 授课内容改革
大学教育是创造性人才培养的摇篮，其专业选修课教学内容旨在开阔学生的视野，提高其创造创新能力，因此在教学中应该剔除陈旧的知识、固定的模式。《复合材料》这门课程的知识信息量比较大、直观性比较强，其内容涉及聚合物基复合材料、功能复合材料、陶瓷基复合材料、无机复合材料、金属基复合材料等诸多方面，但是在本科生培养计划改革中，该课程由原来的32学时压缩为16学时左右，在指定的教学时限内很难完成课程全部内容的教学。因此，需要对课程的内容进行进一步精简、合并，尽可能在体现其完整性的同时突出发展前沿的内容，教材也必须作整合化“手术”，在个性化的教材之中养成学科的风格与特色。例如，在我校材料科学专业主要是以金属材料为主，因此要重点学习金属基复合材料，在充分讲述了金属基复合材料的设计、制造、界面表征及性能分析后，要着重描述金属基复合材料的目前的研究及应用现状、发展方向以及存在的主要问题。而陶瓷基等复合材料则在介绍其总体理论后可以针对于某些发展方向进行延伸讲授，在完成大纲要求内容的同时，要突出重点和难点内容，使学生在明晰总体脉络的情况下，能够抓住主要方向，只有这样才能在较短的时间内达到较好的学习效果。
2 革新教学方法
前已述及，《复合材料》这门课的知识体系非常宽广、内容丰富、实用性较强，其内容归纳起来具有以下特点：一是课程内容包含的专业知识和门类非常多，并应用很多基础学科的知识来分析材料中的具体问题，有的内容非常具体而复杂，如复合材料的界面结合理论，有的内容则比较抽象而难懂，如材料的晶体结构和力学性能的微观机理等；二是同时具有很强的理论性与实践性，一方面有很多的理论分析与公式推导，在分析和推导的过程中要建立具体的物理模型，并结合材料内部的具体结构进行相应的处理；另一方面要应用基本理论和方法来分析、解释和处理材料方面的实际问题；三是该课程内容中包含大量抽象、复杂且不易理解的概念。如果使用传统的黑板加粉笔的教学方式，只能是学生得到一些感知的内容，无法使其得到直接的体验，显得枯燥无味呆板。好在现在各学校基本上都普及了多媒体教学，为了吸引学生在课堂上的注意力，提高学生们的学习兴趣，实现本课程教学的最终目标，需要在多媒体教学的基础上对教学手段进行相应的改革。可以从以下方面入手：
（1）在教学中把多媒体、影像资料、CAI 课件等现代化教学手段应用到在教学中，在课堂上用文字、图片、动画和视频以及声音等资料来进行教学活动，可以在有限的时间内提供给学生最大的知识信息量。
（2）采用授课—交流—讨论的流程，通过向学生讲解与授课内容相关的学术论文，让学生从科研的角度认识复合材料，同时了解复合材料发展的动态，并与其在各领域的应用结合起来。授课的同时积极与学生进行互动交流，共同探究论文中学术论点，必要时可以让学生自己查阅总结科研文献的观点，并进行分析评阅，进而提升自身综合实力。
（3）《复合材料》这门课程陈述性内容较多。如果采用“以教师为主体、以课堂为中心”传统的灌输式教育，会使课堂教学气氛呆板，使得学生的创造性思维受到严重束缚，既降低了学习效果，也忽视学习能力的培养、科研能力的培养。因此在教学过程中，除了对本门课程的难点和重点知识点进行详细讲解外，其他容易理解的内容，可以让学生先在老师的引导下自行阅读并完成读书报告，然后老师对其读书报告进行讲评，这种自学方式有利于培养学生的自学能力。
3 优化考核办法
课程考核是大学教学活动的重要环节，是对教师授课及学生学习效果的检验，对督促学生主动学习，引导和促进学生潜能、个性和创造性等的培养具有重要作用。《复合材料》课程涉及的领域广、范围大、知识点多，如果单纯以闭卷答题的方式进行考核，则会在一定程度上约束学生的思维，不利于考查学生的综合运用知识分析问题和解决问题的能力，无法全面评估学生对这门课程的掌握情况，因此，如何既能充分发挥学生的创造性，又能达到考核的目的，这是亟需解决的问题。《复合材料》是一门专业选修课程，期考核方式可以相对灵活一些，能够采用综合考核、灵活应试的办法，在研习传统考试模式的前提下，提高平时考核成绩的比重，在平时成绩的考核中，可以采用学生在课堂上发言和讨论、撰写读书笔记和科研报告等多种方法对学生进行综合考核，尤其是让学生撰写科研报告，报告中要求学生通过阅读相关专业书籍及国内外期刊，总结出复合材料最新研究进展、应用技术及发展趋势等内容，以此提高学生对所学知识的掌握，并使学生在考核过程中掌握了科研论文的查阅总结能力。将这几种考核方式相结合，可以促进学生在学习过程中积极主动地参与，避免平时不用心学习，考试时突击学习情况的发生。
4 结语
课堂上教师的“讲授”是为学生的“学习”作铺垫和服务的，讲授过程中教师应该是导演，是学生学习的引导者。因此，教师应该积极与学生互动，在此过程中，教师要大胆放手，让学生充分发挥主观能动性和创造性，想方设法激励和引导学生积极主动地去探究、去思考，并乐于实践；只有这样，才能实现“先学”的目标，才能把课堂的主动权真正还给学生，突出学生是课堂教学的主体地位。
总之，《复合材料》作为一门专业选修课程，其教学改革是一项系统的改革，要运用各种有效的教学手段，采取科学合理的综合考核形式，培养学生获取知识的能力、综合能力、创新能力、发现问题和解决问题能力以及养成良好的科学素养。
参考文献
[1]王献彪.材料学专业本科生课程创新能力的探索[J].文学教育.2010，（7）：69；
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[3]赵洪凯，肖力光，刘亚冰等.《复合材料》课程建设与教学研究[J].广州化工.2010，38（10）：229-230
