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1、先进树脂基复合材料研究进展 文 张 文毓 中国船舶重 工集团公 司第七二五研 究所 先进树脂基复 合材料 是指用碳纤 维、陶瓷纤维、芳纶纤维等增强的聚合 物复 合材料。先 进树 脂基复 合材 料具 有比传统结构材料优越得多的力学性 能，还 兼有耐腐蚀、振动 阻尼和吸收 电 磁波等功能，但其价格昂贵，只能用在 舰船上关键性的部位，如大型核潜艇 的声纳导流罩、大深度鱼雷的壳体、深 海潜水器壳体以及高性能艇的艇体结 构、水面舰艇的重要甲板构件等处。目 前，随着复合材料工业的迅速发展，树 脂基复禽材料正j=芒 借其本身固有的轻 质高 强、成 犁方 便、不易腐 蚀、质感 美 观等优点，越 来越 受到人们
2、的青睐。一，先进树脂基复合材料发展 现状 据何天部门的统计，全世界树脂 基复合材料制品共有4 7 多种，全球 仅纤维增强复合 材料产量 目前达到 7 5 0 多万t，从业约4 5 万人，年产值 4 1 5 亿欧元，其生产能力与市场分 布情 况为：北美3 2、太地区3 5、欧洲 3 0、其 他地 区 3。目前，全 世界 高性 能树脂基复合材料的产量超过 3 0 0 万t，糊A d v a n c e d Ma t e r ia ls I n d u s t r y 高性能热塑性复合材料的产量为1 2 0 多万t，其应用领域主要为：汽车行业 占2 3、建筑业2 1、航空业1 7、体育 运动领域 1
3、 1。从全球发展趋势来看，近儿年欧美复合材料生产均持续增 长，亚洲的日本发展缓慢，而中国特别 是中国内地的市场发展迅速。我国树脂基复合材料研 究起始 于1 9 5 8 年，经过多年的发展，在生产技 术、产品种类、生产规模等方面迈过了 由小到大的台阶，产量已经仅次于美 国，墙世界第2 位，其市场分布为：建筑 4 0、管 罐 2 4、工、i 器 材 l 2、交 通 6、船艇 4、其 他 1 4。我 国高性能树 脂基复合材料发展 水平不高，所采用的 基体主要有环氧树脂、酚醛树脂、乙烯 基酯树脂等。我国高性能树脂基复合 材料研究始于2 0 世纪 8 O 年代末期，近 1 5 年来 发展 迅 速，从 2
4、 0 0 5 年 公 开发表 的近百篇文献看，近期科研人员研究 的重点依然是对传统热固性大品种树 脂特别是环氧树脂的改性、功能化、专 用化，且对新型结 构热固性树脂的合 成 改性也投入了较多精力，已取得显 苦的研 究成果，但与发达国家相比尚 有差 距。以下介绍 3 种 先进 的树脂基 复合材料，它们在舰艇上有广泛应用。1 夹芯复合材料 日前，航空航 天、航海 以及其它 工程领域对具有高强度、高刚度、质量 轻、阻尼大的材料的需求不断增长，由 于 夹芯复 合材 料具 有 良好 的 比刚度、比强度、阻尼特性和结 构的可设计性，因此应用将更加广泛。夹芯复合材料 结构 已逐步应用于舰艇的减振、吸声 和吸
5、波等，这些功能结构在使用过程 巾将发挥多重作用，如复合材料基座 需 同时考 虑承 载和 减振 的优化 配，潜艇复合材料 声隐身舵 的壳 饭结构需 从承载和 吸声 2 Z r 面设计 夹芯 结构。2 阻尼复合材料 阻尼材料是r一 种能吸收振动机 械能，并将之转化为热能而耗散的功 能材料，阻尼减振降噪技术利用阻尼 材料在变形时把动能变成为热能的原 理，降低结构的共振振幅、增加结构的 疲劳 寿命 并 降低结 构噪声。各类 阻尼 材料已广泛应用于导弹 r J 星、飞机、舰 船、汽车丁业等许多领域。高聚物阻尼材料具有黏弹特性，是一种能够有效吸收振动能量的功能 材料。环氧树脂基复合材料不仅具有黏 弹性树脂
