复合材料的研究热点.docx

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1、复合材料是指由两种或两种以上不同物质以不同方式组合而成的材料，它可以发挥各组元材料的优点，克服单一组元的缺陷。复合材料按用途可分为结构复合材料和功能复合材料，依据基体种类可分为金属基复合材料、陶瓷基复合材料、聚合物基复合材料和炭基复合材料等，按增加（韧）相可分为颗粒增加、晶须增加或纤维增加复合材料。复合材料已广泛应用于航空航天、汽车、电子电气、建筑、体育器材、医疗器械等领域，近几年更是得到了突飞猛进的进展。1金属基夏合材料金属基复合材料是包括颗粒、晶须、纤维增加金属基体的复合材料。金属基复合材料兼具金属与非金属的综合性能，材料的强韧性、耐磨性、耐热性、导电导热性及耐候性能适应广泛的工程要求，且

2、比强度、比模量及耐热性超过基体金属，对航空航天等尖端领域的进展具有重要作用。在该类材料中，所用基体金属包括轻合金（铝、镁、钛）、高温合金与金属间化合物，以及钢、铜、锌、铅等：增加纤维包括炭（石墨）、碳化硅、硼、辄化铝、不锈钢及鸨等纤维；增加颗粒包括碳化硅、氧化铝、氧化错、硼化钛、碳化钛、碳化硼等；增加晶须包括碳化硅、氧化硅、硼酸铝、钛酸钾等。以上各种基体和增加体可组成大量金属基复合材料，但目前多数处于研发阶段，只有少数得到应用。如硼、石墨纤维增加铝（镁）用于卫星、航天飞机结构、空间望远镜部件，碳化硅纤维与颗粒增加钛合金用于大推比飞机压气机部件，颗粒增加铝基复合材料（PRA）广泛用于航空、航天及

3、汽车、电子领域。在金属基复合材料中颗粒增加铝基梵合材料最具进展潜力。该材料具有比强度和比模量高，耐磨性、阻尼性及导热性好，热膨胀系数小等优异性能。其主要应用领域一是航空、航天和军事领域，二是汽车、电子信息和高速机械等民用领域。进展目标是代替铝合金、钛合金、钢等用于制造高性能的构件，减重并提高性能和仪器精度。美国已从455mm圆坯中挤压出182kg市的SiCp/Al型材，并轧制出尺寸为305OmmXl32OmmX3mm的板材，制造了火箭发动机、导弹和卫星上的零件。加拿大CerYaSl公司试制了PRA材料飞机用光学底座、万向支架等精密铸件及液压管、压气机涡壳和卫星反动轮，代替铝合金，减重并提高了使

4、用性能。美国DWA公司用SiC颗粒增加6092铝基夏合材料代替铝合金，大规模用于F16战斗机的垂直尾翼，提高寿命17倍；代替树脂基复合材料用于B777和C-17Gk）bemasierI的P&W4000发动机风扇出口导流叶片，大幅提高使用寿命并降低成本33%。美国DWA公司和英国AMC公司将SiCZAI批量用于EC-120和EC-135直升机旋翼系统，大幅提高构件刚度和寿命。这些关键结构件的胜利应用说明美国和英国对这种材料的应用讨论已相当成熟。讨论进展电子器件封装用高导热、低热膨胀金属基复合材料是国际上金属基复合材料讨论进展的最新动态之一。美国已研制胜利了SiCp/Al、Sip/AkC/A1等高

5、性能电子封装用复合材料，用于高功率密度、离集成密度的电子器件，成为解决电子器件快速传热、散热问题的关键材料。针对正快速进展的高集成度、高功率密度电子器件的需求，最近讨论进展的电子封装复合材料有：碳化硅颗粒增加铝基复合材料（SiCP含量为60%75%）；超高模量、高导热性沥青石墨纤维（kll00）增加铝基、铜基复合材料及银基复合材料。这些材料的导热系数为120630W（mk）,热膨胀系数0.58xl04K-l。电子器件用金属基复合材料使用性能要求高、用量大，将成为金属基复合材料最主要的进展方向之一。汽车、高速列车和高速机械用金属基复合材料是当前及今后另一个重要讨论方向。铝基梵合材料（如SiCpZ

