浅谈复合材料的发展和应用

　　什么是复合材料：
　　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，在宏观上组成具有新性能的材料。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。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、石墨、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。

　　复合材料使用的历史可以追溯到古代。从古至今沿用的稻草增强粘土和已使用上百年的钢筋混凝土均由两种材料复合而成。20世纪40年代，因航空工业的需要，发展了玻璃纤维增强塑料（俗称玻璃钢），从此出现了复合材料这一名称。50年代以后，陆续发展了碳纤维、石墨纤维和硼纤维等高强度和高模量纤维。70年代出现了芳纶纤维和碳化硅纤维。这些高强度、高模量纤维能与合成树脂、碳、石墨、陶瓷、橡胶等非金属基体或铝、镁、钛等金属基体复合，构成各具特色的复合材料。

　　复合材料是一种混合物。在很多领域都发挥了很大的作用，代替了很多传统的材料。复合材料按其组成分为金属与金属复合材料、非金属与金属复合材料、非金属与非金属复合材料。按其结构特点又分为：①纤维复合材料。将各种纤维增强体置于基体材料内复合而成。如纤维增强塑料、纤维增强金属等。②夹层复合材料。由性质不同的表面材料和芯材组合而成。通常面材强度高、薄；芯材质轻、强度低，但具有一定刚度和厚度。分为实心夹层和蜂窝夹层两种。③细粒复合材料。将硬质细粒均匀分布于基体中，如弥散强化合金、金属陶瓷等。④混杂复合材料。由两种或两种以上增强相材料混杂于一种基体相材料中构成。与普通单增强相复合材料比，其冲击强度、疲劳强度和断裂韧性显著提高，并具有特殊的热膨胀性能。分为层内混杂、层间混杂、夹芯混杂、层内/层间混杂和超混杂复合材料。 　　60年代，为满足航空航天等尖端技术所用材料的需要，先后研制和生产了以高性能纤维（如碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维等）为增强材料的复合材料，其比强度大于4×106厘米（cm），比模量大于4×108cm。为了与第一代玻璃纤维增强树脂复合材料相区别，将这种复合材料称为先进复合材料。按基体材料不同，先进复合材料分为树脂基、金属基和陶瓷基复合材料。其使用温度分别达250～350℃、350～1200℃和1200℃以上。先进复合材料除作为结构材料外，还可用作功能材料，如梯度复合材料(材料的化学和结晶学组成、结构、空隙等在空间连续梯变的功能复合材料)、机敏复合材料（具有感觉、处理和执行功能，能适应环境变化的功能复合材料）、仿生复合材料、隐身复合材料等。

　　复合材料中以纤维增强材料应用最广、用量最大。其特点是比重小、比强度和比模量大。例如碳纤维与环氧树脂复合的材料，其比强度和比模量均比钢和铝合金大数倍，还具有优良的化学稳定性、减摩耐磨、自润滑、耐热、耐疲劳、耐蠕变、消声、电绝缘等性能。石墨纤维与树脂复合可得到膨胀系数几乎等于零的材料。纤维增强材料的另一个特点是各向异性，因此可按制件不同部位的强度要求设计纤维的排列。以碳纤维和碳化硅纤维增强的铝基复合材料，在500℃时仍能保持足够的强度和模量。碳化硅纤维与钛复合，不但钛的耐热性提高，且耐磨损，可用作发动机风扇叶片。碳化硅纤维与陶瓷复合，使用温度可达1500℃，比超合金涡轮叶片的使用温度（1100℃）高得多。碳纤维增强碳、石墨纤维增强碳或石墨纤维增强石墨，构成耐烧蚀材料，已用于航天器、火箭导弹和原子能反应堆中。非金属基复合材料由于密度小，用于汽车和飞机可减轻重量、提高速度、节约能源。用碳纤维和玻璃纤维混合制成的复合材料片弹簧，其刚度和承载能力与重量大5倍多的钢片弹簧相当。

