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復(fù)合材料范文第1篇

論文摘要:本文介紹了一種新型材料—紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的發(fā)展與應(yīng)用情況，對(duì)其組成特點(diǎn)、成型工藝和設(shè)計(jì)因素進(jìn)行了分析，并提出分析該種材料力學(xué)性能的一般性方法。

材料、能源和食品既是人類賴以生存的三大要素，又是人類與自然界作斗爭(zhēng)所追求的三大目標(biāo)，由它們組成的某個(gè)時(shí)代的物質(zhì)世界就是人類歷史演進(jìn)的標(biāo)志。

一、紡織復(fù)合材料技術(shù)分析

紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料是紡織技術(shù)和現(xiàn)代復(fù)合材料技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，它與通常的纖維復(fù)合材料具有較大的區(qū)別。纖維復(fù)合材料是通過把纖維束按一定的角度和一定的順序進(jìn)行鋪層或纏繞而制成的，基體材料和纖維材料于鋪層或纏繞時(shí)同時(shí)組合，形成層狀結(jié)構(gòu)，因此也稱層合(壓)復(fù)合材料。纖維復(fù)合材料中的纖維是平行的、互不交疊的。而紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料是利用紡織技術(shù)首先用纖維束織造成所需結(jié)構(gòu)的形狀，形成預(yù)成型結(jié)構(gòu)件(簡(jiǎn)稱預(yù)成型)，然后以預(yù)成型作為增強(qiáng)骨架進(jìn)行浸膠固化而直接形成復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。正是這種工藝的變革，使紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料與普通復(fù)合材料相比具有許多突出的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)由于細(xì)觀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化又給設(shè)計(jì)和分析增添了更多的困難。迄今雖然經(jīng)過許多研究者的努力，已經(jīng)發(fā)展了各種分析模型，能解決一些應(yīng)用問題，但還遠(yuǎn)沒有成熟，還需要經(jīng)過比較、積累和進(jìn)一步發(fā)展，以形成完善而統(tǒng)一的分析、設(shè)計(jì)方法和相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，才能使紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料得到更廣泛的應(yīng)用。

二、紡織復(fù)合材料的發(fā)展

在20年代，波音公司就已經(jīng)使用紡織結(jié)構(gòu)來(lái)增強(qiáng)飛機(jī)的機(jī)翼。50年代，美國(guó)通用電器公司也選擇紡織結(jié)構(gòu)作為碳/碳復(fù)合材料鼻錐的增強(qiáng)形式。70年代初，在纏繞工藝的影響下，二維編織工藝被引入復(fù)合材料領(lǐng)域。隨著復(fù)合材料的發(fā)展，二維編織工藝也得到了迅速的發(fā)展，并為制造復(fù)雜形狀復(fù)合材料開辟了一條成功之路。80年代，通過紡織界與復(fù)合材料界的合作，編織技術(shù)由二維發(fā)展到三維，從而為制造高性能復(fù)合材料提供了新的途徑。三維編織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料由于其增強(qiáng)體為三維整體結(jié)構(gòu)，大大提高了其厚度方向的強(qiáng)度和抗沖擊損傷的性能，因而倍受重視并獲得迅速發(fā)展。創(chuàng)造不補(bǔ)充加油而連續(xù)環(huán)球飛行一周記錄的“航行者”飛機(jī)與美國(guó)比奇公司的“星舟”1號(hào)公務(wù)機(jī)，都采用了一些編織結(jié)構(gòu)件。英國(guó)道蒂公司的復(fù)合材料螺旋漿，其漿葉為編織結(jié)構(gòu)，獲得1991年英國(guó)女王技術(shù)成果大獎(jiǎng)。美國(guó)航空航天局(NASA)大力開展三維編織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料研究工作。計(jì)劃中包括開發(fā)編織技術(shù)和自動(dòng)化加工、開發(fā)熱塑性樹脂等重要內(nèi)容。

由此可見，現(xiàn)代紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料是在常規(guī)復(fù)合材料高度發(fā)展和廣泛應(yīng)用于各工業(yè)領(lǐng)域的基礎(chǔ)上產(chǎn)生和發(fā)展起來(lái)的，通過吸收紡織學(xué)科各類織造技術(shù)，形成了機(jī)織、針織、編織等類別的紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。值得指出的是，在過去40年里，還主要是以層板復(fù)合材料應(yīng)用最廣，特別是在航空航天、軍事工業(yè)、交通等領(lǐng)域占據(jù)重要地位。復(fù)合材料的出現(xiàn)和發(fā)展對(duì)20世紀(jì)的結(jié)構(gòu)工程產(chǎn)生了巨大的推動(dòng)作用，并形成全球性的先進(jìn)纖維材料的市場(chǎng)。在這種應(yīng)用背景下，層板復(fù)合材料因存在“層”而帶來(lái)力學(xué)性能的弱點(diǎn):如分層、開裂敏感和損傷擴(kuò)展快，垂直結(jié)構(gòu)厚度方向強(qiáng)度低，抗沖擊性能差等都顯露出來(lái)。由此古代紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的思想必然被人們接受用來(lái)消除復(fù)合材料的“層”。在常規(guī)復(fù)合材料成熟的設(shè)計(jì)分析方法、織造工藝以及高效的紡織織造技術(shù)的前提下，現(xiàn)代紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料以驚人的速度蓬勃發(fā)展，已波及美國(guó)、法國(guó)、英國(guó)、德國(guó)、俄羅斯、拉脫維亞、芬蘭、比利時(shí)、中國(guó)、日本、南朝鮮等國(guó)。其重要原因之一，就是紡織構(gòu)造的優(yōu)越的力學(xué)性能，特別是不同的織造技術(shù)所形成的纖維束的微觀構(gòu)

型，適應(yīng)十分廣泛的載荷環(huán)境作用下的工程結(jié)構(gòu)的要求。

三、紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料應(yīng)用

（一）按當(dāng)代歷史觀點(diǎn)，紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的出現(xiàn)是近世紀(jì)材料科學(xué)發(fā)展的重大進(jìn)步之一。而按紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的定義，可以追溯到中國(guó)古代用編成排的秫桔混合粘土做成的墻體，這是紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在建筑領(lǐng)域的最早應(yīng)用。

（二）用銅絲編織成的陶瓷基容器?？梢钥甲C，早在中國(guó)明朝(1368年～1644年)就可精制此類景泰藍(lán)。由此可知，人類很早就熟知紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn):織造的纖維網(wǎng)絡(luò)具有優(yōu)越的整體增強(qiáng)作用。因而紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的出現(xiàn)和發(fā)展是一個(gè)悠久的歷史過程。

（三）在航空航天領(lǐng)域，高溫、燒蝕和高速?zèng)_刷的導(dǎo)彈頭錐、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的喉襯采用三維整體編織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。發(fā)動(dòng)機(jī)裙和導(dǎo)彈彈體(或火箭箭體)以及飛機(jī)機(jī)身則采用二維編織或機(jī)織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。目前對(duì)空間飛行器，特別是對(duì)那些長(zhǎng)時(shí)間在軌道運(yùn)行的空間站、空間實(shí)驗(yàn)室和重復(fù)使用的太空運(yùn)輸系統(tǒng)，正在進(jìn)行一類智能型紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的研究。這類結(jié)構(gòu)是將諸如光纖(傳感)、壓電(驅(qū)動(dòng))等元件埋入材料內(nèi)部，以監(jiān)控制造過程中的質(zhì)量和運(yùn)行中結(jié)構(gòu)的健康狀況或控制結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)行為;

（四）在交通運(yùn)輸領(lǐng)域，從自行車到汽車、艦艇、高速火車和軍用戰(zhàn)車，都可以找出用紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料制成的零、部件和主體構(gòu)架的例子，只是不同部件采用不同類型的紡織結(jié)構(gòu)而已。如形狀復(fù)雜的螺旋槳、曲軸就采用整體編織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料;

