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關(guān)鍵詞： 水性油墨；金屬油墨；樹脂；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
中圖分類號：TQ630.6+2 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）06-0131-03
0 引言
近年來，伴隨著工業(yè)化的發(fā)展，國家對印刷行業(yè)低碳環(huán)保要求的不斷深入，對低碳環(huán)保型的印刷油墨需求越來越迫切，油墨市場的低碳競爭日趨激烈、環(huán)保低碳的呼聲愈來愈高，傳統(tǒng)的溶劑型（苯或酯）類油墨已不能適應和滿足現(xiàn)代印刷業(yè)的發(fā)展需求，具有環(huán)保性、低碳性、無毒無污染、適應國家環(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了我國綠色印刷的號召，加速了綠色進程，其主要優(yōu)勢有：不含揮發(fā)性有機溶劑，不僅能減少印刷品表面殘留的有害物質(zhì)，易于印刷設備清洗，還能降低由于靜電和易燃溶劑引起的火災隱患。唯一不足的是現(xiàn)有的技術(shù)水平印刷出來的產(chǎn)品僅能達到現(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
在印刷過程中，印版滾筒的一部分浸漬于墨槽中并在墨槽中滾動，使整個印版表面涂滿油墨，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)性的有機溶劑，生產(chǎn)凹印油墨時一般用球磨機或砂磨機研磨，以減少溶劑揮發(fā)[2]。現(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，對產(chǎn)品不斷創(chuàng)新是促進油墨增長的一條不錯的途徑[3]。
1.2 國外水性油墨的發(fā)展
早在20世紀60年代，由于環(huán)保的要求和石油原材料的緊張，一些發(fā)達國家逐漸限制使用石油產(chǎn)品制造印刷油墨。由此人們開始研究非有機溶劑型油墨，使得水性油墨取得了較大的進展。
到了20世紀70年代，由于石油危機，導致油墨用原材料再度緊張，同時對于食品等包裝的要求也進一步提升。水性油墨經(jīng)過不斷的升級，解決了光澤度和印刷適性等方面的不足，最終促進了水性油墨的發(fā)展。在美國，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)務使用的是水性油墨。
1.3 國內(nèi)水性油墨的發(fā)展
我國近代水性油墨的發(fā)展首先是從網(wǎng)印用水性油墨開始的，是利用一些水溶性淀粉、骨膠之類的天然高分子物質(zhì)作為連接料，與顏料研磨得到水性油墨，人們習慣稱之為皮漿，用于絲網(wǎng)印刷。對于油墨環(huán)保性能的要求的越來越高，已有部分水基凹印油墨開始使用，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脂蟲膠作為連接料，隨著科學技術(shù)的發(fā)展，松香、馬來酸改性樹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，簡單的說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，適應強極性高張力體系[4]。
但是水性金屬顏料粉末是細顆粒物，長時間懸浮與空氣中造成一定的空氣污染。
2 油墨用樹脂等助劑的研究現(xiàn)狀
2.1 樹脂的研究現(xiàn)狀
油墨樹脂常見的有水性氨基樹脂、馬來酸樹脂、羥甲基纖維素、水溶性丙烯酸樹脂、氨基甲酸乙酸樹脂、松香改性酚醛樹脂、醇酸樹脂、聚酰胺樹脂等。其中水性丙烯酸樹脂由于它在光澤度、耐熱性、耐水性、光澤、著色性等方面具有顯著的優(yōu)勢，現(xiàn)在國外大多數(shù)采用它作榱結(jié)料。具體優(yōu)勢如表1所示。
應用于水性油墨的丙烯酸樹脂可分為兩類：一類是乳液型；一類是水溶型。水溶型丙烯酸樹脂干燥速度慢，連續(xù)成膜型差，一般都配合其他乳液使用。
2.1.1 松香改性酚醛樹脂
松香改性酚醛樹脂是由酚與醛在催化劑作用下縮合，再與松香進行反應，之后經(jīng)過多元醇酯化得到得。
松香改性酚醛樹脂顏色為透明黃棕色，能容與大多數(shù)有機溶劑。主要使用的為以下4種：
①210松香改性酚醛樹脂；
②2116松香改性酚醛樹脂；
③2118松香改性酚醛樹脂；
④2134松香改性酚醛樹脂。
2.1.2 聚氨酯樹脂
聚氨酯樹脂能溶于醇、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，因此可以用來生產(chǎn)符合環(huán)保要求的油墨。
①PU-3401聚氨酯樹脂；
②PU-3403聚氨酯樹脂；
③PU-1818L聚氨酯樹脂。
2.1.3 聚酮樹脂
聚酮樹脂是由環(huán)己酮-醛縮合的中性、淡黃透明并且不會皂化的樹脂。它的分子鏈上的羰基和羥基官能團可以使其可溶于乙醇或異丙醇溶劑中。酮-醛縮聚過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，形成具有流動性能的油墨混合物。主要是由樹脂、有機溶劑及輔助劑制成，一般需要通過加熱反應生產(chǎn)。
2.3 助劑的研究現(xiàn)狀
助劑的種類很多，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，這些油墨在傳輸過程中有可能混入大量的空氣，產(chǎn)生氣泡。在油墨印刷過程中，刮刀將油墨從制版上刮下或從印輥上流下來，油墨之間會產(chǎn)生撞擊，也會產(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消泡劑。它無毒、無污染、揮發(fā)性低、消泡能力強等特點。
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，因為它的揮發(fā)性較差，具有保留性。油墨印刷在承印物上，會形成一個墨膜，我們希望它有彈性有強度，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油墨在印品上的干燥速度。常見的有鈷催干劑、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鏈硅樹脂，例如二苯基聚硅氧烷，它也是一個表面活性劑，可以提高油墨對承印物的潤濕性，并且改善流平性。
光引發(fā)劑又稱光敏劑或光固化劑，主要用于UV金屬油墨，在紫外光的照射下發(fā)生固化反應，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 工藝過程
接通電源，檢查機器-預熱-固定原料于放料口-脫開壓臂，壓軸動力-放置襯紙-收卷軸穿入收盤紙芯管-固定襯紙-安裝刮刀-檢查輸氣系統(tǒng)-放置涂料-打開色泵-放置鋁箔-打開并調(diào)節(jié)吹風機、主電機-調(diào)節(jié)機器轉(zhuǎn)速-調(diào)整放料軸-控制機器轉(zhuǎn)速-注意機器補料及機器運轉(zhuǎn)情況-防止烘烤過度-關(guān)閉風機，清洗施膠輥-斷開成品，放置備用收卷軸-根據(jù)停機時間，清洗機器-生產(chǎn)結(jié)束后關(guān)閉電源-清理現(xiàn)場，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的成品經(jīng)檢驗可以達到紙鋁復合或真空鍍鋁效果的70%。
4 未來研究方向與展望
未來水性金屬凹印油墨必然會逐漸成為市場主導并且取代現(xiàn)有的溶劑型油墨，甚至達到并超過現(xiàn)有的紙鋁復合以及真空鍍鋁紙的效果。但是，目前的主要問題就是用水和乙醇作為溶劑會影響印刷的干燥速度，印刷出來的效果不但沒有超過現(xiàn)有的采用苯及甲苯作為溶劑的效果，而且或許遠遠達不到要求，同時通過與真空鍍鋁紙和紙鋁復合方式的對比，效果只能達到其70%，這就需要研究人員在未來的探索中繼續(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機器設備的特殊要求，例如凹印輥的改造等問題都有待解決。水性金屬油墨未來的大方向或許向納米級別進軍，能否代替現(xiàn)有的色漿，這將是一個里程碑式的進步。
參考文獻：
中圖分類號：TB331 文章編號：1009-2374（2015）23-0070-02 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2015.23.036
網(wǎng)狀陶瓷增強金屬基復合材料的制備是采用鑄造方法，以金屬作為基體，以網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)陶瓷骨架作為增強相，將金屬液澆注到網(wǎng)絡陶瓷的孔隙內(nèi)部形成復合材料。此法制備的復合材料具有高耐磨性、高耐蝕性、高強度和高硬度等特點，是研究新型復合材料的一個新突破點。
1 研究現(xiàn)狀
國內(nèi)對網(wǎng)狀陶瓷增強金屬基復合材料的研究主要集中在Al和Mg等輕金屬方面，而對鋼鐵等重金屬的研究較少。耿浩然等制備了Si3N4網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)陶瓷預制體骨架，然后利用無壓浸滲理論制備出Si3N4/Mg復合材料、Si3N4/Al復合材料和Al2O3/Mg復合材料。以上網(wǎng)狀陶瓷增強金屬基復合材料的研究僅限于輕金屬。邢宏偉等用擠壓鑄造法制備了三維網(wǎng)絡SiC/銅合金基復合材料，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，骨架孔徑的減小有細化晶粒、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。張友壽等通過鑄造法使金屬液滲入粗顆粒陶瓷預制體間隙來獲得金屬陶瓷復合材料，但是對陶瓷顆粒的尺寸要求極為嚴格。李祖來等利用V-EPC法以陶瓷WC顆粒作為增強體，使用高碳鉻鐵粉末來調(diào)節(jié)WC顆粒的體積分數(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合材料。