6、基体的阻尼性能，而且界面的 存在也提高了复合材料 的阻尼性能，尤 其是高性能纤维增强环氧树脂基复合 材料可以直接作为结构材料使用，环氧 树脂基复合材料的这些优点使之在阻 尼材料领域愈来愈受到重视 J。3 轻型复合装 甲材料 高分子纤维增强复合材料具有优 良的物理机械性能和化学性能，作为 防弹材料，其具有较好的动能吸收性 和无“二次杀伤效应”。因此，目前世界 上一些发达国家的海军舰艇上已大量 使用纤维增强复合材料(简称F R c)作 为轻型复合装 甲材料。用于防弹复合材料的增强纤维主 要是芳纶纤维和高强玻璃纤维，还有 2 0 世纪8 0 年代以后发展起来的高强聚 乙烯纤维。目前，舰用轻型复合装甲
7、中 使用最多的是芳纶纤维，高强玻璃纤维 综合抗弹性能比芳纶纤维稍差。高强聚 乙烯纤维强度比芳纶纤维还高得多、密 度低，但是高强聚乙烯纤维的使用温度 过低，作为舰用装甲材料有一定问题。综上所述，舰用纤维增强复合材料防弹 板应以芳纶纤维和高强玻璃纤维为纤 维增强材料，并合理利用2 种纤维抗弹 的优势，将高强玻璃纤维增强复合材料 作为防弹板的面板，利用其强度、刚度 高的特点，抵御弹丸的开坑冲击；将芳 纶纤维增强复合材料作防弹板的背板，充分利用其动态抗拉强度和伸长率高 的优势，将弹丸兜住。二 先进树脂基复合材料的应用 随着 国民经济的发展，以树脂基 复 合材料为代表的现代复合材料 已 广 泛应用于各个
8、领域。众所周知，树 脂基复合材料首先应用于航空航天 等国防工业领域，而后 向民用发展。最先进的技术首先应用在航空航天、国防领域，并推动整个行业的科技进 步，随着社 会的进步，树脂基复合材 料在人类物质生活 中的需求量越 来 越大，并逐渐成为主要应用领域，且 研 究投入越来 越大。1 应用领域(1)航 空工业 在航空工业 中，树脂基复合材料 用于制造飞机机翼、机 身、鸭翼、平尾 和发动机外涵道；在航天领域，树脂 基复合材料不仅是方向舵、雷达、进 气道的重要材料，而且可以制造固体 火箭发动机燃烧室的绝热壳体，也可 用作发动机喷管的烧蚀防热材料。近 年来研制的新型氰 酸树脂复合材料 具有耐湿性强、微
9、波介电性 能佳、尺 寸稳定性好等优点，广泛用于制作宇 航结构件、飞机的主次承力结构件和 雷达天 线罩。(2)能 源 工业 树脂基复合材料具有耐酸、耐碱、耐有机溶剂、耐油等优异的耐腐蚀性 能，因此在煤矿生产及石油的开采、运 输、储备中得到非常广泛的应用。1 9 9 4 年国家实用新型专利阻燃、抗静 电玻 璃钢复合材料罐道的开发与应用，为 矿山井简装备 长效防腐开辟了一条 新途径，解决了煤矿井筒装备长期处 于高湿、高风速和酸碱浸蚀等恶劣环 境 中的防腐蚀问题。多功能复合管道 是我国2 0 世纪9 0 年代的科研成果，其 研制是根据煤矿生产、石油开采和运 输的实 际工况条件，将塑料、树脂基 复合材料
10、和金属等复合而成一种压 力小于等于 2 5 MPa、公称直径为2 5 6 0 0 mI T!、最大长度为 1 2 m的新型高、中、低压纤维增强塑料(FRP)塑料 复合管道，该复合管的开发应用为促 进 我国国民经济发展起到 了重要作 用。河南理工大学近年来研制的高强 双抗煤矿玻璃钢管道，质量轻、强度 高、阻燃、抗静电，安装拆卸极为方便。由于管道内壁有丰富的树脂层，输送 介质运行阻力小且不结垢，使用周期 成本 低，研 制人 员对玻 璃钢 管道 及 其 在煤矿井下铺设理论的研究和设计，为在煤矿井下大规模使用树脂基复合 材料管道提供 了可靠的理论基础。高 强双抗煤矿玻璃钢管道为国家重点推 广计划，近年
