歐陽健為

摘 要：高分子復(fù)合材料自從上世紀(jì)中葉問世以來，以其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、彈性模量大、可塑性強(qiáng)、耐疲勞性和耐腐蝕性好等特點(diǎn)，在各領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)外殼設(shè)計(jì)中被廣泛采用。本文通過探討基于復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)外殼在各領(lǐng)域中的具體應(yīng)用場景，進(jìn)而分析其應(yīng)具有功能特性并總結(jié)當(dāng)前所遇到的各種問題，為以后的復(fù)合材料設(shè)計(jì)研究和應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料;結(jié)構(gòu)外殼;航空航天;外形設(shè)計(jì)

隨著科技的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的金屬和非金屬材料已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足當(dāng)前外殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需要，因而各種新型復(fù)合材料不斷出現(xiàn)，并被廣泛應(yīng)用在航空航天、汽車、船舶等領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)外殼設(shè)計(jì)中。由于復(fù)合材料具有廣闊的市場需求和應(yīng)用前景，并且其各種功能均有較大的提升空間，所以對(duì)復(fù)合材料的應(yīng)用進(jìn)行研究具有很大的價(jià)值和意義。

一、復(fù)合材料的概述

復(fù)合材料是通過利用先進(jìn)的材料制備技術(shù)，將兩種或者多種具有不同化學(xué)、物理性質(zhì)的材料按照一定的比例或分布進(jìn)行材料融合而產(chǎn)生的。同時(shí)由于復(fù)合材料能夠?qū)⒏鹘M分材料的性能進(jìn)行互補(bǔ)或者關(guān)聯(lián)，因此復(fù)合材料可以結(jié)合多種材料的優(yōu)點(diǎn)，滿足單個(gè)材料所不能達(dá)到的性能要求，進(jìn)而達(dá)到人們的設(shè)計(jì)預(yù)期。并且復(fù)合材料能夠根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從而滿足功能的實(shí)用化。

二、復(fù)合材料的特性

復(fù)合材料作為一種混合物，通過人為地將各種金屬或非金屬材料按一定的融合方式結(jié)合在一起，擁有比傳統(tǒng)材料更加優(yōu)越的物理或化學(xué)特性。同時(shí)由于復(fù)合材料的各種特性可以根據(jù)組成成分的不同而有所區(qū)別，因而復(fù)合材料的各種特性可以進(jìn)行定向改進(jìn)。

（一）結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與彈性模量

復(fù)合材料相比較于傳統(tǒng)的金屬及其合金，能夠在相同質(zhì)量的情況下提供更好的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及彈性模量，并且在抗疲勞性方面也有較大的優(yōu)勢。因此復(fù)合材料的比強(qiáng)度和比模量較好，對(duì)需要支撐或需減輕自重的結(jié)構(gòu)件具有重要意義。

（二）復(fù)合材料的介電特性

介電性是指物質(zhì)保持電荷[1]的能力，不同于傳統(tǒng)的金屬材料在低頻波通過時(shí)導(dǎo)電、高頻波通過時(shí)絕緣的介電特性。復(fù)合材料能夠在有低頻波通過時(shí)，保持絕緣性;在高頻波通過時(shí)，能夠?qū)⒏哳l波產(chǎn)生的震蕩電場抵消，進(jìn)而使高頻波（微波）能夠穿透材料。

（三）耐熱及防火性能

在復(fù)合材料中，合成纖維的熔點(diǎn)（或軟化點(diǎn)）通常高于2000℃，由這些纖維結(jié)合金屬基質(zhì)組成的復(fù)合材料在高溫下具有較好的比強(qiáng)度和比模量。例如：用碳纖維與鈦基纖維結(jié)合后，400℃時(shí)的比強(qiáng)度和比模量可以與室溫時(shí)的參數(shù)相同;同時(shí)，由于某些復(fù)合材料（如FRP[2]）的導(dǎo)熱系數(shù)極低，可以在瞬間抵抗超高溫，因此可以用作抗燒蝕材料。

