什么是復合材料（2）

玄武

．復合材料與樹脂基體
　　
　　1．什么是復合材料的定義國內外業界有各種說法。英國人赫爾提出復合材料分三類：天然復合材料，如木材、骨骼、肌肉等；細觀復合材料，如合金、增強塑料等；宏觀復合材料，如鋼筋混凝土等。適合于工程結構的復合材料定義應包含以下三點內容：
　　
　　（1）含兩種或兩種以上物理性質不同并可用機械方法分離的多相材料（區別與混合物和合金）；
　　
　　（2）可人為控制將一種材料分布到其它材料中，以達最佳性能；
　　
　　（3）性能優于單獨組分材料，并具獨特性能。
　　
　　科學家把復合材料這種揚長避短的作用稱為復合效應。人們利用復合效應可自由選擇復合材料組成物質，人為設計各種新型復合材料，把材料科學推進到了一個新階段。因此，國外把復合材料稱為第四代材料，又稱“設計材料”。
　　
　　2．復合材料的分類工程上生產與應用的復合材料內含兩類材料：增強材料與基體材料。
　　
　　增強材料作用：提供強度與剛度
　　
　　形態：多為纖維狀
　　
　　材質：玻璃纖維、碳纖維、芳倫（Kevlar）纖維、硼纖維、碳化硅纖維等。
　　
　　基體材料作用：將增強材料粘接成固態整體，保護增強材料，傳遞荷載，阻止裂紋擴展；材質：合成樹脂。分為熱固性樹脂與熱塑性樹脂兩大類；金屬；陶瓷；水泥
　　
　　根據基體的不同復合材料又細分為：
　　
　　聚合物基復合材料，又稱纖維增強塑料。分為纖維增強熱固性塑料FRP與纖維增強熱塑性塑料FRTP。應用最廣的為玻璃纖維增強塑料GRP（GlassReforcedPlastics）；金屬基復合材料，如連續或非連續硼纖維、碳纖維增強鋁鎂、鈦、鎳等金屬基體；陶瓷基復合材料，如碳纖維、碳化硅（SiC）晶須增強陶瓷，極大提高了陶瓷的韌性（提高斷裂韌性最高可達9倍以上）；水泥基復合材料，如碳纖維、玻璃纖維、植物纖維增強水泥等；碳纖維增強碳基體稱為C/C復合材料。上述諸種復合材料，目前全世界產量最大應用最廣（約90%以上）首推聚合物基復合材料。
　　
　　3．聚合物基復合材料的特性
　　
　　（1）輕質高強。以CFRP為例：與鋼相比，比重僅為鋼的1/5，比強度為鋼的8倍，比模量為3.6倍，疲勞強度為2.7倍，抗拉強度為1.4倍。
　　
　　（2）耐腐蝕性優異。全世界每年腐蝕金屬約1.2億噸，我國金屬腐蝕損失每年約600億以上。FRP因根本不發生金屬的電化學腐蝕，可取代昂貴的不銹鋼。
　　
　　（3）制造容易，生產率高。美國阿特拉斯導彈，用纖維纏繞聚合物基復合材料殼體取代合金鋼，生產周期縮短為1/3。波音公司某型飛機由11000個金屬零部件組成，改用聚合物基復合材料僅為1500個零部件，減少90%。
　　
　　（4）可設計性好。纖維增強材料的數量與方向可根據受力情況調變；以最大程度提高結構抗力。如纖維纏繞成型的FRP容器或管道，選定纖維纏繞角為5444，則可實現軸向環向等強度。而金屬壓力容器與管道卻實現不了。

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　　（5）抗震性優良。CFRP的自振頻率為鋼的1.9倍。振動阻尼高，同尺寸梁實驗：CFRP梁2.5min停止振動，鋼梁需9min。
　　
　　（6）其它優異性能如透波性、隔熱性等。
　　
　　4．聚合物基復合材料的應用
　　
　　上世紀40年代美國最早用GRP制造飛機組合部件及航空氣瓶。先進聚合物基復合材料在世界各國飛機上的應用（占總重量百分比）：
　　
　　美國F-2226%蘇-2720%
　　
　　法EF-200043%中國殲-106%
　　
　　波音-7779900kg/架空中客車A34011000kg/架
　　
　　發達國家各型導彈發動機殼體90%以上采用纖維纏繞聚合物基復合材料。
　　
　　民用方面大家所熟知的玻璃鋼就不想多說了，僅就幾個方面概略介紹一下。
　　
　　汽車業的應用上世紀90年代汽車鋼材應用比例下降到14—15%。2000年美國每五輛汽車就有一輛為FRP制造車身。歐美SMC（纖維增強不飽和樹脂基體的片狀膜塑料）產量年遞增10%以上，美國SMC產量的80%以上用于汽車。我國SMC生產線引進與自制共30余條，年設計產量9萬噸以上。玻璃氈增強熱塑性復合材料（GMT），全世界年增長率為25%以上，95%用于汽車工業。
　　
　　汽車用天燃氣氣瓶，采用碳纖維纏繞樹脂基復合材料制造，市場潛力巨大。我國石油短缺，天燃氣的儲量豐富。汽車燃料對環境污染小。氣瓶重量輕，耐腐蝕，工作壓力20—100Mpa，壽命15—20年。
　　
　　土木工程結構的補強修復應用碳纖維增強聚合物基復合材料對橋梁、隧道、水工構筑物及高層建筑等土木工程結構的修復可謂方興未艾。與傳統修復技術比，輕質高強，耐腐蝕；施工便捷，可在有限空間施工，不需大型機具；修復費用僅為傳統修復費用的1/4左右；施工周期為1/2—1/3；可修復復雜曲面形體。將特制光纖FBG傳感器置入碳纖維聚合物復合材料中，構成智能先進復合材料。用其對損壞的橋梁等重要構筑物進行補強加固修復，不僅具有傳統修復無可比擬的優越性，而且可實現對構筑物三維局部應力、疲勞損傷進行長期實時在線監測，并及時作出評估。
　　
　　化工環保耐腐蝕設備及玻璃鋼管道由于GRP具有優良耐腐蝕性，美國、日本在化工環保設備方面的應用已列GRP市場的3—4位。采用玻璃纖維纏繞成型不飽和聚酯與環氧樹脂基體的復合材料管道性能優異，市場巨大，GRP管道已成為美國第三大運輸手段（裝備）。美國在德克薩斯、阿克拉荷馬、加利福尼亞三州的鹽堿地上與地下實際使用20年后，進行爆破試驗，爆破壓力并沒有降低。此外，根據我的計算：由于GRP管道流體阻力小，泵能耗比金屬管降低30%左右；可直埋地下，安裝費用節省約15—50%。據意大利威德羅西那公司試驗：鑄鐵與GRP兩種管道，管徑500mm，管長6m。同樣施工條件，埋設管線長均為1000m。施工期GRP管僅用1天，而鑄鐵管卻需30天。綜合經濟效益，玻璃鋼管不僅優于普通碳鋼管而且也優于不銹鋼管。
　　
　　玻璃鋼船日本漁船的70%采用GRP制造。比木船輕30%，能耗降低；使用壽命：木船為10年，GRP船為20年；維修容易；可提高捕撈量35%。



摘自：http://www.zxxk.com/huodong/2009jsj/Info.aspx?InfoID=113088