复合材料十篇

复合材料篇1

持续提高复合材料的性能是航空复合材料基础研究一个永恒的主题，一如“更高、更快、更强”的奥运会精神。几年前，空中客车公司就飞机复合材料技术的现状和发展方向指出，未来航空复合材料应该具有更高的韧性性质，体现在连续碳纤维增强的航空树脂基复合材料上，就是这些材料必须具备更高的压缩强度和冲击后压缩强度（CAI，Compression　After　Impact，图1），这样才能保证飞机的安全性。复合材料的压缩强度主要由碳纤维的性能决定，而复合材料的CAI性质则取决于树脂材料的韧性，特别是复合材料的多尺度、多层次结构等。

事实上，寸有所长，尺有所短，没有一种材料是“全才”，也没有一种材料是只有优点而没有弱点的。从总体上看，碳纤维增强材料作为航空复合材料产生优秀力学性能的基础，它本身的韧性就很低，导致用碳纤维增强的树脂基复合材料的韧性水平相对于许多金属材料也偏低，因此，提升结构材料、特别是先进的碳纤维增强树脂基复合材料的韧性性能当然也是航空复合材料领域永恒的研究主题。

增韧新概念的提出与实践

众所周知，玻璃易碎，但夹层防弹玻璃或车窗玻璃却不怕。为什么？就是因为在这些层状化“复合材料”的设计里，在两张薄玻璃层之间设置了一层柔性高分子的插层（如PVC胶膜），并保证两者之间良好黏结，这样，在弹击或撞击事件发生时，夹层玻璃一般不会发生粉碎性、穿透性的灾难性破坏（图2）。显然，夹层玻璃设计没有改变玻璃脆性的本质，但通过层间插入改变了整个系统对外部冲击的响应机制和破坏模式，因此就不怎么害怕冲击破坏了。

为了提升我国航空复合材料的韧性性质，特别是提高航空复合材料的冲击后压缩性质，在国家973计划项目等的支持下，北京航空材料研究院先进复合材料国防科技重点实验室的材料科学家提出了复合材料层间增韧和层内增刚的新概念，在2000年前后，在“离位”层间增韧方面，初步实现在保持复合材料比刚度和比强度的同时，大幅度提高复合材料的冲击分层损伤阻抗与容限，这其中，一个关键的概念就是“离位”层间增韧技术，这个技术的形象的理解可以比照夹层防弹玻璃：为了提高比较脆性的热固性复合材料的冲击损伤阻抗，可以在连续碳纤维的铺层之间放置高韧性的热塑性树脂铺层。

实践是检验真理的标准。通过国产双马来酰亚胺树脂基复合材料各3个试样“离位”层间增韧前后的冲击分层损伤超声波C扫描照片、冲击分层损伤的投影面积以及相应的冲击后压缩强度（CAI值）的对比，比较发现，“离位”层间增韧不仅提高了复合材料抗击冲击分层的能力（冲击损伤阻抗），减少了的分层投影面积，而且也提高了复合材料的冲击后剩余压缩强度（冲击损伤容限）。

同样，国产聚酰亚胺复合材料的研究和测试结果也表明，“离位”增韧方面也有力地提升了这种高温复合材料的冲击分层损伤阻抗和损伤容限，复合材料的CAI值提升显著。对国内外其他复合材料例如环氧树脂基以及聚苯并恶嗪基复合材料冲击损伤阻抗和损伤容限的研究与测试结果证实，“离位”层间增韧技术在合适的材料热力学和动力学条件下，均可以取得比较明显的复合材料增韧改性效果。

“离位”增韧的材料科学基础

那么，这些不同化学结构的树脂基复合材料冲击损伤阻抗和损伤容限得到提高的材料学机制是什么呢？现代材料科学告诉我们，决定材料使用性能的关键不仅取决于组成这个材料体系的成分，而且取决于这个材料体系内部的多尺度、多层次的微结构，因此，根据“离位”层间增韧在连续碳纤维的铺层之间放置高韧性的热塑性树脂铺层是一回事，而得到什么样的材料微结构是另一回事。大量的基础研究工作表明，双连续、颗粒化的微观结构将有利于提高材料的冲击韧性，因为在这种结构里，裂纹的引发及其扩展必须穿越大量颗粒以及颗粒间的高韧性的“填充”材料，从而引起大量的能量消耗，换句话说，这样的微结构是一种高韧化的微结构。根据这个思路，重点实验室的科研人员通过材料热力学和动力学的研究，研制获得了这种双连续、颗粒化的热塑性高分子/热固性高分子复相微观结构，选用的树脂材料对象就是我国航空工业的主要复合材料品种（图3）。

需要指出，“离位”增韧技术的第二个条件是“定域”，就是说，必须把这种双连续、颗粒化的微观结构准确地放置在层状复合材料的富树脂的层间，并且尽可能地控制层间厚度，以保证复合材料在高增强纤维体积分数条件下的比刚度和比强度。图4所示是一个国产高温环氧树脂基复合材料的碳纤维铺层间的微结构形貌，照片中，特征性的双连续、颗粒状的环氧树脂颗粒连成了一片，层间厚度约相当于2～3根碳纤维的直径。同时我们还可以看到，这种双连续的颗粒微结构已经浅层渗透进入了碳纤维铺层内约几根碳纤维直径的深度，其后，基体树脂仍旧保持为环氧连续相。事实上，正是因为这个浅层渗透的双连续颗粒结构产生了一种“机械”咬合作用，特别是在断裂尖端张开载荷的条件下，这种咬合将产生“犁地”效应，在裂纹扩展时引发大量纤维的拔出和断裂，导致裂纹扩展或分层的阻力成倍地增长。

根据以上的观测结果，可以初步建立一个“离位”复合材料的层结构模型（图5），初始被表面附载而预置在碳纤维铺层间的热塑性树脂层经过热固性树脂的扩散、交联固化，特别是经过相分离、相反转和相粗化等一系列热力学和动力学过程，形成为一个跨层间的独特的热固性树脂连续结构，其形貌特征是连续的颗粒结构，与此同时，热塑性树脂也是连续地分布在热固性树脂颗粒之间，即“双连续”。特别是这种双连续结构的边界并不是两个碳纤维铺层的层间，而是浅层渗透进入了碳纤维铺层的层内，从而产生机械互锁效应。

概念性研究成果的工程化放大

为了将这个基础研究的成果推向工业应用，在中航工业创新基金项目等的财政支持下，重点实验室的科研人员在热熔预浸机上把“离位”表面附载技术进行了连续化放大试验，结果令人满意。由此获得的预浸料产品命名为ES?-Prepreg预浸料，北京航空材料研究院获得这个产品的注册商标。

复合材料篇2

1钙钛矿结构

钙钛矿型复合氧化物因具有天然钙钛矿(catio3)结构而命名,与之相似的结构有正交、菱方、四方、单斜和三斜构型。标准钙钛矿结构中,a2+和o2＿离子共同构成近似立方密堆积,a离子有12个氧配位,氧离子同时有属于8个bo6八面体共享角,每个氧离子有6个阳离子(4a～2b)连接,b2+离子有6个氧配位,占据着由氧离子形成的全部氧八面体空隙。钙钛矿结构的对称性较同种原子构成的最紧密堆积的对称性低,a、b离子大小匹配。各离子半径间满足下列关系:

其中ra、rb、ro分别为a离子、b离子和o2-离子的半径,但也存在不遵循该式的结构,可由goldschmidt容忍因子t来度量:

理想结构只在t接近1或高温情况下出现,多数结构是它的不同畸变形式,这些畸变结构在高温时转变为立方结构,当t在0.77～1.1,以钙钛矿存在;t<0.77,以铁钛矿存在;t>1.1时以方解石或文石型存在。

2钙钛矿型氧化物材料的研究进展

标准钙钛矿中a或b位被其它金属离子取代或部分取代后可合成各种复合氧化物,形成阴离子缺陷或不同价态的b位离子,是一类性能优异、用途广泛的新型功能材料。

2.1固体氧化物燃料电池(sofc)材料

钙钛矿氧化物燃料电池sofc有以下优点:(1)全固态结构,不存在液态电解质所带来的腐蚀和电解液流失等问题;(2)无须使用贵金属电极,电池成本大大降低;(3)燃料适用范围广;(4)燃料可以在电池内部重整。通过电极材料中的掺杂来提高活性,优化碱锰电池的充放电性能(参见表1)。用含锰的钙钛矿氧化物作为碱性溶液中的阴极材料,获得了好的结果。因为元素锰的d电子结构在锰的三价和四价两种氧化物之间快速传递,表现出很高的电子导电性及良好的电极可充性[5]。通过掺杂pb、co、ba、ca、sr等元素的复合钙钛矿结构,获得掺杂后的改性电极材料,pb的掺入会对mn—o的成键状态和mno2晶格内的结晶水产生影响,使mn2p3.2能级产生化学位移,结合能增大,mn—o离子性增加,共价性减小。经过对改性电极的充放电机理实验,纳米掺杂后电池的放电容量提高40%以上[6]。la1-xsrxfe1-ycoyo3作为一种混合导体材料,具有优良的电子导电性能和离子导电性能,与la0.9sr0.1ca0.8mg0.2o3、ce0.9gd0.1o1.95等新一代中温固体氧化物电解质有很好的相容性。因此,la1-xsrxfe1-ycoyo3体系材料是一种很有发展前景的中温sofc阴极材料[7]。mather等[8]用硝酸盐与尿素熔融燃烧法制备了金属阳极陶瓷材料nisrce0.9yb0.1o3-δ,实验结果表明co的加入可降低烧结温度,可获得高的阳极孔隙率有利于阳极和电解质的吸附,经分析阳极上的亚微孔结构微粒由镍和钙钛矿粒子组成。

然而,现有钙钛矿型复合氧化物的离子电导率低,高温下呈现电子或氧离子导电性。在燃料电池应用研究中,高温下器件可稳定运行,但器件的效率或功率较低。以钙钛矿型复合氧化物为电解质时,须在大于700℃的高温下使用。因此,离子导电性高、温度使用范围宽的固体电解质及电极材料研究是今后的主要目标。现有的基质材料mnceo3因稳定性和机械强度的问题,实现实用化仍存在一定难度;基质材料mnzro3虽具有较高的稳定性和机械强度,但材料离子电导率低,其燃料电池的功率很难满足要求。

2.2钙钛矿锰氧化物磁制冷材料

磁制冷是利用固体磁性材料的磁热效应来达到制冷的目的。磁卡效应(magnetocaloriceffect,mce)是指当分别对磁性材料等温磁化和绝热退磁时该材料相应地放热和吸热的一种现象。对于钙钛矿氧化物磁制冷材料,利用振动样品磁强计或超导量子干涉仪测量其等温磁化m＿h曲线或等磁场下的m＿t曲线,计算样品在tc温度下的磁熵变(即最大磁熵变),以此判断该材料作为磁制冷工质的可行性[13]。如果a位被离子半径更小的离子或b位被离子半径更大的离子取代,那么取代的结果使容差因子减小,晶格收缩,铁磁耦合变小,从而使磁熵变减小。szewczyk等[14]、陈伟等[15]以lamno3为基质材料用ca、k、sr、ti为掺杂离子详尽研究了不同磁场下掺杂后lamno3的最大磁熵变,然而实验结果不甚理想。目前实验室合成磁制冷材料的居里温度或高于室温,或低于室温,均不适合作为室温磁制冷材料。

