感悟复合材料之魅力

1、感悟复合材料之魅力复合材料制品创新探讨王 钧武汉理工大学材料学院复合材料系 摘要：作者总结了其从事复合材料工作二十多年来的部分实践及感想，重点对复合材料的特点、组成与创新之间的关系提出了自己的一些想法和见解，并结合工程实践的应用进行了分析。 复合材料是由两种或两种以上不同材料或物质，在发挥各自特性和优点的基础上，按照相应的复合原理，通过一定的工艺方法，制备出的一类具有新特性、新功能的结构与材料。与传统材料相比，复合材料可以通过材料、结构、工艺之间的组合来灵活实现。这种组合充满着自由与变化，就给从事复合材料理论与工程技术研究、生产的从业人员，提供了一个创新的平台，这种自由和变化正是复合材料的魅力

2、所在。一、复合材料的理解与创新1.1创新的起点复合材料是以实践为基础的学科和行业，决定了认识复合材料，必须通过实践才能获得真知，实践是一个感知的过程；在实践的基础上，实现由实践到认识的跨越，还必须通过思考这一领悟的过程。只有对复合材料有所感知、有所领悟，才能深入的理解复合材料的本质，才能更好的运用复合材料的特点，从而达到创新的目的，“感悟”是复合材料创新的起点。1.2创新的原则与传统材料相比复合材料既是一种材料，也是一种结构，而且材料、结构、功能具有一致性。这种材料和结构特性，只能通过具体的制品才能得以体现，因此无论是从事复合材料理论研究，还是工程技术研究的目标都是研制出更能发挥材料特性、效率

3、的制品及制备方法。在这个过程中任何材料、工艺和结构没有优劣之分，只有使用是否科学、合理、有效之别，科学、合理、效率是复合材料制品创新必须遵守的原则。1.3创新的基础复合材料涉及材料、力学、化学、机械、电子等多个学科的知识，是一个跨多个学科、交叉性很强的新学科方向。从图1我们可以直观的看出，决定复合材料制品性能的要素有材料、工艺、结构和测试。其中材料是基础、制品是目的、工艺、结构、测试是手段、桥梁和保障。各要素所涉及的内容：材料方面有基体材料、增强材料及其它辅助、功能材料等；工艺方面主要有工艺方法、成型设备、工艺参数及控制等；结构方面主要包括结构设计、结构校核及优化等；测试方面有测试方法、测试设

4、备、材料测试、制品检测等。在材料向复合材料制品转换中，各要素既相互联系，又相互制约、相互作用。只有把材料、结构、工艺有机的结合为一个整体，才能有所创新。因此创新的基础是知识的积累、吸收、思考、运用，其中最为关键是思考和运用。图1 复合材料制品与各要素关系图1.4 创新的方法复合材料最大的特点可设计性，即使同一种制品，都会随材料、工艺和结构的不同选择，而表现出不同的性能，因此复合材料制品都既有共性，但又有个性。创新就是解决共性中的个性问题，只有充分发挥可设计性，表现出个性，就能够实现创新。发挥可设计性的方法“合”与“变”。“合”集合、组合；“变”变化。 材料方面可以通过对树脂、纤维种类进行优选、

5、改性、组合、混合发挥材料的可选择性，从而获得具有不同特性的制品； 工艺方面可以通过不同工艺的组合、集成、改进等发挥工艺的可利用性； 结构方面可以通过结构之间的组合、构成优化的可设计性同时还可以通过材料材料、工艺工艺、结构结构、材料工艺结构之间的重新设计和组合来实现复合材料制品的创新。二、创新实例分析2.1 低粘度不饱和聚酯树脂研制在制备纤维增强树脂基复合材料时，树脂对纤维的浸渍过程，可以简化为树脂替换纤维中空气的过程，树脂的粘度是影响这一过程的重要因素，通过降低树脂的粘度可以提高浸渍的效率和效果，同时还可以降低闭模成型时树脂的注射压力等。以不饱和聚酯树脂为例，降低粘度最常用的方法有三种：（1）

6、多加交联剂单体（2）降低不饱和聚酯的分子量（3）重新设计配方1、2两种方式是以牺牲树脂固化物的物理、机械性能为代价。如何在保持性能不变的前提下降低粘度，只能通过新的树脂配方设计来实现。我们根据官能团之间反应的原理，设计并研究了一类共混树脂体系。该树脂体系包含如下两组分：第一部分为低分子量、高端羟基含量不饱和聚酯树脂，低分子量保证树脂体系低粘度；第二部分为二异氰酸酯及其低分子量预聚物。在这两个组分中含有三种官能团：不饱和聚酯树脂中双键和羟基及二异氰酸酯预聚物中的二异氰酸基。当加入引发剂、促进剂使两个组分混合时，混合树脂中发生两类反应，一类是双键的自由基加成反应；另一类是羟基与异氰酸基之间的加成反

