论文 - 树脂基复合材料的发展和应用现状

先进树脂基复合材料

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的现状及应用

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先进树脂基复合材料的现状及应用

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摘要：先进树脂基复合材料以其比强度比模量高、良好的耐疲劳性能、良好的

抗腐蚀性能、成型工艺的多选择性等独特优点获得广泛应用和迅速发展。本文简要介绍了先进树脂基复合材料的特性，并结合其特性从应用的角度总结了先进树脂基复合材料的应用和前景 。

关键字：树脂基复合材料 现状 应用

1 前言

先进树脂基复合材料是以有机高分子材料为基体、高性能连续纤维为增强材料、通过复合工艺制备而成,具有明显优于原组分性能的一类新型材料[ 1 ] 。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，可设计性优良，还兼有耐化学腐蚀和耐候性优良、热性能良好、振动阻尼和吸收电磁波等功能。目前，随着复合材料工业的迅速发展，树脂基复合材料正凭借其本身固有的轻质高强、成型方便、不易腐蚀、质感美观等优点，越来越受到人们的青睐。

2 先进树脂基复合材料的现状

据有关部门的统计，全世界树脂基复合材料制品共有4万多种，全球仅纤维增强复合材料产量目前达到750多万t，从业约45万人，年产值415亿欧元，其生

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产能力与市场分布情况为：北美32%、亚太地区35%、欧洲30%、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300万t，高性能热塑性复合材料的产量为120多万t，其应用领域主要为：汽车行业占23%、建筑业21%、航空业17%、

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体育运动领域11%。从全球发展趋势来看，近几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，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，居世界第2位，其市场分布为：建筑40%、管罐24%、工业器材12%、交通6%、船艇4%、其他14%[ 4-6 ]。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。

3 先进树脂基复合材料的应用

3.1航空、航天工业

树脂基复合材料以其典型的轻量特性、卓越的比强度、比模量、独特的耐烧蚀和隐蔽性、材料性能的可设计性、制备的灵活性和易加工性等,在实现武器系

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统轻量化、快速反应能力、高威力、大射程、精确打击等方面起着巨大作用,使它成为航空航天工业中非常理想的材料。

在航空工业中，先进树脂基复合材料在应用过程中不断积累应用经验,提高技术水平, 完善配套技术, 从非承力构件整流蒙皮逐渐发展到承力构件尾翼、机翼, 从简单结构层合壁板, 逐渐发展到整体复合材料结构尾翼和机翼。先进树脂基复合材料在飞机上的应用可以实现15% ～30%减重, 可有效降低飞机的结构重量, 提高飞机的机动性能和有效载荷等。飞机结构复合材料化已经成为趋势, 先进树脂基复合材料已经成为不可缺少的关键航空结构材料。从上世纪90 年代开始, 先进战斗机大量使用先进树脂基复合材料, 如F - 22飞机复合材料的用量达到约25% , F - 35 复合材料用量达到35% ,主要应用包括机翼、机身、尾翼等主要承力构件。先进树脂基复合材料在民用飞机的应用从2003 年用量得到了跨越发展, 空客公司的A380宽体客机复合材料的用量增加到24% , 波音公司的B787飞机复合材料用量达到约50% , 空客公司在研究的A350XWB复合材料用量将达到52%。随着国内先进树脂基复合材料性能的提高, 制造技术的不断成熟, 配套无损检测和装配等技术的完善, 国内先进树脂基复合材料在直升机、歼击机和大型飞机得到相当的应用。歼击机复合材料的用量已经达到6% ～9% , 主要包括机翼、平尾、垂尾、前机身、鸭翼、襟副翼、腹鳍等; 直升机复合材料用量达到25% ～33% ,主要包括旋翼系统和机身结构。先进树脂基复合材料机翼、平尾、垂尾、鸭翼、直升机机身、尾段等复合材料构件已经实现批量生产[ 7 ]。

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。先进树脂基复合材料对于导弹屏蔽或衰减雷达波或红外特征,提高自身生存和突防能力,具有着至关重要的作用[ 8 ]。近年来研制的新型氰酸树脂复合材料具有耐湿性强、微波介电性能佳、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。 3.2能源工业

在现今国际社会上能源短缺，各种新型能源不断涌现，风能是现在很有前景的清洁、可再生能源，风力发电正快速发展，将逐步成为电力结构的主要组成部分。风力机组叶片是大型树脂基复合材料，已经成功的在风力机组上得到应用。

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。从技术、经济、性能分析，如纤维增强塑料（F R P）／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。 3.3建筑业[ 9 ]

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。实践表明，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。下面详细介绍下树脂基复合材料在建筑业的应用。