因此,改进稀土钙钛矿材料的合成工艺及优化掺杂等参数,将现有的稀土锰钙钛矿复合,研究nbfeb等永磁体产生的中低磁场在室温附近获得最大磁熵变,以期获得在室温附近中低磁场最大磁熵变的磁制冷材料。该系列材料在室温磁冰箱等方面有广阔的应用前景,有望推动制冷领域的技术革命。

2.3多功能导电陶瓷材料

以钙钛矿氧化物制备的导电陶瓷具有化学性能稳定、抗腐蚀、耐高温等特点,具有优良的导电性和高温ptc效应(positivetemperaturecoefficient),即在某些陶瓷材料中加入微量的稀土元素,其室温电阻率会大幅度下降而成为半导体陶瓷,当温度上升到它的居里温度tc时其电阻率急剧上升,bapbo3是一种新型的多功能导电陶瓷,优异的导电性可做成薄膜和复合材料;其高温ptc效应可做成各种大功率、高温发热体和电流控制元件及高温传感器等,用作cr2o3基的陶瓷湿度传感器电极具有优良的综合性能。chang[16]从动力学角度研究了bapbo3的反应机理,试图降低温度来制备bapbo3化合物,但效果不理想。yamanaka[17]首次使用共沉淀法制得了该化合物同时降低了合成温度,获得了分布均匀的粉末。wang[18]利用该法在700℃下制得了bapbo3化合物薄膜。bapbo3是电子导电的多功能导电陶瓷,kundaliya等[19]利用穆斯鲍尔谱中子衍射研究多晶态钙钛矿化合物的磁电阻现象,结果表明,与未掺杂fe样品相比,la0.67ca0.33mn0.9fe0.1o3具有巨磁电阻效应,在40koe的应用磁场和50～80k下该化合物的巨磁率为98%。xu等[13]实验合成了la0.67ca0.33mno3、la0.67sr0.33mno3、la0.67ba0.33mno3锰类钙钛矿的巨磁材料,从磁化数据获知在居里温度附近产生巨大的熵变,而且这些样品特殊焓变均发生在它们的相变温度附近。hu等[20]对(la1-xcax)[(fe0.5nb0.5)1-yzry]o3(x=0.4,0.6;y=0.05,0.1)在微波频率下进行了微波介电性研究,zr4+被fe3+或nb5+在b位取代后,对介电常数ε影响不大,但共振频率的温度系数tf近似为零(x=0.55,y=0.1),实验条件下获得介电常数ε为85.3。

目前存在主要问题是化合物合成重复性差、铅易氧化挥发,难保持材料的化学计量平衡等因素,因此,必须研究新制备工艺、优化离子掺杂和烧结温度等条件,从而合成性能稳定、导电性好的功能陶瓷材料。

2.4氧分离膜与气敏材料

钙钛矿型复合氧化物因其电子和氧离子导电性对氧有良好的吸附和脱附性能。高温下,当膜两侧存在氧浓度梯度时,无需外接电路就可以选择氧。固体电解质作为透氧膜材料时,使用具有催化活性的电极(如pt或混合导电体)以促使氧的吸附和脱附,该反应只有在气相—电极—电解质三相界面上才能进行,而对于la1-xsrxfe1-ycoyo3材料,反应能在整个界面上进行。高温下这类材料是电子或电子空穴和氧离子的混合导体,低价金属离子sr2+的掺杂导致空穴和氧空位的出现,其协同作用可实现对氧气的选择透过性,且随着sr和co含量的增加而增加。由于是通过氧空穴机理来传导氧,制备的膜对o2有100%的选择性,可以用于氧气的分离、纯化和各种涉氧反应。因此,具有混合导电性的钙钛矿型复合氧化物la1-xsrxfe1-ycoyo3可望成为一种全新的氧分离膜介质材料[21]。葛秀涛等[22]采用溶胶凝胶法在800℃下热处理2h制得钙钛矿氧化物yfeo3微粉,呈p型导电行为,用在350℃下焙烧2h和800℃焙烧3h所得超细微粉制作的元件对c2h5oh有较高的灵敏度和良好的选择性,257℃下对4.5×10-5mol.dm3c2h5oh的灵敏度是相同浓度干扰气体汽油的7倍以上,它有望成为一类新型酒敏传感器。钛酸锶(srtio3)是钙钛矿氧化物绝缘体,被广泛用于生长高温超导薄膜的衬底,作为高电容率材料在超晶格和下一代超大规模集成器件中具有潜在的应用价值。崔大复等[23]研究了掺杂sb的srtio3透明导电薄膜,用紫外脉冲激光淀积法在srtio3衬底上制备了钙钛矿型氧化物srti1-xsbxo3(x=0.05,0.10,0.15,0.20)薄膜,结果表明,可见光波段薄膜的透过率大于90%,当sb掺杂x=0.05时,薄膜具有良好的导电性。侯峰等[24]进行了lanio3纳米陶瓷薄膜的制备,并制成了氧敏传感器,实验测试了lanio3的响应速率,发现掺杂ce后从还原气氛到氧化气氛和从氧化气氛到还原气氛的响应时间缩短为2s。toan等[25]用反铁磁钙钛矿氧化物lafeo3膜在270℃和420℃温度和不同co、ch4和no2浓度下进行了气敏性研究,用两种感应膜测试了不同的混合物co和ch4,用au和pt作电极测量了纳米膜lafeo3的响应时间,实验证实对co和ch4可测到的10×10-6数量级,而对no和no2可达1×10-6以下的精确度,有望成为煤矿上可燃气体的气敏传感器。膜la0.7sr0.3ga0.6fe0.4o3-δ的透氧率远低于商业气体分离膜,但涂上la0.6sr0.4coo3-δ后,透氧量明显增加,是不涂样品的2～6倍,涂层的多孔性对透氧量影响很大[26]。

钙钛矿氧化物透氧膜材料的选择应满足下述条件:(1)透氧量是决定透氧膜具有应用价值与否的关键,透氧量大于1.0ml.cm2才有应用价值;(2)透氧膜材料应具有较强的抗气体侵蚀能力,实际环境中保持结构和化学稳定性;(3)透氧膜应具有高的机械强度。目前存在的问题是,实际应用中透氧量降低和膜组件破裂致使反应器报废损坏。今后的研究应集中在开发合成新气敏材料以提高气敏性、选择性和传感器的稳定性,设计先进的合成工艺以降低其成本,同时确保其可靠性、安全性和再现性。

2.5氧化还原催化剂

钙钛矿复合氧化物由于表面纳米粒子的氧化还原协同作用及晶格缺陷,致使晶场环境和结合能与宏观颗粒相比差异很大,它们对废气净化过程中co、碳氢化合物的完全氧化和so2、nox的还原反应具有高的催化活性,掺杂稀土后催化剂具有高抗毒性能和热稳定性,可望替代贵金属催化剂而成为高温稳定型氧化还原催化剂、汽车尾气净化催化剂。

制备abo3型化合物的新方法———声空化法的物理效应和化学效应引起了人们的极大关注。利用超声波空化作用使复合氧化物的粒径细小均匀,孔容和比表面增加,更有利于晶格氧的形成。梁新义等[27]研究了lanio3催化剂进行no分解和co氧化反应,以超声波处理的催化剂活性明显提高。徐菁利等[28]以稀土复合氧化物为催化剂,模拟汽车尾气的组成含量,用连续流动反应器,研究了复合氧化物la0.5sr0.4ni1-xcuxo3系列(x=0～1.0)催化剂,当反应温度大于300℃和so2的脉冲积累含量为1.22×10-2mmol时,该催化剂活性较好。徐鲁华等[29]用微乳液法制备的稀土la0.7sr0.3mno3钙钛矿粉末制成蜂窝状催化剂,评价了它们对富氧条件下氮氧化物还原的催化活性,结果表明用催化剂浆液浸渍法制得的样品具有较高的催化活性。weng等[30]利用涂覆法研究了添加ce对汽车尾气催化剂lamo3(m=mn,mn＿cu)性质和结构的影响,发现添加ce后催化剂的热稳定性有很大的提高,当ce含量6(wt)%,温度达1150℃才有一定量γ＿al2o3转变为α＿al2o3,而不添加的样品从800℃起就发现有α＿al2o3生成,添加ce的催化剂对碳氢化合物氧化活性下降不明显,但对co氧化和no还原活性有显著提高,因添加ce的催化剂颗粒细小,粒径分布均匀,活性组分在催化剂表面有高的分散度。

钙钛矿复合氧化物因具有独特的半导体性质,利用该性质作为光催化剂进行光降解的研究同样受到研究工作者的瞩目。傅希贤等[31]用柠檬酸络合法制备了钙钛矿型lafeo3及lafe1-xcuxo3化合物,发现掺杂cu达5(wt)%时,lafe0.95cu0.05o3的光催化活性最高,在其悬浮体系中对co2-3进行光催化还原实验,用450w荧光汞灯作为光源,λ>410nm,光照5h,取上层清液分析,结果表明悬浮体系中co2-3被还原为甲酸、甲醛。omata等[32]研究了碱土金属掺杂的钙钛矿氧化物与tio2的协同光催化反应,钙钛矿氧化物srzr0.9y0.1o3作为p型半导体其光催化活性很低,它吸收的波长<800nm,而tio2作为n型半导体光催化活性高,但它几乎不吸收可见光。在xe灯照射下,p＿n型结合后的催化剂粒子对甲基蓝的光催化降解接近100%,是tio2活性的数倍,在可见光(λ>420nm)的照射下,对甲基蓝和甲酸溶液能完全降解。yao等[33]利用csd方法制备了层状的钙钛矿化合物bi4ti3o12,用甲基橙进行了光催化降解实验,紫外灯照射4h后使摩尔浓度10×10-6的甲基橙溶液完全降解,tem获知bi4ti3o12晶体微粒为球状且直径为10～90nm。kato等[34]研究了许多碱金属和碱土金属的钽酸盐,如k3ta3si2o13,由于ta具有高导带水平的5d轨道,对工业污水具有较高的光催化活性,实验发现掺杂nio后钙钛矿natao3结构产生扭曲,进一步掺杂la改进nionatao3催化活性,掺杂后nionatao3的量子率在270nm时可达50%。吴树新[35]掺杂了cu、cr、mn等金属粒子,发现cu掺杂改性的纳米催化剂能使甲酸、乙酸、甲醛水溶液在较短时间内降解完全。在光催化还原反应中,使用未掺杂的催化剂进行反应,产物中仅有甲酸和甲醛,而使用掺杂后的催化剂,则检测到有深度还原产物甲醇生成。

但是,钙钛矿氧化物催化活性比贵重金属催化剂低,抗析碳、耐气蚀及耐毒性等方面还存在差距,当水蒸气等含氧气氛存在时活性降低甚至中毒,须改进工艺,研究合成新化合物提高活性;作为光催化剂时,仍存在光子利用率低和催化剂难以回收等难题。今后的研究除了从静态角度将催化剂某些参数如电子结构与催化剂活性关联外,应同时注重研究催化电子能量传递过程的微观动态分析,注重反应器设计及催化剂表面活性组分的质量热量传递途径研究。

