武玉強，袁文靜（中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266000）

復(fù)合材料性能與應(yīng)用分析

武玉強，袁文靜
（中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266000）

隨著全球能源危機與環(huán)境污染的進一步加劇，復(fù)合材料作為重要的輕量化材料，正逐漸取代金屬成為重要工業(yè)材料，市場前景廣闊。本文對復(fù)合材料的概念、性能與主要應(yīng)用進行了深入分析。

復(fù)合材料；輕量化；航空；汽車；軌道交通

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.16.021

1　復(fù)合材料概述

應(yīng)用化學(xué)或物理方法從微觀或宏觀上對超過兩種以上的材料進行組合即為復(fù)合材料，所選材料應(yīng)具有不同性質(zhì)，且在組合后會產(chǎn)生新性能。復(fù)合材料可具體分成增強體材料與基體材料兩種，二者組合具有協(xié)同作用，可有效取長補短，因此，從綜合性能來看，復(fù)合材料優(yōu)勢明顯，可有效滿足各種工業(yè)需求。

以材質(zhì)的不同為依據(jù)對基體材料進行分類，可分成非金屬與金屬基體材料。碳、陶瓷、橡膠以及樹脂等為常用的非金屬基體材料；鈦及其合金、銅、鎂等為常用金屬基體材料。增強體材料則以硬質(zhì)細粒、晶須、石棉纖維、碳化硅纖維、芳綸纖維、碳纖維等為主。

2　復(fù)合材料性能分析

組合而成的復(fù)合材料特性較多，遠優(yōu)于普通材料，其應(yīng)用可有效克服或改善應(yīng)用單一材料的不足，不但可將各組成材料的優(yōu)勢充分發(fā)揮，并能賦予材料新的性能；同時，以構(gòu)件受力與結(jié)構(gòu)要求為依據(jù)可確定配套性能，使之分布合理，確保材料最佳性能設(shè)計。具體表現(xiàn)在：

（1）復(fù)合材料可實現(xiàn)性能的可設(shè)計性。增強體與基體的鋪設(shè)方式與含量決定了復(fù)合材料的性能。以復(fù)合材料的使用環(huán)境條件與要求為依據(jù)，采用選擇與匹配組分材料、界面控制等方法可合理設(shè)計復(fù)合材料，使之具備抗老化、防腐、光、熱、力學(xué)等性能，應(yīng)用最少的材料即可確保其性能的充分發(fā)揮，滿足設(shè)計要求。

（2）比模量與比強度較高。材料性能的優(yōu)劣可通過比模量與比強度體現(xiàn)出來，是非常重要的參數(shù)，具體指的是密度與彈性模量、材料強度間的比值。相較于鋁合金，先進復(fù)合材料的比模量與比強度均較高，分別為其4倍、6～10倍。

（3）抗疲勞性能良好。通常情況下，抗拉強度的40%～50%為一般金屬疲勞強度，而一些復(fù)合材料的抗疲勞性能明顯更優(yōu)，可達70%～80%。無突發(fā)性變化為復(fù)合材料的特點，當(dāng)其出現(xiàn)疲勞斷裂時通常始于基體，并向基體與纖維界面逐漸擴展。

（4）減振性能良好。纖維增強復(fù)合材料減振性能較好，這是因為其基體與纖維界面具有較大阻尼。以大小、形狀相同的兩種梁為研究對象，具體為金屬梁與碳纖維復(fù)合材料梁，經(jīng)振動試驗發(fā)現(xiàn)，金屬梁振動衰減時間明顯較長。

（5）耐高溫性能良好。對比原金屬與硼纖維或碳纖維增強金屬在高溫條件下的剛度與強度，復(fù)合金屬材料均明顯更高。觀察硼纖維或碳纖維增強鋁合金與普通鋁合金在400℃高溫下的彈性模量與強度，前者基本無變化，后者則降低明顯。

（6）耐腐蝕性良好。具有耐酸堿腐蝕性能的復(fù)合材料非常多，以玻璃纖維增強酚醛樹脂復(fù)合材料為例，該材料可長期應(yīng)用于含氯離子酸性介質(zhì)，在某些溶劑攪拌器、容器、閥、泵、化工管道與強酸、酯、鹽等設(shè)備設(shè)施制造中應(yīng)用廣泛。

（7）安全性良好。以纖維增強復(fù)合材料為例，不計其數(shù)的獨立纖維存在于其基體中，應(yīng)用這一材料進行構(gòu)件制作，若出現(xiàn)超載、少量纖維斷裂問題，該材料可快速重新分配載荷并將載荷向未破壞纖維傳遞，可在短時間內(nèi)為整個構(gòu)件承載能力的維持提供保障。

（8）整體成型優(yōu)勢。對于復(fù)合材料，其材料與構(gòu)件的形成無先后之分，是同步進行的，組分材料復(fù)合時其結(jié)構(gòu)也會同時形成，因此，通常無需加工即可實現(xiàn)整體成型。所以，復(fù)合材料的應(yīng)用可實現(xiàn)連接件與零部件的節(jié)約，不但有助于成本的降低，也可將加工周期縮短，因其整體性較好，可靠性也較高。

