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2結(jié)果與討論
試驗配方中，添加一定比例的木粉、塑料和相容劑，其中劑總添加比例為2.7%。分別采用一步法、兩步法、三步法工藝進行試驗，其中三步法工藝造粒前劑添加比例為1.35%，造粒后再添加1.35%，按照工業(yè)化的生產(chǎn)流程，擠出15×50mm(厚度×寬度)實心型材。
2.1不同生產(chǎn)工藝對加工性能的影響從表1可以看出，在相同的溫度參數(shù)、主機轉(zhuǎn)速條件下，一步法工藝主機轉(zhuǎn)矩和熔體壓力最大，兩步法工藝最小，三步法工藝次之；從型材外觀上看，兩步法工藝和三步法工藝生產(chǎn)出的型材表面光滑，一步法工藝型材表面有細小的橫線裂紋；從擠出線速比較，三步法工藝是一步法工藝的1.84倍，是兩步法工藝的1.31倍。在相同的主機轉(zhuǎn)速下，主機轉(zhuǎn)矩、熔體壓力和擠出線速主要體現(xiàn)物料的流變性能，將一步法工藝的高混料和兩步法、三步法工藝的造粒料通過扭矩流變儀進行流變性能的測試，從表2的流變特征參數(shù)可以看出，一步法工藝由于混合后的物料沒有經(jīng)過造粒塑化的過程，在型材擠出過程中，需要較長的時間才能將物料塑化熔融，一步法工藝的平衡時間最長，需要3.28min，同時一步法工藝的平衡扭矩也為最大，說明熔融物料的表觀粘度很大，流動性差，型材擠出速度慢；兩步法工藝，平衡時間適中、平衡扭矩低，說明生產(chǎn)時經(jīng)過造粒的過程后，物料較易塑化，物料流動性好[3]；三步法平衡時間最短，平衡扭矩適中，這說明了劑分兩步添加，造粒后添加的劑損失少，縮短了塑化的時間，起到真正的作用，成型時擠出速度快，而平衡扭矩比兩步法工藝略大，可能是因為造粒過程，劑對相容劑的副反應(yīng)小，使得木粉和塑料基體的結(jié)合力增強，熔體壓力增加，這是加快擠出線速的同時提高型材物理機械性能的基礎(chǔ)。
2.2不同生產(chǎn)工藝對材料性能的影響從表3可以看出，彎曲性能上比較，彎曲強度兩步法比一步法高18.4%，三步法比兩步法高19.2%，剛性(彎曲模量)也有同樣變化趨勢。落錘沖擊高度方面，兩步法比一步法高100mm，三步法比兩步法高150mm。從以上數(shù)據(jù)比較可以看出，三步法性能最好，一步法性能最差，這是因為一步法工藝物料通過高速混合機攪拌后，物料中木粉間的結(jié)合水還沒能完全排出，物料水份較多，一般在2%以上，木粉和塑料的界面結(jié)合力差，高混后物料直接通過錐形擠出機擠出型材，物料與螺桿、機筒的剪切力較小，木粉沒能均勻分散在塑料基體中，再加上錐形擠出機低速轉(zhuǎn)動，容易出現(xiàn)木粉聚集成團的質(zhì)量問題，這也是型材表面出現(xiàn)裂紋的原因，同時型材的物理機械性能差。相比兩步法工藝，物料混合后再通過平行雙螺桿擠出機造粒，在強的剪切力作用下，將木粉間的結(jié)合水大部分排出，破壞木質(zhì)纖維間的分子間作用力，使木粉均勻分散于塑料中，同時木粉表面羥基(-OH)與MAPE的酯基(-COO-)發(fā)生反應(yīng)，改善了木粉和塑料的界面結(jié)合力[4]。所以，當型材受到外力作用下，塑料基體能有效地、均勻地通過兩者界面把應(yīng)力傳遞給木粉，界面結(jié)合力的提高，型材的彎曲強度和韌性也隨之提高。三步法工藝將復合劑分兩部分添加，混料時添加一定比例劑，造粒后再添加一定比例劑，復合劑中含有一定比例的硬脂酸類外劑，例如硬脂酸鋅，在混合過程中水分的存在使MAPE產(chǎn)生MAH，可與硬脂酸鋅發(fā)生反應(yīng)，這種反應(yīng)在熱力學上比MAPE與木質(zhì)纖維的偶合更容易發(fā)生，也就使得木粉和塑料的界面結(jié)合力變差[5]。在混料時添加一部分劑以滿足造粒過程中剪切和分散的需要，防止塑料的降解和木粉的碳化，相比兩步法工藝，造粒時劑量少，剪切力也大，水分容易排除，也降低硬脂酸類外劑對MAPE的影響，這樣相對兩步法提高木粉和塑料的界面結(jié)合力，型材的性能明顯提高。