11、来在国内部分煤矿使用，产生了良好的社会效益和经济效益 我国的燃气输送管道尚处于从传 统的钢管网向塑料管网发展的初始阶 段，其潜在市场非常大，从技术、经济、性能分析，纤维增强塑料(FRP)塑 料复合管和玻纤增强热塑性复合材料 管道 十分适于天然气、煤气的输送和 储存，且有利于环保，其综合经济效益 好、社会效益显著。(3)建筑业 在建筑行业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、加速施 工进度、降低造价 以及提高经济效益 等都十分有利，是实现建筑现代化的 必要条件。树脂基复合材料的可设计 性和良好的力学性能可用于建筑物的 承载结构以及建筑物加固，实践表
12、明，树脂基复合材料应用在现代建筑中比 传统建筑材料性能更加优 良，综合效 益更好。(4)汽车工业 树脂基复合材料用于汽车工业近 年来发展迅速，欧美国家在汽车工业 上的应用 占复合材料总量 的2 3 高 于建筑和航空工业。汽车上应用树脂 基复合材料可以减轻 白重、降低油耗，从而提高运载能力，用于车辆 内部装 新剃斟产业 NO 1 2 0 1 0a 硬 饰具有舒适隔声、隔热、降低震动等优 点。树脂基复合材料汽车部件制品主 要有车身壳体、汽车顶蓬、引擎盖、保险 扛、仪器盘、油箱、座倚、刹车片和安全 气袋等，国内用树脂基复合材料 制造 汽 车制动缸正处于研究的起步阶段。(5)舰 船 工 业 美 国“洛
13、杉矶”级核潜艇的声纳 导流罩 长 7 6 m、最 大直径 8 1 m，是 目 前世界-最大的先进树脂基复合材 料制品；美国“佩里”号驱逐舰首次用 芳纶纤维增强塑料制作了装甲；美国 海军用石墨纤维增强环氧树脂 材料 成功地制造 出 自动无人深潜探海艇 AUS S M0D 2 的耐压 壳体。瑞典新设计 的Y$2 0 0 0 高速驱 潜快艇 长 7 0 m、排水 量约6 0 0 t、航速 3 5 kn，考虑到对 此艇 质量、强度和抗冲击性的要求，拟采用 碳纤维增强复合材料制造艇体结构。俄 罗斯 中央结构材料研 究院开发出一 种用碳纤维增强的减摩复合材料，可 用于制造船上活塞、轴承等部件。德 AI R
14、 加_丁技术公司开发出一种碳纤维 环氧复合材料螺旋桨，这种螺旋桨的 桨叶由碳纤维和环氧树脂模制而成，据称桨叶具有很高的强度，可在恶劣 的海况下工作；新型桨的另一项优点 是浆叶材料的阻尼性能好，可使噪声 等级相对于金属桨下降5 d B，甚至在桨 叶损坏的情况下振动等级仍在可接受 的范围之内。(6)其他领域 树脂基复合材料作为化学工业的 耐腐蚀材料已有 5 0 多年的历史，氯碱 工业是将玻璃钢用作耐腐材料的最早 应用领域之，而后陆续进入化工行 业的各个领域，在化肥、造纸、生物工 程、环境工程及金属电镀等工业中发 挥了重要作用，在机械、电子、体育、娱 乐、医疗等方面也得到较好的应用和 Advanc
