試論復合材料在機械制造上的應用

劉銳鋒

摘要：早在上個世紀中期，復合材料就憑借著自身所具有的諸多高質量性能而應用于機械制造行業當中。復合材料不但擁有比模量高、比強度高、減震性能良好、抗疲勞性能好等優勢，同時它還能夠依據使用條件的變化而進行設計和制造，以滿足各種特殊的用途，進而大幅度提升機械結構的性能。長期以來，復合材料在機械制造行業中作為替代金屬材料的良好選擇，深受許多業界人士和廠家的青睞，并且其用途也逐漸廣泛起來。伴隨當前機械設備需求量的與日俱增，很多類型的復合材料都應用到了機械制造過程中，在很多零部件上逐漸取代了傳統金屬材料。在很多發達國家的機械制造業中，復合材料始終被視為是一種最為理想的材料。

關鍵詞：復合材料；機械制造；應用；行業

對于復合材料而言，它主要是由兩種或者兩種以上性質不盡相同的材料經過各種施工工藝組合而成的新型材料，復合材料的每一組成材料在性能方面都發揮了很強的協同作用。復合材料具有強度好、剛度大、質量小等優勢，能夠根據不用的使用條件進行設計和制造，以滿足各種不同的用途，從而大幅度提升工程結構材料及其功能材料的整體性能。通常情況下，復合材料擁有良好的比模量和比強度，并且化學穩定性好，耐磨、減磨、自滑性好，耐熱性好，高抗熱沖擊性和高韌度，導熱性和導電性能良好。所以，當前復合材料已經廣泛應用于航空航天、機械制造、電子、紡織、醫學、汽車工業等諸多領域當中，產業化形勢初具形成。筆者通過本文，針對復合材料在機械制造上的應用進行闡述。

1.關于復合材料的基本概述

由于復合材料各組成材料在性能方面實現了協調，能夠實現單組材料所不具有的優勢，例如，復合材料具有強度高、剛度大、質量小等優點。

可將復合材料分為功能型材料與結構型材料，前者具有良好的耐磨、耐高溫性，適用于機械零部件制造，在保證工件質量的同時，也可適當的增加其使用壽命；而后者則可以很好應用于機械設備制造中，它具有質量小、強度大等優勢，有效降低了機械設備的重量。

2.在機械制造上應用復合材料

在制造機械的過程中，應該按照零部件工作環境的不同來確定原材料的選擇、工作環境、受力分析和一些特殊的條件等等。一方面要保證零部件在工作過程中不能出現失效的情況，另一方面還要盡量的增加其實際使用壽命。下面將對部分復合材料的主要性能、特點及用途進行集中闡述。

2.1不銹鋼復合鋼板

不銹鋼板是由合金元素組成，這些元素也決定了不銹鋼板性能的差異；由于這些元素的存在，因此造就了不銹鋼板具有極佳的耐化學腐蝕和電化學腐蝕性能，是在鋼材里面是最好的。不銹鋼復合板采用先進的真空軋制工藝，可以確保讓不同材質材料之間形成原子結合，結合率可達100%。不銹鋼復合板具有良好的導熱能力，又具有防腐蝕功能，可大量用于焦化設備。如使用于蒸氨塔，可以提高蒸氨塔的使用壽命，降低運行成本；另外一方面因其防腐性能，又能應用于蒸氨設備。

2.2玻璃纖維復合材料

這種復合材料是熱固性樹脂和纖維的復合，其密度小、強度大、抗沖擊性強。收縮性小、耐腐蝕。同時。熱塑性樹脂和纖維的復合，還具有良好的注射成形和低溫韌性。

玻璃纖維復合材料通常運用到耐腐蝕、耐磨、絕緣、無磁、減磨和普通機械零部件、泵閥、管道和容器當中。

2.3碳纖維石墨纖維復合材料

這種復合材料主要是由碳-陶瓷復合、碳-樹脂復合等，它具有良好的比模量、比強度、比剛度，而且線膨脹系數小、耐摩擦、自潤滑性和耐磨損性良好。此外，它還具有很好的耐熱性和耐腐蝕性。

