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時(shí)間：2023-03-10 15:06:14
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關(guān)鍵詞： 水性油墨；金屬油墨；樹(shù)脂；連結(jié)料；助劑；水性金屬凹印油墨
Key words： water-based ink；metal ink；resin；binders；additives；water-based metal gravure ink
中圖分類(lèi)號(hào)：TQ630.6+2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）06-0131-03
0 引言
近年來(lái)，伴隨著工業(yè)化的發(fā)展，國(guó)家對(duì)印刷行業(yè)低碳環(huán)保要求的不斷深入，對(duì)低碳環(huán)保型的印刷油墨需求越來(lái)越迫切，油墨市場(chǎng)的低碳競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈、環(huán)保低碳的呼聲愈來(lái)愈高，傳統(tǒng)的溶劑型（苯或酯）類(lèi)油墨已不能適應(yīng)和滿足現(xiàn)代印刷業(yè)的發(fā)展需求，具有環(huán)保性、低碳性、無(wú)毒無(wú)污染、適應(yīng)國(guó)家環(huán)保發(fā)展需要的水性金屬油墨亟待推出。
作為一種新型的環(huán)保油墨，水性金屬油墨的探索響應(yīng)了我國(guó)綠色印刷的號(hào)召，加速了綠色進(jìn)程，其主要優(yōu)勢(shì)有：不含揮發(fā)性有機(jī)溶劑，不僅能減少印刷品表面殘留的有害物質(zhì)，易于印刷設(shè)備清洗，還能降低由于靜電和易燃溶劑引起的火災(zāi)隱患。唯一不足的是現(xiàn)有的技術(shù)水平印刷出來(lái)的產(chǎn)品僅能達(dá)到現(xiàn)有揮發(fā)性溶劑油墨的金屬光澤和印刷效果的70%。
1 水性凹版油墨的發(fā)展
1.1 凹版印刷原理
在印刷過(guò)程中，印版滾筒的一部分浸漬于墨槽中并在墨槽中滾動(dòng)，使整個(gè)印版表面涂滿油墨，然后用刮刀刮去印版空白部分的油墨，使圖文部分著墨，非圖文部分不著墨，再由壓印機(jī)將凹下的圖文部分油墨壓印到承印物表面，完成油墨向承印物的轉(zhuǎn)移[1]。
凹版油墨的黏度很低，并且有大量揮發(fā)性的有機(jī)溶劑，生產(chǎn)凹印油墨時(shí)一般用球磨機(jī)或砂磨機(jī)研磨，以減少溶劑揮發(fā)[2]?，F(xiàn)在，工業(yè)材料、包裝裝潢印刷等都采用了凹版印刷，其中包括塑料（聚丙烯、聚乙烯、聚酯、尼龍等）、鋁箔、卡、玻璃紙等。目前，對(duì)產(chǎn)品不斷創(chuàng)新是促進(jìn)油墨增長(zhǎng)的一條不錯(cuò)的途徑[3]。
1.2 國(guó)外水性油墨的發(fā)展
早在20世紀(jì)60年代，由于環(huán)保的要求和石油原材料的緊張，一些發(fā)達(dá)國(guó)家逐漸限制使用石油產(chǎn)品制造印刷油墨。由此人們開(kāi)始研究非有機(jī)溶劑型油墨，使得水性油墨取得了較大的進(jìn)展。
到了20世紀(jì)70年代，由于石油危機(jī)，導(dǎo)致油墨用原材料再度緊張，同時(shí)對(duì)于食品等包裝的要求也進(jìn)一步提升。水性油墨經(jīng)過(guò)不斷的升級(jí)，解決了光澤度和印刷適性等方面的不足，最終促進(jìn)了水性油墨的發(fā)展。在美國(guó)，95%的柔版印刷品和80%的凹版印刷品采用了水性油墨；在日本，70%的柔性版印刷用于瓦楞紙箱行業(yè)，其中95%的業(yè)務(wù)使用的是水性油墨。
1.3 國(guó)內(nèi)水性油墨的發(fā)展
我國(guó)近代水性油墨的發(fā)展首先是從網(wǎng)印用水性油墨開(kāi)始的，是利用一些水溶性淀粉、骨膠之類(lèi)的天然高分子物質(zhì)作為連接料，與顏料研磨得到水性油墨，人們習(xí)慣稱(chēng)之為皮漿，用于絲網(wǎng)印刷。對(duì)于油墨環(huán)保性能的要求的越來(lái)越高，已有部分水基凹印油墨開(kāi)始使用，最早使用的水性油墨是用一種溶于乙醇和堿性水溶液的天然樹(shù)脂蟲(chóng)膠作為連接料，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，松香、馬來(lái)酸改性樹(shù)脂成為了油墨中主要的成分。
1.4 水性金屬油墨的現(xiàn)狀
同其他油墨一樣，金、銀墨主要也是由顏料和連結(jié)料兩大部分組成的，簡(jiǎn)單的說(shuō)金墨是用搗墨法制成的金粉和調(diào)金油調(diào)配而成的印刷油墨，銀墨是由鋁粉和調(diào)銀油墨而成的。不同于溶劑型金屬顏料，水性金、銀墨使用的水性金屬顏料需要進(jìn)行特殊的表面處理，從而獲得親水性和耐水性，更好地分散于水環(huán)境，適應(yīng)強(qiáng)極性高張力體系[4]。
但是水性金屬顏料粉末是細(xì)顆粒物，長(zhǎng)時(shí)間懸浮與空氣中造成一定的空氣污染。
2 油墨用樹(shù)脂等助劑的研究現(xiàn)狀
2.1 樹(shù)脂的研究現(xiàn)狀
油墨樹(shù)脂常見(jiàn)的有水性氨基樹(shù)脂、馬來(lái)酸樹(shù)脂、羥甲基纖維素、水溶性丙烯酸樹(shù)脂、氨基甲酸乙酸樹(shù)脂、松香改性酚醛樹(shù)脂、醇酸樹(shù)脂、聚酰胺樹(shù)脂等。其中水性丙烯酸樹(shù)脂由于它在光澤度、耐熱性、耐水性、光澤、著色性等方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)在國(guó)外大多數(shù)采用它作榱結(jié)料。具體優(yōu)勢(shì)如表1所示。
應(yīng)用于水性油墨的丙烯酸樹(shù)脂可分為兩類(lèi)：一類(lèi)是乳液型；一類(lèi)是水溶型。水溶型丙烯酸樹(shù)脂干燥速度慢，連續(xù)成膜型差，一般都配合其他乳液使用。
2.1.1 松香改性酚醛樹(shù)脂
松香改性酚醛樹(shù)脂是由酚與醛在催化劑作用下縮合，再與松香進(jìn)行反應(yīng)，之后經(jīng)過(guò)多元醇酯化得到得。
松香改性酚醛樹(shù)脂顏色為透明黃棕色，能容與大多數(shù)有機(jī)溶劑。主要使用的為以下4種：
①210松香改性酚醛樹(shù)脂；
②2116松香改性酚醛樹(shù)脂；
③2118松香改性酚醛樹(shù)脂；
④2134松香改性酚醛樹(shù)脂。
2.1.2 聚氨酯樹(shù)脂
聚氨酯樹(shù)脂能溶于醇、酯等溶劑或其他混合溶劑，并且不需要依靠毒性很大的苯溶劑，因此可以用來(lái)生產(chǎn)符合環(huán)保要求的油墨。
①PU-3401聚氨酯樹(shù)脂；
②PU-3403聚氨酯樹(shù)脂；
③PU-1818L聚氨酯樹(shù)脂。
2.1.3 聚酮樹(shù)脂
聚酮樹(shù)脂是由環(huán)己酮-醛縮合的中性、淡黃透明并且不會(huì)皂化的樹(shù)脂。它的分子鏈上的羰基和羥基官能團(tuán)可以使其可溶于乙醇或異丙醇溶劑中。酮-醛縮聚過(guò)程中可以提高涂膜的光澤度和韌性。
2.2 連結(jié)料的研究現(xiàn)狀
油墨連結(jié)料是油墨的關(guān)鍵組成部分，能夠?qū)㈩伭霞爸鷦┑冉M合在一起，形成具有流動(dòng)性能的油墨混合物。主要是由樹(shù)脂、有機(jī)溶劑及輔助劑制成，一般需要通過(guò)加熱反應(yīng)生產(chǎn)。
2.3 助劑的研究現(xiàn)狀
助劑的種類(lèi)很多，其中包括消泡劑，表面活性劑，增塑劑，催干劑，流平助劑，光引發(fā)劑等。
消泡劑主要用于黏度較低的油墨，這些油墨在傳輸過(guò)程中有可能混入大量的空氣，產(chǎn)生氣泡。在油墨印刷過(guò)程中，刮刀將油墨從制版上刮下或從印輥上流下來(lái)，油墨之間會(huì)產(chǎn)生撞擊，也會(huì)產(chǎn)生大量的氣泡。目前使用比較多的是聚醚改性聚硅氧烷類(lèi)消泡劑。它無(wú)毒、無(wú)污染、揮發(fā)性低、消泡能力強(qiáng)等特點(diǎn)。
表面活性劑是指少量加入即能明顯地改變表面各種性質(zhì)的物質(zhì)。油墨是由固體物質(zhì)分散在液體物質(zhì)中形成的分散體系，加入表面活性劑的目的是為了使油墨中各組分能夠均勻分散。
增塑劑在油墨中被視為一種永久的溶劑，因?yàn)樗膿]發(fā)性較差，具有保留性。油墨印刷在承印物上，會(huì)形成一個(gè)墨膜，我們希望它有彈性有強(qiáng)度，可以忍受折疊和揉搓，所以必須加入增塑劑才能形成較好的墨膜。目前使用最廣泛、效果最好的增塑劑是鄰苯二甲酸二辛酯。
使用催干劑是為了促進(jìn)油墨在印品上的干燥速度。常見(jiàn)的有鈷催干劑、錳催干劑和鉛催干劑。
流平助劑可以使油墨表面平整光滑，使印品光澤度好并減少針孔現(xiàn)象。目前為止采用的是長(zhǎng)鏈硅樹(shù)脂，例如二苯基聚硅氧烷，它也是一個(gè)表面活性劑，可以提高油墨對(duì)承印物的潤(rùn)濕性，并且改善流平性。
光引發(fā)劑又稱(chēng)光敏劑或光固化劑，主要用于UV金屬油墨，在紫外光的照射下發(fā)生固化反應(yīng)，迅速干燥成膜。選用2，4，6-三甲基苯甲?；?二苯基氧化磷、1-羥基苯基環(huán)己酮、2-羥基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮中的一種或多種。
3 水性金屬油墨凹印工藝的研究
3.1 工藝過(guò)程
接通電源，檢查機(jī)器-預(yù)熱-固定原料于放料口-脫開(kāi)壓臂，壓軸動(dòng)力-放置襯紙-收卷軸穿入收盤(pán)紙芯管-固定襯紙-安裝刮刀-檢查輸氣系統(tǒng)-放置涂料-打開(kāi)色泵-放置鋁箔-打開(kāi)并調(diào)節(jié)吹風(fēng)機(jī)、主電機(jī)-調(diào)節(jié)機(jī)器轉(zhuǎn)速-調(diào)整放料軸-控制機(jī)器轉(zhuǎn)速-注意機(jī)器補(bǔ)料及機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)情況-防止烘烤過(guò)度-關(guān)閉風(fēng)機(jī)，清洗施膠輥-斷開(kāi)成品，放置備用收卷軸-根據(jù)停機(jī)時(shí)間，清洗機(jī)器-生產(chǎn)結(jié)束后關(guān)閉電源-清理現(xiàn)場(chǎng)，規(guī)整工具。
3.2 配料及工藝參數(shù)
采用表2水性凹印金屬油墨配方印刷出來(lái)的成品經(jīng)檢驗(yàn)可以達(dá)到紙鋁復(fù)合或真空鍍鋁效果的70%。
4 未來(lái)研究方向與展望
未來(lái)水性金屬凹印油墨必然會(huì)逐漸成為市場(chǎng)主導(dǎo)并且取代現(xiàn)有的溶劑型油墨，甚至達(dá)到并超過(guò)現(xiàn)有的紙鋁復(fù)合以及真空鍍鋁紙的效果。但是，目前的主要問(wèn)題就是用水和乙醇作為溶劑會(huì)影響印刷的干燥速度，印刷出來(lái)的效果不但沒(méi)有超過(guò)現(xiàn)有的采用苯及甲苯作為溶劑的效果，而且或許遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到要求，同時(shí)通過(guò)與真空鍍鋁紙和紙鋁復(fù)合方式的對(duì)比，效果只能達(dá)到其70%，這就需要研究人員在未來(lái)的探索中繼續(xù)突破。另外采用的水性金屬凹印油墨需要配有特殊的工藝以及對(duì)機(jī)器設(shè)備的特殊要求，例如凹印輥的改造等問(wèn)題都有待解決。水性金屬油墨未來(lái)的大方向或許向納米級(jí)別進(jìn)軍，能否代替現(xiàn)有的色漿，這將是一個(gè)里程碑式的進(jìn)步。
參考文獻(xiàn)：
中圖分類(lèi)號(hào)：TB331 文章編號(hào)：1009-2374（2015）23-0070-02 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2015.23.036
網(wǎng)狀陶瓷增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制備是采用鑄造方法，以金屬作為基體，以網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)陶瓷骨架作為增強(qiáng)相，將金屬液澆注到網(wǎng)絡(luò)陶瓷的孔隙內(nèi)部形成復(fù)合材料。此法制備的復(fù)合材料具有高耐磨性、高耐蝕性、高強(qiáng)度和高硬度等特點(diǎn)，是研究新型復(fù)合材料的一個(gè)新突破點(diǎn)。
1 研究現(xiàn)狀
國(guó)內(nèi)對(duì)網(wǎng)狀陶瓷增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的研究主要集中在Al和Mg等輕金屬方面，而對(duì)鋼鐵等重金屬的研究較少。耿浩然等制備了Si3N4網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)陶瓷預(yù)制體骨架，然后利用無(wú)壓浸滲理論制備出Si3N4/Mg復(fù)合材料、Si3N4/Al復(fù)合材料和Al2O3/Mg復(fù)合材料。以上網(wǎng)狀陶瓷增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的研究?jī)H限于輕金屬。邢宏偉等用擠壓鑄造法制備了三維網(wǎng)絡(luò)SiC/銅合金基復(fù)合材料，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，骨架孔徑的減小有細(xì)化晶粒、減輕偏析和抑制鉛的偏聚等作用。骨架的存在使錫均勻分散于復(fù)合材料網(wǎng)孔邊緣SiC骨架表層附近的微小區(qū)域。張友壽等通過(guò)鑄造法使金屬液滲入粗顆粒陶瓷預(yù)制體間隙來(lái)獲得金屬陶瓷復(fù)合材料，但是對(duì)陶瓷顆粒的尺寸要求極為嚴(yán)格。李祖來(lái)等利用V-EPC法以陶瓷WC顆粒作為增強(qiáng)體，使用高碳鉻鐵粉末來(lái)調(diào)節(jié)WC顆粒的體積分?jǐn)?shù)，制備出了表面質(zhì)量好、尺寸精度高、耐磨性能高的表面復(fù)合材料。
由于連續(xù)網(wǎng)狀陶瓷增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的研究目前還處于起步階段，國(guó)內(nèi)外的相關(guān)報(bào)道比較少，如何將二者結(jié)合制成復(fù)合材料，開(kāi)發(fā)具有良好的強(qiáng)韌性能和高的抗磨損性能的新型金屬基復(fù)合材料是我們下一步工作研究的重點(diǎn)。
2 網(wǎng)狀陶瓷的性能要求
作為金屬基復(fù)合材料增強(qiáng)體的網(wǎng)狀陶瓷預(yù)制體必須具有以下特點(diǎn)：陶瓷通孔率要高、強(qiáng)度要高、與金屬基體要有良好的潤(rùn)濕性。
只有滿足上述要求的泡沫陶瓷預(yù)制體才能用于金屬基復(fù)合材料的制備。因此通常采用有機(jī)泡沫浸漬方法制備網(wǎng)狀泡沫陶瓷該工藝，這是因?yàn)榇酥苽浞椒üに嚭?jiǎn)單、成本低，而制得的泡沫陶瓷具有高氣孔率和高通
孔率。
3 網(wǎng)狀陶瓷增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制備方法
3.1 擠壓鑄造法
擠壓鑄造法是將一定量的液態(tài)金屬直接澆入敞開(kāi)的金屬型型腔內(nèi)，在一定時(shí)間內(nèi)凸型以一定的壓力和速度作用于液態(tài)金屬上，使熔融或半熔融態(tài)的金屬塑性流動(dòng)和凝固結(jié)晶成形的加工過(guò)程。其優(yōu)點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單、金屬液易于填充到陶瓷網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部、易于成型、成本低、復(fù)合材料性能好。
