化學(xué)：《復(fù)合材料》課件3（307張PPT）（魯科版必修1）

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歡迎進入化學(xué)課堂 復(fù)合材料 引言 人類為了謀求生存和發(fā)展 企求用理想材料制成新工具的愿望總是隨著歷史的發(fā)展不斷探索不斷前進 因此 人類發(fā)展的歷史就和材料的發(fā)展的歷史息息相關(guān) 研究人類歷史的人們都可以清楚地知道 人類歷史上各方面的進步是與新材料的發(fā)現(xiàn) 制造和應(yīng)用分不開的 歷史學(xué)家把人類發(fā)展史劃分為 石器時代 陶器時代 青銅器時代 鐵器時代 其后人類又發(fā)明了高分子材料 先進復(fù)合材料和智能材料 人類從天然物質(zhì)中選擇提煉出人類生活所必要的物質(zhì)而加以利用 制造這些物質(zhì)有兩種方法 一種是利用了化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)合成 另一種是通過組合兩種以上的物質(zhì) 制成具有更高性能的材料 用后一種方法制造出的物質(zhì)稱之為復(fù)合材料 TheMaterialsScienceTetrahedron材料科學(xué)四面體 結(jié)構(gòu) 固有特性 制作方法 測定性能 使用性能 性能價格比Cost price performance 復(fù)合材料按基體材料分類 復(fù)合材料按功能分類 先進復(fù)合材料的發(fā)展史 40年代 玻璃纖維增強塑料 GFRP 復(fù)合材料發(fā)展的第一代60 80年代 先進復(fù)合材料復(fù)合材料發(fā)展的第二代80 年 先進復(fù)合材料充分發(fā)展復(fù)合材料發(fā)展的第三代 復(fù)合材料的定義 復(fù)合材料是由兩種或兩種以上的固相組分 以微觀或宏觀的形式組成的材料 它具有與其組成物質(zhì)不同的新的性能 復(fù)合材料的性能特點 比強度 比剛度 比模量 大 性能可設(shè)計 易制成結(jié)構(gòu)件 各向異性 非均勻性以聚合物基復(fù)合材料為例 比強度 比剛度 比模量 大耐疲勞性能好減震性好過載時安全性好具有多種功能性有很好的加工工藝性 復(fù)合材料的組成 復(fù)合材料的命名 把增強劑的名稱放在前面 基體的名稱放在后面來命名 如碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料 現(xiàn)代復(fù)合材料學(xué)科 包括增強材料 基體材料 界面粘結(jié) 結(jié)構(gòu)設(shè)計 成型工藝 性能測定等方面并逐步形成了一門與化學(xué) 物理 力學(xué)及各種應(yīng)用學(xué)科有關(guān)的跨學(xué)科的 有著廣泛內(nèi)在聯(lián)系并互相滲透和互相推動的材料學(xué)科 復(fù)合材料發(fā)展史 天然復(fù)合材料竹 木 茅草 貝殼 骨骼傳統(tǒng)復(fù)合材料麻刀 紙筋 石灰 土坯 草稈 粘土 鋼筋混凝土 通用復(fù)合材料1940年玻璃纖維增強塑料 GFRP 先進復(fù)合材料1960 年 復(fù)合材料從結(jié)構(gòu)復(fù)合材料 單功能復(fù)合材料 多功能復(fù)合材料 機敏材料和智能材料 智能材料具有接受 傳遞 處理和發(fā)射信息的功能 是信息科學(xué)溶入材料科學(xué)的產(chǎn)物 一種天然生物復(fù)合材料 竹子 先進復(fù)合材料 先進復(fù)合材料是比原有的通用復(fù)合材料有更高性能的復(fù)合材料 包括用各種高性能增強劑 纖維等 與耐溫性好的熱固性和熱塑性樹脂基體所構(gòu)成的高性能樹脂基復(fù)合材料 金屬基復(fù)合材料 陶瓷基復(fù)合材料 玻璃基復(fù)合材料 碳基復(fù)合材料 包括使用其力學(xué)性能的結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和使用熱 電 磁 光 核 生物及其他性能的功能復(fù)合材料 先進復(fù)合材料 功能材料是指除力學(xué)性能以外還提供其它物理 化學(xué) 生物等性能的復(fù)合材料 包括壓電 導(dǎo)電 雷達隱身 永磁 光致變色 吸聲 阻燃 生物自吸收等種類繁多的復(fù)合材料 具有廣闊的發(fā)展前途 未來的功能復(fù)合材料比重將超過結(jié)構(gòu)復(fù)合材料 成為復(fù)合材料發(fā)展的主流 未來復(fù)合材料的研究方向主要集中在納米復(fù)合材料 仿生復(fù)合材料 和發(fā)展多功能 機敏 智能復(fù)合材料等領(lǐng)域 飛機上用的復(fù)合材料 碳纖維 環(huán)氧樹脂 碳纖維 芳綸 環(huán)氧樹脂 玻璃纖維增強塑料 芳綸 杜邦聚酰胺 芳綸 泡沫芯板 碳纖維 杜邦聚酰胺 飛機上用的復(fù)合材料 增韌石墨 石墨 混雜復(fù)合材料 玻璃纖維 車身 開創(chuàng)性的大量應(yīng)用源自F1賽車的碳纖維復(fù)合材料 GLARE蒙皮用于A380飛機的上機身蒙皮 中國自研大飛機面臨發(fā)動機與復(fù)合材料兩大難題 大推力 高涵道比渦扇發(fā)動機大量運用了復(fù)合材料或鈦合金空心寬弦葉片 整體葉盤 B 2隱形轟炸機除主體結(jié)構(gòu)是鈦復(fù)合材料外 其它部分均由碳纖維和石墨等復(fù)合材料構(gòu)成 不易反射 輕巧的碳 碳復(fù)合材料 全復(fù)合材料機身 輕型機的價格 中型機的寬敞客艙 客艙內(nèi)站立高度為1 65米 目前商用飛機上復(fù)合材料僅占全機重量的50 而某些直升機早已達到90 荷蘭計劃研發(fā)新型綠色環(huán)保飛機外形將酷似飛碟 另一個設(shè)想就是使用復(fù)合材料 如纖維增強塑料 這種復(fù)合材料強度可與金屬媲美 而重量卻比金屬輕得多 因此可以節(jié)省燃油 復(fù)合材料軍用吉普車 玻璃纖維 碳纖維 增強樹脂美洲輕木泡沫 超級跑車車身大量應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料 生產(chǎn)充氣船及其膠布制品 采用國際上先進的A級RTP復(fù)合材料 新型日光溫室復(fù)合材料溫室骨架和縱拉桿全部采用復(fù)合材料制成 綠可木 生態(tài)木塑復(fù)合材料 木塑復(fù)合材料吸音板 復(fù)合材料 玻璃鋼 制品 采用高分子復(fù)合材料制作浮雕和雕塑 碳纖維 樹脂復(fù)合材料 碳 碳復(fù)合材料 生物醫(yī)學(xué)制品和體育運動 復(fù)合材料被用來預(yù)防受傷 矯正生理機能 和幫助病人復(fù)原 生物醫(yī)學(xué)制品和以體育運動器材為主的碳纖維復(fù)合材料制品 熱塑性復(fù)合材料再近20年中 增長速率持續(xù)較快 是熱固性的3倍 JS系列自潤滑復(fù)合材料與部件 三維紡織預(yù)成型技術(shù)和RTM技術(shù)是研制和開發(fā)高性能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的關(guān)鍵技術(shù) RTM成型的復(fù)合材料頭盔 鋰 復(fù)合材料聚合物電解質(zhì) 熱電池 聚合物納米復(fù)合材料 聚合物 層狀粘土 傳統(tǒng)的復(fù)合材料 插入的納米復(fù)合材料 片狀剝離的納米復(fù)合材料 新型的納米黏土 片層越小 分散得越好 則復(fù)合材料的性能越好 復(fù)合材料的鋪層優(yōu)化設(shè)計 當(dāng)前常用的模壓料品種有熱固性復(fù)合材料 包括SMC BMC和TMC等 熱塑性復(fù)合材料 