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1、第十五章复合材料的 应用和发展,复合材料的应用和发展一、复合材料的应用 1、聚合物基复合材料的应用 2、金属基复合材料的应用 3、陶瓷基复合材料的应用 4、碳碳复合材料二、复合材料的发展 1、复合材料的性能对比 2、复合材料的发展趋势,一、复合材料的应用1、聚合物基复合材料的应用2、金属基复合材料的应用3、陶瓷基复合材料的应用4、碳碳复合材料,1、聚合物基复合材料的应用 聚合物基复合材料已广泛地应用于石油化工、交通运输、建筑环保、文体用品以及国防军工等各个领域。近20年以来，先进复合材料（ACM）更是迅速发展，1989年ACM 的需求量为1.3万吨（相当于39亿美元），2000年超过3.0万吨
2、，2010年12万吨。目前全球复合材料产量约为820万吨,1-1 在航天领域的应用,减重对航天飞行器和运载工具至关重要。一方面基于聚合物基复合材料的高比强度和比刚度、具有明显的减重效果；同时也基于聚合物基复合材料优异的尺寸稳定性和环境适应性，聚合物基复合材料已成为航天飞行器和运载工具的极为重要的结构材料。,如导弹、火箭发动机壳体；卫星天线、支撑结构、太阳能电池底板、发射卫星整流罩、哈勃望远镜镜筒等均采用了聚合物基复合材料。美国航天飞机使用复合材料减轻结构重量1220公斤。包括压力容器、6.1米长的遥控器机械臂等，其中仅舱门就使用聚合物基复合材料1452kg。美、欧国家的卫星广泛使用聚合物基复合
3、材料，使其结构重量不到总重量的10%。,图14-1 FRP 在导弹火箭上的应用,航空领域是使用聚合物基复合材料最早、最多的部门之一。聚合物基复合材料可使飞机显著轻量化，并显著提高飞机的性能，如隐身性能、降低噪音、可靠性提高等。特别是随着军用飞机的发展和性能改善，聚合物基复合材料的使用量也大幅度增加。,1-2在航空领域的应用,例如F-14A、F-15战斗机使用了2%的B/EP；F-16 使用了4.2%的C/EP；F-18使用聚合物基复合材料的量增加到12.1%；美国先进战术战斗机（ATF）则接近40%；估计美国B-2战略隐身轰炸机的使用量高达18 22.5吨。西方先进军用飞机的结构材料的发展趋势
4、和显著特点就是全复合材料化，并赋予隐身性能。我国的先进军用飞机的结构也大量采用了聚合物基复合材料。,现代商用飞机使用聚合物基复合材料的增长速度也十分迅速，并逐渐由次承力构件向主承力构件过渡。如波音飞机、空中客车等的方向舵、垂尾副翼、升降舵等。全复合材料飞机Voyager更是完成了人类历史上首次不加油、不着陆的环球飞行。直升飞机的许多部件也采用了聚合物基复合材料。如旋翼桨叶几乎都用聚合物基复合材料制作。我国研制的直-九直升机使用聚合物基复合材料的量高达60%。,图14-2 FRP在波音B-777上的应用,1-3在石油化工领域的应用 由于聚合物基复合材料具有耐酸、碱、油、有机溶剂等腐蚀的性能，因而
5、可用作各种化工管道、阀门、泵、槽罐、塔釜等。,1-4在交通运输领域的应用 汽车工业是聚合物基复合材料应用最活跃的领域之一。可用做车身、驱动轴、操作杆、方向盘、客舱阁板、底盘、结构梁、发动机罩、散热器罩等部件。各种汽车外壳、摩托车外壳以及高速列车车厢厢体等也广泛采用了聚合物基复合材料。聚合物基复合材料大量用作运动和竞技用车。全复合材料自行车、汽车已经问世，引起了广泛注意。,在船舶工业，由于聚合物基复合材料具有耐腐蚀、抗微生物附着等优点，因而它被普遍用来制造汽艇、游艇、救生艇、渔船等小型船舶。更因为聚合物基复合材料具有无磁、可透磁和声波、吸收振动等特点，因而最适合军用扫雷艇的制造。,1-5在建筑领