（五）在建筑領(lǐng)域，可分為兩類:一類是剛性復(fù)合材料構(gòu)件，如梁、柱、骨架等;一類則是柔性復(fù)合材料構(gòu)件，如體育館、停車場(chǎng)和車站的屋頂、野營(yíng)帳篷等。前者大多采用三維織造類結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，后者則用二維織造類結(jié)構(gòu)復(fù)合材料〔8〕;六）體育用品如高爾夫球桿，醫(yī)療用品如人造血管、骨骼等都可用三維織造類結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。

四、紡織復(fù)合材料的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

（一）高強(qiáng)度、高模量，特別是包括厚度方向、橫向的全方位增強(qiáng)，使材料具有高損傷容限、高斷裂韌性、耐沖擊、抗分層、開裂和疲勞等;

（二）優(yōu)良的可設(shè)計(jì)性，可按加載方向增加纖維束數(shù)，以及按實(shí)際需要(整體)織造復(fù)雜形狀的零、部件和一次完成組合件，如加筋殼、開孔結(jié)構(gòu)的制造等;

（三）可自動(dòng)化高效率生產(chǎn)和接近實(shí)際產(chǎn)品形狀的制造，使加工量和連接大大減少。因而經(jīng)濟(jì)性好、成本低、制造周期短;

（四）易于在預(yù)成型和復(fù)合前安放機(jī)敏類材料，如光纖、壓電等，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合工藝質(zhì)量監(jiān)控、產(chǎn)品在服務(wù)期間

的壽命監(jiān)測(cè)、振動(dòng)控制等，這樣既提高了產(chǎn)品質(zhì)量又增加了可靠性。

五、紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的組成與設(shè)計(jì)因素

紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料類似于自然界經(jīng)過優(yōu)勝劣汰的生物組織。所不同的是由纖維束組成的種種預(yù)成型構(gòu)造是經(jīng)過現(xiàn)代紡織技術(shù)織造成形的。將成型后的纖維束網(wǎng)絡(luò)骨架充填以基體材料，經(jīng)固化制成紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。

紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的另一個(gè)組分就是基體材料。主要有樹脂基、金屬基、陶瓷基和碳碳基4類基體材料。在復(fù)合材料中，基體起著傳遞載荷、均衡載荷和固箝支持纖維的作用。只有纖維和基體兩者有機(jī)地匹配協(xié)調(diào)，才能充分發(fā)揮整體作用和各自的性能，即通常估算力學(xué)性能的混合律方可成立。值得指出，混合律還只是一個(gè)工程處理模式，切勿從混合律各組分所占的比例來(lái)判定各個(gè)組分所起的作用。這是因?yàn)榧徔椊Y(jié)構(gòu)復(fù)合材料的工藝性、力學(xué)性能中的壓縮、彎曲、剪切、扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度、對(duì)環(huán)境的溫度、介質(zhì)相容性以及導(dǎo)電、傳熱等物理或化學(xué)性能主要取決于基體材料。研究表明，兩組分固化后組分之間受4種力的相互作用而固結(jié)成整體:其一，兩組分本身的內(nèi)聚力;其二，在纖維表面的微孔隙被基體大分子滲透擴(kuò)散而“釘牢”所產(chǎn)生的機(jī)械作用力;其三，包括氫鍵和范德華力在內(nèi)的吸附力;其四，基體的化學(xué)基團(tuán)與纖維表面化學(xué)基團(tuán)起化學(xué)反應(yīng)所形成的化學(xué)鍵的作用力。這是組分選擇和工藝方法選擇的第二個(gè)應(yīng)考慮的因素。

復(fù)合材料范文第2篇

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料損傷；復(fù)合材料檢查；復(fù)合材料修理

1.飛機(jī)復(fù)合材料

1.1 應(yīng)用種類

飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)通常被稱為"纖維增強(qiáng)塑料"。這是因?yàn)樗褂酶邚?qiáng)度的纖維增強(qiáng)材料，嵌入在一種樹脂基體里，以層或?qū)悠男问蒋B加起來(lái)，形成層板。然后使用一種精確控制的加壓加熱工藝把該層板固化為一種非常堅(jiān)固和堅(jiān)硬的結(jié)構(gòu)。

組成飛機(jī)復(fù)合材料的組元有纖維增強(qiáng)材料，基體和界面層（圖1）。纖維增強(qiáng)材料體是承載的組元，均勻地分布在基體中，并對(duì)基體起增強(qiáng)（韌）作用；基體是起著連接纖維增強(qiáng)材料，使復(fù)合材料獲得一定的形狀，并保護(hù)纖維增強(qiáng)材料的作用；界面層是包覆在增強(qiáng)體外面的涂層，其功能是傳力，同時(shí)防止基體對(duì)纖維增強(qiáng)材料的損傷，并調(diào)節(jié)基體與纖維增強(qiáng)材料之間的物理、化學(xué)結(jié)合狀態(tài)，確保纖維增強(qiáng)材料作用的發(fā)揮。通過界面層產(chǎn)生的復(fù)合效應(yīng)，可以使復(fù)合材料超越原來(lái)各組元的性能，達(dá)到最大幅度改善強(qiáng)度或韌性的目的。飛機(jī)復(fù)合材料不但是多組元的材料，而且，材料的機(jī)械性能和物理性能隨方向而變化，也是各向異性的材料。

2.復(fù)合材料的損傷

2.1 復(fù)合材料基體樹脂裂紋損傷

復(fù)合材料層合板在承受拉伸載荷或交變載荷時(shí)，我們首先能在偏軸層內(nèi)觀察到基體裂紋。最早出現(xiàn)裂紋的往往是90？鋪層，其后是其他偏軸層。一般說(shuō)來(lái)，相對(duì)軸向載荷方向的角度越小，越不容易形成基體樹脂裂紋。偏軸層內(nèi)的基體樹脂裂紋是偏軸層內(nèi)的主要損傷形式。基體樹脂裂紋的起始依賴于該層內(nèi)的應(yīng)力水平。只要層內(nèi)的應(yīng)力水平達(dá)到了基體樹脂材料的破壞強(qiáng)度，或者雖應(yīng)力水平低于基體樹脂的破壞強(qiáng)度，但經(jīng)過足夠的載荷循環(huán)，偏軸層內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)基體樹脂裂紋。偏軸層內(nèi)的基體樹脂裂紋損傷與鋪層順序有關(guān)。例如，[0/90/ 45]s層合板90？鋪層中的裂紋比[0/ 45/90]s層合板90？鋪層中的裂紋多。所有偏軸層的裂紋加在一起，有60%～90%的裂紋產(chǎn)生在20%疲勞壽命以前。但是，出現(xiàn)大量的基體樹脂裂紋并不影響構(gòu)件應(yīng)用時(shí)的安全性，大量的靜力試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)都證明了復(fù)合材料具有獨(dú)特的"損傷-安全"特性。

2.2 復(fù)合材料撞擊損傷

復(fù)合材料耐撞擊的性能較差。常會(huì)因受到外來(lái)物撞擊而產(chǎn)生損傷。當(dāng)撞擊能量低于某個(gè)水平時(shí)，雖然目視不能覺察到損傷，這種損傷可能導(dǎo)致強(qiáng)度顯著降低。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在使用過程中，可能會(huì)因受到撞擊而產(chǎn)生各式各樣的損傷，可分為硬物體撞擊和軟物體撞擊損傷。

硬物體的撞擊往往是引起復(fù)合材料的局部損傷，可能導(dǎo)致復(fù)合材料強(qiáng)度明顯下降，甚至在短時(shí)間的疲勞過程中發(fā)生疲勞破壞。飛機(jī)起飛和著陸滑跑時(shí)跑道上的石子以及空中飛行時(shí)遇到冰雹，都可能使復(fù)合材料構(gòu)件產(chǎn)生撞擊損傷；另外，在制造和維護(hù)過程中，不正確的維護(hù)行為，例如跌落工具的撞擊等也會(huì)使復(fù)合材料構(gòu)件產(chǎn)生撞擊損傷。