3钙钛矿复合氧化物材料应用前景

复合材料篇3

什么是复合型材料

记者采访到复合材料专业研究机构——哈尔滨玻璃钢研究院的高级研究员刘先生，他的工作内容是复合型材料的研究、开发。具体来讲，他研究的材料叫做“碳纤维增强树脂基复合材料”。

“像手机里面机芯的材料、航天航空高端设备材料以及做鞋底用的胶水加布料，都是现实生活中复合型材料的应用。”

刘先生介绍说，20世纪60年代，为满足航空航天等尖端技术所用材料的需要，国家先后研制和生产了以高性能纤维为增强材料的复合材料。为了区别于第一代玻璃纤维增强树脂复合材料，这种复合材料被称为先进复合材料。

复合型材料有什么优点

据刘先生介绍，相比有机金属材料，复合型材料有质量轻、高绝缘、耐腐蚀等优点，当应用到航空航天时，就是用到了它承载量小的优点来助推火箭升空。

而据航天某院材料科研项目管理员高女士介绍，复合材料在军工行业的另外一种体现就是航空材料学。这是针对航空（以飞机为主）领域所用材料的研究，区别主要在于由于航空（以飞机为主）应用环境的特定性，对于航空用材料提出了比普通材料更为严苛的使用要求，例如高强度、低密度、耐疲劳、耐高温、耐腐蚀等性能都比普通民用材料要求更高，以及较高的工程化应用要求，某种意义上说，一个国家航空用材料的研究水平，基本代表了这个国家最前沿的材料水平。因此，一些航空材料主要是采用复合材料。

目前高女士的工作并不是直接从事材料研究，而是主要进行材料科研项目管理，例如国家自然基金等，利用材料专业背景知识，对单位获得立项的与材料相关科研课题进行日常管理，如制定审核课题工作计划、监督管控计划执行、确保课题通过验收等。

新型复合材料需要大量的高素质专业人才

随着中华民族千年飞天梦想的实现，复合材料的发展赢来了更多机遇，亦面临更大的挑战。本刊记者联系了哈尔滨玻璃研究院（以下简称哈玻院），并采访了企业内部管理招聘的专职人员。

哈尔滨玻璃钢研究院创建于1960年，是我国最早从事树脂基复合材料研究和应用的专业机构之一，隶属于中国建筑材料集团公司。

在招聘材料学相关专业的人才方面，哈尔滨工业大学的复合材料学专业与哈玻院的需求非常对口。哈玻院2012年招收本科生、硕士研究生的比例约为1：3，硕士研究生招收的专业主要集中在高分子材料、精细化工、复合材料等。2013年招收的本科生、硕士研究生比例约为1：1，并且对复合材料专业本科生的招聘明显增多，招收的硕士研究生专业主要还是集中在高分子材料、精细化工和材料学等。

2013年，哈玻院从哈尔滨工业大学的复合材料学专业招收了十几名研究生，有复合型材料相关专业的学生，也有来自力学、化学等方向的学生。应届毕业生大部分都被分配到科研生产岗位。他们工作的内容基本上是完成国家立项。

“哈玻院的产品大多是军事工业类，企业要求员工具有较高的保密素质和过硬的科研水平。因此，每年招聘的员工基本上为985院校、211院校毕业的硕士（个别专业除外）。”负责管理招聘的人员告诉记者。

新型复合材料的使命

以黑龙江省哈尔滨市为例，随着哈尔滨近几年重点发展“新材料、新能源”等战略性新兴产业，在新材料领域，哈尔滨南岗区拥有部级工程中心、技术中心、重点实验室60余家；哈尔滨工业大学、哈尔滨工程大学、哈尔滨理工大学等均设有材料学院；哈尔滨玻璃钢研究院、哈尔滨焊接研究所、703研究所、黑龙江省石化研究院等科研机构拥有一大批创新型人才。

在全面推进产业园区建设的同时，哈尔滨南岗区在产业园区起步区的核心位置，打造了面向整个园区的“创业孵化园”，并建设了创业孵化大厦，搭建了“哈尔滨南岗高科技企业创业中心”，形成以天顺化工等企业为龙头的一条新型复合材料产业链。

正因为与国民经济发展息息相关，以及行业的特殊性，复合型材料在哈尔滨发展前景非常广阔。作为材料学专业的学生，除了需要具备一定的科研能力、学习能力以及开发能力，更重要的是要适应艰苦的工作条件。

“因为做复合材料要经常去实验室，甚至有的产品对身体有害。更重要的是，搞科研一定要坐得下来，能够经得起反复的失败和挫折。踏实的学生是我们多年来青睐的对象。”哈玻院招聘专员介绍道。

虽然工作人员在日常的科研、工作中付出了巨大的艰辛，但流过的汗水没有白费，从“神一”到“神七”，都有哈玻院碳复合材料结构件的身影。在载人航天工程“天宫一号”项目上，哈玻院承担了包括研制“天宫一号”资源舱推进分系统所使用的承力锥台在内的三项科研项目。在“神七”飞船的研制过程中，哈尔滨玻璃钢研究院自主研制的碳复合材料结构件被用在了飞船推进系统的心脏变轨发动机、氧化剂储箱等关键设备上。

复合材料篇4

    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。

树脂基复合材料的增强材料

    树脂基复合材料采用的增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维等。

1、玻璃纤维

  

    目前用于高性能复合材料的玻璃纤维主要有高强度玻璃纤维、石英玻璃纤维和高硅氧玻璃纤维等。由于高强度玻璃纤维性价比较高，因此增长率也比较快，年增长率达到10%以上。高强度玻璃纤维复合材料不仅应用在军用方面，近年来民用产品也有广泛应用，如防弹头盔、防弹服、直升飞机机翼、预警机雷达罩、各种高压压力容器、民用飞机直板、体育用品、各类耐高温制品以及近期报道的性能优异的轮胎帘子线等。石英玻璃纤维及高硅氧玻璃纤维属于耐高温的玻璃纤维，是比较理想的耐热防火材料，用其增强酚醛树脂可制成各种结构的耐高温、耐烧蚀的复合材料部件，大量应用于火箭、导弹的防热材料。迄今为止，我国已经实用化的高性能树脂基复合材料用的碳纤维、芳纶纤维、高强度玻璃纤维三大增强纤维中，只有高强度玻璃纤维已达到国际先进水平，且拥有自主知识产权，形成了小规模的产业，现阶段年产可达500吨。

2、碳纤维

    碳纤维具有强度高、模量高、耐高温、导电等一系列性能，首先在航空航天领域得到广泛应用，近年来在运动器具和体育用品方面也广泛采用。据预测，土木建筑、交通运输、汽车、能源等领域将会大规模采用工业级碳纤维。1997~2000年间，宇航用碳纤维的年增长率估计为31%，而工业用碳纤维的年增长率估计会达到130%。我国的碳纤维总体水平还比较低，相当于国外七十年代中、末期水平，与国外差距达20年左右。国产碳纤维的主要问题是性能不太稳定且离散系数大、无高性能碳纤维、品种单一、规格不全、连续长度不够、未经表面处理、价格偏高等。

3、芳纶纤维

    20世纪80年代以来，荷兰、日本、前苏联也先后开展了芳纶纤维的研制开发工作。日本及俄罗斯的芳纶纤维已投入市场，年增长速度也达到20%左右。芳纶纤维比强度、比模量较高，因此被广泛应用于航空航天领域的高性能复合材料零部件（如火箭发动机壳体、飞机发动机舱、整流罩、方向舵等）、舰船（如航空母舰、核潜艇、游艇、救生艇等）、汽车（如轮胎帘子线、高压软管、摩擦材料、高压气瓶等）以及耐热运输带、体育运动器材等。

4、超高分子量聚乙烯纤维

   超高分子量聚乙烯纤维的比强度在各种纤维中位居第一，尤其是它的抗化学试剂侵蚀性能和抗老化性能优良。它还具有优良的高频声纳透过性和耐海水腐蚀性，许多国家已用它来制造舰艇的高频声纳导流罩，大大提高了舰艇的探雷、扫雷能力。除在军事领域，在汽车制造、船舶制造、医疗器械、体育运动器材等领域超高分子量聚乙烯纤维也有广阔的应用前景。该纤维一经问世就引起了世界发达国家的极大兴趣和重视。

5、热固性树脂基复合材料

    热固性树脂基复合材料是指以热固性树脂如不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、乙烯基酯树脂等为基体，以玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维等为增强材料制成的复合材料。环氧树脂的特点是具有优良的化学稳定性、电绝缘性、耐腐蚀性、良好的粘接性能和较高的机械强度，广泛应用于化工、轻工、机械、电子、水利、交通、汽车、家电和宇航等各个领域。1993年世界环氧树脂生产能力为130万吨，1996年递增到143万吨，1997年为148万吨，1999年150万吨，2003年达到180万吨左右。我国从1975年开始研究环氧树脂，据不完全统计，目前我国环氧树脂生产企业约有170多家，总生产能力为50多万吨，设备利用率为80%左右。酚醛树脂具有耐热性、耐磨擦性、机械强度高、电绝缘性优异、低发烟性和耐酸性优异等特点，因而在复合材料产业的各个领域得到广泛的应用。1997年全球酚醛树脂的产量为300万吨，其中美国为164万吨。我国的产量为18万吨，进口4万吨。乙烯基酯树脂是20世纪60年展起来的一类新型热固性树脂，其特点是耐腐蚀性好，耐溶剂性好，机械强度高，延伸率大，与金属、塑料、混凝土等材料的粘结性能好，耐疲劳性能好，电性能佳，耐热老化，固化收缩率低，可常温固化也可加热固化。南京金陵帝斯曼树脂有限公司引进荷兰atlac系列强耐腐蚀性乙烯基酯树脂，已广泛用于贮罐、容器、管道等，有的品种还能用于防水和热压成型。南京聚隆复合材料有限公司、上海新华树脂厂、南通明佳聚合物有限公司等厂家也生产乙烯基酯树脂。

    1971年以前我国的热固性树脂基复合材料工业主要是军工产品，70年代后开始转向民用。从1987年起，各地大量引进国外先进技术如池窑拉丝、短切毡、表面毡生产线及各种牌号的聚酯树脂（美、德、荷、英、意、日）和环氧树脂（日、德）生产技术；在成型工艺方面，引进了缠绕管、罐生产线、拉挤工艺生产线、smc生产线、连续制板机组、树脂传递模塑(rtm)成型机、喷射成型技术、树脂注射成型技术及渔竿生产线等，形成了从研究、设计、生产及原材料配套的完整的工业体系，截止2000年底，我国热固性树脂基复合材料生产企业达3000多家，已有51家通过iso9000质量体系认证，产品品种3000多种，总产量达73万吨/年，居世界第二位。产品主要用于建筑、防腐、轻工、交通运输、造船等工业领域。在建筑方面，有内外墙板、透明瓦、冷却塔、空调罩、风机、玻璃钢水箱、卫生洁具、净化槽等；在石油化工方面，主要用于管道及贮罐；在交通运输方面，汽车上主要有车身、引擎盖、保险杠等配件，火车上有车厢板、门窗、座椅等，船艇方面主要有气垫船、救生艇、侦察艇、渔船等；在机械及电器领域如屋顶风机、轴流风机、电缆桥架、绝缘棒、集成电路板等产品都具有相当的规模；在航空航天及军事领域，轻型飞机、尾翼、卫星天线、火箭喷管、防弹板、防弹衣、鱼雷等都取得了重大突破。