碳纖維石墨纖維復合材料在航空、宇航、原子能等工業中主要使用在壓氣機葉片、發動機殼體、軸瓦、齒輪、機翼上。

2.4硼纖維復合材料

這種復合材料主要是硼和環氧樹脂或者鋁復合而成，具有良好的比剛度和比強度。

硼纖維復合材料主要應用于火箭、飛機等構件當中，能夠有效降低的機械設備的質量。

2.5晶須復合材料

晶須復合材料中的晶須為單晶，沒有普通材料的空穴和錯位等毛病，而且具有很強的機械強度。

通產情況下，晶須復合材料應用于渦輪葉片當中。

2.6石棉纖維復合材料

石棉纖維復合材料主要是纖維和樹脂的復合，具有良好的絕緣性、耐磨性、耐熱性和耐酸性。

石棉纖維復合材料主要應用在絕緣材料、制動機械部件和密封件當中。

2.7金屬粒塑料復合材料

金屬粒塑料復合材料主要是將金屬摻入到塑料當中，能夠有效改善自身原本具有的導電性和導熱性，并降低線膨脹系數。

石棉纖維復合材料主要應用于鉛粉加入氟塑料所做的軸承材料當中。

2.8陶瓷粒金屬復合材料

陶瓷粒金屬復合材料能夠有效提升機械設備的高溫耐磨性、抗腐蝕性以及潤滑等性能。

陶瓷粒金屬復合材料中氧化物金屬陶瓷主要用于高速切削材料和高溫材料當中；而碳化鉻則主要應用于耐磨噴、耐腐蝕、高溫無潤滑、重載軸承的零部件當中。

2.9彌散強化復合材料

彌散強化復合材料主要是將尺寸比較小的硬質粒子均勻的分布于金屬基體當中，從而極大地提升了機械設備的耐熱性和強度值。

彌散強化復合材料一般應用于比強度較高、耐熱性良好的工件當中。

2.10多層復合材料

多層復合材料主要是指鋼-多孔性青銅-塑料三層的復合，具有良好的耐磨性和抗沖擊性。

多層復合材料通常應用于熱片、軸承以及球頭座等耐磨件當中。

2.11多孔浸漬復合材料

多孔浸漬復合材料主要是指多孔材料浸漬到低摩擦系數的油脂或者氟塑料當中，能夠有效降低摩擦力。

多孔浸漬復合材料一般應用于軸承、油枕當中，而浸樹脂石墨則往往用于抗磨材料當中。

3.在沖壓模具的制造上應用復合材料

因為各種各樣的沖壓模具所處的工作環境有所差異，因而，針對模具材料的要求也不盡相同。我們可以將這些模具材料大體上劃分成三種：首先是沖裁模材料的要求；其次是拉伸模材料的要求；第三是冷擠壓模材料的要求。對于這些模具制造來說，它們要求原材料能夠承受振動、沖擊、拉伸、高壓、摩擦、扭曲等負荷，甚至還要在超高溫條件下完成工作。從當前形勢來看，制造沖壓模具的材料大部分是以鋼材為主，由于碳素工具鋼在價格方面相對便宜，并且容易加工塑性，因而它被廣泛應用于模具制造當中，然而其紅硬性和淬透性較差，在進行熱處理時將會發生較大的形變，并且承載能力低，不適用于塑性低、硬度大的零部件制造。例如，硬質合金鋼的抗彎強度、韌性差，對于一些需要較強硬度和韌性的機械設備制造就無法滿足要求，而復合材料在性能方面則具有較強的比強度和比模量，它能夠有效抵抗刃口在工作過程中所受到的各種強烈沖擊和摩擦。

4.結語

總而言之，復合材料科學是一種包含了諸多行業、領域的新興學科，由于其具有質量小、強度大、加工便捷、彈性良好、抗化學腐蝕、耐候性好等優勢，現已經廣泛應用于航空航天、電子、汽車、醫學、化工等諸多領域當中。近年來，針對新型復合材料的設計及其性能的研究與評價獲得巨大進步，復合材料在材料工業當中所占比例也逐漸增加，因而產業化趨勢得到顯著加強。伴隨科學技術的深入發展，復合材料也勢必會在更多的領域和行業中發揮越來越大的作用。

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