軟物體的撞擊主要是指飛鳥的撞擊。這種撞擊有時(shí)直接造成結(jié)構(gòu)破壞，有時(shí)只引起局部損傷。主要取決于撞擊物的質(zhì)量、材料、撞擊速度、幾何形狀和撞擊時(shí)的偏斜角度。

2.3 復(fù)合材料層間分層損傷

在面內(nèi)軸向載荷作用下，沿著復(fù)合材料構(gòu)件邊緣會(huì)產(chǎn)生層間應(yīng)力或壓應(yīng)力（垂直層合板平面方向）。如果外載荷（靜載荷）引起的層間應(yīng)力是拉應(yīng)力，并且超過了材料的層間強(qiáng)度，那么自由邊緣處將會(huì)產(chǎn)生分層。應(yīng)當(dāng)指出，當(dāng)交變應(yīng)力水平低于開始分層的靜應(yīng)力水平時(shí)，在疲勞壽命初期也可能產(chǎn)生分層。

復(fù)合材料層合板的鋪層順序?qū)Q定在自由邊緣處產(chǎn)生的層間法向應(yīng)力是拉應(yīng)力還是壓應(yīng)力。例如，[30/90]s層合板在拉伸載荷作用下，自由邊緣處產(chǎn)生的層間法向應(yīng)力是拉應(yīng)力，而在壓縮載荷作用下所產(chǎn)生的是壓應(yīng)力，所以，[30/90]s層合板在拉伸載荷作用下，將產(chǎn)生廣泛的分層損傷，而在壓縮載荷作用下，不會(huì)產(chǎn)生如此嚴(yán)重的分層損傷。原因是它在壓縮載荷作用下，自由邊緣處的層間法向應(yīng)力是壓應(yīng)力。[90/30]s層合板在壓縮載荷作用下，自由邊緣處產(chǎn)生層間拉應(yīng)力，所以它在壓縮載荷下產(chǎn)生分層損傷。另外，還應(yīng)指出，兩個(gè)90？鋪層粘貼在一起，易在自由邊緣處引起分層損傷。采用縫紉或編織布包覆邊緣的方法和提高基體材料的層間強(qiáng)度，都可以提高層間抗分層破壞的能力。

3.復(fù)合材料損傷的修理

3.1 復(fù)合材料修理設(shè)備

在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理固化過程中，需要對(duì)修理部位進(jìn)行加溫；在修理過程中，常用的加溫設(shè)備有烘箱和加熱毯，也可以選擇使用熱壓罐。熱壓罐使用正壓來(lái)壓實(shí)材料鋪層，同時(shí)使用氮?dú)夂涂諝獾臒峄旌蠚怏w，通過高速循環(huán)來(lái)固化材料。烘箱使用真空袋內(nèi)的負(fù)壓來(lái)壓實(shí)材料鋪層，同時(shí)使用高速循環(huán)的空氣來(lái)固化材料。加熱燈用于固化低溫修理。加熱燈與修理表面的距離將決定修理部位的溫度，需要一個(gè)可調(diào)節(jié)的支架來(lái)變換到修理部位的距離。加熱燈不能接觸或接近修理部位或部件，否則會(huì)造成修理區(qū)域或部件的損壞。同時(shí)可以使用熱電偶來(lái)測(cè)量表面溫度，如果在加熱燈直接光束下的溫度比較高，可以使用熱補(bǔ)儀控制器來(lái)控制加熱燈的溫度。電熱毯由兩層硅膠夾一層金屬電阻加熱元件構(gòu)成。復(fù)合材料修理使用每平方英寸上輸出5瓦功率的電熱毯。為確保修理部位的邊緣也能充分固化，應(yīng)使用比修理區(qū)域大4英寸的電熱毯。

在修理中可以設(shè)定一個(gè)指示最高溫度的熱電偶來(lái)控制修理固化周期，熱補(bǔ)儀在修理固化周期中可以監(jiān)控真空袋中的真空水平，如果真空袋出現(xiàn)異常，熱補(bǔ)儀會(huì)發(fā)出報(bào)警。

3.2 復(fù)合材料修理輔助材料

輔助材料是修理完后它并不成為修理部件的一部分。輔助材料指的是在修理過程中被用來(lái)輔助固化工藝或幫助固化達(dá)到正確的纖維-樹脂比率的材料。（圖2）

輔助材料有：分離膜/織布、吸膠材料和透氣棉、真空袋膜、做真空袋的密封膠帶等。這些材料有不同的成分、厚度和溫度范圍可供選擇。分離膜/織布在需要控制樹脂流動(dòng)的情況下使用，或與樹脂/膠黏劑接觸使用。無(wú)孔分離膜/織布作為一種隔離物，起隔離作用。有孔分離膜/織布允許樹脂和空氣通過，在固化之后可以輕易地從部件上去除。吸膠材料和透氣棉可以是同一種材料，但有不同的應(yīng)用。這種材料吸收力強(qiáng)，多孔，通常由聚酯材料制成。吸膠材料用來(lái)吸收部件上的多余樹脂，給樹脂固化時(shí)的化學(xué)揮發(fā)物以及空氣提供通道，便于它們?cè)诠袒^程中逸出。透氣棉通常用于不與樹脂接觸的情況下，只在真空袋膜與其他真空袋材料之間使用，為空氣從鋪層的逸出提供通道。密封膠帶用于部件和真空袋膜之間，起空氣密封作用，產(chǎn)生修理所需要的真空壓力。

3.3 復(fù)合材料修理材料

1.樹脂材料：樹脂用于浸漬纖維織物，樹脂是雙組分環(huán)氧樹脂系列。在兩組分混合使用前，各組分可以在室溫下保存。

2.纖維織物：纖維織物（纖維織物和纖維單向帶）是濕鋪層修理的鋪層材料。濕鋪層修理由用戶采用纖維織物浸涂樹脂進(jìn)行的鋪層修理。

參考文獻(xiàn)

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復(fù)合材料范文第3篇

關(guān)鍵詞：聚苯胺 復(fù)合材料 合成方法

The Synthesis Of Polyaniline Composite Materials

LiushengCaoming

(College of Chemical Engineering and Energy; Zhengzhou University，Zhengzhou Henan China 450001)

Abstract:In recent years,polyaniline has attracted much attention because of its excellent properties. The study on its synthesis and doped mechanism is always one of the major research contents of polyanline.In this paper, the synthesis methods of polyanline composite materials are reviewed

Keywords:polyanlineComposite materialsSynthesis methods

一、引言

半導(dǎo)體金屬氧化物傳感器是目前主要的商業(yè)化的氣體傳感器，但在應(yīng)用中存在選擇性差、操作溫度高、穩(wěn)定性也不令人滿意等問題。而以聚苯胺（PANI）為代表的導(dǎo)電高分子氣敏材料由于價(jià)廉易得、合成和制膜工藝簡(jiǎn)單且可在常溫下工作等優(yōu)點(diǎn)，已成為研究的熱點(diǎn)。但是純的聚苯胺氣敏材料存在選擇性性差、靈敏度低以及穩(wěn)定性欠佳等缺點(diǎn)，并且聚苯胺為共軛的剛性鏈結(jié)構(gòu)，在有機(jī)溶劑中溶解度低、成膜性能差，不易加工成型從而阻礙了它作為氣敏材料在實(shí)際中的應(yīng)用。所以，為了克服純聚苯胺的缺點(diǎn)，通過選擇合適的通用高分子材料與聚苯胺復(fù)合，提高其靈敏度和選擇性；改善材料的加工成膜性能；同時(shí)使之具有很好的穩(wěn)定性，從而能夠更廣泛地應(yīng)用于氣體傳感器中。