热塑性树脂基复合材料

    热塑性树脂基复合材料是20世纪80年展起来的，主要有长纤维增强粒料(lfp)、连续纤维增强预浸带(mitt)和玻璃纤维毡增强型热塑性复合材料(gmt)。根据使用要求不同，树脂基体主要有pp、pe、pa、pbt、pei、pc、pes、peek、pi、pai等热塑性工程塑料，纤维种类包括玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维和硼纤维等一切可能的纤维品种。随着热塑性树脂基复合材料技术的不断成熟以及可回收利用的优势，该品种的复合材料发展较快，欧美发达国家热塑性树脂基复合材料已经占到树脂基复合材料总量的30%以上。

    高性能热塑性树脂基复合材料以注射件居多，基体以pp、pa为主。产品有管件（弯头、三通、法兰）、阀门、叶轮、轴承、电器及汽车零件、挤出成型管道、gmt模压制品（如吉普车座椅支架）、汽车踏板、座椅等。玻璃纤维增强聚丙烯在汽车中的应用包括通风和供暖系统、空气过滤器外壳、变速箱盖、座椅架、挡泥板垫片、传动皮带保护罩等。

    滑石粉填充的pp具有高刚性、高强度、极好的耐热老化性能及耐寒性。滑石粉增强pp在车内装饰方面有着重要的应用，如用作通风系统零部件，仪表盘和自动刹车控制杠等，例如美国hpm公司用20%滑石粉填充pp制成的蜂窝状结构的吸音天花板和轿车的摇窗升降器卷绳筒外壳。

    云母复合材料具有高刚性、高热变形温度、低收缩率、低挠曲性、尺寸稳定以及低密度、低价格等特点，利用云母/聚丙烯复合材料可制作汽车仪表盘、前灯保护圈、挡板罩、车门护栏、电机风扇、百叶窗等部件，利用该材料的阻尼性可制作音响零件，利用其屏蔽性可制作蓄电池箱等。

    我国的热塑性树脂基复合材料的研究开始于20世纪80年代末期，近十年来取得了快速发展，2000年产量达到12万吨，约占树脂基复合材料总产量的17%，，所用的基体材料仍以pp、pa为主，增强材料以玻璃纤维为主，少量为碳纤维，在热塑性复合材料方面未能有重大突破，与发达国家尚有差距。

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。

1、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。

2、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。

3、玻璃纤维结构调整

    我国玻璃纤维70%以上用于增强基材，在国际市场上具有成本优势，但在品种规格和质量上与先进国家尚有差距，必须改进和发展纱类、机织物、无纺毡、编织物、缝编织物、复合毡，推进玻纤与玻钢两行业密切合作，促进玻璃纤维增强材料的新发展。

4、开发能源、交通用复合材料市场

    一是清洁、可再生能源用复合材料，包括风力发电用复合材料、烟气脱硫装置用复合材料、输变电设备用复合材料和天然气、氢气高压容器；二是汽车、城市轨道交通用复合材料，包括汽车车身、构架和车体外覆盖件，轨道交通车体、车门、座椅、电缆槽、电缆架、格栅、电器箱等；三是民航客机用复合材料，主要为碳纤维复合材料。热塑性复合材料约占10%，主要产品为机翼部件、垂直尾翼、机头罩等。我国未来20年间需新增支线飞机661架，将形成民航客机的大产业，复合材料可建成新产业与之相配套；四是船艇用复合材料，主要为游艇和渔船，游艇作为高级娱乐耐用消费品在欧美有很大市场，由于我国鱼类资源的减少、渔船虽发展缓慢，但复合材料特有的优点仍有发展的空间。

5、纤维复合材料基础设施应用

    国内外复合材料在桥梁、房屋、道路中的基础应用广泛，与传统材料相比有很多优点，特别是在桥梁上和在房屋补强、隧道工程以及大型储仓修补和加固中市场广阔。

6、复合材料综合处理与再生

复合材料篇5

关键词：复合材料，教学改革，选修课

【中图分类号】TB33-4

复合材料是由两种或两种以上的物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料，与传统材料相比，复合材料具有许多优点，比如其成分及性能的可设计性高，由于加入了高性能的增强相，其强度和弹性模量很高，尤其是比强度远高于传统材料，另外还具有抗疲劳、断裂性能好、结构功能一体化等一系列优越性能，是其他材料难以替代的功能材料和结构材料，在国防、机械、化工、医疗等各领域有广泛的应用，是新技术革命赖以发展的重要物质基础。目前，复合材料已成为新材料研究领域的重要方向，对于材料科学的发展意义重大。正因如此，众多高校非常重视复合材料课程的开设，《复合材料》是材料学院材料科学与工程、金属材料、高分子材料等非复合材料专业本科生的专业选修课之一。根据复合材料涉及的分类，这门课程主要讲述复合材料增强体、复合材料的设计原理、聚合物基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料等内容。通过学习，使学生了解复合材料的基本理论知识、分类及其应用前景，掌握材料所具有的使用性能，以及常见复合材料制备方法，以提高对于复合材料的设计、制造、性能及应用能力。但本课程的特点是内容繁杂，涉及了基体、增强体、复合原理、材料设计、成型方法及工艺、生产设备等内容，涵盖化学、物理、计算机、工程学等方面的基础课程。因此，在教学中普遍存在学生对所涉及的概念、理论不甚理解，导致厌学、重视不足现象，同时也存在教师很难将知识点一一阐述透彻，学生难以进行深入的学习等问题。另外，该课程多为陈述性内容，在授课过程中很容易陷入乏味的陈述之中，使得学生对本门课程无法提起兴趣。因此，针对以上题，本课程需要在教学过程中进行了改革，并分析复合材料学课程理论教学改革的方法和意义，以期为高等院校的相关课程和专业建设提供一定的参考。

1 授课内容改革

大学教育是创造性人才培养的摇篮，其专业选修课教学内容旨在开阔学生的视野，提高其创造创新能力，因此在教学中应该剔除陈旧的知识、固定的模式。《复合材料》这门课程的知识信息量比较大、直观性比较强，其内容涉及聚合物基复合材料、功能复合材料、陶瓷基复合材料、无机复合材料、金属基复合材料等诸多方面，但是在本科生培养计划改革中，该课程由原来的32学时压缩为16学时左右，在指定的教学时限内很难完成课程全部内容的教学。因此，需要对课程的内容进行进一步精简、合并，尽可能在体现其完整性的同时突出发展前沿的内容，教材也必须作整合化“手术”，在个性化的教材之中养成学科的风格与特色。例如，在我校材料科学专业主要是以金属材料为主，因此要重点学习金属基复合材料，在充分讲述了金属基复合材料的设计、制造、界面表征及性能分析后，要着重描述金属基复合材料的目前的研究及应用现状、发展方向以及存在的主要问题。而陶瓷基等复合材料则在介绍其总体理论后可以针对于某些发展方向进行延伸讲授，在完成大纲要求内容的同时，要突出重点和难点内容，使学生在明晰总体脉络的情况下，能够抓住主要方向，只有这样才能在较短的时间内达到较好的学习效果。

2 革新教学方法

前已述及，《复合材料》这门课的知识体系非常宽广、内容丰富、实用性较强，其内容归纳起来具有以下特点：一是课程内容包含的专业知识和门类非常多，并应用很多基础学科的知识来分析材料中的具体问题，有的内容非常具体而复杂，如复合材料的界面结合理论，有的内容则比较抽象而难懂，如材料的晶体结构和力学性能的微观机理等；二是同时具有很强的理论性与实践性，一方面有很多的理论分析与公式推导，在分析和推导的过程中要建立具体的物理模型，并结合材料内部的具体结构进行相应的处理；另一方面要应用基本理论和方法来分析、解释和处理材料方面的实际问题；三是该课程内容中包含大量抽象、复杂且不易理解的概念。如果使用传统的黑板加粉笔的教学方式，只能是学生得到一些感知的内容，无法使其得到直接的体验，显得枯燥无味呆板。好在现在各学校基本上都普及了多媒体教学，为了吸引学生在课堂上的注意力，提高学生们的学习兴趣，实现本课程教学的最终目标，需要在多媒体教学的基础上对教学手段进行相应的改革。可以从以下方面入手：

（1）在教学中把多媒体、影像资料、CAI 课件等现代化教学手段应用到在教学中，在课堂上用文字、图片、动画和视频以及声音等资料来进行教学活动，可以在有限的时间内提供给学生最大的知识信息量。

（2）采用授课―交流―讨论的流程，通过向学生讲解与授课内容相关的学术论文，让学生从科研的角度认识复合材料，同时了解复合材料发展的动态，并与其在各领域的应用结合起来。授课的同时积极与学生进行互动交流，共同探究论文中学术论点，必要时可以让学生自己查阅总结科研文献的观点，并进行分析评阅，进而提升自身综合实力。

（3）《复合材料》这门课程陈述性内容较多。如果采用“以教师为主体、以课堂为中心”传统的灌输式教育，会使课堂教学气氛呆板，使得学生的创造性思维受到严重束缚，既降低了学习效果，也忽视学习能力的培养、科研能力的培养。因此在教学过程中，除了对本门课程的难点和重点知识点进行详细讲解外，其他容易理解的内容，可以让学生先在老师的引导下自行阅读并完成读书报告，然后老师对其读书报告进行讲评，这种自学方式有利于培养学生的自学能力。

3 优化考核办法

课程考核是大学教学活动的重要环节，是对教师授课及学生学习效果的检验，对督促学生主动学习，引导和促进学生潜能、个性和创造性等的培养具有重要作用。《复合材料》课程涉及的领域广、范围大、知识点多，如果单纯以闭卷答题的方式进行考核，则会在一定程度上约束学生的思维，不利于考查学生的综合运用知识分析问题和解决问题的能力，无法全面评估学生对这门课程的掌握情况，因此，如何既能充分发挥学生的创造性，又能达到考核的目的，这是亟需解决的问题。《复合材料》是一门专业选修课程，期考核方式可以相对灵活一些，能够采用综合考核、灵活应试的办法，在研习传统考试模式的前提下，提高平时考核成绩的比重，在平时成绩的考核中，可以采用学生在课堂上发言和讨论、撰写读书笔记和科研报告等多种方法对学生进行综合考核，尤其是让学生撰写科研报告，报告中要求学生通过阅读相关专业书籍及国内外期刊，总结出复合材料最新研究进展、应用技术及发展趋势等内容，以此提高学生对所学知识的掌握，并使学生在考核过程中掌握了科研论文的查阅总结能力。将这几种考核方式相结合，可以促进学生在学习过程中积极主动地参与，避免平时不用心学习，考试时突击学习情况的发生。