[4]朱脉勇， 《复合材料》课程教学改革与实践[J].广州化工.2014，42（21）：177-178
复合材料修复技术概述 篇7
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。
材料复合 篇8
ACM的发展方向可以用“7化”来概括,即碳纤维低成本规模化;玻璃纤维高性化;高性能纤维杂混改性化;ACM应用领域扩展化;高性能树脂杂混改性化;结构设计实用化和制造装备现代化。
碳纤维在各工业领域的应用量及其份额是工业技术水平和先进技术民用化的标志之一,美国、日本、中国和世界整体碳纤维应用份额见表1。
未来5年中国碳纤维在各应用领域的用量、份额及其增长率变化见表2、表3[1]。
ACM的典型代表是环氧树脂基碳纤维复合材料,经过多年使用验证,环氧树脂基体以其综合性能优异、工艺性良好、价格低等诸多优点,在马赫数1.5以下飞机上的用量远远大于双马来酰胺树脂基体(BMI),以A400M、波音787飞机为例,复合材料分别占飞机结构重量的36%和50%,其中,复合材料结构居主导地位的一直是刚性双酚A二缩水甘油醚型环氧树脂。如美国“三叉戟-1”、“三叉戟-2”导弹以及“飞马座”火箭采用的HBRF-55A配方就以E-PON826为主。多年来各国都在通过加入柔性单元改进环氧树脂的韧性,通过加入新型刚性链单元结构或使用芴型芳香胺固化剂来提高耐热性,并分别取得了预期的效果[2,3,4]。
单位:t,%
1 航空航天先进复合材料国外现状
先进复合材料的研究应用主要集中于国防工业。高性能树脂基复合材料,主要是碳纤维和芳纶纤维增强环氧树脂,多官能团环氧树脂和BMI。复合材料性能稳定,已大量投入应用,相当于T300/聚酰亚胺PMR-15性能的复合材料已研制成功,一批高性能的热塑性树脂基复合材料,如PEEK、PECK、PPS等正在从实验室走向实用。据介绍,先进复合材料构件正在由次承力件向主承力件过渡。在成型工艺方面,先进复合材料借助玻璃钢成型技术逐步实现由手糊到机械化自动化的转变。但总的水平与国外先进技术还有一定距离。
高性能聚合物基复合材料在航空航天工业的用量占其全部用量的80%。国内外先进复合材料在航空航天领域的应用情况见表4。
鉴于4,4’-二氨基二苯甲烷四缩水甘油胺(TGDDM)的性价比,该材料可能是最实用的高性能环氧树脂。TGDDM具有优良的耐热性,长时高温性能和机械强度保持率,固化收缩低,化学和辐射稳定性好,还可用于高性能结构胶粘剂,结构层压板和耐高能辐射材料。
1.1 A400M运输机[5]
1986年设计的C-17是上世纪先进大型军用运输机的典型代表,限于当时的水平,复合材料主要用于次要结构,如雷达罩、整流罩、操纵面、口盖、翼梢小翼蒙皮等。复合材料重约7258k,占该机结构重量8.1%。树脂基复合材料从非承力结构发展到次承力构件。在复合材料中碳纤维增强复合材料约占结构重量6%,玻璃纤维塑料、Kevlar纤维增强材料占2%。
欧洲EADS正在研究的A400M属于新一代大型军用运输机,在材料应用技术上有了一个新的飞跃,主要表现为先进复合材料占结构重量的35%~40%。与C-17不同的是,在A400M上,碳纤维复合材料用于一些主承力结构,而C-17的复合材料结构重量比仅为8%,且主要用于操纵面及次要结构。A400M的机身仍由传统的铝合金制成,但却开创了采用碳纤维复合材料制造大型运输机机翼的先河,机翼长达19m,令业界颇为瞩目。
在A400M运输机上,特别值得提出的是复合材料机翼,碳纤维复合材料占机翼结构重量比例高达85%,开创了使用复合材料为主要材料制造大型运输机机翼的先例。采用碳纤维制造的机翼,重量是同等强度铝合金机翼的75%至80%,并且不会产生金属疲劳,先进复合材料的广泛应用对于减轻结构重量相当有利。在A400M的复合材料设计和制造中,广泛采用了计算机辅助设计软件,如土耳其航空航天工业公司就使用美国维斯特吉公司的Fiber SlM软件来进行设计。土耳其航空航天工业公司作为空客A400M项目的签约合作方,在CATIAV 5CAD模拟环境中利用该软件为A400M运输机设计了副翼及扰流片等气动控制面。
A400M的机翼除前缘、前后缘支承结构及铰链采用铝合金外,其气动舵面、机翼蒙皮、桁条以及中央翼盒与外翼盒接头的某些部件也均为复合材料。但为了确保强度安全,A400M机翼与机身的接头采用钛合金制造并用螺栓以双钩环固定,以保证在断裂时有双余度保险。该机翼蒙皮与加强筋组成一体固定在碳纤维复合材料翼梁上,翼肋仍采用铝合金制造。因其主要受压应力,此时用复合材料与用铝合金并无大的不同。除机翼外,A400M的尾部货舱门、起落架舱门、整流罩以及螺旋桨也采用高强度复合材料来制造。目前,空客公司正在进行一项更为“大胆”的重要计划—研制全碳纤维复合材料机翼,并已制造出6.2m的翼盒验证件。A400M的T型尾翼设计为加强结构,并大量采用复合材料,碳纤维复合材料占结构重量比例高达97%~98%。垂尾主要由1个三粱主盒段、1个可拆卸的前缘、后缘隔板和一块方向舵组成,垂直尾翼的根部与后机身上一个机械加工的平直翼面连接。除了垂尾前缘和铰链,所有这些结构部件主要由复合材料制造。垂尾前缘是金属/复合材料的复合型部件,可改善抗冲击和防腐蚀性能,在垂尾翼尖装有预警保障措施短舱。方向舵是带铝合金铰链连接肋的碳纤维加强型结构,由两台液压伺服作动筒和一台电动马达驱动。A400M的垂尾面积较大,有着非常不错的航向稳定性。水平尾翼为铝合金中央结构翼盒和两个复合材料的外侧盒段结构,中央盒段为水平尾翼与垂直安定面的连接提供安装固定结构。水平尾翼两侧各有一块升降舵,其主结构也采用了碳纤维复合材料。