二、聚苯胺復(fù)合材料的合成

復(fù)合材料的合成方法大致可分為：共聚法、共混法、“現(xiàn)場(chǎng)”吸附聚合法以及電化學(xué)合成法四種。

1.共聚法

該法是合成包含導(dǎo)電共軛鏈段的接枝或嵌段共聚物，也是獲得可溶性導(dǎo)電高分子的一種方法。這種共聚物在溶液中因界面活性能夠形成膠束，導(dǎo)電鏈段（硬段）處于核心，其含量多少?zèng)Q定共聚物在溶液中的凝聚性。用共聚改性的方法雖然可以在一定程度上改善聚苯胺的力學(xué)性能和加工性能，但同時(shí)使聚合物的導(dǎo)電性能下降，改善的效果并不明顯，報(bào)道的研究成果也較少。

2.共混法

共混法又可以溶液共混法、機(jī)械共混法和乳液共混法三種。

2.1溶液共混法

溶液共混法有兩種實(shí)施方法：（1）通過選用恰當(dāng)?shù)墓δ苜|(zhì)子酸，使摻雜PANI與聚合物共溶于特定的有機(jī)溶劑中，通過溶液共混方法制備聚苯胺導(dǎo)電材料，其關(guān)鍵是摻雜劑和溶劑的選擇。（2）將本征態(tài)聚苯胺和聚合物分別溶于有機(jī)溶劑中，按一定比例混合澆鑄，得到本征態(tài)聚苯胺/聚合物薄膜，再將此薄膜浸于酸溶液中摻雜，從而得到導(dǎo)電復(fù)合膜。

在第一種方案中導(dǎo)電性能的摻雜劑功能質(zhì)子酸中的功能基團(tuán)、基體聚合物、溶劑、加工方法和所得共混材料的相結(jié)構(gòu)的影響。第二種實(shí)施方法在酸溶液摻雜過程中，摻雜介質(zhì)對(duì)摻雜效率有明顯的影響。

溶液共混法分散均勻、使用方便、能夠制得電導(dǎo)率較透明材料。但是導(dǎo)電聚苯胺在常用有機(jī)溶劑中溶解度小，需要耗費(fèi)大量有機(jī)溶劑，容易造成環(huán)境污染。

2.2機(jī)械熔融共混法

機(jī)械共混法是制備聚合物共混材料的常用方法。將導(dǎo)電聚苯胺與基體聚合物同時(shí)放入混煉設(shè)備中，在熔融溫度下進(jìn)行混煉，即可得到聚苯胺/聚合物導(dǎo)電共混材料。

機(jī)械熔融加工法既可以把導(dǎo)電聚合物粒子分散于熱塑性材料中，充分利用熱塑性聚合物的加工特性，也可以用涂覆有導(dǎo)電聚合物的熱塑性材料顆粒熱壓加工?；w聚合物、摻雜劑、溫度和加工方法的選擇，都會(huì)影響所得導(dǎo)電材料的性能。

2.3乳液共混法

乳液共混法有兩種實(shí)施方法：一種是原位乳液聚合法，即用溶劑將聚合物樹脂溶解后，加入表面活性劑制成乳液，再進(jìn)行苯胺的聚合;另一種是兩步法，即先制備PANI膠乳，再與基體聚合物的溶液或乳液共混。

兩步法中，PANI膠乳的穩(wěn)定是技術(shù)的關(guān)鍵，只有在穩(wěn)定的膠乳體系中，才可以獲得性能均一的共混材料。目前多是采用PANI-DBSA膠乳體系，膠乳中PANI粒徑是納米級(jí)的，在適當(dāng)?shù)腄BSA存在下，膠乳體系是穩(wěn)定的，其分散程度和穩(wěn)定程度，隨DBSA含量的增加而增加。其中一些DBSA是摻雜劑，過量的DBSA則充當(dāng)表面活性劑。來(lái)保持體系穩(wěn)定。甚至當(dāng)PANI乳液與聚合物的溶液或乳液混合后，無(wú)須添加任何添加劑，所得分散體系也是穩(wěn)定的。

乳液聚合對(duì)聚苯胺溶解性的改善得益于聚合過程中使用的乳化劑，乳化劑往往是大分子功能質(zhì)子酸，不僅具有乳化作用，而且對(duì)生成的聚苯胺分子能進(jìn)行有效的摻雜，起到模板或立體穩(wěn)定劑的作用。

3.“現(xiàn)場(chǎng)”吸附聚合法

該方法是將苯胺單體吸附在非導(dǎo)電聚合物基材上，通過引發(fā)聚合苯胺單體在基材表面形成導(dǎo)電薄膜，從而獲得功能性聚苯胺復(fù)合材料。例如，將纖維、紡織品、塑料等基材浸在新配制的過硫酸銨與苯胺的酸性水溶液混合物中，使苯胺在基材的表面發(fā)生氧化聚合反應(yīng)，聚苯胺可均勻地“沉積”在基材表面，形成良好的致密膜，以制成導(dǎo)電材料。

復(fù)合材料的力學(xué)性能以及熱力學(xué)性能主要由基材性能決定，這就為根據(jù)實(shí)際需要合成出具有不同熱、力學(xué)性能的聚苯胺復(fù)合材料提供了可能。

4.電化學(xué)合成法

電化學(xué)方法通常用來(lái)制備膜制品。其方式有兩種：一種是二段法，即在電解質(zhì)溶液中，在預(yù)先覆有絕緣高分子膜的電極上電解聚苯胺單體。第二種是一段法，即將聚苯胺單體、支撐高分子一起溶于電解液中，一次電解得到所需復(fù)合膜。用電化學(xué)制備復(fù)合膜，不僅可以避免使用強(qiáng)烈的氧化劑和有害的摻雜劑，而且可以控制其膜結(jié)構(gòu)。

三、結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)隨著氣體傳感器的廣泛應(yīng)用和氣敏元件性能的需求，聚苯胺已成為一種新興的導(dǎo)電高分子材料而受到廣大科研工作者的青睞。雖然聚苯胺的基礎(chǔ)研究和摻雜機(jī)理的研究已經(jīng)取得一定的成果，但是仍有很多問題亟待解決：聚苯胺的復(fù)合機(jī)制、導(dǎo)電機(jī)制以及進(jìn)一步提高聚苯胺的性能。所以對(duì)聚苯胺這個(gè)新興的導(dǎo)電高分子材料，仍需科研工作者投入大量精力去研究！

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復(fù)合材料范文第4篇

復(fù)合材料是指由兩種或兩種以上不同物質(zhì)以不同方式組合而成的材料，它可以發(fā)揮各種材料的優(yōu)點(diǎn)，克服單一材料的缺陷，擴(kuò)大材料的應(yīng)用范圍。由于復(fù)合材料具有重量輕、強(qiáng)度高、加工成型方便、彈性優(yōu)良、耐化學(xué)腐蝕和耐候性好等特點(diǎn)，已逐步取代木材及金屬合金，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、電子電氣、建筑、健身器材等領(lǐng)域，在近幾年更是得到了飛速發(fā)展。

