复合材料在民品上的应用

摘要：介绍了1996年欧洲复合材料大会的主要议题——复合材料领域新材料的开发与材料应用、复合材料工艺技术、复合材料生产设备与自动化等。最后专门论述了复合材料在民品方面的应用。　

1996年在法国巴黎举行的第31届欧洲复合材料大会(JEC)决定:1997年的欧洲复合材料大会将与“先进材料与加工工程”大会——SAMPE同时同地共同举行。使全世界的有关专家共同讨论复合材料高技术问题,也避免分开举行在时间和上的浪费。

现将会议上的几个主要议题介绍如下。

一、新材料的开发与材料应用

材料在人类生存、和科技进步中的重要作用不阐自明。人类社会在经历了石器时代、铜铁器时代、合成材料时代后进入了当今的复合材料时代.

新材料、新技术的发展经常是从军事开始而后转入民用。新型航空航天器、作战武器和各种新技术往往对材料提出某些特殊的需求,如耐高温、耐高压、超高真空、高比强度、高比刚度等,供应商为满足这些要求,而研制生产出如T1000这样具有7000MPa的抗拉强度和M60J这样具有590GPa的拉伸模量的碳纤维,以及耐高温的金属基或陶瓷基复合材料。然而,对于民用产品来讲,更多考虑的是性能/价格比和产品的市场竞争力。根据此次的欧洲复合材料大会CEPP出版物载文统计,就整个复合材料工业而言,对“高性能复合材料”需求的增长远远低于民用工业常用的复合材料。在1995年欧洲消费的1300万吨复合材料中,高性能复合材料仅占0.38%,其余绝大部分是玻璃纤维增强的复合材料。其中玻璃纤维用户在运输业占23%,建筑业占20%,电气占 17%,工业器材占20%,、娱乐及消费品占14%,军事及其它仅占6%～7%。据分析,由于当前对军费的限制,先进复合材料及其在军事上的应用不会一帆风顺。在1994年出现的玻璃纤维极度匮乏之后,生产厂家决定增加玻璃纤维的产量,1995年仅欧文斯考宁(Owens Corning)一家公司就增产10万吨。

随着玻璃纤维复合材料在民用工业上应用愈来愈广,玻璃纤维的品种也日益增加。改进纤维的组分即可提高纤维强度,R、S或T型玻璃纤维的强度就比普通E型玻璃纤维高30%。维脱泰克斯公司(Vetrotex)的团泰克斯(Twintex)纤维就是由玻璃纤维与热塑性材料混杂的纤维. 这种纤维适用于缠绕制品和增强热塑性树脂模压制品(TRE)。这种TRE制品强度是传统TRE制品的3 倍,其单向纤维制品强度为传统TRE单向纤维制品的7倍。这种纤维复合材料已用于制作消防队员头盔及聚丙烯蜂窝夹层运输板等.

高性能纤维除碳纤维、芳纶纤维外,芳香族聚酰胺(它象芳纶一样具有准液晶性质)是高技术纤维。此外,单向聚丙烯纤维复合材料具有低密度和优良的机械性能。

对于常用的热固性及热塑性树脂这里就不多做介绍。值得注意的是各家都提到减少固化过程中苯乙烯的释放以保持环境的措施:制造一种膜覆盖于固化物表面抑制固化中苯乙烯的挥发或使用一种以双环戊二烯为基的树脂。

另外,有的厂家还介绍了热固性树脂的循环使用问题:回收废旧复合材料制品,把它们捣碎用于铺路或用做热塑性树脂的增强物。

埃尔夫?阿多凯姆公司(ELF ATOCHEM)介绍了他们的结构胶粘剂TOPFIX。这种胶粘剂在 80℃可保持其机械强度及密封性,从而代替传统的焊接、铆接和螺接;它与脱模剂相容,因而不必对被粘物进行表面处理;用高频介电损耗法可使胶带在45秒内固化,比在烘箱固化省时,节能90%,此胶主要用于汽车等运输业。

挪威JOTUN公司推出了能防止不饱和以及聚酯复合材料在超紫外线照射下发黄的新型胶膜和苯乙烯放出率很低的胶膜。

二、复合材料新工艺

对于树脂基复合材料,除了众所周知的成熟工艺手糊成型、铺层压制、模压、树脂传递模塑、缠绕、喷射、拉挤、编织等工艺外,会上介绍了一种灌注模塑法(Infusion molding),美国圣第亚哥加利福尼亚大学(UCSD)用此法制成了4米长的桥板,强度比水泥件增加88%,重量仅为水泥件的1/6; 还有人用此法制成了21米长的冷藏铁路罐车,具有良好的保温性能.