由于树脂基复合材料的可设计性和良好的力学性能,其可用于建筑物的承载结构以及建筑物加固。用作承载结构的复合材料建筑制品有柱、桁架、梁、基础、承重折板、屋面板、楼板等。树脂基复合材料围护结构制品有各种玻璃钢波纹板、夹层结构板、整体式和装配式折板结构和壳体结构。用作壳体结构的板材,它既

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是维护结构,又是承重结构。

在门窗材料上玻璃钢门窗是很好的材料。玻璃钢门窗是采用中碱玻璃纤维及其织物作为增强材料,采用不饱和树脂作为基体材料,并添加其他矿物填料制成。玻璃钢门窗既有钢窗、铝窗的坚固性,又有塑钢窗的防水、耐腐蚀、保温、节能性能,更具有自身独特的隔音、抗老化、尺寸稳定等性能。此外，玻璃钢的寿命是50年,基本与建筑物的寿命相同,因此,采用玻璃钢门窗是今后房屋建筑门窗节能保温的发展方向。

树脂基复合材料在建筑中的其他用途也很多,如工业厂房、农业温室及大型公用建筑的天窗、屋顶采光,可以采用树脂基复合材料透明板、半透明夹层结构板、整体式和组装式采光罩等。高层建筑的楼顶旋转餐厅屋盖、异形尖顶装饰屋盖、球形屋盖、屋顶花园、屋顶游泳池、广告物和楼房加高等,也多采用树脂基复合材料制造。大跨度飞机库、各种尺寸的冷库、防腐车间、活动房屋、岗亭、仿古建筑、移动剧院、透微波塔楼、屏蔽房等,也都属于树脂基复合材料建筑物。另外,树脂基复合材料还可用于制作各种家具、马路上的阴井盖、公园和运动场座椅、海滨浴场活动更衣室、公园仿古凉亭等。应用于各类卫生洁具方面的产品有浴盆、洗面盆、坐便盆,各种整体式、组装式卫生间等。

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3.4汽车工业

先进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23%，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自重、降低油耗，从而提高运载能力，用于车辆内部装饰具有舒适隔声、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、座椅、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。

3.4.1 玻璃纤维增强塑料（GFRP）在汽车上的应用

在欧洲、美国及日本等汽车制造业发达的国家，已普遍采用玻璃钢材料制造汽车零部件。其应用范围包括内装饰件（仪表板、车门内板、座椅、发动机罩等）；外装饰件（保险杠、挡泥板、导流罩等）；功能与结构件（天然气气瓶、油箱、风扇叶片、油气踏板等）。与国外相比，我国生产的汽车用玻璃钢部件较少，产品主要包括保险杠、车顶盖、阻流板、太阳罩、电瓶托架等。随着原材料的发展与工艺上的改进，在汽车中大量应用玻璃钢/复合材料将是今后我国汽车工业发展的必然趋势。

3.4.2 碳纤维增强塑料（CFRP）在汽车上的应用

CFRP是汽车轻量化最理想的材料。用CFRP取代钢材制造车身和底盘构件，可减轻质量68%,油耗下降40%。但由于成本高现在还未批量生产，若解决成本问题将有大量CFRP用于汽车工业中，应用部件将包括发动机系统中的推杆、连杆、摇杆、水泵叶轮；传动系统中的传动轴、离合器片、加速装置及其罩等；底盘系统中的悬置件、弹簧片、框架、散热器等；车体上的车顶内外衬、地板、侧门等。

3.4.3 芳纶纤维增强复合材料在汽车上的应用

芳纶纤维增强复合材料由于比强度、比模量较高，由于价格高，目前在汽车

上应用很少。主要用于汽车上的轮胎帘子线、高压软管、摩擦材料、高压气瓶等。芳纶纤维作为高性能防护材料还可用作汽车防弹装甲，例如汽车门及汽车外壳的防弹内衬。

3.5船舶工业[ 11 ]

先进树脂基复合材料除具有优越的力学性能外, 往往还兼有耐腐蚀、振动阻

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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。例如美国“洛杉矶”级核潜艇的声纳导流罩长7.6m、最大直径8.1m，是目前世界上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AUSSMOD2的耐压壳体；德国A I R加工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桨叶材料的阻尼性能好，可使噪声等级相对于金属桨下降5d 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。 3.6其他

先进树脂基复合材料在化肥、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。它在机械、电子、体育、娱乐、医疗等方面也得到较好的应用和发展,如机械制造中的轴承、齿轮、叶轮等零部件,体育上的各种水上赛艇、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,很多体育用品改用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,且重量轻、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,其音响效果良好,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[ 12-13 ] 。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。

4 结束语

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、良好的介电性能、较低的热导率等特点，广泛应用于各个领域中，已经成为许多领域不可或缺的关键材料之一。因此，树脂基复合材料具有在未来持续发展的潜力。

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