1、 资 料 法 分 类 号 : TB 33复 合 材 料 在 民 用 工 业 中 的 应 用 和 发 展张 恒 张 力 王 震 鸣(洛 阳 工 学 院 ) (中 国 科 学 院 力 学 研 究 所 )摘 要 本 文 综 述 复 合 材 料 在 国 内 外 民 用 工 业 中 的 应 用 和 发 展 动 态 , 并 对 未 来 研 究 重 点 提 出 建 议 。关 键 词 复 合 材 料 汽 车 工 业 聚 合 物张 恒 : 男 , 1946 年 生 , 教 授收 稿 日 期 : 19972032170 前 言先 进 复 合 材 料 的 研 究 和 应 用 进 展 很 快 。 除 了 在 航 空
2、和 航 天 部 门 有 了 相 当 广 泛 的 应 用 和 迅速 的 发 展 以 外 , 在 民 用 机 械 、 建 筑 、 化 学 工 业 、 交 通 运 输 (包 括 汽 车 、 火 车 、 电 车 和 船 舶 等 )、 能 源工 业 、 桥 梁 、 医 疗 器 械 、 体 育 用 品 、 乐 器 、 电 器 用 品 和 生 活 用 品 等 许 多 方 面 , 已 在 一 定 的 程 度 和规 模 上 应 用 了 复 合 材 料 。 产 品 的 种 类 数 以 千 、 万 计 , 而 且 日 新 月 异 、 层 出 不 穷 。 和 世 界 上 的 先 进国 家 相 比 , 我 国 在 复
3、合 材 料 产 品 的 开 发 和 应 用 方 面 , 尚 有 很 大 的 差 距 。 产 品 的 种 类 少 、 质 量 差 ,而 且 价 格 很 贵 。 目 前 , 先 进 复 合 材 料 结 构 (产 品 )的 研 制 , 主 要 集 中 在 航 天 和 航 空 部 门 , 而 在 与 国计 民 生 密 切 有 关 的 民 用 工 业 领 域 方 面 , 进 展 不 大 , 特 别 是 在 民 用 机 械 工 业 方 面 , 进 展 较 为 缓 慢 。造 成 这 个 现 状 的 主 要 原 因 有 三 个 方 面 : 其 一 是 先 进 复 合 材 料 的 研 究 和 开 发 在 我 国
4、 起 步 较 晚 ;其 二 是 国 家 在 民 用 工 业 特 别 是 机 械 工 业 复 合 材 料 的 研 究 项 目 上 的 投 资 太 少 ; 其 三 是 一 个 认 识问 题 , 不 少 人 总 认 为 复 合 材 料 的 成 本 高 , 在 民 用 产 品 上 用 不 起 。 第 一 个 方 面 是 历 史 事 实 。 即 使起 步 不 晚 , 如 果 不 重 视 , 也 就 逐 渐 地 把 差 距 拉 大 了 。 第 二 和 第 三 方 面 都 是 以 人 为 因 素 为 主 , 是 可以 改 变 的 。实 际 上 , 先 进 复 合 材 料 在 民 用 工 业 中 的 发 展
5、潜 力 很 大 , 市 场 非 常 广 阔 。 而 且 与 传 统 的 金 属材 料 结 构 和 产 品 相 比 , 复 合 材 料 产 品 所 构 成 的 高 技 术 产 业 具 有 投 资 少 、 周 期 短 、 规 模 小 和 收 效快 的 特 点 。 本 文 着 重 讨 论 复 合 材 料 在 民 用 机 械 工 业 方 面 的 发 展 问 题 , 通 过 分 析 几 个 实 例 , 说 明先 进 复 合 材 料 应 用 于 民 用 机 械 工 业 上 的 发 展 潜 力 。 希 望 从 先 进 国 家 的 发 展 中 吸 取 经 验 , 找 出 差距 , 根 据 我 国 材 料 市
6、场 和 技 术 水 平 的 具 体 情 况 , 制 定 自 己 的 发 展 战 略 , 促 进 我 国 民 用 机 械 工 业复 合 材 料 的 研 究 和 产 品 的 开 发 工 作 。最 近 , 在 中 国 复 合 材 料 学 会 设 计 、 应 用 和 评 价 专 业 委 员 会 下 设 立 民 用 产 品 专 业 组 , 以 推 进这 方 面 的 研 究 和 发 展 , 这 是 适 时 的 和 正 确 的 。第 18 卷 第 4 期1997 年 12 月 洛 阳 工 学 院 学 报Journal of L uoyang Institute of T echno logy V o l.