3.2 負(fù)壓實(shí)型鑄造法
此方法也叫消失模鑄造法。即采用聚苯乙烯泡沫材料（EPC）把增強(qiáng)體網(wǎng)絡(luò)陶瓷表面包圍后，刷上涂料，晾干后待用。然后將模型埋入干砂中，震實(shí)后在負(fù)壓狀態(tài)下澆鑄的一種新工藝，它可以獲得精度高、質(zhì)量好的鑄件。這是因?yàn)闈茶T過(guò)程中有負(fù)壓的存在，保證了聚苯乙烯泡沫在真空下氣化，使其在高溫下氣化產(chǎn)生的氣體及時(shí)排放出去，避免了聚苯乙烯泡沫在鑄滲工藝中產(chǎn)生的氣孔和夾渣等缺陷，不僅顯著改善了鑄滲層的質(zhì)量，而且提高了復(fù)合材料的結(jié)合強(qiáng)度。
4 影響復(fù)合材料制備工藝的因素
4.1 金屬澆注溫度
金屬液最佳澆鑄溫度應(yīng)高于液相線溫度50℃左右。若過(guò)低的澆注溫度會(huì)使金屬液迅速降溫、凝固，滲透能力變差，不能順利進(jìn)入陶瓷孔內(nèi)，嚴(yán)重影響液態(tài)金屬的充型和補(bǔ)縮。澆鑄溫度過(guò)高將導(dǎo)致金屬熔液嚴(yán)重氧化，在陶瓷骨架內(nèi)出現(xiàn)縮孔或疏松的缺陷，以至無(wú)法形成良好的復(fù)合材料。
4.2 鑄造成型壓力
金屬液與網(wǎng)絡(luò)陶瓷復(fù)合時(shí)，必須選擇適宜的鑄造壓力。若鑄造壓力過(guò)小，則會(huì)出現(xiàn)滲透能力不足的現(xiàn)象，不能使金屬液順利填充到陶瓷網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)邊角處；若鑄造壓力過(guò)大，金屬液的滲透能力就增強(qiáng)，易出現(xiàn)黏砂的缺陷。另外，雖然在模樣表面涂有涂料以防止黏砂，但如果負(fù)壓過(guò)大，易使涂料脫落，導(dǎo)致鑄件黏砂現(xiàn)象，因次必須選擇合適的負(fù)壓。
4.3 陶瓷孔徑
由于鋼液澆鑄溫度較高，所以對(duì)泡沫陶瓷的強(qiáng)度要求也高，避免澆鑄過(guò)程中發(fā)生坍塌現(xiàn)象。對(duì)于制備的泡沫陶瓷，如果盲孔太多，所得開(kāi)放連通孔隙率也不足以滿足浸漬足夠多的金屬以制備金屬基復(fù)合材料的需要。一般來(lái)說(shuō)，為滿足隨后浸漬成金屬基復(fù)合材料，要求連通孔率在80%～90%。如果孔隙率較小，金屬液來(lái)不及擴(kuò)散到陶瓷孔內(nèi)部就凝固，得不到組織均勻的復(fù)合材料。
4.4 界面潤(rùn)濕性
界面是復(fù)合材料中普遍存在且非常重要的組成部分，是影響復(fù)合材料行為的關(guān)鍵因素之一。金屬基復(fù)合材料性能的高低取決于基體和增強(qiáng)體之間的界面結(jié)合情況。在網(wǎng)狀陶瓷增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料中，基體和增強(qiáng)體都是承載體，要求強(qiáng)界面結(jié)合以充分發(fā)揮陶瓷的增強(qiáng)效果。
當(dāng)前改善金屬陶瓷界面潤(rùn)濕性的方法有很多種，常用的簡(jiǎn)要敘述如下：
4.4.1 添加合金元素。在復(fù)合材料中加入Li、Mg、Ca等與氧親和力高的合金元素，可以明顯提高金屬液體與陶瓷增強(qiáng)相的潤(rùn)濕性。添加的合金元素起到兩個(gè)作用：一是降低金屬液和陶瓷增強(qiáng)體之間的表面張力；二是可發(fā)生有利的界面反應(yīng)以增加潤(rùn)濕性。
4.4.2 化學(xué)鍍銅。采用涂裝工藝，將網(wǎng)絡(luò)陶瓷表面電鍍一層銅金屬以增加陶瓷與金屬基體的潤(rùn)濕性。陶瓷表面銅鍍層可以提高固體的表面能，用新形成的金屬/陶瓷界面代替原來(lái)結(jié)合性較差的界面，可以提高潤(rùn)濕性，增強(qiáng)界面結(jié)合強(qiáng)度?；瘜W(xué)鍍銅層的厚度也會(huì)對(duì)復(fù)合材料的性能產(chǎn)生一定的影響，因此對(duì)鍍層厚度應(yīng)控制在2～4μm。
此外，超聲波清洗、對(duì)固體陶瓷進(jìn)行加熱處理、固體陶瓷表面覆膜等也是改善增強(qiáng)體與金屬液潤(rùn)濕性的有效措施。
5 應(yīng)用及展望
陶瓷增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的耐磨性、耐高溫性較強(qiáng)，而比彈性模量較低、零件重量較大，因此在耐磨材料、高溫合金及工具材料等方面得到廣泛的應(yīng)用。而具有三維空間網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)合材料自身的優(yōu)越性，使得具備優(yōu)良高溫性能、環(huán)保節(jié)能、高耐磨性、高強(qiáng)度的三維網(wǎng)絡(luò)陶瓷增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料必將成為未來(lái)的發(fā)展
趨勢(shì)。
參考文獻(xiàn)
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復(fù)合材料是由兩種或是兩種以上的不同物質(zhì)，經(jīng)過(guò)不同方式的組合，從而形成的材料。這種材料能夠發(fā)揮各類(lèi)材料的優(yōu)點(diǎn)，能夠克服單一材料出現(xiàn)的缺陷，從而有效擴(kuò)大材料的使用范圍。一般情況下，復(fù)合材料都具備重量輕、強(qiáng)度高的特點(diǎn)，并且具有較強(qiáng)的可塑性，加工成型更加方便，還具有耐化學(xué)腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，其已經(jīng)在諸多領(lǐng)域逐漸取替了其他材料的使用，如金屬合金、木材等。復(fù)合材料主要是在航天航空、電子電氣、汽車(chē)以及建筑生產(chǎn)等領(lǐng)域廣泛使用，近些年復(fù)合材料的發(fā)展得到廣泛關(guān)注，發(fā)展速度迅速。但是復(fù)合材料又具有非均質(zhì)性與各項(xiàng)異性，在其制造過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)某些缺陷，存在著不穩(wěn)定因素。在其實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，也經(jīng)常會(huì)因?yàn)樽矒?、疲勞累積、腐蝕等產(chǎn)生缺陷。因此，在復(fù)合材料的生產(chǎn)與使用過(guò)程中，復(fù)合材料的檢測(cè)技術(shù)就具有十分顯著的作用，當(dāng)然，在檢測(cè)方法中無(wú)損檢測(cè)就具有更加重要的作用。
1 復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)技術(shù)
在復(fù)合材料的生產(chǎn)制造過(guò)程中，主要會(huì)出現(xiàn)如下缺陷。氣孔、疏松、分層、夾雜、界面分離、鉆孔損傷以及樹(shù)脂固化不良等。在其使用過(guò)程中主要會(huì)出現(xiàn)疲勞損傷與環(huán)境損傷的缺陷，損傷形式主要有分層、脫膠、基本龜裂、纖維斷裂、空隙增長(zhǎng)、皺褶變形、劃傷、腐蝕坑、下陷和燒傷等。目前，我國(guó)研究人員為了能夠趕超國(guó)際發(fā)展的先進(jìn)技術(shù)水平，在復(fù)合材料的無(wú)損檢測(cè)方面進(jìn)行了深入廣泛的研究，，并取得了良好的成績(jī)。主要表現(xiàn)為射線檢測(cè)、超聲波檢測(cè)、聲發(fā)射檢測(cè)、視覺(jué)檢測(cè)等檢測(cè)技術(shù)。
1.1 射線檢測(cè)技術(shù)
射線檢測(cè)技術(shù)（Radiographic Testing，即RT）是利用射線（如X射線、γ射線以及中子射線等）穿過(guò)物體時(shí)，具有吸收和散射的特性，從而檢測(cè)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)是否具有連續(xù)性的技術(shù)。X射線檢測(cè)方法是復(fù)合材料損傷檢測(cè)技術(shù)中最為常見(jiàn)的一種檢測(cè)方法。主要適用于對(duì)復(fù)合材料空隙、夾雜物等體積型缺陷的檢測(cè)，是一種十分重要的檢測(cè)技術(shù)，但是其主要是對(duì)平行于射線穿透方向的缺陷有著較好的檢測(cè)效果，只能檢測(cè)出表面的垂直裂紋，但是可以通過(guò)超聲反射技術(shù)與其相結(jié)合，相互補(bǔ)充，取得良好的檢測(cè)結(jié)果。在射線檢測(cè)技術(shù)中最早發(fā)展的是膠片照相技術(shù)，但是發(fā)展最快的是數(shù)字式射線檢測(cè)技術(shù)。與膠片照相檢測(cè)技術(shù)相比，數(shù)字射線檢測(cè)技術(shù)的成像效果與膠片照相檢測(cè)技術(shù)不相上下，但是其檢測(cè)可以做到實(shí)時(shí)檢測(cè)，具有高效率性、易用性和經(jīng)濟(jì)性，因此，數(shù)字射線檢測(cè)技術(shù)得到了更快的發(fā)展。
1.2 超聲波檢測(cè)技術(shù)
超聲波檢測(cè)（Ultrasonics Testing）是利用材料的聲學(xué)特性和內(nèi)部組織的變化對(duì)超聲波的傳播產(chǎn)生一定影響的物理現(xiàn)象，從而通過(guò)對(duì)超聲波受影響程度和狀況的分析來(lái)了解材料性能和結(jié)構(gòu)變化的技術(shù)[1]。主要是使用穿透法、串列法、脈沖反射法等方法。超聲波檢測(cè)技術(shù)能夠直觀地顯示，快速地檢測(cè)，目前在航空復(fù)合材料的檢測(cè)過(guò)程中已經(jīng)是十分普遍的檢測(cè)技術(shù)。通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波探頭的控制，利于控制方向的移動(dòng)改變。通過(guò)控制超聲波探傷儀對(duì)探頭發(fā)出信號(hào)，與此同時(shí)，當(dāng)超聲波信號(hào)經(jīng)過(guò)需要檢測(cè)的工件后，它會(huì)被自身的探頭接收，超聲波探傷儀就可以接收到相應(yīng)的信息，然后對(duì)信息進(jìn)行計(jì)算、分析和處理，再由計(jì)算機(jī)對(duì)結(jié)果進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)。計(jì)算機(jī)能夠完整的顯示出整片的檢測(cè)區(qū)域，可以十分清楚明白的查看工件是否存在缺陷，以及相應(yīng)的缺陷所在位置與具體的情況。
1.3 聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)
聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)（ Acoustic Emission）就是通過(guò)復(fù)合材料的材料局部能量能夠快速釋放出需要發(fā)出瞬態(tài)彈波性的現(xiàn)象，材料會(huì)在應(yīng)力的作用下發(fā)生變形，從而會(huì)產(chǎn)生裂紋或是出現(xiàn)擴(kuò)展的現(xiàn)象[2]。聲音的頻率范圍十分寬闊，可以從次聲波到超聲波。而且彈性波可以在穿過(guò)檢測(cè)介質(zhì)后，直接到達(dá)被檢測(cè)的表面，從而使得檢測(cè)物表面出現(xiàn)相應(yīng)的振動(dòng)，傳感器適時(shí)接收這樣的振動(dòng)并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，當(dāng)聲發(fā)射信號(hào)逐漸增強(qiáng)后，就可以形成一定的數(shù)據(jù)信息，并且被顯示與記錄。這種檢測(cè)方法能夠?qū)?fù)合材料的整體進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)其整體質(zhì)量水平作出相應(yīng)評(píng)價(jià)。
1.4 視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)
近些年伴隨著計(jì)算機(jī)圖像技術(shù)的快速發(fā)展，復(fù)合材料的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)又有了新的發(fā)展。計(jì)算機(jī)圖像技術(shù)能夠與射線檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，從而使得無(wú)損檢測(cè)技術(shù)具備了直觀與高效的特點(diǎn)。這樣，視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)在檢測(cè)技術(shù)研究領(lǐng)域就有著十分重要的意義。
2 復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)
2.1 自動(dòng)化水平迅速提高
在航空工業(yè)中為了節(jié)約成本，往往會(huì)采取增大結(jié)構(gòu)，減少零部件數(shù)量的措施，這樣會(huì)使得復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)件越來(lái)越大，傳統(tǒng)的人工檢測(cè)方式已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)檢測(cè)的要求，為了提高工作的效率需要對(duì)工件進(jìn)行自動(dòng)化檢測(cè)，自動(dòng)生成相應(yīng)數(shù)據(jù)，檢測(cè)是否出現(xiàn)裂紋等缺陷，可以大大提高航空工業(yè)的自動(dòng)化水平，有效降低人為的誤差。
2.2 提高原位檢測(cè)能力成了研究重點(diǎn)
隨著復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的體積越來(lái)越大，在安裝與拆卸過(guò)程中存在著越來(lái)越多的困難，于是眾多的公司都希望能夠提高部件的原位檢測(cè)能力。目前主要存在兩種解決方案。一是采用大型設(shè)備，對(duì)整架飛機(jī)進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。二是采用多功能小型化的檢測(cè)設(shè)備，直接在外場(chǎng)進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。
2.3 可視化定量檢測(cè)水平不斷提高
隨著計(jì)算機(jī)數(shù)字成像技術(shù)的不斷提高與全面應(yīng)用，復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)的速度也大大提高，精準(zhǔn)度也是逐步提高。
2.4 結(jié)構(gòu)健康自監(jiān)控能力將成為可能
隨著復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，以及傳感器的不斷出現(xiàn)，將傳感器進(jìn)行嵌入成為發(fā)展重點(diǎn)，未來(lái)復(fù)合材料必將是以提高結(jié)構(gòu)健康康自監(jiān)控能力為發(fā)展方向，未來(lái)的復(fù)合材料將有能夠做出反應(yīng)的智能結(jié)構(gòu)。