隨著科技的發(fā)展，樹脂與玻璃纖維在技術(shù)上不斷進(jìn)步，生產(chǎn)廠家的制造能力普遍提高，使得玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料的價(jià)格成本已被許多行業(yè)接受，但玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料的強(qiáng)度尚不足以和金屬匹敵。因此，碳纖維、硼纖維等增強(qiáng)復(fù)合材料相繼問世，使高分子復(fù)合材料家族更加完備，已經(jīng)成為眾多產(chǎn)業(yè)的必備材料。目前全世界復(fù)合材料的年產(chǎn)量已達(dá)550多萬(wàn)噸，年產(chǎn)值達(dá)1300億美元以上，若將歐、美的軍事航空航天的高價(jià)值產(chǎn)品計(jì)入，其產(chǎn)值將更為驚人。從全球范圍看，世界復(fù)合材料的生產(chǎn)主要集中在歐美和東亞地區(qū)。近幾年歐美復(fù)合材料產(chǎn)需均持續(xù)增長(zhǎng)，而亞洲的日本則因經(jīng)濟(jì)不景氣，發(fā)展較為緩慢，但中國(guó)尤其是中國(guó)內(nèi)地的市場(chǎng)發(fā)展迅速。據(jù)世界主要復(fù)合材料生產(chǎn)商PPG公司統(tǒng)計(jì)，2000年歐洲的復(fù)合材料全球占有率約為32%，年產(chǎn)量約200萬(wàn)噸。與此同時(shí)，美國(guó)復(fù)合材料在20世紀(jì)90年代年均增長(zhǎng)率約為美國(guó)GDP增長(zhǎng)率的2倍，達(dá)到4%~6%。2000年，美國(guó)復(fù)合材料的年產(chǎn)量達(dá)170萬(wàn)噸左右。特別是汽車用復(fù)合材料的迅速增加使得美國(guó)汽車在全球市場(chǎng)上重新崛起。亞洲近幾年復(fù)合材料的發(fā)展情況與政治經(jīng)濟(jì)的整體變化密切相關(guān)，各國(guó)的占有率變化很大?？傮w而言，亞洲的復(fù)合材料仍將繼續(xù)增長(zhǎng)，2000年的總產(chǎn)量約為145萬(wàn)噸，預(yù)計(jì)2005年總產(chǎn)量將達(dá)180萬(wàn)噸。

從應(yīng)用上看，復(fù)合材料在美國(guó)和歐洲主要用于航空航天、汽車等行業(yè)。2000年美國(guó)汽車零件的復(fù)合材料用量達(dá)14.8萬(wàn)噸，歐洲汽車復(fù)合材料用量到2003年估計(jì)可達(dá)10.5萬(wàn)噸。而在日本，復(fù)合材料主要用于住宅建設(shè)，如衛(wèi)浴設(shè)備等，此類產(chǎn)品在2000年的用量達(dá)7.5萬(wàn)噸，汽車等領(lǐng)域的用量?jī)H為2.4萬(wàn)噸。不過從全球范圍看，汽車工業(yè)是復(fù)合材料最大的用戶，今后發(fā)展?jié)摿θ允志薮?，目前還有許多新技術(shù)正在開發(fā)中。例如，為降低發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲，增加轎車的舒適性，正著力開發(fā)兩層冷軋板間粘附熱塑性樹脂的減振鋼板；為滿足發(fā)動(dòng)機(jī)向高速、增壓、高負(fù)荷方向發(fā)展的要求，發(fā)動(dòng)機(jī)活塞、連桿、軸瓦已開始應(yīng)用金屬基復(fù)合材料。為滿足汽車輕量化要求，必將會(huì)有越來(lái)越多的新型復(fù)合材料將被應(yīng)用到汽車制造業(yè)中。與此同時(shí)，隨著近年來(lái)人們對(duì)環(huán)保問題的日益重視，高分子復(fù)合材料取代木材方面的應(yīng)用也得到了進(jìn)一步推廣。例如，用植物纖維與廢塑料加工而成的復(fù)合材料，在北美已被大量用作托盤和包裝箱，用以替代木制產(chǎn)品；而可降解復(fù)合材料也成為國(guó)內(nèi)外開發(fā)研究的重點(diǎn)。

另外，納米技術(shù)逐漸引起人們的關(guān)注，納米復(fù)合材料的研究開發(fā)也成為新的熱點(diǎn)。以納米改性塑料，可使塑料的聚集態(tài)及結(jié)晶形態(tài)發(fā)生改變，從而使之具有新的性能，在克服傳統(tǒng)材料剛性與韌性難以相容的矛盾的同時(shí)，大大提高了材料的綜合性能。

樹脂基復(fù)合材料的增強(qiáng)材料

樹脂基復(fù)合材料采用的增強(qiáng)材料主要有玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維等。

1、玻璃纖維

目前用于高性能復(fù)合材料的玻璃纖維主要有高強(qiáng)度玻璃纖維、石英玻璃纖維和高硅氧玻璃纖維等。由于高強(qiáng)度玻璃纖維性價(jià)比較高，因此增長(zhǎng)率也比較快，年增長(zhǎng)率達(dá)到10%以上。高強(qiáng)度玻璃纖維復(fù)合材料不僅應(yīng)用在軍用方面，近年來(lái)民用產(chǎn)品也有廣泛應(yīng)用，如防彈頭盔、防彈服、直升飛機(jī)機(jī)翼、預(yù)警機(jī)雷達(dá)罩、各種高壓壓力容器、民用飛機(jī)直板、體育用品、各類耐高溫制品以及近期報(bào)道的性能優(yōu)異的輪胎簾子線等。石英玻璃纖維及高硅氧玻璃纖維屬于耐高溫的玻璃纖維，是比較理想的耐熱防火材料，用其增強(qiáng)酚醛樹脂可制成各種結(jié)構(gòu)的耐高溫、耐燒蝕的復(fù)合材料部件，大量應(yīng)用于火箭、導(dǎo)彈的防熱材料。迄今為止，我國(guó)已經(jīng)實(shí)用化的高性能樹脂基復(fù)合材料用的碳纖維、芳綸纖維、高強(qiáng)度玻璃纖維三大增強(qiáng)纖維中，只有高強(qiáng)度玻璃纖維已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，且擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，形成了小規(guī)模的產(chǎn)業(yè)，現(xiàn)階段年產(chǎn)可達(dá)500噸。

2、碳纖維

碳纖維具有強(qiáng)度高、模量高、耐高溫、導(dǎo)電等一系列性能，首先在航空航天領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，近年來(lái)在運(yùn)動(dòng)器具和體育用品方面也廣泛采用。據(jù)預(yù)測(cè)，土木建筑、交通運(yùn)輸、汽車、能源等領(lǐng)域?qū)?huì)大規(guī)模采用工業(yè)級(jí)碳纖維。1997~2000年間，宇航用碳纖維的年增長(zhǎng)率估計(jì)為31%，而工業(yè)用碳纖維的年增長(zhǎng)率估計(jì)會(huì)達(dá)到130%。我國(guó)的碳纖維總體水平還比較低，相當(dāng)于國(guó)外七十年代中、末期水平，與國(guó)外差距達(dá)20年左右。國(guó)產(chǎn)碳纖維的主要問題是性能不太穩(wěn)定且離散系數(shù)大、無(wú)高性能碳纖維、品種單一、規(guī)格不全、連續(xù)長(zhǎng)度不夠、未經(jīng)表面處理、價(jià)格偏高等。

3、芳綸纖維

20世紀(jì)80年代以來(lái)，荷蘭、日本、前蘇聯(lián)也先后開展了芳綸纖維的研制開發(fā)工作。日本及俄羅斯的芳綸纖維已投入市場(chǎng)，年增長(zhǎng)速度也達(dá)到20%左右。芳綸纖維比強(qiáng)度、比模量較高，因此被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域的高性能復(fù)合材料零部件（如火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)艙、整流罩、方向舵等）、艦船（如航空母艦、核潛艇、游艇、救生艇等）、汽車（如輪胎簾子線、高壓軟管、摩擦材料、高壓氣瓶等）以及耐熱運(yùn)輸帶、體育運(yùn)動(dòng)器材等。

4、超高分子量聚乙烯纖維

超高分子量聚乙烯纖維的比強(qiáng)度在各種纖維中位居第一，尤其是它的抗化學(xué)試劑侵蝕性能和抗老化性能優(yōu)良。它還具有優(yōu)良的高頻聲納透過性和耐海水腐蝕性，許多國(guó)家已用它來(lái)制造艦艇的高頻聲納導(dǎo)流罩，大大提高了艦艇的探雷、掃雷能力。除在軍事領(lǐng)域，在汽車制造、船舶制造、醫(yī)療器械、體育運(yùn)動(dòng)器材等領(lǐng)域超高分子量聚乙烯纖維也有廣闊的應(yīng)用前景。該纖維一經(jīng)問世就引起了世界發(fā)達(dá)國(guó)家的極大興趣和重視。

