新型復(fù)合材料在工程機(jī)械上的應(yīng)用分析

張華

摘要：幾十年來(lái)，我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施以及其他工程建設(shè)也得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。工程建設(shè)的規(guī)模不斷擴(kuò)大，面對(duì)的情況也越來(lái)越復(fù)雜。這就需要擁有技術(shù)先進(jìn)、性能優(yōu)越的工程機(jī)械。經(jīng)過(guò)幾十年的技術(shù)研發(fā)與積累，工程機(jī)械領(lǐng)域取得了很多卓越的成就。新型的復(fù)合材料以其各方面優(yōu)異的綜合性能，在工程機(jī)械領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本文對(duì)當(dāng)前工程機(jī)械領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了分析與總結(jié)，給出了新型材料應(yīng)用于工程機(jī)械的意義所在。最后，結(jié)合當(dāng)前新型材料在工程機(jī)械中的實(shí)際應(yīng)用，給出了自己的思考與建議，對(duì)其更好的應(yīng)用于工程機(jī)械領(lǐng)域有一定的指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料;工程機(jī)械;應(yīng)用

中國(guó)分類(lèi)號(hào)：TQ050.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2019）06-0099-04

1 引言

自改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)的經(jīng)濟(jì)、文化、科技等等各方面都取得了令世人矚目的成就。而隨著我國(guó)綜合國(guó)力的上升，人們的物質(zhì)生活得到極大改善的同時(shí)，社會(huì)以及人們對(duì)于環(huán)境、生活質(zhì)量等方面的要求也提高了，例如對(duì)工程建設(shè)的要求就越來(lái)越高。現(xiàn)代的工程建設(shè)，不再是以前那種簡(jiǎn)單的鋪路架橋，更多的是像港珠澳大橋、青藏鐵路、天眼等世界一流的工程建設(shè)目標(biāo)。工程建設(shè)的規(guī)模、難度都有了明顯的提升。作為工程建設(shè)中必不可少的關(guān)鍵一環(huán)，工程機(jī)械也面臨著對(duì)更高的性能要求的問(wèn)題。為此，我國(guó)投入了大量的人力物力，進(jìn)行工程機(jī)械的研發(fā)與制造，目前已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步。而分析工程機(jī)械領(lǐng)域的整體提升，最大的因素之一就是材料科學(xué)的進(jìn)步。相比于以前那種金屬、合金等常規(guī)材料，材料領(lǐng)域已經(jīng)研制出了很多性能優(yōu)異的材料，新型的復(fù)合材料就是其中最為閃耀的科技成果之一。可以說(shuō)，新型復(fù)合材料的引入，給工程機(jī)械領(lǐng)域帶來(lái)了跨越式的改革進(jìn)步。以下將就工程領(lǐng)域內(nèi)的復(fù)合材料的應(yīng)用進(jìn)行分析，為后續(xù)更好的研制新型復(fù)合材料以及更好的應(yīng)用于工程機(jī)械領(lǐng)域提供一定的指導(dǎo)。

2 工程機(jī)械發(fā)展趨勢(shì)及引入復(fù)合材料的必要性

2.1工程機(jī)械的發(fā)展趨勢(shì)

雖然經(jīng)過(guò)國(guó)家與全領(lǐng)域研究人員的努力探究，工程機(jī)械整體水平得到了很大的提升，但是根據(jù)當(dāng)前社會(huì)發(fā)展以及國(guó)家層面的考慮，對(duì)工程建設(shè)領(lǐng)域提出了更高的要求，當(dāng)前工程建設(shè)領(lǐng)域仍存在著較大的提升空間。相應(yīng)的，工程機(jī)械領(lǐng)域也還存在著很多不足，值得眾多研究人員的不懈努力。綜合當(dāng)前社會(huì)及工程建設(shè)的現(xiàn)狀以及可預(yù)見(jiàn)的發(fā)展趨勢(shì)，工程機(jī)械的發(fā)展方向主要有以下幾個(gè)方面：

首先，工程機(jī)械的發(fā)展趨勢(shì)就是系列化。這一發(fā)展趨勢(shì)已經(jīng)非常明顯，目前各個(gè)國(guó)家以及市場(chǎng)上的大型工程機(jī)械企業(yè)都在加大工程機(jī)械系列化研制的投入，以提升工程機(jī)械的應(yīng)用范圍與經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，提升自家產(chǎn)品的核心競(jìng)爭(zhēng)力。這一系列化可以體現(xiàn)在多個(gè)方面，比如工程機(jī)械的適用尺寸的系列化、適用功能的系列化等等。

其次，工程機(jī)械的另一發(fā)展趨勢(shì)就是智能化。人工智能作為當(dāng)前最為火熱與前沿的科學(xué)技術(shù)，在工程機(jī)械領(lǐng)域也有著客觀的發(fā)展前景與發(fā)展空間。工程機(jī)械的電子信息化和智能化，能夠顯著提升其綜合應(yīng)用性能、效率以及用戶體驗(yàn)。