　　我国复合材料的发展潜力和热点
　　我国复合材料发展潜力很大，但须处理好以下热点问题。
　　复合材料创新
　　复合材料创新包括复合材料的技术发展、复合材料的工艺发展、复合材料的产品发展和复合材料的应用，具体要抓住树脂基体发展创新、增强材料发展创新、生产工艺发展创新和产品应用发展创新。到2007年，亚洲占世界复合材料总销售量的比例将从18%增加到25%，目前亚洲人均消费量仅为0.29kg，而美国为6.8kg，亚洲地区具有极大的增长潜力。
　　聚丙烯腈基纤维发展
　　我国碳纤维工业发展缓慢，从CF发展回顾、特点、国内碳纤维发展过程、中国PAN基CF市场概况、特点、“十五”科技攻关情况看，发展聚丙烯腈基纤维既有需要也有可能。

　　应用领域
　　复合材料的主要应用领域有：①航空航天领域。由于复合材料热稳定性好，比强度、比刚度高，可用于制造飞机机翼和前机身、卫星天线及其支撑结构、太阳能电池翼和外壳、大型运载火箭的  verton复合材料壳体、发动机壳体、航天飞机结构件等。②汽车工业。由于复合材料具有特殊的振动阻尼特性，可减振和降低噪声、抗疲劳性能好，损伤后易修理，便于整体成形，故可用于制造汽车车身、受力构件、传动轴、发动机架及其内部构件。③化工、纺织和机械制造领域。有良好耐蚀性的碳纤维与树脂基体复合而成的材料，可用于制造化工设备、纺织机、造纸机、复印机、高速机床、精密仪器等。④医学领域。碳纤维复合材料具有优异的力学性能和不吸收X射线特性，可用于制造医用X光机和矫形支架等。碳纤维复合材料还具有生物组织相容性和血液相容性，生物环境下稳定性好，也用作生物医学材料。此外，复合材料还用于制造体育运动器件和用作建筑材料等。

　　复合材料的发展和应用　　
　　复合材料是指由两种或两种以上不同物质以不同方式组合而成的材料，它可以发挥各种材料的优点，克服单一材料的缺陷，扩大材料的应用范围。由于复合材料具有重量轻、强度高、加工成型方便、弹性优良、耐化学腐蚀和耐候性好等特点，已逐步取代木材及金属合金，广泛应用于航空航天、汽车、电子电气、建筑、健身器材等领域，在近几年更是得到了飞速发展。 　　
　　随着科技的发展，树脂与玻璃纤维在技术上不断进步，生产厂家的制造能力普遍提高，使得玻纤增强复合材料的价格成本已被许多行业接受，但玻纤增强复合材料的强度尚不足以和金属匹敌。因此，碳纤维、硼纤维等增强复合材料相继问世，使高分子复合材料家族更加完备，已经成为众多产业的必备材料。目前全世界复合材料的年产量已达550多万吨，年产值达1300亿美元以上，若将欧、美的军事航空航天的高价值产品计入，其产值将更为惊人。从全球范围看，世界复合材料的生产主要集中在欧美和东亚地区。近几年欧美复合材料产需均持续增长，而亚洲的日本则因经济不景气，发展较为缓慢，但中国尤其是中国内地的市场发展迅速。据世界主要复合材料生产商PPG公司统计，2000年欧洲的复合材料全球占有率约为32%，年产量约200万吨。与此同时，美国复合材料在20世纪90年代年均增长率约为美国GDP增长率的2倍，达到4%~6%。2000年，美国复合材料的年产量达170万吨左右。特别是汽车用复合材料的迅速增加使得美国汽车在全球市场上重新崛起。亚洲近几年复合材料的发展情况与政治经济的整体变化密切相关，各国的占有率变化很大。总体而言，亚洲的复合材料仍将继续增长，2000年的总产量约为145万吨，预计2005年总产量将达180万吨。
　　从应用上看，复合材料在美国和欧洲主要用于航空航天、汽车等行业。2000年美国汽车零件的复合材料用量达14.8万吨，欧洲汽车复合材料用量到2003年估计可达10.5万吨。而在日本，复合材料主要用于住宅建设，如卫浴设备等，此类产品在2000年的用量达7.5万吨，汽车等领域的用量仅为2.4万吨。不过从全球范围看，汽车工业是复合材料最大的用户，今后发展潜力仍十分巨大，目前还有许多新技术正在开发中。例如，为降低发动机噪声，增加轿车的舒适性，正着力开发两层冷轧板间粘附热塑性树脂的减振钢板；为满足发动机向高速、增压、高负荷方向发展的要求，发动机活塞、连杆、轴瓦已开始应用金属基复合材料。为满足汽车轻量化要求，必将会有越来越多的新型复合材料将被应用到汽车制造业中。与此同时，随着近年来人们对环保问题的日益重视，高分子复合材料取代木材方面的应用也得到了进一步推广。例如，用植物纤维与废塑料加工而成的复合材料，在北美已被大量用作托盘和包装箱，用以替代木制产品；而可降解复合材料也成为国内外开发研究的重点。 　　
　　另外，纳米技术逐渐引起人们的关注，纳米复合材料的研究开发也成为新的热点。以纳米改性塑料，可使塑料的聚集态及结晶形态发生改变，从而使之具有新的性能，在克服传统材料刚性与韧性难以相容的矛盾的同时，大大提高了材料的综合性能。