中圖分類(lèi)號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，我國(guó)出現(xiàn)了越來(lái)越多的復(fù)合材料，現(xiàn)階段在現(xiàn)代飛機(jī)領(lǐng)域，復(fù)合材料的使用量在不斷增加，已經(jīng)成為較為常用的航空結(jié)構(gòu)材料，與鈦合金材料、鋁合金材料、合金鋼材料均處于同等重要的位置。在A380中復(fù)合材料的使用量在總重量中所占的比重已達(dá)到25%，在B787中復(fù)合材料的使用量在總重量中所占的比重已達(dá)到50%，而在A350XWB結(jié)構(gòu)中的用量最多，大約為52%。新階段，先進(jìn)復(fù)合材料仍舊最受航空航天企業(yè)的青睞，玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、硼纖維等都屬于先進(jìn)復(fù)合材料。
一、基于先進(jìn)技術(shù)的復(fù)合材料構(gòu)件成型模具的類(lèi)型
先進(jìn)復(fù)合材料構(gòu)件成型的工藝方法有很多，與此相對(duì)，模具的結(jié)構(gòu)形式也有很多，先進(jìn)復(fù)合材料構(gòu)件成型模具有以下幾種類(lèi)型：
（一）框架式的模具
為了提高復(fù)合材料構(gòu)件成型模具整體以及局部的剛度，提高模具分型面加熱的效率，最大限度地減少模具變形的可能性，設(shè)計(jì)制造模具骨架的時(shí)候可以考慮隔柵結(jié)構(gòu)。
（二）組合式的模具
組合式模具的制造材料一般為金屬，它主要用于4種情況：一是壓機(jī)成型；二是模壓成型；三是樹(shù)脂傳遞模塑成型；四是注射模成型。組合模的組成結(jié)構(gòu)是兩個(gè)半模，它的分布方式是上下分布，通過(guò)模具的上壓盤(pán)和下壓盤(pán)能夠進(jìn)行加熱，上、下壓盤(pán)加熱的方式主要是傳導(dǎo)加熱，此外，周?chē)臒嵩赐瑯幽軌蚪o模具進(jìn)行加熱，另外，組合模具中有內(nèi)置加熱系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)也能進(jìn)行加熱。液態(tài)成型技術(shù)包括3個(gè)不同的種類(lèi)：一是樹(shù)脂轉(zhuǎn)移模塑；二是真空輔助成型；三是樹(shù)脂模溶滲成型。其中，樹(shù)脂轉(zhuǎn)移模塑結(jié)構(gòu)能夠被分成3個(gè)部分，這3個(gè)部分分別是型體和兩個(gè)端蓋。有些制品的形狀較復(fù)雜、尺寸較大，對(duì)于這部分制品可以進(jìn)一步分割組合其型體部分，分型面制作凸舌以及凹溝，還要在兩個(gè)端蓋所處的地方設(shè)置注射口以及排氣口，還應(yīng)關(guān)注樹(shù)脂分流道。圖2是組合式模具。
（三）拉擠成型模具與擠壓成型模具
拉擠成型模具與擠壓成型模具統(tǒng)稱(chēng)為連續(xù)成型模具。將浸有樹(shù)脂的纖維通過(guò)某種特定的加熱口模擠出其中多余的樹(shù)脂，這個(gè)過(guò)程就是擠壓加工的具體過(guò)程，在牽引的條件下固化。連續(xù)擠壓過(guò)程包括多個(gè)過(guò)程，它的成型模具是組合式的，由多個(gè)運(yùn)動(dòng)部件形成。第一步，對(duì)位于模具中的多層熱塑性帶加熱同時(shí)壓成層合板；第二步，將壓好的層合板壓入成型的模具同時(shí)加熱，壓成滿足要求的截面型材，最后利用連續(xù)壓模把型材壓成需要的彎曲形狀，利用這種方式能夠成型彎曲或者扭轉(zhuǎn)以及變截面的型材，這種成型工藝是新型成型工藝。
二、基于先進(jìn)技術(shù)的復(fù)合材料構(gòu)件成型模具的設(shè)計(jì)方法研究
制造復(fù)合材料的構(gòu)件離不開(kāi)模具，在該行業(yè)中，模具是相當(dāng)常見(jiàn)的工藝裝備之一，因?yàn)樗梢詫?duì)制件的形狀、結(jié)構(gòu)關(guān)系、控制外緣進(jìn)行確定，進(jìn)而確保表面的質(zhì)量。復(fù)合材料的聚合固化需要在模具上進(jìn)行，有的時(shí)候還應(yīng)在成型的模具上鋪疊預(yù)浸料，復(fù)合材料構(gòu)件質(zhì)量的高低在很大程度上受到模具設(shè)計(jì)制造的影響。
通過(guò)分析復(fù)合材料構(gòu)件成型模具的材料，我們可以把它分成不同的兩類(lèi)為，其一是金屬模；另一類(lèi)是復(fù)合材料模，它們的結(jié)構(gòu)和工藝比較特殊。當(dāng)前，因?yàn)橛?jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，CAD技術(shù)被廣泛運(yùn)用，越來(lái)越多的復(fù)合材料構(gòu)件成型模具設(shè)計(jì)會(huì)考慮數(shù)字化的設(shè)計(jì)方式。為了提升設(shè)計(jì)的效率，很多航空航天企業(yè)對(duì)于經(jīng)常使用的結(jié)構(gòu)會(huì)考慮模塊化設(shè)計(jì)以及參數(shù)化設(shè)計(jì)。
與常規(guī)的鈑金成型模具進(jìn)行對(duì)比能夠發(fā)現(xiàn)，對(duì)于累積公差，先進(jìn)復(fù)合材料有更加嚴(yán)格的要求。模具與零件兩者貼合面不同的尺寸取決于模具的類(lèi)型以及它熱膨脹的特點(diǎn)；基體在最高固化溫度基礎(chǔ)上的尺寸與先進(jìn)復(fù)合材料最終的尺寸一致。
設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)先進(jìn)復(fù)合材料構(gòu)件成型模具時(shí)，應(yīng)當(dāng)著重考慮熱匹配的問(wèn)題，原因是鋼和鋁的熱膨脹系數(shù)通常比碳和石墨的復(fù)合材料高，高出的系數(shù)在一個(gè)數(shù)量級(jí)左右，當(dāng)它從固化峰值的溫度逐漸往下冷卻時(shí)，金屬模具會(huì)出現(xiàn)一定程度地收縮，這種變化在構(gòu)件中會(huì)引起參與應(yīng)變或者固有應(yīng)變。設(shè)計(jì)模具的時(shí)候，設(shè)計(jì)人員如果做到及時(shí)修正尺寸，就應(yīng)當(dāng)選擇熱膨脹系數(shù)不高的材料模具，一般情況下，會(huì)使用熱膨脹補(bǔ)償?shù)姆绞?，參照?jīng)驗(yàn)公式以及試驗(yàn)驗(yàn)證，把制作質(zhì)心當(dāng)作中心，按照特定的公式，設(shè)計(jì)人員把整個(gè)制作縮小，工程設(shè)計(jì)的輸入遵循縮小之后的制作。
另外，設(shè)計(jì)人員還可能會(huì)遇到角度回彈的問(wèn)題，對(duì)于這類(lèi)問(wèn)題，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)的時(shí)候，應(yīng)當(dāng)提前考慮回彈角，即模具的角度為制件夾角和回彈角的和，這樣做使得制件脫模回彈之后與工藝數(shù)模的要求相符。這樣做能夠達(dá)到制件脫?；貜椫蠛凸に嚁?shù)模的要求兩者相符。對(duì)于某些比較復(fù)雜的制件，對(duì)模具結(jié)構(gòu)的剛度、溫度場(chǎng)的分布狀況、熱膨脹等效果開(kāi)展模擬分析的時(shí)候，可以選擇CAE技術(shù)，進(jìn)而提供科學(xué)的參考依據(jù)用于模具溫度補(bǔ)償、回彈修正設(shè)計(jì)等。
三、基于先進(jìn)技術(shù)的復(fù)合材料構(gòu)件成型模具工裝技術(shù)研究
近幾年，先進(jìn)復(fù)合材料表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)尺度變大、形狀更加復(fù)雜的特點(diǎn)，這就給構(gòu)件的制造提出了縮短周期，降低成本的要求。為了適應(yīng)這種變化，先進(jìn)復(fù)合材料構(gòu)件成型工裝方面表現(xiàn)出柔性化的趨勢(shì)。
柔性工裝的基礎(chǔ)是先進(jìn)的工裝制造理念以及靈活性高的工裝設(shè)計(jì)，這類(lèi)工裝與幾何形狀相似，通過(guò)先進(jìn)的理念和制造技術(shù)在剛性工裝技術(shù)的前提下，對(duì)工裝型腔或成型表面開(kāi)展迅速地再次利用、組合、加工。近年來(lái)，國(guó)外產(chǎn)生了SPT技術(shù)并得到了較快的發(fā)展，這種技術(shù)是利用組合或者細(xì)桿來(lái)對(duì)分型面的高度進(jìn)行調(diào)節(jié)，這種方式能夠低成本、迅速地制造相同類(lèi)型的相似工裝。柔性工裝的理念與技術(shù)能夠用在對(duì)復(fù)合材料構(gòu)件制造的定位以及固化之后數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)材料的性能以及力學(xué)性能的表達(dá)。
這個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)力學(xué)性能的表達(dá)能夠分成5個(gè)不同的層次。5個(gè)層次的內(nèi)容如下：
第一個(gè)層次包括對(duì)復(fù)合材料體系的力學(xué)性能的匯總，其中包含材料的篩選、取證、驗(yàn)收等基本信息，還包括對(duì)先進(jìn)復(fù)合材料體系的力學(xué)性能的全面匯總；
第二個(gè)層次為匯總單個(gè)測(cè)試項(xiàng)目的多批次的力學(xué)性能，用表格的方式進(jìn)行表達(dá)。其中，單個(gè)測(cè)試項(xiàng)目力學(xué)性能涉及多種統(tǒng)計(jì)的表達(dá)，譬如0度拉伸的強(qiáng)度包括最大值和最小值、離散的系數(shù)、平均值、分布的形式等；
第三個(gè)層次為每個(gè)批次的單個(gè)測(cè)試項(xiàng)目的力學(xué)性能，它的表達(dá)方式是表格的形式；
第四個(gè)層次為試驗(yàn)結(jié)束之后統(tǒng)計(jì)分析試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，然后將這些數(shù)據(jù)錄入到EXCEL表格，進(jìn)行細(xì)致的匯總；
第五個(gè)層次為試驗(yàn)結(jié)束之后，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到的與單個(gè)試驗(yàn)件有關(guān)的原始數(shù)據(jù)。
結(jié)語(yǔ)
先進(jìn)復(fù)合材料屬于新型材料，與普通的材料相比，它具有許多優(yōu)點(diǎn)，譬如強(qiáng)度高、剛性高、具有較強(qiáng)的抗疲勞性和抗腐蝕性，航空航天企業(yè)中已經(jīng)大范圍地使用先進(jìn)復(fù)合材料。市場(chǎng)推動(dòng)了先進(jìn)復(fù)合材料構(gòu)件成型模具和工裝技術(shù)的不斷創(chuàng)新，為了盡可能減少加工迭代造成的不利影響，將來(lái)會(huì)深入研究檢測(cè)成型曲面質(zhì)量的方法。在充分考慮形狀特征、工件大小、不同的工藝等因素的基礎(chǔ)上，積極探索先進(jìn)復(fù)合材料構(gòu)件成型模具和工裝技術(shù)，提高技術(shù)水平，為先進(jìn)復(fù)合材料的發(fā)展提供有力的技術(shù)保障。
參考文獻(xiàn)
近年來(lái)，隨著新技術(shù)以及新設(shè)備的不斷發(fā)展與應(yīng)用，工業(yè)生產(chǎn)與加工制造中對(duì)于攜帶液體燃料以及高壓氣體的壓力容器提出了高氣密、輕質(zhì)量以及長(zhǎng)壽命等更高的設(shè)計(jì)與制造要求，使得高結(jié)構(gòu)效率的輕量化復(fù)合材料壓力容器成為一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。下文將結(jié)合這一背景條件，根據(jù)帶金屬內(nèi)襯復(fù)合材料壓力容器中內(nèi)襯的作用以及復(fù)合材料結(jié)構(gòu)層進(jìn)行承擔(dān)荷載的特征，提出一種含超薄金屬內(nèi)襯輕量化復(fù)合材料壓力容器的設(shè)計(jì)與制備技術(shù)，具體報(bào)道如下。
1.復(fù)合材料結(jié)構(gòu)層的剛度優(yōu)化設(shè)計(jì)方法分析
進(jìn)行含超薄金屬內(nèi)襯輕量化復(fù)合材料壓力容器的設(shè)計(jì)與制備實(shí)現(xiàn)，主要就是以減薄金屬內(nèi)襯的厚度和實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)層的剛度優(yōu)化為主，以實(shí)現(xiàn)超薄、輕量化、高強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)層剛度的設(shè)計(jì)與制備目的。首先，在進(jìn)行復(fù)合材料結(jié)構(gòu)層的剛度優(yōu)化設(shè)計(jì)中，本文主要采用一種基于穩(wěn)定纏繞理論的結(jié)構(gòu)剛度優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，對(duì)于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)層的剛度實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)。工業(yè)生產(chǎn)與加工制造中，對(duì)于復(fù)合材料壓力容器的結(jié)構(gòu)層剛度優(yōu)化設(shè)計(jì)，多是使用網(wǎng)格理論進(jìn)行復(fù)合材料壓力容器強(qiáng)度設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的，它主要應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行滑線系數(shù)取值確定后，通常對(duì)于一般濕法纏繞取值多為0.15到0.2之間，而干法纏繞取值多為0.39，然后應(yīng)用公式對(duì)于可纏繞范圍進(jìn)行求解，并給定初始纏繞角，通過(guò)在纏繞機(jī)上進(jìn)行大量的工藝試驗(yàn)后，對(duì)于初始纏繞角進(jìn)行排線修改，以找出能夠滿足纏繞工藝穩(wěn)定性要求的線型和纏繞角，最終根據(jù)這個(gè)纏繞角進(jìn)行設(shè)計(jì)制備壓力容器的剛度校核，以完成對(duì)于復(fù)合材料壓力容器的結(jié)構(gòu)剛度優(yōu)化設(shè)計(jì)。
（1）
上述公式（1）中，a表示的是纏繞角，λ表示的是滑線系數(shù)，r表示的是芯模母線方程， 、 表示的是芯模母線方程的一階和二階導(dǎo)數(shù)，其中 。
上文所述的這種基于試錯(cuò)試驗(yàn)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)層剛度優(yōu)化設(shè)計(jì)方式，在優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，難以對(duì)實(shí)際的穩(wěn)定纏繞范圍進(jìn)行獲取，因此也就無(wú)法進(jìn)行復(fù)合材料壓力容器結(jié)構(gòu)的剛度優(yōu)化實(shí)現(xiàn)，在實(shí)際設(shè)計(jì)制造中就不能夠最大化的實(shí)現(xiàn)纖維強(qiáng)度發(fā)揮，難以實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料壓力容器減重與輕量化的目的。