造粒后再添加劑進行混合以保證型材擠出表面光滑度，提高擠出線速和型材性能穩(wěn)定性。從圖2不同生產(chǎn)工藝的30天吸水率比較可以看出，隨著浸泡時間的增加，吸水率都逐漸增加，其中采用三步法工藝生產(chǎn)的型材吸水率最小，30天浸泡的吸水率為1.75%，采用一步法工藝生產(chǎn)的型材吸水率最大，30天浸泡的吸水率為3.60%，是三步法工藝型材吸水率的2.05倍。這是因為木塑復合材料的吸水性主要是由木粉引起的，通常界面結(jié)合力差、分散越不均勻的木塑復合材料吸水率越大[4]。木粉有較強的吸水性，易吸水后與水分子之間形成氫鍵，木粉和塑料是典型的海島結(jié)構(gòu)，一步法工藝木粉的分散性和界面結(jié)合力差，木粉還沒被塑料完全包裹，水分子進入兩者的間隙易與木粉形成氫鍵，吸水率增加。三步法工藝提高了木粉的分散性和界面結(jié)合力，吸水率較小。
2.3不同工藝生產(chǎn)的木塑復合材料SEM分析通過SEM觀察型材斷面形貌，可以客觀反映木粉和塑料的界面結(jié)合。圖3是一步法工藝生產(chǎn)的型材斷面形貌，可以明顯看出，斷面分布很不均勻，說明木粉并沒能在塑料中很好的分散，且出現(xiàn)一些小空洞，可能是由于木粉沒被塑料很好包裹造成，說明木粉和塑料界面結(jié)合較差，受到應(yīng)力作用時，從界面結(jié)合處開始發(fā)生斷裂；圖4是兩步法工藝生產(chǎn)的型材斷面形貌，可以看出兩相分布的均勻性有較大改善，出現(xiàn)較多的纖維拉絲現(xiàn)象和小孔洞，說明兩步法工藝能使木粉在塑料中分散均勻；圖5是三步法工藝的型材斷面形貌，可以明顯看出斷面很粗糙，且出現(xiàn)纖維拉絲現(xiàn)象和深孔洞，說明三步法工藝生產(chǎn)的型材，不僅兩相分散均勻，而且能提高兩相的界面結(jié)合力，受到應(yīng)力作用發(fā)生斷裂時，木粉被抽出形成深的孔洞。
國外對碳纖維復合材料的研究起步比較早。結(jié)合研究需要成立了相應(yīng)的碳纖維復合材料研究協(xié)會，制訂了相應(yīng)的測量標準、實施規(guī)范、檢測標準、施工規(guī)程等，制訂了研究發(fā)展方向，加大經(jīng)碳纖維復合材料再實際中的應(yīng)用研究，經(jīng)過多年的研究，目前國外發(fā)達國家已經(jīng)有較為成熟的碳纖維復合材料理論、研究體系和研究成果，并且通過實驗性應(yīng)用獲得了第一手資料，通過大量實驗已經(jīng)有了一定的應(yīng)用實例。目前由于碳纖維復合材料特有的可根據(jù)工程需要加工成各種織物材料，滿足工程需要，而且織物表現(xiàn)出很高的強度的特點，因此碳纖維復合材料大量應(yīng)用在房屋建筑工程的加固工程中、橋梁工程等的加固、維修和保養(yǎng)上。從研究現(xiàn)狀來看，我國對碳纖維復合材料的研究起步比較晚，缺少系統(tǒng)化、本土化的研究體系，主要理論和研究標準、方法借鑒先進國家的研究成果，缺少實際使用經(jīng)驗的搜集和整理，施工規(guī)范上過于依賴國外成熟經(jīng)驗，缺少本土化的實踐經(jīng)驗和研究體系，研究方向主要集中碳纖維增強聚合物片材加固和修復鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，而且應(yīng)用也比較成熟。例如采用碳纖維增強聚合物片材對上海財經(jīng)大學24m跨度的木結(jié)構(gòu)進行加固，采用碳纖維布對天安門城樓上的大型木柱進行加固[1]；等等。單麗萍《碳纖維布在建筑結(jié)構(gòu)加固中的施工措施淺析》（民營科技2012.8）研究指出，碳纖維增強聚合物加固技術(shù)是一種新型高效的土木工程加固修復技術(shù)，具有質(zhì)量輕、強度高強、施工簡單等優(yōu)點。并對碳纖維布在加固和維護建筑結(jié)構(gòu)中的施工措施進行分析，之處隨著對新材料碳纖維(CFRP)的研究的深入，用CFRP取代鋼板作為外貼對建筑物進行加固是一種必然趨勢。