15、ed Ma t er i al s I ndus t r y 发展，如机械制造中的轴承、齿轮、叶 轮等零部件，水上赛艇、帆板、冲浪板、雪橇、高尔夫球杆、各种球拍等体育器 材。实践证明，很多体育用品改片 j 树脂 基复合材料制造，大大改善了其使用 性能，有利于运动员创造更佳成绩。树 脂 基 复 合材 料 钓 鱼竿 是 娱 乐器 材 中 的大宗产 品，目前的玻 璃钢 钓鱼 竿和 碳纤维复合材料钓鱼竿比模量大、具 有足够 的强度和刚度，且质量轻、可收 缩、造型美观、携带方便。用树脂基复 合材料制造的扬声器、小提琴和电吉 它等音响效果良好，很有发展前景，目 前在娱乐设施 中，大多公园及各类游 乐场所
16、的设 施均 已采用 不同类型的树 脂基复合材料取代传统的材料。在生物复合材料 中，树脂基复合 材料的担架、呼吸器，碳纤维 环氧结 构的假肢，人造假牙和人造脑壳等早 已经出现，国外也有 以聚丙稀腈为原 料的碳纤维材料来修补韧带，用碳纤 维复合材料制成的心脏瓣膜成功植入 人体 已有几十年的历 史，以尼龙为增 强材 料 的人造 器官 也 已投 入使 用。实 验研究表明，这些材料做成的人体器 官无排异反应，与人体有很好相容性，因此有着广阔的应用前景 其他的应用领域还包括：防弹头 盔、防弹服、防弹运钞车和防弹汽车等 防弹产品；各种反射面天线、印刷 电路 板、壳架等电子工业产品；人造关节、骨 骼、C T扫
17、瞄床板等生物工程和人体医 学产品；地铁车辆、发热材料和电热用 品以及机械制造工业等复合材料产品 多种多样，层出不穷，充分体现了树脂 基复合材料应用多元化的趋势和特点。2 几种重要树脂基复合材料的应 用(1)夹 芯复合 材料 目前 全 世 界 主要 飞机 制 造 公 司 生 产 飞 机 的 地 板、机 翼 等 构 件 都 是 采用全复 合材料夹芯结 构。在波音 7 4 7 客机 上，采 用 了一 种 更 加新 颖 的 蜂 窝夹层 材料做地 板，其 面材是碳 纤维增强 塑料，芯材是尼 龙纸制成 的蜂窝芯子。玻纤增强塑料制成的蜂窝夹芯材 料可用 来制造高速列车 的内部构件如 控制面板、舱壁、天花板垫
18、板、行李架、厕所单元、盥洗室、地板、四角 门和隔 离舱门以及外部构件如车顶、前端、护 板、整个车体等。欧洲高速火车车厢也 在朝着采用复合材料夹芯结构取代普 通F R P、钢板、铝板的方向发展。蜂窝夹芯结构的结构件和非结 构件分别比传统材料(如金属、木材、FRP)制的对应构件轻5 0 和7 5。蜂 窝夹芯结构船壳的快速驳轮的航速达 5 0 节，操作更灵活、阻燃性好、经济效 益好。德国海军潜艇结构中复合材料 或夹芯复合材料的应用最为广泛也最 具有代表性。夹层结构在汽车上 已经有 _r较 多 应用，大 部 分 是用 于 车 身 外 蒙皮、车身结构、车架结构、保险杠、座椅、车门等处。许多国家采用蜂窝夹
19、芯结构做墙 体，可以大大减轻地震导致的人员死 亡和财产损失。美国HPM公司用2 0 滑石粉填充聚丙烯制成 1 6 8 m的蜂窝 结构地板，质量仅为5 k g 。(2)阻尼复合 材料 舰船噪声问题是现代舰船技术的 主要研 究课 题之 一。舰船 尾部 振动 一 直是国内外极为关注的问题，尾部的 主体结构及附体舵板与稳定翼是 典型的振体。多年来的研究表明，增加 阻尼可降低涡流激励壳体的振动而产 生的声辐射、控制振动并抑制振动声 辐射。高阻尼复合材料既有传统复合 材料轻质高强的优点，同时还具有 良 好的阻尼性能，克服了传统阻尼材料 需粘贴或涂覆在振体表面的缺点，可 直接用来制作振动构件。(3)轻型复合