由于連續(xù)網(wǎng)狀陶瓷增強金屬基復合材料的研究目前還處于起步階段，國內(nèi)外的相關(guān)報道比較少，如何將二者結(jié)合制成復合材料，開發(fā)具有良好的強韌性能和高的抗磨損性能的新型金屬基復合材料是我們下一步工作研究的重點。
2 網(wǎng)狀陶瓷的性能要求
作為金屬基復合材料增強體的網(wǎng)狀陶瓷預制體必須具有以下特點：陶瓷通孔率要高、強度要高、與金屬基體要有良好的潤濕性。
只有滿足上述要求的泡沫陶瓷預制體才能用于金屬基復合材料的制備。因此通常采用有機泡沫浸漬方法制備網(wǎng)狀泡沫陶瓷該工藝，這是因為此制備方法工藝簡單、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)狀陶瓷增強金屬基復合材料的制備方法
3.1 擠壓鑄造法
擠壓鑄造法是將一定量的液態(tài)金屬直接澆入敞開的金屬型型腔內(nèi)，在一定時間內(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)的金屬塑性流動和凝固結(jié)晶成形的加工過程。其優(yōu)點是工藝簡單、金屬液易于填充到陶瓷網(wǎng)絡內(nèi)部、易于成型、成本低、復合材料性能好。
3.2 負壓實型鑄造法
此方法也叫消失模鑄造法。即采用聚苯乙烯泡沫材料（EPC）把增強體網(wǎng)絡陶瓷表面包圍后，刷上涂料，晾干后待用。然后將模型埋入干砂中，震實后在負壓狀態(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。這是因為澆鑄過程中有負壓的存在，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，而且提高了復合材料的結(jié)合強度。
4 影響復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高于液相線溫度50℃左右。若過低的澆注溫度會使金屬液迅速降溫、凝固，滲透能力變差，不能順利進入陶瓷孔內(nèi)，嚴重影響液態(tài)金屬的充型和補縮。澆鑄溫度過高將導致金屬熔液嚴重氧化，在陶瓷骨架內(nèi)出現(xiàn)縮孔或疏松的缺陷，以至無法形成良好的復合材料。
4.2 鑄造成型壓力
金屬液與網(wǎng)絡陶瓷復合時，必須選擇適宜的鑄造壓力。若鑄造壓力過小，則會出現(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)絡的每個邊角處；若鑄造壓力過大，金屬液的滲透能力就增強，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，但如果負壓過大，易使涂料脫落，導致鑄件黏砂現(xiàn)象，因次必須選擇合適的負壓。
4.3 陶瓷孔徑
由于鋼液澆鑄溫度較高，所以對泡沫陶瓷的強度要求也高，避免澆鑄過程中發(fā)生坍塌現(xiàn)象。對于制備的泡沫陶瓷，如果盲孔太多，所得開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合材料的需要。一般來說，為滿足隨后浸漬成金屬基復合材料，要求連通孔率在80%～90%。如果孔隙率較小，金屬液來不及擴散到陶瓷孔內(nèi)部就凝固，得不到組織均勻的復合材料。
4.4 界面潤濕性
界面是復合材料中普遍存在且非常重要的組成部分，是影響復合材料行為的關(guān)鍵因素之一。金屬基復合材料性能的高低取決于基體和增強體之間的界面結(jié)合情況。在網(wǎng)狀陶瓷增強的金屬基復合材料中，基體和增強體都是承載體，要求強界面結(jié)合以充分發(fā)揮陶瓷的增強效果。
當前改善金屬陶瓷界面潤濕性的方法有很多種，常用的簡要敘述如下：
4.4.1 添加合金元素。在復合材料中加入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相的潤濕性。添加的合金元素起到兩個作用：一是降低金屬液和陶瓷增強體之間的表面張力；二是可發(fā)生有利的界面反應以增加潤濕性。
4.4.2 化學鍍銅。采用涂裝工藝，將網(wǎng)絡陶瓷表面電鍍一層銅金屬以增加陶瓷與金屬基體的潤濕性。陶瓷表面銅鍍層可以提高固體的表面能，用新形成的金屬/陶瓷界面代替原來結(jié)合性較差的界面，可以提高潤濕性，增強界面結(jié)合強度。化學鍍銅層的厚度也會對復合材料的性能產(chǎn)生一定的影響，因此對鍍層厚度應控制在2～4μm。
此外，超聲波清洗、對固體陶瓷進行加熱處理、固體陶瓷表面覆膜等也是改善增強體與金屬液潤濕性的有效措施。
5 應用及展望
陶瓷增強金屬基復合材料的耐磨性、耐高溫性較強，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用。而具有三維空間網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)復合材料自身的優(yōu)越性，使得具備優(yōu)良高溫性能、環(huán)保節(jié)能、高耐磨性、高強度的三維網(wǎng)絡陶瓷增強金屬基復合材料必將成為未來的發(fā)展
趨勢。
參考文獻
[1] 堯軍平，王薇薇.網(wǎng)絡陶瓷增強鋁基復合材料的摩擦磨損特性[J].南昌航空工業(yè)學院學報（自然科學版），2002，16（2）.
[2] 董盼，湯濤，湯文明，等.雙連續(xù)相SiC/Al復合材料壓滲工藝初探[J].合肥工業(yè)大學學報，2001，24（2）.
[3] 耿浩然，王守仁，崔峰，等.網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)陶瓷增強金屬基復合材料的制備[J].濟南大學學報，2005，19（2）.
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[5] 張友壽，夏露，黃晉.金屬液滲流法制造鑄鐵/陶瓷復合材料的研究[J].Hot Working Technology，2005，（12）.
復合材料是由兩種或是兩種以上的不同物質(zhì)，經(jīng)過不同方式的組合，從而形成的材料。這種材料能夠發(fā)揮各類材料的優(yōu)點，能夠克服單一材料出現(xiàn)的缺陷，從而有效擴大材料的使用范圍。一般情況下，復合材料都具備重量輕、強度高的特點，并且具有較強的可塑性，加工成型更加方便，還具有耐化學腐蝕等優(yōu)點，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。復合材料主要是在航天航空、電子電氣、汽車以及建筑生產(chǎn)等領(lǐng)域廣泛使用，近些年復合材料的發(fā)展得到廣泛關(guān)注，發(fā)展速度迅速。但是復合材料又具有非均質(zhì)性與各項異性，在其制造過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)某些缺陷，存在著不穩(wěn)定因素。在其實際應用過程中，也經(jīng)常會因為撞擊、疲勞累積、腐蝕等產(chǎn)生缺陷。因此，在復合材料的生產(chǎn)與使用過程中，復合材料的檢測技術(shù)就具有十分顯著的作用，當然，在檢測方法中無損檢測就具有更加重要的作用。
1 復合材料無損檢測技術(shù)
在復合材料的生產(chǎn)制造過程中，主要會出現(xiàn)如下缺陷。氣孔、疏松、分層、夾雜、界面分離、鉆孔損傷以及樹脂固化不良等。在其使用過程中主要會出現(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、皺褶變形、劃傷、腐蝕坑、下陷和燒傷等。目前，我國研究人員為了能夠趕超國際發(fā)展的先進技術(shù)水平，在復合材料的無損檢測方面進行了深入廣泛的研究，，并取得了良好的成績。主要表現(xiàn)為射線檢測、超聲波檢測、聲發(fā)射檢測、視覺檢測等檢測技術(shù)。
1.1 射線檢測技術(shù)
射線檢測技術(shù)（Radiographic Testing，即RT）是利用射線（如X射線、γ射線以及中子射線等）穿過物體時，具有吸收和散射的特性，從而檢測其內(nèi)部結(jié)構(gòu)是否具有連續(xù)性的技術(shù)。X射線檢測方法是復合材料損傷檢測技術(shù)中最為常見的一種檢測方法。主要適用于對復合材料空隙、夾雜物等體積型缺陷的檢測，是一種十分重要的檢測技術(shù)，但是其主要是對平行于射線穿透方向的缺陷有著較好的檢測效果，只能檢測出表面的垂直裂紋，但是可以通過超聲反射技術(shù)與其相結(jié)合，相互補充，取得良好的檢測結(jié)果。在射線檢測技術(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)字式射線檢測技術(shù)。與膠片照相檢測技術(shù)相比，數(shù)字射線檢測技術(shù)的成像效果與膠片照相檢測技術(shù)不相上下，但是其檢測可以做到實時檢測，具有高效率性、易用性和經(jīng)濟性，因此，數(shù)字射線檢測技術(shù)得到了更快的發(fā)展。
1.2 超聲波檢測技術(shù)
超聲波檢測（Ultrasonics Testing）是利用材料的聲學特性和內(nèi)部組織的變化對超聲波的傳播產(chǎn)生一定影響的物理現(xiàn)象，從而通過對超聲波受影響程度和狀況的分析來了解材料性能和結(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。超聲波檢測技術(shù)能夠直觀地顯示，快速地檢測，目前在航空復合材料的檢測過程中已經(jīng)是十分普遍的檢測技術(shù)。通過計算機技術(shù)的應用實現(xiàn)對超聲波探頭的控制，利于控制方向的移動改變。通過控制超聲波探傷儀對探頭發(fā)出信號，與此同時，當超聲波信號經(jīng)過需要檢測的工件后，它會被自身的探頭接收，超聲波探傷儀就可以接收到相應的信息，然后對信息進行計算、分析和處理，再由計算機對結(jié)果進行顯示、存儲。計算機能夠完整的顯示出整片的檢測區(qū)域，可以十分清楚明白的查看工件是否存在缺陷，以及相應的缺陷所在位置與具體的情況。
1.3 聲發(fā)射檢測技術(shù)