并現(xiàn)針對碳纖維加固的原理、依據(jù)、前提進行了探討，并對施工工藝進行了簡要的論述。張勇《CFRP加固混凝土梁的凍融試驗研究》（河北建筑工程學院學報2012.1），碳纖維(CFRP)雖然在加固工程中已得到廣泛應(yīng)用，但其長期的加固性能尚未得到證實。尤其在我國北方較寒冷地區(qū)，因此研究凍融循環(huán)對碳纖維加固的混凝土構(gòu)件的影響。試驗研究顯示碳纖維基本能夠滿足寒冷地區(qū)的加固要求。舒亞《碼頭改造工程中碳纖維加固技術(shù)的運用》（水利建設(shè)與管理2014.3）一文中研究指出：伴隨著材料研究的深入，混凝土結(jié)構(gòu)的加固技術(shù)也日益提高，結(jié)合工程實例，闡述在碼頭改造工程中如何將碳纖維加固技術(shù)運用到水工結(jié)構(gòu)物的主要受力構(gòu)件，為碼頭水工結(jié)構(gòu)物的加固修復帶來新的舉措，保障了碼頭水工建筑物的安全。整體上來說，碳纖維復合材料在土木工程中的使用研究目前基本集中在混凝土結(jié)構(gòu)的修復和加固上，相信隨著研究的深入，碳纖維加固技術(shù)在土木工程結(jié)構(gòu)的運用日益廣泛。
1.2最新研究進展和趨勢
日本開發(fā)研制成功一種帶有鋁合金接頭碳纖維聚合卷管。研究發(fā)現(xiàn)這種聚合卷管具有高效的結(jié)構(gòu)體系，在實際應(yīng)用中可以獲得特殊的建筑效果[1]。也有學者提出利用碳纖維優(yōu)良的導電性，通過相應(yīng)手段監(jiān)測碳纖維復合材料加固部位導電性能的變化情況，實現(xiàn)對對土木建筑物或橋梁等的無創(chuàng)口健康監(jiān)測和診斷，而目前利用碳纖維優(yōu)良的導電性，實現(xiàn)對建筑結(jié)構(gòu)的實時監(jiān)測應(yīng)用研究不多，鄭立霞《局部疊層碳纖維水泥基材料的應(yīng)變電阻效應(yīng)研究》（四川大學學報(工程科學版)2011.2）研究指出利用不同將碳纖維所具有的特有的導電特性，將不同碳纖維取代鋼筋加入普通混凝土中，普通混凝土便成為具有自診斷功能特性的智能混凝土。利用這些功能特性可望實現(xiàn)土木工程結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)設(shè)施的健康監(jiān)測。并通過實驗研究局部疊層碳纖維取代鋼筋形成的三點彎曲梁在單調(diào)和循環(huán)拉應(yīng)力作用下電阻的變化規(guī)律，分析了局部疊層碳纖維水泥基材料的應(yīng)變-電阻效應(yīng)，在此基礎(chǔ)上進行橫向?qū)Ρ?，實驗結(jié)果表明，局部疊層碳纖維水泥基材料的應(yīng)變靈敏系數(shù)是連續(xù)碳纖維水泥基材料應(yīng)變靈敏系數(shù)的近23倍，但穩(wěn)定性要差一些；局部疊層碳纖維水泥基材料的電阻和拉伸應(yīng)變成正比例，因此利用這一特性把可望把局部疊層碳纖維用于土木工程，便于實現(xiàn)在結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)設(shè)施的健康監(jiān)測。
2碳纖維復合材料在構(gòu)件承載力不足的情況下的應(yīng)用
雖然在土木工程施工過程中在施工階段，從上到下有嚴格的施工規(guī)范和要求，但是實際過程中卻常常存在由于施工管理不嚴、施工人員能力缺陷、致使施工質(zhì)量不能達到要求，特別是混凝土構(gòu)件承載力不足導致在建工程或建成工程使用時在安全隱患，存在一定的潛在質(zhì)量風險，可能導致傷害事故的發(fā)生，在這種情況下，如何在不拆除現(xiàn)有混凝土結(jié)構(gòu)的條件下對混凝土構(gòu)件進行范圍內(nèi)的加固和修復是要解決的問題，使用碳纖維復合材料為主要原料的纖維增強聚合布進行加固，可以在不毀壞現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，使混凝土結(jié)構(gòu)得到理想的增補效果。加上纖維增強聚合布施工過程中無需任何重型機械，施工空間不受限制的優(yōu)點，因此在維護和加固現(xiàn)有建筑中得到大量應(yīng)用。