根據(jù)這種設(shè)計(jì)方法的缺陷與局限性，本文通過(guò)進(jìn)行一種基于穩(wěn)定纏繞理論的結(jié)構(gòu)剛度優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的設(shè)計(jì)構(gòu)建，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)于復(fù)合材料壓力容器的結(jié)構(gòu)剛度優(yōu)化設(shè)計(jì)。基于穩(wěn)定纏繞理論的結(jié)構(gòu)剛度優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要通過(guò)對(duì)纏繞纖維和芯模表面間滑線系數(shù)的精確表征，對(duì)于真實(shí)可靠的滑線系數(shù)進(jìn)行測(cè)量求得，同時(shí)在獲取滑線系數(shù)和纏繞角的連續(xù)對(duì)應(yīng)關(guān)系后，通過(guò)上述公式（1）對(duì)于可穩(wěn)定纏繞范圍進(jìn)行準(zhǔn)確求得，同時(shí)通過(guò)對(duì)于可穩(wěn)定纏繞范圍內(nèi)每一纏繞角對(duì)應(yīng)的纖維軌跡厚度、剛度等進(jìn)行預(yù)測(cè)計(jì)算，以實(shí)現(xiàn)在穩(wěn)定纏繞范圍內(nèi)，對(duì)于復(fù)合材料壓力容器結(jié)構(gòu)剛度的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得復(fù)合材料結(jié)構(gòu)能夠最大效率的發(fā)揮纖維強(qiáng)度，提高結(jié)構(gòu)效率，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料壓力容器設(shè)計(jì)制備中減重與輕量化的目的。
在基于穩(wěn)定纏繞理論的結(jié)構(gòu)剛度優(yōu)化設(shè)計(jì)方法中，對(duì)于纏繞纖維以及芯模表面間滑線系數(shù)的精確表征以及可穩(wěn)定纏繞范圍的求解實(shí)現(xiàn)，主要是根據(jù)一般曲面穩(wěn)定纏繞原理，通過(guò)對(duì)芯模表面上落紗點(diǎn)的力學(xué)分析，在進(jìn)行一種具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)標(biāo)定模型設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)于纏繞纖維以及芯模表面間滑線系數(shù)的精確表征和可穩(wěn)定纏繞范圍求解。值得注意的是，設(shè)計(jì)建立的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的標(biāo)定模型，在固定纏繞角情況下，沿其母線方向任意點(diǎn)的緯度圓半徑和該點(diǎn)的滑線系數(shù)之間滿足線性關(guān)系。其中，該模型的母線方程為下式（2）所示。
（2）
在上示公式中，R表示芯模直線段處的半徑，C是一個(gè)常數(shù)。通過(guò)該標(biāo)定模型能夠精確對(duì)于纏繞纖維和芯模表面間滑線系數(shù)值進(jìn)行表征，能夠?yàn)榉€(wěn)定纏繞范圍以及復(fù)合材料壓力容器結(jié)構(gòu)剛度優(yōu)化進(jìn)行參數(shù)提供。
2.大尺寸超薄金屬內(nèi)襯的成型設(shè)計(jì)方法分析
本文主要以鋁合金材料為主，對(duì)于大尺寸超薄鋁合金內(nèi)襯的設(shè)計(jì)成型方法進(jìn)行分析。在壓力容器設(shè)計(jì)制造中，由于鋁合金材料本身具有氣密性高以及密度小、介質(zhì)相容性突出等特征優(yōu)勢(shì)，是輕量化復(fù)合材料壓力容器設(shè)計(jì)制備中金屬內(nèi)襯的首先材料，并且該材料在壓力容器的整個(gè)設(shè)計(jì)制備中占有比例達(dá)到1/3以上。此外，應(yīng)用鋁合金作為金屬內(nèi)襯材料進(jìn)行輕量化復(fù)合材料壓力容器設(shè)計(jì)制備中，如果鋁合金的內(nèi)襯厚度每減薄0.1毫米，復(fù)合材料壓力容器的重量將減輕3%到6%，能夠滿足材料壓力容器設(shè)計(jì)制備中實(shí)現(xiàn)減重的目的。
由于輕量化復(fù)合材料壓力容器直徑的越來(lái)越大，實(shí)現(xiàn)大尺寸超薄鋁合金內(nèi)襯的成型設(shè)計(jì)具有較為突出的難度。針對(duì)這一情況，通過(guò)在封頭部分使用旋壓工藝，然后與筒身進(jìn)行焊接成型的設(shè)計(jì)制備方法，實(shí)現(xiàn)大尺寸超薄鋁合金內(nèi)襯的成型設(shè)計(jì)，制備出了封頭和筒身厚度在0.8毫米以下，直徑在745毫米以上的系列超薄鋁合金內(nèi)襯，很好的滿足和實(shí)現(xiàn)了輕量化復(fù)合材料壓力容器設(shè)計(jì)與制備。
在進(jìn)行含超薄金屬內(nèi)襯輕量化復(fù)合材料壓力容器設(shè)計(jì)制備中，完成減薄金屬內(nèi)襯厚度與復(fù)合材料結(jié)構(gòu)層的剛度優(yōu)化設(shè)計(jì)后，要想完整的實(shí)現(xiàn)對(duì)于含超薄金屬內(nèi)襯輕量化復(fù)合材料壓力容器的設(shè)計(jì)制備，還需要進(jìn)行超波金屬內(nèi)襯和復(fù)合材料變形的協(xié)調(diào)控制，同時(shí)對(duì)于輕量化復(fù)合材料壓力容器的設(shè)計(jì)制備進(jìn)行自動(dòng)修復(fù)，以保證設(shè)計(jì)制備質(zhì)量和效果。
3.結(jié)束語(yǔ)
總之，含超薄金屬內(nèi)襯輕量化復(fù)合材料壓力容器的設(shè)計(jì)制備實(shí)現(xiàn)，能夠滿足壓力容器設(shè)計(jì)制備的高氣密以及輕質(zhì)量、長(zhǎng)壽命的要求，對(duì)于推動(dòng)壓力容器設(shè)計(jì)制備技術(shù)水平的發(fā)展提升有著積極作用和意義。
參考文獻(xiàn)：
Geometry parameters and stacking sequence optimization of composite stiffened panel
CAO Xun-wen， WANG Zhi-jing
（College of Aerospace Engineering ，Nanjing University of Aeronautics & Astronautics ， Nanjing 210016 ， China）
Abstract： Based on the bending stiffened method use Multi-island Genetic Algorithm and Sequence Quadratic Programming for the geometry parameters and stacking sequence optimization of composite stiffened panel. Under the condition of stiffened composite panel overall buckling， optimize the geometric parameter of longitudinal and transverse ribs distance， rib width， the layers number of the rib， the upper and lower panel. The method is used to the condition of giving all parameters of the panel， boundary conditions， designing load and the material property， select the samples in Isight， use PCL language parameterized modeling of stiffened panel to the lightest optimization design.
Key words： composite stiffened panel； PCL； global buckling； optimization； Isight
1.引言
復(fù)合材料具有比強(qiáng)度、比剛度高，可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用與航空航天領(lǐng)域。在飛機(jī)或火箭受到飛行條件外載荷作用下，飛行器的承力結(jié)構(gòu)通常來(lái)分擔(dān)這些外載荷，復(fù)合材料加筋結(jié)構(gòu)通常是承力構(gòu)件的一部分，對(duì)復(fù)合材料加筋結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)近年來(lái)受到很大的重視。
目前，對(duì)復(fù)合材料加筋板結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)已經(jīng)有很多研究。Liu[3]提出一種基于程序包VICONOPT的復(fù)合材料加筋板優(yōu)化方法，并對(duì)Z字型加筋板進(jìn)行了優(yōu)化；Lanzi[9]應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過(guò)建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，對(duì)復(fù)合材料加筋板進(jìn)行了優(yōu)化；常楠等提出了一種混合優(yōu)化算法，以加筋板的屈曲載荷最大為目標(biāo)，進(jìn)行了復(fù)合材料加筋板結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[4]； 張鐵亮采用非劣分類(lèi)遺傳算法和序列二次規(guī)劃法，分別考慮了三種情況的優(yōu)化設(shè)計(jì)：質(zhì)量一定，復(fù)合材料加筋板屈曲一階特征值最大為目標(biāo)；一階屈曲特征值一定，復(fù)合材料加筋板質(zhì)量最??；質(zhì)量最小和一階屈曲特征值最大[5]；梁東平等采用遺傳算法在總體屈曲約束條件下對(duì)復(fù)合材料格柵加筋板進(jìn)行布局優(yōu)化設(shè)計(jì)[6]。
本文結(jié)合前人的經(jīng)驗(yàn)結(jié)合實(shí)際應(yīng)用情況，對(duì)復(fù)合材料加筋結(jié)構(gòu)主要考慮縱向和橫向的筋條間距、筋條寬度、鋪層層數(shù)等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在滿足復(fù)合材料加筋板整體屈曲條件下，優(yōu)化設(shè)計(jì)主要困難在于不能將幾何參數(shù)和鋪層厚度一次性完成優(yōu)化，本文基于彎曲剛度的方法，采用兩級(jí)優(yōu)化的方法，對(duì)復(fù)合材料加筋板“Z”型、“T”型、“L”型和“工”型四種加筋形式分別優(yōu)化出最優(yōu)幾何參數(shù)和鋪層層數(shù)，然后進(jìn)行分析比較。
2.復(fù)合材料加筋板的優(yōu)化方法
2.1彎曲剛度法
從本質(zhì)上講，穩(wěn)定性條件下的復(fù)合材料層合板鋪層優(yōu)化設(shè)計(jì)，無(wú)論是優(yōu)化角度還是優(yōu)化厚度，都是以得到層合板的最優(yōu)彎曲剛度為最終目標(biāo)。彎曲剛度法基于層合板的彎曲剛度與失穩(wěn)載荷一一對(duì)應(yīng)，我們將層合板等效為一個(gè)只有8層的對(duì)稱(chēng)輔助層合板，航空行業(yè)通常采用0°、90°、45°和-45°的鋪層，通過(guò)優(yōu)化輔助層合板0°、90°、45°和-45°的厚度，得到層合板的最優(yōu)彎曲剛度下的鋪層情況，然后圓整得到各方向鋪層層數(shù)。本文沒(méi)有考慮鋪層順序的因素。
2.2優(yōu)化流程
復(fù)合材料加筋板結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)通常很難一步優(yōu)化，本文對(duì)幾何參數(shù)和鋪層厚度進(jìn)行兩級(jí)優(yōu)化，先用Isight在樣本點(diǎn)空間里選取樣本點(diǎn)，然后對(duì)每一個(gè)樣本點(diǎn)，采用PCL語(yǔ)言快速方便地參數(shù)化建模并進(jìn)行優(yōu)化，得到0°、90°、45°和-45°鋪層層數(shù)；然后根據(jù)優(yōu)化的鋪層情況重新建模并進(jìn)行有限元屈曲分析和質(zhì)量計(jì)算；然后再把樣本點(diǎn)優(yōu)化的結(jié)果在Isight中采用多島遺傳算法和序列二次規(guī)劃算法進(jìn)行優(yōu)化，選出最優(yōu)的樣本點(diǎn)，該樣本點(diǎn)就是我們的最優(yōu)結(jié)果；再對(duì)該樣本點(diǎn)進(jìn)行鋪層優(yōu)化，從而完成整個(gè)流程。
3算例
3.1模型描述
尺寸為的艙門(mén)，厚為100mm，四邊固支，所受載荷為P=1.6×105Pa，所用材料為T(mén)700/BA9916，單層厚度為t=0.19mm。結(jié)構(gòu)材料性能為E11=119.5GPa， E22=9GPa， v12=0.301， G12=6.6GPa，ρ=1.61×10-6T/mm3。單層板最大拉伸應(yīng)變限制為4000με，最大壓縮應(yīng)變限制為4000με.失穩(wěn)約束為一階線性失穩(wěn)因子λ>1。
3.2設(shè)計(jì)變量
復(fù)合材料加筋板L型、Z型、工型和T型四種筋條型式，緣條寬B，縱向筋條根數(shù)m，橫向筋條根數(shù)n。上面板0°、45°、-45°、90°方向的鋪層厚度分別為a1、a2、a3、a4，下面板鋪層厚度分別為b1、b2、b3、b4，緣條鋪層厚度c1、c2、c3、c4，腹板鋪層厚度為d1、d2、d3、d4（對(duì)于L型和T型認(rèn)為上下緣條合在一起從而保證共用樣本點(diǎn)空間）。
3.3設(shè)計(jì)目標(biāo)及約束條件
目標(biāo)：Min W
約束條件：
剛度要求，最大變形fmax≤6mm；
穩(wěn)定性要求，屈曲因子λ>1；
強(qiáng)度要求，使用蔡吳準(zhǔn)則，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)不發(fā)生破壞
3.4結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變量空間
在Isight中采用拉丁實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)分別對(duì)L型、Z字型、T型和工字型筋條選擇樣本點(diǎn)，然后通過(guò)MSC/Patran中采用PCL語(yǔ)言對(duì)每一個(gè)樣本點(diǎn)進(jìn)行參數(shù)化建模，并通過(guò)Nastran完成優(yōu)化分析，表1是優(yōu)化時(shí)鋪層的設(shè)計(jì)變量：
3.5優(yōu)化過(guò)程及結(jié)果
在得到優(yōu)化厚度結(jié)果后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過(guò)Isight分別擬合出一條重量W與縱向筋條根數(shù)n、橫向筋條根數(shù)m和緣條寬度B這樣的這樣的函數(shù)關(guān)系曲線，然后在Isight中采用多島遺傳算法和序列二次規(guī)劃算法優(yōu)化得出最優(yōu)的m、n和B，優(yōu)化過(guò)程如下圖所示：
從圖5可以看出T型加筋板優(yōu)化的結(jié)果為B=92，m=9，n=4，從該優(yōu)化圖形可以看出，優(yōu)化結(jié)果收斂，證明結(jié)果精度較高。
從圖6可以看出工字型加筋板優(yōu)化的結(jié)果為B=10，m=7，n=4，從該優(yōu)化圖形可以看出，優(yōu)化結(jié)果收斂。
從圖7可以看出Z字型加筋板優(yōu)化的結(jié)果為B=24，m=8，n=6，從該優(yōu)化圖形可以看出，優(yōu)化結(jié)果收斂.
