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材料家族中的“戰(zhàn)斗機(jī)”——復(fù)合材料

發(fā)布時(shí)間：2017-06-02

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隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，復(fù)合人才已經(jīng)成為各大企業(yè)的“香餑餑”，那么復(fù)合材料是否也成為了材料家族的大熱門呢？

材料中的 “戰(zhàn)斗機(jī)”

之所以稱之為“復(fù)合”，是因?yàn)閺?fù)合材料是由金屬材料、陶瓷材料或高分子材料等兩種或兩種以上的材料經(jīng)過復(fù)合工藝而制備的多相材料，各種材料在性能上互相取長(zhǎng)補(bǔ)短，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使復(fù)合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料而滿足各種不同的要求。

不要以為多種材料復(fù)合而成的材料是個(gè)“大塊頭”。以碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料為例，它的密度為1.4g/cm3左右，只有碳鋼的1/5，比鋁合金還要輕1/2左右，而機(jī)械強(qiáng)度卻能超過特殊合金鋼。在航空航天部門，通常用比強(qiáng)度（強(qiáng)度與密度的比值）來衡量材料輕質(zhì)高強(qiáng)的程度，按比強(qiáng)度計(jì)算，碳纖維復(fù)合材料是特殊合金鋼的5倍多。復(fù)合材料的輕質(zhì)高強(qiáng)特性，是其他材料無法企及的，可謂是材料中的“戰(zhàn)斗機(jī)”。

復(fù)合材料由連續(xù)相的基體和被基體包容的相增強(qiáng)體組成?；w材料分為金屬和非金屬兩大類。金屬基體常用的有鋁、鎂、銅、鈦及其合金。非金屬基體主要有合成樹脂、石墨、橡膠、陶瓷、碳等。增強(qiáng)材料主要有玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、石棉纖維、碳化硅纖維、晶須、金屬絲和硬質(zhì)細(xì)粒等。

工業(yè)領(lǐng)域的 “?？?rdquo;

復(fù)合材料具有重量輕、強(qiáng)度高、可設(shè)計(jì)性好、耐化學(xué)腐蝕、介電性能好、耐燒蝕等很多優(yōu)點(diǎn)，是航空航天、交通運(yùn)輸、化學(xué)化工、建筑工業(yè)、綠色能源、體育用品等工業(yè)領(lǐng)域中的“?？?rdquo;。

在航空方面，復(fù)合材料主要用來制造戰(zhàn)斗機(jī)的機(jī)翼蒙皮、機(jī)身、垂尾、副翼、水平尾翼和雷達(dá)罩等主承力構(gòu)件，使飛機(jī)的重量大幅度降低。此外，由于復(fù)合材料構(gòu)件的整體性好，可極大地減少構(gòu)件的數(shù)量，減少連接，從而有效提高了飛機(jī)的安全性。復(fù)合材料在大型商用飛機(jī)上的用量已經(jīng)達(dá)到50%左右。正是由于材料的使用，使特大型客機(jī)的制造成為可能。

人造地球衛(wèi)星的重量每減輕1Kg，其運(yùn)載火箭就可減重500Kg~1000Kg，因此復(fù)合材料在人造衛(wèi)星的制造上有很大的優(yōu)勢(shì)。目前衛(wèi)星所用材料中90%以上是復(fù)合材料，儀器艙本體、框、梁、桁、蒙皮、支架、太陽(yáng)能電池的基板、天線反射面等基本都用復(fù)合材料制造。

用復(fù)合材料制成的交通工具，可在大幅降低燃料消耗的同時(shí)提高安全性能。用復(fù)合材料制造汽車可使車重大幅度減輕，在相同條件下的耗油量只有鋼制汽車的1/4。同時(shí)在受到撞擊時(shí)，復(fù)合材料能大幅度吸收沖擊能量，更好地保護(hù)了人員安全。用復(fù)合材料制造汽車具有節(jié)能、環(huán)保、安全等特點(diǎn)，是汽車未來的發(fā)展趨勢(shì)。此外用復(fù)合材料制造的船舶，具有燃料消耗低、外觀漂亮、耐海水腐蝕性好、維護(hù)費(fèi)用低等特點(diǎn)。目前絕大部分的快艇和游艇都是用復(fù)合材料制造。

大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片也是由復(fù)合材料制造。1臺(tái)功率為2兆瓦的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，單個(gè)葉片的長(zhǎng)度可達(dá)37.5~40.5米。5兆瓦的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的單個(gè)葉片長(zhǎng)度甚至達(dá)到60多米。風(fēng)力發(fā)電機(jī)越大，其葉片就越長(zhǎng)越重。具有力學(xué)性能好、質(zhì)量輕、耐腐蝕、易制造等優(yōu)點(diǎn)的復(fù)合材料，能夠在滿足發(fā)電機(jī)葉片強(qiáng)度要求的前提下大幅降低葉片質(zhì)量、延長(zhǎng)使用壽命，使發(fā)電機(jī)的效率大幅增加。

在體育用品方面，復(fù)合材料也被廣泛用于制造賽車、賽艇、撐桿、球拍、弓箭等。目前很多賽艇就用碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂制造。

