复合发光材料（精选12篇）
复合发光材料 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。
复合发光材料 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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复合发光材料 篇4
而夜战作为现代战争中的重要方法通常要使用夜间瞄准装置(简称夜瞄装置)。而步兵轻武器在训练、作战使用过程中环境复杂,这就需要夜瞄装置具有良好的发光性能。本研究以长余辉发光材料为基材,结合复合化学载体成分,研制了一种面向步兵轻武器夜瞄装置的新型复合发光材料(简称夜瞄复合发光材料),通过对化学载体成分透光率和复合发光粉体的余辉亮度进行测试,研究了夜瞄复合发光材料的发光性能。
1 实验部分
1.1 原材料和设备
夜瞄复合发光材料包括复合荧光粉体,化学载体成分两部分通过化学合成制备。实验所用原料和仪器如表1、表2所示。
1.2 样品制备
①复合荧光粉体配备成功后在研钵中充分研磨30min后备用。
②将液状化学载体配置完成后搁置30min,经25mm×25mm×1mm的石英片压制成不同厚度的化学载体薄片(简称载体薄片),常温固化24h后备用。
③按照复合荧光粉体占复合发光材料的50%质量比与液状化学载体成分混合后,在磁力加热搅拌器中充分搅拌反应(温度不宜超过45℃),制成粘稠状液体材料即新型复合发光材料。放入容器中常温固化24h,切制成半径1.5mm,高3mm的圆柱形样品以待测试,以下简称50%样品。
1.3 实验方法
先用cary 5000紫外可见近红外分光光度计对不同厚度载体薄片进行透光率检测。再对复合荧光粉体和40%样品进行发光性能测试。测试方法如下:
将复合荧光粉体放入直径7mm的圆柱状塑料容器中,粉体填充厚度2mm,将样品经普通台灯照射20min后(照射处光亮度为1200mcd/m2),用ST-86LA型屏幕亮度计进行发光性能测试,测试时间20min,然后采用观察法,在人眼可辨亮度内进行发光计时。再将40%样品经同样条件照射,进行发光性能测试,测试时间10min,然后采用观察法,在人眼可辨亮度内进行发光计时。
2 结果与讨论
2.1 化学载体成分透光率检测结果
图1为化学载体成分在200~800nm波长范围内的透光率检测情况,图2为化学载体成分在500nm范围内的透光率。
结果显示:(1)图1表明新型复合发光材料的化学载体成分对紫外波段透光率很低,红外透光率较高,在700nm左右波段化学载体成分透光率最高,在更长波段透光率稍有下降;(2)图2表明化学载体成分透光率对厚度很敏感,对于人眼比较敏感的黄绿光,以500nm入射光透光率比较,随厚度变大,透光率减小。
2.2 复合荧光粉体发光性能测试
对复合荧光粉体发光性能进行测试,图3-图6,分别为测试时间0~300s,300~600s,600~900s,900~1200s时间范围内的复合荧光粉体余辉衰减曲线。
结果显示,复合荧光粉体峰值亮度为3080mcd·m-2,在0~300s,即最初的5min时间段内衰减迅速,衰减率最高可达每秒1.14%,但衰减速度逐渐减慢;在300~600s时间段内,发光亮度值在697~400mcd·m-2之间;在600~900s范围内,衰减进一步减慢;在900~1200s范围内曲线趋于平直,亮度在250mcd·m-2左右。经目测显示,发光亮度在人眼可见范围内可持续1000min。
2.3 夜瞄复合发光材料发光性能测试
对化学载体成分与复合荧光粉体合成的夜瞄复合发光材料进行发光性能测试,图7、图8,分别为测试时间0~300s,300~600s时间范围内的夜瞄复合发光材料余辉衰减曲线。
结果显示,夜瞄复合发光材料峰值亮度为231mcd·m-2,这除了和复合荧光粉体本身的发光性能以及化学载体成分的透光率相关外,还受合成之后化学改性的相关影响。材料在0~300s时间段内衰减较快,但衰减速度逐渐减缓,在300~600s时间段内,衰减进一步减慢,并有趋于平直的趋势。经目测显示,发光亮度在人眼可见范围内可持续约10h。
3 结论
对以长余辉发光材料为基材的新型夜瞄复合发光材料的发光性能进行了研究。结果显示:夜瞄复合发光材料所选取的化学载体成分,在可见光和红外波段透光性能良好,并在700nm波长附近透光率达到峰值。采用的复合荧光粉体,发光亮度高,时间长,发光性能稳定。这说明所选取的载体成分能有效地满足夜瞄装置的透光、发光需求。合成后的夜瞄复合发光材料,发光亮度高,时间长,人眼可见范围内克持续发光10h,可满足传统夜瞄装置的发光需求及作战、训练需要。
摘要：以发光材料为基材研制了一种新型步兵轻武器夜瞄复合发光材料,对其化学载体成分的透光率和复合荧光粉体的发光性能进行了测试,在此基础上对合成之后的夜瞄复合发光材料的发光性能进行研究。结果表明:夜瞄复合发光材料发光时间长,亮度高,可满足步兵轻武器夜间瞄准需求。
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
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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。
参考文献
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[2]王海超, 焦文玲.相变蓄热材料及其在低能耗建筑中的应用[J].建筑热能通风空调, 2008, 27 (3) :18-21.
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[5]Inaba H, P Tu.Evaluation of thermcphysical charaeteristies on shape--stabilized parafin as a solid liquid phase ch an ge ma te ri al.H e at an d Ma ss T ransfer, 1997, 32:307-312.
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
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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。
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。