從圖8可以看出L型加筋板優(yōu)化的結(jié)果為B=41，m=9，n=5，從該優(yōu)化圖形可以看出，優(yōu)化結(jié)果收斂，精度很高。
表2-5是在得到最優(yōu)樣本點(diǎn)后，采用MSC/Patran和Nastran優(yōu)化得到的最優(yōu)鋪層厚度，此處未考慮鋪層順序?qū)Y(jié)構(gòu)的影響，該鋪層順序是任意順序，一般采取0°、45°、-45°和90°交替排列的順序。在該順序下，建立完整模型，計(jì)算得到最優(yōu)結(jié)果下最大變形f和屈曲因子，如圖9所示：
3.6總結(jié)
結(jié)合表6四種加筋條形式的優(yōu)化結(jié)果，可以看出在滿足強(qiáng)度、剛度和整體穩(wěn)定性的條件下，L型加筋板結(jié)構(gòu)重量最輕，從圖8優(yōu)化的過(guò)程可以看出優(yōu)化結(jié)果收斂，從而證明我們的優(yōu)化方案可行。
4.結(jié)論
（1）上面的優(yōu)化結(jié)果可以看出，L型加筋板顯然是我們優(yōu)化得出的最優(yōu)型式，實(shí)際工業(yè)設(shè)計(jì)中可以結(jié)合實(shí)際需要，運(yùn)用該方法為初始設(shè)計(jì)提供參考。
（2）本文對(duì)三個(gè)幾何參數(shù)和四個(gè)鋪層厚度進(jìn)行優(yōu)化，但是沒(méi)有考慮鋪層順序的優(yōu)化，進(jìn)一步的研究將結(jié)合PCL語(yǔ)言對(duì)鋪層順序進(jìn)行優(yōu)化。
（3）本文采用彎曲剛度法，采用兩級(jí)優(yōu)化技術(shù)為復(fù)合材料加筋板優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一種高效、可靠的方法，該方法可以推廣到其他型式加筋板優(yōu)化中。
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經(jīng)過(guò)纖維增強(qiáng)后的材料與原純樹(shù)脂材料其模量、耐沖擊性、耐腐蝕、隔熱等優(yōu)點(diǎn)有了明顯地提高，常用的基體樹(shù)脂包括熱固性樹(shù)脂如環(huán)氧類(lèi)聚合物、酚醛樹(shù)脂以及不飽和聚合物等，熱塑性樹(shù)脂聚丙烯腈、聚丙烯等。
近來(lái)興起的納米纖維由于纖維尺寸進(jìn)入納米級(jí)以后所具有的獨(dú)特的小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)而使復(fù)合材料在結(jié)構(gòu)參數(shù)（符合度、聯(lián)接型、標(biāo)度等）與常規(guī)纖維相比有很大的改變，通過(guò)改變納米材料的聚集結(jié)構(gòu)、高聚物基體的結(jié)構(gòu)性能、粒子與基體的界面結(jié)構(gòu)以及加工復(fù)合工藝1等，可以大幅度改變復(fù)合材料性能。
1.增強(qiáng)機(jī)理
復(fù)合材料是由兩種或者多種性質(zhì)不同的材料通過(guò)物理或者化學(xué)復(fù)合，組成具有兩個(gè)或者兩個(gè)以上相態(tài)結(jié)構(gòu)的材料，在纖維增強(qiáng)材料中有，基體通過(guò)界面將載荷有效地傳遞到增強(qiáng)相當(dāng)中，纖維是承受由基體傳遞來(lái)的有效載荷，是主承力相2。各相之間的接觸面即界面是復(fù)合材料中最為重要的微結(jié)構(gòu)，對(duì)復(fù)合材料的性能影響極大?；w材料與復(fù)合材料之間相互接觸發(fā)成界面反應(yīng)，形成一個(gè)小尺寸界面，并在此界面上產(chǎn)生界面效應(yīng)例如阻止裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展。兩相之間相互作用力的強(qiáng)弱取決于相表面的形態(tài)包括增強(qiáng)相表面的粗糙程度、偶聯(lián)劑的使用、界面的浸濕、化學(xué)鍵的形成等。
復(fù)合材料的復(fù)合效應(yīng)3是其他所有材料所不具備的，包括線性效應(yīng)比如協(xié)同、加和，非線性效應(yīng)比如系統(tǒng)效應(yīng)、混合效應(yīng)等。正是由于這些效應(yīng)使得復(fù)合材料在力學(xué)性能或其它光學(xué)磁學(xué)等性能上優(yōu)于其他材料，有人預(yù)計(jì)21世紀(jì)是人類(lèi)從鋼鐵材料走向復(fù)合材料的一個(gè)新世紀(jì)。
2.纖維增強(qiáng)
2.1天然纖維增強(qiáng)
復(fù)合材料中的天然纖維多指纖維素，也有殼聚糖纖維等其它天然纖維。天然纖維具有可再生，無(wú)生物毒性、易分解等優(yōu)點(diǎn)。有研究指出經(jīng)黃麻纖維4、苧麻纖維5經(jīng)過(guò)涂布法或者熱壓成型法成型，并對(duì)纖維的捻度、長(zhǎng)徑分布進(jìn)行討論，測(cè)得不同條件下纖維的拉伸強(qiáng)度可以得出纖維增強(qiáng)后的熱固性樹(shù)脂力學(xué)性能有極大提高。天然纖維大多數(shù)是以葡萄糖為單體單元，由于其多羥基結(jié)構(gòu)使得它具有很強(qiáng)的親水性。它與聚合物的相容性、復(fù)合材料的吸水速率會(huì)影響到復(fù)合材料的力學(xué)性能，可以加入助劑比如硅烷乙酰類(lèi)，酸類(lèi)相容劑，或者對(duì)纖維的表面進(jìn)行處理，使得相容性提高，吸水率降低。M.boopalan6將黃麻纖維和劍麻纖維經(jīng)過(guò)酸處理酯化后與環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行原位復(fù)合，并用FTIR進(jìn)行表征，在1239cm-1出檢測(cè)到有峰出現(xiàn)，表明苯環(huán)C與羥基相連，得到了很好的相容性增強(qiáng)。
2.2人造纖維增強(qiáng)
人造纖維包括有機(jī)合成纖維如高聚物纖維如滌綸氯綸等和無(wú)機(jī)纖維如玻璃纖維、碳纖維等。玻璃纖維與碳纖維復(fù)合材料相比玻璃纖維與樹(shù)脂基復(fù)合材料的結(jié)合界面力不夠強(qiáng)，通過(guò)破壞性試驗(yàn)研究斷面的SEM圖可以發(fā)現(xiàn)玻璃纖維的斷裂發(fā)生在界面上，而碳纖維的斷裂發(fā)生在樹(shù)脂內(nèi)部7?？梢允褂门悸?lián)劑、浸潤(rùn)劑、等離子體等處理方法對(duì)玻璃纖維進(jìn)行改性8。碳纖維的表面活性官能團(tuán)較少，表面能低，呈現(xiàn)出表面化學(xué)惰性，與聚合物進(jìn)行復(fù)合是很難形成穩(wěn)定的界面相，結(jié)合力較弱,可以通過(guò)氣相氧化法、陽(yáng)極氧化法、電聚合表面涂層法、液相氧化法及等離子氧化法等9改善其表面性質(zhì)。
碳納米管是近來(lái)出現(xiàn)的一個(gè)熱門(mén)領(lǐng)域，由于其獨(dú)特的納米尺寸使得它表面原子比例、表面能和活性增大,從而產(chǎn)生了小尺寸效應(yīng)、表面或界面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)等,在化學(xué)、物理性質(zhì)方面表現(xiàn)出特異性，是復(fù)合材料目前在理論上最理想的材料?，F(xiàn)在多用原位聚合法制備碳納米管復(fù)合材料，Qian10等用TEM觀察原位聚合法復(fù)合材料的形變機(jī)理和載荷轉(zhuǎn)移發(fā)現(xiàn)開(kāi)裂不會(huì)再裂縫中而不是PS機(jī)體內(nèi)，說(shuō)明載荷被有效地專(zhuān)業(yè)到了納米管上。碳納米管的研究尚處于起步階段，許多理論問(wèn)題有待發(fā)展和完善。預(yù)計(jì)今后的研究方向包括碳納米管和聚合物兩相之間相容性，兩相之間界面作用的表征和研究，提高碳納米管的分散和在聚合物中的取向的方法研究，碳納米管的加入對(duì)聚合物結(jié)構(gòu)性能的影響等。（作者單位：鄭州大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院）
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天然植物纖維是增強(qiáng)復(fù)合材料可選擇的原料之一，自2005年以來(lái)一直保持著 10% ～ 15% 的年增長(zhǎng)率。植物纖維密度較低，僅有 1.5 g/cm3左右，具有節(jié)省物料消耗的潛力。以平均值計(jì)算，天然纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的能源消耗比玻璃纖維要低 60%。
天然纖維復(fù)合材料具有優(yōu)良的加工性能和聲學(xué)特性，并在很多方面超越玻璃纖維增強(qiáng)材料，如很好的生命循環(huán)特征等。近來(lái)，歐洲植物纖維復(fù)合材料的研究取得了很大進(jìn)展，產(chǎn)品已在汽車(chē)內(nèi)裝飾、車(chē)廂材料等方面使用?？梢哉f(shuō)利用可再生纖維資源做原料，是技術(shù)紡織品持續(xù)增長(zhǎng)的一個(gè)重要方向。
1天然纖維在增強(qiáng)復(fù)合材料上的應(yīng)用
聚合物纖維可廣泛用于工程領(lǐng)域，但在相當(dāng)多的使用條件下，其性能并不能完全滿足要求，這給纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的開(kāi)發(fā)提供了空間。強(qiáng)度是纖維復(fù)合材料的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)之一。通常復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)、機(jī)械性能及熱性能等可依據(jù)纖維添加量、纖維取向程度和長(zhǎng)度的變化而改善。目前，優(yōu)化復(fù)合材料的性能/重量比，提高制品強(qiáng)力、剛性與重量比，降低成本及加工過(guò)程對(duì)環(huán)境的沖擊，改善可用性和安全性正成為復(fù)合材料技術(shù)進(jìn)步的主流趨勢(shì)。
用作增強(qiáng)的纖維材料包括有機(jī)及無(wú)機(jī)纖維材料。除高性能聚合物纖維、玻璃纖維外，天然植物纖維也具有加工增強(qiáng)復(fù)合材料的鮮明特點(diǎn)。大量研究結(jié)果顯示，環(huán)氧樹(shù)脂/亞麻、木漿纖維/PE、劍麻/PE、黃麻/PE、棉纖維/PP、苧麻/PP、黃麻/PP、劍麻/PP、黃麻/PET等的研究和開(kāi)發(fā)都取得了可喜進(jìn)展。由于生物高分子技術(shù)的進(jìn)步，目前已有可能制得生物聚合物復(fù)合材料。在種植、加工、制品成型及使用中，其明顯的低碳經(jīng)濟(jì)特征，具有引領(lǐng)轉(zhuǎn)變生產(chǎn)模式、改變?nèi)藗兏咛枷M(fèi)傾向和碳偏好的可能，因而正形成產(chǎn)業(yè)用紡織品一個(gè)新的開(kāi)發(fā)領(lǐng)域。表 1 為幾種主要的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的性能特征比較。
和常用的玻璃纖維相比，作為增強(qiáng)復(fù)合材料的植物纖維通常具有以下特點(diǎn)。
（1）植物纖維復(fù)合材料的機(jī)械特點(diǎn)
一般說(shuō)來(lái)，植物纖維復(fù)合材料機(jī)械性能的變化，取決于纖維含量、空隙度、纖維取向度、纖維及基質(zhì)的特性。
以典型的熱塑性聚合物PP為例，以其作復(fù)合材料基質(zhì)，單一PP聚合物密度為 1.0 g/cm3，剛性指標(biāo) 1.5 GPa。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在其他條件設(shè)定好的狀態(tài)下，將植物纖維置于 3 種取向態(tài)時(shí)，其復(fù)合材料剛性的最大值分別為：?jiǎn)稳∠蚶w維 20 ～ 30 GPa，兩維無(wú)序（2D Random）取向纖維 7 ～ 11 GPa，三維無(wú)序（3D Random）取向纖維 3 ～ 5 GPa。
（2）植物纖維添加量對(duì)復(fù)合材料性能的影響
高性能的植物纖維具有優(yōu)良的機(jī)械性能，其密度通常在 1.5 g/cm3，而玻璃纖維的密度是 2.6 g/cm3。即使用同樣重量纖維的條件下，植物纖維的復(fù)合材料可以獲取更高的剛性指標(biāo)。
（3）植物纖維復(fù)合材料具有成本上的優(yōu)勢(shì)
工業(yè)品生產(chǎn)中，制造成本對(duì)企業(yè)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。盡管植物纖維源于低成本的生物質(zhì)資源，但仍需投入多項(xiàng)費(fèi)用，如種植投入、纖維提取加工費(fèi)用以及纖維轉(zhuǎn)化為適宜復(fù)合材料加工的預(yù)制品加工費(fèi)用等。一般來(lái)說(shuō)，兩維無(wú)序纖維作原料，其預(yù)制品成本較低。加工成非織造布?xì)值男问?，其預(yù)制品加工費(fèi)偏高，約 1.8 歐元/kg，而玻璃纖維氈預(yù)制品的加工費(fèi)高達(dá) 2.6 歐元/kg?？梢哉J(rèn)定，植物纖維非織造氈預(yù)制品的低成本，可以決定其復(fù)合材料在相同成本下的條件下獲得更佳的機(jī)械性能。表 2 為幾種常用的增強(qiáng)復(fù)合材料用纖維材料的價(jià)格比（以玻璃纖維作為參照）。
2天然植物纖維的結(jié)構(gòu)特征
植物纖維微原纖維角θ呈螺旋狀取向，如圖 1 所示，其復(fù)合材料的彈性和斷裂強(qiáng)度指標(biāo)取決于增強(qiáng)纖維含量及其取向度。同類(lèi)纖維材料的物理性能同其化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)、纖維含量、微原纖維角、纖維截面及聚合度變化有關(guān)。
玻璃纖維是增強(qiáng)復(fù)合材料的主要原料品種。而高性能亞麻、蕁麻纖維的抗拉剛性要優(yōu)于玻璃纖維，機(jī)械性能也與玻璃纖維相似。麻纖維與其他天然纖維一樣，當(dāng)處于激烈震蕩條件下時(shí)易于出現(xiàn)斷裂，纖維大分子輕度滑移，表現(xiàn)出一定的減震功能。亞麻膨脹系數(shù)趨于零，斷裂伸長(zhǎng)率1.5%，基本與碳纖維相近，完全可做復(fù)合材料增強(qiáng)組分。此外，亞麻密度（1.45 g/cm3）比鋼（7.8 g/cm3）、碳纖維（1.70 g/cm3）和玻璃纖維（2.45 g/cm3）均小。表 3 為可用做增強(qiáng)復(fù)合材料的麻纖維與玻璃纖維的技術(shù)特征比較。
