感悟復合材料之魅力—復合材料制品創新探討王鈞武漢理工大學材料學院復合材料系摘要：作者總結了其從事復合材料工作二十多年來的部分實踐及感想，重點對復合材料的特點、組成與創新之間的關系提出了自己的一些想法和見解，并結合工程實踐的應用進行了分析。復合材料是由兩種或兩種以上不同材料或物質，在發揮各自特性和優點的基礎上，按照相應的復合原理，通過一定的工藝方法，制備出的一類具有新特性、新功能的結構與材料。與傳統材料相比，復合材料可以通過材料、結構、工藝之間的組合來靈活實現。這種組合充滿著自由與變化，就給從事復合材料理論與工程技術研究、生產的從業人員，提供了一個創新的平臺，這種自由和變化正是復合材料的魅力所在。一、復合材料的理解與創新1.1創新的起點復合材料是以實踐為基礎的學科和行業，決定了認識復合材料，必須通過實踐才能獲得真知，實踐是一個感知的過程；在實踐的基礎上，實現由實踐到認識的跨越，還必須通過思考這一領悟的過程。只有對復合材料有所感知、有所領悟，才能深入的理解復合材料的本質，才能更好的運用復合材料的特點，從而達到創新的目的，“感悟”是復合材料創新的起點。1.2創新的原則與傳統材料相比復合材料既是一種材料，也是一種結構，而且材料、結構、功能具有一致性。這種材料和結構特性，只能通過具體的制品才能得以體現，因此無論是從事復合材料理論研究，還是工程技術研究的目標都是研制出更能發揮材料特性、效率的制品及制備方法。在這個過程中任何材料、工藝和結構沒有優劣之分，只有使用是否科學、合理、有效之別，科學、合理、效率是復合材料制品創新必須遵守的原則。1.3創新的基礎復合材料涉及材料、力學、化學、機械、電子等多個學科的知識，是一個跨多個學科、交叉性很強的新學科方向。從圖1我們可以直觀的看出，決定復合材料制品性能的要素有材料、工藝、結構和測試。其中材料是基礎、制品是目的、工藝、結構、測試是手段、橋梁和保障。各要素所涉及的內容：材料方面有基體材料、增強材料及其它輔助、功能材料等；工藝方面主要有工藝方法、成型設備、工藝參數及控制等；結構方面主要包括結構設計、結構校核及優化等；測試方面有測試方法、測試設備、材料測試、制品檢測等。在材料向復合材料制品轉換中，各要素既相互聯系，又相互制約、相互作用。只有把材料、結構、工藝有機的結合為一個整體，才能有所創新。因此創新的基礎是知識的積累、吸收、思考、運用，其中最為關鍵是思考和運用。圖1復合材料制品與各要素關系圖1.4創新的方法復合材料最大的特點一可設計性，即使同一種制品，都會隨材料、工藝和結構的不同選擇，而表現出不同的性能，因此復合材料制品都既有共性，但又有個性。創新就是解決共性中的個性問題，只有充分發揮可設計性，表現出個性，就能夠實現創新。發揮可設計性的方V—“合”與“變”。“合”一集合、組合；'變'——變化。材料方面一可以通過對樹脂、纖維種類進行優選、改性、組合、混合發揮材料的可選擇性，從而獲得具有不同特性的制品；工藝方面一可以通過不同工藝的組合、集成、改進等發揮工藝的可利用性；結構方面一可以通過結構之間的組合、構成優化的可設計性同時還可以通過材料一材料、工藝一工藝、結構一結構、材料一工藝一結構之間的重新設計和組合來實現復合材料制品的創新。二、創新實例分析2.1低粘度不飽和聚酯樹脂研制在制備纖維增強樹脂基復合材料時，樹脂對纖維的浸漬過程，可以簡化為樹脂替換纖維中空氣的過程，樹脂的粘度是影響這一過程的重要因素，通過降低樹脂的粘度可以提高浸漬的效率和效果，同時還可以降低閉模成型時樹脂的注射壓力等。