20、 装 甲材料 轻型复合装甲结构在舰船上的应 用，保证了舰船的重要舱室和重要部 位在特定破片或者弹丸攻击下不会产 生使舰船战斗力或者生命力严重损失 的破坏，从而提高舰船作战系统的使 用环境，提高舰船装备的可靠性和安 全性。三，先进树脂基复合材料发展 趋势 先进 树脂基 复合材料 的发展趋 势如下：先进树脂基复合材料的应用 向着高性能化方 向发展，旨在追求高 的减重效率；重视制造技术研究、生 产改造和综合配套；突出强调低成本 技术，因为成本制约着复合材料的扩 大应用，特别是在民用领域应用的主 要 障碍 仍 是成 本太高，因此 降低 成本 是 当务之急；强调“一 一 体化”思想，因 为复合材料技术本
21、身正向着综合化、功能化和智能化方向发展，其研究和 应用往往 涉及设 计、材料、制造、测 试、使用和维护等诸多方面；先进热 塑性树脂基复合材料仍受到重视。1 夹芯复合材料 夹芯复合材料 的应用领域广泛，主要有飞机、火车车体、船舶、汽车、建 筑及其它。夹芯结构的应用使汽车质 量更轻、抗撞击性能更好、安全舒适性 得到较好保证，是当前的发展方 向之 一。在现在汽车生产塑料化环境中，塑 料作为夹芯或纤维增强塑料作为面板 的夹芯结构应用将越来越多。夹芯结构的吸声性能主要取决 于夹芯材料的吸声性能，夹芯材料的 厚度越大、损耗 因子越大、声阻抗与 水介质匹配越好，夹芯结构的吸声性 能越好。利用复合材料 的透声
22、性能 与 吸声夹芯组成 夹芯结构 吸收入射 的声呐波，可以实现潜艇壳体结构承 载 隐身一体化的 目标，将成为未来 水 下声隐身结构的发展趋 势；夹芯 复合材料用于潜艇非耐压 壳板，可满 足强度、刚度的要求，声 隐身能力大 大 提高。2 阻尼复合材料 随着环氧树脂阻尼材料应用的 日益广泛和对阻尼材料性能要求的 逐渐提高，研制高阻尼性能环氧树脂 基体及其复合材料成为研究热点。互 穿聚合物网络(I P N)技术、阻尼性能、高分子链段结构的评价 能够在分子 水平上指导新型环 氧树脂 的设计和 开发；纳米技 术、压 电效应、材料制 备新技术 等与 阻尼材料的研 究相结 合，能够为阻尼材料提供广阔的发展
23、前景。3 轻型复合装 甲材料 随着对舰攻击武器命中精度要求 的提高，如何提高舰船的生存能力越 来越受到各海军大国的重视，其中，采 用轻型复合装甲结构对舰船的重要部 位和舱室进行防护，已成为提高舰船 生命力的重要途径之一。目前，世界各 国的舰用轻型复合装甲结构是采用在 防弹钢板或船体结构钢板内侧加上纤 维增强复合材料防弹板组成，其 中纤 维增强复合材料防弹板是舰用轻型复 合装甲结构的主体，是该类装甲防护 结构先进性的根本所在。四，结语 树 脂 基 复 合 材料 具有 良好 的成 形 工 艺 性、高 的 比 强 度、高 的 比 模 量、低 的 密度、抗 疲 劳 性、减震 性、耐 化 学 腐蚀 性、
24、良好 的介 电性 能、较 低 的热 导率等特 点，广泛应用 于军事 工业 中。树脂基 复合材料 作为一种 新 型结构材料，在航空航 天领域和 民 用 方 面 得 到 了广 泛 应 用，其 中尤 以纤 维 增 强树 脂 复合 材 料 的 发展 最 为 引人 注 目。日 参考文献【1】耿运贵，张永涛 树脂基复合材料的应用与发展趋势，河南理工大学学报(自然科学版)，2 0 0 7，2 6(2)：1 9 2-1 9 7 【2】罗忠，朱锡，梅志远等 夹芯复合材料结构阻尼特性研究 振动与冲击，2 0 0 8，2 7(1 1)：1 3 4-1 3 7 3】黄志雄，石敏先，杨国瑞等环氧树脂基阻尼复合材料研究
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