在可用做增強(qiáng)復(fù)合材料的麻纖維的評(píng)價(jià)中，有兩個(gè)重要數(shù)值，即E/d值和δ/d值，前者是纖維的楊氏模量與密度比，后者是纖維的斷裂應(yīng)力與密度比。表 4 為玻璃纖維及幾種麻纖維的E/d值和δ/d值比較。
從表 4 可以看出，麻纖維在復(fù)合材料上使用具備非常好的機(jī)械性能。
3天然植物纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的技術(shù)開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀
隨著全球環(huán)保意識(shí)的日益增強(qiáng)，自20世紀(jì)50年代以來(lái)，天然植物纖維增強(qiáng)復(fù)合材料開(kāi)始在乘用車(chē)內(nèi)飾領(lǐng)域使用。在歐洲、北美等市場(chǎng)，熱塑性、熱固性植物纖維復(fù)合材料被用于制做汽車(chē)門(mén)板、包廂和坐椅等中。如利用 50% 的PP和 50% 的天然纖維制成的增強(qiáng)復(fù)合材料，其克重為 450 ～ 2 400 g/m2，產(chǎn)品供給北美汽車(chē)市場(chǎng)，用戶(hù)包括克萊斯勒、奔馳SUV和福特等。
德國(guó)Quadrant公司開(kāi)發(fā)的植物纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在汽車(chē)內(nèi)裝飾領(lǐng)域占有重要位置，其“Nafcoform”產(chǎn)品，使用50% 的PP和 50% 的洋麻、大麻或亞麻，產(chǎn)品克重 300 ～ 3 000 g/m2，目前已用于奧迪A8、三菱汽車(chē)、BMW 7和伊維柯等中。
克萊斯勒公司2005年開(kāi)始在A級(jí)兩門(mén)乘用車(chē)上使用植物纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，使用的產(chǎn)品包括瑞士Reiter（立達(dá)）公司提供的PP/馬尼拉麻天然纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。目前PP、PE與含量為 25% ～ 75% 的洋麻、大麻或其他纖維素纖維制成的復(fù)合材料也已投放市場(chǎng)。
法國(guó)Lineo公司開(kāi)發(fā)了亞麻與環(huán)氧樹(shù)脂的增強(qiáng)復(fù)合材料，其預(yù)浸漬制品的技術(shù)特征如表 5 所示。
使用 50% 的亞麻和 50% 的碳纖維制得的亞麻/碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，可用做自行車(chē)構(gòu)架，并已通過(guò)公路試驗(yàn)取得了認(rèn)可。在該復(fù)合材料中，碳纖維承載剛性負(fù)荷，而亞麻纖維可起到減震作用。近期該纖維增強(qiáng)復(fù)合材料正于自行車(chē)輪轂上試用。
采用洋麻/亞麻混合組分（混合比 50/50）為增強(qiáng)相，以非織造布形式與環(huán)氧樹(shù)脂制得熱固性增強(qiáng)復(fù)合材料，產(chǎn)品已用于汽車(chē)內(nèi)裝飾。
法國(guó)Ralf Schledjewski集團(tuán)使用洋麻/大麻為混合組分制成的針刺氈，于 20 bar壓力下，采用丙烯酸系樹(shù)脂預(yù)浸工藝制得熱固性增強(qiáng)復(fù)合材料，其機(jī)械性能完全可以滿足汽車(chē)內(nèi)飾及部件制品的技術(shù)要求。
鑒于亞麻纖維的剛性及與碳纖維相似的膨脹系數(shù)，可以開(kāi)發(fā)工具類(lèi)產(chǎn)品系列，即以亞麻纖維復(fù)合材料替代部分碳纖維復(fù)合增強(qiáng)制品。
隨著能源壓力和低碳消費(fèi)呼聲的增長(zhǎng)，汽車(chē)工業(yè)面臨著巨大的競(jìng)爭(zhēng)壓力，日本市場(chǎng)的動(dòng)向顯示，期望繼續(xù)改進(jìn)天然纖維復(fù)合材料品質(zhì)，用以替代或減少玻璃纖維帶來(lái)的危害。歐洲雖然至今尚未出臺(tái)限定使用天然纖維復(fù)合材料的相關(guān)法規(guī)，但隨著石油資源的不斷減少，天然纖維復(fù)合材料的市場(chǎng)潛力已被越來(lái)越多的人們所認(rèn)知。美國(guó)福特公司分析認(rèn)為，天然植物纖維可與玻璃纖維混合使用，或制成以天然纖維為芯、玻璃纖維包敷其外的三明治結(jié)構(gòu)產(chǎn)品投放市場(chǎng)。
天然纖維復(fù)合材料雖然在阻燃、燃燒狀態(tài)時(shí)無(wú)煙和無(wú)毒釋放性能上不及一些高性能纖維復(fù)合材料，當(dāng)然這些缺陷也限制了其在航空、鐵路和高速公路領(lǐng)域中的使用，但在汽車(chē)內(nèi)飾、建筑與裝飾材料以及運(yùn)動(dòng)和休閑制品領(lǐng)域具有可拓展的空間。
4生物增強(qiáng)復(fù)合材料（Biocomposites）的技術(shù)進(jìn) 展
生物增強(qiáng)復(fù)合材料是新一代復(fù)合材料，近年來(lái)受到廣泛關(guān)注，其中細(xì)菌纖維素/PLA、改性劍麻/大豆蛋白質(zhì)基的生物可降解高分子材料等生物復(fù)合材料的研究開(kāi)發(fā)取得了可喜進(jìn)展。
生物增強(qiáng)復(fù)合材料由兩個(gè)或多個(gè)分布區(qū)相組成，增強(qiáng)相之一即植物纖維或植物源纖維，主要是棉、麻、再生木材等。其他部分是基質(zhì)相，多為以植物油脂、淀粉基為原料的聚合物。
英國(guó)Wales大學(xué)生物復(fù)合材料中心認(rèn)為，傳統(tǒng)復(fù)合材料的性能形成規(guī)律與因素適用于新的生物復(fù)合材料，即可指導(dǎo)生物復(fù)合材料的合成過(guò)程，以獲取期望的性能，如纖維分布、多孔性、纖維取向及基體性能等。
法國(guó)JRS公司開(kāi)發(fā)出一系列以植物纖維和生物可降解聚合物為原料的復(fù)合材料，如以淀粉基聚合物/木纖維為原料的系列產(chǎn)品，即淀粉基聚合物/木纖維分別為 80/20、70/30 和 60/40。木纖維的添加可以使復(fù)合材料的楊氏模量提高 6.5 倍。另外，該公司使用植物源聚酯和木纖維制得了“Biofibre”復(fù)合材料系列產(chǎn)品，包括PL30E11和PL30E26品種；采用纖維素纖維和PLA成功得到了生物復(fù)合增強(qiáng)材料，其中纖維素纖維的添加大大改善了PLA的成型性能，并增強(qiáng)了纖維組分分布的均勻性，產(chǎn)品適用性好，還降低了加工 成本。
法國(guó)Alex材料研究中心使用淀粉基聚合物與植物纖維，如棉短絨、大麻、麥桿、纖維素等為原料制得了生物增強(qiáng)復(fù)合材料。添加這 4 種植物纖維后，復(fù)合材料制品的耐沖擊性能明顯提高，均超過(guò)聚苯乙烯板材（耐沖擊強(qiáng)度為 0.7 kJ/m2）。其中纖維素復(fù)合材料的E/d值超過(guò)了聚苯乙烯，結(jié)果如表 6 所示。
澳大利亞Queensland大學(xué)使用蓖麻籽為原料，制得了單一生物質(zhì)原料的生物復(fù)合材料。即首先將蓖麻籽轉(zhuǎn)換為蓖麻籽油，進(jìn)而制得11 氨基十一酸。后配置 30% ～ 40% 的氨基十一酸的水分散液，進(jìn)行 3 段縮聚形成聚酰胺11（PA11）。以PA11為原料，熔法紡絲成形制得PA11的初生纖維，纖維切斷長(zhǎng)度 3 ～ 7 mm，纖維直徑 30 ～ 35 μm；工業(yè)用纖維束切斷長(zhǎng)度 150 ～ 500 mm，纖維直徑 75 ～ 200 μm。纖維密度 1.232 g/cm3，熱降解溫度 230 ℃。
PA11纖維成型前需進(jìn)行水浸集束上漿處理，后與PA11聚合物復(fù)合，經(jīng)壓塑成型得到新型生物復(fù)合材料。復(fù)合材料增強(qiáng)相的纖維分布中，無(wú)規(guī)分布占 30%，取向部分占 30% ～ 35%。材料密度 1.16 ～ 1.22 g/cm3，具有良好的機(jī)械性能，燃燒狀態(tài)下無(wú)煙，無(wú)毒性氣體釋放，其技術(shù)特征如表 7 所示。
蓖麻作為原料生長(zhǎng)期短，單產(chǎn) 10 t/hm2，高于亞麻和大麻。與傳統(tǒng)的復(fù)合材料相比，CO2排放量可減少 40%。與環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料比，影響氣候變化的因素可降低 50%?；谄鋬?yōu)良的阻燃性能，還可用于航空、運(yùn)輸領(lǐng)域的內(nèi)裝飾材料。目前以蓖麻為原料的單一生物增強(qiáng)復(fù)合材料的繼續(xù)研究和改進(jìn)主要集中在以下 4 個(gè)方面，即：蓖麻生長(zhǎng)條件與PA11纖維性能的關(guān)系；不同品種蓖麻品質(zhì)的鑒定；改進(jìn)水浸和上漿條件；PA11纖維吸濕性與使用性能的關(guān)系研究。
5國(guó)內(nèi)可利用的天然植物資源及其增強(qiáng)復(fù)合材 料的開(kāi)發(fā)
麻纖維特別是黃麻或亞麻具有極佳的機(jī)械性能，從生產(chǎn)規(guī)模上看，目前其從種植到纖維加工已形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈。因此說(shuō)，開(kāi)發(fā)麻纖維增強(qiáng)復(fù)合材料相對(duì)來(lái)說(shuō)要容易許多。
亞麻、大麻、黃麻、洋麻屬韌皮纖維，而劍麻、赫納昆（Henequen）纖維、菠蘿纖維、香蕉莖纖維等系葉纖維。大麻已在 40 多個(gè)國(guó)家和地區(qū)種植，加拿大Hempline公司的大麻增強(qiáng)復(fù)合材料已于20世紀(jì)90年放市場(chǎng)。近 10 年間，洋麻在增強(qiáng)復(fù)合材料上的使用正穩(wěn)步發(fā)展，其剛性是亞麻、大麻、黃麻產(chǎn)品的兩倍。
我國(guó)具有悠久的麻類(lèi)纖維種植歷史，品種較為齊全，主要栽培品種包括苧麻（產(chǎn)區(qū)為湖南、湖北、四川、山東與河南）、亞麻/胡麻（黑龍江、吉林、四川/甘肅、內(nèi)蒙古和寧夏）、大麻（安徽、河南、山東和云南）、黃麻/洋麻（浙江、山東/河南、安徽、湖北、四川）、劍麻（廣東、海南、福建、云南）等。此外還有野生的羅布麻（新疆、山東、江蘇和內(nèi)蒙古）等。其中，苧麻、亞麻、黃麻、洋麻已形成較為完整的工業(yè)規(guī)模。
二、原位反應(yīng)自生法制備復(fù)合材料的原理和制備工藝過(guò)程
為了克服傳統(tǒng)方法制備的復(fù)合材料存在增強(qiáng)體顆粒尺寸粗大，熱力學(xué)不穩(wěn)定以及界面結(jié)合強(qiáng)度低等缺點(diǎn)，出現(xiàn)了原位合成技術(shù)，即在一定條件下通過(guò)化學(xué)反應(yīng)在基體內(nèi)原位生成一種或幾種增強(qiáng)相從而達(dá)到強(qiáng)化的目的。原位自生法是通過(guò)原料粉末中的某些化學(xué)反應(yīng)生成所需要的反應(yīng)產(chǎn)物并通過(guò)熱壓燒結(jié)工藝制備出復(fù)合材料試樣。原位反應(yīng)自生法可得到增強(qiáng)體顆粒尺寸細(xì)小，熱力學(xué)性能穩(wěn)定，界面結(jié)合強(qiáng)度高的復(fù)合材料，是一種很有前途的顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料制造工藝。目前報(bào)道的原位合成技術(shù)主要有原位反應(yīng)熱壓燒結(jié)技術(shù)，原位復(fù)合技術(shù)，定向氧化技術(shù)，熔體浸漬技術(shù)，反應(yīng)結(jié)合技術(shù)及自蔓延高溫合成技術(shù)等。定向氧化合成技術(shù)是利用放熱反應(yīng)在金屬或金屬間化合物基體中原位分散金屬間化合物或陶瓷顆?；蚓ы毜脑粡?fù)合技術(shù)。原位自生法是通過(guò)反應(yīng)物之間的反應(yīng)生成所需要的反應(yīng)產(chǎn)物并通過(guò)熱壓燒結(jié)工藝實(shí)現(xiàn)致密化。原位合成法是利用化學(xué)反應(yīng)在原位生成補(bǔ)強(qiáng)組元-晶須或長(zhǎng)徑比較大的晶粒來(lái)補(bǔ)強(qiáng)基體材料的制備工藝。原位合成法主要具有如下優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)化工藝，降低材料成本，實(shí)現(xiàn)特殊顯微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和獲得特殊材料性能，具有很好的熱力學(xué)穩(wěn)定性。金屬間化合物/陶瓷基復(fù)合材料的制備方法主要有原位復(fù)合技術(shù)和定向氧化技術(shù)以及原位反應(yīng)熱壓燒結(jié)工藝?？梢圆捎迷环磻?yīng)熱壓燒結(jié)工藝制備金屬間化合物/陶瓷基復(fù)合材料。原位復(fù)合技術(shù)是由于金屬間化合物反應(yīng)的形成熱相對(duì)較低，因而采用自蔓延燃燒時(shí)系統(tǒng)不易達(dá)到較高的絕熱溫度，故一般采用原位復(fù)合技術(shù)制備和合成復(fù)合材料。原位復(fù)合技術(shù)是利用放熱反應(yīng)在金屬或金屬間化合物基體中原位分散金屬間化合物或陶瓷顆?；蚓ы毜脑粡?fù)合技術(shù)。傳統(tǒng)的方法是將粉末壓坯在恒定速率下加熱到可使反應(yīng)自發(fā)的產(chǎn)生并在整個(gè)混合物中處處發(fā)生反應(yīng)。定向氧化技術(shù)是定向金屬氧化工藝可用于制備金屬基復(fù)合材料。原位反應(yīng)熱壓燒結(jié)工藝是將原位反應(yīng)和熱壓燒結(jié)工藝相結(jié)合制備致密的復(fù)合材料。
三、原位反應(yīng)自生法制備復(fù)合材料在材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的研究和應(yīng)用
