树脂基复合材料的性能及应用.pdf

树脂基复合材料的性能及应用赫 禹1,王丽丽2(1.沈阳大学 机械学院,辽宁 沈阳 110036;2.东北大学 机械学院,辽宁 沈阳 110004)X 摘要:介绍了国内外树脂基复合材料的应用现状及其发展。树脂基复合材料以其优越的力学、物理、化学等性能得到了建筑、医学、生物等多方面的广泛应用。树脂基复合材料是航空、航天领域中的新型重要结构材料。本文着重介绍了树脂基复合材料的工艺特点及目前树脂基复合材料常用的拉挤成型工艺。关键词:树脂基复合材料;航空航天;拉挤成型 中图分类号:TQ32214 文献标识码:A 文章编号:1008-3863(2005)02-0117-03 一、树脂基复合材料的发展20 世纪 70 年代以后,人们一方面不断开辟玻纤-树脂复合材料的新用途,同时开发了一批先进的树脂基复合材料。这种先进的树脂基复合材料具有比玻璃纤维复合材料更好的性能,是用于飞机、火箭、卫星、飞船等航空航天飞行器的理想材料。自从树脂基复合材料投入应用以来,有三件值得一提的成果。第一件是美国全部用树脂基复合材料成功制造一架八座商用飞机;第二件是采用大量复合材料制成的哥伦比亚号航天飞机;第三件是在波音-767 这架可载 80 人的客运飞机上使用了树脂复合材料制造了机翼前缘、压力容器、引擎罩等构件。二、树脂基复合材料广泛应用的原因树脂基复合材料得到如此重用,主要是因为它各方面性能都很优越。1.树脂基复合材料的力学性能树脂基复合材料具有比强度高、比模量大、抗疲劳性能好等力学特点。树脂基复合材料的刚度树脂基复合材料的刚度特性由组分材料的性质、增强材料的取向和所占 的体积分数决定。树脂基复合材料的力学研究表明,对于宏观均匀的树脂基复合 材料,弹性特性复合是一种混合效应,表现为各种形式的混合律,它是组分材料刚性在某种意义上的平均,界面缺陷对它作用不是明显。树脂基复合材料的强度树脂基复合材料强度的复合是一种协同效应,从组分材料的性能和树脂基复合材料本身的细观结构导出其强度性质。其表现在层合材料的层合效应及混杂复合材料的混杂效应上。树脂基复合材料强度问题的复杂性来自可能的各向异性和不规则的分布,也来自上面提及的不同的破坏模式,而且同一材料在不同的条件和不同的环境下,断裂有可能按不同的方式进行,这些包括基体和纤维(粒子)的结构的变化。除此之外,界面粘结的性质和强弱、堆积的密集性、纤维的搭接、纤维末端的应力集中、裂缝增长的干扰以及塑性与弹性响应的差别等都有一定的影响。2.树脂基复合材料的物理性能树脂基复合材料的物理性能(见表 1)117)第 7 卷 第 2 期 沈阳教育学院学报 Vol.7 No.2 2005 年 6 月 Journal of Shenyang College of Education Jun.2005 X收稿日期:2005-03-17作者简介:赫禹(1981-),男,沈阳人,沈阳大学机械学院。表 1 树脂基复合材料的物理性能热学性质电学、磁学性质光学性质摩擦性质 其它性质热膨胀率导电性透光性摩擦系数减振性热传导率绝缘性散光性磨损率隔音性比热容压电性吸光性吸湿性热变形温度热电性折射率吸气性玻璃化温度介电性光反射性透气性熔点半导体性光敏性吸油性隔热性磁性紫外线吸收性放射线热辐射电磁波吸收性 红外线吸收性吸收性耐热冲击性 电磁波反射性耐光性树脂基复合材料的物理性能由组分材料的性能及其复合效应所决定。要改善树脂基复合材料的物理性能或对某些功能进行设计时,往往更倾向于应用一种或多种填料。相对而言,可作为填料的物质种类很多,可用来调节树脂基复合材料的各种物理性能。3.树脂基复合材料的化学性能作为树脂基复合材料的基体的聚合物本身是有机物质,可能被有机溶剂侵蚀、溶胀、溶解或者引起体系的应力腐蚀。根据基体种类的不同,材料对各种化学物质的敏感程度不同,常见的耐强酸、盐、酯,但不耐碱。一般情况下,人们更注重的是水对材料性能的影响。水一般可导致树脂基复合材料的介电强度下降,水的作用使得材料的化学键断裂时产生光散射和不透明性,对力学性能也有重要影响。树脂基复合材料的着火与降解产生的挥发性物质有关。某些聚合物在高温条件下可产生一层耐热焦炭,这些聚合物与尼龙、聚酯纤维等复合后,因这些增强物本身的分解导致挥发性物质产生,可带走热量而冷却烧焦的聚合物,进一步提高耐热性,同时赋予复合材料以优良的力学性能,如良好的坑震性。4.树脂基复合材料的工艺特点树脂基复合材料的成型工艺灵活,其结构和性能具有很强的可设计性。树脂基复合材料可用模具一次成型法来制造各种构件,从而减少了零部件的数量及接头等紧固件,并可节省原材料和工时;更可以通过纤维种类和不同排布的设计,把潜在的性能集中到必要的方向上,使其更有效地发挥作用。通过调节各组分的成分、结构及排列方式,既可使构件在不同方向承受不同的作用力,还可以制成兼有刚性、韧性和塑性等矛盾性能的树脂基复合材料和多功能制品。树脂基复合材料的成型有许多不同工艺方法,现今工业所需树脂基复合材料大多数应用的都是拉挤成型工艺。国内外主要的拉挤工艺,可根据没演技术把树脂基复合材料拉挤工艺分为非反应型拉挤工艺和反应型拉挤工艺两大类。三、树脂基复合材料的广泛应用1.树脂基复合材料在建筑工业中的应用在建筑工业中发展和使用树脂基复合材料对减轻建筑物自重,提高建筑物的使用功能,改革建筑设计,降低工程造价等都十分有利,是实现建筑工业现代化的必要条件。随着建筑工业的迅速发展,树脂基复合材料越来越多地被用于建筑工程的承载、围护结构,采光制品、门窗装饰材料、给排水工程材料、高层楼房屋顶建筑、特殊建筑等。2.