國際上的材料專家普遍認為當(dāng)前人類已經(jīng)從合成材料的時代進入復(fù)合材料時代 因為想要合成一種新的單一材料使之滿足各種高要求的綜合指標是非常困難的 即使能研制出某種滿意的單一材料 則從實驗室到生產(chǎn)的周期也很長 如果把現(xiàn)有的有機高分子 無機非金屬和金屬材料通過復(fù)合工藝組成復(fù)合材料 則可以利用它們所特有的復(fù)合效應(yīng)使之產(chǎn)生原組成材料不具備的性能 而且還可以通過材料設(shè)計以達到預(yù)期的性能指標 并起到節(jié)約材料和費用的作用 復(fù)合材料概念的提出只有50年左右 上世紀60年代的中后期由于出現(xiàn)了碳纖維和芳酰胺纖維等高性能增強劑和一些耐高溫樹脂基體 從而構(gòu)成性能更高的復(fù)合材料 雖然由于技術(shù)難度大 造價高因而產(chǎn)量小 但是它們能滿足當(dāng)時高技術(shù)進展的需要 所以仍能迅速發(fā)展起來 為了與一般通用復(fù)合材料 指玻璃纖維增強塑料 有所區(qū)別 而獲得了 先進復(fù)合材料 的名稱 隨后又把金屬基復(fù)合材料 陶瓷基復(fù)合材料 碳基復(fù)合材料以及功能復(fù)合材料等充實到先進復(fù)合材料的范疇里來 充分體現(xiàn)出先進復(fù)合材料量小但性能特殊而優(yōu)異的特點 雖然它所包括的各種基體的復(fù)合材料和功能復(fù)合材料各有特點和缺陷 但綜合起來看 先進復(fù)合材料可以通過選擇 使之具備密度小 強度和剛度高 耐溫 耐磨 導(dǎo)熱 導(dǎo)電 膨脹系數(shù)小 抗疲勞性好 阻尼性能好 耐燒蝕 耐沖刷 抗輻射 吸波 換能以及其他物理功能等特點 這些正是推動高技術(shù)的發(fā)展中迫切需要解決的問題 因此 可以說先進復(fù)合材料的發(fā)展有力地促進了高技術(shù)的進步 同時高技術(shù)的進展也帶動和加速了先進復(fù)合材料的不斷更新 到上世紀90年代初 復(fù)合材料的世界總產(chǎn)量約為三百萬噸 已在建筑 交通運輸 化工 船舶 航空航天和通用機械等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用 先進復(fù)合材料在高技術(shù)中的作用 高技術(shù)對材料的選用是非常嚴格和苛刻的 先進復(fù)合材料的優(yōu)越性能比一般材料更能適合各種高技術(shù)發(fā)展的需要 幾種典型先進復(fù)合材料和常用材料性能對比 復(fù)合材料的比強度和比模量 玻璃纖維 環(huán)氧樹脂 芳綸纖維 環(huán)氧樹脂 石墨纖維 環(huán)氧樹脂 硼纖維 環(huán)氧樹脂 石墨纖維 環(huán)氧樹脂 鈹 石墨纖維 環(huán)氧樹脂 比拉伸模量 彈性模量 密度 任意單位 比拉伸強度 拉伸強度 密度 任意單位 開發(fā)空間是人類進步的重要標志 巳所需要的各種結(jié)構(gòu)材料如運載火箭的殼體 航天飛機的支架 桁條 蒙皮 衛(wèi)星的支架 蒙皮 天線 空間站的各種結(jié)構(gòu)件 都要求用輕質(zhì)高強和高剛度材料以節(jié)約推動所需的燃料 先進復(fù)合材料能滿足這些要求 特別是像導(dǎo)彈的頭部防熱材料 航天飛機的防熱前緣和火箭發(fā)動機的噴管等需要耐高溫 抗燒蝕材樹 更是非先進復(fù)合材料莫屬 其他如抗粒子流 隱身功能等方而 先進復(fù)合材料也是候選的優(yōu)先對象 先進復(fù)合材料在航天技術(shù)的建立方面已經(jīng)作出了不可磨滅的貢獻 而且在未來的發(fā)展中還將繼續(xù)起關(guān)鍵作用 開發(fā)新能源 節(jié)能和儲能等能源新技術(shù)是高技術(shù)的另一重要組成部分 能源技術(shù)同樣也需要輕質(zhì)高強 耐溫耐腐蝕的材料 先進復(fù)合材料也是理想的選用對象 見下表 在能源技術(shù)中先進復(fù)合材料的應(yīng)用范例 信息技術(shù)是現(xiàn)代發(fā)展最迅速的高技術(shù) 在信息技術(shù)中包括信息的檢測 傳輸 貯存 處理運算和執(zhí)行等方面 先進復(fù)合材料也能起到重要的作用 見下表 先進復(fù)合材料在信息技術(shù)中的應(yīng)用 在高技術(shù)的生物工程方面 先進復(fù)合材料不僅在力學(xué)性能上能滿足各種生物工程用容器的要求 同時還能滿足耐腐蝕 抗生物破壞以及生物相容性的要求 此外 功能復(fù)合材料還可以制造用于生物工程的物質(zhì)分離的各種膜材料 上世紀70年代以來 先進復(fù)合材料的發(fā)展非常迅速 特別是80年代更為顯著 1 高性能增強劑 碳 石墨 纖維的發(fā)展是非常突出的 以PAN 聚丙烯腈 為先驅(qū)體的MJ系列碳纖維基本解決了過去的提高模量則會犧牲強度和斷裂伸長的矛盾 因此特別適合樹脂基先進復(fù)合材料的需要 P系列瀝青基超高模量石墨纖維 其模量已接近石墨晶須 它適合用作金屬基復(fù)合材料的增強劑 有機纖維中熔致液晶的聚芳酰胺類發(fā)展很快 現(xiàn)已出現(xiàn)許多牌號 性能可與Kav1ar系列媲美 目前重點是解決該類纖維的吸濕性大的問題 為此熱致液晶型聚芳酯纖維得以發(fā)展 它雖然熱穩(wěn)定性稍差 但不吸濕而且強度與模量與聚芳酰胺相當(dāng) 值得一提的是用先進的凍膠紡絲法制成超高分子量的聚乙烯纖維 強度與模量均超過Kavlar49 其缺點是耐溫性差只能適合于低溫使用 用無機高分子作為先驅(qū)體 經(jīng)紡絲后燒成陶瓷纖維 是當(dāng)前受到關(guān)注的工藝路線 繼NicalonSiC纖維開發(fā)成功 最近又推出Tyranno 含Ti的SiC 纖維 其性能相當(dāng)?shù)蜏匦悦黠@高于Nicalon 用這類方法現(xiàn)已制成Si3N4纖維 但尚未商品化 晶須已有較長的歷史 盡管它強度和模量極高 但由于分散困難一直未能發(fā)揮作用 當(dāng)前由于金屬基 高溫型 和陶瓷基復(fù)合材料的要求 又重新活躍起來 但是又面臨它帶有細纖維污染環(huán)境的問題 能否允許使用有待裁決 2 高性能樹脂基復(fù)合材料 制備樹脂基復(fù)合材料首先需要有高性能的熱固性和熱塑性樹脂基體 關(guān)于熱固性樹脂基體已提出一系列要求 即滿足200 300 長期使用的條件 并能對原來的力學(xué)性能有一定的保持率 容易制成預(yù)浸料并有較長的貯存期 在加工過程中基本上沒有揮發(fā)物逸出 在工藝上容易掌握并能監(jiān)控其質(zhì)量以及具有合適的價格 目前新型的多官能團環(huán)氧 已經(jīng)接近上述的部分要求 如用熱塑性高分子固化劑的延長貯存期等 但耐溫性尚不夠理想 達到200 以上使用溫度的樹脂 目前主要用熱固性聚酰亞胺 現(xiàn)在已有PMR 15 LARC 160和LR600等牌號的商品出現(xiàn) 其耐溫性最高可達300 這類樹脂可以通過共聚 改變封頭結(jié)構(gòu)和主鏈結(jié)構(gòu)來進行改性 雙馬聚酰亞胺耐溫性雖不如聚酰亞胺 但略高于環(huán)氧 可以滿意地在200 使用 它的工藝性能比聚酰亞胺好 交聯(lián)度高從而剛度高和耐溶劑性好是其優(yōu)點 但是它也存在脆性大的缺點 現(xiàn)在這種樹脂已有許多商品牌號 如FE7003 Xu295 H795和EA9102等等 耐溫更高的樹脂基體只有雜環(huán)類高分子如共聚喹惡啉樹脂 聚苯并咪唑樹脂等 但由于價洛昂貴 加工性能又差 所以只有在特殊情況下才少量使用 目前發(fā)展的趨勢表明 熱塑性樹脂基體正在逐步與熱固性樹脂爭奪先進樹脂基復(fù)合材料基體的主流地位 這是因為最近出現(xiàn)一大批高性能熱塑性高分子材料 