復合材料性能與應用分析

武玉強，袁文靜（中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266000）

復合材料性能與應用分析

武玉強，袁文靜
（中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266000）

隨著全球能源危機與環境污染的進一步加劇，復合材料作為重要的輕量化材料，正逐漸取代金屬成為重要工業材料，市場前景廣闊。本文對復合材料的概念、性能與主要應用進行了深入分析。

復合材料；輕量化；航空；汽車；軌道交通

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.16.021

1　復合材料概述

應用化學或物理方法從微觀或宏觀上對超過兩種以上的材料進行組合即為復合材料，所選材料應具有不同性質，且在組合后會產生新性能。復合材料可具體分成增強體材料與基體材料兩種，二者組合具有協同作用，可有效取長補短，因此，從綜合性能來看，復合材料優勢明顯，可有效滿足各種工業需求。

以材質的不同為依據對基體材料進行分類，可分成非金屬與金屬基體材料。碳、陶瓷、橡膠以及樹脂等為常用的非金屬基體材料；鈦及其合金、銅、鎂等為常用金屬基體材料。增強體材料則以硬質細粒、晶須、石棉纖維、碳化硅纖維、芳綸纖維、碳纖維等為主。

2　復合材料性能分析

組合而成的復合材料特性較多，遠優于普通材料，其應用可有效克服或改善應用單一材料的不足，不但可將各組成材料的優勢充分發揮，并能賦予材料新的性能；同時，以構件受力與結構要求為依據可確定配套性能，使之分布合理，確保材料最佳性能設計。具體表現在：

（1）復合材料可實現性能的可設計性。增強體與基體的鋪設方式與含量決定了復合材料的性能。以復合材料的使用環境條件與要求為依據，采用選擇與匹配組分材料、界面控制等方法可合理設計復合材料，使之具備抗老化、防腐、光、熱、力學等性能，應用最少的材料即可確保其性能的充分發揮，滿足設計要求。

（2）比模量與比強度較高。材料性能的優劣可通過比模量與比強度體現出來，是非常重要的參數，具體指的是密度與彈性模量、材料強度間的比值。相較于鋁合金，先進復合材料的比模量與比強度均較高，分別為其4倍、6～10倍。

（3）抗疲勞性能良好。通常情況下，抗拉強度的40%～50%為一般金屬疲勞強度，而一些復合材料的抗疲勞性能明顯更優，可達70%～80%。無突發性變化為復合材料的特點，當其出現疲勞斷裂時通常始于基體，并向基體與纖維界面逐漸擴展。

（4）減振性能良好。纖維增強復合材料減振性能較好，這是因為其基體與纖維界面具有較大阻尼。以大小、形狀相同的兩種梁為研究對象，具體為金屬梁與碳纖維復合材料梁，經振動試驗發現，金屬梁振動衰減時間明顯較長。

（5）耐高溫性能良好。對比原金屬與硼纖維或碳纖維增強金屬在高溫條件下的剛度與強度，復合金屬材料均明顯更高。觀察硼纖維或碳纖維增強鋁合金與普通鋁合金在400℃高溫下的彈性模量與強度，前者基本無變化，后者則降低明顯。

（6）耐腐蝕性良好。具有耐酸堿腐蝕性能的復合材料非常多，以玻璃纖維增強酚醛樹脂復合材料為例，該材料可長期應用于含氯離子酸性介質，在某些溶劑攪拌器、容器、閥、泵、化工管道與強酸、酯、鹽等設備設施制造中應用廣泛。

（7）安全性良好。以纖維增強復合材料為例，不計其數的獨立纖維存在于其基體中，應用這一材料進行構件制作，若出現超載、少量纖維斷裂問題，該材料可快速重新分配載荷并將載荷向未破壞纖維傳遞，可在短時間內為整個構件承載能力的維持提供保障。

（8）整體成型優勢。對于復合材料，其材料與構件的形成無先后之分，是同步進行的，組分材料復合時其結構也會同時形成，因此，通常無需加工即可實現整體成型。所以，復合材料的應用可實現連接件與零部件的節約，不但有助于成本的降低，也可將加工周期縮短，因其整體性較好，可靠性也較高。

