試論復(fù)合材料在機(jī)械制造上的應(yīng)用

劉銳鋒

摘要：早在上個(gè)世紀(jì)中期，復(fù)合材料就憑借著自身所具有的諸多高質(zhì)量性能而應(yīng)用于機(jī)械制造行業(yè)當(dāng)中。復(fù)合材料不但擁有比模量高、比強(qiáng)度高、減震性能良好、抗疲勞性能好等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)它還能夠依據(jù)使用條件的變化而進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造，以滿足各種特殊的用途，進(jìn)而大幅度提升機(jī)械結(jié)構(gòu)的性能。長(zhǎng)期以來，復(fù)合材料在機(jī)械制造行業(yè)中作為替代金屬材料的良好選擇，深受許多業(yè)界人士和廠家的青睞，并且其用途也逐漸廣泛起來。伴隨當(dāng)前機(jī)械設(shè)備需求量的與日俱增，很多類型的復(fù)合材料都應(yīng)用到了機(jī)械制造過程中，在很多零部件上逐漸取代了傳統(tǒng)金屬材料。在很多發(fā)達(dá)國(guó)家的機(jī)械制造業(yè)中，復(fù)合材料始終被視為是一種最為理想的材料。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料；機(jī)械制造；應(yīng)用；行業(yè)

對(duì)于復(fù)合材料而言，它主要是由兩種或者兩種以上性質(zhì)不盡相同的材料經(jīng)過各種施工工藝組合而成的新型材料，復(fù)合材料的每一組成材料在性能方面都發(fā)揮了很強(qiáng)的協(xié)同作用。復(fù)合材料具有強(qiáng)度好、剛度大、質(zhì)量小等優(yōu)勢(shì)，能夠根據(jù)不用的使用條件進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造，以滿足各種不同的用途，從而大幅度提升工程結(jié)構(gòu)材料及其功能材料的整體性能。通常情況下，復(fù)合材料擁有良好的比模量和比強(qiáng)度，并且化學(xué)穩(wěn)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(dǎo)熱性和導(dǎo)電性能良好。所以，當(dāng)前復(fù)合材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)械制造、電子、紡織、醫(yī)學(xué)、汽車工業(yè)等諸多領(lǐng)域當(dāng)中，產(chǎn)業(yè)化形勢(shì)初具形成。筆者通過本文，針對(duì)復(fù)合材料在機(jī)械制造上的應(yīng)用進(jìn)行闡述。

1.關(guān)于復(fù)合材料的基本概述

由于復(fù)合材料各組成材料在性能方面實(shí)現(xiàn)了協(xié)調(diào)，能夠?qū)崿F(xiàn)單組材料所不具有的優(yōu)勢(shì)，例如，復(fù)合材料具有強(qiáng)度高、剛度大、質(zhì)量小等優(yōu)點(diǎn)。

可將復(fù)合材料分為功能型材料與結(jié)構(gòu)型材料，前者具有良好的耐磨、耐高溫性，適用于機(jī)械零部件制造，在保證工件質(zhì)量的同時(shí)，也可適當(dāng)?shù)脑黾悠涫褂脡勖?；而后者則可以很好應(yīng)用于機(jī)械設(shè)備制造中，它具有質(zhì)量小、強(qiáng)度大等優(yōu)勢(shì)，有效降低了機(jī)械設(shè)備的重量。

2.在機(jī)械制造上應(yīng)用復(fù)合材料

在制造機(jī)械的過程中，應(yīng)該按照零部件工作環(huán)境的不同來確定原材料的選擇、工作環(huán)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(xiàn)失效的情況，另一方面還要盡量的增加其實(shí)際使用壽命。下面將對(duì)部分復(fù)合材料的主要性能、特點(diǎn)及用途進(jìn)行集中闡述。

2.1不銹鋼復(fù)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(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕性能，是在鋼材里面是最好的。不銹鋼復(fù)合板采用先進(jìn)的真空軋制工藝，可以確保讓不同材質(zhì)材料之間形成原子結(jié)合，結(jié)合率可達(dá)100%。不銹鋼復(fù)合板具有良好的導(dǎo)熱能力，又具有防腐蝕功能，可大量用于焦化設(shè)備。如使用于蒸氨塔，可以提高蒸氨塔的使用壽命，降低運(yùn)行成本；另外一方面因其防腐性能，又能應(yīng)用于蒸氨設(shè)備。

2.2玻璃纖維復(fù)合材料

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

玻璃纖維復(fù)合材料通常運(yùn)用到耐腐蝕、耐磨、絕緣、無磁、減磨和普通機(jī)械零部件、泵閥、管道和容器當(dāng)中。

2.3碳纖維石墨纖維復(fù)合材料

這種復(fù)合材料主要是由碳-陶瓷復(fù)合、碳-樹脂復(fù)合等，它具有良好的比模量、比強(qiáng)度、比剛度，而且線膨脹系數(shù)小、耐摩擦、自潤(rùn)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(fù)合材料在航空、宇航、原子能等工業(yè)中主要使用在壓氣機(jī)葉片、發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、軸瓦、齒輪、機(jī)翼上。

2.4硼纖維復(fù)合材料

這種復(fù)合材料主要是硼和環(huán)氧樹脂或者鋁復(fù)合而成，具有良好的比剛度和比強(qiáng)度。

硼纖維復(fù)合材料主要應(yīng)用于火箭、飛機(jī)等構(gòu)件當(dāng)中，能夠有效降低的機(jī)械設(shè)備的質(zhì)量。

2.5晶須復(fù)合材料

晶須復(fù)合材料中的晶須為單晶，沒有普通材料的空穴和錯(cuò)位等毛病，而且具有很強(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)度。