6、域的应用 玻璃纤维复合材料已大量应用于建筑材料，如冷却塔、储水塔、卫生间的浴盆浴缸、桌椅门窗、安全帽以及玻璃钢暖房、临时建筑、活动房屋等。国内外已有多座玻璃纤维复合材料桥梁。,1-6在文体用品领域的应用 聚合物基复合材料由于具有高比强度和比刚度，因此文体用品也是其最大的应用市场之一。90年文体用碳纤维占世界碳纤维总产量的35%，达2240吨。仅欧洲用于文体用品的玻璃纤维年消耗量就达18000吨。聚合物基复合材料广泛地用于制造登山越野鞋、滑雪鞋、网球拍、羽毛球拍、高尔夫球棒、钓鱼杆、赛车赛艇、滑雪板、划桨、冰球拍、垒球棒、弓箭以及乐器等文体用品。,1-7在其它领域的应用 玻璃纤维复合材料具有良好
7、的电绝缘性能，可用于制成各种开关装置、电缆输送管道、高频绝缘子、印刷电路板、雷达绝缘罩等。此外聚合物复合材料还用于医疗卫生领域，如制造医疗卫生器械、人造骨骼、关节等。,2、金属基复合材料的应用 与聚合物复合材料相比，金属基复合材料发展时间较短，只有30多年的历史，还处于蓬勃发展的阶段。由于金属基复合材料的成本较高，在80年代，仅限于在航空、航天领域的应用。随着各种新工艺的不断出现，促进了颗粒、晶须增强金属基复合材料的发展，使得复合材料的成本不断下降，使得金属基复合材料在汽车工业等民用领域得到使用，从而扩大了其应用范围，进而又促进了金属基复合材料的发展。,连续纤维/金属基复合材料应用的最著名例子
8、就是美国航天飞机主仓承力桁架、（原）苏联航天飞机“暴风雪号”级间连接环均使用了Bf/Al复合材料。美国航天飞机主仓承力桁架使用Bf/Al，减轻了结构重量145公斤。,图14-3 美国航天飞机Bf/Al主承力桁（heng）,由于连续纤维/金属基复合材料目前成本较高，制备工艺复杂，因此限制了其应用范围仅在航空、航天等高技术和军用领域。而颗粒、晶须增强金属基复合材料相对成本低、工艺简单成熟，应用范围广、开发前景大。如在航空、航天领域SiCP/Al复合材料已用于卫星预埋件、火箭仪器仓盖、中段蒙皮等。其它在轻质装甲、导弹飞翼和直升机部件外，主要用于汽车工业，如发动机汽缸活塞、喷油咀部件、制动装置等。,3
9、、陶瓷基复合材料：陶瓷基复合材料的发展速度远不如聚合物和金属基那么快。陶瓷基复合材料的制备涉及到高温，制备工艺复杂，其成本昂贵；同时由于其基体和增强材料的热膨胀系数差异，在制备过程和使用过程中易产生热应力。因此它的发展困难更大，其应用也处于起始阶段。,目前已成功地用于制备高速切削工具。例如SiCw/Al2O3陶瓷基复合材料高速切削工具大大地提高了使用寿命、进刀量和切削速度。它另一个应用领域是作为高温结构材料和耐磨耐蚀材料，如C/SiC、SiC/SiC已用于航天飞机的热结构件。但目前陶瓷基复合材料主要还处于研制和试用阶段。,4、碳/碳复合材料：碳/碳复合材料最初的应用是作为耐烧蚀材料用在导弹弹头
10、和固体火箭发动机喷管等。碳/碳复合材料以密度低、耐烧蚀和导热好、抗热冲击和热震性能好成为导弹弹头鼻锥的最佳材料。密度低可以提高导弹射程。弹头每降低一公斤可增程约20公里。耐烧蚀可以使导弹弹头外形保持稳定对称的特点，有效地提高导弹弹头的命中率和精度。同时也可保持固体火箭发动机喷管的尺寸稳定、适应其恶劣的工作条件。,图14-5 固体发动机结构示意图,图14-4 C/C复合材料在航天飞机上应用部位示意图,图14-6 C/C 复合材料 人造髋关 节示意图,碳/碳复合材料的耐高温、摩擦磨损性能优异，制动吸收能量大等特点表明是一种理想的摩擦材料，广泛地应用于制造新型刹车盘。与金属陶瓷-钢摩擦副相比，碳/碳