3　復合材料應用分析

因復合材料的應用有助于耐候性、耐化學腐蝕性、彈性佳、高強度、輕重量等性能的實現，因此，已逐漸代替木材以及金屬合金在眾多領域中廣泛應用，在近幾年得到了飛速發展。復合材料用量已成為衡量軍民裝備先進性的重要標志，最為突出的屬碳纖維復合材料，表現在各類軍民裝備均以具有高強度、高模量、低比重的碳纖維復合材料作為重要候選材料。在預測2025年國防材料發展情況時，美國國防部指出，能夠在現有基礎上同時將高模量、高強度以及耐高溫指標提升超過25%的只有復合材料。現階段，復合材料的應用領域主要包含以下幾個方面。

（1）航空航天及軍工領域。近幾年，復合材料在國際先進民用飛機中的用量呈持續增長趨勢，中前機身、機翼、平尾翼盒、垂尾、平尾以及整流罩等為應用復合材料的主要部位。復合材料在空客A350與波音B787、空客A380與F-22戰機中的用量存在差異，分別為超過50%與20%～25%之間。過去，用量最大的材料為鋁合金，如今已然是復合材料，可見，復合材料時代是飛機制造的大勢所趨。

圖1　波音B787

（2）汽車工業領域。隨著各國節能減排要求的提高，汽車工業越來越多地應用復合材料，尤其是電動車，為了降低整車質量，更是對復合材料如饑似渴。目前歐美日各大汽車研制和生產廠商都在開發基于復合材料的車型，可以預見未來汽車市場將成為復合材料的主要市場。具有代表性的三家汽車巨頭：寶馬、奔馳、奧迪，他們均非常重視復合材料的設計應用。

圖2　寶馬i3碳纖維復合材料乘員艙

（3）軌道交通裝備領域。碳纖維復合材料制造動車組車體，將比鋁合金車體減重30%，這是下一代高速列車的理想材料。日本新干線、法國TGV、德國ICE等高速列車均不同程度采用碳纖維復合材料設計，使列車大幅度輕量化，取得了顯著效益。為了進一步減輕重量，改善隔聲性能，以及便于設計、制造，國外甚至已開始試用碳纖維增強塑料夾層結構代替金屬制造車體。

圖3　TGV列車

（4）體育運動裝備。碳纖維復合材料在高爾夫球桿、釣魚竿、網球拍、羽毛球拍、自行車、滑雪板、皮劃艇等體育器材及帆船、摩托艇等運動裝備上均有大量應用，取得了較好的市場效果。

（5）風電領域。風電葉片的開發要求為低成本、高性能、輕量化、大型化，而復合材料可有效滿足上述要求。現階段，復合材料在風電葉片重量中所占比重已超過90%，其他重要結構部件的制造也以復合材料為主。

（6）船舶領域。復合材料優異舒適性的設計理念和無縫船體的優勢進一步推動了各種復合材料船舶的開發。近年來，碳纖維復合材料在船只上的使用不斷增加，主要包括船殼、地板、甲板、艙壁，以及管道系統、油箱等上層建筑。

（7）基礎設施領域。輸變電線路、水工建筑、碼頭、橋梁、高速公路等基礎設施在多年使用后均需采取重建、加固、翻新等措施，這些工程均需應用大量復合材料。現階段，在燈桿、輸變電塔、橋梁中復合材料均已獲實際應用。

4　展望

復合材料輕量化已成為當今全球交通裝備乃至整個工業領域的重點發展方向，成為裝備先進性的重要衡量指標，未來市場前景極為廣闊。目前，航空領域的波音、空客及汽車領域的寶馬等知名公司已走在了時代前列。

最新市場研究報告（來自英國材料分析公司）指出，到2018年時，預計在航空航天市場、直升機、通用航空、軍工、支線飛機、商業航空以及其他部門的全球復合材料總需求量可達418億美元。