灌注模塑法可很地生产大型整体构件且不污染环境。

另据报道,法国宇航公司等9家欧洲公司接受了欧洲Technicoplis研究机构的一项预研项目, 目的在于探索用离子束照射法代替烘箱和热压罐来固化成型复合材料制品。法国宇航公司的“空间与国防分部”曾做过这方面的研究。另外,在Unipolis的阿奎坦那厂(Aquitaine)拥有可处理长10 米、直径4米的复合材料构件的世界上最大的性能优异的设备。在此设备中,加速器代替了传统的炉子和烘箱。在不升高温度且十分经济的条件下使大厚度、大尺寸的构件聚合固化。这种设备就象一台微波炉!在Technopolis预研项目中准备试验多种复合材料的固化工艺以估价此方法的效果。德国“奔驰”宇航公司准备做一个环氧复合材料的火车转向架,法国欧洲直升机公司准备做一个碳/双马树脂的直升机构件,意大利的潜艇公司准备生产一个玻璃/聚酯艇舱。从以上 1∶1试验件生产研制过程可探索此种“高级微波炉”的优点及用于不同种类纤维、树脂复合材料的工业生产的可行性。此项工作自1991年开始已取得进展。

三、复合材料生产设备与自动化

复合材料制品的生产设备与自动化程度取决于所采用的材料与工艺。一些高技术产品因其结构复杂,需采用手糊、铺层、接触模压等工艺,其设备的自动化程度都很低。而压制、喷射、反压挤拔及树脂传递模塑等军用工业技术设备自动化程度都越来越高,配合原材料的质量控制使制品机械性能和外观(如加色)都有很大改进。还出现了一些用于喷射、热塑增强模压、树脂传递模塑法的控制软件。另外,AEO公司推出了可以改进碳复合材料或其它复合材料生产过程的双流热汇系统(hydrothermic double flux system)。

四、发挥航天优势,在复合材料应用技术的“军转民”上下功夫

航天工业是高科技产业,代表着尖端技术。新型航天器的挑战性需求永远是技术的引导力量。随着世界冷战状态的结束,改革开放的形势,要求航天事业不仅仅是面向军品,更要面向国民经济主战场。要把航天的技术、人才优势和研究成果转向为四个化做贡献,即“军转民”。

“军转民”关键在一个“转”字。首先要转变仅仅“吃皇粮、干军品”的思想,也要转变“大军品、小民品”的观念。航天工业应是军民共茂、“两个轮子一起转”的高科技产业,要用我们千方百计攻尖端、搞军品的劲头千方百计地把民品也搞上去。

复合材料现已进入广泛应用阶段,它不仅可用于国防工业的导弹、卫星的舱体、支架、防护屏蔽罩及各种构件,国际上更多的用于国计民生的各行各业,如运输业(火车、汽车、船舶,飞机的门窗、底座、机身、机翼、腹鳍等)、电子、电气工业(元器件、绝缘件、印刷线路板等)、建筑业 (门窗、隔墙隔板、装修业、卫生洁具等),工农业器材设施(蓄水池、各种锅、罐、活门、塞子、管路、机箱机罩、纺织梭杆、大水闸门、桥梁地板等)、、娱乐用品(网球拍、游艇、赛车、跳杆、头盔等),还有核工业及医疗器械上的许多应用。703所已做了碳复合材料心脏瓣膜、风力发电机叶片、钓鱼杆等产品,508所的卫星接收天线、地铁火车门窗等多种产品,在复合材料的军转民应用方面迈出了可喜的一步。但就整个航天工业在复合材料制品研制应用的水平和规模而言, 离真正的军品、民品两条腿走路还相差甚远,与国际复合材料应用的领域相比,无论是规模和水平都有很大差距。问题的关键在于没有在“转”字上真正下功夫。思想观念没有根本转变,组织工作没有真正落实、技术成果转化很慢、行动上总有些模棱两可。只要认真做好上述工作,认真贯彻中央的十六字方针,航天工业就能真正实现军民并茂的好形势。