树脂基复合材料在化学工业中的应用以树脂为基体的复合材料作为化学工业的耐腐蚀材料已有 50余年历史,由于树脂基复合材料比强度高、无电化学腐蚀现象与导热系数低、良好的保温性能及电绝缘性能、制品内壁光滑、流体阻力小、维修方便、重量轻、吊装运输方便等优点,已广泛用于石油、化肥、制盐、制药、造纸、海水淡化、生物工程、环境工程及金属电镀等工业中。3.树脂基复合材料在机械电器工业中的应用树脂基复合材料具有比强度高、比模量高、抗疲劳、抗断裂性能好、可设计性强、结构尺寸稳定性好、耐磨、耐腐蚀、减震、降噪及绝缘性好等一系列优点,可以在机械电器工业获得极其广泛的应用。如风机、泵、阀门、制冷机械、空压机、起重机械、运输机械、工程机械的制造等等。电气行业曾是复合材料应用最早的部门,也是用量最大的部门之一。树脂基复合材料是优良的绝缘材料。4.树脂基复合材料在医疗、体育、娱乐方面的应用在生物复合材料中,复合材料可用于制造人工心脏、人工肺及人工血管等及用于创伤外科的复合材料呼吸器、支架等。在医疗设备方面,主要有复合材料诊断装置,复合材料测量器材及复合材料拐杖、轮椅、搬运车和担架等。目前国内各大公园及各游乐场的娱乐设施,都已基本上用玻璃钢代替了传统材料。)118)沈阳教育学院学报 2005年第 2 期5.树脂基复合材料在国防、军工及航空航天领域中的应用复合材料,特别是树脂基复合材料等在航空航天器结构上已得到广泛应用,现已成为航空航天领域使用的四大结构材料之一。主要应用是在飞机、直升飞机种结构部件;地面雷达罩、机载雷达罩、舰载雷达罩以及车载雷达罩等;人造卫星、太空站和天地往返运输系统等方面。四、发展应用的前景展望树脂基复合材料的发展趋势是种类增多,成本降低,性能提高,材料的通用化、标准化势在必行,可靠性、可维修性、低成本和环保性要求日趋严格。科学家在不断地研究各种树脂基复合材料,希望提高其性能。其实,生产出高性能制品的关键,在于解决好基体树脂对增强纤维的浸润性以及工艺参数的规定。因此,对于目前现有工艺的改进应该从这两个方面去思考。相信随着科学技术的迅猛发展,树脂基复合材料的应用也会越来越广泛,在各方面应用技术也会越来越完善。参考文献:1 谭家茂,张淑萍.我国复合材料工艺研究及应用开发J.玻璃钢P复合材料,2004(5)53-55.2 周效谅,钱春香.纤维增强热型性树脂基复合材料拉挤工艺研究与应用现状 J.高科技纤维与应用,2004.3 沃西源,夏英伟.关于树脂基复合材料应用中的一些问题分析 J.高科技纤维与应用,2004.4 董永祺.我国树脂基复合材料成型工艺的发展方向 J.纤维复合材料,2003.20(2)32-34.5 陈祥宝.先进树脂基复合材料扩大应用的关键 J.高科技纤维与应用,2002.27(6)1-5.6 杨福生,赵延斌.国内外热塑性树脂基复合材料现状及发展趋势 J.吉林化工学院学报,2001.18(3)74-78.7 陈祥宝.先进树脂基复合材料的发展 J.航空材料学报,2000.20(1)46-54.8 王虎.复合材料在飞机上的应用 J.玻璃钢P复合材料,1992,(7).9 Chen shaojie,et al.5th National composite conference Symposium,1986,6.10 Wang shangen,et al.Handbook of Foreign Composite Propertis Chinese Encironmental Science Press,1990,101.11 Xue Yuande,Advance of Composite Mechancis,BeijingUniversity Press,1986.12 Varma I K,Sangita,Varma D S.J,Polym.Sci,Polym.chem Ed,1984,22:1419.The Function and Wide spread Application of Resin Matrix ompositesHE Yu1,WANG Li2li2(1.Shenyang University,Shenyang 110036;2.Northeastern University,Shenyang 110004,China)Abstract:This article introduces the application actuality and development of resin matrix composites from national and abroad.CMChave been wildly used with its excellent mechanics,physics,chemistry capability,especially in military affairs and aviation.Resin matrixcomposites are significant structural materials in the fields of astronautics and aeronautics.The technique trail and daily uded draw and crushmoldingtechnique presented in this article.Key words:resin matrix comosites;astronautics and aeronautics;draw and crush molding(责任编辑 吕成学)119)郝 禹,王丽丽 树脂基复合材料的性能及应用