3　復(fù)合材料應(yīng)用分析

因復(fù)合材料的應(yīng)用有助于耐候性、耐化學(xué)腐蝕性、彈性佳、高強度、輕重量等性能的實現(xiàn)，因此，已逐漸代替木材以及金屬合金在眾多領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，在近幾年得到了飛速發(fā)展。復(fù)合材料用量已成為衡量軍民裝備先進性的重要標(biāo)志，最為突出的屬碳纖維復(fù)合材料，表現(xiàn)在各類軍民裝備均以具有高強度、高模量、低比重的碳纖維復(fù)合材料作為重要候選材料。在預(yù)測2025年國防材料發(fā)展情況時，美國國防部指出，能夠在現(xiàn)有基礎(chǔ)上同時將高模量、高強度以及耐高溫指標(biāo)提升超過25%的只有復(fù)合材料?，F(xiàn)階段，復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域主要包含以下幾個方面。

（1）航空航天及軍工領(lǐng)域。近幾年，復(fù)合材料在國際先進民用飛機中的用量呈持續(xù)增長趨勢，中前機身、機翼、平尾翼盒、垂尾、平尾以及整流罩等為應(yīng)用復(fù)合材料的主要部位。復(fù)合材料在空客A350與波音B787、空客A380與F-22戰(zhàn)機中的用量存在差異，分別為超過50%與20%～25%之間。過去，用量最大的材料為鋁合金，如今已然是復(fù)合材料，可見，復(fù)合材料時代是飛機制造的大勢所趨。

圖1　波音B787

（2）汽車工業(yè)領(lǐng)域。隨著各國節(jié)能減排要求的提高，汽車工業(yè)越來越多地應(yīng)用復(fù)合材料，尤其是電動車，為了降低整車質(zhì)量，更是對復(fù)合材料如饑似渴。目前歐美日各大汽車研制和生產(chǎn)廠商都在開發(fā)基于復(fù)合材料的車型，可以預(yù)見未來汽車市場將成為復(fù)合材料的主要市場。具有代表性的三家汽車巨頭：寶馬、奔馳、奧迪，他們均非常重視復(fù)合材料的設(shè)計應(yīng)用。

圖2　寶馬i3碳纖維復(fù)合材料乘員艙

（3）軌道交通裝備領(lǐng)域。碳纖維復(fù)合材料制造動車組車體，將比鋁合金車體減重30%，這是下一代高速列車的理想材料。日本新干線、法國TGV、德國ICE等高速列車均不同程度采用碳纖維復(fù)合材料設(shè)計，使列車大幅度輕量化，取得了顯著效益。為了進一步減輕重量，改善隔聲性能，以及便于設(shè)計、制造，國外甚至已開始試用碳纖維增強塑料夾層結(jié)構(gòu)代替金屬制造車體。

圖3　TGV列車

（4）體育運動裝備。碳纖維復(fù)合材料在高爾夫球桿、釣魚竿、網(wǎng)球拍、羽毛球拍、自行車、滑雪板、皮劃艇等體育器材及帆船、摩托艇等運動裝備上均有大量應(yīng)用，取得了較好的市場效果。

（5）風(fēng)電領(lǐng)域。風(fēng)電葉片的開發(fā)要求為低成本、高性能、輕量化、大型化，而復(fù)合材料可有效滿足上述要求?，F(xiàn)階段，復(fù)合材料在風(fēng)電葉片重量中所占比重已超過90%，其他重要結(jié)構(gòu)部件的制造也以復(fù)合材料為主。

（6）船舶領(lǐng)域。復(fù)合材料優(yōu)異舒適性的設(shè)計理念和無縫船體的優(yōu)勢進一步推動了各種復(fù)合材料船舶的開發(fā)。近年來，碳纖維復(fù)合材料在船只上的使用不斷增加，主要包括船殼、地板、甲板、艙壁，以及管道系統(tǒng)、油箱等上層建筑。

（7）基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域。輸變電線路、水工建筑、碼頭、橋梁、高速公路等基礎(chǔ)設(shè)施在多年使用后均需采取重建、加固、翻新等措施，這些工程均需應(yīng)用大量復(fù)合材料?，F(xiàn)階段，在燈桿、輸變電塔、橋梁中復(fù)合材料均已獲實際應(yīng)用。

4　展望

復(fù)合材料輕量化已成為當(dāng)今全球交通裝備乃至整個工業(yè)領(lǐng)域的重點發(fā)展方向，成為裝備先進性的重要衡量指標(biāo)，未來市場前景極為廣闊。目前，航空領(lǐng)域的波音、空客及汽車領(lǐng)域的寶馬等知名公司已走在了時代前列。

最新市場研究報告（來自英國材料分析公司）指出，到2018年時，預(yù)計在航空航天市場、直升機、通用航空、軍工、支線飛機、商業(yè)航空以及其他部門的全球復(fù)合材料總需求量可達418億美元。