聲發(fā)射檢測技術(shù)（ Acoustic Emission）就是通過復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，材料會在應力的作用下發(fā)生變形，從而會產(chǎn)生裂紋或是出現(xiàn)擴展的現(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檢測介質(zhì)后，直接到達被檢測的表面，從而使得檢測物表面出現(xiàn)相應的振動，傳感器適時接收這樣的振動并將其轉(zhuǎn)化為電信號，當聲發(fā)射信號逐漸增強后，就可以形成一定的數(shù)據(jù)信息，并且被顯示與記錄。這種檢測方法能夠?qū)秃喜牧系恼w進行檢測，對其整體質(zhì)量水平作出相應評價。
1.4 視覺檢測技術(shù)
近些年伴隨著計算機圖像技術(shù)的快速發(fā)展，復合材料的無損檢測技術(shù)又有了新的發(fā)展。計算機圖像技術(shù)能夠與射線檢測技術(shù)進行結(jié)合，從而使得無損檢測技術(shù)具備了直觀與高效的特點。這樣，視覺檢測技術(shù)在檢測技術(shù)研究領(lǐng)域就有著十分重要的意義。
2 復合材料無損檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢
2.1 自動化水平迅速提高
在航空工業(yè)中為了節(jié)約成本，往往會采取增大結(jié)構(gòu)，減少零部件數(shù)量的措施，這樣會使得復合材料的結(jié)構(gòu)件越來越大，傳統(tǒng)的人工檢測方式已經(jīng)無法適應檢測的要求，為了提高工作的效率需要對工件進行自動化檢測，自動生成相應數(shù)據(jù)，檢測是否出現(xiàn)裂紋等缺陷，可以大大提高航空工業(yè)的自動化水平，有效降低人為的誤差。
2.2 提高原位檢測能力成了研究重點
隨著復合材料結(jié)構(gòu)件的體積越來越大，在安裝與拆卸過程中存在著越來越多的困難，于是眾多的公司都希望能夠提高部件的原位檢測能力。目前主要存在兩種解決方案。一是采用大型設備，對整架飛機進行無損檢測。二是采用多功能小型化的檢測設備，直接在外場進行無損檢測。
2.3 可視化定量檢測水平不斷提高
隨著計算機數(shù)字成像技術(shù)的不斷提高與全面應用，復合材料無損檢測的速度也大大提高，精準度也是逐步提高。
2.4 結(jié)構(gòu)健康自監(jiān)控能力將成為可能
隨著復合材料無損檢測技術(shù)的不斷發(fā)展與進步，以及傳感器的不斷出現(xiàn)，將傳感器進行嵌入成為發(fā)展重點，未來復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，未來的復合材料將有能夠做出反應的智能結(jié)構(gòu)。
中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A
隨著經(jīng)濟的發(fā)展和科技的進步，我國出現(xiàn)了越來越多的復合材料，現(xiàn)階段在現(xiàn)代飛機領(lǐng)域，復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中復合材料的使用量在總重量中所占的比重已達到25%，在B787中復合材料的使用量在總重量中所占的比重已達到50%，而在A350XWB結(jié)構(gòu)中的用量最多，大約為52%。新階段，先進復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復合材料。
一、基于先進技術(shù)的復合材料構(gòu)件成型模具的類型
先進復合材料構(gòu)件成型的工藝方法有很多，與此相對，模具的結(jié)構(gòu)形式也有很多，先進復合材料構(gòu)件成型模具有以下幾種類型：
（一）框架式的模具
為了提高復合材料構(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，設計制造模具骨架的時候可以考慮隔柵結(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：一是壓機成型；二是模壓成型；三是樹脂傳遞模塑成型；四是注射模成型。組合模的組成結(jié)構(gòu)是兩個半模，它的分布方式是上下分布，通過模具的上壓盤和下壓盤能夠進行加熱，上、下壓盤加熱的方式主要是傳導加熱，此外，周圍的熱源同樣能夠給模具進行加熱，另外，組合模具中有內(nèi)置加熱系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)也能進行加熱。液態(tài)成型技術(shù)包括3個不同的種類：一是樹脂轉(zhuǎn)移模塑；二是真空輔助成型；三是樹脂模溶滲成型。其中，樹脂轉(zhuǎn)移模塑結(jié)構(gòu)能夠被分成3個部分，這3個部分分別是型體和兩個端蓋。有些制品的形狀較復雜、尺寸較大，對于這部分制品可以進一步分割組合其型體部分，分型面制作凸舌以及凹溝，還要在兩個端蓋所處的地方設置注射口以及排氣口，還應關(guān)注樹脂分流道。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)稱為連續(xù)成型模具。將浸有樹脂的纖維通過某種特定的加熱口模擠出其中多余的樹脂，這個過程就是擠壓加工的具體過程，在牽引的條件下固化。連續(xù)擠壓過程包括多個過程，它的成型模具是組合式的，由多個運動部件形成。第一步，對位于模具中的多層熱塑性帶加熱同時壓成層合板；第二步，將壓好的層合板壓入成型的模具同時加熱，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、基于先進技術(shù)的復合材料構(gòu)件成型模具的設計方法研究
制造復合材料的構(gòu)件離不開模具，在該行業(yè)中，模具是相當常見的工藝裝備之一，因為它可以對制件的形狀、結(jié)構(gòu)關(guān)系、控制外緣進行確定，進而確保表面的質(zhì)量。復合材料的聚合固化需要在模具上進行，有的時候還應在成型的模具上鋪疊預浸料，復合材料構(gòu)件質(zhì)量的高低在很大程度上受到模具設計制造的影響。
通過分析復合材料構(gòu)件成型模具的材料，我們可以把它分成不同的兩類為，其一是金屬模；另一類是復合材料模，它們的結(jié)構(gòu)和工藝比較特殊。當前，因為計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，CAD技術(shù)被廣泛運用，越來越多的復合材料構(gòu)件成型模具設計會考慮數(shù)字化的設計方式。為了提升設計的效率，很多航空航天企業(yè)對于經(jīng)常使用的結(jié)構(gòu)會考慮模塊化設計以及參數(shù)化設計。
與常規(guī)的鈑金成型模具進行對比能夠發(fā)現(xiàn)，對于累積公差，先進復合材料有更加嚴格的要求。模具與零件兩者貼合面不同的尺寸取決于模具的類型以及它熱膨脹的特點；基體在最高固化溫度基礎(chǔ)上的尺寸與先進復合材料最終的尺寸一致。
設計人員在設計先進復合材料構(gòu)件成型模具時，應當著重考慮熱匹配的問題，原因是鋼和鋁的熱膨脹系數(shù)通常比碳和石墨的復合材料高，高出的系數(shù)在一個數(shù)量級左右，當它從固化峰值的溫度逐漸往下冷卻時，金屬模具會出現(xiàn)一定程度地收縮，這種變化在構(gòu)件中會引起參與應變或者固有應變。設計模具的時候，設計人員如果做到及時修正尺寸，就應當選擇熱膨脹系數(shù)不高的材料模具，一般情況下，會使用熱膨脹補償?shù)姆绞?，參照?jīng)驗公式以及試驗驗證，把制作質(zhì)心當作中心，按照特定的公式，設計人員把整個制作縮小，工程設計的輸入遵循縮小之后的制作。
另外，設計人員還可能會遇到角度回彈的問題，對于這類問題，設計人員在設計的時候，應當提前考慮回彈角，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?；貜椫笈c工藝數(shù)模的要求相符。這樣做能夠達到制件脫?；貜椫蠛凸に嚁?shù)模的要求兩者相符。對于某些比較復雜的制件，對模具結(jié)構(gòu)的剛度、溫度場的分布狀況、熱膨脹等效果開展模擬分析的時候，可以選擇CAE技術(shù)，進而提供科學的參考依據(jù)用于模具溫度補償、回彈修正設計等。
三、基于先進技術(shù)的復合材料構(gòu)件成型模具工裝技術(shù)研究
近幾年，先進復合材料表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)尺度變大、形狀更加復雜的特點，這就給構(gòu)件的制造提出了縮短周期，降低成本的要求。為了適應這種變化，先進復合材料構(gòu)件成型工裝方面表現(xiàn)出柔性化的趨勢。
柔性工裝的基礎(chǔ)是先進的工裝制造理念以及靈活性高的工裝設計，這類工裝與幾何形狀相似，通過先進的理念和制造技術(shù)在剛性工裝技術(shù)的前提下，對工裝型腔或成型表面開展迅速地再次利用、組合、加工。近年來，國外產(chǎn)生了SPT技術(shù)并得到了較快的發(fā)展，這種技術(shù)是利用組合或者細桿來對分型面的高度進行調(diào)節(jié)，這種方式能夠低成本、迅速地制造相同類型的相似工裝。柔性工裝的理念與技術(shù)能夠用在對復合材料構(gòu)件制造的定位以及固化之后數(shù)據(jù)庫中對材料的性能以及力學性能的表達。
這個數(shù)據(jù)庫中對力學性能的表達能夠分成5個不同的層次。5個層次的內(nèi)容如下：
第一個層次包括對復合材料體系的力學性能的匯總，其中包含材料的篩選、取證、驗收等基本信息，還包括對先進復合材料體系的力學性能的全面匯總；
第二個層次為匯總單個測試項目的多批次的力學性能，用表格的方式進行表達。其中，單個測試項目力學性能涉及多種統(tǒng)計的表達，譬如0度拉伸的強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；
第三個層次為每個批次的單個測試項目的力學性能，它的表達方式是表格的形式；
第四個層次為試驗結(jié)束之后統(tǒng)計分析試驗的數(shù)據(jù)，然后將這些數(shù)據(jù)錄入到EXCEL表格，進行細致的匯總；