其力學(xué)性能和耐溫性均能滿足先進復(fù)合材料的要求 同時它還有明顯節(jié)約加工周期和提高韌性的優(yōu)點 特別是它的可修復(fù)性 二次加工成形和長期貯存等熱固性樹脂所不具有的特點 另一種值得注意的新型樹脂基體是半互穿網(wǎng)絡(luò)高聚物 SIPN 它是由熱固性網(wǎng)狀高分子與線型高分子互穿而成的高聚物 所以兼有熱固性和熱塑性樹脂的優(yōu)點 由于它在較苛刻的環(huán)境條件下仍有良好的剛度和韌性 因此是應(yīng)用于宇航結(jié)構(gòu)復(fù)合材料中有潛力的樹脂基體 例如以二腈基雙酚A作為其熱固性部分 而以聚碳酸酯或聚醚砜作為熱塑性部分 在加工過程中雙腈單體受熱互聚成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò) 而聚碳酸酯等線型高分子則貫穿其中構(gòu)成半互穿網(wǎng)絡(luò) 3 金屬基復(fù)合材料 上世紀80年代以來金屬基復(fù)合材料發(fā)展很快 這是由于高新技術(shù)對材料的耐溫性和其他性能要求日益提高而起了推動作用 金屬基復(fù)合材料除了和樹脂基復(fù)合材料同樣具有高強度 高模量和低膨脹系數(shù)的特點外 它能耐300 500 或更高的溫度 同時不燃 不吸潮 高導(dǎo)熱與導(dǎo)電 抗輻射性能好 而且在較高溫度情況下不會放出氣體污染環(huán)境 這是樹脂基復(fù)合材料所不能比擬的 但金屬基復(fù)合材料也存在一些缺點 如密度較大 造價較高 有些金屬基復(fù)合材料工藝較復(fù)雜 還不成熟 特別是它容易發(fā)生界面化學(xué)反應(yīng)從而對性能產(chǎn)生明顯的影響 這些都有待不斷地改進和完善 盡管如此 一些發(fā)達國家仍大力進行開發(fā)和研究 已有明顯成效 金屬基復(fù)合材料 金屬基復(fù)合材料基本上可分為纖維增強型 包括短纖維和氈 顆粒和晶須增強型 交替疊層型和共晶定向凝固型幾類 低溫用 350 600 纖維增強金屬基復(fù)合材料 目前已有碳 石墨 纖維 硼纖維 碳化硅纖維 氧化鋁纖維等增強鋁 鎂和鈦及其合金 最近以高性能的鋁 鋰合金和金屬間化合物作為基體受到較大的關(guān)注 高溫用 1000 1400 纖維增強金屬基復(fù)合材料則以碳化硅纖維 CVD法 鎢與鉬絲等增強鎳基超合金 金屬間化合物 鈦 鋁 鎳 鋁等 顆粒與晶須增強的金屬基復(fù)合材料目前多數(shù)用碳化硅顆粒和晶須與上述各種金屬基體復(fù)合 金屬基復(fù)合材料 特別應(yīng)指出的是SiC顆粒增強鋁合金發(fā)展最快 它是當(dāng)前金屬基復(fù)合材料最早能實現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的品種 這是因為它的重量僅為鋼的1 3 為鈦合金的2 3 而與鋁合金相近 它的強度比中碳鋼好 與鈦合金相近而比鋁合金略高 模量略高于鈦合金但比鋁合金高很多 在耐磨性上與鋼相似 優(yōu)于鈦合金 比鋁合金要大1倍 在價格方面大致與鋁合金相當(dāng) 而僅為鈦合金的1 5 目前已經(jīng)小批量應(yīng)用于汽車工業(yè)和機械工業(yè)中 交替疊層型金屬復(fù)合材料是金屬與陶瓷 金屬與金屬以及金屬與高性能纖維增強樹脂交替疊合而成的超混雜型復(fù)合材料 前兩種系用濺射或其他涂層方法交替疊合 現(xiàn)僅在實驗室階段 而后一種已經(jīng)在航空工業(yè)中試用 例如一種稱為ARALL的芳酰胺纖維增強環(huán)氧層與鋁箔構(gòu)成的疊層金屬基復(fù)合材料 由于它的強度高 剛度好 尤其耐疲勞性能優(yōu)良 而受到重視 關(guān)于共晶定向凝固型金屬基復(fù)合材料有較長的研究歷史 但由于工藝復(fù)雜一直未能得到發(fā)展 4 無機非金屬基復(fù)合材料 無機非金屬基復(fù)合材料包括纖維和晶須增強陶瓷和玻璃 目前研究較多的以碳化硅或氧化鋁纖維和晶須增強碳化硅 氮化硅 氧化鋁等陶瓷或包括石英在內(nèi)的各種高溫玻璃 由于陶瓷基復(fù)合材構(gòu)成型加工困難 盡管現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)了熱壓燒結(jié)法 氣相沉積法 高分子先驅(qū)體法和溶膠凝膠法等工藝 但是復(fù)合后的效果不太理想 特別是較大工件的可靠性較差 目前比較成熟的是玻璃基復(fù)合材料 它的耐熱性雖不及陶瓷基復(fù)合材料可在1200 或更高的溫度下使用 但也能較滿意地應(yīng)用于600 1000 范圍內(nèi) 而且其性能特別是韌性比陶瓷基復(fù)合材料高很多 無機非金屬基復(fù)合材料 雖然這類復(fù)合材料目前仍處于實驗室研究階段 離工業(yè)化水平較遠 但是它的高溫性能具有很大的吸引力 所以研究工作仍然很活躍 值得一提的是這類復(fù)合材料 特別是陶瓷基的不像其他結(jié)構(gòu)復(fù)合材料那樣依靠增強劑來提高強度和剛度 陶瓷基體本身就有足夠的強度和剛度 問題在于韌性太差 在這里纖維是起到阻止裂紋擴展分散應(yīng)力集中的增韌作用 因此在復(fù)合工藝條件的設(shè)計中 應(yīng)該考慮這個概念上的差別 5 碳基復(fù)合材料 這種復(fù)合材料即以石墨纖維增強石墨的復(fù)合材料 又稱碳 碳復(fù)合材料它主要是以碳 石墨 纖維氈 布或二維及多維編織物與可碳化物質(zhì) 如樹脂 瀝青等 復(fù)合 再碳化與石墨化 如此反復(fù)進行多次直到所要求的密度為止 或者用化學(xué)氣相沉積法把碳沉積在纖維上 這樣反復(fù)進行亦可得到碳 碳復(fù)合材料 但密度較低 這種碳 碳復(fù)合材料已經(jīng)能滿意地在瞬時高溫下作為燒蝕材料使用 但是由于碳素不耐氧化 所以無法在高溫又含氧的氣氛中長期使用 為此目前大量工作正致力于在碳 碳復(fù)合材料表面涂一層陶瓷抗氧化層 由于兩種材料的熱不匹配性帶來很大的困難 但是設(shè)計熱過渡層的工作最近已有一定的突破 這種耐溫性最好的材料 將可能長期工作于2000 以上的條件下 6 功能復(fù)合材料 目前已經(jīng)發(fā)展了不少功能復(fù)合材料 而且有的已獲得應(yīng)用 如復(fù)合壓電材料 導(dǎo)電和超導(dǎo)材料 磁性材料 阻尼材料 摩擦磨耗材料 吸聲材料 隱身吸波材料以及各種敏感換能材料等等 PZT壓電材料 就是與樹脂復(fù)合后降低了材料的介電常數(shù) 從而使其壓電系數(shù)提高了一個數(shù)量級左右 但是這些功能復(fù)合材料大都應(yīng)用了線性復(fù)合效應(yīng) 關(guān)于非線性的復(fù)合效應(yīng)還僅僅有極少量地運用 例如有一個實例可以說明乘積效應(yīng)的作用 即樹脂基自控發(fā)熱帶 它是由導(dǎo)電顆粒與樹脂以一定的形式復(fù)合成半導(dǎo)電材料 使之通電時產(chǎn)生熱 變形與變形 變阻的乘積效應(yīng) 使通電所發(fā)生的熱自動控制材料的電阻以達到恒溫的目的 這種材料已經(jīng)有產(chǎn)品在石油化工上應(yīng)用 另外某些功能復(fù)合材料還可能具有多種功能的綜合效果 或者兼有結(jié)構(gòu)和功能的雙重效能 特別值得指出的是各種新型的換能材料正需要通過功能復(fù)合的途徑來提高它的性能 或者得到新的換能材料和綜合換能材料 功能材料發(fā)展趨勢 功能材料是一大類具有特殊電 磁 光 聲 熱 力 化學(xué)以及生物功能的新型材料 是信息技術(shù) 生物技術(shù) 能源技術(shù)等高技術(shù)領(lǐng)域和國防建設(shè)的重要基礎(chǔ)材料 同時也對改造某些傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè) 