复合材料在工程机械中的应用

复合材料在工程机械中的应用

摘要：先进复合材料以其比强度比模量高、耐高温性能好、耐疲劳性能优越等

独特优点获得广泛应用和迅速发展。本文介绍了复合材料特点及应用领域，主要介绍了复合材料在航空航天领域和汽车领域的应用。

关键词：复合材料 碳纤维 航空航天 汽车 金属基

一、复合材料分类

复合材料，是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。

二、复合材料的特点及应用

复合材料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。

复合材料中以纤维增强材料应用最广、用量最大。其特点是比重小、比强度和比模量大。例如碳纤维与环氧树脂复合的材料，其比强度和比模量均比钢和铝合金大数倍，还具有优良的化学稳定性、减摩耐磨、自润滑、耐热、耐疲劳、耐蠕变、消声、电绝缘等性能。石墨纤维与树脂复合可得到膨胀系数几乎等于零的材料。纤维增强材料的另一个特点是各向异性，因此可按制件不同部位的强度要求设计纤维的排列。以碳纤维和碳化硅纤维增强的铝基复合材料，在500℃时仍能保持足够的强度和模量。碳化硅纤维与钛复合，不但钛的耐热性提高，且耐磨

损，可用作发动机风扇叶片。碳化硅纤维与陶瓷复合，使用温度可达1500℃，比超合金涡轮叶片的使用温度(1100℃)高得多。碳纤维增强碳、石墨纤维增强碳或石墨纤维增强石墨，构成耐烧蚀材料，已用于航天器、火箭导弹和原子能反应堆中。非金属基复合材料由于密度小，用于汽车和飞机可减轻重量、提高速度、节约能源。用碳纤维和玻璃纤维混合制成的复合材料片弹簧，其刚度和承载能力与重量大5倍多的钢片弹簧相当。 2.1在航天领域的应用

先进复合材料以其比强度比模量高、耐高温性能好、耐疲劳性能优越等独特优点获得广泛应用和迅速发展。 2.1.1在军机上的应用

大型军用运输机及战斗机一直是国外研究的重点机型。如1990年美国研制的第4代歼击机F-22，其树脂基复合材料用量达25%。而1997年俄罗斯的第5代战斗机S-37“金雕”横空出世,在前掠式机翼及弯曲进气道等独特设计结构中大量采用复合材料，将有效载荷提高20%～25%，生产成本降低40%～60%，并大大改进飞机的综合作战性能。先进武装直升机，如法德合作研制的PAH-2Tiger(虎)式武装直升机,复合材料用量占机身结构质量的45%；而美国最新研制的轻型侦察攻击直升机RAH-66,复合材料用量更是高达机身结构质量的51%左右，是目前世界上使用复合材料最多的实用直升机。 2.1.2在民航方面的应用

进入新世纪以来，复合材料在大型民用客机上的应用急剧升温。如法意联合研制的支线客机ATR-72，由于采用了复合材料机翼,用量高达20%。而最新研制并已投入运营的A380采用了22?M，单机用量达到29937kg。其应用比例逐年递增，这也代表了未来民用客机独特发展技术方向的平台。由国外完成的市场调查表明，尽管复合材料应用中尚存在问题，但航空航天工业的复合材料用量仍以平均每年9%的速度增长.随着航空器向高空、高速、信息化、智能化发展，复合材料在未来航空武器中的重点机型上将继续扮演主要角色。 2.2在机械内燃机系统上的应用

工程机械内燃机长期工作在高温高压下，活塞与活塞环、缸壁间不断产生摩擦，润滑条件不充分,工作条件非常恶劣，尤其是在大功率的发动机中，普通的铸铁或铝合金活塞易发生变形、疲劳热裂。可采用:

(1)陶瓷纤维增强金属基复合物,如陶瓷增强铝基复合材料的耐磨性已达到最好材料Ni-resist铸铁的水平，国外推出了氧化铝纤维增强铝镁合金制造的活塞，高温强度和抗热疲劳性能明显提高,并具有较低的线膨胀系数；