最后，工程機(jī)械還有一個(gè)重要的發(fā)展趨勢(shì)就是低碳化。隨著人類(lèi)環(huán)保意識(shí)的崛起，如何構(gòu)建一個(gè)節(jié)能環(huán)保型人類(lèi)社會(huì)，促進(jìn)入與地球的和諧共存，是人類(lèi)的一個(gè)終極目標(biāo)。因此，如何提升工程機(jī)械的低碳化屬性，是領(lǐng)域內(nèi)一個(gè)重要的發(fā)展方向。

2.2工程機(jī)械引入復(fù)合材料的必要性

由上述工程機(jī)械的發(fā)展趨勢(shì)可以看出，當(dāng)前工程機(jī)械領(lǐng)域其實(shí)還是存在著很多或小或大的問(wèn)題與局限性。想要達(dá)成這些預(yù)期的發(fā)展方向，必須對(duì)當(dāng)前的工程機(jī)械技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)與提升。而改進(jìn)與提升，主要可以分為兩大方向，一個(gè)是對(duì)現(xiàn)有工程機(jī)械的設(shè)計(jì)、加工制造以及總成等方面進(jìn)行技術(shù)性的提升，另一個(gè)就是通過(guò)材料固有屬性的提升來(lái)提升工程機(jī)械的性能。而新型材料的研制與使用，就是屬于第二個(gè)改進(jìn)方向。因此，新型材料應(yīng)用于工程機(jī)械領(lǐng)域能夠顯著提升工程機(jī)械的性能，這是工程機(jī)械領(lǐng)域引入復(fù)合材料的最為主要的原因。其他例如新型材料的可獲取性、新型材料的經(jīng)濟(jì)性等原因也是工程機(jī)械引入復(fù)合材料的原因之一。文章主要從提升性能的角度對(duì)應(yīng)用復(fù)合材料的必要性進(jìn)行分析。

之所以工程機(jī)械引入復(fù)合材料是必要的提升工程機(jī)械性能的途徑，首先是因?yàn)楹芏鄠鹘y(tǒng)的工程機(jī)械所使用的材料還是以金屬及其合金為主。這種基礎(chǔ)材料的性能有限，無(wú)法滿足人們對(duì)于工程機(jī)械越來(lái)越高的性能要求。例如工程機(jī)械中最為常見(jiàn)的推土機(jī)和挖掘機(jī)，如下圖所示，兩種以前傳統(tǒng)的工程機(jī)械常用的材料還是常規(guī)金屬類(lèi)材料，而復(fù)合材料等高性能材料的應(yīng)用微乎其微。所以這是有必要在工程機(jī)械中引入新型復(fù)合材料的原因之一。

在工程領(lǐng)域引入新型復(fù)合材料的最重要的原因就是復(fù)合材料相比于常規(guī)材料，其各項(xiàng)性能十分的優(yōu)越。復(fù)合材料普遍存在著密度小、比強(qiáng)度和比模量高、抗疲勞性能好、減振性能強(qiáng)、耐磨性和自潤(rùn)滑性能好、耐熱性高、工藝性好以及斷裂安全性能高等優(yōu)點(diǎn)。如下表列出了部分常見(jiàn)復(fù)合材料與合計(jì)鋼等金屬材料的在密度和強(qiáng)度方面的性能，可以明顯看出復(fù)合材料的性能的優(yōu)越性。因此，在工程機(jī)械領(lǐng)域引入復(fù)合材料，能夠通過(guò)復(fù)合材料的優(yōu)越性能，顯著提升工程機(jī)械的性能參數(shù)。

3 新型復(fù)合材料應(yīng)用于工程機(jī)械的具體實(shí)例

復(fù)合材料在工程機(jī)械中的應(yīng)用可大致分為兩類(lèi)，一類(lèi)是利用復(fù)合材料的密度小、強(qiáng)度和剛度大的特性，對(duì)工程機(jī)械結(jié)構(gòu)性方面進(jìn)行改進(jìn);另一類(lèi)是利用復(fù)合材料的耐磨、抗振、耐高溫、耐腐蝕等特性，對(duì)工程機(jī)械功能性方面進(jìn)行改進(jìn)。

3.1新型復(fù)合材料在工程機(jī)械結(jié)構(gòu)性方面的應(yīng)用實(shí)例

對(duì)于新型復(fù)合材料低密度、高強(qiáng)度的特點(diǎn)，可以對(duì)大量工程機(jī)械進(jìn)行輕量化方面的應(yīng)用和改進(jìn)，來(lái)體現(xiàn)工程機(jī)械低碳化的發(fā)展趨勢(shì)。比如可以在工程車(chē)輛中大量使用復(fù)合材料，可以在保證車(chē)輛的性能基礎(chǔ)上，大幅度降低車(chē)輛的重量，從而減少車(chē)輛對(duì)能源的損耗。當(dāng)前在工程機(jī)械中應(yīng)用較多的復(fù)合材料當(dāng)屬纖維類(lèi)復(fù)合材料，尤其是玻璃纖維、碳纖維等復(fù)合材料已經(jīng)在工程機(jī)械領(lǐng)域大面積使用。例如宣化工程機(jī)械生產(chǎn)的T140-1型推土機(jī)中就大量應(yīng)用了玻璃纖維復(fù)合材料。又比如中聯(lián)重科生產(chǎn)的混凝土泵車(chē)上面大量使用了碳纖維復(fù)合材料，有效減重40%以上。