原位反應(yīng)自生法主要用于制備金屬陶瓷，金屬間化合物，金屬間化合物/陶瓷復(fù)合材料等。在材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)的教學(xué)課程中，其中材料加工工程和材料制備與合成方法講述過(guò)原位反應(yīng)自生法。原位反應(yīng)自生法同粉末冶金技術(shù)和液相燒結(jié)技術(shù)一樣都是材料制備技術(shù)。原位反應(yīng)自生法同樣是熱加工工藝，原位反應(yīng)自生法涉及到反應(yīng)物高溫化學(xué)反應(yīng)制備產(chǎn)物的過(guò)程。在材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)課程的課堂教學(xué)中，在有些專(zhuān)業(yè)課程中原位反應(yīng)自生法只是作為了解，對(duì)于原位反應(yīng)自生法制備復(fù)合材料的具體內(nèi)容和制備工藝步驟的研究和應(yīng)用了解很少。所以就需要在材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)的實(shí)踐教學(xué)課程中增加一些關(guān)于原位反應(yīng)自生法制備復(fù)合材料的實(shí)驗(yàn)課程。通過(guò)原位反應(yīng)自生法制備復(fù)合材料的實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)可以使學(xué)生認(rèn)識(shí)和了解原位反應(yīng)自生法制備復(fù)合材料的原理，制備工藝過(guò)程以及對(duì)經(jīng)過(guò)原位反應(yīng)自生工藝后得到的金屬基復(fù)合材料燒結(jié)制品的物相組成，顯微結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行研究，使學(xué)生通過(guò)對(duì)復(fù)合材料的制備與研究過(guò)程可以加深學(xué)生對(duì)材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)課程學(xué)習(xí)的認(rèn)識(shí)和了解。對(duì)于本科學(xué)生的教學(xué)實(shí)踐課程，可以在本科學(xué)生的本科專(zhuān)業(yè)課程設(shè)計(jì)和本科畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中安排采用原位反應(yīng)自生工藝制備金屬基復(fù)合材料和金屬陶瓷復(fù)合材料的教學(xué)內(nèi)容。例如采用原位反應(yīng)自生工藝可以制備金屬陶瓷復(fù)合材料，先將金屬陶瓷粉末通過(guò)壓力成型工藝制成坯體，并通過(guò)原位反應(yīng)自生工藝和高溫?zé)Y(jié)工藝制備金屬陶瓷復(fù)合材料。高溫?zé)Y(jié)工藝可采用常壓燒結(jié)工藝，熱壓燒結(jié)工藝和放電等離子燒結(jié)工藝以及熱等靜壓燒結(jié)工藝。采用原位反應(yīng)合成工藝可以制備金屬間化合物/陶瓷基復(fù)合材料，通常先將金屬間化合物粉末和陶瓷粉末通過(guò)壓力成型過(guò)程在一定壓力下壓制成具有一定形狀和致密度的預(yù)制件，通過(guò)原位反應(yīng)自生法和高溫?zé)Y(jié)工藝形成金屬間化合物/陶瓷基復(fù)合材料。高溫?zé)Y(jié)工藝可采用常壓燒結(jié)工藝，熱壓燒結(jié)工藝和放電等離子燒結(jié)工藝以及熱等靜壓燒結(jié)工藝。有時(shí)將原位反應(yīng)自生法和熱壓燒結(jié)工藝相結(jié)合制備致密的復(fù)合材料燒結(jié)塊材。通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程使學(xué)生認(rèn)識(shí)和了解到原位反應(yīng)自生法制備金屬陶瓷復(fù)合材料的制備工藝過(guò)程，提高學(xué)生對(duì)專(zhuān)業(yè)課程學(xué)習(xí)的認(rèn)識(shí)和了解。使學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)認(rèn)識(shí)和了解了原位反應(yīng)自生工藝制備復(fù)合材料的制備工藝原理，使用方法和制備過(guò)程，以及對(duì)得到產(chǎn)物的物相組成和顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和測(cè)試。原位自生法可以制備金屬基復(fù)合材料，金屬陶瓷復(fù)合材料等。采用原位反應(yīng)自生法可以制備顆粒增強(qiáng)的金屬基或陶瓷基復(fù)合材料。
原位反應(yīng)自生工藝制備復(fù)合材料涉及到反應(yīng)物在高溫下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成反應(yīng)產(chǎn)物的過(guò)程，原位反應(yīng)合成技術(shù)操作過(guò)程比較簡(jiǎn)單，對(duì)設(shè)備要求較低，只需要高溫?zé)Y(jié)爐，可以進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)操作，因此可以作為本科學(xué)生的實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)內(nèi)容，可作為材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)課程的輔助教學(xué)實(shí)驗(yàn)，也可以作為本科專(zhuān)業(yè)課程設(shè)計(jì)和本科畢業(yè)設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容。使學(xué)生通過(guò)實(shí)踐教學(xué)來(lái)加深對(duì)材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)課程的認(rèn)識(shí)和掌握。使學(xué)生認(rèn)識(shí)到金屬基復(fù)合材料的制備過(guò)程以及金屬陶瓷復(fù)合材料的制備過(guò)程等，并使得學(xué)生對(duì)原位反應(yīng)自生法得到的燒結(jié)制品進(jìn)行分析和測(cè)試，使學(xué)生對(duì)材料的分析和檢測(cè)水平有較大的提高。對(duì)于拓展學(xué)生的知識(shí)面有很大的幫助。為本科學(xué)生以后的本科專(zhuān)業(yè)課程設(shè)計(jì)和本科畢業(yè)設(shè)計(jì)打下堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
四、原位反應(yīng)自生法制備復(fù)合材料的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)和應(yīng)用
0引言
對(duì)于我國(guó)制造業(yè)而言，材料成型與控制工程是其實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期健康發(fā)展的根本保障，不僅如此，材料成型與控制工程也是我國(guó)機(jī)械制造業(yè)的關(guān)鍵環(huán)境，因此，相關(guān)企業(yè)必須對(duì)其給予高度重視。無(wú)論是電力機(jī)械制造，還是船只等交通工具制造，均離不開(kāi)材料成型與控制工程，材料成型與控制技術(shù)的水平與質(zhì)量將會(huì)直接決定機(jī)械制造水平與質(zhì)量。因此，對(duì)材料成型與控制工程中的金屬材料加工技術(shù)進(jìn)行細(xì)化分析，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。
1金屬材料選材原則
在金屬?gòu)?fù)合材料成型加工過(guò)程中，將適量的增強(qiáng)物添加于金屬?gòu)?fù)合材料中，可以在很大程度上高材料的強(qiáng)度，優(yōu)化材料的耐磨性，但與此同時(shí)，也會(huì)在一定程度上擴(kuò)大材料二次加工的難度系數(shù)，正因此，不同種類(lèi)的金屬?gòu)?fù)合材料，擁有不同的加工工藝以及加工方法。例如，連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料構(gòu)件等金屬?gòu)?fù)合材料便可以通過(guò)復(fù)合成型；而部分金屬?gòu)?fù)合材料卻需要經(jīng)過(guò)多重技術(shù)手段，才能成型，這些成型技術(shù)的實(shí)踐，需要相關(guān)工作人員長(zhǎng)期不斷加以科研以及探究，才能正式投入使用，促使金屬?gòu)?fù)合材料成型加工技術(shù)水平與質(zhì)量實(shí)現(xiàn)不斷發(fā)展與完善。由于成型加工過(guò)程中，如果技術(shù)手段存在細(xì)小紕漏，或是個(gè)別細(xì)節(jié)存在問(wèn)題，均會(huì)給金屬基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)造成一定的影響，導(dǎo)致其與實(shí)際需求出現(xiàn)差異，最終為實(shí)際工程預(yù)埋巨大的風(fēng)險(xiǎn)隱患，誘發(fā)難以估量的后果。所以，相關(guān)工作人員在對(duì)金屬?gòu)?fù)合材料進(jìn)行選材過(guò)程中，必須準(zhǔn)確把握金屬材料的本質(zhì)以及復(fù)合材料可塑性，只有這樣，才能保證其可以順利成型，并保證使用安全。
2金屬材料加工方法
2.1機(jī)械加工成型
當(dāng)前，金屬材料成型與控制工程中，應(yīng)用最為廣泛的金屬切割刀具便是金剛石刀具，以金剛石刀具對(duì)鋁基復(fù)合材料進(jìn)行精加工，與其他金屬基復(fù)合材料，例如，鉆、銑以及車(chē)等，均是現(xiàn)代社會(huì)中廣而易見(jiàn)的。鋁基復(fù)合材料的金剛石刀具加工形式可以細(xì)化為三種：其一，車(chē)削形式；其二，銑削形式；其三，鉆削形式。其中，鉆削即通過(guò)鑲片麻花鉆頭對(duì)鋁基復(fù)合材料進(jìn)行加工，常見(jiàn)的有B4C以及SiC顆粒鉆削，然后添加適量的外切削液，可以有效強(qiáng)化鋁基復(fù)合材料。銑削即通過(guò)1.5%-2.0%（W+C）粘結(jié)劑，8.0%-8.5%PCD的端面銑刀對(duì)鋁基復(fù)合材料進(jìn)行加工，常見(jiàn)的有SiC顆粒銑削增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，然后添加適量的切削液進(jìn)行冷卻。車(chē)削以硬合金刀具為主要的切割工具，例如，A1/SiC車(chē)削符合材料，并添加適量的乳化液對(duì)其進(jìn)行冷卻處理。
2.2擠壓與鍛模塑性成型
金屬材料實(shí)際成型加工過(guò)程中，相關(guān)工作人員可以通過(guò)模具表面涂層以及添加劑等技術(shù)手段，對(duì)實(shí)踐操作過(guò)程中的壓力進(jìn)行有效改善，降低加工操作過(guò)程中的摩擦阻力，據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，這樣可以促使加工過(guò)程中的擠壓力縮減25%-35%左右，甚至更多。降低加工擠壓力，可以有效弱化增強(qiáng)顆粒給模具造成的損傷程度，削弱金屬材料塑性，有利于降低金屬材料的變形阻力，提高其成型的成功率。除此之外，相關(guān)工作人員還可以增加擠壓溫度，以此促使金屬基材料更具可塑性。在金屬基材料中添加適量的增強(qiáng)顆粒，可以促使金屬基材料的可塑性得到弱化，進(jìn)而變形抗力得以大幅度提升，此時(shí)提高擠壓溫度，可以加快增強(qiáng)顆粒與金屬基材料的溶合速率，優(yōu)化二者的溶合效果。普遍來(lái)說(shuō)，增強(qiáng)顆粒含量會(huì)直接影響擠壓速度，由此可見(jiàn)，只有金屬基復(fù)合材料中的增強(qiáng)物含量較低，才能提高擠壓速度，如果金屬基復(fù)合材料中的增強(qiáng)物含量較高，相關(guān)人員必須嚴(yán)格控制擠壓速度。不過(guò)，擠壓速度超高的話，也會(huì)導(dǎo)致金屬材料成型后，便面出現(xiàn)橫向裂紋。綜上，相關(guān)人員在應(yīng)用擠壓與鍛模塑性成型加工技術(shù)時(shí)，不僅要在金屬?gòu)?fù)合材料表面進(jìn)行涂層或是劑處理，還要對(duì)擠壓溫度進(jìn)行嚴(yán)格控制，并結(jié)合實(shí)際，對(duì)擠壓速度進(jìn)行有效調(diào)控，只有這樣，才能保證成品質(zhì)量符合要求。
2.3鑄造成型
復(fù)合材料生產(chǎn)過(guò)程中，應(yīng)用最廣泛的加工技術(shù)便是鑄造成型技術(shù)，實(shí)際鑄造過(guò)程中，金屬基復(fù)合材料中添加增強(qiáng)顆粒后，熔體的粘度以及流動(dòng)性均會(huì)顯著提升，加之增強(qiáng)顆粒與熔體在高溫下的化學(xué)反應(yīng)作用，便會(huì)改變基礎(chǔ)材料本質(zhì)，此時(shí)相關(guān)工作人員必須在熔化金屬基復(fù)合材料的過(guò)程中，對(duì)其熔化溫度以及保溫時(shí)間進(jìn)行嚴(yán)格管控。高溫時(shí)，添加的增強(qiáng)顆粒，尤其是碳化硅顆粒，極易產(chǎn)生界面反應(yīng)，例如，3SiCA1-A14C3+3Si等。進(jìn)而導(dǎo)致熔體粘度過(guò)大，難以澆筑，影響材料本質(zhì)。此時(shí)相關(guān)工作熱暖可以采取精煉方法，然后添加適量變質(zhì)劑造渣。但這種操作方法并不適用于顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。
2.4粉末冶金成型