6、AI）具有重量轻、导热性好和耐磨的特点，是一种新型的刹车盘、活塞、连杆材料，成为汽车及高速列车轻量化的关键新材料美国Ford公司已研制成SiCpZAl复合材料刹车盘，批量用于高级轿车LincoInTownCaro德国一家公司胜利研制了高速列车制动盘，运用在地铁和城郊列车上，取得了巨大的经济效益。此外，美国、英国等我国已经生产出SiCP或B4Cp增加铝基复合材料自行车，并在市场上销售。综观国际上PRA的讨论与开发，不难看出，PRA的大规模生产已经获得胜利，只要进一步降低这种新材料的成本，提高性能、价格比，则这种梵合材料不但将应用于航空、航天和军事领域，而且大规模商业应用也指日可待。2陶瓷基复合材

7、料陶瓷基复合材料（CMC）的增韧材料主要有碳纤维（CF）、碳化硅纤维（SiCf）.玻璃纤维、氧化物纤维，以及碳化物和氧化物颗粒等，基体材料主要有氧化物陶兖、碳化物陶瓷和氮化物陶瓷等。CMC种类繁多，由于其“耐高温柔低密度特性优于金属和金属间化合物，因而美国、英国、法国、日本等发达我国始终把CMC列为新一代航空发动机材料的进展重点，而连续纤维增韧的CMC是重中之重。Cf/SiCSiCfZSiC和SiCfA12O3等连续纤维增韧的CMC具有耐高温、密度低、耐腐蚀、类似金属的断裂行为、对裂纹不敏感和没有灾难性损毁的特点。美国NASALewis讨论中心制定高温发动机材料方案（HITEMP）明确进展连续

8、纤维增韧的CMC,这一点在国际上已达成共识。目前，CfSiCSiCfZSiC和SiCfAI2O3等连续纤维增韧的CMC已在推币;比9-10一级的多种型号军用发动机和民用发动机中等载荷静止件上试验胜利，主要试验应用的部位有燃烧室、燃烧室浮壁、涡轮外环、火焰稳定器和尾喷管（矢量喷管）调整片等。实践表明，航空发动机采纳CMC构件大大节省了冷却气量,提高了工作温度，降低了结构重量并提高了使用寿命。美国、英国和法国在推重比520发动机的研制中，CMC更成为不行缺少的材料，应用部位显著增加，目前已进行了大批试验和应用。在CMC中，碳化硅陶瓷基复合材料还是一种新型制动材料。20世纪90年月中期，为了满意高速

9、列车、装甲车、重载卡车、高级轿车等平安行驶的需求，西方工业发达我国开头进行将碳化硅陶窗基复合材料应用于制动领域的讨论，现已经成为高性能制动材料的一个甫要方向。2001年波尔舍汽车公司生产出碳化硅陶瓷基复合材料陶瓷制动盘，与金属制动材料相比质量减轻了50%,而有效摩擦力提高了25%。英国SABWab8公司已经研制出了碳化硅陶瓷基复合材料制动闸瓦，试用于法国TGV-NG高速列车。日本新干线正在试用碳化硅陶瓷基复合材料的制动闸瓦。2003年，美国国防部授权发表的面对21世纪国防需求的材料讨论报告指出，到2022年，CMC的性能最有潜力获得20%25%的大幅提升，被列为优先进展的材料。3聚合物基复合材