5、熱固性樹脂基復(fù)合材料

熱固性樹脂基復(fù)合材料是指以熱固性樹脂如不飽和聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、乙烯基酯樹脂等為基體，以玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維等為增強(qiáng)材料制成的復(fù)合材料。環(huán)氧樹脂的特點(diǎn)是具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、電絕緣性、耐腐蝕性、良好的粘接性能和較高的機(jī)械強(qiáng)度，廣泛應(yīng)用于化工、輕工、機(jī)械、電子、水利、交通、汽車、家電和宇航等各個(gè)領(lǐng)域。1993年世界環(huán)氧樹脂生產(chǎn)能力為130萬(wàn)噸，1996年遞增到143萬(wàn)噸，1997年為148萬(wàn)噸，1999年150萬(wàn)噸，2003年達(dá)到180萬(wàn)噸左右。我國(guó)從1975年開始研究環(huán)氧樹脂，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)環(huán)氧樹脂生產(chǎn)企業(yè)約有170多家，總生產(chǎn)能力為50多萬(wàn)噸，設(shè)備利用率為80%左右。酚醛樹脂具有耐熱性、耐磨擦性、機(jī)械強(qiáng)度高、電絕緣性優(yōu)異、低發(fā)煙性和耐酸性優(yōu)異等特點(diǎn)，因而在復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。1997年全球酚醛樹脂的產(chǎn)量為300萬(wàn)噸，其中美國(guó)為164萬(wàn)噸。我國(guó)的產(chǎn)量為18萬(wàn)噸，進(jìn)口4萬(wàn)噸。乙烯基酯樹脂是20世紀(jì)60年展起來(lái)的一類新型熱固性樹脂，其特點(diǎn)是耐腐蝕性好，耐溶劑性好，機(jī)械強(qiáng)度高，延伸率大，與金屬、塑料、混凝土等材料的粘結(jié)性能好，耐疲勞性能好，電性能佳，耐熱老化，固化收縮率低，可常溫固化也可加熱固化。南京金陵帝斯曼樹脂有限公司引進(jìn)荷蘭Atlac系列強(qiáng)耐腐蝕性乙烯基酯樹脂，已廣泛用于貯罐、容器、管道等，有的品種還能用于防水和熱壓成型。南京聚隆復(fù)合材料有限公司、上海新華樹脂廠、南通明佳聚合物有限公司等廠家也生產(chǎn)乙烯基酯樹脂。1971年以前我國(guó)的熱固性樹脂基復(fù)合材料工業(yè)主要是軍工產(chǎn)品，70年代后開始轉(zhuǎn)向民用。從1987年起，各地大量引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)如池窯拉絲、短切氈、表面氈生產(chǎn)線及各種牌號(hào)的聚酯樹脂（美、德、荷、英、意、日）和環(huán)氧樹脂（日、德）生產(chǎn)技術(shù)；在成型工藝方面，引進(jìn)了纏繞管、罐生產(chǎn)線、拉擠工藝生產(chǎn)線、SMC生產(chǎn)線、連續(xù)制板機(jī)組、樹脂傳遞模塑(RTM)成型機(jī)、噴射成型技術(shù)、樹脂注射成型技術(shù)及漁竿生產(chǎn)線等，形成了從研究、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)及原材料配套的完整的工業(yè)體系，截止2000年底，我國(guó)熱固性樹脂基復(fù)合材料生產(chǎn)企業(yè)達(dá)3000多家，已有51家通過ISO9000質(zhì)量體系認(rèn)證，產(chǎn)品品種3000多種，總產(chǎn)量達(dá)73萬(wàn)噸/年，居世界第二位。產(chǎn)品主要用于建筑、防腐、輕工、交通運(yùn)輸、造船等工業(yè)領(lǐng)域。在建筑方面，有內(nèi)外墻板、透明瓦、冷卻塔、空調(diào)罩、風(fēng)機(jī)、玻璃鋼水箱、衛(wèi)生潔具、凈化槽等；在石油化工方面，主要用于管道及貯罐；在交通運(yùn)輸方面，汽車上主要有車身、引擎蓋、保險(xiǎn)杠等配件，火車上有車廂板、門窗、座椅等，船艇方面主要有氣墊船、救生艇、偵察艇、漁船等；在機(jī)械及電器領(lǐng)域如屋頂風(fēng)機(jī)、軸流風(fēng)機(jī)、電纜橋架、絕緣棒、集成電路板等產(chǎn)品都具有相當(dāng)?shù)囊?guī)模；在航空航天及軍事領(lǐng)域，輕型飛機(jī)、尾翼、衛(wèi)星天線、火箭噴管、防彈板、防彈衣、魚雷等都取得了重大突破。

熱塑性樹脂基復(fù)合材料

熱塑性樹脂基復(fù)合材料是20世紀(jì)80年展起來(lái)的，主要有長(zhǎng)纖維增強(qiáng)粒料(LFP)、連續(xù)纖維增強(qiáng)預(yù)浸帶(MITT)和玻璃纖維氈增強(qiáng)型熱塑性復(fù)合材料(GMT)。根據(jù)使用要求不同，樹脂基體主要有PP、PE、PA、PBT、PEI、PC、PES、PEEK、PI、PAI等熱塑性工程塑料，纖維種類包括玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維和硼纖維等一切可能的纖維品種。隨著熱塑性樹脂基復(fù)合材料技術(shù)的不斷成熟以及可回收利用的優(yōu)勢(shì)，該品種的復(fù)合材料發(fā)展較快，歐美發(fā)達(dá)國(guó)家熱塑性樹脂基復(fù)合材料已經(jīng)占到樹脂基復(fù)合材料總量的30%以上。

高性能熱塑性樹脂基復(fù)合材料以注射件居多，基體以PP、PA為主。產(chǎn)品有管件（彎頭、三通、法蘭）、閥門、葉輪、軸承、電器及汽車零件、擠出成型管道、GMT模壓制品（如吉普車座椅支架）、汽車踏板、座椅等。玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯在汽車中的應(yīng)用包括通風(fēng)和供暖系統(tǒng)、空氣過濾器外殼、變速箱蓋、座椅架、擋泥板墊片、傳動(dòng)皮帶保護(hù)罩等。

滑石粉填充的PP具有高剛性、高強(qiáng)度、極好的耐熱老化性能及耐寒性。滑石粉增強(qiáng)PP在車內(nèi)裝飾方面有著重要的應(yīng)用，如用作通風(fēng)系統(tǒng)零部件，儀表盤和自動(dòng)剎車控制杠等，例如美國(guó)HPM公司用20%滑石粉填充PP制成的蜂窩狀結(jié)構(gòu)的吸音天花板和轎車的搖窗升降器卷繩筒外殼。

云母復(fù)合材料具有高剛性、高熱變形溫度、低收縮率、低撓曲性、尺寸穩(wěn)定以及低密度、低價(jià)格等特點(diǎn)，利用云母/聚丙烯復(fù)合材料可制作汽車儀表盤、前燈保護(hù)圈、擋板罩、車門護(hù)欄、電機(jī)風(fēng)扇、百葉窗等部件，利用該材料的阻尼性可制作音響零件，利用其屏蔽性可制作蓄電池箱等。

我國(guó)的熱塑性樹脂基復(fù)合材料的研究開始于20世紀(jì)80年代末期，近十年來(lái)取得了快速發(fā)展，2000年產(chǎn)量達(dá)到12萬(wàn)噸，約占樹脂基復(fù)合材料總產(chǎn)量的17%，，所用的基體材料仍以PP、PA為主，增強(qiáng)材料以玻璃纖維為主，少量為碳纖維，在熱塑性復(fù)合材料方面未能有重大突破，與發(fā)達(dá)國(guó)家尚有差距。