A400M运输机所用环氧基体碳纤维复合材其主要用于翼梁、纵梁、机翼箱型梁、升降舵蒙皮、气动舵面、机翼蒙皮、桁条以及中央翼盒与外翼盒接头的某些部件。
1.2 美国第四代战斗机F-22[6]
为满足新一代战斗机对高机动性、超音速巡航及隐身的要求,进入90年代后,西方的战斗机无一例外的大量采用复合材料结构,用量一般都在25%以上,有的甚至达到35%,结构减重效率达30%。应用部位几乎遍布飞机的机体,包括垂直尾翼、水平尾翼、机身蒙皮以及机翼的壁板和蒙皮等。如美国第4代战斗机F-22复合材料用量已达到24%,而EF2000更高达43%,EF2000除鸭翼外,机身、机翼、腹鳍、方向舵都采用复合材料,结构“湿润”表面的70%为复合材料。阵风也是如此,70%的“湿润”表面为复合材料,约947kg之重。F-35的复合材料几乎覆盖了整个飞机外表面。
1.3 无人战斗机
国外目前研制的无人机以复合材料和传统铝合金的混合结构为主。如“捕食者”“全球鹰”等均是如此。其中“全球鹰”的机翼和尾翼由石墨/环氧复合材料制造,而机身仍采用传统铝合金,复合材料占结构重量的65%。
无人战斗机是未来航空武器的一个重点发展方向。为满足采购政策、隐身性能、机动性、生存力对材料的特殊需求,为尽可能地降低结构重量、提高燃油装载量,无人战斗机结构的一个显著特点就是大量应用复合材料。以波音公司的X-45A为例,除机身的龙骨、梁和隔框采用高速切削铝合金外,其余的机体结构都是由复合材料制成。诺斯罗普·格鲁门公司的X-47A的机体除一些接头采用铝合金外,整个机体几乎全部采用了复合材料。
1.4 直升机
直升机采用复合材料不仅可减重,且对于改善直升机抗坠毁性能意义重大,因而复合材料在直升机结构中应用更广、用量更大,不仅机身结构,而且由桨叶和桨毂组成的升力系统、传动系统也大量采用树脂基复合材料。H360、S-75、BK-117和V-22等直升机均大量采用了复合材料,如顷转旋翼飞机V-22用复合材料近3000kg,占结构总重的45%左右,法德合作研制的“虎”式武装直升机,复合材料用量更高达77%。
1.5 航天飞机
以NASA开发的第2代可重复使用航天飞机为例,油箱内衬为复合材料。在推进系统中将采用陶瓷基复合材料发射斜轨、金属基复合材料机匣以及树脂基复合材料涵道。此外还将采用复合材料电子设备舱。第3代可重复使用航天飞机将为一智能结构,具有自适应热防护系统及智能化无损检测装置,自愈合的飞机结构及表面。发动机材料将可能使用经冷却的复合材料、金属基复合材料加力燃烧室壳体、超高温复合材料。结构材料将包括超高温树脂基复合材料、低成本耐腐蚀热防护系统复合材料液氧油箱。
美国高超声速飞行器X-43是由超燃冲压发动机作动力装置的验证机。其油箱/机身由石墨/环氧框架及蒙皮组成。蒙皮外再覆以热防护系统。飞机上翼面热防护层为可剪裁的先进绝缘毡,下翼面为内多层屏蔽绝缘物。后者是正处于开发中的防热材料,由C/SiC外面板,中介陶瓷屏以及先进聚酰亚胺泡沫内衬。中介陶瓷屏覆以贵金属以降低其热辐射。机翼及垂尾由钛基复合材料制成,并有1个由二硼化锆制成的前缘。
1.6 巡航导弹和固体火箭发动机[7,8,9]
在火箭和导弹上使用碳复合材料减重效果十分显著。因此,采用碳纤维复合材料将大大减轻火箭和导弹的惰性重量,既减轻发射重量又可节省发射费用或携带更重的弹头或增加有效射程和落点精度。
利用纤维缠绕工艺制造的环氧基固体发动机罩耐腐蚀、耐高温、耐辐射、且密度小、刚性好、强度高、尺寸稳定。再如导弹弹头采用了环氧基及环氧酚醛基纤维增强材料。
在树脂基复合材料中,环氧树脂(EP)是巡航导弹弹体结构所用复合材料中最主要的基体材料,在所有树脂基复合材料结构中所占的比例高达90%。但随着飞行速度的提高,超声速巡航导弹研究的日益深入,目前树脂基复合材料的研究重点已由环氧树脂向BMI、聚酰亚胺(PI)树脂、氰酸酯树脂转移。Bryte公司最近开发了一系列氰酸酯树脂基体,玻璃化转变温度达335℃,短时工作温度达300℃,可以代替BMI和聚酰亚胺,氰酸酯树脂已成为未来结构/功能一体化的有力候选材料,可以作为超声速巡航导弹复合材料舵面和弹体通常选用的树脂。
耐高温树脂基复合材料是超声速巡航导弹弹体结构的主选材料,以BMI、PI树脂为主。目前国内的PI树脂存在着性能不稳定、工艺操作性差等诸多问题,难以成型大尺寸、复杂型面的复合材料结构,不宜作为超声速巡航导弹主体结构树脂。从美国雷锡恩导弹系统公司的经验来看,在近10年期间将把高温树脂基复合材料基体的研究集中于BMI,取代以往研究的PI,充分利用BMI的可加工性、低成本、易操作性。BMI树脂的耐温性能能达到300℃左右,完全可以满足低马赫数(≤2Ma)超声速巡航导弹弹体结构的需求。
耐高温有机树脂基透波复合材料体系中,美国研制开发的PI树脂和聚苯并咪唑(PBI)树脂及俄罗斯研制的改性酚醛树脂都具有良好的透波性能和工艺性能,已在宽频天线罩(HARM、ALARM、KP-1)上获得应用,使用温度达到600℃。
1.7 卫星和宇宙飞船[10,11]
宇航工业中除烧蚀复合材料外,高性能复合材料应用也很广泛。如三叉戟导弹仪器舱锥体采用C/EP后减重25%~30%,省工50%左右。还用作仪器支架及三叉戟导弹上的陀螺支架、弹射筒支承环,弹射滚柱支架、惯性装置内支架和电池支架等55个辅助结构件。由于减重,使射程增加342km。德尔塔火箭的保护罩和级间段亦由C/EP制造。美国卫星和飞行器上的天线、天线支架、太阳能电池框架和微波滤波器等均采用C/EP定型生产。国际通讯卫星V上采用C/EP制作天线支撑结构和大型空间结构。宇航器“空中旅行者”的高增益天线次反射器和蜂窝夹层结构的内外蒙皮采用了K-49/EP。航天飞机用Nomex蜂窝C/EP复合材料制成大舱门,C/EP尾舱结构壁板等。人造卫星使用碳复合材料制造卫星整流罩、展开式太阳能电池板,而宇宙飞船使用碳复合材料制造防热材料、太阳能电池阵基板和航天飞机舱门、机械臂和压力容器等。