如農(nóng)業(yè) 化工 建材等起著重要作用 功能材料種類繁多 用途廣泛 正在形成一個規(guī)模宏大的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)群 有著十分廣闊的市場前景和極為重要的戰(zhàn)略意義 功能材料按使用性能分 可分為微電子材料 光電子材料 傳感器材料 信息材料 生物醫(yī)用材料 生態(tài)環(huán)境材料 能源材料和機敏 智能 材料 由于我們已把電子信息材料單獨作為一類新材料領(lǐng)域 所以這里所指的新型功能材料是除電子信息材料以外的主要功能材料 功能材料是新材料領(lǐng)域的核心 對高新技術(shù)的發(fā)展起著重要的推動和支撐作用 在全球新材料研究領(lǐng)域中 功能材料約占85 隨著信息社會的到來 特種功能材料對高新技術(shù)的發(fā)展起著重要的推動和支撐作用 是二十一世紀信息 生物 能源 環(huán)保 空間等高技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵材料 成為世界各國新材料領(lǐng)域研究發(fā)展的重點 也是世界各國高技術(shù)發(fā)展中戰(zhàn)略競爭的熱點 當(dāng)前國際功能材料及其應(yīng)用技術(shù)正面臨新的突破 諸如超導(dǎo)材料 微電子材料 光子材料 信息材料 能源轉(zhuǎn)換及儲能材料 生態(tài)環(huán)境材料 生物醫(yī)用材料及材料的分子 原子設(shè)計等正處于日新月異的發(fā)展之中 發(fā)展功能材料技術(shù)正在成為一些發(fā)達國家強化其經(jīng)濟及軍事優(yōu)勢的重要手段 生物醫(yī)用材料 作為高技術(shù)重要組成部分的生物醫(yī)用材料已進入一個快速發(fā)展的新階段 其市場銷售額正以每年16 的速度遞增 預(yù)計20年內(nèi) 生物醫(yī)用材料所占的份額將趕上藥物市場 成為一個支柱產(chǎn)業(yè) 生物活性陶瓷已成為醫(yī)用生物陶瓷的主要方向 生物降解高分子材料是醫(yī)用高分子材料的重要方向 醫(yī)用復(fù)合生物材料的研究重點是強韌化生物復(fù)合材料和功能性生物復(fù)合材料 帶有治療功能的HA生物復(fù)合材料的研究也十分活躍 能源材料 太陽能電池材料是新能源材料研究開發(fā)的熱點 IBM公司研制的多層復(fù)合太陽能電池 轉(zhuǎn)換率高達40 美國能源部在全部氫能研究經(jīng)費中 大約有50 用于儲氫技術(shù) 固體氧化物燃料電池的研究十分活躍 關(guān)鍵是電池材料 如固體電解質(zhì)薄膜和電池陰極材料 還有質(zhì)子交換膜型燃料電池用的有機質(zhì)子交換膜等 都是目前研究的熱點 生態(tài)環(huán)境材料 生態(tài)環(huán)境材料是20世紀90年代在國際高技術(shù)新材料研究中形成的一個新領(lǐng)域 其研究開發(fā)在日 美 德等發(fā)達國家十分活躍 主要研究方向是 直接面臨的與環(huán)境問題相關(guān)的材料技術(shù) 例如 生物可降解材料技術(shù) CO2氣體的固化技術(shù) SOx NOx催化轉(zhuǎn)化技術(shù) 廢物的再資源化技術(shù) 環(huán)境污染修復(fù)技術(shù) 材料制備加工中的潔凈技術(shù)以及節(jié)省資源 節(jié)省能源的技術(shù) 開發(fā)能使經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的環(huán)境協(xié)調(diào)性材料 如仿生材料 環(huán)境保護材料 氟里昂 石棉等有害物質(zhì)的替代材料 綠色新材料等 材料的環(huán)境協(xié)調(diào)性評價 智能材料 智能材料是繼天然材料 合成高分子材料 人工設(shè)計材料之后的第四代材料 是現(xiàn)代高技術(shù)新材料發(fā)展的重要方向之一 將支撐未來高技術(shù)的發(fā)展 使傳統(tǒng)意義下的功能材料和結(jié)構(gòu)材料之間的界線逐漸消失 實現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能化 功能多樣化 科學(xué)家預(yù)言 智能材料的研制和大規(guī)模應(yīng)用將導(dǎo)致材料科學(xué)發(fā)展的重大革命 國外在智能材料的研發(fā)方面取得很多技術(shù)突破 如英國宇航公司的導(dǎo)線傳感器 用于測試飛機蒙皮上的應(yīng)變與溫度情況 英國開發(fā)出一種快速反應(yīng)形狀記憶合金 壽命期具有百萬次循環(huán) 且輸出功率高 以它作制動器時 反應(yīng)時間 僅為10分鐘 在壓電材料 磁致伸縮材料 導(dǎo)電高分子材料 電流變液和磁流變液等智能材料驅(qū)動組件材料在航空上的應(yīng)用取得大量創(chuàng)新成果 功能材料的國內(nèi)需求分析 中國作為一個12億人口的大國 正在實施宏偉的第三步發(fā)展戰(zhàn)略 這一根本國情加之特種功能材料在經(jīng)濟社會發(fā)展中的重要作用和地位 決定了我國對功能材料的需求將是巨大的 功能材料不僅是發(fā)展我國信息技術(shù) 生物技術(shù) 能源技術(shù)等高技術(shù)領(lǐng)域和國防建設(shè)的重要基礎(chǔ)材料 而且是改造與提升我國基礎(chǔ)工業(yè)和傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ) 直接關(guān)系到我國資源 環(huán)境及社會的可持續(xù)發(fā)展 我國國防現(xiàn)代化建設(shè)一直受到以美國為首的西方國家的封鎖和禁運 所以我國國防用關(guān)鍵特種功能材料是不可能依靠進口來解決的 必須要走獨立自主 自力更生的道路 如軍事通信 航空 航天 導(dǎo)彈 熱核聚變 激光武器 激光雷達 新型戰(zhàn)斗機 主戰(zhàn)坦克以及軍用高能量密度組件等 都離不開特種功能材料的支撐 我國經(jīng)濟的快速增長和社會可持續(xù)發(fā)展 對發(fā)展新型能源及能源材料具有迫切的需求 能源材料是發(fā)展能源技術(shù) 提高能源生產(chǎn)和利用效率的關(guān)鍵因素 我國目前是世界上能源消費增長最快的國家 同時也是能源緊缺的國家 發(fā)展電動汽車 使用清潔能源 節(jié)約石油資源等政策措施使得新型能源轉(zhuǎn)換及儲能材料的需求不斷增加 近年來 隨著電子信息技術(shù)的迅猛發(fā)展 我國便攜式電器如手提電話 筆記本計算機用戶每年均以超過20 的速度增加 形成了一個對小型高能量密度電池的巨大社會需求 隨著移動通信等新一代電子信息技術(shù)的迅速崛起 作為一大批基礎(chǔ)電子元器件技術(shù)核心的信息功能陶瓷日益成為我國發(fā)展相關(guān)高技術(shù)的需求重點 按照5 的世界市場占有率計 2010年我國信息功能陶瓷材料及制品的年銷售額將達300億元人民幣 對信息通訊產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有舉足輕重的作用 我國是一個稀土大國 其工業(yè)儲量占世界總儲量的70 以上 發(fā)展稀土功能材料我國有著獨特的資源優(yōu)勢 例如 稀土永磁材料全世界的年平均增長率為23 而我國高達60 1995年全球的釹鐵硼永磁材料的生產(chǎn)總量為6000噸 其中我國為2000噸 占總量的1 3 預(yù)測2010年全球釹鐵硼永磁材料的產(chǎn)量將達14 