4 结语

课堂上教师的“讲授”是为学生的“学习”作铺垫和服务的，讲授过程中教师应该是导演，是学生学习的引导者。因此，教师应该积极与学生互动，在此过程中，教师要大胆放手，让学生充分发挥主观能动性和创造性，想方设法激励和引导学生积极主动地去探究、去思考，并乐于实践；只有这样，才能实现“先学”的目标，才能把课堂的主动权真正还给学生，突出学生是课堂教学的主体地位。

总之，《复合材料》作为一门专业选修课程，其教学改革是一项系统的改革，要运用各种有效的教学手段，采取科学合理的综合考核形式，培养学生获取知识的能力、综合能力、创新能力、发现问题和解决问题能力以及养成良好的科学素养。

参考文献

[1] 王献彪.材料学专业本科生课程创新能力的探索[J].文学教育.2010，（7）：69；

[2] 王献彪，徐文总，刘瑾等.《复合材料》课程互动式教学的实践与探索[J].广州化工.2012，40（10）：174-175

[3] 赵洪凯，肖力光，刘亚冰等.《复合材料》课程建设与教学研究[J].广州化工.2010，38（10）：229-230

复合材料篇6

木塑复合材料与越来越稀少的实木相比:具有木材和塑料的复合功能,不吸水、不发霉、耐老化、耐酸碱、拒虫害、易着色、易加工、无毒、无味等特性;各项性能指标可与硬木相媲美,外观、手感与天然木材相似,可锯、可刨、可钻、握钉力强;可根据客户要求研制及生产个性化产品,如色彩等;可100%的回收再利用,是一种性能优良、经济环保的新材料;可以替代外运货物木质包装材料和铺垫材料;也可以用于门窗框、建筑模板、地板、家具、汽车配件及交通护栏等的生产。

市场分析

目前国内市场尚处于起步阶段,木塑制品在市场上还没有大面积推广。据不完全统计,木塑复合制品年产量已接近10万吨(50%用于地板、15%用于门窗、15%用于护栏、20%为其他产品),产值超过8亿元人民币。据预测,至“十一五”结束,我国的木塑年产销量有望突破50万吨,产值有可能超过50亿元人民币;到“十二五”期间,我国的木塑产量有望赶上美国。

本木塑复合材料生产技术以聚烯烃类塑料及木质纤维为原料,采用先进的一步法生产工艺,不造粒;加工工艺简单,易于操作;特殊的配方设计与生产工艺,良好的混炼效果、塑料与木粉分散均匀;机器下料速度快,产量大幅提高;加工助剂大量减少;产品表面光洁,物理机械性能优良;综合生产成本降低。生产过程无“三废”排放,材料可100%回收利用。

复合材料篇7

四点弯曲性能测试：按照标准ASTMD6109-2005进行测试；吸水率测试：按标准GB/T17657-1999中4.6进行测试；落锤冲击性能测试：按标准ASTMD4495-00进行测试，落球重量4.5kg；加工流变性能：在HAAKE转矩流变仪上进行测试，温度170℃，转子转速30r/min，加料量40g；SEM分析测试：制小样条，液氮冷冻萃断，对样条断面进行喷金处理。

2结果与讨论

试验配方中，添加一定比例的木粉、塑料和相容剂，其中剂总添加比例为2.7%。分别采用一步法、两步法、三步法工艺进行试验，其中三步法工艺造粒前剂添加比例为1.35%，造粒后再添加1.35%，按照工业化的生产流程，挤出15×50mm(厚度×宽度)实心型材。

2.1不同生产工艺对加工性能的影响从表1可以看出，在相同的温度参数、主机转速条件下，一步法工艺主机转矩和熔体压力最大，两步法工艺最小，三步法工艺次之；从型材外观上看，两步法工艺和三步法工艺生产出的型材表面光滑，一步法工艺型材表面有细小的横线裂纹；从挤出线速比较，三步法工艺是一步法工艺的1.84倍，是两步法工艺的1.31倍。在相同的主机转速下，主机转矩、熔体压力和挤出线速主要体现物料的流变性能，将一步法工艺的高混料和两步法、三步法工艺的造粒料通过扭矩流变仪进行流变性能的测试，从表2的流变特征参数可以看出，一步法工艺由于混合后的物料没有经过造粒塑化的过程，在型材挤出过程中，需要较长的时间才能将物料塑化熔融，一步法工艺的平衡时间最长，需要3.28min，同时一步法工艺的平衡扭矩也为最大，说明熔融物料的表观粘度很大，流动性差，型材挤出速度慢；两步法工艺，平衡时间适中、平衡扭矩低，说明生产时经过造粒的过程后，物料较易塑化，物料流动性好[3]；三步法平衡时间最短，平衡扭矩适中，这说明了剂分两步添加，造粒后添加的剂损失少，缩短了塑化的时间，起到真正的作用，成型时挤出速度快，而平衡扭矩比两步法工艺略大，可能是因为造粒过程，剂对相容剂的副反应小，使得木粉和塑料基体的结合力增强，熔体压力增加，这是加快挤出线速的同时提高型材物理机械性能的基础。

2.2不同生产工艺对材料性能的影响从表3可以看出，弯曲性能上比较，弯曲强度两步法比一步法高18.4%，三步法比两步法高19.2%，刚性(弯曲模量)也有同样变化趋势。落锤冲击高度方面，两步法比一步法高100mm，三步法比两步法高150mm。从以上数据比较可以看出，三步法性能最好，一步法性能最差，这是因为一步法工艺物料通过高速混合机搅拌后，物料中木粉间的结合水还没能完全排出，物料水份较多，一般在2%以上，木粉和塑料的界面结合力差，高混后物料直接通过锥形挤出机挤出型材，物料与螺杆、机筒的剪切力较小，木粉没能均匀分散在塑料基体中，再加上锥形挤出机低速转动，容易出现木粉聚集成团的质量问题，这也是型材表面出现裂纹的原因，同时型材的物理机械性能差。相比两步法工艺，物料混合后再通过平行双螺杆挤出机造粒，在强的剪切力作用下，将木粉间的结合水大部分排出，破坏木质纤维间的分子间作用力，使木粉均匀分散于塑料中，同时木粉表面羟基(-OH)与MAPE的酯基(-COO-)发生反应，改善了木粉和塑料的界面结合力[4]。所以，当型材受到外力作用下，塑料基体能有效地、均匀地通过两者界面把应力传递给木粉，界面结合力的提高，型材的弯曲强度和韧性也随之提高。三步法工艺将复合剂分两部分添加，混料时添加一定比例剂，造粒后再添加一定比例剂，复合剂中含有一定比例的硬脂酸类外剂，例如硬脂酸锌，在混合过程中水分的存在使MAPE产生MAH，可与硬脂酸锌发生反应，这种反应在热力学上比MAPE与木质纤维的偶合更容易发生，也就使得木粉和塑料的界面结合力变差[5]。在混料时添加一部分剂以满足造粒过程中剪切和分散的需要，防止塑料的降解和木粉的碳化，相比两步法工艺，造粒时剂量少，剪切力也大，水分容易排除，也降低硬脂酸类外剂对MAPE的影响，这样相对两步法提高木粉和塑料的界面结合力，型材的性能明显提高。造粒后再添加剂进行混合以保证型材挤出表面光滑度，提高挤出线速和型材性能稳定性。从图2不同生产工艺的30天吸水率比较可以看出，随着浸泡时间的增加，吸水率都逐渐增加，其中采用三步法工艺生产的型材吸水率最小，30天浸泡的吸水率为1.75%，采用一步法工艺生产的型材吸水率最大，30天浸泡的吸水率为3.60%，是三步法工艺型材吸水率的2.05倍。这是因为木塑复合材料的吸水性主要是由木粉引起的，通常界面结合力差、分散越不均匀的木塑复合材料吸水率越大[4]。木粉有较强的吸水性，易吸水后与水分子之间形成氢键，木粉和塑料是典型的海岛结构，一步法工艺木粉的分散性和界面结合力差，木粉还没被塑料完全包裹，水分子进入两者的间隙易与木粉形成氢键，吸水率增加。三步法工艺提高了木粉的分散性和界面结合力，吸水率较小。

2.3不同工艺生产的木塑复合材料SEM分析通过SEM观察型材断面形貌，可以客观反映木粉和塑料的界面结合。图3是一步法工艺生产的型材断面形貌，可以明显看出，断面分布很不均匀，说明木粉并没能在塑料中很好的分散，且出现一些小空洞，可能是由于木粉没被塑料很好包裹造成，说明木粉和塑料界面结合较差，受到应力作用时，从界面结合处开始发生断裂；图4是两步法工艺生产的型材断面形貌，可以看出两相分布的均匀性有较大改善，出现较多的纤维拉丝现象和小孔洞，说明两步法工艺能使木粉在塑料中分散均匀；图5是三步法工艺的型材断面形貌，可以明显看出断面很粗糙，且出现纤维拉丝现象和深孔洞，说明三步法工艺生产的型材，不仅两相分散均匀，而且能提高两相的界面结合力，受到应力作用发生断裂时，木粉被抽出形成深的孔洞。

3结论

复合材料篇8

关键词氧化铝，铝，增韧

1引言

在陶瓷基体中引入延性金属第二相,不仅是改善陶瓷脆性和提高韧性的最有效方法之一,而且可使陶瓷具有一定的导热性。研究人员已经尝试添加多种高熔点的贵重金属，如： Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Mo、W以及TiC、TiW[1～3]等金属或金属化合物颗粒来改善Al2O3陶瓷的脆性并取得了一定的进展，但对低熔点的廉价金属研究却很少。本实验以低熔点金属Al为陶瓷增韧相，采用非匀相沉淀法制备Al2O3包裹Al复合粉体，通过高温热压烧结制备出Al2O3/Al复合陶瓷。研究分析了Al2O3/Al复合材料的微观结构及力学性能。

2实验方法

实验采用分析纯的Al(NO3)3・9H2O、氨水和纳米Al粉为原料。用蒸馏水配制浓度为0.02mol/L的硝酸铝溶液，分别将相当于最终Al2O3粉体5、10、15、20mol%的纳米Al粉加入溶液当中，在强烈的磁力搅拌下分别滴入浓度为5%的氨水溶液直至pH=6～7，此时将有沉淀生成。将沉淀真空抽滤并经反复去离子水洗涤，除去NH4+和NO3-离子，获得反应前驱体。将前驱体放入烘箱中80℃干燥16h，然后将粉体装入石墨坩埚在高温电阻炉1050℃下煅烧0.5h后获得纳米α-Al2O3粉体。将粉体球磨、粉碎后置于真空热压炉中（压力为30MPa）于不同的温度下进行烧结。

前驱体的DSC/TG曲线由法国Labsys公司的SETARAM差热分析仪完成，升温速度为10℃/min；采用阿基米德原理测量烧结体的密度；利用HVS-50型数显维氏硬度计测试材料的硬度；利用压痕法和Niihara的公式[4]测试计算复合材料的断裂韧性KIC值；在德国Zwick/Roell公司的Z030万能试验机上采用三点抗弯曲法测定样品的抗弯强度；Al2O3/Al烧结瓷体的显微结构利用JSM-5610LV型扫描电子显微镜（SEM）观察。