1.8 航空发动机
航空发动机使用碳纤维增强树脂基复合材料取代金属材料可以有效减轻发动机重量,降低燃料消耗,增加航程。有资料报道,发动机减轻1磅(0.454kg)重量,飞机则可减轻10~20磅重量。从70年代初,复合材料就成为TF39、F103特别是GE36UDF发动机研制计划的一部分,在这些发动机上积累了经验之后,在GE90的风扇叶片上成功使用了高性能韧化环氧复合材料。此外,在F119风扇机匣、遄达发动机的风扇机匣包容环及反推力装置上也广泛采用了树脂基复合材料。近期开发的波音787的动力装置GEnx的风扇机匣及风扇叶片,将由碳纤维/环氧树脂基复合材料制成。除减重外,复合材料还表现出良好的韧性及耐蚀性。至于陶瓷基复合材料等超高温复合材料,目前已在M88、F119等发动机尾喷管等静止件上获得应用。
随着飞行器向高空、高速、无人化、智能化、低成本化方向发展,复合材料的地位会越来越重要。国外预计,在下一代飞机上,复合材料将扮演主角,目前采用全复合材料飞行器的计划正处于酝酿之中。
1.9 民用大飞机
民用航空材料方面由于采用环氧基碳纤维增强材料,带来非常明显的性价比,欧洲空中客车公司提出更多地用轻质高强材料使机身减重30%,整个飞行成本可降低40%。空客的储备技术还说明,机身达到减重15%,成本可下降15%的目标。空客在使用复合材料方面一直走在业界前头,A380飞机约25%由复合材料制造,其中22%为环氧基体碳纤维复合材料,工程塑料基碳纤维增强塑料比重>1%。A380在后压力舱后部的后机身首次采用了复合材料和先进金属材料,使用这些复合材料减轻了机身重量,大大减少了油耗和排放,并降低了运营成本。再如波音B777飞机上采用碳纤维增强工程塑料量达9.9t,占结构总质量的11%。而波音B787飞机上采用环氧树脂基、双马来酰亚胺基体碳纤维复合材料和热塑性工程塑料,其用量达机重的50%。环氧树脂基、双马来酰亚胺基碳纤维复合材料主要用来制造机翼、机身、地楞横梁等部位的结构材料,内部装饰上也大面积使用了热塑性工程塑料。
2 中国航空航天的先进复合材料
2.1 先进复合材料的基体树脂
我国高性能复合材料应用于航空业已有20多年历史,目前军用歼击机用量达25%,直升机最高用量可达50%,民用客机也达到10%~20%,主要用于起落架舱门、内外侧副翼、方向舵、升降舵、扰流板等。
国内许多学者从事TGDDM环氧体系的研究与开发工作,并取得了较大成绩。特别值得指出的是,我国科技工作者经多年研究,开发了商品名为TDE-85的三官能团环氧树脂,其化学名为4,5-环氧己烷-1,2-二甲酸二缩水甘油酯,其分子中含有2个反应活性高的缩水甘油酯基和一个反应活性与前者差别很大的脂环环氧基。该树脂是一种工艺性、耐热性均很优异的高性能环氧树脂。西北工业大学、哈尔滨玻璃钢研究所等单位用TDE-85环氧树脂为基体材料制作的复合材料,应用在某些有特殊需要的产品上已获得令人满意的结果。
2.2 韧性环氧树脂基体及其预浸料[12]
THC-400,THC-800系列,TH-30系列,THH系列,THF等是陕西太航阻火聚合物有限公司开发的专用于复合材料的耐烧蚀耐高温洁净阻燃韧性环氧树脂基体的特种树脂溶液,有一系列不同的分子量和独特的分子量分布。黏度低,易于浸润碳纤维,有特别优异的粘接性。同时对芳伦纤维,高硅氧纤维等玻璃纤维同样有优良的粘接性能,其复合材料耐温可达350℃左右,甚至更高。同时不燃,无烟,有优异的烧蚀性能和透波性能。碳纤维复合材料火箭发动机壳体用耐烧蚀耐高温洁净阻燃韧性环氧树脂基体及其预浸料可存放3~6个月。预浸料适用于模压、层压、热压罐多种工艺,也可缠绕,已成功用于航天产品的碳/碳材料的制造,火箭发动机的喷管、扩散段、天线罩、飞机部件的制造。汽车工业的新型碳纤维离合器,其使用寿命可达30万次,比发达国家高一倍,其模压复合材料力学性能见表5。所制造的碳纤维刹车片各种指标达到或超过德国标准。其玻璃纤维模压复合材料在不同频率下的介电性能和不同温度的机械性能见表6。
近年来,针对环氧树脂基体韧性不足、耐湿热性较差的问题,国内相关单位开展了多方面的改性研究,使复合材料冲击后的压缩强度达到了250MPa以上,复合材料饱和吸湿后120℃下的综合性能的保持率均与国外同类树脂体系相当。其多墙式复合材料层压板共固化、共胶接结构,全高度蜂窝夹层结构已在马赫数1.5以下的飞机上得到了工程化应用,并且有的复合材料结构经过了近20年的使用考核,质量情况仍然良好。
疲劳试验的结果表明,在给定的设计载荷下,复合材料结构件30年的飞行寿命是可靠的。使用经验表明,这类复合材料是一种性能优异的材料,它已逐渐开始走向成熟。环氧树脂体系对碳纤维品种适应性研究在国内也取得了成果,特别是国产碳纤维增强的环氧树脂基复合材料已通过了一系列性能考核。以NY9200环氧树脂体系为例,与纤维界面有关的复合材料0°压缩和面内剪切性能与国外同类纤维增强的环氧树脂基复合材料相当,界面破坏形貌基本相似,并开始进入飞机结构上的应用。
2.3 新型低黏度的二官能环氧基化合物[13]