第五個層次為試驗結(jié)束之后，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到的與單個試驗件有關(guān)的原始數(shù)據(jù)。
結(jié)語
先進復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，譬如強度高、剛性高、具有較強的抗疲勞性和抗腐蝕性，航空航天企業(yè)中已經(jīng)大范圍地使用先進復合材料。市場推動了先進復合材料構(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，將來會深入研究檢測成型曲面質(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，積極探索先進復合材料構(gòu)件成型模具和工裝技術(shù)，提高技術(shù)水平，為先進復合材料的發(fā)展提供有力的技術(shù)保障。
參考文獻
近年來，隨著新技術(shù)以及新設備的不斷發(fā)展與應用，工業(yè)生產(chǎn)與加工制造中對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)量以及長壽命等更高的設計與制造要求，使得高結(jié)構(gòu)效率的輕量化復合材料壓力容器成為一個熱點問題。下文將結(jié)合這一背景條件，根據(jù)帶金屬內(nèi)襯復合材料壓力容器中內(nèi)襯的作用以及復合材料結(jié)構(gòu)層進行承擔荷載的特征，提出一種含超薄金屬內(nèi)襯輕量化復合材料壓力容器的設計與制備技術(shù)，具體報道如下。
1.復合材料結(jié)構(gòu)層的剛度優(yōu)化設計方法分析
進行含超薄金屬內(nèi)襯輕量化復合材料壓力容器的設計與制備實現(xiàn)，主要就是以減薄金屬內(nèi)襯的厚度和實現(xiàn)復合材料結(jié)構(gòu)層的剛度優(yōu)化為主，以實現(xiàn)超薄、輕量化、高強復合材料結(jié)構(gòu)層剛度的設計與制備目的。首先，在進行復合材料結(jié)構(gòu)層的剛度優(yōu)化設計中，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)化設計方法，對于復合材料結(jié)構(gòu)層的剛度實現(xiàn)優(yōu)化設計。工業(yè)生產(chǎn)與加工制造中，對于復合材料壓力容器的結(jié)構(gòu)層剛度優(yōu)化設計，多是使用網(wǎng)格理論進行復合材料壓力容器強度設計實現(xiàn)的，它主要應用經(jīng)驗進行滑線系數(shù)取值確定后，通常對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，然后應用公式對于可纏繞范圍進行求解，并給定初始纏繞角，通過在纏繞機上進行大量的工藝試驗后，對于初始纏繞角進行排線修改，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)這個纏繞角進行設計制備壓力容器的剛度校核，以完成對于復合材料壓力容器的結(jié)構(gòu)剛度優(yōu)化設計。
（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數(shù)，其中 。
上文所述的這種基于試錯試驗的復合材料結(jié)構(gòu)層剛度優(yōu)化設計方式，在優(yōu)化設計過程中，難以對實際的穩(wěn)定纏繞范圍進行獲取，因此也就無法進行復合材料壓力容器結(jié)構(gòu)的剛度優(yōu)化實現(xiàn)，在實際設計制造中就不能夠最大化的實現(xiàn)纖維強度發(fā)揮，難以實現(xiàn)復合材料壓力容器減重與輕量化的目的。
根據(jù)這種設計方法的缺陷與局限性，本文通過進行一種基于穩(wěn)定纏繞理論的結(jié)構(gòu)剛度優(yōu)化設計方法的設計構(gòu)建，來實現(xiàn)對于復合材料壓力容器的結(jié)構(gòu)剛度優(yōu)化設計?；诜€(wěn)定纏繞理論的結(jié)構(gòu)剛度優(yōu)化設計，主要通過對纏繞纖維和芯模表面間滑線系數(shù)的精確表征，對于真實可靠的滑線系數(shù)進行測量求得，同時在獲取滑線系數(shù)和纏繞角的連續(xù)對應關(guān)系后，通過上述公式（1）對于可穩(wěn)定纏繞范圍進行準確求得，同時通過對于可穩(wěn)定纏繞范圍內(nèi)每一纏繞角對應的纖維軌跡厚度、剛度等進行預測計算，以實現(xiàn)在穩(wěn)定纏繞范圍內(nèi)，對于復合材料壓力容器結(jié)構(gòu)剛度的優(yōu)化設計，使得復合材料結(jié)構(gòu)能夠最大效率的發(fā)揮纖維強度，提高結(jié)構(gòu)效率，實現(xiàn)復合材料壓力容器設計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)化設計方法中，對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現(xiàn)，主要是根據(jù)一般曲面穩(wěn)定纏繞原理，通過對芯模表面上落紗點的力學分析，在進行一種具有自主知識產(chǎn)權(quán)標定模型設計基礎(chǔ)上，實現(xiàn)對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，設計建立的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的標定模型，在固定纏繞角情況下，沿其母線方向任意點的緯度圓半徑和該點的滑線系數(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是一個常數(shù)。通過該標定模型能夠精確對于纏繞纖維和芯模表面間滑線系數(shù)值進行表征，能夠為穩(wěn)定纏繞范圍以及復合材料壓力容器結(jié)構(gòu)剛度優(yōu)化進行參數(shù)提供。
2.大尺寸超薄金屬內(nèi)襯的成型設計方法分析
本文主要以鋁合金材料為主，對于大尺寸超薄鋁合金內(nèi)襯的設計成型方法進行分析。在壓力容器設計制造中，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，是輕量化復合材料壓力容器設計制備中金屬內(nèi)襯的首先材料，并且該材料在壓力容器的整個設計制備中占有比例達到1/3以上。此外，應用鋁合金作為金屬內(nèi)襯材料進行輕量化復合材料壓力容器設計制備中，如果鋁合金的內(nèi)襯厚度每減薄0.1毫米，復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計制備中實現(xiàn)減重的目的。
由于輕量化復合材料壓力容器直徑的越來越大，實現(xiàn)大尺寸超薄鋁合金內(nèi)襯的成型設計具有較為突出的難度。針對這一情況，通過在封頭部分使用旋壓工藝，然后與筒身進行焊接成型的設計制備方法，實現(xiàn)大尺寸超薄鋁合金內(nèi)襯的成型設計，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，很好的滿足和實現(xiàn)了輕量化復合材料壓力容器設計與制備。
在進行含超薄金屬內(nèi)襯輕量化復合材料壓力容器設計制備中，完成減薄金屬內(nèi)襯厚度與復合材料結(jié)構(gòu)層的剛度優(yōu)化設計后，要想完整的實現(xiàn)對于含超薄金屬內(nèi)襯輕量化復合材料壓力容器的設計制備，還需要進行超波金屬內(nèi)襯和復合材料變形的協(xié)調(diào)控制，同時對于輕量化復合材料壓力容器的設計制備進行自動修復，以保證設計制備質(zhì)量和效果。
3.結(jié)束語
總之，含超薄金屬內(nèi)襯輕量化復合材料壓力容器的設計制備實現(xiàn)，能夠滿足壓力容器設計制備的高氣密以及輕質(zhì)量、長壽命的要求，對于推動壓力容器設計制備技術(shù)水平的發(fā)展提升有著積極作用和意義。
參考文獻：
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
復合材料具有比強度、比剛度高，可設計性強等優(yōu)點，廣泛應用與航空航天領(lǐng)域。在飛機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)通常來分擔這些外載荷，復合材料加筋結(jié)構(gòu)通常是承力構(gòu)件的一部分，對復合材料加筋結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計近年來受到很大的重視。
目前，對復合材料加筋板結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計已經(jīng)有很多研究。Liu[3]提出一種基于程序包VICONOPT的復合材料加筋板優(yōu)化方法，并對Z字型加筋板進行了優(yōu)化；Lanzi[9]應用神經(jīng)網(wǎng)絡技術(shù)，通過建立神經(jīng)網(wǎng)絡模型，對復合材料加筋板進行了優(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，進行了復合材料加筋板結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計[4]； 張鐵亮采用非劣分類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)化設計：質(zhì)量一定，復合材料加筋板屈曲一階特征值最大為目標；一階屈曲特征值一定，復合材料加筋板質(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復合材料格柵加筋板進行布局優(yōu)化設計[6]。
本文結(jié)合前人的經(jīng)驗結(jié)合實際應用情況，對復合材料加筋結(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)等進行優(yōu)化設計。在滿足復合材料加筋板整體屈曲條件下，優(yōu)化設計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，采用兩級優(yōu)化的方法，對復合材料加筋板“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)，然后進行分析比較。
