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复合材料

复合材料简介

    聚合物基复合材料是指聚合物和其它材料复合而成的材料。复合材料中由于各组份间的协同作用,因而具有更好的综合性能。在聚合物基复合材料中,聚合物可以是热固性树脂、热塑性树脂、橡胶,“其它材料”可以是玻璃纤维、化学纤维(如芳伦、碳纤维、碳化硅纤维等)、金属纤维、金属板材、异型材等。

    人类制造聚合物基复合材料的历史,可以追溯到2000年前,我国西汉时期(公元前200年至公元8年)已出现用麻布增强的漆树脂制作“脱胎漆器”的技术,这是世界上最早的初期聚合物基复合材料。近代用合成树脂制备的第一个聚合物基复合材料是1909年出现的用酚醛树脂预聚物混合木粉、纸、布等热压成型的电木生产技术。1932年美国出现的玻璃纤维增强聚酯制作复合材料的技术,推动了以后聚合物基复合材料的工业发展。

    聚合物基复合材料主要有二大类:其一,是橡胶基复合材料,这类复合材料的生产技术,构成了现代橡胶加工工业的基础。其二,是树脂基复合材料(Resin Matrix Composite),也称聚合物基复合材料(Resin Matrix Composite)也称纤维增强塑料(Fiber Reinforced Plastics),是目前技术比较成熟且应用最为广泛的一类复合材料。这种材料是用短切的或连续纤维及其织物增强热固性或热塑性树脂基体,经复合而成。以玻璃纤维作为增强相的聚合物基复合材料在世界范围内已形成了产业,在我国俗称玻璃钢。

    聚合物基复合材料于1932年在美国出现,1940年以手糊成型制成了玻璃纤维增强聚酯的军用飞机的雷达罩,其后不久,美国莱特空军发展中心设计制造了一架以玻璃纤维增强树脂为机身和机翼的飞机,并于1944年3月在莱特-帕特空军基地试飞成功。从此纤维增强复合材料开始受到军界和工程界的注意。第二次世界大战以后这种材料迅速扩展到民用,风靡一时,发展很快。1946年纤维缠绕成型技术在美国出现,为纤维缠绕压力容器的制造提供了技术贮备。1949年研究成功玻璃纤维预混料并制出了表面光洁,尺寸、形状准确的复合材料模压件。1950年真空袋和压力袋成型工艺研究成功,并制成直升飞机的螺旋桨。60年代在美国利用纤维缠绕技术,制造出北极星、土星等大型固体火箭发动机的壳体,为航天技术开辟了轻质高强结构的最佳途径。在此期间,玻璃纤维-聚酯树脂喷射成型技术得到了应用,使手糊工艺的质量和生产效率大为提高。1961年片状模塑料(Sheet Molding Compound, 简称SMC)在法国问世,利用这种技术可制出大幅面表面光洁,尺寸、形状稳定的制品,如汽车、船的壳体以及卫生洁具等大型制件,从而更扩大了聚合物基复合材料的应用领域。1963年前后在美、法、日等国先后开发了高产量、大幅宽、连续生产的玻璃纤维复合材料板材生产线,使复合材料制品形成了规模化生产。拉挤成型工艺的研究始于50年代,60年代中期实现了连续化生产,在70年代拉挤技术又有了重大的突破,近年来发展更快。除圆棒状制品外,还能生产管、箱形、槽形、工字形等复杂截面的型材,并还有环向缠绕纤维以增加型材的侧向强度。目前拉挤工艺生产的制品断面可达76cm×20cm。在70年代树脂反应注射成型(Reaction Injection Molding, 简称RIM)和增强树脂反应注射成型(Reinforced Reaction Injection Molding, 简称RRIM)两种技术研究成功,进一步改善了手糊工艺,使产品两面光洁,现已大量用于卫生洁具和汽车的零件生产。1972年美国PPG公司研究成功热塑性片状模型料成型技术,1975年投入生产。这种复合材料最大特点是改变了热固性基体复合材料生产周期长、废料不能回收问题,并能充分利用塑料加工的技术和设备,因而发展得很快。制造管状构件的工艺除缠绕成型外,80年代又发展了离心浇铸成型法,英国曾使用这种工艺生产10m长的复合材料电线杆、大口径受外压的管道等。从上述可知,新生产工艺的不断出现推动着聚合物复合材料工业的发展。

    进入20世纪70年代,对复合材料的研究拓宽了仅仅采用玻璃纤维增强树脂的局面,开发了一批如碳纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维、硼纤维、芳纶纤维、高密度聚乙烯纤维等高性能增强材料,并使用高性能树脂、金属与陶瓷为基体,制成先进复合材料(Advanced Composite Materials, 简称ACM)。这种先进复合材料具有比玻璃纤维复合材料更好的性能,是用于飞机、火箭、卫星、飞船等航空航天飞行器的理想材料。

    中国近代的复合材料生产起始于1958年,首先用于军工制品,而后逐渐扩展到民用。1958年以手糊工艺研制了玻璃钢艇,以层压和卷制工艺研制玻璃钢板、管和火箭弹,1961年研制成用于远程火箭的玻璃纤维-酚醛树脂烧蚀防热弹头,1962年引进不饱和聚酯树脂、喷射成型和蜂窝夹层结构成型技术,并制造了玻璃钢的直升机螺旋桨叶和风洞叶片,同年开始纤维缠绕工艺研究并生产出一批氧气瓶等压力容器。1970年用玻璃钢蜂窝夹层结构制造了一座直径44m的雷达罩。自70年代以后玻璃钢复合材料逐渐转向民用。1981年复合材料的年产量为1.5万吨,到1986年达到6.5万吨,年增长率为13%。1987年以后国家大量引进国外先进技术,如在原材料方面引进了池窑拉丝、短切毡、表面毡、喷射纱、缠绕纱以及各种牌号树脂和辅助材料的生产技术。在成型工艺方面引进了制造管罐的大型缠绕系统、拉挤工艺生产线、SMC生产线、连续制板机组、树脂传递模型机组、喷射成型技术、树脂注射成型技术等先进工艺和设备,形成了研究、设计、生产及原材料相互配套较完整的工业体系,到1995年国内玻璃钢产量已达到16.5万吨,产品近2000种,拥有缠绕生产线120条、SMC生产线31条、BMC生产线5条、拉挤工艺生产线100条,喷射机260台、RTM70台、连续制板机组3条,机械化年生产能力达25万吨。到1996年,玻璃钢的产品主要有冷却塔、缠绕管、罐制品、拉挤制品、SMC、BMC制品、汽车部件、舰艇、建筑器材、游乐与运动器材、环保设施等。

   从生产工艺来看,尽管引进了不少先进技术设备,但利用率不高,所有制品仍有80%是手糊成型,仅有20%由缠绕、拉挤、SMC及RTM等设备成型,因此玻璃钢工业的生产潜力很大。
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