在“九五”国家科技攻关项目“碳纤维复合材料火箭发动机壳体用高性能树脂基体的研究”项目支持下,针对“KN-1”型固体航天器和武器型号发展急需,针对碳纤维先进复合材料应用很广的芳香胺类固化的环氧树脂体系,设计合成了一种中间含有“柔性可旋转”链段的低黏度的二官能环氧基化合物,通过配方设计筛选,结合热、力学性能测试,开发了一种集韧性、耐热性及工艺都很好的环氧树脂基体。韧性环氧树脂基体配方在室温下黏度低,贮存适用期长,浇铸体热变形温度较高,断裂延伸率高达5.3%,其湿法缠绕成型的T-700碳复合材料具有界面粘接好,纤维强度转化率高达89.4%。<150mm压力容器水压爆破试验结果表明,该树脂基体工艺性能优良,压力容器特性系数pvw值高达40.1km。该种纤维复合材料发动机壳体(压力容器)主要性能指标达到了以美国国家宇航局NASA为代表的国际先进水平。可以用该改性树脂基体制造高性能碳复合材料发动机壳体。98-28A-01-17鉴定专家一致认为该改性树脂基体的研制成功,为我国航天航空用先进复合材料的发展起到了开拓性的作用[14]。
2.4 中国的第4代、第5飞机
中国第4代飞机J-14开始全比例模型风洞实验,见图1。中国第4代重型歼击机歼14“鹰隼”是一种全新的高性能、多用途、全天候的空中优势的战斗机。中国第5代飞机J-15、J-20和舰载战斗机正在研制,见图2和图3。
歼14“鹰隼”是单座双发、双V、总体布局形垂尾翼、菱形进气道的纵向一体化三翼面的气动布局。主要技术采用前掠式机翼,翼身融合的隐身设计,武器装载在机身的武器舱和推力矢量控制技术。机体的36%由碳纤维复合材料制成,钛64约占24%,钛62222占3%,钢占16%,铝合金占16%,热塑性复合材料大于1%,其他材料(包括涂漆、座藏盖、机头雷达整流罩、轮胎、刹车片、密封材料、黏合剂、气体、润滑油和冷却剂等)占15%。传统的钢和铝合金占的比重很小,而大量使用了钛合金和复合材料。
2.5 中国的巡航导弹和固体火箭发动机[6]
材料与工艺是导弹研制、生产的基础,对提高导弹武器的性能、降低其成本起着重要作用,当前的研究重点是高性能合金、复合材料、隐身材料及特殊结构和功能材料。其中,复合材料及其制造工艺特别重要。用高性能纤维及其编织物、采用增强基体,可以批量生产强度大、比重小的高级复合材料,而且应用部位已由次承力部件发展到主承力部件。战略导弹的固体发动机、仪器舱、弹头防热与突防结构、机动发射筒、各类战术导弹的防热结构等,都是典型的复合材料构件。
国内的巡航导弹结构复合材料发展水平与国外差距较大,但针对巡航导弹弹体结构特点近期发展了一系列树脂基复合材料新技术、新结构,牵引出以下3种树脂基结构复合材料新技术的发展:低成本整体成型复合材料、耐高温多结构特性复合材料、耐高温透波/结构复合材料。以上3种复合材料结构及技术具备显著的不同于航空结构的特点,集中了巡航导弹弹体结构的主要典型特征。
(1)低成本整体成型复合材料
在新一代亚声速巡航导弹的研究中,大胆采用了多种以整体成型为核心的先进复合材料成型技术,包括RTM共固化技术、RTM整体成型技术、整体模压技术等。巡航导弹复合材料舱段、复合材料整体弹翼、复合材料进气道油箱舱体一体化结构3种典型复合材料结构已成为主要发展方向。
(2)耐高温多结构特性复合材料
从该技术本身而言,国内无论是传统的热压罐、模压技术,还是新开展的RTM技术,相应的BMI树脂和成型工艺均很成熟,具备了工程应用的条件。在高马赫数飞行的巡航导弹弹体结构上,双马树脂基复合材料可以通过与外层热防护层相结合的方式组成耐高温多结构特性复合材料。其中的典型代表是双马-酚醛一体化复合材料,它在未来弹道-巡航组合式导弹结构上将发挥独特的作用。这种弹道-巡航组合式导弹的飞行状态包含了“再入”和“巡航”,打破了传统意义上战略和战术导弹的界限,要求弹体结构材料需要同时具备承载和耐热双重作用,双马-酚醛一体化复合材料中内层的双马复合材料作为结构部分,外层的酚醛复合材料作为烧蚀型热防护材料,整个结构一次RTM成型、共固化,避免了二者界面结合问题,是一种耐高温多结构特性复合材料,能充分实现结构耐热与承载的高效统一。是未来巡航导弹弹体结构的一个很有前景的研究方向。
(3)耐高温透波/结构复合材料
天线罩兼具透波和结构的双重功效,是重要的巡航导弹弹体结构部分。亚声速巡航导弹的天线罩已发展较为成熟,以环氧树脂为主。新的技术竞争点集中在以超声速巡航导弹为代表的高性能耐热、宽频透波天线罩。
中国的巡航导弹采用环氧树脂、双马-酚醛一体化[15]基体碳纤维复合材料制作巡航导弹的弹头、巡航导弹复合材料弹翼、舱段、进气道油箱舱体一体化结构、天线罩、头舱、前设备舱、后设备舱、尾舱等。
3 中国的民用大飞机C919
中国研发的碳纤维织物增强5224环氧树脂基复合材料结构已经在直升机上得到了大量的使用,单向碳纤维增强的NY9200环氧树脂基复合材料结构在近400架飞机上应用,另外,在飞机结构上开始采用的BA9916和5228环氧树脂基体系,这些应用所沉淀的工程经验均可以为国内大型飞机复合材料结构选材提供有益的参考和借鉴。
3.1 C919的进程和基本现状
C919和空客A320、波音737外形相似,与C919竞争的机型是占据中国航空市场半壁江山的波音737和空客A320,然而,如果要论承载旅客的数量和载重的真正之“大”,波音787飞机和空客A350才是与C919持续竞争的两款双通道飞机机型。