2.復合材料加筋板的優(yōu)化方法
2.1彎曲剛度法
從本質(zhì)上講，穩(wěn)定性條件下的復合材料層合板鋪層優(yōu)化設計，無論是優(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。彎曲剛度法基于層合板的彎曲剛度與失穩(wěn)載荷一一對應，我們將層合板等效為一個只有8層的對稱輔助層合板，航空行業(yè)通常采用0°、90°、45°和-45°的鋪層，通過優(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)。本文沒有考慮鋪層順序的因素。
2.2優(yōu)化流程
復合材料加筋板結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計通常很難一步優(yōu)化，本文對幾何參數(shù)和鋪層厚度進行兩級優(yōu)化，先用Isight在樣本點空間里選取樣本點，然后對每一個樣本點，采用PCL語言快速方便地參數(shù)化建模并進行優(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行有限元屈曲分析和質(zhì)量計算；然后再把樣本點優(yōu)化的結(jié)果在Isight中采用多島遺傳算法和序列二次規(guī)劃算法進行優(yōu)化，選出最優(yōu)的樣本點，該樣本點就是我們的最優(yōu)結(jié)果；再對該樣本點進行鋪層優(yōu)化，從而完成整個流程。
3算例
3.1模型描述
尺寸為的艙門，厚為100mm，四邊固支，所受載荷為P=1.6×105Pa，所用材料為T700/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。單層板最大拉伸應變限制為4000με，最大壓縮應變限制為4000με.失穩(wěn)約束為一階線性失穩(wěn)因子λ>1。
3.2設計變量
復合材料加筋板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（對于L型和T型認為上下緣條合在一起從而保證共用樣本點空間）。
3.3設計目標及約束條件
目標：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；
強度要求，使用蔡吳準則，驗證結(jié)構(gòu)不發(fā)生破壞
3.4結(jié)構(gòu)設計變量空間
在Isight中采用拉丁實驗設計分別對L型、Z字型、T型和工字型筋條選擇樣本點，然后通過MSC/Patran中采用PCL語言對每一個樣本點進行參數(shù)化建模，并通過Nastran完成優(yōu)化分析，表1是優(yōu)化時鋪層的設計變量：
3.5優(yōu)化過程及結(jié)果
在得到優(yōu)化厚度結(jié)果后對數(shù)據(jù)進行處理，通過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，實際工業(yè)設計中可以結(jié)合實際需要，運用該方法為初始設計提供參考。
（2）本文對三個幾何參數(shù)和四個鋪層厚度進行優(yōu)化，但是沒有考慮鋪層順序的優(yōu)化，進一步的研究將結(jié)合PCL語言對鋪層順序進行優(yōu)化。
（3）本文采用彎曲剛度法，采用兩級優(yōu)化技術(shù)為復合材料加筋板優(yōu)化設計提供了一種高效、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)過纖維增強后的材料與原純樹脂材料其模量、耐沖擊性、耐腐蝕、隔熱等優(yōu)點有了明顯地提高，常用的基體樹脂包括熱固性樹脂如環(huán)氧類聚合物、酚醛樹脂以及不飽和聚合物等，熱塑性樹脂聚丙烯腈、聚丙烯等。
近來興起的納米纖維由于纖維尺寸進入納米級以后所具有的獨特的小尺寸效應、表面效應、宏觀量子隧道效應而使復合材料在結(jié)構(gòu)參數(shù)（符合度、聯(lián)接型、標度等）與常規(guī)纖維相比有很大的改變，通過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)以及加工復合工藝1等，可以大幅度改變復合材料性能。
1.增強機理
復合材料是由兩種或者多種性質(zhì)不同的材料通過物理或者化學復合，組成具有兩個或者兩個以上相態(tài)結(jié)構(gòu)的材料，在纖維增強材料中有，基體通過界面將載荷有效地傳遞到增強相當中，纖維是承受由基體傳遞來的有效載荷，是主承力相2。各相之間的接觸面即界面是復合材料中最為重要的微結(jié)構(gòu)，對復合材料的性能影響極大?；w材料與復合材料之間相互接觸發(fā)成界面反應，形成一個小尺寸界面，并在此界面上產(chǎn)生界面效應例如阻止裂紋的進一步擴展。兩相之間相互作用力的強弱取決于相表面的形態(tài)包括增強相表面的粗糙程度、偶聯(lián)劑的使用、界面的浸濕、化學鍵的形成等。
復合材料的復合效應3是其他所有材料所不具備的，包括線性效應比如協(xié)同、加和，非線性效應比如系統(tǒng)效應、混合效應等。正是由于這些效應使得復合材料在力學性能或其它光學磁學等性能上優(yōu)于其他材料，有人預計21世紀是人類從鋼鐵材料走向復合材料的一個新世紀。
2.纖維增強
2.1天然纖維增強
復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，無生物毒性、易分解等優(yōu)點。有研究指出經(jīng)黃麻纖維4、苧麻纖維5經(jīng)過涂布法或者熱壓成型法成型，并對纖維的捻度、長徑分布進行討論，測得不同條件下纖維的拉伸強度可以得出纖維增強后的熱固性樹脂力學性能有極大提高。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)使得它具有很強的親水性。它與聚合物的相容性、復合材料的吸水速率會影響到復合材料的力學性能，可以加入助劑比如硅烷乙酰類，酸類相容劑，或者對纖維的表面進行處理，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)過酸處理酯化后與環(huán)氧樹脂進行原位復合，并用FTIR進行表征，在1239cm-1出檢測到有峰出現(xiàn)，表明苯環(huán)C與羥基相連，得到了很好的相容性增強。
2.2人造纖維增強
人造纖維包括有機合成纖維如高聚物纖維如滌綸氯綸等和無機纖維如玻璃纖維、碳纖維等。玻璃纖維與碳纖維復合材料相比玻璃纖維與樹脂基復合材料的結(jié)合界面力不夠強，通過破壞性試驗研究斷面的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)生在樹脂內(nèi)部7?？梢允褂门悸?lián)劑、浸潤劑、等離子體等處理方法對玻璃纖維進行改性8。碳纖維的表面活性官能團較少，表面能低，呈現(xiàn)出表面化學惰性，與聚合物進行復合是很難形成穩(wěn)定的界面相，結(jié)合力較弱,可以通過氣相氧化法、陽極氧化法、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)。
碳納米管是近來出現(xiàn)的一個熱門領(lǐng)域，由于其獨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、表面或界面效應、量子尺寸效應等,在化學、物理性質(zhì)方面表現(xiàn)出特異性，是復合材料目前在理論上最理想的材料。現(xiàn)在多用原位聚合法制備碳納米管復合材料，Qian10等用TEM觀察原位聚合法復合材料的形變機理和載荷轉(zhuǎn)移發(fā)現(xiàn)開裂不會再裂縫中而不是PS機體內(nèi)，說明載荷被有效地專業(yè)到了納米管上。碳納米管的研究尚處于起步階段，許多理論問題有待發(fā)展和完善。預計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，碳納米管的加入對聚合物結(jié)構(gòu)性能的影響等。（作者單位：鄭州大學 材料科學與工程學院）
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天然植物纖維是增強復合材料可選擇的原料之一，自2005年以來一直保持著 10% ～ 15% 的年增長率。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。以平均值計算，天然纖維增強復合材料的能源消耗比玻璃纖維要低 60%。
天然纖維復合材料具有優(yōu)良的加工性能和聲學特性，并在很多方面超越玻璃纖維增強材料，如很好的生命循環(huán)特征等。近來，歐洲植物纖維復合材料的研究取得了很大進展，產(chǎn)品已在汽車內(nèi)裝飾、車廂材料等方面使用?？梢哉f利用可再生纖維資源做原料，是技術(shù)紡織品持續(xù)增長的一個重要方向。
1天然纖維在增強復合材料上的應用
聚合物纖維可廣泛用于工程領(lǐng)域，但在相當多的使用條件下，其性能并不能完全滿足要求，這給纖維增強復合材料的開發(fā)提供了空間。強度是纖維復合材料的重要評價指標之一。通常復合材料的結(jié)構(gòu)、機械性能及熱性能等可依據(jù)纖維添加量、纖維取向程度和長度的變化而改善。目前，優(yōu)化復合材料的性能/重量比，提高制品強力、剛性與重量比，降低成本及加工過程對環(huán)境的沖擊，改善可用性和安全性正成為復合材料技術(shù)進步的主流趨勢。
用作增強的纖維材料包括有機及無機纖維材料。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復合材料的鮮明特點。大量研究結(jié)果顯示，環(huán)氧樹脂/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等的研究和開發(fā)都取得了可喜進展。由于生物高分子技術(shù)的進步，目前已有可能制得生物聚合物復合材料。在種植、加工、制品成型及使用中，其明顯的低碳經(jīng)濟特征，具有引領(lǐng)轉(zhuǎn)變生產(chǎn)模式、改變?nèi)藗兏咛枷M傾向和碳偏好的可能，因而正形成產(chǎn)業(yè)用紡織品一個新的開發(fā)領(lǐng)域。表 1 為幾種主要的纖維增強復合材料的性能特征比較。