11、复合材料制成的刹车盘可减轻结构重量40%；其使用寿命是金属陶瓷-钢摩擦副的2-4倍。除用作飞机刹车装置刹车盘外，碳/碳刹车片还可用于一级方程式赛车和摩托车的刹车系统。,碳材料与人类骨骼、血液和软组织具有最佳的生物相容性，因此碳/碳复合材料可以作为人体骨骼的替代材料。例如可作为人工髋关节和膝关节植入体内，也可作为牙根植入体。另外，碳/碳复合材料还可以制作高温紧固件、热压和超塑性加工模具以及加热元件等。,二、复合材料的发展 1、复合材料的性能对比 2、复合材料的发展趋势,二、复合材料的发展复合材料的性能对比 复合材料的室温性能：表14-1 各种复合材料以及常用金属材料力学性能比较，复合材料的力学性
12、能取决于增强相和基体的性能、含量，可根据使用条件设计。三种主要的复合材料都可得到高的力学性能。,1-2 复合材料的高温性能主要取决于基体材料；树脂基复合材料 300C以下 金属基复合材料：铝、镁基复合材料 300C 钛合金基复合材料 650C 金属间化合物基复合材料 1000C 高温合金基复合材料 1200C 陶瓷基复合材料 1500C 碳/碳复合材料 1800C。,图14-7 复合材料在不同温度范围的应用,1-3 复合材料的其它性能：1）硬度：复合材料的硬度主要取决于基体材料性能。一般树脂基复合材料小于金属基复合材料；金属基复合材料小于 陶瓷基复合材料2）耐自然老化能力：取决于基体材料和界面
13、的性能。一般来讲陶瓷基复合材料优于金属基复合材料；金属基复合材料优于树脂基复合材料。3）耐化学腐蚀性能：树脂基复合材 料和陶瓷基复合材料优于金属基复合材料。4）导热性能：金属基复合材料 5 0 65 W/m K；陶瓷基复合材料 0.7 3.5 W/m K;树脂基复合材 料 0.35 0.45 W/m K。,1-4 生产工艺的难易程度、成本高低及实用化程度：复合材料生产工艺的难易程度、成本高低及实用化程度与其界面结合特点和制备成型工艺温度的高低有直接关系。树脂基复合材料一般为物理界面结合（或偶联剂化学键结合），成型工艺温度不高于300C，工艺装置相对简单，生产工艺成熟，产品成本最低；金属基复合材
14、料次之，界面结合为化学反应结合，界面结合复杂并要求高；成型工艺温度可达1000C，工艺装置复杂；陶瓷基复合材料工艺最复杂，成型工艺温度在1200C以上，同时其界面结合更为复杂，产品成本也最高。,2、复合材料的发展趋势2-1 基体材料：1）聚合物 近年来热塑性聚合物以其高韧性、贮存期长、可修补、成型周期短为特点，已成为第三代聚合物基复合材料注目的焦点。目前已开发出PEEK、PAI为基体的复合材料。最近发展的热致液晶聚合物是热塑性聚合物树脂中的佼佼者。这种材料的大分子主链结构是由刚性或半刚性的棒状单元链段与柔性单元链通过分子剪裁设计构造而成。使材料具有高强度和高模量，并改善了加工性、韧性和柔顺性。
15、,2）金属材料 传统金属材料的发展几乎已到了极限。金属间化合物，如Ni-Al、Fe-Al和Ti-Al系，具有高比强度、高比模量以及高温性能良好等优点，是今后高温金属材料发展的方向。如果能够解决金属间化合物的脆性等问题，金属间化合物及其复合材料将具有广阔的应用前景。,纳米材料由于其量子效应、物质的局域性及巨大的表面及界面效应，使物质呈现出许多既不同于宏观物体，也不同于单个孤立原子的奇特现象。金属纳米材料的进一步深入研究将会发现和开发出许多新颖性能，同样也会使得金属基复合材料的研究，如界面研究和工艺研究出现新的变革。,3）陶瓷材料 多种陶瓷混合作为基体材料使陶瓷基复合材料具有更好的性能。纳米陶瓷的