而由中航承担中国民用航空大飞机80t级的C919飞机零部件也在加紧生产中,将如期交付中国商飞集团。C919与空客A320、波音737最大的区别在机头,传统的机头是由正面两块以及侧面4块挡风玻璃组成,而C919少了侧面两块挡风玻璃,国产大飞机的机头更具流线型,能减少阻力,同时驾驶员在驾驶舱的视野也比传统的机头更加宽阔。从这一点就可看出,国产大客机将更强调省油和经济性。C919的确拥有很多优势。C919从机头、机翼到机尾、发动机,在设计上都费尽心思,尽量减小阻力,有效降低油耗。在使用材料上,C919将采用大量的先进复合材料,如铝锂合金、钛合金等,其中复合材料使用量将达到20%,再通过飞机内部结构的细节设计,把飞机重量往下压缩。
C919大型客机2014年首飞,2016年完成适航取证并投放市场。2010年底的珠海航展上,中国商飞与中国国际航空股份有限公司等签署了C919客机启动用户协议,总共获得了100架C919大型客机启动订单,标志着C919客机已被主流市场所接受。100架C919飞机使用的复合材料将超过1600t。
3.2 中国大飞机C919及其复合材料市场预测
我国军用飞机、支线飞机ARJ21以及大型商用客机项目的开展和我国航天事业的发展,CF复合材料的用量会不断增加。2010年总需求300t碳纤维,到2015年将需求碳纤维800t。航空航天碳纤维复合材料将达到1600t。配套环氧树脂或乙烯基树脂800t。我国的航空航天和民用大飞机复合材料占碳纤维复合材料总需求量的3.7%。未来5年发展趋势预测见图4。图4预测,只是与100架C919订单完成交付相符,并没有包括未来5年我国军用飞机和航天复合材的发展预测。
C919市场前景看好。中国未来还需要2000~3000架的单通道飞机。到2029年,全球共需要30230架干线和支线飞机,其中双通道飞机6916架,单通道飞机19921架,涡扇支线飞机3396架,总价值近3.4万亿美元。预计到2029年中国市场需要3750多架大型客机。20年内将售出超过2000架C919,复合材料需求量将超过3.2万t。
2008~2017年需要通用飞机近5000架,约占全球总需求量的12%,其中有21%是公务机,其余79%是通勤、作业、培训和运动等用途的飞机。复合材料需求量将超过8万t。
4 结语
我国现在开始抓飞机复合材料的预研,当然有利于缩小与世界先进水平的差距。但是从长远来看,要从根本上解决我国民机技术上的差距,还得从解决我国民机技术长期落后的3个原因做起,即要加大民机研制的频度、成立专门的民机研究所、建立科技转化生产力体制机制的航空工业最佳模式。
随着国际经济环境发生深刻变化,国内外企业都比以往更加注重中国内地市场的开发,更多的海外企业希望拓展中国市场。先进复合材料技术不断发展更新,其应用领域不断扩展,并在能源、电子、汽车、建筑、桥梁、环境和船舶等领域扮演着越发重要的角色,同样给建造者带来越来越多的好处。
浅议编织复合材料技术 篇9
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
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[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.
复合材料局部修补技术研究 篇10
一般来说, 复合材料局部修补需要在有限的设备条件下和短时间内完成[3]。复合材料局部修补的基本目的是在最小花费和最短时间内使结构恢复完整性。局部修补所用材料应与原结构的强度和刚性相匹配, 同时尽可能不增加材料的重量, 因此修补材料的选择上有一些特殊的要求。本文会以某型公务机的玻璃纤维复合材料制件为例, 介绍复合材料制件的局部修补技术流程、使用材料及使用设备与工具的基本要求。
1 局部修补条件限制
使用玻璃纤维制备的复合材料有一定损伤容限[4]。一个损伤的复合材料零件是否具有可修补的可能, 取决于其损伤的方式、损伤容限和其应用区域。例如飞机内部的装饰性复合材料零件, 其使用与功能对其力学性能的要求不高, 而外部结构件则需要很高的应力使用区间。对于不同力学要求的零件, 损伤容限存在很大差异。本文仅对飞机内部复合材料零件的修补进行讨论。
确定复合材料损伤及缺陷的方法有很多, 如目视检查、敲击、超声检测、染料渗透、X射线、红外热谱法等。而目视检查、敲击和超声检测则最常用于复合材料的局部修补。对于复合材料的损伤及缺陷大致有开胶、分层、坑、裂痕、孔洞、雷击等[5], 目视检查多用于检查坑、裂痕、孔洞等表面易发现的损伤及缺陷, 敲击则是发现分层最简单的方法, 超声检测则可以精准的测出分层及开胶的位置、层数及范围。损伤及缺陷的位置、范围、层数影响着复合材料的损伤容限, 决定复合材料能否经修补而恢复其力学要求。
2 修补材料
不同复合材料的修补对材料的要求是不同的, 理想的修补材料应满足以下条件:可室温或低温固化;低粘度;室温储存;有效期长;固化时间短;耐腐蚀性强。在选择材料时, 要考虑纤维布的厚度、胶的类型、固化条件、损伤深度及范围等条件, 选择适合的修补材料。同时, 由于复合材料导电性缺失, 有些需要补铺金属网材料。
3 修补技术
复合材料结构修补的基本目的是在最短时间内用最少的花费使复合材料结构恢复完整性[6]。常用的修补方法有机械连接法和胶接修补法。本文仅对胶接修补法进行讨论。
胶接修补法是目前最常用的复合材料局部修补技术, 通过胶接、铺层、加压固化的过程使零件恢复原来的设计要求及外形, 主要有填充、贴补、挖补等方式。填充主要针对复合材料边缘开胶、分层及孔洞等损伤或缺陷, 修补所用工具设备较简单, 甚至室温下即可进行修补, 但其对高强度、高应力要求区域不能使用;贴补法则是在损伤结构的外部通过胶接来固定一外部贴补片来恢复结构强度、刚性及设计要求, 但这种方法会破坏材料的外形, 对外形精度要求不高的零件可以使用;挖补法则是一种应用范围最广、修补效果最好的修补方法, 同时对操作者和外部条件的要求也更高, 首先需要去除缺陷或损伤的部位, 再采用斜接法或阶梯法进行填补, 固化过程需要加温加压以保证产品质量与外形恢复。