3 实验结果及分析

图1为复合粉体的DSC/TG曲线。从DSC曲线可以看出，170℃左右的吸热峰为前驱体脱水形成的AlOOH，400℃吸热峰的出现是由于Al(OH)3脱水生成γ-Al2O3，曲线上660℃时出现的小吸热峰是由于纳米Al粉的熔化造成的，800℃左右的吸热峰可能是由于θ-Al2O3的形成，1020℃出现的弱吸热峰是θ-Al2O3向α-Al2O3的相变引起的。TG曲线显示在100℃至400℃之间有明显失重,对应于前驱体吸附水的丧失以及Al(OH)3脱水成为AlOOH。另外, DSC曲线显示在500℃左右开始出现的微弱放热峰是来自纳米铝粉的氧化，放出的热量对Al2O3晶型的转变也起到促进作用。

图2为热压烧结后材料的维氏硬度随Al含量的变化曲线。同一烧结温度下，复合陶瓷的维氏硬度（Hv）随着Al含量的增加明显下降，尤其是Al含量较高时下降更快。图中表明，1450℃温度下，材料的硬度值从Al2O3单体时的20.01±1.0GPa下降到Al含量为15mol%时的13.5±0.5GPa。复合材料硬度下降的原因有以下几方面:一方面是金属Al颗粒是质地比较软的材料；其次是Al2O3/Al复合材料的密度随着Al含量增加也在下降；再者由于Al2O3和Al的膨胀系数（分别为23.6×10-6/℃和8.3×10-6/℃）相差较大，烧结冷却过程中两种晶粒的热膨胀系数失配，导致Al2O3/Al界面受到张应力的作用。

从图3可以看出，烧结条件相同时（1450℃/30min），Al2O3/Al复合材料的断裂韧性(KIc)随着Al含量的增加有明显提高，单相Al2O3陶瓷的断裂韧性(KIc)为3.59MPa・m1/2，当Al为15mol%时，Al2O3/Al的断裂韧性KIc值为6.69MPa・m1/2，达到单体Al2O3陶瓷的1.86倍。Al增韧Al2O3材料的主要方式为Al粒子对基体裂纹的桥联，并随裂纹的扩张发生塑性变形，从而消耗裂纹尖端的能量。Al与Al2O3基体的结合强度因Al表面氧化后形成了氧化膜而得到了加强，Al2O3膜既能紧密附着在Al表面，又可以和周围的Al2O3紧密接合，基体可以有效地将外力传递到Al颗粒。实验结果基本符合复合材料性能的统计平均规律,即:

当增韧相i的体积分数增加,复合材料的性能δ将随之变化。

由于KIc同时受到显微结构诸因素如晶粒尺寸、气孔的数量及分布、晶界相等的影响。当Al含量增加到一定程度后，高温烧结时容易造成晶粒异常长大，导致气孔增加，密度下降，KIc数值增加缓慢。

图4为10mol%铝添加量的复合陶瓷在不同烧结温度下断口的显微结构。通过对比可以发现，几种不同烧结温度的断口形貌均有一定差别。随着烧结温度的增加，晶粒尺寸增加，1350℃时致密度已经有明显提高。低温下以沿晶断裂为主，1350℃已开始出现少量穿晶断裂引起的解理台阶，这说明此时瓷体的晶界结合已有一定的强度。图4(c)是1450℃的烧结瓷体，可以看到穿晶断裂和沿晶断裂同时存在，晶粒尺寸为1～2μm，此时力学综合性能最好。正是由于Al的引入，导致瓷体致密速度加快。但是随着热压烧结温度继续升高（1550℃），由于液相Al的存在，同时由于Al表面氧化后形成了氧化物，容易和陶瓷基体相容，导致部分晶粒尺寸异常长大，此时晶界的结合强度也随之下降，沿晶断裂和穿晶断裂共存，材料的密度、硬度和强度随之下降。

表1为实测材料（纯Al2O3和Al含量为10mol%的复合陶瓷）在1450℃下烧结后的致密度、晶粒尺寸、抗弯强度和断裂韧性数值。同单相Al2O3相比，添加10mol%Al的Al2O3/Al复合陶瓷的抗弯强度稍有提高，断裂韧性却提高了86%。从SEM（图5）可以看出，复合陶瓷韧性的提高归因于金属Al的引入，陶瓷断裂时金属铝的拔出导致裂纹偏转和裂纹桥联，以及残余应力的增加和结构中出现的细小裂纹、裂纹桥联和微裂纹增韧机制协同作用致使复合材料的韧性显著提高。

4结 论

（1） 以Al(NO3)3・9H2O、氨水和纳米Al粉为主要原料，通过非匀沉淀法制备出纳米α-Al2O3包裹Al复合粉体，经热压烧结后可获得Al2O3/Al复合陶瓷。

（2） 同单相Al2O3相比，添加10mol%Al的Al2O3/Al复合陶瓷的断裂韧性提高了86%。

参考文献

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3 郝春城,崔作林等. 颗粒增韧陶瓷的研究进展[J].材料导报,2002,16:28～30

复合材料篇9

关键词：凹凸棒土 预处理 聚合物/凹凸棒土复合材料 研究现状

中图分类号：TQ330.383 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2012）12（b）-000-02

凹凸棒土（AT）是一种天然的硅酸盐矿物，属于海泡石族，其典型化学式为Si8Mg5O20（OH）2（OH2）4・4H2O，结构如图1所示[1，2]。作为一种重要的稀缺性非金属矿产资源，凹凸棒土在机械、化工、农牧业、建材、石油、冶金、食品等几十个领域有着广泛用途。从医疗的角度来看，凹凸棒土具有灭菌、除臭、去毒、杀虫性的功能。在酿造工业中，用凹凸棒土来澄清葡萄酒、苹果酒、啤酒等酒类制品，可以除去酒中的各种残渣杂质，使酒质纯净。从化工的角度看，凹凸棒土具有表面活性中心，除吸附外，还有催化作用，加工后的凹凸棒土制品是较为理想的吸附剂、食品加工助剂和食品添加剂，可取代活性炭。因此，凹凸棒被广泛用作干燥剂、防潮珠、吸附剂、催化剂载体和抗菌剂载体等。

凹凸棒土具有纤维状结构，其结构可分为三层。上下两层是硅氧四面体结构，中间一层是Mg-O八面体。这些结构单元按方格形式交错排列，构成c轴方向的双链状、沿a、b轴方向的层状结构。由于结构中存在晶格置换，故晶体中含有不定量的Na+、Ca2+、Fe3+、Al3+。AT的显微结构包括3个层次：一是凹凸棒土的基本结构单元―棒晶。棒晶呈针状，长约1 μm，直径0.01 μm。因此，按照目前关于纳米粒子的分类，棒晶属于一维纳米材料；二是由棒晶紧密平行聚集而成的棒晶束；三是由晶束（包括棒晶）间相互聚集而形成的各种聚集体（粒径0.01～0.1 μm）[3]。

由于凹凸棒土的独特的结构特点，使得它不具有像蒙脱土那样的三层片状结构，因而不能发生插层反应。另外，由于凹凸棒土的阳离子交换容量（CEC）值较小，说明棒晶之间的聚集力是一种较微弱的物理吸附力，不同于蒙脱土粘土纳米单晶层之间的强大的离子键作用，这就为通过超声分散的方法合成凹凸棒土/聚合物纳米复合材料提供了理论上的可行性。而且，相比所有其它的天然矿物，凹凸棒土具有更大的表面积和吸附能力，且具有良好的力学性能和热稳定性，这就使得凹凸棒土成为增强材料的理想选择。

1 凹凸棒土的预处理

凹凸棒土的基本结构单元棒晶是天然的一维纳米结构，但是由于其比表面积大、表面活性高，易于团聚，且其表面含有极性的羟基，与非极性的有机高聚物亲和性差，不能有效发挥其应有特性，故制备聚合物/凹凸棒土复合材料之前需先对凹凸棒土预处理改性。目前，主要的改性方法有高温处理法、酸处理法、偶联剂处理法、表面活性剂处理法、超声波分散法和微波处理法等[4-5]，其中常用的方法主要是酸处理法、偶联剂处理法、表面活性剂处理

法等。

1.1 酸处理法

凹凸棒土经酸浸泡后，内部四面体与八面体结构部分溶解；未溶解的八面体结构起支撑作用，使孔数目增加，比表面积增大。同时，凹凸棒土孔道中常含有碳酸盐等杂质，酸化处理一方面可除去分布于凹凸棒土孔道中的杂质，使孔道疏通；另一方面，由于凹凸棒土的阳离子可交换性，半径较小的H+能置换出凹凸棒石层间部分K+、Na+、Ca2+和Mg2+等离子，增大孔容积。

多种因素使改性后的凹凸棒土吸附性、脱色性等多种性能得到提高。一般来说，利用酸改性，凹凸棒土的比表面积会随着酸含量的增加、改性时间的延长而增大。但是如果酸浓度过大，凹凸棒土中八面体阳离子近乎于完全溶解时，四面体结构失去支撑引起结构塌陷，会引起比表面积下降。凹凸棒性是为了满足不同的生产需求，应考虑实际成本问题。根据不同的要求确定酸含量和改性时间，以期达到最大经济效益。

1.2 偶联剂处理法

同其它矿物聚合物复合材料一样，矿物偶联剂预处理是常见的处理方法，最常用的偶联剂是硅烷偶联剂。硅烷偶联剂是一种分子中同时具有两种以上不同反应性基团的有机硅化物。一头的基团能水解生成硅酸，容易与凹凸棒土表面上的羟基作用，从而使凹凸棒土有机化。另一头连接着能够与聚合物分子有亲和力或反应能力的活性官能团，从而使得到聚合物/凹凸棒土纳米复合材料成为可能。

1.3 表面活性剂处理法

凹凸棒土等电点pH为3，通常情况下带负电，晶体内部孔道结构以及OH-键等的存在，使得凹凸棒土热活化后会出现氧原子的电荷不平衡点，阴、阳离子型和非离子型表面活化剂均能与凹凸棒土作用，既能进行离子交换，又能物理吸附。因此，可以采用表面活性剂进行预处理。

1.4 超声波分散法

超声波分散法是一种新型的凹凸棒土处理方法。超声波作为一种特殊的能量作用形式，与热能、光能、离子辐射能有明显的区别。超声波引起的空化包括：气泡的形成、成长和崩溃。形成的气泡在几微秒之内突然崩溃，由此可产生局部的高温高压。利用超声的空化作用以及在溶液中形成的冲击波和微射流，可以导致分子间的强烈相互碰撞和聚集，对液固相体系起到了很好的冲击作用。这些碰撞具有足够的能量，产生强大的剪切作用，可以快速的将凹凸棒土的棒状晶束或晶束的聚集体打碎，从而达到均匀分散的目的。

2 聚合物/凹凸棒土复合材料研究现状

近年来，聚合物/无机纳米复合材料已成为新材料研究的热点[6-7]。凹凸棒土作为另一种硅酸盐粘土，由于其价格低廉并且性能优越，也渐渐引起了学者的注意，展现出广泛的应用前景。