粉末冶金成型技術(shù)是最早期的制造晶須以及顆粒符合材料零部件、金數(shù)基復(fù)合材料的手段，具有非常豐厚的實(shí)踐檢驗(yàn)，不僅如此，該技術(shù)手段還適用于尺寸較小、形狀簡(jiǎn)單但是具有較高精密性要求的零部件。粉末冶金成型技術(shù)具有組織細(xì)密、增強(qiáng)相分布均勻、增強(qiáng)相可調(diào)節(jié)以及界面反應(yīng)較少等特點(diǎn)，DWA公司現(xiàn)階段，應(yīng)經(jīng)將粉末冶金成型技術(shù)延展到多種產(chǎn)品的制造工程中，例如，SiCp增強(qiáng)鋁合金基體、管材、自行車(chē)零件、自行車(chē)支撐設(shè)備架以及自行車(chē)架等。由于粉末冶金成型技術(shù)加工的產(chǎn)品具有非常顯著的耐磨性、比模量以及比強(qiáng)度，因此，也受到了航天器材、飛機(jī)以及汽車(chē)的廣泛推崇。
3結(jié)語(yǔ)
金屬材料在材料成型與控制工程中，屬于加工難點(diǎn)，而且極具重要性，發(fā)展前景非常廣闊，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，其將受到更多行業(yè)領(lǐng)域的青睞以及注重，我國(guó)必須給予高度重視，通過(guò)不斷科研，促使自身的技術(shù)水平實(shí)現(xiàn)突破與創(chuàng)新，這對(duì)提高我國(guó)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力至關(guān)重要。
參考文獻(xiàn)：
關(guān)鍵詞：
復(fù)合材料；有色金屬材料；性能分析；
就有色金屬材料的發(fā)展情況來(lái)看，目前在航空航天、機(jī)械制造以及交通運(yùn)輸領(lǐng)域，得到了較為廣泛的應(yīng)用。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，有色金屬材料在相關(guān)產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用變得越發(fā)廣泛，加強(qiáng)有色金屬材料性能，對(duì)于提升相關(guān)產(chǎn)業(yè)進(jìn)步來(lái)說(shuō)，具有著一定的積極意義?？茖W(xué)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，為提高有色金屬材料性能打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，進(jìn)一步提升有色金屬材料的性能，可以更好地促進(jìn)機(jī)械制造業(yè)、航空航天事業(yè)的發(fā)展，滿足當(dāng)下人們對(duì)有色金屬材料的實(shí)際需要。因此，提升有色金屬材料性能，利用復(fù)合材料增強(qiáng)其性能的研究，成為當(dāng)下有色金屬材料發(fā)展的一個(gè)熱門(mén)議題。本文對(duì)有色金屬材料性能的研究，主要分析了有色金屬材料在添加非金屬增強(qiáng)材料后，形成的復(fù)合材料效果檢測(cè)，闡述了復(fù)合型的有色金屬材料在相關(guān)產(chǎn)業(yè)中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)，以期更好地促進(jìn)有色金屬材料性能的提升。
1有色金屬材料SiC的復(fù)合材料增強(qiáng)效果研究
本文對(duì)SiC這一有色金屬材料的增強(qiáng)性研究，主要探討了非金屬材料ZA22鋅基合金的添加。ZA22鋅基合金添加到SiC中，可以增強(qiáng)其性能，具有較好的強(qiáng)化效果。
1.1SiC添加ZA22鋅基合金的加入量和加入方式分析SiC顆粒是國(guó)產(chǎn)a型砂輪磨料，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中得到了廣泛的應(yīng)用。這種有色金屬材料的應(yīng)用，主要是通過(guò)添加ZA22鋅基合金，增強(qiáng)了其性能，讓SiC顆粒能夠更好地應(yīng)用于砂輪磨料當(dāng)中。在進(jìn)行SiC增強(qiáng)過(guò)程中，ZA22鋅基合金的加入量應(yīng)為復(fù)合材料鑄錠的5%、10%、20%，在添加過(guò)程中，要使ZA22鋅基合金形成的合金漿料，均勻地分布在合金之中，并且在加入后，對(duì)漿料進(jìn)行升溫澆注，保證加強(qiáng)后的SiC能夠具有較好的性能。SiC通過(guò)添加ZA22鋅基合金后，將形成SiCp/ZA22復(fù)合材料，這種材料對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)更具優(yōu)越的性能，能夠更好地滿足砂輪磨料實(shí)際需要[1]。
1.2SiC增強(qiáng)效果分析SiC在添加ZA22鋅基合金后，具有了更加強(qiáng)大的性能，其增強(qiáng)體的性能在基體中均勻分布，使SiC顆粒能夠更好地分布在復(fù)合材料當(dāng)中，并且其強(qiáng)度要比復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度提升許多。就相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，這種添加了ZA22鋅基合金的SiC復(fù)合材料，抗拉強(qiáng)度要比原來(lái)提升了百分之四十七。同時(shí)，SiCp/ZA22復(fù)合材料的抗壓值為518，ZA22鋅基合金的抗壓值為352；SiCp/ZA22復(fù)合材料的GPa為105E，而ZA22鋅基合金的GPa則為66E。除了SiCp/ZA22復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度提升之后，其耐磨損性能也得到了顯著地提升。ZA22鋅基合金添加SiC后，具有了更為強(qiáng)大的耐磨鎖性能，能夠更好地應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中。關(guān)于SiC的耐磨損性能測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，磨環(huán)的淬火數(shù)值為GCrl5，磨損測(cè)試時(shí)間為40分鐘，正向壓力數(shù)值為392N，通過(guò)磨損試驗(yàn)后，復(fù)合材料會(huì)隨著SiC的體積分?jǐn)?shù)增加而有所變化，對(duì)比ZA22鋅基合金的磨損數(shù)據(jù)，磨損的損失量?jī)H為ZA22鋅基合金的一半左右。由此可見(jiàn)，在有色金屬材料中添加非有色金屬材料，可以更好地提升材料性能，形成一種增強(qiáng)型的復(fù)合型材料后，更加有利于實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用。
2關(guān)于納米三氧化二鋁（Al2O3）增強(qiáng)銅基材料的應(yīng)用分析
納米三氧化二鋁的增強(qiáng)型銅基材料，在機(jī)械化生產(chǎn)中得到了較為廣泛的應(yīng)用，通過(guò)提升納米三氧化二鋁的性能，使其具有更好的硬度和抗彎強(qiáng)度，能夠很好地保證有色金屬材料性能在實(shí)際使用中發(fā)揮應(yīng)有的作用，從而更好地促進(jìn)我國(guó)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步[2]。
2.1關(guān)于納米Al2O3加入量以及相應(yīng)加入方式的分析納米三氧化二鋁在選擇試驗(yàn)材料時(shí)，主要涉及到銅粉、納米、石墨等材料。其中銅粉占有試驗(yàn)量的百分之七十，納米三氧化二鋁則為1%~5%，剩余的則為石墨的含量。在進(jìn)行實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中，主要進(jìn)行了摩擦實(shí)驗(yàn)，摩擦實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行條件如下：設(shè)置摩擦的滑動(dòng)速度為5*10-3m/s，載荷數(shù)值為5000N，在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，要注意磨損穩(wěn)定值，當(dāng)磨損穩(wěn)定值的摩擦系數(shù)和磨損率保持一致時(shí)，對(duì)納米三氧化二鋁增強(qiáng)銅基材料進(jìn)行抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)，其試驗(yàn)則在5000N的拉力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。納米三氧化二鋁增強(qiáng)銅基材料的實(shí)驗(yàn)，主要是為了測(cè)試其在拉力試驗(yàn)機(jī)上的磨損程度，比較復(fù)合材料與單一材料的磨損能力以及相應(yīng)的硬度、抗彎強(qiáng)度數(shù)值[3]。關(guān)于納米三氧化二鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)的磨損值我們可以從圖中看出：通過(guò)對(duì)比磨損值與納米三氧化二鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)關(guān)系，我們不難看出，載荷為5000N下，納米三氧化二鋁增強(qiáng)銅基材料的磨損量更少，其性能更加優(yōu)越。
2.2納米Al2O3的增強(qiáng)性能分析關(guān)于納米三氧化二鋁增強(qiáng)性能的分析，我們可以從上述的實(shí)驗(yàn)中看出，納米三氧化二鋁增強(qiáng)銅基材料要比傳統(tǒng)的納米三氧化二鋁具備更好的硬度和抗彎強(qiáng)度。試驗(yàn)過(guò)程中，納米三氧化二鋁的體積分?jǐn)?shù)小于4%時(shí)，納米三氧化二鋁增強(qiáng)銅基材料的強(qiáng)度會(huì)隨著納米三氧化二鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增強(qiáng)而提升；當(dāng)納米三氧化二鋁的體積分?jǐn)?shù)小于4%時(shí)，銅基復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度也會(huì)有所增強(qiáng)。
3鋁合金復(fù)合材料的增強(qiáng)性能研究
鋁合金這種復(fù)合材料我們并不陌生，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，鋁合金的應(yīng)用范圍更加廣泛。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)鋁合金這種材料的要求也隨之升高，提升鋁合金復(fù)合材料的整體性能，對(duì)于促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展來(lái)說(shuō)，具有著重要的意義。鋁合金材料在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，在不同溫度條件下，其抗拉強(qiáng)度有著明顯的變化，為了更好地應(yīng)用鋁合金，了解其材料特性的時(shí)候，就要加強(qiáng)鋁合金材料的抗拉強(qiáng)度，使之具備更強(qiáng)大的性能，這樣一來(lái)，才能更好地滿足實(shí)際生產(chǎn)需要。就相關(guān)數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)顯示，三種鋁合金復(fù)合材料在100度的抗拉強(qiáng)度如下：鋁合金（ZL109）抗拉強(qiáng)度為294MPa，K2O.6TiO2/ZL109抗拉強(qiáng)度為296MPa，Al2O3/ZL109抗拉強(qiáng)度為311MPa。由此可見(jiàn)，我們不難看出，鋁合金復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度明顯要強(qiáng)于鋁合金材料[4]。
4鎂基復(fù)合材料和鋁硅合金的增強(qiáng)性能分析
鎂基復(fù)合材料和鋁硅合金的增強(qiáng)，使其在實(shí)際應(yīng)用中具備更好的性能，能夠在實(shí)際生產(chǎn)中，滿足實(shí)際需要，更好地促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步。
4.1鎂基復(fù)合材料增強(qiáng)性能分析鎂基復(fù)合材料的應(yīng)用，主要是鎂合金基體和非有色金屬材料的結(jié)合，這種復(fù)合型材料更好地提升了鎂合金的強(qiáng)度。一般來(lái)說(shuō)，鎂基復(fù)合材料在應(yīng)用過(guò)程中，主要添加了碳纖維、氧化鋁、碳化硼顆粒等。鎂基復(fù)合材料在制造行業(yè)得到了較為廣泛的應(yīng)用。有關(guān)鎂基復(fù)合材料的性能，在添加體積分?jǐn)?shù)為30%的碳纖維后，可以增強(qiáng)鎂合金的剪切強(qiáng)度，鎂基復(fù)合材料的強(qiáng)度為40MPa，而鎂合金材料的強(qiáng)度則為20MPa，對(duì)比兩個(gè)數(shù)據(jù)，我們不難看出，鎂基復(fù)合材料的性能要超出鎂合金性能太多。
4.2鋁硅合金增強(qiáng)性能分析鋁硅合金增強(qiáng)性能，主要是利用石墨復(fù)合材料阻尼性能，增強(qiáng)鋁硅合金的自滑性，降低鋁硅合金的摩擦性，使鋁硅合金能夠在內(nèi)燃機(jī)活塞以及軸承中得到廣泛的應(yīng)用。針對(duì)于鋁硅合金增強(qiáng)性能的研究分析，主要選擇7.5%的鋁硅合金作為試驗(yàn)材料，并添加石墨，其粒度為60~200um。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，將石墨均勻加入鋁硅中，并且將其鑄造成型，對(duì)其阻尼性能以及相關(guān)化學(xué)性能進(jìn)行有效的檢測(cè)。關(guān)于鋁硅合金增強(qiáng)性能的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如下所示：7.5%鋁硅合金的內(nèi)耗為0.83*10-2，GA-1的內(nèi)耗為2.26*10-2，GA-2的內(nèi)耗為3.17*10-2。由此可見(jiàn)，當(dāng)鋁硅合金內(nèi)的石墨含量增加后，鋁硅-石墨復(fù)合材料的內(nèi)耗增大，可以更好地實(shí)現(xiàn)減震目標(biāo)。