我國(guó)復(fù)合材料的發(fā)展?jié)摿蜔狳c(diǎn)

我國(guó)復(fù)合材料發(fā)展?jié)摿艽?，但須處理好以下熱點(diǎn)問題。

1、復(fù)合材料創(chuàng)新

復(fù)合材料創(chuàng)新包括復(fù)合材料的技術(shù)發(fā)展、復(fù)合材料的工藝發(fā)展、復(fù)合材料的產(chǎn)品發(fā)展和復(fù)合材料的應(yīng)用，具體要抓住樹脂基體發(fā)展創(chuàng)新、增強(qiáng)材料發(fā)展創(chuàng)新、生產(chǎn)工藝發(fā)展創(chuàng)新和產(chǎn)品應(yīng)用發(fā)展創(chuàng)新。到2007年，亞洲占世界復(fù)合材料總銷售量的比例將從18%增加到25%，目前亞洲人均消費(fèi)量?jī)H為0.29kg，而美國(guó)為6.8kg，亞洲地區(qū)具有極大的增長(zhǎng)潛力。

2、聚丙烯腈基纖維發(fā)展

我國(guó)碳纖維工業(yè)發(fā)展緩慢，從CF發(fā)展回顧、特點(diǎn)、國(guó)內(nèi)碳纖維發(fā)展過程、中國(guó)PAN基CF市場(chǎng)概況、特點(diǎn)、“十五”科技攻關(guān)情況看，發(fā)展聚丙烯腈基纖維既有需要也有可能。

3、玻璃纖維結(jié)構(gòu)調(diào)整

我國(guó)玻璃纖維70%以上用于增強(qiáng)基材，在國(guó)際市場(chǎng)上具有成本優(yōu)勢(shì)，但在品種規(guī)格和質(zhì)量上與先進(jìn)國(guó)家尚有差距，必須改進(jìn)和發(fā)展紗類、機(jī)織物、無(wú)紡氈、編織物、縫編織物、復(fù)合氈，推進(jìn)玻纖與玻鋼兩行業(yè)密切合作，促進(jìn)玻璃纖維增強(qiáng)材料的新發(fā)展。

4、開發(fā)能源、交通用復(fù)合材料市場(chǎng)

一是清潔、可再生能源用復(fù)合材料，包括風(fēng)力發(fā)電用復(fù)合材料、煙氣脫硫裝置用復(fù)合材料、輸變電設(shè)備用復(fù)合材料和天然氣、氫氣高壓容器；二是汽車、城市軌道交通用復(fù)合材料，包括汽車車身、構(gòu)架和車體外覆蓋件，軌道交通車體、車門、座椅、電纜槽、電纜架、格柵、電器箱等；三是民航客機(jī)用復(fù)合材料，主要為碳纖維復(fù)合材料。熱塑性復(fù)合材料約占10%，主要產(chǎn)品為機(jī)翼部件、垂直尾翼、機(jī)頭罩等。我國(guó)未來(lái)20年間需新增支線飛機(jī)661架，將形成民航客機(jī)的大產(chǎn)業(yè)，復(fù)合材料可建成新產(chǎn)業(yè)與之相配套；四是船艇用復(fù)合材料，主要為游艇和漁船，游艇作為高級(jí)娛樂耐用消費(fèi)品在歐美有很大市場(chǎng)，由于我國(guó)魚類資源的減少、漁船雖發(fā)展緩慢，但復(fù)合材料特有的優(yōu)點(diǎn)仍有發(fā)展的空間。

5、纖維復(fù)合材料基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用

國(guó)內(nèi)外復(fù)合材料在橋梁、房屋、道路中的基礎(chǔ)應(yīng)用廣泛，與傳統(tǒng)材料相比有很多優(yōu)點(diǎn)，特別是在橋梁上和在房屋補(bǔ)強(qiáng)、隧道工程以及大型儲(chǔ)倉(cāng)修補(bǔ)和加固中市場(chǎng)廣闊。

6、復(fù)合材料綜合處理與再生

復(fù)合材料范文第5篇

1試驗(yàn)

1.1試件試驗(yàn)件均為T700/9368層合板，試驗(yàn)件的設(shè)計(jì)參考了《聚合物基復(fù)合材料手冊(cè)》［11］及相關(guān)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。試件分為三組，光滑板和兩種不同孔徑的含孔層合板各1組，兩端均粘貼50mm長(zhǎng)加強(qiáng)片加固。試件幾何形狀及尺寸見表1和圖1所示。全部試件的鋪層均為20層T700/9368，鋪設(shè)順序均為［45/90/-45/0/45/0/-45/0/90/0］s，(45°鋪層比例為40%。

1.2試件設(shè)備與方案拉-拉疲勞試驗(yàn)在INSTRON8802材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)按照HB5440—1989(碳纖維樹脂基復(fù)合材料拉-拉疲勞試驗(yàn)方法［11］)標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)環(huán)境條件為自然干態(tài)(常態(tài))，環(huán)境溫度為(23±3)℃。對(duì)三組試件分別先進(jìn)行靜載拉伸試驗(yàn)，得到每組試件的拉伸強(qiáng)度，用以確定疲勞試驗(yàn)所需的載荷。

1.3光滑板試驗(yàn)1組光滑板拉-拉疲勞試驗(yàn)加載方式為正弦波，加載頻率10Hz，應(yīng)力比均為0.1，引伸計(jì)跨距為130mm。一定循環(huán)次數(shù)后，通過材料試驗(yàn)機(jī)所帶的應(yīng)變引伸計(jì)測(cè)量各試件應(yīng)變，獲得試件的剛度變化狀況。試件內(nèi)部損傷采用超聲C掃描技術(shù)檢測(cè)。1組光滑板試驗(yàn)共選擇70%、65%和60%三個(gè)應(yīng)力水平，前兩個(gè)應(yīng)力水平各取3個(gè)試件，60%應(yīng)力水平取1個(gè)試件。各試件疲勞壽命見表3。從表中可以看出，除T700-KF1-3試件結(jié)果明顯偏離被去掉外，每個(gè)應(yīng)力水平的光滑板疲勞壽命分散性均較小，試驗(yàn)具有較好的置信度。由于T700碳纖維相比T300碳纖維的延伸率較大，因而出現(xiàn)大規(guī)模的纖維斷裂時(shí)間點(diǎn)較遲且偏差小，這也是T700層合板比T300層合板疲勞壽命分散性小的原因之一。圖2為70%和65%應(yīng)力水平的試件剛度隨循環(huán)次數(shù)的衰減曲線。E0為初始剛渡，En為循環(huán)n次后剩余剛渡;N為疲勞壽命。從圖2中可以看出，疲勞加載的初始階段，剛度衰減比較劇烈，當(dāng)循環(huán)次數(shù)超過10%壽命后，剛度衰減穩(wěn)定近似為一條直線(70%應(yīng)力水平下循環(huán)次數(shù)在97%全壽命點(diǎn)剛度明顯下偏，是因?yàn)榇藭r(shí)已經(jīng)進(jìn)入了快速擴(kuò)展區(qū)間)。從圖2中還可以看出，應(yīng)力水平在65%和70%兩種情況下，全壽命范圍內(nèi)試件的剛度衰減曲線相似度極好，而且具有在較長(zhǎng)的疲勞加載段剛度的線性變化的特點(diǎn)，使得本工作后面以剛度降作為損傷量模擬的疲勞模型成為可能。試件拉-拉疲勞破壞情況如圖3所示?？梢钥闯?，T700層合板試件拉-拉疲勞的主要破壞特征是出現(xiàn)了大面積分層，這與靜態(tài)拉伸試件只在斷口處有分層明顯不同。相比T300層合板，T700層合板疲勞破壞后的試件分層面積更大，分布更密，這一方面是因?yàn)門700碳纖維的延伸率好，纖維斷裂出現(xiàn)遲;另一方面，T700的表面質(zhì)量相比T300更光滑，樹脂與纖維界面強(qiáng)度有所下降。60%應(yīng)力水平的T700-KF3-1試件在不同循環(huán)次數(shù)下進(jìn)行了C掃描無(wú)損檢測(cè)，如圖4所示。結(jié)果表明，在疲勞加載初始階段，層合板內(nèi)部即出現(xiàn)明顯的分層損傷。這時(shí)的循環(huán)次數(shù)只占層合板疲勞壽命的極小一部分，而且隨著循環(huán)次數(shù)的增加，首先是在兩端及邊緣部位出現(xiàn)分層，然后向中間迅速擴(kuò)展，伴隨著45°方向的分布式基體開裂，在較短的時(shí)間里就出現(xiàn)大面積的分層，到30000次循環(huán)即約10%疲勞壽命時(shí)，分層已經(jīng)接近擴(kuò)展到整個(gè)層板，這也導(dǎo)致了圖2中疲勞加載初始階段剛度迅速下降。此階段力學(xué)性能上表現(xiàn)出的剛度衰減，主要來(lái)自于初始階段分層損傷和基體開裂。經(jīng)過此階段后，分層損傷已經(jīng)達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定擴(kuò)展階段，剛度衰減如圖2所示接近為直線，直到接近90%壽命后出現(xiàn)大面積纖維斷裂導(dǎo)致板破壞。此結(jié)論和文獻(xiàn)［10］相一致。