通產(chǎn)情況下，晶須復(fù)合材料應(yīng)用于渦輪葉片當(dāng)中。

2.6石棉纖維復(fù)合材料

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

石棉纖維復(fù)合材料主要應(yīng)用在絕緣材料、制動(dòng)機(jī)械部件和密封件當(dāng)中。

2.7金屬粒塑料復(fù)合材料

金屬粒塑料復(fù)合材料主要是將金屬摻入到塑料當(dāng)中，能夠有效改善自身原本具有的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，并降低線膨脹系數(shù)。

石棉纖維復(fù)合材料主要應(yīng)用于鉛粉加入氟塑料所做的軸承材料當(dāng)中。

2.8陶瓷粒金屬復(fù)合材料

陶瓷粒金屬復(fù)合材料能夠有效提升機(jī)械設(shè)備的高溫耐磨性、抗腐蝕性以及潤(rùn)滑等性能。

陶瓷粒金屬復(fù)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(dāng)中；而碳化鉻則主要應(yīng)用于耐磨噴、耐腐蝕、高溫?zé)o潤(rùn)滑、重載軸承的零部件當(dāng)中。

2.9彌散強(qiáng)化復(fù)合材料

彌散強(qiáng)化復(fù)合材料主要是將尺寸比較小的硬質(zhì)粒子均勻的分布于金屬基體當(dāng)中，從而極大地提升了機(jī)械設(shè)備的耐熱性和強(qiáng)度值。

彌散強(qiáng)化復(fù)合材料一般應(yīng)用于比強(qiáng)度較高、耐熱性良好的工件當(dāng)中。

2.10多層復(fù)合材料

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

多層復(fù)合材料通常應(yīng)用于熱片、軸承以及球頭座等耐磨件當(dāng)中。

2.11多孔浸漬復(fù)合材料

多孔浸漬復(fù)合材料主要是指多孔材料浸漬到低摩擦系數(shù)的油脂或者氟塑料當(dāng)中，能夠有效降低摩擦力。

多孔浸漬復(fù)合材料一般應(yīng)用于軸承、油枕當(dāng)中，而浸樹脂石墨則往往用于抗磨材料當(dāng)中。

3.在沖壓模具的制造上應(yīng)用復(fù)合材料

因?yàn)楦鞣N各樣的沖壓模具所處的工作環(huán)境有所差異，因而，針對(duì)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(duì)于這些模具制造來說，它們要求原材料能夠承受振動(dòng)、沖擊、拉伸、高壓、摩擦、扭曲等負(fù)荷，甚至還要在超高溫條件下完成工作。從當(dāng)前形勢(shì)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(jià)格方面相對(duì)便宜，并且容易加工塑性，因而它被廣泛應(yīng)用于模具制造當(dāng)中，然而其紅硬性和淬透性較差，在進(jìn)行熱處理時(shí)將會(huì)發(fā)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(zhì)合金鋼的抗彎強(qiáng)度、韌性差，對(duì)于一些需要較強(qiáng)硬度和韌性的機(jī)械設(shè)備制造就無法滿足要求，而復(fù)合材料在性能方面則具有較強(qiáng)的比強(qiáng)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(qiáng)烈沖擊和摩擦。

4.結(jié)語

總而言之，復(fù)合材料科學(xué)是一種包含了諸多行業(yè)、領(lǐng)域的新興學(xué)科，由于其具有質(zhì)量小、強(qiáng)度大、加工便捷、彈性良好、抗化學(xué)腐蝕、耐候性好等優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空航天、電子、汽車、醫(yī)學(xué)、化工等諸多領(lǐng)域當(dāng)中。近年來，針對(duì)新型復(fù)合材料的設(shè)計(jì)及其性能的研究與評(píng)價(jià)獲得巨大進(jìn)步，復(fù)合材料在材料工業(yè)當(dāng)中所占比例也逐漸增加，因而產(chǎn)業(yè)化趨勢(shì)得到顯著加強(qiáng)。伴隨科學(xué)技術(shù)的深入發(fā)展，復(fù)合材料也勢(shì)必會(huì)在更多的領(lǐng)域和行業(yè)中發(fā)揮越來越大的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]關(guān)錦清，文潮，劉曉新，唐仕英，林英睿，李迅，周剛.不銹鋼復(fù)合板與16MnR鋼沖擊拉伸力學(xué)特性研究[J].兵器材料科學(xué)與工程，2010（01）.

[2]王正中，蔣玉濱，孫小偉.東風(fēng)微型轎車復(fù)合材料車身的開發(fā)與應(yīng)用[J].玻璃鋼學(xué)會(huì)第十五屆全國(guó)玻璃鋼/復(fù)合材料學(xué)術(shù)年會(huì)論文集，2008（22）：275一278.

[3]李文軍，殷江寧，邢高磊，岳強(qiáng)，崔廣梅.321/15CrMoR金屬復(fù)合板壓力容器封頭的制造[J]，材料開發(fā)與應(yīng)用，2011（05）.

[4]王宏雁，陳君毅.汽車車身輕量化結(jié)構(gòu)與輕質(zhì)材料[M].北京：北京大學(xué)出版社，2009：50-153.

[5]何中吉.凝汽器不銹鋼復(fù)合材料焊縫的超聲波探傷[A].2003年晉冀魯豫鄂蒙川滬云貴甘十一省市區(qū)機(jī)械工程學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集（河南分冊(cè)）[C]，2003.

[6]奚飛達(dá)，朱榮躍，蔡建明.我國(guó)建筑復(fù)合板材跨世紀(jì)發(fā)展戰(zhàn)略與思考[A].全國(guó)新型墻體材料及混凝土、加氣混凝土制品生產(chǎn)與應(yīng)用新技術(shù)、新裝備推廣、交流大會(huì)論文集[C]，2004.