（四）復(fù)合材料的耐腐蝕性

復(fù)合材料尤其是部分纖維復(fù)合材料，具有很強(qiáng)的耐腐蝕性。例如，纖維增強(qiáng)酚醛塑料可長時(shí)間用于含氯離子的酸性介質(zhì)中，可用于制造耐強(qiáng)酸、鹽、酯和某些溶劑的盛裝設(shè)備;同時(shí)，耐堿纖維與塑料復(fù)合，也可用于強(qiáng)堿性介質(zhì)中。

（五）結(jié)構(gòu)的可設(shè)計(jì)性

由于復(fù)合材料是通過人工合成的，因此可以在制備過程中調(diào)節(jié)復(fù)合材料的組成成分以及各成分的含量和分布，進(jìn)而可以滿足諸如部件的強(qiáng)度和剛性的性能要求。并且復(fù)合材料可以與部件一次成型，減少了部件、緊固件和接頭的數(shù)量，同時(shí)大大提高了材料的利用率。

三、復(fù)合材料在結(jié)構(gòu)外殼中的應(yīng)用

與傳統(tǒng)材料相比，復(fù)合材料的各個(gè)組分在性能上起著協(xié)同作用，因此具有單一材料無法比擬的優(yōu)異綜合性能。同時(shí)由于復(fù)合材料的可設(shè)計(jì)性較好，在制作某些復(fù)雜部件時(shí)能夠避免在塑造成型后對(duì)自己結(jié)構(gòu)的破壞，提高了自身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

（一）在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用

復(fù)合材料被大量應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域當(dāng)中，如在“天宮二號(hào)”空間站的外殼、波音747飛機(jī)的機(jī)翼和黑鷹直升機(jī)的螺旋槳等部分，都使用了大量的碳基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料和金屬基復(fù)合材料等先進(jìn)復(fù)合材料來提升其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，并減輕自身的質(zhì)量。

（二）在汽車制造業(yè)中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的汽車車身材料大多使用金屬及其合金，尤其以薄鋼板為主，不能滿足人們對(duì)高速、輕量化的追求。因而部分汽車廠家開始采用纖維增強(qiáng)塑料（ 如FRP[3]） 來對(duì)汽車的車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造，從而達(dá)到減輕車身質(zhì)量、提高汽車速度并降低油耗的目的。

（三）在船舶及潛艇中的應(yīng)用

由于復(fù)合材料具有較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，并具有較為穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，不會(huì)被海水所腐蝕，因而被應(yīng)用在各型船舶的外殼設(shè)計(jì)中;同時(shí)因?yàn)槟承?fù)合材料如高密度碳纖維板等，具有比金屬及其合金更好的硬度和強(qiáng)度，因而在潛艇的外殼設(shè)計(jì)中也到了大量的應(yīng)用。

（四）在微波天線領(lǐng)域中的應(yīng)用

除了在制造業(yè)中的應(yīng)用，復(fù)合材料相比于傳統(tǒng)材料，其介電性和微波穿透性要遠(yuǎn)優(yōu)于金屬及其合金材料;同時(shí)在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性方面，復(fù)合材料比傳統(tǒng)的非金屬材料更有優(yōu)勢。

四、結(jié)語

先進(jìn)的復(fù)合材料與各種傳統(tǒng)材料相比具有更加優(yōu)異的綜合性能，并已被廣泛地應(yīng)用到社會(huì)的多個(gè)領(lǐng)域，推動(dòng)了相關(guān)工業(yè)技術(shù)的向前發(fā)展。但我國目前關(guān)于復(fù)合材料構(gòu)件的整體成型、復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等技術(shù)相對(duì)落后。因此我國需要加大對(duì)復(fù)合材料及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)研發(fā)投入，并不斷提高復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)效率及其可靠性，為復(fù)合材料的普及應(yīng)用和深入研究提供有效的保障，促進(jìn)國內(nèi)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步。

參考文獻(xiàn)

[1] 馬立敏，張嘉振，岳廣全，劉建光，薛佳.復(fù)合材料在新一代大型民用飛機(jī)中的應(yīng)用[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2015，32（02）：317-322.

[2] 趙欣，朱健健，李夢，劉亞飛.復(fù)合材料應(yīng)用研究與產(chǎn)業(yè)發(fā)展建議[J].材料導(dǎo)報(bào)，2016，30（S1）：525-530+538.