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復(fù)合材料

復(fù)合材料簡(jiǎn)介

    聚合物基復(fù)合材料是指聚合物和其它材料復(fù)合而成的材料。復(fù)合材料中由于各組份間的協(xié)同作用,因而具有更好的綜合性能。在聚合物基復(fù)合材料中,聚合物可以是熱固性樹脂、熱塑性樹脂、橡膠,“其它材料”可以是玻璃纖維、化學(xué)纖維(如芳倫、碳纖維、碳化硅纖維等)、金屬纖維、金屬板材、異型材等。

    人類制造聚合物基復(fù)合材料的歷史,可以追溯到2000年前,我國(guó)西漢時(shí)期(公元前200年至公元8年)已出現(xiàn)用麻布增強(qiáng)的漆樹脂制作“脫胎漆器”的技術(shù),這是世界上最早的初期聚合物基復(fù)合材料。近代用合成樹脂制備的第一個(gè)聚合物基復(fù)合材料是1909年出現(xiàn)的用酚醛樹脂預(yù)聚物混合木粉、紙、布等熱壓成型的電木生產(chǎn)技術(shù)。1932年美國(guó)出現(xiàn)的玻璃纖維增強(qiáng)聚酯制作復(fù)合材料的技術(shù),推動(dòng)了以后聚合物基復(fù)合材料的工業(yè)發(fā)展。

    聚合物基復(fù)合材料主要有二大類:其一,是橡膠基復(fù)合材料,這類復(fù)合材料的生產(chǎn)技術(shù),構(gòu)成了現(xiàn)代橡膠加工工業(yè)的基礎(chǔ)。其二,是樹脂基復(fù)合材料(Resin Matrix Composite),也稱聚合物基復(fù)合材料(Resin Matrix Composite)也稱纖維增強(qiáng)塑料(Fiber Reinforced Plastics),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(qiáng)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(qiáng)相的聚合物基復(fù)合材料在世界范圍內(nèi)已形成了產(chǎn)業(yè),在我國(guó)俗稱玻璃鋼。

    聚合物基復(fù)合材料于1932年在美國(guó)出現(xiàn),1940年以手糊成型制成了玻璃纖維增強(qiáng)聚酯的軍用飛機(jī)的雷達(dá)罩,其后不久,美國(guó)萊特空軍發(fā)展中心設(shè)計(jì)制造了一架以玻璃纖維增強(qiáng)樹脂為機(jī)身和機(jī)翼的飛機(jī),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(qiáng)復(fù)合材料開(kāi)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(kuò)展到民用,風(fēng)靡一時(shí),發(fā)展很快。1946年纖維纏繞成型技術(shù)在美國(guó)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(zhǔn)確的復(fù)合材料模壓件。1950年真空袋和壓力袋成型工藝研究成功,并制成直升飛機(jī)的螺旋槳。60年代在美國(guó)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(dòng)機(jī)的殼體,為航天技術(shù)開(kāi)辟了輕質(zhì)高強(qiáng)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(Sheet Molding Compound, 簡(jiǎn)稱SMC)在法國(guó)問(wèn)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(kuò)大了聚合物基復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域。1963年前后在美、法、日等國(guó)先后開(kāi)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)?;a(chǎn)。拉擠成型工藝的研究始于50年代,60年代中期實(shí)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(lái)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(qiáng)度。目前拉擠工藝生產(chǎn)的制品斷面可達(dá)76cm×20cm。在70年代樹脂反應(yīng)注射成型(Reaction Injection Molding, 簡(jiǎn)稱RIM)和增強(qiáng)樹脂反應(yīng)注射成型(Reinforced Reaction Injection Molding, 簡(jiǎn)稱RRIM)兩種技術(shù)研究成功,進(jìn)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)。1972年美國(guó)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(diǎn)是改變了熱固性基體復(fù)合材料生產(chǎn)周期長(zhǎng)、廢料不能回收問(wèn)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(guó)曾使用這種工藝生產(chǎn)10m長(zhǎng)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(dòng)著聚合物復(fù)合材料工業(yè)的發(fā)展。

    進(jìn)入20世紀(jì)70年代,對(duì)復(fù)合材料的研究拓寬了僅僅采用玻璃纖維增強(qiáng)樹脂的局面,開(kāi)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(qiáng)材料,并使用高性能樹脂、金屬與陶瓷為基體,制成先進(jìn)復(fù)合材料(Advanced Composite Materials, 簡(jiǎn)稱ACM)。這種先進(jìn)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(jī)、火箭、衛(wèi)星、飛船等航空航天飛行器的理想材料。

    中國(guó)近代的復(fù)合材料生產(chǎn)起始于1958年,首先用于軍工制品,而后逐漸擴(kuò)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(yuǎn)程火箭的玻璃纖維-酚醛樹脂燒蝕防熱彈頭,1962年引進(jìn)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(jī)螺旋槳葉和風(fēng)洞葉片,同年開(kāi)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(dá)罩。自70年代以后玻璃鋼復(fù)合材料逐漸轉(zhuǎn)向民用。1981年復(fù)合材料的年產(chǎn)量為1.5萬(wàn)噸,到1986年達(dá)到6.5萬(wàn)噸,年增長(zhǎng)率為13%。1987年以后國(guó)家大量引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù),如在原材料方面引進(jìn)了池窯拉絲、短切氈、表面氈、噴射紗、纏繞紗以及各種牌號(hào)樹脂和輔助材料的生產(chǎn)技術(shù)。在成型工藝方面引進(jìn)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(jī)組、樹脂傳遞模型機(jī)組、噴射成型技術(shù)、樹脂注射成型技術(shù)等先進(jìn)工藝和設(shè)備,形成了研究、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)及原材料相互配套較完整的工業(yè)體系,到1995年國(guó)內(nèi)玻璃鋼產(chǎn)量已達(dá)到16.5萬(wàn)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(jī)260臺(tái)、RTM70臺(tái)、連續(xù)制板機(jī)組3條,機(jī)械化年生產(chǎn)能力達(dá)25萬(wàn)噸。到1996年,玻璃鋼的產(chǎn)品主要有冷卻塔、纏繞管、罐制品、拉擠制品、SMC、BMC制品、汽車部件、艦艇、建筑器材、游樂(lè)與運(yùn)動(dòng)器材、環(huán)保設(shè)施等。

   從生產(chǎn)工藝來(lái)看,盡管引進(jìn)了不少先進(jìn)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。
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