6萬噸 產(chǎn)值達80億美元 其中我國的產(chǎn)量將達5 4萬噸 產(chǎn)值達20多億美元 相關(guān)器件產(chǎn)值達100 150億美元 稀土在發(fā)光 催化等領(lǐng)域的應(yīng)用也具有廣闊的市場需求 我國西部還擁有一些儲量豐富的資源 如稀土 鎢 鈦 鉬 鉭 鈮 釩 鋰等 有的工業(yè)儲量甚至占世界總儲量的一半以上 這些資源均是特種功能材料的重要原材料 研究開發(fā)與上述元素相關(guān)的特種功能材料 拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域 取得自主知識產(chǎn)權(quán) 將大幅度地提高我國相關(guān)特種功能材料及制品的國際市場競爭力 這對實現(xiàn)西部資源的高附加值利用 將西部的資源優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為技術(shù)優(yōu)勢和經(jīng)濟優(yōu)勢具有重要意義 將有力地支持國家的西部大開發(fā) 隨著我國人民生活質(zhì)量的進一步改善和提高 我國潛在的生物醫(yī)用材料市場將很快轉(zhuǎn)化為充滿勃勃生機的現(xiàn)實市場 從而創(chuàng)造出巨大的社會經(jīng)濟效益 成為國民經(jīng)濟的一個支柱產(chǎn)業(yè) 我國已確定 在發(fā)展中解決保護 在保護環(huán)境的基礎(chǔ)上實現(xiàn)持續(xù)發(fā)展 的原則 簽署了有關(guān)國際公約 并通過了國家有關(guān)環(huán)境保護的法律 法規(guī) 這些都為生態(tài)環(huán)境材料需求發(fā)展創(chuàng)造了有利條件 發(fā)展生態(tài)環(huán)境材料 除了在社會和經(jīng)濟方面具有巨大的需求之外 在政治上還對我國加入WTO 融入國際社會 提升國際地位具有重要作用 此外 生態(tài)環(huán)境材料還對我國的 科技 人文 綠色 奧運工程起著特殊的作用 總之 在未來的五到十年 我國經(jīng)濟 社會及國家安全對功能材料有著巨大的需求 功能材料是關(guān)系到我國能否順利實現(xiàn)第三步戰(zhàn)略目標的關(guān)鍵新材料 發(fā)展重點 高溫超導(dǎo)材料制備與應(yīng)用技術(shù)稀土功能材料新型能量轉(zhuǎn)換材料與技術(shù) 能源材料 生物醫(yī)用材料綠色奧運工程材料與技術(shù)分離膜材料與技術(shù) 海水 氯堿膜 印刷 制版 感光 顯示 OLED 材料高新技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)技術(shù) 關(guān)鍵技術(shù)選擇 能源材料 固體氧化物燃料電池 固體氧化物燃料電池是一種新型綠色能源裝置 比質(zhì)子交換膜燃料電池有更高的轉(zhuǎn)換效率和節(jié)能效果 可減少二氧化碳排放50 不產(chǎn)生NOx 已成為發(fā)達國家重點研究開發(fā)的新能源技術(shù) 但目前研究的固體氧化物燃料電池的工作溫度達800 900 其關(guān)鍵部件的材料制備總是成為制約固體氧化物燃料電池發(fā)展的瓶頸 應(yīng)突破的關(guān)鍵技術(shù)主要有 a 高性能電極材料及其制備技術(shù) b 新型電解質(zhì)材料及電極支撐電解質(zhì)隔膜的制備技術(shù) c 電池結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計及其制備技術(shù) d 電池的結(jié)構(gòu) 性能與表征的研究 光電轉(zhuǎn)換效率大于18 的硅基太陽能電池商品化 研制出光電轉(zhuǎn)換效率大于18 的低成本 大面積 可商業(yè)化的硅基太陽能電池及其組件 太陽能的綜合利用 光電 熱電 熱交換 及其與風(fēng)力發(fā)電的耦合技術(shù) 建立總體利用效率達15 的追尾聚集光式太陽能光電 熱電 熱交換系統(tǒng)并實用化 建立太陽能綜合利用與風(fēng)力發(fā)電耦合的實用型分布式地面電站 并可并網(wǎng)供電 稀土材料 稀土催化材料 稀土永磁材料突破高性能 N50 高均勻性 高工作溫度 低溫度系數(shù)的燒結(jié)稀土永磁材料和高性能 磁能積20MGOe 粘結(jié)稀土永磁材料的產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù) 高亮度 長壽命白光LED節(jié)能照明系統(tǒng)低成本 高亮度 長壽命白光LED節(jié)能照明系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化并進入普通百姓家庭 生物醫(yī)用材料 生物芯片 生物兼容性好 可降解或可誘導(dǎo)再生的人體軟 硬組織替換材料 具有分子識別和特異免疫功能的血液凈化材料和裝置 生態(tài)環(huán)境材料 有機膜分離技術(shù) 海水 或鹽堿水 淡化效率達50 的有機膜實用化和產(chǎn)業(yè)化 固沙植被材料與技術(shù) 節(jié)能 環(huán)保的建筑材料及其關(guān)鍵工藝技術(shù) 突破日產(chǎn)2000噸的流態(tài)化水泥燒成技術(shù) 其單位能耗與粉塵排放低于目前的新型干法工藝 實現(xiàn)純氧燃燒生產(chǎn)浮法建筑玻璃的產(chǎn)業(yè)化 特種功能材料 無機分離催化膜 突破無機分離催化膜 透氧膜 分子篩膜 透氫膜 的關(guān)鍵制備技術(shù) 建立無機分離催化膜用于天然氣催化轉(zhuǎn)化制備合成氣和液體燃料 天然氣直接轉(zhuǎn)化制備乙烯 生物質(zhì)原料制備乙醇 天然氣制氫等方面的示范性生產(chǎn)裝置 大尺寸光學(xué)金剛石膜 有機磁性材料 突破本征有機磁性材料的關(guān)鍵技術(shù) 敏感材料與傳感器 超導(dǎo)材料高溫超導(dǎo)材料的制備與應(yīng)用技術(shù) 樹脂基復(fù)合材料的發(fā)展史 樹脂基復(fù)合材料 ResinMatrixComposite 也稱纖維增強塑料 FiberReinforcedPlastics 是目前技術(shù)比較成熟且應(yīng)用最為廣泛的一類復(fù)合材料 這種材料是用短切的或連續(xù)纖維及其織物增強熱固性或熱塑性樹脂基體 經(jīng)復(fù)合而成 以玻璃纖維作為增強相的樹脂基復(fù)合材料在世界范圍內(nèi)已形成了產(chǎn)業(yè) 在我國俗稱玻璃鋼 樹脂基復(fù)合材料的發(fā)展史 樹脂基復(fù)合材料于1932年在美國出現(xiàn) 1940年以手糊成型制成了玻璃纖維增強聚酯的軍用飛機的雷達罩 其后不久 美國萊特空軍發(fā)展中心設(shè)計制造了一架以玻璃纖維增強樹脂為機身和機翼的飛機 并于1944年3月在萊特 帕特空軍基地試飛成功 從此纖維增強復(fù)合材料開始受到軍界和工程界的注意 第二次世界大戰(zhàn)以后這種材料迅速擴展到民用 風(fēng)靡一時 發(fā)展很快 1946年纖維纏繞成型技術(shù)在美國出現(xiàn) 為纖維纏繞壓力容器的制造提供了技術(shù)貯備 1949年研究成功玻璃纖維預(yù)混料并制出了表面光潔 尺寸 形狀準確的復(fù)合材料模壓件 樹脂基復(fù)合材料的發(fā)展史 1950年真空袋和壓力袋成型工藝研究成功 并制成直升飛機的螺旋槳 60年代在美國利用纖維纏繞技術(shù) 制造出北極星 土星等大型固體火箭發(fā)動機的殼體 為航天技術(shù)開辟了輕質(zhì)高強結(jié)構(gòu)的最佳途徑 在此期間 玻璃纖維 