和常用的玻璃纖維相比，作為增強復合材料的植物纖維通常具有以下特點。
（1）植物纖維復合材料的機械特點
一般說來，植物纖維復合材料機械性能的變化，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，以其作復合材料基質(zhì)，單一PP聚合物密度為 1.0 g/cm3，剛性指標 1.5 GPa。實驗結(jié)果顯示，在其他條件設定好的狀態(tài)下，將植物纖維置于 3 種取向態(tài)時，其復合材料剛性的最大值分別為：單取向纖維 20 ～ 30 GPa，兩維無序（2D Random）取向纖維 7 ～ 11 GPa，三維無序（3D Random）取向纖維 3 ～ 5 GPa。
（2）植物纖維添加量對復合材料性能的影響
高性能的植物纖維具有優(yōu)良的機械性能，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，植物纖維的復合材料可以獲取更高的剛性指標。
（3）植物纖維復合材料具有成本上的優(yōu)勢
工業(yè)品生產(chǎn)中，制造成本對企業(yè)來說至關(guān)重要。盡管植物纖維源于低成本的生物質(zhì)資源，但仍需投入多項費用，如種植投入、纖維提取加工費用以及纖維轉(zhuǎn)化為適宜復合材料加工的預制品加工費用等。一般來說，兩維無序纖維作原料，其預制品成本較低。加工成非織造布氈的形式，其預制品加工費偏高，約 1.8 歐元/kg，而玻璃纖維氈預制品的加工費高達 2.6 歐元/kg。可以認定，植物纖維非織造氈預制品的低成本，可以決定其復合材料在相同成本下的條件下獲得更佳的機械性能。表 2 為幾種常用的增強復合材料用纖維材料的價格比（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，其復合材料的彈性和斷裂強度指標取決于增強纖維含量及其取向度。同類纖維材料的物理性能同其化學組成、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)。
玻璃纖維是增強復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，機械性能也與玻璃纖維相似。麻纖維與其他天然纖維一樣，當處于激烈震蕩條件下時易于出現(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，斷裂伸長率1.5%，基本與碳纖維相近，完全可做復合材料增強組分。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 為可用做增強復合材料的麻纖維與玻璃纖維的技術(shù)特征比較。
在可用做增強復合材料的麻纖維的評價中，有兩個重要數(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，麻纖維在復合材料上使用具備非常好的機械性能。
3天然植物纖維增強復合材料的技術(shù)開發(fā)現(xiàn)狀
隨著全球環(huán)保意識的日益增強，自20世紀50年代以來，天然植物纖維增強復合材料開始在乘用車內(nèi)飾領(lǐng)域使用。在歐洲、北美等市場，熱塑性、熱固性植物纖維復合材料被用于制做汽車門板、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復合材料，其克重為 450 ～ 2 400 g/m2，產(chǎn)品供給北美汽車市場，用戶包括克萊斯勒、奔馳SUV和福特等。
德國Quadrant公司開發(fā)的植物纖維增強復合材料在汽車內(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、BMW 7和伊維柯等中。
克萊斯勒公司2005年開始在A級兩門乘用車上使用植物纖維增強復合材料，使用的產(chǎn)品包括瑞士Reiter（立達）公司提供的PP/馬尼拉麻天然纖維增強復合材料。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合材料也已投放市場。
法國Lineo公司開發(fā)了亞麻與環(huán)氧樹脂的增強復合材料，其預浸漬制品的技術(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/碳纖維增強復合材料，可用做自行車構(gòu)架，并已通過公路試驗取得了認可。在該復合材料中，碳纖維承載剛性負荷，而亞麻纖維可起到減震作用。近期該纖維增強復合材料正于自行車輪轂上試用。
采用洋麻/亞麻混合組分（混合比 50/50）為增強相，以非織造布形式與環(huán)氧樹脂制得熱固性增強復合材料，產(chǎn)品已用于汽車內(nèi)裝飾。
法國Ralf Schledjewski集團使用洋麻/大麻為混合組分制成的針刺氈，于 20 bar壓力下，采用丙烯酸系樹脂預浸工藝制得熱固性增強復合材料，其機械性能完全可以滿足汽車內(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)，可以開發(fā)工具類產(chǎn)品系列，即以亞麻纖維復合材料替代部分碳纖維復合增強制品。
隨著能源壓力和低碳消費呼聲的增長，汽車工業(yè)面臨著巨大的競爭壓力，日本市場的動向顯示，期望繼續(xù)改進天然纖維復合材料品質(zhì)，用以替代或減少玻璃纖維帶來的危害。歐洲雖然至今尚未出臺限定使用天然纖維復合材料的相關(guān)法規(guī)，但隨著石油資源的不斷減少，天然纖維復合材料的市場潛力已被越來越多的人們所認知。美國福特公司分析認為，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。
天然纖維復合材料雖然在阻燃、燃燒狀態(tài)時無煙和無毒釋放性能上不及一些高性能纖維復合材料，當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，但在汽車內(nèi)飾、建筑與裝飾材料以及運動和休閑制品領(lǐng)域具有可拓展的空間。
4生物增強復合材料（Biocomposites）的技術(shù)進 展
生物增強復合材料是新一代復合材料，近年來受到廣泛關(guān)注，其中細菌纖維素/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合材料的研究開發(fā)取得了可喜進展。
生物增強復合材料由兩個或多個分布區(qū)相組成，增強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Wales大學生物復合材料中心認為，傳統(tǒng)復合材料的性能形成規(guī)律與因素適用于新的生物復合材料，即可指導生物復合材料的合成過程，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JRS公司開發(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成功得到了生物復合增強材料，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復合材料。添加這 4 種植物纖維后，復合材料制品的耐沖擊性能明顯提高，均超過聚苯乙烯板材（耐沖擊強度為 0.7 kJ/m2）。其中纖維素復合材料的E/d值超過了聚苯乙烯，結(jié)果如表 6 所示。
澳大利亞Queensland大學使用蓖麻籽為原料，制得了單一生物質(zhì)原料的生物復合材料。即首先將蓖麻籽轉(zhuǎn)換為蓖麻籽油，進而制得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，纖維切斷長度 3 ～ 7 mm，纖維直徑 30 ～ 35 μm；工業(yè)用纖維束切斷長度 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纖維成型前需進行水浸集束上漿處理，后與PA11聚合物復合，經(jīng)壓塑成型得到新型生物復合材料。復合材料增強相的纖維分布中，無規(guī)分布占 30%，取向部分占 30% ～ 35%。材料密度 1.16 ～ 1.22 g/cm3，具有良好的機械性能，燃燒狀態(tài)下無煙，無毒性氣體釋放，其技術(shù)特征如表 7 所示。
蓖麻作為原料生長期短，單產(chǎn) 10 t/hm2，高于亞麻和大麻。與傳統(tǒng)的復合材料相比，CO2排放量可減少 40%。與環(huán)氧樹脂復合材料比，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復合材料的繼續(xù)研究和改進主要集中在以下 4 個方面，即：蓖麻生長條件與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國內(nèi)可利用的天然植物資源及其增強復合材 料的開發(fā)
麻纖維特別是黃麻或亞麻具有極佳的機械性能，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，開發(fā)麻纖維增強復合材料相對來說要容易許多。
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 多個國家和地區(qū)種植，加拿大Hempline公司的大麻增強復合材料已于20世紀90年放市場。近 10 年間，洋麻在增強復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。
我國具有悠久的麻類纖維種植歷史，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、原位反應自生法制備復合材料的原理和制備工藝過程