1.4含孔層合板拉-拉疲勞試驗(yàn)2組和3組含孔板試件拉-拉疲勞試驗(yàn)加載方式為正弦波，加載頻率10Hz，應(yīng)力比為0.1，引伸計(jì)跨距為200mm。對(duì)兩種孔徑的試件選擇不同的應(yīng)力水平進(jìn)行拉-拉疲勞試驗(yàn)。含孔層合板試驗(yàn)共選擇90%、85%和80%三個(gè)應(yīng)力水平，前兩個(gè)應(yīng)力水平各取3個(gè)試件，80%應(yīng)力水平取1個(gè)試件。各試件疲勞壽命見表4?？梢钥闯觯齌700-KT1-3試件結(jié)果明顯偏離外，三個(gè)應(yīng)力水平的光滑層合板疲勞壽命分散性較小，試驗(yàn)具有較好的置信度。含孔層合板試件拉-拉疲勞破壞情況如圖5所示。試件斷口位置大致與靜態(tài)拉伸試件相同，位于孔兩側(cè)，但分層面積要大的多。對(duì)試件T700-KT2-2在不同循環(huán)次數(shù)下進(jìn)行了C掃描無(wú)損檢測(cè)，結(jié)果如圖6所示?？装鍍?nèi)部初始損傷出現(xiàn)得很早，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，先是在試件中段圓孔附近出現(xiàn)分層損傷，然后迅速由孔邊向兩端沿45°縱向擴(kuò)展，在較短的時(shí)間里就出現(xiàn)大面積的分層，在經(jīng)歷長(zhǎng)時(shí)間的疲勞載荷作用后，最后在試件中間圓孔部位斷裂破壞。

2疲勞損傷模型

2.1光滑板疲勞損傷模型對(duì)復(fù)合材料疲勞壽命預(yù)測(cè)的疲勞累積損傷理論是運(yùn)用固體物理學(xué)、材料強(qiáng)度理論和連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的唯像方法，它以材料的表觀現(xiàn)象為依據(jù)，建立與損傷耦合的力學(xué)分析模型，通過力學(xué)和數(shù)學(xué)的分析與計(jì)算，獲得所需的數(shù)值結(jié)果。在試驗(yàn)階段用于復(fù)合材料的疲勞壽命預(yù)測(cè)的模型，包括剩余強(qiáng)度模型［1］、剩余剛度模型［2～6］以及耗散能模型［7］等等。本文在實(shí)驗(yàn)研究所得到的剛度衰減結(jié)果基礎(chǔ)上，建立了剩余剛度模型，對(duì)T7009368層合板壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)。Lemaitre［8］創(chuàng)立的應(yīng)變等效性假說(shuō)認(rèn)為，應(yīng)力作用于受損材料所引起的變形等效于作用于一虛擬的無(wú)損傷材料的變形，虛擬無(wú)損傷材料的承載面積等于受損傷材料的實(shí)際有效承載面積。對(duì)于一維問題，該原理可用公式表示為:D=1－E'E(1此式即為彈性模量法即剛度下降法定義和度量損傷的基本依據(jù)。其中:D為損傷變量;E'為受損材料的損傷模量;E為無(wú)損材料的損傷模量。由此可以根據(jù)材料受損前后彈性模量的衰變來(lái)確定損傷的大小。為了把式(1)中定義的損傷因子應(yīng)用到復(fù)合材料層合板的疲勞過程中，則應(yīng)將損傷因子D和循環(huán)次數(shù)n建立起函數(shù)關(guān)系。以往研究結(jié)果［9］和本次的實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的疲勞損傷過程往往呈現(xiàn)出兩個(gè)明顯不同的階段，第一階段損傷擴(kuò)展比較平穩(wěn)，占總疲勞壽命的90%左右，而當(dāng)疲勞損傷達(dá)到一定的程度后會(huì)進(jìn)入第二個(gè)階段，這時(shí)候損傷發(fā)展比前一個(gè)階段快得多，在很短的時(shí)間內(nèi)材料就發(fā)生破壞。因此本工作考慮采用分段函數(shù)對(duì)這兩個(gè)過程分別進(jìn)行構(gòu)建。第一階段損傷函數(shù)D1用指數(shù)函數(shù)構(gòu)建，第二階段損傷函數(shù)D2用線性函數(shù)構(gòu)建。Beaumont［7］根據(jù)對(duì)橫向裂紋擴(kuò)展的分析提出第一階段疲勞損傷函數(shù)D1的表達(dá)式:式中a2，b2，c2為材料常數(shù)。取第一階段和第二階段的分界循環(huán)次數(shù)為nc，即當(dāng)0≤n≤nc時(shí)，D=D1;當(dāng)nc≤n≤N時(shí)，D=D2。nc可以根據(jù)試驗(yàn)測(cè)得的剛度衰減數(shù)據(jù)和多元最小二乘法進(jìn)行求解。

2.2含孔層合板疲勞損傷模型對(duì)于帶中心孔的層合板，在任意拉伸載荷作用下，只要求得特征長(zhǎng)度a0之內(nèi)的平均應(yīng)力σy，加上一個(gè)修正系數(shù)β相乘來(lái)替換前面光滑板損傷模型式中的σmax，即可得到含孔板的疲勞累積損傷模型:

3疲勞壽命預(yù)測(cè)

3.1光滑板疲勞壽命預(yù)測(cè)將T700/9368層合板70%和65%應(yīng)力水平下試驗(yàn)結(jié)果對(duì)層合板疲勞損傷模型進(jìn)行參數(shù)擬合。應(yīng)用最小二乘法可得到擬合系數(shù):a1=2.43×10－14，b1=－6.88，c1=0.33，a2=－553.5，b2=44035。將擬合系數(shù)代入式(3)和(4)得到T700/9368層合板疲勞損傷模型表達(dá)式為:本工作的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明，當(dāng)層合板彈性模量下降的初始模量的70%左右時(shí)，出現(xiàn)疲勞損傷分界點(diǎn)，循環(huán)次數(shù)約占總疲勞壽命的90%，見表5。

3.2含孔層合板疲勞壽命預(yù)測(cè)將孔板靜態(tài)拉伸試驗(yàn)測(cè)得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合層合板性能參數(shù)，即可得到孔板特征長(zhǎng)度，結(jié)合孔板拉-拉疲勞試驗(yàn)，即可得到修正系數(shù)β的值，見表7。