聚酯樹脂噴射成型技術(shù)得到了應(yīng)用 使手糊工藝的質(zhì)量和生產(chǎn)效率大為提高 1961年片狀模塑料 SheetMoldingCompound 簡稱SMC 在法國問世 利用這種技術(shù)可制出大幅面表面光潔 尺寸 形狀穩(wěn)定的制品 如汽車 船的殼體以及衛(wèi)生潔具等大型制件 從而更擴大了樹脂基復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域 1963年前后在美 法 日等國先后開發(fā)了高產(chǎn)量 大幅寬 連續(xù)生產(chǎn)的玻璃纖維復(fù)合材料板材生產(chǎn)線 使復(fù)合材料制品形成了規(guī)模化生產(chǎn) 樹脂基復(fù)合材料的發(fā)展史 拉擠成型工藝的研究始于50年代 60年代中期實現(xiàn)了連續(xù)化生產(chǎn) 在70年代拉擠技術(shù)又有了重大的突破 近年來發(fā)展更快 除圓棒狀制品外 還能生產(chǎn)管 箱形 槽形 工字形等復(fù)雜截面的型材 并還有環(huán)向纏繞纖維以增加型材的側(cè)向強度 目前拉擠工藝生產(chǎn)的制品斷面可達76cm 20cm 在70年代樹脂反應(yīng)注射成型 ReactionInjectionMolding 簡稱RIM 和增強樹脂反應(yīng)注射成型 ReinforcedReactionInjectionMolding 簡稱RRIM 兩種技術(shù)研究成功 進一步改善了手糊工藝 使產(chǎn)品兩面光潔 現(xiàn)已大量用于衛(wèi)生潔具和汽車的零件生產(chǎn) 樹脂基復(fù)合材料的發(fā)展史 1972年美國PPG公司研究成功熱塑性片狀模型料成型技術(shù) 1975年投入生產(chǎn) 這種復(fù)合材料最大特點是改變了熱固性基體復(fù)合材料生產(chǎn)周期長 廢料不能回收問題 并能充分利用塑料加工的技術(shù)和設(shè)備 因而發(fā)展得很快 制造管狀構(gòu)件的工藝除纏繞成型外 80年代又發(fā)展了離心澆鑄成型法 英國曾使用這種工藝生產(chǎn)10m長的復(fù)合材料電線桿 大口徑受外壓的管道等 從上述可知 新生產(chǎn)工藝的不斷出現(xiàn)推動著聚合物復(fù)合材料工業(yè)的發(fā)展 樹脂基復(fù)合材料的發(fā)展史 進入20世紀70年代 對復(fù)合材料的研究突破了僅僅采用玻璃纖維增強樹脂的局面 人們一方面不斷開辟玻纖 樹脂復(fù)合材料的新用途 同時也發(fā)現(xiàn) 這類復(fù)合材料的比剛度不能滿足要求很高的尖端技術(shù)的需求 因而開發(fā)了一批如碳纖維 碳化硅纖維 氧化鋁纖維 硼纖維 芳綸纖維 高密度聚乙烯纖維等高性能增強材料 并使用高性能樹脂 金屬與陶瓷為基體 制成先進復(fù)合材料 AdvancedCompositeMaterials 簡稱ACM 這種先進復(fù)合材料具有比玻璃纖維復(fù)合材料更好的性能 是用于飛機 火箭 衛(wèi)星 飛船等航空航天飛行器的理想材料 樹脂基復(fù)合材料的發(fā)展史 自從先進復(fù)合材料投入應(yīng)用以來 有三件值得一提的成果 第一件是美國全部用碳纖維復(fù)合材料制成一架八座商用飛機 里爾芳2100號 并試飛成功 這架飛機僅重567kg 它以結(jié)構(gòu)小巧重量輕而稱奇于世 第二件是采用大量先進復(fù)合材料制成的哥倫比亞號航天飛機 這架航天飛機用碳纖維 環(huán)氧樹脂制作長18 2m 寬4 6m的主貨艙門 用凱芙拉纖維 環(huán)氧樹脂制造各種壓力容器 用硼 鋁復(fù)合材料制造主機身隔框和翼梁 用碳 碳復(fù)合材料制造發(fā)動機的噴管和喉襯 發(fā)動機組的傳力架全用硼纖維增強鈦合金復(fù)合材料制成 被覆在整個機身上的防熱瓦片是耐高溫的陶瓷基復(fù)合材料 在這架代表近代最尖端技術(shù)成果的航天收音機上使用了樹脂 金屬和陶瓷基復(fù)合材料 樹脂基復(fù)合材料的發(fā)展史 第三件是在波音 767大型客機上使用了先進復(fù)合材料作為主承力結(jié)構(gòu) 這架可載80人的客運飛機使用碳纖維 有機纖維 玻璃纖維增強樹脂以及各種混雜纖維的復(fù)合材料制造了機翼前緣 壓力容器 引擎罩等構(gòu)件 不僅使飛機結(jié)構(gòu)重量減輕 還提高了飛機的各種飛行性能 復(fù)合材料在這幾個飛行器上的成功應(yīng)用 表明了復(fù)合材料的良好性能和技術(shù)的成熟 這對于復(fù)合材料在重要工程結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用是一個極大的推動 樹脂基復(fù)合材料在中國的發(fā)展 中國的復(fù)合材料起始于1958年 首先用于軍工制品 而后逐漸擴展到民用 1958年以手糊工藝研制了玻璃鋼艇 以層壓和卷制工藝研制玻璃鋼板 管和火箭彈 1961年研制成用于遠程火箭的玻璃纖維 酚醛樹脂燒蝕防熱彈頭 1962年引進不飽和聚酯樹脂 噴射成型和蜂窩夾層結(jié)構(gòu)成型技術(shù) 并制造了玻璃鋼的直升機螺旋槳葉和風(fēng)洞葉片 同年開始纖維纏繞工藝研究并生產(chǎn)出一批氧氣瓶等壓力容器 1970年用玻璃鋼蜂窩夾層結(jié)構(gòu)制造了一座直徑44m的雷達罩 自70年代以后玻璃鋼復(fù)合材料逐漸轉(zhuǎn)向民用 樹脂基復(fù)合材料在中國的發(fā)展 1981年復(fù)合材料的年產(chǎn)量為1 5萬噸 到1986年達到6 5萬噸 年增長率為13 1987年以后受到國內(nèi)原材料品種數(shù)量不足的影響 發(fā)展曾一度停滯 在此期間 在國家改革開放政策的指導(dǎo)下 大量引進國外先進技術(shù) 如在原材料方面引進了池窯拉絲 短切氈 表面氈 噴射紗 纏繞紗以及各種牌號樹脂和輔助材料的生產(chǎn)技術(shù) 在成型工藝方面引進了制造管罐的大型纏繞系統(tǒng) 拉擠工藝生產(chǎn)線 SMC生產(chǎn)線 連續(xù)制板機組 樹脂傳遞模型機組 噴射成型技術(shù) 樹脂注射成型技術(shù)等先進工藝和設(shè)備 形成了研究 設(shè)計 生產(chǎn)及原材料相互配套較完整的工業(yè)體系 樹脂基復(fù)合材料在中國的發(fā)展 到1995年國內(nèi)玻璃鋼產(chǎn)量已達到16 5萬噸 產(chǎn)品近2000種 擁有纏繞生產(chǎn)線120條 SMC生產(chǎn)線31條 BMC生產(chǎn)線5條 拉擠工藝生產(chǎn)線100條 噴射機260臺 RTM70臺 連續(xù)制板機組3條 機械化年生產(chǎn)能力達25萬噸 到1996年 玻璃鋼的產(chǎn)品主要有以下幾個方面 冷卻塔 國內(nèi)有200余廠家生產(chǎn)冷卻塔 年產(chǎn)20000多臺 保有量為25萬臺 3500 5000t h大型塔已推廣使用 纏繞管 罐制品 生產(chǎn)的大型管罐除國內(nèi)外使用外 還有部分出口 樹脂基復(fù)合材料在中國的發(fā)展 拉擠制品 主要有抽油桿 格柵 電工梯型材 門窗框以及帳篷支架 SMC BMC制品 生產(chǎn)高位水箱組合板 椅子及汽車部件 年產(chǎn)量為5000t 汽車部件 除用SMC生產(chǎn)的制品外 還有手糊 噴射及RT 制品 主要有保險杠 前后車門 轎車 面包車體 擋泥板等 制品除國內(nèi)使用外還有少量出口 艦艇 小型的救生艇 輪船 游艇 養(yǎng)殖船等 年產(chǎn)約6 7萬條 建筑器材 建材是玻璃鋼制品的大宗項目 如玻璃鋼瓦 浴缸 建筑裝飾浮雕 羅馬柱等 游樂與運動器材 玻璃鋼水上滑梯 碰碰船 公園與幼兒園的動物模型 釣魚桿 賽艇 皮劃艇 槳 雪橇等 環(huán)保設(shè)施 空調(diào)器 風(fēng)機 吸塵器 凈化槽等 樹脂基復(fù)合材料在中國的發(fā)展 從生產(chǎn)工藝來看 盡管引進了不少先進技術(shù)設(shè)備 但利用率不高 所有制品仍有80 是手糊成型 僅有20 由纏繞 拉擠 SMC及RTM等設(shè)備成型 因此玻璃鋼工業(yè)的生產(chǎn)潛力很大 先進復(fù)合材料的研究應(yīng)用主要集中于國防工業(yè) 高性能樹脂基復(fù)合材料 主要是碳纖維和芳綸纖維增強環(huán)氧樹脂 多官能團環(huán)氧樹脂和BMI 復(fù)合材料的性能穩(wěn)定 已大量投入應(yīng)用 相當(dāng)于T300 PMR 15性能的復(fù)合材料已研制成功 一批高性能的熱塑性樹脂基復(fù)合材料 如PEEK PECK PPS等正在從實驗室走向?qū)嵱?