為了克服傳統(tǒng)方法制備的復合材料存在增強體顆粒尺寸粗大，熱力學不穩(wěn)定以及界面結(jié)合強度低等缺點，出現(xiàn)了原位合成技術(shù)，即在一定條件下通過化學反應在基體內(nèi)原位生成一種或幾種增強相從而達到強化的目的。原位自生法是通過原料粉末中的某些化學反應生成所需要的反應產(chǎn)物并通過熱壓燒結(jié)工藝制備出復合材料試樣。原位反應自生法可得到增強體顆粒尺寸細小，熱力學性能穩(wěn)定，界面結(jié)合強度高的復合材料，是一種很有前途的顆粒增強復合材料制造工藝。目前報道的原位合成技術(shù)主要有原位反應熱壓燒結(jié)技術(shù)，原位復合技術(shù)，定向氧化技術(shù)，熔體浸漬技術(shù)，反應結(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毜脑粡秃霞夹g(shù)。原位自生法是通過反應物之間的反應生成所需要的反應產(chǎn)物并通過熱壓燒結(jié)工藝實現(xiàn)致密化。原位合成法是利用化學反應在原位生成補強組元-晶須或長徑比較大的晶粒來補強基體材料的制備工藝。原位合成法主要具有如下優(yōu)點：簡化工藝，降低材料成本，實現(xiàn)特殊顯微結(jié)構(gòu)設計和獲得特殊材料性能，具有很好的熱力學穩(wěn)定性。金屬間化合物/陶瓷基復合材料的制備方法主要有原位復合技術(shù)和定向氧化技術(shù)以及原位反應熱壓燒結(jié)工藝。可以采用原位反應熱壓燒結(jié)工藝制備金屬間化合物/陶瓷基復合材料。原位復合技術(shù)是由于金屬間化合物反應的形成熱相對較低，因而采用自蔓延燃燒時系統(tǒng)不易達到較高的絕熱溫度，故一般采用原位復合技術(shù)制備和合成復合材料。原位復合技術(shù)是利用放熱反應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毜脑粡秃霞夹g(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自發(fā)的產(chǎn)生并在整個混合物中處處發(fā)生反應。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合材料。原位反應熱壓燒結(jié)工藝是將原位反應和熱壓燒結(jié)工藝相結(jié)合制備致密的復合材料。
三、原位反應自生法制備復合材料在材料科學與工程專業(yè)實驗教學中的研究和應用
原位反應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/陶瓷復合材料等。在材料科學與工程專業(yè)的教學課程中，其中材料加工工程和材料制備與合成方法講述過原位反應自生法。原位反應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)。原位反應自生法同樣是熱加工工藝，原位反應自生法涉及到反應物高溫化學反應制備產(chǎn)物的過程。在材料科學與工程專業(yè)課程的課堂教學中，在有些專業(yè)課程中原位反應自生法只是作為了解，對于原位反應自生法制備復合材料的具體內(nèi)容和制備工藝步驟的研究和應用了解很少。所以就需要在材料科學與工程專業(yè)的實踐教學課程中增加一些關(guān)于原位反應自生法制備復合材料的實驗課程。通過原位反應自生法制備復合材料的實踐教學活動可以使學生認識和了解原位反應自生法制備復合材料的原理，制備工藝過程以及對經(jīng)過原位反應自生工藝后得到的金屬基復合材料燒結(jié)制品的物相組成，顯微結(jié)構(gòu)和性能進行研究，使學生通過對復合材料的制備與研究過程可以加深學生對材料科學與工程專業(yè)課程學習的認識和了解。對于本科學生的教學實踐課程，可以在本科學生的本科專業(yè)課程設計和本科畢業(yè)設計過程中安排采用原位反應自生工藝制備金屬基復合材料和金屬陶瓷復合材料的教學內(nèi)容。例如采用原位反應自生工藝可以制備金屬陶瓷復合材料，先將金屬陶瓷粉末通過壓力成型工藝制成坯體，并通過原位反應自生工藝和高溫燒結(jié)工藝制備金屬陶瓷復合材料。高溫燒結(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。采用原位反應合成工藝可以制備金屬間化合物/陶瓷基復合材料，通常先將金屬間化合物粉末和陶瓷粉末通過壓力成型過程在一定壓力下壓制成具有一定形狀和致密度的預制件，通過原位反應自生法和高溫燒結(jié)工藝形成金屬間化合物/陶瓷基復合材料。高溫燒結(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。有時將原位反應自生法和熱壓燒結(jié)工藝相結(jié)合制備致密的復合材料燒結(jié)塊材。通過實驗教學過程使學生認識和了解到原位反應自生法制備金屬陶瓷復合材料的制備工藝過程，提高學生對專業(yè)課程學習的認識和了解。使學生通過實驗教學認識和了解了原位反應自生工藝制備復合材料的制備工藝原理，使用方法和制備過程，以及對得到產(chǎn)物的物相組成和顯微結(jié)構(gòu)進行分析和測試。原位自生法可以制備金屬基復合材料，金屬陶瓷復合材料等。采用原位反應自生法可以制備顆粒增強的金屬基或陶瓷基復合材料。
原位反應自生工藝制備復合材料涉及到反應物在高溫下發(fā)生化學反應生成反應產(chǎn)物的過程，原位反應合成技術(shù)操作過程比較簡單，對設備要求較低，只需要高溫燒結(jié)爐，可以進行現(xiàn)場操作，因此可以作為本科學生的實驗課程教學內(nèi)容，可作為材料科學與工程專業(yè)課程的輔助教學實驗，也可以作為本科專業(yè)課程設計和本科畢業(yè)設計教學內(nèi)容。使學生通過實踐教學來加深對材料科學與工程專業(yè)課程的認識和掌握。使學生認識到金屬基復合材料的制備過程以及金屬陶瓷復合材料的制備過程等，并使得學生對原位反應自生法得到的燒結(jié)制品進行分析和測試，使學生對材料的分析和檢測水平有較大的提高。對于拓展學生的知識面有很大的幫助。為本科學生以后的本科專業(yè)課程設計和本科畢業(yè)設計打下堅實的實驗基礎(chǔ)。
四、原位反應自生法制備復合材料的未來發(fā)展趨勢和應用
0引言
對于我國制造業(yè)而言，材料成型與控制工程是其實現(xiàn)長期健康發(fā)展的根本保障，不僅如此，材料成型與控制工程也是我國機械制造業(yè)的關(guān)鍵環(huán)境，因此，相關(guān)企業(yè)必須對其給予高度重視。無論是電力機械制造，還是船只等交通工具制造，均離不開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)量將會直接決定機械制造水平與質(zhì)量。因此，對材料成型與控制工程中的金屬材料加工技術(shù)進行細化分析，具有非常重要的現(xiàn)實意義。
1金屬材料選材原則
在金屬復合材料成型加工過程中，將適量的增強物添加于金屬復合材料中，可以在很大程度上高材料的強度，優(yōu)化材料的耐磨性，但與此同時，也會在一定程度上擴大材料二次加工的難度系數(shù)，正因此，不同種類的金屬復合材料，擁有不同的加工工藝以及加工方法。例如，連續(xù)纖維增強金屬基復合材料構(gòu)件等金屬復合材料便可以通過復合成型；而部分金屬復合材料卻需要經(jīng)過多重技術(shù)手段，才能成型，這些成型技術(shù)的實踐，需要相關(guān)工作人員長期不斷加以科研以及探究，才能正式投入使用，促使金屬復合材料成型加工技術(shù)水平與質(zhì)量實現(xiàn)不斷發(fā)展與完善。由于成型加工過程中，如果技術(shù)手段存在細小紕漏，或是個別細節(jié)存在問題，均會給金屬基復合材料結(jié)構(gòu)造成一定的影響，導致其與實際需求出現(xiàn)差異，最終為實際工程預埋巨大的風險隱患，誘發(fā)難以估量的后果。所以，相關(guān)工作人員在對金屬復合材料進行選材過程中，必須準確把握金屬材料的本質(zhì)以及復合材料可塑性，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機械加工成型
當前，金屬材料成型與控制工程中，應用最為廣泛的金屬切割刀具便是金剛石刀具，以金剛石刀具對鋁基復合材料進行精加工，與其他金屬基復合材料，例如，鉆、銑以及車等，均是現(xiàn)代社會中廣而易見的。鋁基復合材料的金剛石刀具加工形式可以細化為三種：其一，車削形式；其二，銑削形式；其三，鉆削形式。其中，鉆削即通過鑲片麻花鉆頭對鋁基復合材料進行加工，常見的有B4C以及SiC顆粒鉆削，然后添加適量的外切削液，可以有效強化鋁基復合材料。銑削即通過1.5%-2.0%（W+C）粘結(jié)劑，8.0%-8.5%PCD的端面銑刀對鋁基復合材料進行加工，常見的有SiC顆粒銑削增強鋁基復合材料，然后添加適量的切削液進行冷卻。車削以硬合金刀具為主要的切割工具，例如，A1/SiC車削符合材料，并添加適量的乳化液對其進行冷卻處理。
2.2擠壓與鍛模塑性成型
金屬材料實際成型加工過程中，相關(guān)工作人員可以通過模具表面涂層以及添加劑等技術(shù)手段，對實踐操作過程中的壓力進行有效改善，降低加工操作過程中的摩擦阻力，據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，這樣可以促使加工過程中的擠壓力縮減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顆粒，可以促使金屬基材料的可塑性得到弱化，進而變形抗力得以大幅度提升，此時提高擠壓溫度，可以加快增強顆粒與金屬基材料的溶合速率，優(yōu)化二者的溶合效果。普遍來說，增強顆粒含量會直接影響擠壓速度，由此可見，只有金屬基復合材料中的增強物含量較低，才能提高擠壓速度，如果金屬基復合材料中的增強物含量較高，相關(guān)人員必須嚴格控制擠壓速度。不過，擠壓速度超高的話，也會導致金屬材料成型后，便面出現(xiàn)橫向裂紋。綜上，相關(guān)人員在應用擠壓與鍛模塑性成型加工技術(shù)時，不僅要在金屬復合材料表面進行涂層或是劑處理，還要對擠壓溫度進行嚴格控制，并結(jié)合實際，對擠壓速度進行有效調(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
復合材料生產(chǎn)過程中，應用最廣泛的加工技術(shù)便是鑄造成型技術(shù)，實際鑄造過程中，金屬基復合材料中添加增強顆粒后，熔體的粘度以及流動性均會顯著提升，加之增強顆粒與熔體在高溫下的化學反應作用，便會改變基礎(chǔ)材料本質(zhì)，此時相關(guān)工作人員必須在熔化金屬基復合材料的過程中，對其熔化溫度以及保溫時間進行嚴格管控。高溫時，添加的增強顆粒，尤其是碳化硅顆粒，極易產(chǎn)生界面反應，例如，3SiCA1-A14C3+3Si等。進而導致熔體粘度過大，難以澆筑，影響材料本質(zhì)。此時相關(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鋁基復合材料。