3.2新型復(fù)合材料在工程機(jī)械功能性方面的應(yīng)用實(shí)例

而對(duì)于在工程機(jī)械功能性方面的改進(jìn)，主要使用的是復(fù)合材料的高耐磨、高耐熱以及高的耐腐蝕性等特性。比如，對(duì)于工程耐磨材料的研制，能夠?yàn)楣こ虣C(jī)械帶來(lái)顯著的耐磨性能的提升，從而有效保障工程機(jī)械正常工作的概率以及延伸工程機(jī)械的使用壽命。在軌道工程機(jī)械中，工程機(jī)械的耐磨性是一個(gè)重要的性能參數(shù)，我們可以通過(guò)特殊的加工工藝，將高耐磨的新型復(fù)合材料作為附面層與普通金屬材料結(jié)合在一起，顯著提升軌道工程機(jī)械的耐磨性，典型的應(yīng)用有肯納公司的碳化鉻復(fù)合耐磨板材。還有一個(gè)復(fù)合材料典型的功能性方面的應(yīng)用就是在工程機(jī)械的輪胎”上的應(yīng)用，引入復(fù)合材料技術(shù)，能夠顯著提升天然橡膠的耐磨性和耐熱性。

4 對(duì)于新型復(fù)合材料工程應(yīng)用的建議

4.1加強(qiáng)復(fù)合材料技術(shù)的融合性，繼續(xù)提升復(fù)合材料的綜合性能

隨著社會(huì)以及工程技術(shù)的發(fā)展，行業(yè)對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)的一個(gè)重要需求就是綜合性能的體系，當(dāng)前各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)的科技都在不斷的進(jìn)行交叉、混合，技術(shù)融合的趨勢(shì)越來(lái)越明顯。工程機(jī)械領(lǐng)域的發(fā)展也存在著一機(jī)多能、一機(jī)多用的趨勢(shì)，這就要求工程機(jī)械在多個(gè)功能、性能方面都要保持很高的水平，相應(yīng)的對(duì)工程材料的性能要求也就是全方面的，不再是對(duì)某一單一性能的需求。因此，復(fù)合材料技術(shù)應(yīng)該加強(qiáng)技術(shù)的融合性，從而研制出性能全面的新型復(fù)合材料，就好比混合型纖維復(fù)合材料一樣，其具備著不同纖維復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用越來(lái)越廣泛，也越來(lái)越受到重視。

4.2加強(qiáng)復(fù)合材料技術(shù)的工程化、產(chǎn)業(yè)化研究

對(duì)于大多數(shù)新型的復(fù)合材料來(lái)說(shuō)，在實(shí)驗(yàn)室里完成研制其實(shí)不再是技術(shù)難題。隨著研究的不斷深入與提速，實(shí)驗(yàn)室里已經(jīng)研制出了各種性能遠(yuǎn)超當(dāng)前復(fù)合材料的新型材料。但是之所以無(wú)法投入工程應(yīng)用，就是因?yàn)閺膶?shí)驗(yàn)室向工程實(shí)際應(yīng)用的轉(zhuǎn)換沒(méi)有得到足夠的重視。大量科研人員都埋頭于新技術(shù)的研發(fā)，導(dǎo)致現(xiàn)有科研成果的轉(zhuǎn)化研究不足。當(dāng)前各種新型復(fù)合材料的工程化、產(chǎn)業(yè)化研究投入過(guò)少，很多性能優(yōu)異的材料無(wú)法投入實(shí)際使用。因此，當(dāng)前學(xué)術(shù)界、工程領(lǐng)域都在進(jìn)行產(chǎn)學(xué)研一體化、科研成果轉(zhuǎn)化的研究與投入，我們還要不斷加強(qiáng)這方面的投入。

5 總結(jié)

由于現(xiàn)代工程建設(shè)的規(guī)模、難度都在不斷的提升，對(duì)工程機(jī)械提出了更高的性能要求。新型復(fù)合材料以其優(yōu)越的材料性能，能夠顯著提升工程機(jī)械的性能。因此，我們有必要加大對(duì)新型復(fù)合材料的研制力度，并且加強(qiáng)新型復(fù)合材料的工程化和產(chǎn)業(yè)化研究，持續(xù)推動(dòng)新型復(fù)合材料在工程機(jī)械中的應(yīng)用，提升工程機(jī)械的綜合性能。