复合材料发展状况

复合材料发展状况复合材料发展状况 复合材料状况0 前言 国家 十二五 科学和技术发展规划 发展 目标到2020年 我国科学技术发展的总体目标是自主创新能力显著 增强 科技促进经济社会发展和保障国家安全能力增强 取得一批 在世界具有重大影响的科学技术成果 进入创新型国家行列 尤其在信息 生物 材料和航天等前言领域达到世界先进水平 其中复合材料作为新材料中不可分割的重要部分 明确指出对新材 料的结构与复合华作为复合材料研究的一重点领域 1 复合材料概述复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同 的的物质组成的一种多相固体材料 在复合材料中 连续相成为基体 分散相成为增强体 材料主要分为金属材料 无机非金属材料和高分子材料 金属材料 本身密度大 化学性差 无机非金属材料脆性大 高分子材料易老 化不耐高温 随着现代技术的发展 尤其是我国航空航天事业的快速发展 对材 料提出了 三高一低 即高强度 高模量 高耐温和低密度 的 要求 单一材料所表现出的性能满足不了苛刻条件下材料性能的要求 因 此 将三种材料复合并合理设计后通过 扬长避短 使得高性能复 合材料得以快速发展 2 复合材料得分类复合材料按照基体材料种类分为树脂基 金属基 和陶瓷基 按照增强形态分为纤维增强 颗粒增强和叠层 层状 增强 按照增强形态所致的复合材料具有比强度高 比模量高 抗疲劳性 好 耐高温 和断裂安全系数高等特性 2 1树脂基复合材料发展树脂基复合材料具有比强度 比模量高 可设计性强的特点 60年代问世至今 在全球范围内已经成为一重 要的技术产业 并且广泛应用于武器装备 对武器装备的轻量化 微型化和高性能化起到了至关重要的作用 由于树脂基复合材料较 低的密度 应用于航空飞机 可降低飞机自重的25 30 2 1 1国外现状据有关部门统计 全世界树脂基复合材料制品共有40 000多种 截止xx年 全球纤维增强复合材料产量达750多万吨 从 业人员约45万人 年产值约415亿欧元 1 发达国家如美国 德国和日本早在20世纪90年代初就开始从热固性 树脂向高性能热塑性树脂研究 热塑性树脂基复合材料可以明显节约加工时间和工序 树脂基复合材料作为优异的性能主要应用于汽车 建筑 航空和体 育用品中 2 1 2国内现状我国树脂基复合材料发展约50年左右 近年来 受世 界复合材料大环境的影响 我国树脂基复合材料发展迅速 十二 五 国家发展纲要明确指出了新材料的发展应用 玻璃钢即玻璃纤 维增强树脂在我国发展迅速 全球玻璃纤维xx年总产值为7898 5百 万美元 预期在2019年达11046 5百万美元 年增长率6 9 目前 亚洲市场容量最大 xx年全球玻璃纤维复合材料行业总产值为4898百万美元 预期2019 年达7044 3百万美元 年增长率7 1 xx年中国产量达410万吨 中国玻纤复合材料增长迅速 自1978 3 5万吨 年到xx 410万吨 年 中国总产量增长了683倍 2 1 3树脂基复合材料制造技术依据不同类型及结构设计的复合材料 对模具及制造工艺要求较高 通过不同的成型工艺满足不同场合 的需求 目前航空航天领域树脂基复合材料主要的成型工艺包括热压罐成型 工艺 RTM成型技术 缠绕成型技术 拉挤成型技术 热压成型技术 自动铺放技术等 目前 通过上述成型技术工艺 旨在发展树脂基复合材料高性能 轻量化的研究 同时重视生产工艺和综合配套设施的改进 降低成 本 使得树脂基复合材料性价比更高 2 2金属基复合材料发展金属基复合材料发展至今 