先進復(fù)合材料構(gòu)件正在由次承力件向主承力件過渡 在成型工藝方面 先進復(fù)合材料借助玻璃鋼成型技術(shù)逐步實現(xiàn)由手糊到機械化自動化的轉(zhuǎn)變 但總的水平與國外先進技術(shù)還有一定距離 增強材料 玻璃纖維 玻璃纖維的成分及性能生產(chǎn)玻璃纖維用的玻璃不同于其它玻璃制品的玻璃 目前國際上已經(jīng)商品化的纖維用的玻璃成分如下 1 E 玻璃亦稱無堿玻璃 系一種硼硅酸鹽玻璃 目前是應(yīng)用最廣泛的一種玻璃纖維用玻璃成分 具有良好的電氣絕緣性及機械性能 廣泛用于生產(chǎn)電絕緣用玻璃纖維 也大量用于生產(chǎn)玻璃鋼用玻璃纖維 它的缺點是易被無機酸侵蝕 故不適于用在酸性環(huán)境 2 C 玻璃亦稱中堿玻璃 其特點是耐化學(xué)性特別是耐酸性優(yōu)于無堿玻璃 但電氣性能差 機械強度低于無堿玻璃纖維10 20 通常國外的中堿玻璃纖維含一定數(shù)量的三氧化二硼 而我國的中堿玻璃纖維則完全不含硼 在國外 中堿玻璃纖維只是用于生產(chǎn)耐腐蝕的玻璃纖維產(chǎn)品 如用于生產(chǎn)玻璃纖維表面氈等 也用于增強瀝青屋面材料 但在我國中堿玻璃纖維占據(jù)玻璃纖維產(chǎn)量的一大半 60 廣泛用于玻璃鋼的增強以及過濾織物 包扎織物等的生產(chǎn) 因為其價格低于無堿玻璃纖維而有較強的競爭力 增強材料 玻璃纖維 3 高強玻璃纖維其特點是高強度 高模量 它的單纖維抗拉強度為2800MPa 比無堿玻纖抗拉強度高25 左右 彈性模量86GPa 比E 玻璃纖維的強度高 用它們生產(chǎn)的玻璃鋼制品多用于軍工 空間 防彈盔甲及運動器械 但是由于價格昂貴 目前在民用方面還不能得到推廣 全世界產(chǎn)量也就幾千噸左右 4 AR玻璃纖維亦稱耐堿玻璃纖維 主要是為了增強水泥而研制的 5 A玻璃亦稱高堿玻璃 是一種典型的鈉硅酸鹽玻璃 因耐水性很差 很少用于生產(chǎn)玻璃纖維 增加材料 玻璃纖維 6 E CR玻璃是一種改進的無硼無堿玻璃 用于生產(chǎn)耐酸耐水性好的玻璃纖維 其耐水性比無堿玻纖改善7 8倍 耐酸性比中堿玻纖也優(yōu)越不少 是專為地下管道 貯罐等開發(fā)的新品種 7 D玻璃亦稱低介電玻璃 用于生產(chǎn)介電強度好的低介電玻璃纖維 除了以上的玻璃纖維成分以外 近年來還出現(xiàn)一種新的無堿玻璃纖維 它完全不含硼 從而減輕環(huán)境污染 但其電絕緣性能及機械性能都與傳統(tǒng)的E玻璃相似 另外還有一種雙玻璃成分的玻璃纖維 已用在生產(chǎn)玻璃棉中 據(jù)稱在作玻璃鋼增強材料方面也有潛力 此外還有無氟玻璃纖維 是為環(huán)保要求而開發(fā)出來的改進型無堿玻璃纖維 玻璃纖維制品品種與用途 1 無捻粗紗無捻粗紗是由平行原絲或平行單絲集束而成的 無捻粗紗按玻璃成分可劃分為 無堿玻璃無捻粗紗和中堿玻璃無捻粗紗 生產(chǎn)玻璃粗紗所用玻纖直徑從12 23 m 無捻粗紗的號數(shù)從150號到9600號 tex 無捻粗紗可直接用于某些復(fù)合材料工藝成型方法中 如纏繞 拉擠工藝 因其張力均勻 也可織成無捻粗紗織物 在某些用途中還將無捻粗紗進一步短切 tex 特 號數(shù) 細度單位 纖維或紗線每1000米重若干克即為若干特 或若干號 玻璃纖維制品品種與用途 1 噴射用無捻粗紗適合于玻璃鋼噴射成型使用的無捻粗紗要具備如下性能 良好的切割性 在連續(xù)高速切割時產(chǎn)生的靜電少 無捻粗紗切割后分散成原絲的效率要高 也即分束率高 通常要求90 以上 短切后的原絲具有優(yōu)良的覆模性 可覆蓋在模具的各個角落 樹脂浸透快 易于被輥子輥平并易于驅(qū)趕氣泡 原絲筒退解性能好 粗紗線密度均勻 適合于各種噴槍及纖維輸送系統(tǒng) 噴射用無捻粗紗都是由多股原絲絡(luò)制而成 每股原絲含200根玻纖單絲 玻璃纖維制品品種與用途 2 SMC用無捻粗紗SMC即片狀模塑料 主要用于壓制汽車部件 浴缸 水箱板 凈化槽 各種座椅等 SMC用無捻粗紗在制造SMC片材時要切成lin 25mm 的長度 分散在樹脂糊中 因此對SMC用無捻粗紗的要求是短切性好 毛絲少 抗靜電性優(yōu)良 在切割時短切絲不會粘附在刀輥上 對著色的SMC而言 無捻粗紗要在高顏料含量的樹脂糊中被樹脂浸透 通常SMC無捻粗紗一般為2400tex 少數(shù)情況下也有用4800tex的 tex 特 號數(shù) 細度單位 纖維或紗線每1000米重若干克即為若干特 或若干號 玻璃纖維制品品種與用途 3 纏繞用無捻粗紗纏繞法用于制造各種口徑的玻璃鋼管 貯罐等 纏繞用無捻粗紗的號數(shù)從1200號到9600號 纏繞大型管道及貯罐多傾向于直接無捻粗紗 如4800tex的直接無捻粗紗 對纏繞用無捻粗紗的要求如下 成帶性好 呈扁帶狀 無捻粗紗退解性好 在從紗筒退解時不脫圈 不形成 鳥巢 狀亂絲 張力均勻 無懸垂現(xiàn)象 線密度均勻 一般須小于 7 無捻粗紗浸透性好 從樹脂槽通過時易為樹脂潤濕及浸透 玻璃纖維制品品種與用途 4 拉擠用無捻粗紗拉擠用于制造斷面一致的各種型材 其特點是玻纖含量高 單向強度大 拉擠用無捻粗紗可以是多股原絲并合的也可以是直接的無捻粗紗 其線密度范圍為1100號到4400號 各種性能要求與纏繞無捻粗紗大體相同 玻璃纖維制品品種與用途 5 織造用無捻粗紗無捻粗紗的一個重要用途是織造各種厚度的方格布或單向無捻粗紗織物 它們大多用于手糊玻璃鋼成型工藝中 對織造用無捻粗紗有如下要求 良好的耐磨性 良好的成帶性 織造用無捻粗紗在織造前需經(jīng)強制烘干 無捻粗紗張力均勻 懸垂度應(yīng)符合一定標準 無捻粗紗退解性好 無捻粗紗浸透性好 玻璃纖維制品品種與用途 6 預(yù)型體用無捻粗紗在預(yù)型體工藝中 無捻粗紗被短切并噴附在預(yù)定形狀的網(wǎng)上 同時噴少量樹脂使纖維網(wǎng)固定成形 然后將成形的纖維網(wǎng)片移入金屬模具中 注入樹脂熱壓成形 即得制品 對于這種工藝的無捻粗紗的性能要求與對噴射無捻粗紗的要求基本相同 2 無捻粗紗織物 方格布 方格布是無捻粗紗平紋織物 是手糊玻璃鋼重要基材 方格布的強度主要在織物的經(jīng)緯方向上 對于要求經(jīng)向或緯向強度高的場合 也可以織成單向方格布 它可以在經(jīng)向或緯向布置較多的無捻粗紗 對方格布的質(zhì)量要求如下 織物均勻 布邊平直 布面平整呈席狀 無污漬 起毛 折痕 皺紋等 經(jīng) 緯密 面積重量 布幅及卷長均符合標準 卷繞在牢固的紙芯上 卷繞整齊 迅速 良好的樹脂透性 織物制成的層合材料的干 濕態(tài)機械強度均應(yīng)達到要求 用方格布鋪敷成型的復(fù)合材料其特點是層間剪切強度低 耐壓和疲勞強度差 3 玻璃纖維氈片 1 短切原絲氈將玻璃原絲 有時也用無捻粗紗 切割成50mm長 將其隨機但均勻地鋪陳在網(wǎng)帶上 