16、出现是陶瓷材料的一场革命。纳米陶瓷颗粒晶粒细化有助于晶粒间的滑移，因而使材料具有超塑性；颗粒晶粒细化使材料体系具有巨大的表面积，必然引起整个烧结动力学的变化，明显降低烧结温度；颗粒晶粒细化也会减少材料内部缺陷，获得无缺陷或无有害缺陷陶瓷。纳米陶瓷是解决陶瓷材料脆性的一个重要途径。,新型结构陶瓷：三元层状化合物结构具有共价键、金属键及离子键和结合。大量的研究工作证明，三元层状化合物Ti3 SiC2集金属和陶瓷的性能于一体，具有高强度、低密度、良好的化学稳定性和抗氧化、抗热冲击、高电导率和热导率、塑性好、易加工等优异性能，同时兼有陶瓷和金属的特性，使其具有广阔的应用前景。Ti3 SiC2陶瓷是一种
17、新型复合材料基体和增强剂材料。,2-2 增强材料 根据复合材料的发展趋势，与之适应的增强相应具有耐高温、高（比）性能并与基体材料（物理和化学相容性）良好的综合性能。,碳纤维目前向高强、高模、低成本的方向发展，高强碳纤维的极限抗拉强度可达7060MPa（日本东丽T1000），高模碳（石墨）纤维的弹性模量达830GPa（美国Amoco公司P120）；同时低成本通用碳纤维的价格降至几十美元，为碳纤维的广泛应用创造了良好条件。另外，聚乙烯、Kevlar、PBO等有机纤维除了具有优异的力学性能外，同时也具有其它功能特性。其发展令人注目。,对于金属基复合材料来讲，由于金属基体的化学活性以及在高温下的制备和
18、使役过程，决定了金属基复合材料的界面更为复杂，化学反应结合是其主要结合方式。如何控制界面化学反应是极为重要的问题。但大多数金属基复合材料在热力学上是非平衡体系，目前技术上成熟的增强剂，即使综合性能良好的SiC纤维，严格来说并不十分理想，特别是对于钛合金、金属间化合物、高温合金以及陶瓷等高温基体。因此，除了采取有效的纤维表面改性等措施外，开发新型更高性能的增强剂也是当务之急。从热力学角度来讲，可能用于增强钛铝金属间化合物的增强相有：氧化铍、氮化钛、硅化钛等；适合于用于增强镍铝金属间化合物的增强相有：氧化铍、氮化钛、二硼化钛等。,纳米碳管和纳米碳纤维是近年来出现的新型高性能增强剂。其强度比钢高10
19、0倍、比石墨高5到10倍，而密度仅为钢的六分之一。目前纳米碳管和纳米碳纤维的制备基本已突破产量小的难关，其成本也逐渐下降。这类高性能增强剂的复合材料的研究已日见活跃。,2-3 新型复合材料 1）高性能热塑性聚合物复合材料：近年来热塑性聚合物以其高韧性、贮存期长、可修补、成型周期短为特点，已成为第三代聚合物基复合材料注目的焦点。,2）Ti合金基复合材料：钛合金及钛铝金属间化合物具有密度低，比强度和比模量高，高温性能和抗氧化性能优异，与SiC纤维化学相容性好等特点。SiC纤维增强钛合金及钛铝金属间化合物基复合材料是新一代高推重比航空发动机部件的理想候选材料。航空发动机压气机采用钛基或钛铝化合物基复
20、合材料叶环结构新设计方案可比传统设计减重40-70%（图14-8），使发动机的推重比大幅度提高。,目前美英德法等国均投入相当大的人力和经费，对SiC纤维/钛基或钛铝化合物基复合材料研究和应用给予强有力的支持和保证。美国已建立了世界上第一条SiC纤维/钛基复合材料生产线。美国著名的综合高性能涡轮发动机技术规划（IHPTET,1987-2009）对钛铝化合物基复合材料极为重视，在1998年公布的十年成就中展示了采用SiC纤维增强TiAl基复合材料制作的压气机转子样件。,英国在国防研究署支持下，开发出PVD等先进制备工艺，罗-罗公司研制成发动机压气机叶环部件，减重效果大于50%，并成功试车。,图14
21、-8 Ti合金基复合材料先进发动机叶环结构示意图,3）陶瓷基复合材料：热机的循环压力和循环气体的温度提高，其热效率也就越高。采用陶瓷或陶瓷基复合材料代替高温合金已成了目前的一个重要研究内容。为此许多西方国家，如美国能源部和宇航局开展了AGT100、101（先进燃气轮机）和CATE（陶瓷在涡轮发动机中的应用）等计划。我国也进行了研究探索。陶瓷基复合材料叶片的研制是其中的一个重点。要实现这一目标还有相当大的难度。陶瓷基复合材料叶片的实用化将极大地提高发动机的性能。,4）碳/碳复合材料：近年来碳/碳复合材料的制备工艺取得了新的突破。如中国科学院金属研究所采用直热式化学气相渗技术将制备工艺周期从原来的