以不飽和聚酯樹脂為例，降低粘度最常用的方法有三種：（1） 多加交聯劑單體（2） 降低不飽和聚酯的分子量（3） 重新設計配方1、2兩種方式是以犧牲樹脂固化物的物理、機械性能為代價。如何在保持性能不變的前提下降低粘度，只能通過新的樹脂配方設計來實現。我們根據官能團之間反應的原理，設計并研究了一類共混樹脂體系。該樹脂體系包含如下兩組分：第一部分為低分子量、高端羥基含量不飽和聚酯樹脂，低分子量保證樹脂體系低粘度；第二部分為二異氰酸酯及其低分子量預聚物。在這兩個組分中含有三種官能團：不飽和聚酯樹脂中雙鍵和羥基及二異氰酸酯預聚物中的二異氰酸基。當加入引發劑、促進劑使兩個組分混合時，混合樹脂中發生兩類反應，一類是雙鍵的自由基加成反應；另一類是羥基與異氰酸基之間的加成反應。第一類反應是使樹脂進行交聯，第二類反應使低分子不飽和聚酯擴鏈。由于擴鏈反應的發生，通過擴鏈增大了線型分子的鏈長，保證了樹脂的性能，擴鏈反應式如下:圖片：Ihttp*//www.Frpbbs,com °國Ci—UP—0H+aCH—R.—CH□ HCi-4-tTP—□CN—R—HC0七）H H擴鏈反應片：圖2擴鏈反應、固化反應示意圖2為經過擴鏈后固化反應示意圖，其中“。”代表交聯單體，“PU”代表二異氰酸酯預聚物，分子鏈代表低分子量不飽和聚酯。圖4圖4擴德后的登聯結構e圖3、圖4為擴鏈前、后，樹脂交聯結構示意圖，從圖中可以看出未經過擴鏈的交聯網絡結構中有很多由低分子量不飽和聚酯形成的斷點，這些斷點會降低樹脂固化物的物理機械性能，特別是模量和熱變形性能。圖片：測試項目P低粘度共混樹脂#乙爆基酎廁脂『枯度mPa.■S)J vwwwwv^1401060^拉伸強度g『64.8^54.4^拉伸彈性模童每）#3濕W3.麒斷裂伸長率（熟『2:汗1.83^.彎曲強度也/36.8^99.4廣彎曲彈性模童gA.3：3.22^壓縮強度（MPa）p［泠1母沖擊韌性（Kj/rnSJ'『IOl8^L窖.耕表1為經過擴鏈后低粘度不飽和聚酯樹脂與國產某牌號乙烯基酯樹脂澆鑄體性能對比。從測試結果可以看出，該方法得到的共混樹脂不僅具有低的粘度、同時保持了高的力學性能，沿著這一思路可以通過改變樹脂原料種類和組分，制備出一系列新的樹脂。圖片：http: 表'更鴻i瞬我島C?復合支柱箜緣子室蜜技術要求J長度『長度『彎做192 時1■■A^A^A^A^v麹度4<0.5V外徑『600.niniP扭?S，:sN,MSAAAAAAA/v絕緣4lQOOkV^2.21000kV空心復合支柱絕緣子設計與制備1000kV空心復合支柱絕緣子是為我國特高壓輸變電工程研制的大型復合材料制品。該制品在使用中有很高的力學和電學要求，主要技術要求如表2所示。從技術要求我們可以看出，該大型絕緣子不僅要求材料和制品具有很好的絕緣特性，還要求制品沿軸向方向具備很高的結構剛度，同時還必須在環向方向能承受一定的扭矩。圖片:"辭。親&呻衲履穌酬瞄復一臺材料不同纖"向上的力學性斜方向『疽舞工藝時彎曲強度MP泌■yWrY-彎曲強度^200模童專叫黔q模室蓉15?齡390°ffi彎曲強度^100護彎曲強度S4G0模里WlSGPa4模童法怎5GP崩拉擠工藝和纏繞工藝制備復合材料不同纖維方向上的力學性能如表3所示。可以看出，纏繞工藝無法滿足軸向剛度要求，拉擠工藝無法滿足環向強度要求。如果單純使用一種工藝方法，很難達到技術要求。由于復合材料在結構與工藝上可以通過設計而結合二者的優點，我們將拉擠型材和纏繞工藝結合，發揮不同工藝制備復合材料的性能特點，設計出了內、外層采用纏繞，中間層采用拉擠型材的組合結構和工藝方案。該絕緣子剖面和結構示意如圖5和圖6所示，其中圖5中1、3為纖維纏繞層，2為拉擠型材。圖片:陷S絕螺子剖面 圖6絕嫌子結物示意4圖5絕緣子剖面圖6絕緣子結構示意在材料選擇上，樹脂基體選用自主研制的高絕緣性能環氧樹脂，用E玻璃纖維布制備的復合材料電性能如表4所示。