隨后施以乳液粘結(jié)劑或撒布上粉末結(jié)劑經(jīng)加熱固化后粘結(jié)成短切原絲氈 短切氈主要用于手糊 連續(xù)制板和對模模壓和SMC工藝中 對短切原絲氈的質(zhì)量要求如下 沿寬度方向面積質(zhì)量均勻 短切原絲在氈面中分布均勻 無大孔眼形成 粘結(jié)劑分布均勻 具有適中的干氈強度 優(yōu)良的樹脂浸潤及浸透性 玻璃纖維氈片 2 連續(xù)原絲氈將拉絲過程中形成的玻璃原絲或從原絲筒中退解出來的連續(xù)原絲呈8字形鋪敷在連續(xù)移動網(wǎng)帶上 經(jīng)粉末粘結(jié)劑粘合而成 連續(xù)玻纖原絲氈中纖維是連續(xù)的 故其對復(fù)合材料的增強效果較短切氈好 主要用在拉擠法 RTM法 壓力袋法及玻璃氈增強熱塑料 GMT 等工藝中 玻璃纖維氈片 3 表面氈玻璃鋼制品通常需要形成富有樹脂層 這一般是用中堿玻璃表面氈來實現(xiàn) 這類氈由于采用中堿玻璃 C 制成 故賦予玻璃鋼耐化學(xué)性特別是耐酸性 同時因為氈薄 玻纖直徑較細之故 還可吸收較多樹脂形成富樹脂層 遮住了玻璃纖維增強材料 如方格布 的紋路 起到表面修飾作用 玻璃纖維氈片 4 針刺氈針刺氈或分為短切纖維針刺氈和連續(xù)原絲針刺氈 短切纖維針刺氈是將玻纖粗紗短切成50mm 隨機鋪放在預(yù)先放置在傳送帶上的底材上 然后用帶倒鉤的針進行針刺 針將短切纖維刺進底材中 而鉤針又將一些纖維向上帶起形成三維結(jié)構(gòu) 所用底材可以是玻璃纖維或其它纖維的稀織物 這種針刺氈有絨毛感 其主要用途包括用作隔熱隔聲材料 襯熱材料 過濾材料 也可用在玻璃鋼生產(chǎn)中 但所制玻璃鋼強度較低 使用范圍有限 另一類連續(xù)原絲針刺氈 是將連續(xù)玻璃原絲用拋絲裝置隨機拋在連續(xù)網(wǎng)帶上 經(jīng)針板針刺 形成纖維相互勾連的三維結(jié)構(gòu)的氈 這種氈主要用于玻璃纖維增強熱塑料可沖壓片材的生產(chǎn) 玻璃纖維氈片 5 縫合氈短切玻璃纖維從50mm乃至60cm長均可用縫編機將其縫合成短切纖維或長纖維氈 前者可在若干用途方面代替?zhèn)鹘y(tǒng)的粘結(jié)劑粘結(jié)的短切氈 后者則在一定程度上代替連續(xù)原絲氈 它們的共同優(yōu)點是不含粘結(jié)劑 避免了生產(chǎn)過程的污染 同時浸透性能好 價格較低 4 短切原絲和磨碎纖維 1 短切原絲短切原絲分干法短切原絲及濕法短切原絲 前者用在增強塑料生產(chǎn)中 而后者則用于造紙 用于玻璃鋼的短切原絲又分為增強熱固性樹脂 BMC 用短切原絲和增強熱塑性樹脂用短切原絲兩大類 對增強熱塑性塑料用短切原絲的要求是用無堿玻璃纖維 強度高及電絕緣性好 短切原絲集束性好 流動性好 白度較高 增強熱固性塑料短切原絲要求集束性好 易為樹脂很快浸透 具有很好的機械強度及電氣性能 短切原絲和磨碎纖維 2 磨碎纖維磨碎纖維系由錘磨機或球磨機將短切纖維磨碎而成 磨碎纖維主要在增強反應(yīng)注射工藝 RRIM 中用作增強材料 在制造澆鑄制品 模具等制品時用作樹脂的填料用以改善表面裂紋現(xiàn)象 降低模塑收縮率 也可用作增強材料 5 玻璃纖維織物 以下介紹的是以玻璃纖維紗線織造的各種玻璃纖維織物 1 玻璃布我國生產(chǎn)的玻璃布 分為無堿和中堿兩類 國外大多數(shù)是無堿玻璃布 玻璃布主要用于生產(chǎn)各種電絕緣層壓板 印刷線路板 各種車輛車體 貯罐 船艇 模具等 中堿玻璃布主要用于生產(chǎn)涂塑包裝布 以及用于耐腐蝕場合 織物的特性由纖維性能 經(jīng)緯密度 紗線結(jié)構(gòu)和織紋所決定 經(jīng)緯密度又由紗線結(jié)構(gòu)和織紋決定 經(jīng)緯密度加上紗線結(jié)構(gòu) 就決定了織物的物理性質(zhì) 如重量 厚度和斷裂強度等 有五種基本的織紋 平紋 斜紋 緞紋 羅紋和席紋 玻璃纖維織物 2 玻璃帶玻璃帶分為有織邊帶和無織邊帶 毛邊帶 主要織防腐是平紋 玻璃帶常用于制造高強度 介電性能好的電氣設(shè)備零部件 3 單向織物單向織物是一種粗經(jīng)紗和細緯紗織成的四經(jīng)破緞紋或長軸緞紋織物 其特點是在經(jīng)紗主向上具有高強度 玻璃纖維織物 4 立體織物立體織物是相對平面織物而言 其結(jié)構(gòu)特征從一維二維發(fā)展到了三維 從而使以此為增強體的復(fù)合材料具有良好的整體性和仿形性 大大提高了復(fù)合材料的層間剪切強度和抗損傷容限 它是隨著航天 航空 兵器 船舶等部門的特殊需求發(fā)展起來的 目前其應(yīng)用已拓展至汽車 體育運動器材 醫(yī)療器械等部門 主要有五類 機織三維織物 針織三維織物 正交及非正交非織造三維織物 三維編織織物和其它形式的三維織物 立體織物的形狀有塊狀 柱狀 管狀 空心截錐體及變厚度異形截面等 玻璃纖維織物 5 異形織物異形織物的形狀和它所要增強的制品的形狀非常相似 必須在專用的織機上織造 對稱形狀的異形織物有 圓蓋 錐體 帽 啞鈴形織物等 還可以制成箱 船殼等不對稱形狀 6 槽芯織物槽芯織物是由兩層平行的織物 用縱向的豎條連接起來所組成的織物 其橫截面形狀可以是三角形或矩形 玻璃纖維織物 7 玻璃纖維縫編織物亦稱為針織氈或編織氈 它既不同于普通的織物 也不同于通常意義的氈 最典型的縫編織物是一層經(jīng)紗與一層緯紗重疊在一起 通過縫編將經(jīng)紗與緯紗編織在一起成為織物 縫編織物的優(yōu)點如下 它可以增加玻璃鋼層合制品的極限抗張強度 張力下的抗脫層強度以及抗彎強度 減輕玻璃鋼制品的重量 表面平整使玻璃鋼表面光滑 簡化手糊操作 提高勞動生產(chǎn)率 這種增強材料可以在拉擠法玻璃鋼及RTM中代替連續(xù)原絲氈 還可以在離心法玻璃鋼管生產(chǎn)中取代方格布 6 組合玻璃纖維增強材料 上世紀70年代以來 出現(xiàn)了把短切原絲氈 連續(xù)原絲氈 無捻粗紗織物和無捻粗紗等 按一定的順序組合起來的增強材料 大體有以下幾種 1 短切原絲氈 無捻粗紗織物 2 短切原絲氈 無捻粗紗布 短切原絲氈 3 短切原絲氈 連續(xù)原絲氈 短切原絲氈 4 短切原比氈 隨機無捻粗紗 5 短切原絲氈或布 單向碳纖維 6 短切原絲 表面氈 7 玻璃布 單向無捻粗紗或玻璃細棒 玻璃布 增強材料 碳纖維碳纖維是由有機纖維或低分子烴氣體原料加熱至1500 所形成的纖維狀碳材料 其碳含量在90 以上 碳 石墨 纖維具有低密度 高強度 高模量 耐高溫 抗化學(xué)腐蝕 低電阻 高熱導(dǎo) 低熱膨脹 耐化學(xué)輻射等優(yōu)良特性 此外 還具有纖維的柔曲性和可編性 比強度和比模量優(yōu)于其它纖維增強體 碳 石墨 纖維的主要用途 1 宇航工業(yè)用作導(dǎo)彈防熱及結(jié)構(gòu)材料如火箭噴管 鼻錐 大面積防熱層 衛(wèi)星構(gòu)架 天線 太陽能翼片底板 衛(wèi)星 火箭結(jié)合部件 航天飛機機頭 機翼前緣和艙門等制件 哈勃太空望遠鏡的測量構(gòu)架 太陽能電池板和無線電天線 2 航空工業(yè)用作主承力結(jié)構(gòu)材料 如主翼 尾翼和機體 次承力構(gòu)件 如方向舵 起落架 副翼 擾流板 發(fā)動機艙 整流罩及座板等 此外還有C C剎車片 3 交通運輸用作汽車傳動軸 板簧 構(gòu)架和剎車片等制件 船舶和海洋工程用作制造漁船 魚雷快艇 快艇和巡邏艇 以及賽艇的桅桿 航桿 殼體及劃水漿 海底電纜 潛水艇 雷達罩 深海油田的升降器和管道 4 運動器材用作網(wǎng)球 羽毛球 和壁球拍及桿 棒球 曲棍球和高爾夫球桿 自行車 賽艇 釣桿 滑雪板 雪車等 5 土木建筑幕墻 嵌板 間隔壁板 橋梁 架設(shè)跨度大的管線 海水和水輪結(jié)構(gòu)的增強筋 地板 窗框 管道 海洋浮桿 面狀發(fā)熱嵌板 抗震救災(zāi)用補強材料 6 其它工業(yè)化工用的