7、18 N o. 4D ec. 19971 汽 车 工 业世 界 先 进 国 家 的 汽 车 工 业 是 目 前 复 合 材 料 应 用 最 多 最 为 活 跃 的 一 个 领 域 。 复 合 材 料 已 用于 制 造 汽 车 的 车 身 、 车 门 、 发 动 机 罩 、 客 舱 隔 板 、 底 盘 、 方 向 盘 、 保 险 杆 、 板 弹 簧 和 驱 动 轴 等 。 复 合图 1 复 合 材 料 性 能 与 制 造 关 系 示 意 图材 料 在 汽 车 工 业 中 的 应 用 量 逐 年 增 加 。 例 如 1983年 美 国 用 在 汽 车 上 的 复 合 材 料 为 6 万 吨 , 1
8、984 年为 7. 9 万 吨 , 1989 年 为 292 万 吨 1 。 复 合 材 料 用 于汽 车 制 造 , 可 以 减 轻 汽 车 重 量 , 减 少 耗 油 量 和 提 高车 速 。 早 在 第 一 次 石 油 危 机 以 前 , 美 国 就 着 手 研 究用 纤 维 增 强 塑 料 来 减 轻 汽 车 自 重 。 30 多 年 以 前 ,美 国 通 用 汽 车 公 司 首 次 用 纤 维 增 强 复 合 材 料 来 制造 chevro let co rvette 车 的 车 身 , 取 得 很 大 的 成 效 。结 构 复 合 材 料 能 否 成 功 地 用 于 汽 车 制 造
9、 , 除了 材 料 性 能 因 素 之 外 , 很 大 程 度 上 取 决 于 产 品 的制 造 是 否 经 济 和 高 效 率 , 是 否 能 有 效 地 控 制 产 品的 质 量 。 目 前 国 外 已 定 型 的 生 产 工 艺 是 SM C 模 压 成 型 或 者 是 基 于 模 压 成 型 的 某 些 改 进 方 法 。同 时 , 还 有 几 种 很 有 发 展 潜 力 的 生 产 工 艺 正 在 研 究 中 。 图 1 给 出 正 在 发 展 中 的 工 艺 与 旧 工 艺 之间 的 相 对 关 系 。 在 中 间 这 个 区 域 , 一 种 是 热 塑 性 聚 合 物 基 体 复
10、 合 材 料 的 冲 压 成 型 工 艺 , 它 的 原理 是 把 板 料 加 热 后 放 到 冷 模 中 加 压 成 型 。 这 种 工 艺 生 产 效 率 很 高 。 图 2 给 出 冲 压 成 型 的 生 产过 程 。 另 外 一 种 工 艺 是 高 速 传 递 模 成 型 。 这 种 工 艺 可 以 很 方 便 地 控 制 产 品 中 纤 维 的 方 向 。 图3 给 出 这 种 工 艺 的 过 程 。 第 三 种 发 展 中 的 工 艺 是 反 应 注 射 模 成 型 , 如 图 4 所 示 。 上 述 工 艺 的 发展 , 对 提 高 汽 车 制 造 业 中 复 合 材 料 产 品
11、 的 生 产 效 率 有 重 要 的 价 值 。图 2 STX 板 的 成 型 工 艺 流 程 图在 我 国 汽 车 工 业 中 , 关 于 复 合 材 料 应 用 的 研 究 , 已 经 着 手 进 行 。 例 如 中 美 合 资 的 吉 普 车 公司 开 始 研 制 复 合 材 料 车 门 和 发 动 机 罩 等 ; 上 海 同 济 大 学 复 合 材 料 和 结 构 研 究 所 与 中 汽 公 司 合08 洛 阳 工 学 院 学 报 1997 年图 3 高 速 传 递 模 成 型 示 意 图图 4 高 速 反 应 注 射 模 成 型 示 意 图作 , 研 制 卡 车 用 板 弹 簧 ,
12、已 取 得 很 大 的 成 效 。汽 车 板 弹 簧 的 设 计 和 制 造 , 是 利 用 连 续 碳 纤 维 或 玻 璃 纤 维 复 合 材 料 承 受 疲 劳 载 荷 的 典 型例 子 。 纤 维 体 积 百 分 比 为 55% 的 连 续 玻 璃 纤 维 复 合 材 料 板 弹 簧 可 以 承 受 455M Pa 的 弯 曲 工 作18第 4 期 张 恒 等 : 复 合 材 料 在 民 用 工 业 中 的 应 用 和 发 展应 力 , 但 层 间 剪 切 强 度 只 有 48M Pa2 , 成 为 重 要 的 指 标 之 一 。 1989 年 英 国 国 家 工 程 研 究 院(N E