4 结论
目前复合材料的典型性损伤与典型性修补方法已基本定型, 但是科技的进步永远不会停止, 如何快速、有效修补复合材料, 如何提高修补容限、如何保证耐久性, 如何在常温常压下进行修补, 修补材料的革命等问题, 都需要进一步研究与探索。
摘要：复合材料零件在制造和使用过程中不可避免地会存在缺陷或损伤, 如任由其缺陷或损伤发展则会发展成结构损伤, 对复合材料的缺陷或损伤进行及时修补是必要的。本文以某型公务机的玻璃纤维复合材料制件为例, 介绍复合材料制件的局部修补技术流程、使用材料及使用设备与工具的基本要求。
关键词：玻璃纤维,复合材料,局部修补,流程
参考文献
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[5]王莹.复合材料缺陷修补技术[J].应用技术, 2014:83-86
木塑复合材料生产技术 篇11
木塑复合材料与越来越稀少的实木相比:具有木材和塑料的复合功能,不吸水、不发霉、耐老化、耐酸碱、拒虫害、易着色、易加工、无毒、无味等特性;各项性能指标可与硬木相媲美,外观、手感与天然木材相似,可锯、可刨、可钻、握钉力强;可根据客户要求研制及生产个性化产品,如色彩等;可100%的回收再利用,是一种性能优良、经济环保的新材料;可以替代外运货物木质包装材料和铺垫材料;也可以用于门窗框、建筑模板、地板、家具、汽车配件及交通护栏等的生产。
市场分析
目前国内市场尚处于起步阶段,木塑制品在市场上还没有大面积推广。据不完全统计,木塑复合制品年产量已接近10万吨(50%用于地板、15%用于门窗、15%用于护栏、20%为其他产品),产值超过8亿元人民币。据预测,至“十一五”结束,我国的木塑年产销量有望突破50万吨,产值有可能超过50亿元人民币;到“十二五”期间,我国的木塑产量有望赶上美国。
本木塑复合材料生产技术以聚烯烃类塑料及木质纤维为原料,采用先进的一步法生产工艺,不造粒;加工工艺简单,易于操作;特殊的配方设计与生产工艺,良好的混炼效果、塑料与木粉分散均匀;机器下料速度快,产量大幅提高;加工助剂大量减少;产品表面光洁,物理机械性能优良;综合生产成本降低。生产过程无“三废”排放,材料可100%回收利用。
中国林业科学院新开发了先进的一步法生产工艺,相对于原有工艺不再需要造粒,故加工更简单,成本相对更低。同时开发了发泡工艺,降低板材密度使得应用范围更加广泛和高效。主要有木塑复合发泡室内用踢脚线、室外地板等。该生产技术属于投资小,效益好的精细化工类项目。
飞机复合材料结构修理技术 篇12
关键词：飞机,复合材料,修理,应用
1 复合材料在飞机上的应用
复合材料是由两种或两种以上的不同材料、不同形状、不同性质的物质复合形成的新型材料。一般由基体材料和增强材料所组成。复合材料可经设计, 即通过对原材料的选择、各组分分布设计和工艺条件的保证等, 使原组分材料优点互补, 因而呈现了出色的综合性能。
随着玻璃纤维、凯夫拉、碳纤维等复合材料的发展, 并且早期复合材料结构的使用预示着复合材料运用的辉煌。在飞机上翼尖小翼、雷达罩和尾锥上少量玻璃纤维增强塑料的使用标志着飞机设计上复合材料的重新应用。从那时起复合材料在这些部件上的成功应用导致在每一种新机型上复合材料应用的增加。波音747使用了超过10000平方英尺表面的复合材料结构。在过去几年当中先进复合材料技术运用到诸如大翼面板、地板梁等主要结构上[2]。显而易见对基本复合材料结构和复合材料结构修理技术的理解对航空企业特别是航空维修企业是多么重要。
2 复合材料结构修理技术
飞机复合材料的修理目的是最大限度的恢复飞机结构的完整性和安全性, 主要修理的效果如何与多种因素有关, 如修理后的强度、耐久性、气动平滑度、重量、工作温度、环境因素等[3], 强度主要考虑恢复结构的刚度、静强度和疲劳强度, 因此, 为了避免修理中出现意外的错误, 必须严格按照一定的操作规程进行, 一般的修理程序为:
找出损伤区域→评估损伤的程度→损伤应力的评估→修理方案设计→修理结构的准备→补丁的制造→补丁的安装→修理后的无损检测。当今复合材料修理的主要工艺有以下几种:
2.1 复合材料的连接和打孔
飞机复合材料不同于其他金属或合金材料, 由于自身的特点, 在修理时容易出现下列问题[4]:复合材料件装配前的钻孔困难, 容易磨损钻具, 钻孔附近易出现分层现象;复合材料与金属件连接时, 由于电位差较大, 容易腐蚀金属件;复合材料装配时易造成损伤等, 基于这种种原因, 必须对打孔和连接工艺做特殊的处理, 才能保证复合材料件的安装和修理后的使用安全。
2.2 胶结修理技术[5]
胶结修理的应用非常广泛, 它的优点是导致应力集中小, 增重少。缺点是对施工环境要求高, 质量难以控制, 其应用主要在下面3个方面:
1) 装饰性修理。对仅影响气动外观的小损伤如小凹坑、划痕、脱漆等进行的修理。
2) 注胶修理。小面积脱胶或分层用该种方法修理, 方法是钻一些通往损伤层的小孔作为注胶孔和溢胶孔, 将加热的胶液用注胶枪从注胶孔注入, 渗透到损伤层并从溢胶孔流出为止, 然后加热时胶液固化二完成修理。
3) 补强修理。对猪承力构件的较大损伤, 要用补强板修理。补强板胶接修理有两种方法: (1) 外补强板修理, 主要用于薄的层合板及蜂窝板的修理, 用该种方法修理后的结构强度可达原结构材料强度的50%-80%。 (2) 光滑外表面修理, 主要用于较厚板或气动光滑性要求严格部位的修理修理效率高, 修理后结构强度可达原结构材料极限强度的60%-100%。