科技工作者主要 在增强相和制备工艺做了大量研究 其增强相主要分为单丝 长纤 维晶须 短纤维和颗粒等 制备工艺主要分为扩散结合 粉末冶金 雾化和业态金属等方面 在过去二十几年中 金属基复合材料逐渐从军事国防向民用领域渗 透 2 2 1国外现状目前 其应用已经在陆上运输 汽车和火车 热管道 民航 工业和体育领域已经商业化 形成年产5000t年产值 近20亿美元的工业部门 xx年全世界金属基复合材料市场总量达4400t xx年以前全球MMCs 金属基复合材料 每年保持约5 9 的年增长率 其中陆上运输和高附加值散热组件各站60 和30 2 2 2国内现状从 MMCs的生产效率 应用范围和规模与国外相比 已经成为衡量一个 国家材料科技水平的水准线 以用量计算 美国 欧洲和日本是MMC s的消费大国 超过总量的65 以上 而我国目前尚没有形成MMCs产 业及产业标准或军工标准 目前 仅有少量航空航天单位 科研单位形成了小批量生产的配套 能力 品种较为单一 但仍然是我国国防和军工建设的有力支撑 近年来 国内MMCs市场发展潜力随着技术和市场缺钱发展巨大 西 方MMCs公司在中国建厂并生产 然而关于技术仍然没有得到解密 为了在航空航天 武器装备的迫切需求 我国亟需研制出一批高质 量MMCs生产技术和配套设施 2 2 3MMCs制造技术MMCs制造工艺和方法主要为搅拌铸造法 粉末冶 金法 原位生成法 挤压铸造法和喷射成形法 搅拌铸造工艺简单 操作方便 可生产大体积复合材料 粉末冶金 可以制备出增强相高体积分数的复合材料 但工艺设备复杂 成本 较高 原位生成主要是通过形核长大成稳定相形成 增强表面无污 染 增强强度高 挤压铸造是制造金属基复合材料较为理想的途径 将预增强体在模具中加热迅速冷却制得 喷射成形主要是得到细 小 致密 组织均匀体 生产工艺简单 生产成本低 2 2 4MMCs发展方向金属基复合材料由于其制备方法一般在较高的温 度范围内制备新材料 为了满足科技发展的需要和市场需求 MMCs 复合材料主要的发展方向为简化制备工艺 降低成本 进一步探究 金属基增强相强化机理 微观结构变化对机制的作用 润湿问题是 金属基复合材料的难题 解决MMCs润湿问题成为关键 强调基体材 料与增强材料的选择问题 2 3陶瓷基复合材料 CMC 发展陶瓷基复合材料 CMC 一般是指相 变增韧 颗粒增韧和纤维 晶须增韧陶瓷的材料 主要针对耐高温复合材料研究应用 主要还是航空航天的应用 为 了提高航空发动机的推重比和降低燃料消耗 50 60年代 发动机 热端部件主要材料为铸造高温合金 其使用温度为800 900 7 0年代中期 定向凝固超合金开始推广 其使用温度提高接近1000 进入80年代后 开发出了高温单晶合金 弥散强化超合金以及金 属间化合物等 并且热障涂层技术得到了应用 是热端部件的使用 温度提高到1200 1300 接近合金熔点的80 再进一步提高其 使用温度收到限制 陶瓷基复合材料是21世纪可替代金属及其合金 热端部件的首选材料 近20年 世界各国对高温结构用陶瓷基复合材料进行了研究和开发 并投入了大量的人力物力 美国NASA制定的耐高温材料计划 宇 航计划以及日本的日月光计划都把陶瓷基复合材料作为研究的主要 对象 其研究目标是将发动机热端部件材料的耐温达1650 从而 达到节能 减重 提高推进比和延长寿命的目的 满足军事和民用 热机的需要 2 3 1陶瓷基复合材料 CMC 制备方法陶瓷基复合材料通过对陶瓷 增韧 纤维增韧引入主要是使得陶瓷材料的断裂行为发生根本性变 化 由原来脆性断裂变成了非脆性断裂 