高翔等通过两步法熔融共混工艺制备了具有核壳特征AT/聚丙烯（PP）/聚碳酸酯（PC）三元复合材料。研究结果表明，PC连续相中形成了以AT为核，PP为壳的分散相。这种核壳结构特征相包容粒子对PC具有良好的增韧效果，且强度较PP/PC二元共混体系有所提高。

Lihua Wang等采用熔融共混法制备了PP/有机AT纳米复合材料。结果表明，发现凹凸棒土在聚丙烯基体中分散较为均匀；凹凸棒土的加入，不改变聚丙烯的晶型但使其结晶度稍有增加。性能测试结果说明复合材料的动态储能模量提高幅度较大，但Tg变化不大；拉伸强度提高了6 ％～

13 ％，模量提高15 ％～32 ％，冲击强度最大提高70％；热分解温度明显提高。

Shiquan Lai 等[11]通过压模法制备了聚四氟乙烯（PTFE）和酸处理AT的纳米复合材料。所得PTFE/AT复合材料的摩擦系数变化不大，但磨损率远低于纯 PTFE。酸处理的纳米AT对于PTFE耐磨性能的提高优于未处理的AT，其耐磨损性能随着酸处理AT添加量的增大而呈现单调提高的趋势。与纯PTFE相比，PTFE/AT复合材料有更高的热吸收容量且展示出更高的耐磨损性能。

徐斌海等以纳米凹凸棒土为补强制，采用机械共混法对甲基乙烯基硅橡胶（MVQ）进行填充，制备了具有优异力学性能和高耐热性能的纳米AT／MVQ复合材料。结果表明，AT对MVQ具有较好的补强性能，且经湿法改性后有利于改善复合材料的性能，提高材料的耐热性能；力学性能测试表明，填料用量为l0 phr时，采用湿法改性AT填充所得复合材料的拉伸强度增加了19.5％。热分析表明，相比于生胶，填充改性AT的复合材料的初始分解温度提高了41.1 ℃。流变性能测试结果表明，通过改性可以增强AT与MVQ分子之间的界面结合力。

吴键儒等采用原位聚合方法制备聚氨酯/凹凸棒土复合材料。通过SEM、TG、DMA等测试方法对PU/AT复合材料的结构进行了表征。结果表明：复合材料的热稳定性和玻璃化温度较PU都有明显提高，拉伸强度也有较大提高。

王平华等采用硅烷偶联剂KH-570对经过超声波处理后的凹凸棒土表面进行修饰，并通过乳液聚合法在修饰后的凹凸棒土表面接枝聚合MMA单体，将经上述处理的凹凸棒土与LDPE（低密度聚乙烯）复合制备LDPE/AT纳米复合材料。实验表明，表面包覆的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）凹凸棒土能有效地解决复合材料的界面黏接，提高复合材料的

性能。

Bingli Pan等通过熔融共混法制备了尼龙6/凹凸棒土复合材料。结果表明，分别添加4wt%和2wt%凹凸棒土时，在拉伸测试和弯曲测试中屈服强度达到最大值；凹凸棒土在尼龙6中分散均匀；凹凸棒土的添加不会改变尼龙6和凹凸棒土的晶体结构，但γ型尼龙6晶体的尺寸变大；对于注射成型样品来说，从外到内，α型尼龙6晶体含量逐渐增多而γ型晶体逐渐

减少。

Feng Yang等研究了纳米颗粒（二氧化硅和凹凸棒土）和SINK阻燃剂的相互作用对聚苯乙烯阻燃性的影响。结果表明，纳米颗粒的添加总体上提高聚苯乙烯的氧指数；而垂直燃烧测试表明，单独添加二氧化硅和凹凸棒土的聚乙烯不具有阻燃性，材料燃烧地更快；而纳米颗粒与SINK阻燃剂共同使用时，显著地提高了聚苯乙烯的热稳定性和阻燃性，热释放速率明显降低。

Bin Xu等制备了凹凸棒土增强的聚氨酯形状记忆纳米复合材料。研究结果表明，未处理的商业凹凸棒土的添加明显降低了复合材料的玻璃化转变温度和硬度，原因是水分的存在以及凹凸棒土的无定型结构和表面羟基基团。凹凸棒土在850 ℃处理会导致颗粒的的结晶和层状凹凸棒土结构的产生。添加热处理的凹凸棒土的复合材料，其硬度随凹凸棒土含量的增加明显提高，原因是纳米颗粒的均相分散和颗粒与基体的强结合力。

3 结语

聚合物/凹凸棒土复合材料可以发挥凹凸棒土灭菌、除臭、去毒、杀虫等功能，且在一定程度上对提高制品的强度具有重要作用。聚合物/凹凸棒土复合材料研究开发的关键是凹凸棒土的预处理，今后的研究重点依然在此。

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[6] 黄锐，王旭，李忠明.纳米塑料―聚合物/纳米无机物复合材料研制、应用与进展[M].北京：中国轻工业出版社，2002.

复合材料篇10

关键词：先进复合材料；航空航天领域；飞船；卫星；火箭；飞机 文献标识码：A

中图分类号：V257 文章编号：1009-2374（2016）13-0039-04 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2016.13.019

1 概述

现阶段，我国航空航天事业得到前所未有的发展，航空航天领域对材料的要求不断提升，为了满足航空航天领域对材料性能的要求，应该研发新型、高性能的材料，先进复合材料应运而生，其具有多功能性、经济效益最大化、结构整体性以及可设计性等众多特点。将先进复合材料应用在航空航天领域，能够有效地提高现代航空航天器的性能，减轻其质量。和传统钢、铝材料相比，先进复合材料的应用，能够减轻航天航空器结构重量的30%左右，在提高航空航天器性能的同时，还能降低制造和发射成本。现阶段，先进复合材料已经成为飞船、卫星、火箭、飞机等现代航空航天器的理想材料，同时，先进复合材料已经和高分子材料、无机非金属材料及金属材料并列为四大材料。因此，文章针对先进复合材料在航空航天领域应用的研究具有重要的现实意义。

2 我国先进复合材料发展现状

自20世纪70年代开始，我国就开始了对复合材料的研究工作，经过40多年的研究与发展，我国先进复合材料的技术水平不断提高，并且取得了可喜的进步。现阶段，我国先进复合材料在航空航天领域中的应用，逐渐实现了从次承力构件向主承力构件的转变，被广泛地推广和应用在军机、民机、航空发动机、新型验证机和无人机、卫星和宇航器、导弹以及火箭等领域，即先进复合材料已经进入到实践应用阶段。但是，我国先进复合材料技术的发展和研究成果与国外发达国家的水平还具有一定的差距，现阶段我国先进复合材料的设计理念、制备方法、加工设备、生产工艺以及应用规模等都相对落后。例如，我国军用战斗机中复合材料的用量低于国外先进战斗机的复合材料用量，仅有少数的军用战斗机超过20%，例如J-20其复合材料的用量约为27%。我国成功研制的C9型民用飞机，单架飞机的先进复合材料的用量超过16吨，标志着我国先进复合材料在航空航天领域的应用水平在不断提高。

3 先进复合材料简介

3.1 先进复合材料的组成

复合材料是由金属、无机非金属、有机高分子等若干种材料采用复合工艺组成的新兴材料，先进复合材料不仅能够保留原有组成材料的特点，还能够对各种组成材料的优良性能进行综合，各种材料性能的相互补充和关联，能够赋予新兴复合材料无法比拟的优越性能。先进复合材料简称ACM，指的是碳纤维等高性能增强相增强的复合材料。先进复合材料的多种性能都优于普通钢、铝金属材料，在航空航天领域的应用，能够有效地减轻航空航天设备的重量，同时赋予航空航天设备特殊的性能，例如吸波、防热等。

3.2 先进复合材料的特性

先进复合材料的特性主要表现为：

3.2.1 多功能性。先进复合材料经过多年的发展，结合了众多优异的物理性能、力学性能、生物性能以及化学性能，例如防热性能、阻燃性能、屏蔽性能、吸波性能、半导性能、超导性能等，并且不同的先进复合材料的组成不同，其功能性存在一定的差别，综合性、多功能性复合材料已经成为先进复合材料发展的必然趋势之一。

3.2.2 经济效益最大化。先进复合材料在航空航天领域的应用，能够减少产品部件数量。由于复杂部件的连接不需要进行铆接、焊接，因此对连接部件的需求量降低，有效地减少了装配材料成本、装配和连接时间，进一步降低了成本。

3.2.3 结构整体性。先进复合材料可以加工成整体部件，即采用先进复合材料部件能够替代若干金属部件。某些特殊轮廓和表面复杂的部件，用金属制造的可行性较低，采用先进复合材料能够很好地满足实际需求。

3.2.4 可设计性。采用树脂、纤维、复合结构方式，能够获得不同形状、不同性能的复合材料，例如选择合适的材料、铺层程序，能够加工出膨胀系数为零的复合材料，并且复合材料的尺寸稳定性优于传统金属材料。

4 先进复合材料在航空领域的应用

传统的飞机制造以钢、铝、钛合金为主要材料，而传统飞机上应用比例最大、构成轻质结构主体的铝合金正在被越来越流行的复合材料所替代。我们所指的复合材料主要是以高性能纤维作为增强体，用树脂作为基体将纤维粘结在内部并固化成型的高性能塑料。随着复合材料的迅速发展和广泛应用，当前先进的复合材料在飞机上的关键应用部位和用量的多少，已成为衡量飞机结构先进性的重要指标之一。由于碳纤维材料具有耐高温、密度低、强度大等特点，目前在航空航天领域运用最为广泛。与密度达到2.8g/cm3左右的铝合金相比，先进的碳纤维复合材料密度一般在1.45～1.6g/cm3左右；而拉伸强度可以达到1.5GMPa以上，超过铝合金部件的3倍，接近超高强度合金钢制部件的水平。这种密度低、强度刚度高的优势，使飞机的复合材料结构部件在获得与先进铝合金部件在强度刚度等综合性能方面相当的水平时，重量可以大幅减少20%～30%。复合材料在飞机结构中的应用情况大致可以分为三个阶段：第一阶段是应用于受载不大的简单零部件，可减重20%；第二阶段是应用于承力大的部件，可减重25%～30%；第三阶段是应用于复杂受力部位，如中机身段、中央翼盒等，可减重30%。复合材料主要用于制造航空器的外饰和内饰部件，如飞机的一次构造材料：主翼、尾翼、机体，二次构造材料，副翼、方向舵、升降舵、内装材料、地板材、桁梁、刹车片等及直升飞机的叶片。根据统计，小型商务机和直升飞机的碳纤维复合材料用量已占55%左右，军用飞机占25%左右，大型客机占20%左右。

4.1 军机上的应用

为满足新一代战斗机对高机动性、超音速巡航及隐身的需求，20世纪90年代后，西方战斗机全部大量采用复合材料结构。先进的复合材料也大大增加了军用运输机的有效载重，增大了军用飞机的载油量，克服常规材料在高超声速飞行器研制中存在的瓶颈问题。因此，先进复合材料被广泛地应用在军机上，例如，碳纤维增强树脂基复合材料，在军机主结构、次结构以及特殊部位等方面的应用，有效地提高了军机的耐腐蚀性、抗疲劳性，同时还具有明显的减重效果；再如，F22由于存在超声速巡航需求，飞机外表面会长时间与空气高速剧烈摩擦，因此在机翼复合材料上放弃了环氧基树脂，而使用双马来酰亚胺树脂基体以获得260℃的最大工作温度。