　　MAG复合材料引领飞机制造业的新时代
　　飞机制造业经过25年的不懈发展，终于跨入了一个新纪元。军用飞机已经完成了从铝材到复合材料的转变，现在，商用飞机制造巨头们也踌躇满志，迎接制造技术的革新。波音公司决定其新款机型787机身采用复合材料，开创商用飞机制造之先河。这一技术变革势必对飞机制造技术、方式及战略带来根本性的转变！
　　铝质飞机在走过了80多年后，开始逐渐淡处人们的视线。自从二十世纪二十年代起，铝材开始代替云杉等材质用于飞机制造，截至到30年代中期，这种转变基本彻底完成（Spruce Goose除外）。飞机制造从技工手工模式向机械化模式转变，但是搭建工序依旧属于劳动密集型。60多年来，铝材成为军用飞机和商用飞机制造的首选材料。
　　现在，铝材的地位开始受到纤维（高强度碳纤维深入到环氧树脂分子粒）的挑战。八十年代末期九十年代初，这种含有碳纤维的复合材料开始显著的代替铝材被用于飞机制造。在军用方面，这种转变从铝结构上的某些复合材料零部件迅速转变到整个飞机，真正的复合材料军事飞机问世。目前，这种转变开始向商用飞机蔓延。
　　旧有的飞机装配形式是将成千上万的铝质部件用各种铆钉连接固定起来，现在则只需完成大型的、预制的复合机身、机翼、机尾等几大部件连接即可。这些结构可以通过自动化的数控复合材料铺带机生产，而不是通过大量的装配工将一件件的小零件手工拼接而成。因此，整个飞机制造过程中所需制造、预订、跟踪、处理、储备等所有的零件数呈几何级数下降。在性能方面，复合材料使得飞机更轻、操作效率更高、抗疲劳性更强。这种转变为那些迅速采纳复合材料及有能力提供复合材料加工的厂商均提供了极佳的机会。
　　随着Premier及Hawker使用铝质机翼，波音公司决定实现跨越式转变，波音787使用复合材料以降低飞机重量、提高燃油效率。这种可乘坐200~250人的飞机将成为“首个主体基本结构采用先进的复合材料制造的商用飞机，包括机翼、机身”。复合材料结构可以显著的减少零部件数量、降低20%的飞机重量——Walt Gillette（Boeing vice  president of  Engineering, Manufacturing and Partner Alignment）
　　其他最近的商用飞机复合材料用量基本未10-25%，而波音飞机的用量将达到50%。空客A380复材用量达23%，主要用于机尾及机身上其他不受力的部位。这种锥体结构——4770mm长，两端直径分别为2550mm、400mm——由Cincinnati VIPER ® 3000缠绕系统生产。
　　波音公司注意到了全复合材料机身的功能性优势——可以是机窗更大、机舱内的压力变小而提高舱内的湿度等。机身部分近6米宽，可以使乘客获得最高级的舒适度。这个机身将由波音公司的合作伙伴通过MAG VIPER®缠绕系统生产。 
　　早期的复合材料飞机零部件均有手工铺设，使得飞机制造成为了缓慢的、多变的体力劳动，给航空业的发展蒙上了阴影。很显然，飞机制造业急需自动化系统来增大产量，加强制造过程的可控制性，减少浪费，降低成本。