2.3 铆接 (或螺接) 修理技术
铆 (螺) 接修理技术适用于较厚的整体壁板, 常用的补板材料是铝合金和钛合金[6]。铝合金和碳纤维复合材料接触时容易发生电化学腐蚀, 因此, 在用铝合金修补时要在铝合金板和复合材料之间进行隔离, 制作隔离层。钛合金不存在这样的问题, 可以直接用于复合材料修补。
2.4 微波快速修复
复合材料微波修复技术是指将微波引入复合材料修补领域, 在修复区注入微波吸收剂, 以提高修复区材料的导电磁率, 同时用特殊设计的微波施加器对修复区施加微波能, 使之在数十秒内形成新的、更强的界面, 见那个损伤或缺陷修复[7]。
2.5 光固化预浸修理技术
光固化预浸胶接修理技术是利用光敏胶固化速度快的特点和适宜的力学性能, 以光敏胶作基体树脂, 用玻璃纤维作为增强材料, 预先制备成预浸修理补片, 根据修理对象的需求, 选用合适的修理补片, 在紫外光的辐照下迅速固化, 以达到快速修复飞机蒙皮表面裂纹、孔洞、腐蚀、灼烧等损伤的方法。
3 复合材料结构修理实例
复合材料结构修理的一般要求:
a.满足结构强度, 稳定性要求, 即恢复结构的承载能力, 在压剪载荷下不失稳。
b.满足结构刚度要求 (包括挠度变开, 气弹特性和载荷分布及传递路线等) 。
c.满足耐久性要求 (包括疲劳、腐蚀、环境影响等诸方面) 。
d.修理增重小, 操纵面等动部件满足质量平衡要求。
e.气动外形变化要小, 即保证原结构表面光滑完整。
f.修理所用时间要短, 以满足使用需要。
g.修理费用成本要低。
根据损伤情况, 以及可能提供的修理条件 (修理经验和修理材料、设备等) 选择最佳的修理方法。
以损伤的蜂窝结构为例, 来介绍复合材料的修理技术, 下面就按照上述步骤来一一介绍:
1) 确定损伤区域, 做目视检查来确定损伤程度;检测是否有水、油、燃料或者其他有害物质进入部件, 使用X射线检查方法检测水是否进入部件;检查部件损伤附近是否存在分层
2) 清除损伤, 在需要更换蜂窝的修理中, 可采用各种不同的手持工具来切除损伤。对于较大的、形状多变的损伤, 可以选择特形铣刀、80号和150号砂轮以及切割机等。对于形状为圆形的损伤, 可以选择不同外径的孔锯。
3) 切除损伤, 应尽量使用导向装置。切除损伤蒙皮后要修正边缘, 切口形状为带圆角的矩形、圆形或椭圆形。要注意切除损伤时不能损伤完好的纤维铺层、蜂窝和周围材料。当蜂窝也有损伤时, 按与蒙皮切口相同形状切除受损蜂窝。切除蜂窝必须超过目视损伤范围至少0.5in。同时要避免损伤对面完好的蒙皮。
4) 测量修理区域切口的深度和直径, 按照测量的深度大0.04in, 直径稍大的尺寸切一个蜂窝芯塞必须与原来的蜂窝或者蒙皮表面齐平, 并且要与周围蜂窝密切接触。清洁、干燥蜂窝芯塞
5) 在修理蜂窝芯子周围涂上粘稠剂的胶黏剂。
6) 制作浸有树脂的玻璃纤维布, 尺寸与损伤切口相同
7) 将玻璃纤维布平铺在安装好的蜂窝芯塞上
8) 完成蜂窝芯塞安装之后, 对修理进行封装, 为固化芯塞做准备。需要依次铺放热电偶、一层带孔的隔离膜、一层透气毡、电热毯、热电偶、透气布、抽真空罐和真空表的接头座, 铺好后打包真空袋。
9) 加温固化, 在完成蜂窝芯子修理之后, 需要将热电偶、电热毯和抽真空设备等于热补仪连接, 设定需要的温度、温升率、保温时间和降温速率。
10) 检查和修整, 在修理区域完成固化并拆除封装材料后, 检查蜂窝芯塞与原蜂窝的粘结情况, 打磨端面, 使之形成平整、光滑的表面, 并清洁表面。
在修理合格的表面上打磨清洁后恢复原有漆层, 到此复合材料蜂窝夹层结构修理完成。
4 结束语
复合材料在飞机上的应用, 有了较长的应用历史, 其修理技术也随之得到了相应的发展, 但同材料领域的研究与发展相比, 复合材料在飞机上应用的种类、数量却极其有限, 主要还是以碳纤维复合材料为主, 这也就限制了其修理技术的相对单一, 技术含量有限, 在许多方面还无法满足飞机快速高效、高可靠性和安全性的需要[8]。同时, 结构修理是目前阻碍复合材料进一步扩大应用的两个主要问题之一 (另一个问题是复合材料成本) , 如何提高修理水平, 降低维修成本是非常重要的问题。针对不同的损伤需要确定不同的修理方案, 在满足结构修理的要求下如何可以更经济, 快捷高质量地完成修理仍是一个待研究的热点问题。近年来, 随着国内在材料研究与应用方面取得的一些重大进展, 研究机构和队伍规模也在逐渐壮大, 但是在复合材料应用及其修理方面的研究和人才培养方面和国外相比略显不足, 特别是民航领域飞机复合材料方面的人才培养和研究亟需加强。
参考文献
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[2]张立.复合材料飞机地板[J].航空制造工程, 1996 (1) :21-22.
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[4]吕建坤.飞机复合材料结构件的连接技术[J].航空制造工程, 1995 (4) :25-28.
[5]吕建坤.飞机复合材料结构的修理技术[J].航空工艺技术, 1996 (6) :40-42.
[6]文圆.飞机复合材料结构修理的应知应会 (I) [J].航空工程与维修, 2002 (3) :27-28.
[7]许陆文, 代永朝, 苗励刚.飞机结构战伤复合材料微波快速抢修技术[J].航空工程与维修, 2002 (3) :17-21.