13、L ) 的 材 料 工 程 部 所 研 制 的 新 型 复 合 材 料 板 弹 簧 , 在 美 国 塑 料 工 业 学 会 的 复 合 材 料 年 会 上获 奖 3 , 它 是 用 纤 维 缠 绕 结 合 传 递 模 成 型 工 艺 制 成 的 。2 齿 轮齿 轮 是 机 械 传 动 的 重 要 基 本 部 件 。 齿 轮 材 料 必 须 具 备 抗 弯 曲 疲 劳 、 耐 磨 、 减 振 、 降 噪 声 等 综合 性 能 。 传 统 的 齿 轮 材 料 是 钢 、 铸 铁 和 铜 等 金 属 。 但 早 在 上 个 世 纪 , 就 出 现 了 所 谓 无 声 小 齿轮 4 。 它 实 际 上
14、 是 生 牛 皮 增 强 树 脂 复 合 材 料 齿 轮 。 这 种 齿 轮 传 递 的 功 率 有 限 , 寿 命 也 比 较 短 。本 世 纪 中 期 出 现 的 工 程 塑 料 齿 轮 , 和 传 统 的 金 属 齿 轮 相 比 , 有 重 量 轻 、 传 动 平 稳 、 噪 声 低 、 耐 腐蚀 及 自 滑 润 性 能 好 等 优 点 。 但 塑 料 齿 轮 机 械 性 能 差 , 例 如 弯 曲 强 度 一 般 低 于 110M Pa, 热 膨 胀系 数 为 钢 的 11 倍 , 尺 寸 稳 定 性 差 因 而 精 度 低 等 。 显 然 , 纤 维 增 强 聚 合 物 复 合 材
15、料 可 以 克 服 上 述缺 点 。 在 齿 轮 制 造 行 业 充 分 发 挥 潜 力 。 日 本 、 美 国 等 先 进 国 家 已 推 出 碳 纤 维 增 强 树 脂 复 合 材 料齿 轮 , 其 轮 齿 弯 曲 强 度 已 接 近 调 质 钢 , 但 成 本 较 高 。 目 前 , 在 国 内 市 场 上 有 两 类 复 合 材 料 齿 轮 。一 类 是 尼 龙 等 塑 料 注 塑 齿 轮 , 含 有 10% 30% 重 量 而 长 度 为 1 5mm 的 玻 璃 纤 维 。 由 于 纤 维短 、 含 量 小 (由 注 塑 工 艺 所 限 制 ) , 此 类 齿 轮 的 强 度 仍 较
16、 低 , 精 度 也 较 差 。 另 一 类 是 胶 木 齿 轮 , 它是 由 棉 纤 维 增 强 酚 醛 树 脂 模 压 成 坯 , 然 后 经 切 削 加 工 而 成 的 。 由 于 采 用 切 削 加 工 , 齿 轮 的 精 度提 高 了 ( 一 般 模 压 成 型 只 能 达 到 10 级 精 度 )。 但 齿 轮 的 制 造 成 本 也 提 高 了 (约 为 金 属 齿 轮 的 1.5 倍 )。 洛 阳 工 学 院 复 合 材 料 研 究 室 新 近 研 制 出 的 玻 璃 纤 维 改 性 酚 醛 复 合 材 料 齿 轮 , 玻 璃 纤 维含 量 达 60% , 轮 齿 的 弯 曲
17、强 度 达 198M Pa。 由 于 采 用 了 复 合 材 料 齿 轮 模 具 CAD 技 术 , 有 效 地控 制 模 具 在 工 作 温 度 和 压 力 下 的 变 形 以 及 物 料 固 化 的 收 缩 率 , 使 一 次 模 压 成 型 的 齿 轮 精 度 达到 8 级 , 可 以 满 足 一 般 机 械 传 动 的 精 度 要 求 。 由 于 不 需 切 削 加 工 , 齿 轮 的 制 造 成 本 大 大 地 降低 , 只 有 同 种 规 格 钢 齿 轮 的 60% 70% 左 右 5 。 目 前 这 种 齿 轮 已 用 于 箭 杆 织 布 机 的 动 力 传 动 ,有 明 显 的
18、 减 振 和 降 噪 效 果 。 通 常 有 一 个 经 验 , 如 果 纤 维 复 合 材 料 的 应 用 只 是 简 单 地 替 代 传 统 的金 属 材 料 , 则 成 本 总 是 要 提 高 ; 若 能 充 分 发 挥 复 合 材 料 在 性 能 和 成 型 工 艺 等 方 面 的 特 长 , 则 不仅 可 以 获 得 高 质 量 产 品 , 还 可 以 降 低 制 造 成 本 。3 轴 承聚 合 物 基 复 合 材 料 在 机 械 摩 擦 方 面 最 普 遍 的 应 用 是 轴 承 材 料 , 其 中 应 用 最 多 的 是 滑 动 轴承 。 已 经 发 现 许 多 聚 合 物 用