7、应。第一类反应是使树脂进行交联，第二类反应使低分子不饱和聚酯扩链。由于扩链反应的发生，通过扩链增大了线型分子的链长，保证了树脂的性能，扩链反应式如下：扩链反应图2 扩链反应、固化反应示意图2为经过扩链后固化反应示意图，其中“”代表交联单体，“pu”代表二异氰酸酯预聚物，分子链代表低分子量不饱和聚酯。 图3、图4为扩链前、后，树脂交联结构示意图，从图中可以看出未经过扩链的交联网络结构中有很多由低分子量不饱和聚酯形成的断点，这些断点会降低树脂固化物的物理机械性能，特别是模量和热变形性能。表1为经过扩链后低粘度不饱和聚酯树脂与国产某牌号乙烯基酯树脂浇铸体性能对比。从测试结果可以看出，该方法得到的共混

8、树脂不仅具有低的粘度、同时保持了高的力学性能，沿着这一思路可以通过改变树脂原料种类和组分，制备出一系列新的树脂。2.2 1000kv空心复合支柱绝缘子设计与制备1000kv空心复合支柱绝缘子是为我国特高压输变电工程研制的大型复合材料制品。该制品在使用中有很高的力学和电学要求，主要技术要求如表2所示。从技术要求我们可以看出，该大型绝缘子不仅要求材料和制品具有很好的绝缘特性，还要求制品沿轴向方向具备很高的结构刚度，同时还必须在环向方向能承受一定的扭矩。拉挤工艺和缠绕工艺制备复合材料不同纤维方向上的力学性能如表3所示。可以看出，缠绕工艺无法满足轴向刚度要求，拉挤工艺无法满足环向强度要求。如果单纯使用

9、一种工艺方法，很难达到技术要求。由于复合材料在结构与工艺上可以通过设计而结合二者的优点，我们将拉挤型材和缠绕工艺结合，发挥不同工艺制备复合材料的性能特点，设计出了内、外层采用缠绕，中间层采用拉挤型材的组合结构和工艺方案。该绝缘子剖面和结构示意如图5和图6所示，其中图5中1、3为纤维缠绕层，2为拉挤型材。图5 绝缘子剖面图6 绝缘子结构示意在材料选择上，树脂基体选用自主研制的高绝缘性能环氧树脂，用e玻璃纤维布制备的复合材料电性能如表4所示试验结果表明，采用拉挤型材缠绕结构复合制备出的该大型制品，性能完全满足技术要求，实测轴向挠度为0.3。挠度测试如图7所示，竖立的绝缘子如图8所示：图7 绝缘子挠

10、度测试图8 竖立后的绝缘子2.3复合材料低温力矩管设计与制备复合材料低温力矩管是低温超导电机推进装备中的绝热、传力部件。该部件一端使用温度环境为12k，另一端为298k。由于高低温差，树脂和增强材料热膨胀系数的不一致会产生很大的温度应力造成复合材料界面及层间的破坏；另外要将电机的力矩传递出去，该制品必须满足动载疲劳性要求。为了提高层间剪切、承受动载荷及耐疲劳能力，在材料设计方面采用了如下措施：增强材料选择正交三维玻璃纤维预成型体，该制品法兰处厚度为40mm；树脂基体采用自主研制的低粘度、耐低温环氧树脂体系，该树脂在室温下的粘度80mpas。用该树脂制备的正交三维玻璃纤维复合材料试件，4k温度下

11、浸泡36h后在室温下测试其剪切强度保留率96。工艺方面采用真空浸渍、内气囊加压工艺方法。为了更好的配合气囊加压工艺，降低外金属模具制造成本，预成型体法兰部分采用内补强，补强部位见图9所示，补强后内气囊加压示意如图10所示，制备工艺流程示意如图11所示。该制品经过半年以上的使用和测试，性能完全满足使用要求。该制品的研制体现出复合材料制品研制过程中材料工艺结构之间的关系，同时也表明经过不同工艺方法的结合就能够创新。2.4 脱硫塔悬吊式安装及密封方案设计复合材料具有很好的耐化学腐蚀性能，在化工防腐领域的用途也越来越广泛。在这些应用中，是照搬传统材料的设计，还是按照复合材料的特点，重新进行设计，这是复

12、合材料工程技术人员必须解决的工程问题。以脱硫塔及烟道设计及安装方式分析为例，我们可以得出思维的改变能带来巨大的潜力。传统的复合材料安装一般采用多节串联后叠压安装方式，复合材料制品安装后主要受压应力，随着串联个数的增加，底部的应力逐渐增大，压缩式安装示意如图12所示。为了保持强度和刚度，因此复合材料制品的厚度较大。如果将多节串联后叠压安装方式改变为单节或多节悬吊式安装方式，把每节对下节的压力传递给复合材料外围的金属或混凝土结构上，使其分担复合材料结构自重产生的压力，而每节复合材料制品只受拉应力。以正交增强材料拉伸和压缩性能对比可以看出，拉伸强度一般为压缩强度的23倍，从材料效率的发挥来看，复合材料受拉应力比受压应力要好，这样就能很好的发挥复合材料和支撑结构的效率。悬吊式安装示意如图13所示、复合材料剖面结构如图14所示、悬吊式安装及密封示意如图15（其中1为金属支撑结构、2为柔性密封树脂、3为复合材料制品）。悬吊方式安装提高了复合材料的使用效率，能有效减低复合材料壁厚，从而减轻制品重量，同时还能很好的解决密封、热膨胀等工程问题。三、结束语 复合材料是一个外延不断扩大、内涵不断加深的领域，她给予我们一个发挥自由想象的空间，这就要求研究复合材料的工程技术人员需要不断的学习新知识，使自己