2.1碳纖維復合材料在民用建筑加固方面的應(yīng)用
由于碳纖維增強聚合布的材料性能的特點，碳纖維增強聚合布大量應(yīng)用在民用建筑中，如梁、板、柱、頂、梁腹裂縫發(fā)展過大的構(gòu)件加固中。碳纖維增強聚合布加固可有效控制裂縫的發(fā)展。在使用碳纖維復合材料對不同部位進行加固時，操作手段、方法有一定差異。目前通常使用碳纖維布對鋼筋混凝土裂縫等進行加固時首先選取合適粘合劑，以免造成粘合不緊密，加固效果差，在此基礎(chǔ)上注意粘貼在混凝土裂縫處。在對鋼筋混凝土抗彎構(gòu)件進行加固時，通常采用特殊粘合劑將碳纖維布粘貼于混凝土構(gòu)件強力受拉區(qū)，通過碳纖維布增加受拉區(qū)域強度，實現(xiàn)碳纖維布分擔工程結(jié)構(gòu)中混凝土鋼筋的承受拉力，提高混凝土構(gòu)件的抗彎承載力和受拉承載力。碳纖維復合材料加固損傷的受彎構(gòu)件時，結(jié)果表明，通過碳纖維布的加固，檢驗結(jié)果顯示，加固部位剛度恢復非常顯著，加固部位強度和加固量、損傷程度具有一定關(guān)系，通過加固，兩者都有不同程度的改善提高。在工程中使用碳纖維復合材料進行抗剪力加固時，一般要求將碳纖維復合材料粘貼于加固構(gòu)件的受剪力區(qū)，力求形成整體的拉力，促使碳纖維復合材料的作用類似于箍筋，從而形成一定的加固力量，有效控制混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的進一步發(fā)展。目前研究結(jié)果表明，理論上推算碳纖維復合材料的隨著外界條件變化應(yīng)變發(fā)展比較緩慢，在實踐中用于加固混凝土構(gòu)件時，碳纖維復合材料達到的最大應(yīng)變值比較小。在加固混凝土構(gòu)件屈服后，碳纖維復合材料逐漸取代混凝土構(gòu)件箍筋的作用逐，從而有效提高構(gòu)件抗剪承載力，碳纖維復合材料對工程質(zhì)量提高程度與加固方式、加固量、帶間距及粘貼層數(shù)密切相關(guān)。因此實踐中使用碳纖維復合材料對一定的混凝土結(jié)構(gòu)進行維修和加固時，要區(qū)別對待，不同位置、強度的部件進行加強所需粘貼量不同，過多過少都不利于加固效果的最優(yōu)化，如粘貼過量碳纖維增強聚合布，可能會導致不能充分的發(fā)揮碳纖維增強聚合布的優(yōu)勢。由于碳纖維增強聚合布的可設(shè)計性的優(yōu)勢它與所加固構(gòu)建之間粘貼比較緊密，可以在不改變現(xiàn)有建筑外觀形狀的基礎(chǔ)上進行整體加固，因此在一些對整體構(gòu)件加固質(zhì)量要求比較高，碳纖維聚合布在得到大量應(yīng)用，如對歷史建筑的搶救、保護和維護和原有建筑，同時構(gòu)件的整體抗震性能得到提高。
2.2橋梁建設(shè)加固方面碳纖維復合材料的應(yīng)用
由于碳纖維復合材料的使用特點，碳纖維增強聚合布可以應(yīng)用在橋梁加固方面。如磨損、裂縫、局部塌陷的橋面，可以在保持現(xiàn)有混凝土構(gòu)件的情況下，通過適當修補后加貼碳纖維增強聚合布，從而提高橋面堅固程度和增加使用壽命，如一般采用將碳纖維增強聚合布粘貼于橋面板下面，在提高橋面整體平整的基礎(chǔ)上可以增強橋面板的抗彎及抗剪能力，延長橋梁使用壽命，目前碳纖維復合材料在橋梁建設(shè)方面的用途主要有兩類，現(xiàn)有橋梁的加固方面和新橋梁的建設(shè)使用。