22、1000多小时缩短到30小时以内，使材料成本大幅度下降。随着成本的下降，碳/碳复合材料在航空、航天及在民用领域的应用前景越来越广阔。,5）水泥复合材料：碳纤维增强水泥复合材料不仅大大地减轻了自重，而且其弹性模量接近混合定律值，断裂功提高几个数量级，改善其抗蠕变和耐疲劳性能。另外，碳纤维增强水泥复合材料还具有良好的修补性能。随着碳纤维的成本不断下降，碳纤维增强水泥复合材料在重要的建筑工程中，如高层建筑、立交桥、桥梁等，得到广泛的应用。,2-4 复合材料的几种发展趋势1）由宏观复合形式向微观（细观）复合形式发展，包括原位复合材料、纳米复合材料及分子复合材料。,纳米复合材料包括两种以上纳米尺寸的晶粒
23、进行复合或两种以上纳米厚度的薄膜交替叠层或纳米粒子和薄膜复合的复合材料。这些复合材料由于存在纳米尺寸效应可望明显改善复合材料的韧性和耐温性。另外在纳米尺度上形成的无机/无机和无机/有机复合材料则有可能形成性能优异的新一代功能复合材料。,分子复合材料是指刚性棒状高分子为增强相，在分子水平上与柔性高聚物基体复合而成的复合材料。这种复合材料的界面是超微观的，基本上不存在界面相容性和界面应力集中问题，界面粘接性极好；同时有很好的加工性和设计自由度。,2）由双元混杂复合向多元混杂和超混杂方向发展。所谓多元混杂是指复合材料包括两种以上的增强相，其中包括在混杂的纤维增强相中加入颗粒填料；基体也可以用共混高聚
24、物等。近来出现的最典型的例子是铝板和纤维/树脂复合材料交替叠层的复合材料，也称为超混杂复合材料。这种超混杂复合材料具有优异耐疲劳性能和高模量。,3）由结构复合材料为主向功能复合材料、结构功能一体化复合材料和多功能复合材料并重的局面发展。所谓结构功能一体化复合材料是指集承载和特种功能于一体的复合材料。如结构/隐身功能一体化复合材料、结构烧蚀碳碳材料、高温/抗氧化复合材料、抗核加固复合材料等。,4）被动复合材料向主动复合材料即机敏复合材料和智能复合材料方向发展。机敏复合材料和智能复合材料是指能检知环境变化，并通过改变自身一个或多个性能参数对环境变化作出响应，使材料与变化后的环境相适应的复合材料或材
25、料-器件。这种复合材料具有自诊断、自适应、自愈合的性能。,5）由复合材料的常规设计向仿生设计和计算机辅助设计发展。天然生物材料大多为复合材料，经过亿万年的进化基本上都符合节约高效的优化原则，即用最少的材料达到最高的效能。复合材料的仿生设计就是从材料科学的观点对其进行观察、测试、分析、计算、归纳和抽象，参照生物体的结构或找出有用的规律来指导复合材料的设计和研制。例如美国西雅图华盛顿大学研究人员仿造鲍鱼壳结构，利用碳、铝和硼混合成陶瓷细带制成的10微米的薄层。由此得到的层状复合材料比其原材料坚固40%。,随着计算机科学的迅速发展，计算机辅助设计已用于各行各业。复合材料由于具有可设计性，并具有宽广的设计自由度，因而采用计算机辅助设计势在必行。复合材料本身有许多不确定因素，诸如各材料组元的性能、形态、数量及分布、界面、成型工艺等都影响着复合材料的最终性能。这些影响存在着较大程度的未确知性和模糊性。而且复合材料在使用过程中外界因素的不确定性，使得复合材料所承受的载荷及反应不可能用数据或函数关系来准确表达，具有随机性、模糊性和未知性，这均需要用软科学手段来解决。模糊数学、概率论、数理统计、系统论、控制论等以及计算机的发展，为复合材料的设计提供了理论及工具。,