19、做 轴 承 材 料 与 常 规 金 属 轴 颈 配 合 有 良 好 的 适 应 性 。 所 谓 适 应 性 是指 在 额 定 负 荷 作 用 下 , 摩 擦 因 数 小 , 磨 损 量 适 度 , 能 够 嵌 入 微 小 的 磨 粒 以 减 轻 配 合 面 的 擦 伤 。 聚合 物 用 做 轴 承 材 料 的 主 要 缺 点 , 是 本 身 的 物 理 性 能 差 , 如 屈 服 强 度 低 , 蠕 变 强 度 低 、 尺 寸 稳 定 性差 、 导 热 性 能 低 、 不 能 承 受 较 高 温 度 和 负 荷 容 量 低 等 。 聚 合 物 基 复 合 材 料 则 由 于 增 强 相 的 引
20、 入 ,不 仅 可 以 基 本 保 留 聚 合 物 的 优 点 , 而 且 可 以 改 善 上 述 缺 点 。 为 了 进 一 步 提 高 轴 承 的 刚 度 , 可 将聚 合 物 基 复 合 材 料 进 一 步 复 合 到 金 属 背 衬 上 , 构 成 超 级 混 杂 复 合 材 料 的 结 构 。PV 值 是 滑 动 轴 承 负 荷 容 量 指 标 。 图 5 给 出 了 几 种 聚 合 物 基 轴 承 复 合 材 料 在 常 温 下 的 极限 PV 值 6 。 由 图 5 可 以 看 到 , 承 载 能 力 最 高 的 是 织 物 增 强 的 PT FE 基 复 合 材 料 , 它 超
21、 过 了 金属 材 料 的 承 载 能 力 。 但 在 高 温 条 件 下 , PEEK 却 具 有 比 PT FE 更 好 的 性 能 。28 洛 阳 工 学 院 学 报 1997 年早 在 70 年 代 中 期 , 塑 料 滚 动 轴 承 曾 经 热 门 了 一 时 , 但 由 于 负 荷 容 量 低 、 精 度 低 、 导 热 性 差和 寿 命 短 等 缺 点 , 塑 料 滚 动 轴 承 的 应 用 极 为 有 限 8 目 前 国 外 已 用 纤 维 增 强 聚 合 物 来 制 造 滚 动图 5 几 种 复 合 材 料 的 极 限 PV 值1. 织 物 增 强 的 PT FE 2. 含
22、固 体 润 滑 剂 的 金 属3. 聚 酰 亚 胺 基 复 合 材 料 4. 流 体 润 滑 (油 )5. 油 浸 渍 的 烧 结 物 6. PT FE 基 复 合 材 料轴 承 套 圈 。 已 发 现 聚 缩 醛 基 体 复 合 材 料 对 不 锈钢 球 有 很 好 的 配 合 性 能 。4 其 它 11 在 机 械 工 业 和 其 它 工 业 以 及 体 育 、 生 活 用品 等 方 面 , 复 合 材 料 都 已 得 到 广 泛 的 应 用 。 例如 将 复 合 材 料 用 于 高 速 运 动 和 转 动 的 部 件 , 可减 小 惯 性 力 ; 用 于 制 造 形 状 复 杂 的 部
23、件 , 可 大大 减 少 切 削 工 作 量 ; 用 于 制 造 涡 轮 机 叶 片 、 压缩 机 叶 片 、 风 力 机 叶 片 、 水 轮 机 叶 片 和 各 种 高速 离 心 机 , 可 以 提 高 性 能 、 降 低 制 造 的 难 度 ; 用于 纺 织 机 械 的 零 部 件 , 可 改 善 比 刚 度 , 且 耐 疲劳 、 减 振 和 降 低 噪 音 , 有 利 于 工 人 的 健 康 ; 用 于光 学 显 徽 镜 、 天 文 望 远 镜 和 其 它 光 学 仪 器 , 可明 显 减 轻 自 重 并 提 高 仪 器 的 性 能 指 标 ; 用 高 强纤 维 缠 绕 的 复 合 材
24、料 飞 轮 来 贮 能 , 效 率 很 高 ,寿 命 很 长 , 安 全 可 靠 和 经 济 适 用 等 。 用 于 化 学工 业 的 管 道 、 泵 、 阀 门 、 反 应 罐 和 贮 罐 等 , 耐 腐蚀 性 好 , 可 节 省 不 锈 钢 又 减 轻 重 量 。 在 建 筑 工业 方 面 , 采 用 复 合 材 料 , 可 减 轻 建 筑 结 构 的 自 重 , 有 利 于 抗 震 。 在 体 育 用 品 方 面 , 采 用 碳 纤 维 复合 材 料 的 自 行 车 , 可 以 提 高 速 度 ; 采 用 碳 纤 维 复 合 材 料 的 弓 和 箭 , 可 以 创 造 新 的 世 界 记