復(fù)合材料性能獨(dú)特，制造容易，適用面廣，是航空航天、電子技術(shù)等尖端技術(shù)的基礎(chǔ)和先導(dǎo)，也與我們的生活密切相關(guān)。隨著納米材料、石墨烯等新材料新技術(shù)的發(fā)展，像納米復(fù)合材料、生物復(fù)合材料等新型復(fù)合材料不斷涌現(xiàn)。復(fù)合材料發(fā)展前景光明，發(fā)展?jié)摿薮螅谠S多領(lǐng)域都亟待我們創(chuàng)新性地去開發(fā)、應(yīng)用。

還有 “人才” 待培育

復(fù)合材料發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了一個(gè)完整的工業(yè)體系，在許多尖端科技領(lǐng)域都得到了重要應(yīng)用。未來復(fù)合材料的發(fā)展還有很大的空間。

降成本：好東西自然價(jià)值不菲。復(fù)合材料的成本是限制其大范圍推廣使用的最大瓶頸之一。復(fù)合材料的成本如能大幅度下降，特別是先進(jìn)復(fù)合材料的成本下降以后，復(fù)合材料在風(fēng)力發(fā)電、汽車制造、造船工業(yè)和建筑工業(yè)等領(lǐng)域?qū)?huì)產(chǎn)生突破性的發(fā)展。復(fù)合材料成本的降低將主要從原材料成本、制造成本和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面著手。

智能復(fù)合材料：智能復(fù)合材料是指具有感知、識(shí)別及處理能力的復(fù)合材料。在技術(shù)上是通過傳感器、驅(qū)動(dòng)器、控制器來實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的上述功能。傳感器可以感受復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的變化信息，并將材料受損傷的信息傳遞給控制器，控制器根據(jù)所獲得的信息產(chǎn)生決策，然后發(fā)出控制驅(qū)動(dòng)器動(dòng)作的信號(hào)。以用智能復(fù)合材料制造的飛機(jī)部件發(fā)生損傷時(shí)為例，可由埋入的傳感器（如光導(dǎo)纖維）在線檢測(cè)到該損傷，通過控制器決策后，控制埋入的形狀記憶合金動(dòng)作，在損傷周圍產(chǎn)生壓應(yīng)力，從而防止損傷的繼續(xù)發(fā)展。如果該技術(shù)在飛機(jī)上得到應(yīng)用，將大大提高飛機(jī)的安全性能。

功能復(fù)合材料：功能復(fù)合材料是指具有透波、燒蝕、摩擦、吸聲、阻尼等功能的復(fù)合材料。功能復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣，這些應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ζ洳粩嘤行碌囊?，許多功能復(fù)合材料的性能是其他材料難以達(dá)到的，如透波復(fù)合材料、耐燒蝕復(fù)合材料等。納米材料的一個(gè)重要用途就是制造功能材料，隨著納米技術(shù)的發(fā)展，功能復(fù)合材料也將得到快速發(fā)展。

高性能復(fù)合材料：高性能復(fù)合材料是指具有高強(qiáng)度、高模量、耐高溫等特性的復(fù)合材料。隨著人類探索太空事業(yè)的不斷發(fā)展，以及10倍音速、20倍音速空天飛機(jī)的研制，航空航天工業(yè)對(duì)高性能復(fù)合材料的需求量越來越大，而且也對(duì)復(fù)合材料提出了更高的性能要求，如超高強(qiáng)度復(fù)合材料、超耐高溫復(fù)合材料等。

仿生復(fù)合材料：仿生復(fù)合材料是參考生命系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)規(guī)律而設(shè)計(jì)制造的復(fù)合材料。復(fù)合材料內(nèi)部損傷的愈合就是仿生的實(shí)例，當(dāng)復(fù)合材料受到損傷產(chǎn)生裂紋后，復(fù)合材料本身能自愈合使材料性能得以恢復(fù)。這種復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域特別有用，當(dāng)航天器（如衛(wèi)星或空間探測(cè)器）在太空中受損傷后自己愈合，力學(xué)性能得到恢復(fù)，延長(zhǎng)了航天器的壽命。為了制造傷口能自愈合的復(fù)合材料，在復(fù)合材料制造時(shí)，預(yù)先將包了活性樹脂的微膠囊和催化劑分散在復(fù)合材料中。微囊結(jié)構(gòu)的直徑在1~500微米左右，當(dāng)復(fù)合材料受傷開裂時(shí)，微膠囊的外殼發(fā)生破裂，樹脂流出來遇到催化劑后發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，樹脂的狀態(tài)從液態(tài)轉(zhuǎn)變成堅(jiān)硬的具有很好力學(xué)性能的固體，將復(fù)合材料的傷口粘合起來。目前科學(xué)家已經(jīng)能使復(fù)合材料自愈合后的力學(xué)性能恢復(fù)到原來的80%左右，已經(jīng)非常接近實(shí)用水平。

環(huán)保型復(fù)合材料：從環(huán)境保護(hù)的角度考慮，要求復(fù)合材料的制造過程不影響環(huán)境、廢棄的復(fù)合材料可以回收利用，以節(jié)約資源和減少污染，這是復(fù)合材料發(fā)展的大趨勢(shì)。

復(fù)合材料已經(jīng)滲入到生活中的方方面面，大到汽車飛機(jī)衛(wèi)星，小到各類生活體育用品，復(fù)合材料已成為不可或缺的重要組成。（文章來源：中國(guó)化工報(bào)）

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