　　机身部分及其他全曲面结构可以由缠绕系统完成。那些弯曲度较小的伙食平面结构，例如机翼板、副翼、垂尾及平尾蒙皮等，均可由自动铺带机完成。
　　该自动铺带机可以将众多的碳纤维精确的铺设到旋转的或静止的模型上，精度可达±1.27mm。这种机床可以实现32条碳纤维独立的被分配、压实、装夹、切割、再成型，形成无褶皱的曲线、曲面或混合曲平面。这种控制可以实现碳纤维在保证最佳角度的情况下交错铺设，层层铺设，以使得零件的强度、硬度最大化，在保证重量最小化的同时获得不同壁厚的零件。通过程序设计的开/关/切割工序可以生产各种开启装置（窗户、门、舱口等），还可生产网状结构的精边。这种方式可以优化结构集成度、降低35%的材料的浪费、减少后续加工需求及手工操作。
　　专门为复合材料加工设计的先进的控制及软件，使得多轴运动的编程及控制非常简易，很方便的生产出复杂的造型。被授权的软件可以将解析CAD工具及零部件信息到多轴指令中。这样就可以达到将复合材料应用到曲面所需的路径及刀具转向，同时保证一个符合平面的混合型滚筒。通过一个3D模拟块确保零件程序的整体性、实现自动防撞后处理监测及校对功能。
　　对于简单的曲面及平面零件，可以选用曲面铺带机（CTL）和平面铺带机（FTL）。MAG高/低导轨式自动铺带机，可以分层次在平面、曲面轮廓表面进行为3、6以及12英寸带料的铺覆加工。该设备由PC机控制，X轴方向每3.6米处X轴行程可增长12˝，以增加X轴方向运动的柔性，龙门宽度可调，标准机型为200英寸。10个轴，其中五个至于龙门上，五个至于头部，Z轴节拍可根据实际应用进行适当的调整，A轴位于带料头部，可实现曲面零件的铺覆，横梁导轨高度根据实际需要设定。
　　MAG高/低导轨式自动铺带机主要包括两种类型：4轴平面铺带机（FTL）及5轴曲面铺带机（CTL）。平面铺带机可用于对平面、厚度可变的6˝及12˝带料铺覆加工，用户主要为欧美飞机制造商。曲面铺带机可实现全曲面或局部曲面零件的铺覆加工，该机型有两种形式，其中一种可实现尺寸分别为3˝及6˝带料的同时铺覆，另一种可实现尺寸为6˝及12˝带料的同时铺覆。用户遍布于美国、欧洲各国、日本、印尼等国家及地区。作为航空领域的排头兵波音公司，已经购置MAG自动铺带机逾20台，主要用于军事飞机、商用飞机的生产，其中1992年波音公司采用MAG自动铺带机生产波音777垂尾和平尾蒙皮。空客公司利用平面及曲面自动铺带机生产A330/A340尾翼蒙皮，蒙皮长9米，宽2米，重200Kg。Nashville航空结构公司利用自动铺带机生产空客A330/A340机翼外副翼，降低了70%人工时间。
　　上述多轴自动化装备正在通过飞机制造业的自动化改变着全球航空业的未来！

（国际金属加工网：吕梦然）

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