晶须是具有一定长径比且 缺陷较少的陶瓷小单晶 有很高的强度 是一种理想的陶瓷基增韧 增强体 晶须引入使得材料由沿晶断裂转变为穿晶断裂的混合模式 相变增韧是目前极具发展前途和潜力的结构性陶瓷 主要利用ZrO 2的相变特性提高陶瓷的断裂韧性和抗弯强度 通过应力诱导 微裂 纹和压缩表面韧化处理 颗粒增韧是使颗粒充分分散在陶瓷基体中 烧结致密化 对陶瓷基的高温强度和高温蠕变有较大改善 颗粒 的分布减小了裂纹扩散的驱动力 可提高陶瓷基复合材料的断裂韧 性 2 3 2陶瓷基复合材料 CMC 未来发展陶瓷虽然作为发动机热端材 料具有独特的优越性 但是其脆性大限制了其广泛的应用 为了克 服陶瓷材料存在的可靠性差 敏感和韧性差的缺点 主要通过上述 增强机制改变陶瓷本质的特性 为了使陶瓷基复合材料更快的发展 突破自身的缺陷 其未来发展趋势主要为1 降低陶瓷基复合材料 的制造成本 目前CMC成本较好 阻碍了其进一步发展 美国陶瓷界 人士认为通过凝胶铸成型与水基低压制造成型是目前较好的陶瓷成 型工艺 且成本低 2 提高陶瓷基复合材料的可靠性和可重复制造 性 降低因增强效应所带来得加工不稳定性 3 目前CMC设计准则主 要参考金属材料设计手册 其本身尚没有形成完成的设计系统 随 着科技手段的进步 在特殊领域和特殊构件下金属手册满足不了陶 瓷材料的设计要求 因此需尽快完善陶瓷基材料的设计手册并制定 新的加工设计准则 以便进一步推进陶瓷材料的进步 3 结论为了满足苛刻条件下材料的使用 复合材料以其轻质 高强 结构可设计性 结构功能一体化等优异的综合性能在各个领域表 现出突出的作用 尤其在航空航天 国防军工 能源交通 资源环境等国民经济中影 响巨大 随着科学技术的不断进步 未来复合材料的发展将会在上述特性的 基础上更经济化 功能性更专一化的领域发展迅速 国家推出 十三五 绿色环保节能后 复合材料的发展将会更加全 面 专业化 系列化 参考文献 1 陈详宝 先进树脂基复合材料的发展 J 航空材料学报 2000 v20 1 46 48 2 陈详宝 先进树脂基复合材料的发展和应用 J 航空 材料学报 xx v23 增 198 199 3 陈详宝 张宝艳 邢丽英 先进树 脂基复合材料技术发展和应用现状 J 中国材料进展 xx v28 6 3 5 4 邢丽英 蒋诗才 周正刚 先进树脂基复合材料制造技术 进展 J 复合材料学报 xx v30 2 2 5 5 何亚飞 矫维成等 树脂基复合材料成型工艺的发展 J 纤维复合材料 xx 2 7 9 6 耿运贵 张永涛 树脂基复合材料的应用 与发展趋势 J 河南理工大学学报 自然科学版 xx V26 2 192 195 7 郝斌 段先进等 金属基复合材料的发展状况及展望 J 材料导报 xx V19 7 64 66 8 李凤平 金属基复合材料的发展与研究现状 J 玻璃 刚 复合材料 xx 1 47 50 9 王倩 高建国等 金属基复合材料的发 展与应用 J 沈阳大学学报 xx V19 2 10 13 10 张荻 张国定等 金属基复合材料的现状和发展趋势 J 中国材料进展 xx V29 4 1 4 11 张效宁 王华等 金属基复合材料研究进展 J 云南冶 金 xx V35 5 53 55 12 张发云 闫红等 金属基复合材料制备工艺研究进展 J 锻压技术 xx 6 100 103 13 张立同 成来飞 连续纤维增韧陶瓷 基复合材料可持续发展战略讨论 J 复合材料学报 xx V27 2 1 4 14 王俊奎 周施真 陶瓷基复合材料的研究进展 J 1990 V7 4 1 3 15 何