25、 录 。 用 于海 洋 工 程 , 可 以 减 轻 腐 蚀 问 题 。 应 用 的 方 面 很 多 , 不 胜 枚 举 。 关 于 复 合 材 料 在 桥 梁 工 程 和 生 物医 学 工 程 方 面 的 应 用 , 由 于 另 有 文 章 论 述 , 在 此 就 从 略 了 。5 结 束 语从 上 面 的 论 述 不 难 得 到 如 下 的 结 论 : 将 复 合 材 料 应 用 于 民 用 机 械 工 业 以 及 其 它 方 面 , 具 有极 为 广 阔 的 发 展 前 途 , 存 在 着 很 大 的 潜 力 , 而 且 投 资 少 、 收 效 快 。 预 计 在 今 后 十 年 内 ,
26、我 国 的 复合 材 料 研 究 工 作 , 应 在 开 发 民 用 机 械 工 业 和 多 方 面 的 民 用 产 品 方 面 , 投 入 更 多 的 人 力 和 物 力 。上 级 科 研 管 理 部 门 和 学 术 指 导 核 心 , 应 安 排 更 多 的 人 力 和 资 金 来 研 究 和 开 发 民 用 复 合 材 料 产品 , 必 将 大 有 成 效 。参 考 文 献1 陈 绍 杰 等 . 从 第 3 届 SAM PE 年 会 看 复 合 材 料 研 究 和 应 用 的 发 展 . 西 安 第 五 届 全 国 复 合 材 料 年 会 论 文集 , 198838第 4 期 张 恒 等
27、 : 复 合 材 料 在 民 用 工 业 中 的 应 用 和 发 展2 Beardmo re P, Johnson C F. T he Po tential fo r Compo sites in Structural A utomo tive A pp lications. Compo s2ites Sci and T ech, 1986, 263 Inter N ew s. Aw ard fo r R einfo rced P lastics Car Suspension System. Compo sites, 1989, (7)4 R ichardson M O W. Po lym e
28、r Eng Compo sites. L ondon A pp l Sci Pub L TD , 19775 张 恒 . 复 合 材 料 齿 轮 . 北 京 科 学 出 版 社 , 19936 张 恒 . 复 合 材 料 轴 承 . 北 京 科 学 出 版 社 , 19967 W o lverton M P 等 . 塑 料 复 合 材 料 在 高 温 下 的 磨 损 . 固 体 润 滑 , 1988, 8 (2)8 钟 兆 麟 . 塑 料 轴 承 . 国 外 轴 承 , 1983, (5)9 西 村 允 . 固 体 润 滑 概 论 (九 ). 固 体 润 滑 , 1988, 8 (8)10 植
29、 村 益 次 , 牧 广 编 ; 贾 丽 霞 等 译 . 高 性 能 复 合 材 料 最 新 技 术 . 北 京 建 筑 工 业 出 版 社 , 198911 王 震 鸣 编 著 . 复 合 材 料 力 学 和 复 合 材 料 结 构 力 学 . 北 京 机 械 工 业 出 版 社 , 1995The App lica tions a nd D eve lopm ents of Com pos ites in C ivil Indus triesZhang H eng Zhang L i W ang Zhenm ing(L uoyang In stitu te of T echno logy)
30、 ( In stitu te of M echan ics,A cadem ia Sin ica Ch ina)A bs tra c t: T he app lication s and recen t developm en t of compo sites in civil indu stries are sum 2m arized in th is paper, and som e suggestion s are m ade fo r the fu tu re research w o rk .Ke y w o rds: Compo sites A u tomo tive indu stry Po lym er48 洛 阳 工 学 院 学 报 1997 年