(2)金属基复合材料，比一般的金属材料耐磨性可提高50%左右，耐热性也有极大提高，而且改善了发动机活塞的强度；

(3)碳化硅颗粒或晶须增强铝也正在试用制造发动机活塞，其耐热性、耐磨性和强度均佳。

在活塞头的局部或全部采用复合材料后可以提高活塞工作稳定性和使用寿命，降低油耗和废气排放量,解决目前工程机械发动机功率大、活塞易磨损的突出现象，有广阔的应用前景。

传统的铝合金钢套,重量较大，气缸易变形,耐磨性也不高。70年代国际镍公司研制石墨铝基复合材料以代替铸铁钢套，在一定程度上提高了耐磨性、抗咬合性、自润滑性和功率。如采用碳合金增强的铝合金钢套，不但重量较小，减轻气缸变形，提高耐磨性，而且可降低线膨胀系数和油耗,改善导热性。提高柴油机缸体抗磨性可采用铝基复合材料，并用Al2O3与碳纤维的混合物作为增强物，在铝合金缸体的内表层形成2mm厚含纤维体积约为15%的复合材料层。 发动机进气和燃油系统零部件采用玻璃纤维增强尼龙材料可改善效能，尼龙/不锈钢复合材料制成的滤清器，可以比以往材料过滤效果好，耐腐蚀，重量轻且降低成本。气门、挺柱、摇臂、弹簧以及涡流增压器的涡轮等部件改用陶瓷复合材料后，可提高其工作耐疲劳度,允许发动机小幅度提高转速来提高功率。另外，气缸盖、活塞销以及排气管等部件采用陶瓷复合材料,较传统材料更轻量化、耐疲劳、耐腐蚀、耐冲压、使用寿命长。 2.3在车体、工作装置及部分零部件上的应用

1984年，碳纤维复合材料已成功地用于制造汽车的主动轴、弹簧、发动机盖、离合器磨擦片、支架推杆、制动盘及其总成等，但其存在易变形、磨损等缺点，采用碳纤维改性材料与金属基体的复合物，可提高使用寿命，降低维护和修

理的费用。

在保持原有的结构性能、不影响作业性能的情况下适当采用复合材料如玻璃纤维增强塑料(玻璃钢)做成车身骨架可使传统的钢质车身骨架减重，最多可减轻20％，30％，这将提高机械车辆的机动性和作业效能。若由于作业要求需保持原有重量，也可在部分采用复合材料车身后加装其它设备。

传统的工装往往都是由合金钢制成，当机械有较长作业臂时如挖掘机，挖掘装置需自重较大。将复合材料应用于工装中，可以以较轻的重量取得相同的性能，这样，车体重心将更加稳固，在相同马力情况下，可以加大工作装置的尺寸，完成更多的工作量，提高了作业效率。例如，在挖掘机作业装置中，工作臂中斗杆属于强力结构件，需用能承受较大拉压应力和弯矩的材料。采用硼纤维增强铝基复合材料与合金钢相结合，重量减轻2/3，即可达到相同的力学性能指标。铲斗则可采用碳纤维增强金属基复合材料，既重量小，义不粘土、易于物料的自由流动、可设计性也得到提高。

用石墨/铝复合材料制成的轴承重量可比巴氏合金减少一半，但摩擦系数却同样小且耐磨性、导热性优良。碳铜复合材料同样可作为自润滑轴承材料。在中等载荷及润滑条件下铝/石墨复合材料可代替铜基或锡基合金，具有更好的耐磨性。

2.4在军用机械车体防护上的应用

军用工程车辆往往有一定的防护需求，传统军用机械对这方面的重视不够，现代复杂的战争环境中，军用施工机械随时会面临敌人的侦察和攻击。一旦受到打击，很小的火力都有可能使操作手受伤或油管被纷飞的弹片划破，造成整机的瘫痪和战斗力的丧失。

驾驶室壁采用高强度陶瓷复合装甲及防弹玻璃相结合，可对一般的子弹和弹片进行基本防护，保证操作手的安全。液压油管采用柔韧性较好的防护性材料，如Kevlar增强环氧树脂、陶瓷纤维增强环氧或高模聚乙烯等复合材料对油管进行适当的缠绕保护，这些材料常用来做防弹衣，具有很好的防割性能，这样保证弹片即使划过也不会损伤油管。

另外，军用工程机械在特殊环境进行秘密作业时，往往需要对敌方的雷达波进行防护。除机械外型设计下采用热红外线和自身电磁隐形外，主要是使用吸波

材料，即在车体表面涂沫能大量吸收雷达波的新型介质材料将雷达波吸收，避免被雷达发现。 三、发展方向

未来的工程机械中必将更多的应用复合材料，因此，复合材料的环保问题也应该的得到广泛重视。当然，复合材料能提高材料性能，延长使用期，这些也都是对环保的贡献。此外，低成本化也将是复合材料的又一个重要的发展方向。

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