高始摩曜3蕈翹脂復合柄的電性能中施電強度尸.37..6.kV/io^體積電阻率q1.34X10^介電常數口2,74P弁質損耗角正切值『4.3K10-^試驗結果表明，采用拉擠型材一纏繞結構復合制備出的該大型制品，性能完全滿足技術要求，實測軸向撓度為0.3%。撓度測試如圖7所示，豎立的絕緣子如圖8所示。圖片:圖7絕緣子撓度測試

圖8豎立后的絕緣子2.3復合材料低溫力矩管設計與制備復合材料低溫力矩管是低溫超導電機推進裝備中的絕熱、傳力部件。該部件一端使用溫度環境為12K，另一端為298K。由于高一低溫差，樹脂和增強材料熱膨脹系數的不一致會產生很大的溫度應力造成復合材料界面及層間的破壞；另外要將電機的力矩傳遞出去，該制品必須滿足動載疲勞性要求。為了提高層間剪切、承受動載荷及耐疲勞能力，在材料設計方面采用了如下措施：增強材料選擇正交三維玻璃纖維預成型體，該制品法蘭處厚度為40mm；樹脂基體采用自主研制的低粘度、耐低溫環氧樹脂體系，該樹脂在室溫下的粘度80mPa?S。用該樹脂制備的正交三維玻璃纖維復合材料試件，4K溫度下浸泡36h后在室溫下測試其剪切強度保留率296%。工藝方面采用真空浸漬、內氣囊加壓工藝方法。為了更好的配合氣囊加壓工藝，降低外金屬模具制造成本，預成型體法蘭部分采用內補強，補強部位見圖9所示，補強后內氣囊加壓示意如圖10所示，制備工藝流程示意如圖11所示。圖片:圖11工藝流程示意圖片:圖11工藝流程示意該制品經過半年以上的使用和測試，性能完全滿足使用要求。該制品的研制體現出復合材料制品研制過程中材料一工藝一結構之間的關系，同時也表明經過不同工藝方法的結合就能夠創新。2.4脫硫塔懸吊式安裝及密封方案設計復合材料具有很好的耐化學腐蝕性能，在化工防腐領域的用途也越來越廣泛。在這些應用中，是照搬傳統材料的設計，還是按照復合材料的特點，重新進行設計，這是復合材料工程技術人員必須解決的工程問題。以脫硫塔及煙道設計及安裝方式分析為例，我們可以得出思維的改變能帶來巨大的潛力。傳統的復合材料安裝一般采用多節串聯后疊壓安裝方式，復合材料制品安裝后主要受壓應力，隨著串聯個數的增加，底部的應力逐漸增大，壓縮式安裝示意如圖12所示。為了保持

強度和剛度，因此復合材料制品的厚度較大。留住多節弟聯后疊壓式安裝m14為節懸吊式復合材料刮面函15息吊式安裝及密封剖面P如果將多節串聯后疊壓安裝方式改變為單節或多節懸吊式安裝方式，把每節對下節的壓力傳遞給復合材料外圍的金屬或混凝土結構上，使其分擔復合材料結構自重產生的壓力，而每節復合材料制品只受拉應力。以正交增強材料拉伸和壓縮性能對比可以看出，拉伸強度一般為壓縮強度的2?3倍，從材料效率的發揮來看，復合材料受拉應力比受壓應力要好，這樣就能很好的發揮復合材料和支撐結構的效率。懸吊式安裝示意如圖13所示、復合材料剖面結構如圖14所示、懸吊式安裝及密封示意如圖15（其中1為金屬支撐結構、2留住多節弟聯后疊壓式安裝m14為節懸吊式復合材料刮面函15息吊式安裝及密封剖面P懸吊方式安裝提高了復合材料的使用效率，能有效減低復合材料壁厚，從而減輕制品重量，同時還能很好的解決密封、熱膨脹等工程問題。三、結束語復合材料是一個外延不斷擴大、內涵不斷加深的領域，她給予我們一個發揮自由想象