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)基復合材料的手段，具有非常豐厚的實踐檢驗，不僅如此，該技術(shù)手段還適用于尺寸較小、形狀簡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)具有組織細密、增強相分布均勻、增強相可調(diào)節(jié)以及界面反應較少等特點，DWA公司現(xiàn)階段，應經(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增強鋁合金基體、管材、自行車零件、自行車支撐設備架以及自行車架等。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、比模量以及比強度，因此，也受到了航天器材、飛機以及汽車的廣泛推崇。
3結(jié)語
金屬材料在材料成型與控制工程中，屬于加工難點，而且極具重要性，發(fā)展前景非常廣闊，隨著科學技術(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，我國必須給予高度重視，通過不斷科研，促使自身的技術(shù)水平實現(xiàn)突破與創(chuàng)新，這對提高我國的國際競爭力至關(guān)重要。
參考文獻：
關(guān)鍵詞：
復合材料；有色金屬材料；性能分析；
就有色金屬材料的發(fā)展情況來看，目前在航空航天、機械制造以及交通運輸領(lǐng)域，得到了較為廣泛的應用。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，有色金屬材料在相關(guān)產(chǎn)業(yè)中的應用變得越發(fā)廣泛，加強有色金屬材料性能，對于提升相關(guān)產(chǎn)業(yè)進步來說，具有著一定的積極意義?？茖W技術(shù)的發(fā)展和進步，為提高有色金屬材料性能打下了堅實的基礎(chǔ)，進一步提升有色金屬材料的性能，可以更好地促進機械制造業(yè)、航空航天事業(yè)的發(fā)展，滿足當下人們對有色金屬材料的實際需要。因此，提升有色金屬材料性能，利用復合材料增強其性能的研究，成為當下有色金屬材料發(fā)展的一個熱門議題。本文對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材料后，形成的復合材料效果檢測，闡述了復合型的有色金屬材料在相關(guān)產(chǎn)業(yè)中應用的優(yōu)勢，以期更好地促進有色金屬材料性能的提升。
1有色金屬材料SiC的復合材料增強效果研究
本文對SiC這一有色金屬材料的增強性研究，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，可以增強其性能，具有較好的強化效果。
1.1SiC添加ZA22鋅基合金的加入量和加入方式分析SiC顆粒是國產(chǎn)a型砂輪磨料，在實際生產(chǎn)過程中得到了廣泛的應用。這種有色金屬材料的應用，主要是通過添加ZA22鋅基合金，增強了其性能，讓SiC顆粒能夠更好地應用于砂輪磨料當中。在進行SiC增強過程中，ZA22鋅基合金的加入量應為復合材料鑄錠的5%、10%、20%，在添加過程中，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，對漿料進行升溫澆注，保證加強后的SiC能夠具有較好的性能。SiC通過添加ZA22鋅基合金后，將形成SiCp/ZA22復合材料，這種材料對于實際生產(chǎn)更具優(yōu)越的性能，能夠更好地滿足砂輪磨料實際需要[1]。
1.2SiC增強效果分析SiC在添加ZA22鋅基合金后，具有了更加強大的性能，其增強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合材料當中，并且其強度要比復合材料的抗拉強度提升許多。就相關(guān)測試數(shù)據(jù)顯示，這種添加了ZA22鋅基合金的SiC復合材料，抗拉強度要比原來提升了百分之四十七。同時，SiCp/ZA22復合材料的抗壓值為518，ZA22鋅基合金的抗壓值為352；SiCp/ZA22復合材料的GPa為105E，而ZA22鋅基合金的GPa則為66E。除了SiCp/ZA22復合材料的抗拉強度提升之后，其耐磨損性能也得到了顯著地提升。ZA22鋅基合金添加SiC后，具有了更為強大的耐磨鎖性能，能夠更好地應用于實際生產(chǎn)當中。關(guān)于SiC的耐磨損性能測試數(shù)據(jù)顯示，磨環(huán)的淬火數(shù)值為GCrl5，磨損測試時間為40分鐘，正向壓力數(shù)值為392N，通過磨損試驗后，復合材料會隨著SiC的體積分數(shù)增加而有所變化，對比ZA22鋅基合金的磨損數(shù)據(jù)，磨損的損失量僅為ZA22鋅基合金的一半左右。由此可見，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，形成一種增強型的復合型材料后，更加有利于實際生產(chǎn)應用。
2關(guān)于納米三氧化二鋁（Al2O3）增強銅基材料的應用分析
納米三氧化二鋁的增強型銅基材料，在機械化生產(chǎn)中得到了較為廣泛的應用，通過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度，能夠很好地保證有色金屬材料性能在實際使用中發(fā)揮應有的作用，從而更好地促進我國相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和進步[2]。
2.1關(guān)于納米Al2O3加入量以及相應加入方式的分析納米三氧化二鋁在選擇試驗材料時，主要涉及到銅粉、納米、石墨等材料。其中銅粉占有試驗量的百分之七十，納米三氧化二鋁則為1%~5%，剩余的則為石墨的含量。在進行實際試驗過程中，主要進行了摩擦實驗，摩擦實驗的進行條件如下：設置摩擦的滑動速度為5*10-3m/s，載荷數(shù)值為5000N，在實際測試過程中，要注意磨損穩(wěn)定值，當磨損穩(wěn)定值的摩擦系數(shù)和磨損率保持一致時，對納米三氧化二鋁增強銅基材料進行抗彎強度試驗，其試驗則在5000N的拉力試驗機上進行。納米三氧化二鋁增強銅基材料的實驗，主要是為了測試其在拉力試驗機上的磨損程度，比較復合材料與單一材料的磨損能力以及相應的硬度、抗彎強度數(shù)值[3]。關(guān)于納米三氧化二鋁質(zhì)量分數(shù)的磨損值我們可以從圖中看出：通過對比磨損值與納米三氧化二鋁的質(zhì)量分數(shù)關(guān)系，我們不難看出，載荷為5000N下，納米三氧化二鋁增強銅基材料的磨損量更少，其性能更加優(yōu)越。
2.2納米Al2O3的增強性能分析關(guān)于納米三氧化二鋁增強性能的分析，我們可以從上述的實驗中看出，納米三氧化二鋁增強銅基材料要比傳統(tǒng)的納米三氧化二鋁具備更好的硬度和抗彎強度。試驗過程中，納米三氧化二鋁的體積分數(shù)小于4%時，納米三氧化二鋁增強銅基材料的強度會隨著納米三氧化二鋁的質(zhì)量分數(shù)增強而提升；當納米三氧化二鋁的體積分數(shù)小于4%時，銅基復合材料的抗彎強度也會有所增強。
3鋁合金復合材料的增強性能研究
鋁合金這種復合材料我們并不陌生，在實際應用過程中，鋁合金的應用范圍更加廣泛。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，對鋁合金這種材料的要求也隨之升高，提升鋁合金復合材料的整體性能，對于促進相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展來說，具有著重要的意義。鋁合金材料在實際應用過程中，在不同溫度條件下，其抗拉強度有著明顯的變化，為了更好地應用鋁合金，了解其材料特性的時候，就要加強鋁合金材料的抗拉強度，使之具備更強大的性能，這樣一來，才能更好地滿足實際生產(chǎn)需要。就相關(guān)數(shù)據(jù)實驗顯示，三種鋁合金復合材料在100度的抗拉強度如下：鋁合金（ZL109）抗拉強度為294MPa，K2O.6TiO2/ZL109抗拉強度為296MPa，Al2O3/ZL109抗拉強度為311MPa。由此可見，我們不難看出，鋁合金復合材料的抗拉強度明顯要強于鋁合金材料[4]。
4鎂基復合材料和鋁硅合金的增強性能分析
鎂基復合材料和鋁硅合金的增強，使其在實際應用中具備更好的性能，能夠在實際生產(chǎn)中，滿足實際需要，更好地促進相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和進步。
4.1鎂基復合材料增強性能分析鎂基復合材料的應用，主要是鎂合金基體和非有色金屬材料的結(jié)合，這種復合型材料更好地提升了鎂合金的強度。一般來說，鎂基復合材料在應用過程中，主要添加了碳纖維、氧化鋁、碳化硼顆粒等。鎂基復合材料在制造行業(yè)得到了較為廣泛的應用。有關(guān)鎂基復合材料的性能，在添加體積分數(shù)為30%的碳纖維后，可以增強鎂合金的剪切強度，鎂基復合材料的強度為40MPa，而鎂合金材料的強度則為20MPa，對比兩個數(shù)據(jù)，我們不難看出，鎂基復合材料的性能要超出鎂合金性能太多。
4.2鋁硅合金增強性能分析鋁硅合金增強性能，主要是利用石墨復合材料阻尼性能，增強鋁硅合金的自滑性，降低鋁硅合金的摩擦性，使鋁硅合金能夠在內(nèi)燃機活塞以及軸承中得到廣泛的應用。針對于鋁硅合金增強性能的研究分析，主要選擇7.5%的鋁硅合金作為試驗材料，并添加石墨，其粒度為60~200um。在實際實驗過程中，將石墨均勻加入鋁硅中，并且將其鑄造成型，對其阻尼性能以及相關(guān)化學性能進行有效的檢測。關(guān)于鋁硅合金增強性能的實驗結(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，當鋁硅合金內(nèi)的石墨含量增加后，鋁硅-石墨復合材料的內(nèi)耗增大，可以更好地實現(xiàn)減震目標。
