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樹脂基復合材料-樹脂基復合材料的發展史

 樹脂基復合材料的發展史

  樹脂基復合材料(Resin Matrix Composite)也稱纖維增強塑料(Fiber Reinforced Plastics),是上前技術比較成熟且應用最為廣泛的一類復合材料。這種材料是用短切的或連續纖維及其織物增強熱固性或熱塑性樹脂基體,經復合而成。以玻璃纖維作為增強相的樹脂基復合材料在世界范圍內已形成了產業,在我國俗稱玻璃鋼。樹脂基復合材料于1932年在美國出現,1940年以手糊成型制成了玻璃纖維增強聚酯的軍用飛機的雷達罩,其后不久,美國萊特空軍發展中心設計制造了一架以玻璃纖維增強樹脂為機身和機翼的飛機,并于1944年3月在萊特-帕特空軍基地試飛成功。從此纖維增強復合材料開始受到軍界和工程界的注意。第二次世界大戰以后這種材料迅速擴展到民用,風靡一時,發展很快。1946年纖維纏繞成型技術在美國出現,為纖維纏繞壓力容器的制造提供了技術貯備。1949年研究成功玻璃纖維預混料并制出了表面光潔,尺寸、形狀準確的復合材料模壓件。1950年真空袋和壓力袋成型工藝研究成功,并制成直升飛機的螺旋槳。60年代在美國利用纖維纏繞技術,制造出北極星、土星等大型固體火箭發動機的殼體,為航天技術開辟了輕質高強結構的最佳途徑。在此期間,玻璃纖維-聚酯樹脂噴射成型技術得到了應用,使手糊工藝的質量和生產效率大為提高。1961年片狀模塑料(Sheet Molding Compound, 簡稱SMC)在法國問世,利用這種技術可制出大幅面表面光潔,尺寸、形狀穩定的制品,如汽車、船的殼體以及衛生潔具等大型制件,從而更擴大了樹脂基復合材料的應用領域。1963年前后在美、法、日等國先后開發了高產量、大幅寬、連續生產的玻璃纖維復合材料板材生產線,使復合材料制品形成了規模化生產。拉擠成型工藝的研究始于50年代,60年代中期實現了連續化生產,在70年代拉擠技術又有了重大的突破,近年來發展更快。除圓棒狀制品外,還能生產管、箱形、槽形、工字形等復雜截面的型材,并還有環向纏繞纖維以增加型材的側向強度。上前拉擠工藝生產的制品斷面可達76cm×20cm。在70年代樹脂反應注射成型(Reaction Injection Molding, 簡稱RIM)和增強樹脂反應注射成型(Reinforced Reaction Injection Molding, 簡稱RRIM)兩種技術研究成功,進一步改善了手糊工藝,使產品兩面光潔,現已大量用于衛生潔具和汽車的零件生產。1972年美國PPG公司研究成功熱塑性片狀模型料成型技術,1975年投入生產。這種復合材料最大特點是改變了熱固性基體復合材料生產周期長、廢料不能回收問題,并能充分利用塑料加工的技術和設備,因而發展得很快。制造管狀構件的工藝除纏繞成型外,80年代又發展了離心澆鑄成型法,英國曾使用這種工藝生產10m長的復合材料電線桿、大口徑受外壓的管道等。從上述可知,新生產工藝的不斷出現推動著聚合物復合材料工業的發展。

  進入20世紀70年代,對復合材料的研究發跡了僅僅采用玻璃纖維增強樹脂的局面,人們一方面不斷開辟玻纖-樹脂復合材料的新用途,同時也發現,這類復合材料的比剛度要求很高的尖端技術的要求,因而開發了一批如碳纖維、碳化硅纖維、氧化鋁纖維、硼纖維、芳綸纖維、高密度聚乙烯纖維等高性能增強材料,并使用高性能樹脂、金屬與陶瓷為基體,制成先進復合材料(Advanced Composite Materials, 簡稱ACM)。這種先進復合材料具有比玻璃纖維復合材料更好的性能,是用于飛機、火箭、衛星、飛船等航空航天飛行器的理想材料。

  自從先進復合材料投入應用以來,有三件值得一提的成果。第一件是美國全部用碳纖維復合材料制成一架八座商用飛機--里爾芳2100號,并試飛成功,這架飛機僅重567kg,它以結構小巧重量輕而稱奇于世。第二件是采用大量先進復合材料制成的哥倫比亞號航天飛機,這架航天飛機用碳纖維/環氧樹脂制作長18.2m、寬4.6m的主貨艙門,用凱芙拉纖維/環氧樹脂制造各種壓力容器,用硼/鋁復合材料制造主機身隔框和翼梁,用碳/碳復合材料制造發動機的噴管和喉襯,發動機組的傳力架全用硼纖維增強鈦合金復合材料制成,被覆在整個機身上的防熱瓦片是耐高溫的陶瓷基復合材料。在這架代表近代最尖端技術成果的航天收音機上使用了樹脂、金屬和陶瓷基復合材料。第三件是在波音-767大型客機上使用了先進復合材料作為主承力結構,這架可載80人的客運飛機使用碳纖維、有機纖維、玻璃纖維增強樹脂以及各種混雜纖維的復合材料制造了機翼前緣、壓力容器、引擎罩等構件,不僅使收音機結構重量減輕,還提高了飛機的各種飛行性能。
復合材料在這幾個飛行器上的成功應用,表明了復合材料的良好性能和技術的成熟,這對于復合材料在重要工程結構上的應用是一個極大的推動。

(發布時間:2008/3/4)
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