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复合材料主要应用领域现状与发展趋势

放大字体  缩小字体 发布日期:2017-12-12  来源:复材应用技术网  浏览次数:2617
核心提示:“低成本、高性能、多功能”是未来复合材料的发展方向。其中,低成本制造技术是未来复合材料发展的重点。因过去主要注重复合材料的性能,较少考虑成本,但是现在越来越多的研究重点放在了降低成本上。未来复合材料发展的核心是低成本原材料、快速成形工艺技术、产品的大型化、整体化和集成化。
       本文阐述了碳纤维复合材料的优异性能,重点介绍了其在航空航天、军工、船舶游艇、风电叶片、汽车工业和体育器材等领域的广泛应用,分析了目前我国发展碳纤维复合材料体系的重要性,并对未来复合材料的发展趋势进行了展望。
 
        随着现代高新技术的迅猛发展,材料技术也得到飞速的发展。由于材料的使用环境越来越复杂,人们对材料的要求也越来越高。材料的复合化是未来新材料的重要发展方向。复合材料作为一种新型材料已逐成为21世纪的主导材料之一,与金属材料、无机非金属材料、高分子材料并称为四大材料体系。
 
1 概述
 
        复合材料(Composites)是由两种或两种以上不同性质材料组成的多相材料。目前应用得最多也是最重要的复合材料是碳纤维复合材料。
 
        碳纤维复合材料因具有低密度、高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、热膨胀系数低和生体相容性好等优异性能,使其成为制备各种结构和功能性复合材料的重要原材料。是目前运用最为广的一种复合材料。
 
2  复合材料在航空航天领域的应用
 
       据法国JEC称,2015年全球碳纤维总用量约为67000 t,预计到 2020年,全球碳纤维总用量将达到110000 t。目前,碳纤维复合材料主要运用于航空航天、军工、船舶游艇、风电叶片、汽车工业和体育器材等领域。 
 
        2.2复合材料在通用飞机的应用 。“轻质化、长寿命、高可靠、高效能和低成本”是未来通用飞机的发展趋势。随着复合材料及加工技术的快速发展,新型通用飞机开始越来越多地使用复合材料。据专业人士估计,2020年通用飞机使用复合材料的市场将超过 20 亿美元。Cessna 350、SR2X、DA40、AG300 和SF50通用飞机中复合材料的应用 。

        2.2.1 Cessna 350通用飞机中复合材料的应用。Cessna 350是由赛斯纳公司推出的一款带固定减速器的活塞式飞机。其机身梁、翼梁、操纵面等关键部件均采用碳纤维复合材料制成,碳纤维复合材料就占整机重量的15% 。

        2.2.2 SR2X 通用飞机中复合材料的应用。SR2X 是美国西锐飞机公司(现已被中航通用飞机有限责任公司收购)的一个产品系列,SR20 和 SR22 就是其中的典型代表。与SR20所不同的是,SR22是全复合材料单发活塞飞机。有着“空中宝马”的美誉。是世界上同级别机型中销量最大的。

        2.2.3 DA40通用飞机中复合材料的应用。DA40是由奥地利钻石飞机公司推出的一款活塞式飞机,该飞机大量采用了复合材料制件,组成机身的 2 个半机身均由玻璃纤维复合材料制造,部分区域使用碳纤维复合材料制成,使机身具有足够的强度和刚度,又最大限度减轻飞机自重。

        2.2.4 AG300 通用飞机中复合材料的应用。AG300飞机是由中航通用飞机有限责任公司自主研发的第一款全复合材料 5 座单发涡桨轻型公务机,也是我国首款拥有自主知识产权的全复合材料高端公务机。正因为AG300采用全复合材料制造,使其可获得 600 公里的最高时速,被称为世界同级别单引擎涡桨飞机中飞得最快的飞机。目前,AG300已于2014年年初实现首飞。

        2.2.5 SF50通用飞机中复合材料的应用。2011年6月,中航通用飞机有限责任公司成功收购了美国西锐飞机公司,而 SF50 飞机正是收购西锐公司后研制的第一款 5 座全复合材料单发轻型喷气式公务机。由于 SF50 采用全复合材料制造,使该飞机具有结构简单、重量轻、速度快、安全舒适、经济性好等特点。目前,这款飞机已完成首飞取证工作,开始交付订单。

        2.3复合材料在军用飞机与固体火箭。美国F-22战斗机上使用复合材料的用量已达到25% 以上,军用直升机用量则达到 50%以上。H 360、V-22、BK-117和S-75等直升机均大量采用了复合材料。法德合作研制的虎式武装直升机,复合材料用量更是高达77% 。复合材料在航天领域也有应用。固体火箭发动机是各种导弹武器的主要动力装置,如在其壳体应用碳纤维复合材料,则可大大减轻火箭和导弹的发射质量、节省发射成本,或携带更重的弹头、或增加有效射程和落点精度。

        2.4复合材料在船舶游艇中的应用。燃油成本的增长趋势对于轻量设计的需求非常急迫,促进了先进复合材料在船身和甲板中的应用。2000年下水的第一艘 Visby级轻巡洋舰,该舰在其真空灌注的夹层结构中采用了高延展率的碳纤维和具有延展性的高密度芯材,使舰体的整体重量减轻了30% 左右 。重量的减轻可以转化为舰艇性能的提高,即降低油耗来增加运行范围和降低操作成本。

        2.5复合材料在风电叶片中的应用。碳纤维复合材料在风电系统中,主要用于制造风电叶片与贮能用飞轮等。当风电叶片长度超过40m,就需要部分使用碳纤维复合材料。目前风力发电机组正朝大型化方向发展,风轮直径已突破120m,最长叶片超过60m,全玻璃钢叶片已无法满足大型化发展的要求。以直径为 120m 的风电叶片为例,使用碳纤维复合材料可减少其总重量的38% ,降低叶片成本的14% ,降低整个风电装置成本的 4.5%。

        2.6 复合材料在汽车零部件中的开发应用。发动机中的活塞部件是极易损坏的部件,为了保证发动机长期稳定的工作,复合材料的选用是未来发动机的一个发展方向。目前,应用于活塞的材料主要由低密度金属和增强陶瓷纤维组成。现在国外又推出了氧化铝纤维增强的铝活塞及氧化铝增强的镁合金活塞 。复合材料的应用,可提高发动机的功率,从而达到节能减排的目的。2.7复合材料在体育器材中的应用。出于对安全、减重的需要,碳纤维复合材料用于生产自行车、钓鱼竿、冲浪板、滑雪板、高尔夫球杆、羽毛球拍和网球拍等,是目前消耗量最大的碳纤维应用领域,每年约消耗5000t碳纤维复合材料。
 
3 展望与总结
 
       “低成本、高性能、多功能”是未来复合材料的发展方向。其中,低成本制造技术是未来复合材料发展的重点。因过去主要注重复合材料的性能,较少考虑成本,但是现在越来越多的研究重点放在了降低成本上。未来复合材料发展的核心是低成本原材料、快速成形工艺技术、产品的大型化、整体化和集成化。因此,必须在复合材料的关键技术上进行重点研制和创新,结合当前实际,通过引进高新技术,学习再创新,尽快由复合材料大国转型成为复合材料强国。
 
关键词: 复合材料 应用领域
 
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