4.2 民机上的应用

民机和军用飞机不同，民用飞机作为以载客飞行和运营为目的的交通工具，对安全可靠性和经济性要求更加严格。复合材料在飞机上大量应用的时间还比较短，在对材料工艺稳定性和有关试验数据尚不十分充分的情况下，应用较多含量的复合材料需要大量时间和实践的积累。民航上的复合材料应用受限，使用分为两类：结构件用复合材料、舱内材料。

以波音787为例，每架飞机的结构比例中有50%是重约35吨的复合材料，这意味着它从材料密度上就减轻了15吨左右的重量。而空客也不甘示弱，新的A350客机改名为A-350 XWB，XWB意为超宽机身，复合材料的比例达到了52%，是现在所有大型商用飞机中最高的。A-350XWB的机体比B-787还宽13cm。作为世界上仅有的两个大型商用飞机研制巨头，波音、空客先后推出复合材料占结构比例50%的主力型号，这意味着大型客机结构设计以复合材料为主要材料的时代已经拉开序幕。波音787等新一代复合材料飞机上实现的性能提升，并不仅仅是依靠低密度材料减重得来。实际上复合材料在工艺、结构力学设计上，都有着传统金属材料所完全无法比拟的优势，比如复合材料可以做出超大尺寸的整体结构部件，而且尺寸大小不会随着温度高低而产生变化。

国产大飞机在复合材料的应用上还比较保守，公开的报道显示，复合材料的使用量约占C919飞机结构重量的20%。飞机上使用的复合材料主要是碳纤维增强树脂基复合材料，它们具有高耐腐蚀、质量轻等特点，在这些性能上的确要超过一般的金属材料。通常复合材料的价格大约是常规铝合金材料的几十倍，即便是我们看起来已经很金贵的铝锂合金材料，其价格也比复合材料低得多，所以C919仅为波音737价格的1/2左右。

4.3 航空发动机上的应用

对于航空领域，特别是发动机的结构设计制造而言，高性能系统所需的轻质和耐高温等特性越来越重要。航空发动机产业是指涡扇/涡喷发动机、涡轴/涡桨发动机和传统传动系统以及航空活塞发动机的集研发、生产、维修保障服务于一体化产业集群。新的材料和工艺不断研发以应对新一代航空发动机的发展趋势，尤其是先进复合材料的应用，GE-AEBG公司、惠普公司在制造飞机发动机零部件时都采用了先进复合材料，主要包括风扇出风道导流片、风扇罩、推力反向器等部位。先进复合材料在航空发动机上的应用具体表现在以下两个方面：

4.3.1 陶瓷基复合材料的应用。陶瓷基复合材料是将碳化硅陶瓷纤维与碳化硅基底材料复合后，再涂覆一层专用涂层提升其性能，密度仅为金属材料的三分之一。由于陶瓷基复合材料具有的耐高温属性，因此在发动机流道中使用空气代替，在发动机高温区只需要较少甚至不需要冷却气体，涡轮扇发动机大幅减重，意味着发动机运转效率更高，提高了发动机的性能、耐久性、燃油经济性和高推重比。F-35战斗机使用的F135发动机是有史以来战斗机上安装过的推力最大的喷气式发动机，F135使用了陶瓷基复合材料（CMC），主要用在F135-PW-600喷管的外侧部分。

以GE航空集团为例，陶瓷基复合材料在GE航空集团的技术路线图上是一条关键路径。通用电气航空集团将于2016年新建两个复合材料制造厂，用于碳化硅和陶瓷基复合材料的批量制造，这两种复合材料都是制造喷气式发动机零部件的必备材料。GE公司是所有厂商中第一个决定使用CMC制造旋转叶片的，通过把陶瓷基复合材料叶片安装在发动机上试车，它们已经证明了旋转CMC叶片的性能，这是一个重要的里程碑。

4.3.2 树脂基复合材料的应用。树脂基复合材料具有降噪能力强、耐腐蚀性强、耐疲劳能力好、比模量高、强度高等众多优点。通过将树脂基复合材料应用在航空发动机的冷端结构、反推力装置以及发动机短舱等结构上，不仅能够降低发动机的重量，还能够提高发动机的耐腐蚀性、抗疲劳性以及强度等。例如，JTAGG验证机的进气机匣利用PMR15树脂基复合材料，该种先进复合材料的应用比传统铝合金进气机匣的重量降低了25%。

4.4 新型验证机及无人机上的应用

现代战争理念的改变，使无人机倍受青睐，无人战斗机是未来航空武器的一个重点发展方向。无人机除在情报、监视、侦察等信息化作战中的特殊作用外，还能在突防、核战、化学和生物武器战争中发挥有人军机无法替代的作用。无人机的发展方向是飞行更高、更远、更长，隐身性能更好，制造更加简便快捷，成本更低等，其中关键技术之一就是大量采用复合材料，超轻超大复合材料结构技术是提高其续航能力、生存能力、可靠性和有效载荷能力的关键。和传统的铝合金混合结构相比，以复合材料为结构的无人机，例如“全球鹰”“捕食者”等无人机都采用先进复合材料。以“全球鹰”为例，该种无人机的机翼、尾翼都采用石墨/环氧复合材料，采用该种复合材料制造的无人机，和传统铝合金混合结构的重量相比降低了65%。再如，诺斯罗普・格鲁门公司研发的X-47无人战斗机，为了满足生存力、机动性、隐身性能等特殊要求，该无人机除了接头部位采用了少量的铝合金外，几乎整个机体都采用先进复合材料。依靠复合材料，设计师还可以做出传统金属材料所无法达成的气动力学设计，比如超声速飞行的前掠翼飞机。

5 先进复合材料在航天领域的应用

5.1 卫星和宇航器结构材料

卫星结构的质量会影响对运载火箭的要求以及卫星功能，卫星结构的轻型化设计已经成为卫星结构发展的趋势之一。国际通讯卫星中心的推力桶采用先进复合材料，该种推力桶质量比传统铝结构的质量降低了30%左右，降低的重量可以增加460条电话线路，同时还能够有效地降低卫星的发射费用。欧美国家卫星结构的质量为总质量的1/10，其原因就是大量的应用了先进复合材料。现阶段，我国神州系列飞船、风云二号气象卫星等都采用碳纤维/环氧复合材料，有效地降低了总体重量，同时发射成本也显著降低。

5.2 导弹用结构材料

现阶段，美国已经将先进复合材料作为导弹弹头结构壳体、级间段、仪器舱等部件的主要材料，洛克希德导弹与宇航公司指出，采用碳纤维/环氧复合材料制造的导弹比传统铝结构导弹的重量减轻40%。现阶段，采用先进复合材料的导弹发射筒也被国外发达国家应用在战术、战略型号上，例如，俄罗斯的“白杨M”导弹、美国的“MX”导弹都采用复合材料发射筒。因为先进复合材料导弹发射筒和传统金属结构相比，其结构质量显著降低，能有效地提高战略、战术导弹的灵活性。在战术导弹领域，先进复合材料结构的导弹发射筒更加灵活、应用范围更加广泛。现阶段，我国也研发了先进复合材料结构的战略导弹和导弹发射筒，还研发了先进复合材料仪器舱，有效地提高了战略导弹的灵活性和机动性，应用效果良好。

5.3 运载火箭结构材料

国外发达国家于20世纪50年代开始应用纤维缠绕成型的玻璃钢壳体代替传统的钢壳，例如，美国的“北极星A-3”潜地导弹，采用纤维缠绕成型的玻璃钢壳体，其重量比采用传统钢壳的“A-1”轻了55%左右，随后研发的“MX”“三叉戟1”的三级发动机壳体，全部都采用芳纶/环氧复合材料，该种结构形式的壳体质量比纤维缠绕成型玻璃体壳体的重量减轻了50%左右。随着先进复合材料的发展，其在运载火箭发动机壳体中的应用优势越来越明显，并且先进复合材料被应用在三叉戟Ⅱ、德尔塔Ⅱ-7925运载火箭等型号中。现阶段，我国运载火箭发动机壳体制造业逐渐的开始应用先进复合材料，虽然起步较晚，但是经过40多年的发展获得了巨大的进步，经过多年的研发，已经成功地将芳纶/环氧复合材料、玻璃纤维/环氧复合材料应用在运载火箭发动机壳体中。先进复合材料在运载火箭结构设计中的应用，有效地降低了运载火箭发动机的重量，同时提高了运载火箭发动机的性能。

6 复合材料在航空航天领域的发展前景

先进复合材料的应用已经成为评价航空航天器水平的重要标准，同时也是提高航空航天器结构先进性的重要物质基础和先导技术。由于我国先进复合材料的应用水平和国外发达国家还存在一定的差距，但是我国已经进行大量投入来强化先进复合材料方面的研究，其发展前景良好。未来先进复合材料的发展主要表现在以下四个方面：

6.1 智能化

智能型先进复合材料和结构的研究，能够创造巨大的经济效益和社会效益，智能型先进复合材料在航空航天器外表的应用：在未来航空器表面增加各种传感器，能够对周围环境进行实时、全面、智能的检测，同时为通讯系统、电子战以及雷达系统提供瞬时模态，以此保证航空器能够安全、稳定地飞行。

6.2 多功能化

在减小航空航天器体积的基础上，为了提高航空航天器的突防能力，许多结构部件需要具备多种功能，多功能先进复合材料的应用能够赋予航空航天器新的功能，现阶段，多功能先进复合材料的研究已经从双功能型向三功能型方向转变。

6.3 质量轻、性能高

目前，我国先进复合材料能够减轻航空航天器的质量占总重的20%左右，和国外25%以上的减重效率还存在一定的差距。导致该种现状的原因是我国先进复合材料的整体性能较低，并且结构的整体性相对较差。因此，在未来的发展过程中，应该加强对复合材料强度、韧性以及整体性等方面的研究，研发整体性好、强度高和韧性高的先进复合材料，同时使复合材料的减重率超过25%。

6.4 低成本

成本较高是限制先进复合材料在航空航天领域应用和发展的主要原因之一，为了解决该问题，应该对先进复合材料的制造工艺进行研究，采用科学的制造工艺进行先进复合材料结构、尺寸以及形状的加工和制造，同时采用先进的质量控制技术、自动化技术、机械化技术等，提高先进复合材料的生产效率，提高其成品率，以此降低先进复合材料的成本。

7 结语

综上所述，经过40多年的发展，我国先进复合材料工业逐渐形成了一个完整的体系，并且部分先进复合材料已经成功地应用在航空航天器生产实践中，获得了良好的效果。但是，从整体上来说我国先进复合材料技术水平和发达国家还存在一定的差距。因此，我国先进复合材料研究、研发人员和生产企业应该加快先进复合材料结构、制造技术、生产工艺等方面的研究，同时借鉴国外的先进技术和经验，解决我国先进复合材料在航空航天领域应用的各种难题，以此提高我国航空航天器的各种性能，进一步促进我国航空航天领域的全面、高速发展。

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