10、料聚合物基复材料（PMC）是以热固性或热塑性树脂为基体材料和此外不同组成、不同性质的短切的或连续纤维及其织物复合而成的多相材料。常用的增加纤维材料有玻璃纤维、碳纤维、高密度聚乙烯纤维等。聚合物基复合材料密度低、比强度高，耐腐蚀、减振性能好，模量高和热膨张系数低，是一种高性能工程复合材料，广泛应用于汽车、航空航天和军事等领域。美国AV-8B垂直起降飞机和F18战斗机均采纳了聚合物基复合材料，与采纳传统材料相比，它们的质量分别减轻了27%和10%。波音777飞机上采纳聚合物基复合材料用量达到9900kg,占结构总质量的ll%0聚合物基复合材料应用于汽车，可显著减轻汽车自重，降低油耗，提高汽车平安舒

11、适性，降低汽车的制造与使用综合成本。此外聚合物基复合材料在交通、建筑、环保、体育用品等方面的应用也日趋广泛，已占复合材料用量的90%以上。在民用领域”某些功能性聚合物基复合材料具有防静电、抗菌除臭的效果，市场上消失的抗菌冰箱，无菌塑料餐具等便是这种技术的应用。自20世纪90年月以来，纳米技术和纳料材料得到飞速进展，科学家将具有纳米尺寸（小于Ioonm）的金属或金属氧化物材料采纳填充、共混、增加等技术分布于聚合物基体中，采用纳米材料独特的小尺寸效应、界面效应及量子效应引起的一系列特异的声、光、热、电等性能，开发出具有特别功能的聚合物基纳米复合材料，能汲取和衰减电磁波、削减反射和散射，用于隐形飞机

12、、隐形军舰等其他需要电磁波屏蔽场所的涂敷。美国F/17A先进战术隐身战斗机、A42先进战斗机和最新的F22战机，均采纳了聚合物基纳米复合材料作为隐身材料。世界上正在研制的第四代超音速歼击机，机体结构采纳聚合物基梵合材料、翼身融合体和吸波涂层，协作电磁波汲取涂料和电磁、屏蔽涂料的使用，使其真正具有了隐身功能。美国、俄罗斯等我国的新一代导弹正朝着轻质、宽频带吸波、具有空气动力学和热稳定性良好的聚合物基隐身材料方向进展。4炭/炭复合材料炭/炭（C/C）复合材料是以碳纤维增加炭基体的复合材料，其使用温度高达2（XxrC以上，密度低于2.0gcm3,比强度是高温合金的5倍，是一种优秀的轻质高温结构材料。

13、从20世纪60年月美国NASA的APoIk）登月方案实施以来，C/C复合材料已成为航空航天领域不行替代的热结构材料当今，无论是火箭发动机喷管、导弹的再入防护还是航空刹车副，C/C复合材料都是首选材料。很难想像，假如没有C/C复合材料的存在，世界航空航天事业能否会有今日这样的辉煌成就。C/C复合材料早在20世纪70年月末80年月初已胜采用于航天飞机的鼻锥帽和机翼前缘，满意了航天飞机多次来回飞行的需求。C/C复合材料在高温非结构方面因能够很好地满意各种苛刻技术要求而崭露头角，其应用正向多个方向进展，其中最重要的应用对象有：火箭喷管，如美国和法国的直径为3.03.2m的固体火箭发动机喷管的喉径接近1m；俄罗斯的潜地导弹发动机的喷管延长锥是采纳直径为2.5m的薄壁C/C件；导弹鼻锥（端头帽），如美国MX和侏儒导弹就是采纳不维细编穿剌C/C鼻锥。更具有挑战性的应用是在多次重复的高温氧化环境卜.长期工作的初级或次级承力结构，这是当前C/C讨论的重点和热点。C/C复合材料还是一种优异的航空刹车材料它不仅重量轻（仅为金属基的1/4左右）、寿命长（是金属基的57倍）、热容大，而且工作更加牢靠。因此，国内外新一代的飞机（无论是民航机还是军用机），其刹车副已大多采纳C/C复合材料它代表了新型航空刹车材料的进展方向。