在橋梁加固方面碳纖維復合材料主要用于混凝土橋梁的基本構(gòu)件、節(jié)點、裂縫受彎構(gòu)件、抗彎構(gòu)件等的加固，加固的目的主要是提高橋梁的面板、構(gòu)件的抗彎、受彎、抗剪、軸向抗壓承載力等，橋梁建設(shè)加固方面碳纖維復合材料的應(yīng)用在國外應(yīng)用廣泛，我國在這方面的工程實踐是在引進吸收國外先進經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國橋梁工程和新材料發(fā)展狀況，2003年7月對1971年建成的“寶成橋”進行了加固維修。提高了大橋承載強度，同時對大橋基本構(gòu)件提供了抗裂防腐的保護作用[2-5]。但是碳纖維增強聚合布加固混凝土橋柱、橋梁時，應(yīng)注意原有混凝土構(gòu)件橫向膨脹性能促使外包碳纖維增強聚合布的局部環(huán)向剛度增大，導致混凝土原有構(gòu)件的脆性破壞，因此在應(yīng)用碳纖維增強聚合布維修橋梁加固混凝土柱時要注意完全粘貼整個構(gòu)件。
隨著科技的發(fā)展，樹脂與玻璃纖維在技術(shù)上不斷進步，生產(chǎn)廠家的制造能力普遍提高，使得玻纖增強復合材料的價格成本已被許多行業(yè)接受，但玻纖增強復合材料的強度尚不足以和金屬匹敵。因此，碳纖維、硼纖維等增強復合材料相繼問世，使高分子復合材料家族更加完備，已經(jīng)成為眾多產(chǎn)業(yè)的必備材料。目前全世界復合材料的年產(chǎn)量已達550多萬噸，年產(chǎn)值達1300億美元以上，若將歐、美的軍事航空航天的高價值產(chǎn)品計入，其產(chǎn)值將更為驚人。從全球范圍看，世界復合材料的生產(chǎn)主要集中在歐美和東亞地區(qū)。近幾年歐美復合材料產(chǎn)需均持續(xù)增長，而亞洲的日本則因經(jīng)濟不景氣，發(fā)展較為緩慢，但中國尤其是中國內(nèi)地的市場發(fā)展迅速。據(jù)世界主要復合材料生產(chǎn)商PPG公司統(tǒng)計，2000年歐洲的復合材料全球占有率約為32%，年產(chǎn)量約200萬噸。與此同時，美國復合材料在20世紀90年代年均增長率約為美國GDP增長率的2倍，達到4%~6%。2000年，美國復合材料的年產(chǎn)量達170萬噸左右。特別是汽車用復合材料的迅速增加使得美國汽車在全球市場上重新崛起。亞洲近幾年復合材料的發(fā)展情況與政治經(jīng)濟的整體變化密切相關(guān)，各國的占有率變化很大?？傮w而言，亞洲的復合材料仍將繼續(xù)增長，2000年的總產(chǎn)量約為145萬噸，預(yù)計2005年總產(chǎn)量將達180萬噸。
從應(yīng)用上看，復合材料在美國和歐洲主要用于航空航天、汽車等行業(yè)。2000年美國汽車零件的復合材料用量達14.8萬噸，歐洲汽車復合材料用量到2003年估計可達10.5萬噸。而在日本，復合材料主要用于住宅建設(shè)，如衛(wèi)浴設(shè)備等，此類產(chǎn)品在2000年的用量達7.5萬噸，汽車等領(lǐng)域的用量僅為2.4萬噸。不過從全球范圍看，汽車工業(yè)是復合材料最大的用戶，今后發(fā)展?jié)摿θ允志薮?，目前還有許多新技術(shù)正在開發(fā)中。例如，為降低發(fā)動機噪聲，增加轎車的舒適性，正著力開發(fā)兩層冷軋板間粘附熱塑性樹脂的減振鋼板；為滿足發(fā)動機向高速、增壓、高負荷方向發(fā)展的要求，發(fā)動機活塞、連桿、軸瓦已開始應(yīng)用金屬基復合材料。為滿足汽車輕量化要求，必將會有越來越多的新型復合材料將被應(yīng)用到汽車制造業(yè)中。與此同時，隨著近年來人們對環(huán)保問題的日益重視，高分子復合材料取代木材方面的應(yīng)用也得到了進一步推廣。例如，用植物纖維與廢塑料加工而成的復合材料，在北美已被大量用作托盤和包裝箱，用以替代木制產(chǎn)品；而可降解復合材料也成為國內(nèi)外開發(fā)研究的重點。
另外，納米技術(shù)逐漸引起人們的關(guān)注，納米復合材料的研究開發(fā)也成為新的熱點。以納米改性塑料，可使塑料的聚集態(tài)及結(jié)晶形態(tài)發(fā)生改變，從而使之具有新的性能，在克服傳統(tǒng)材料剛性與韌性難以相容的矛盾的同時，大大提高了材料的綜合性能。
樹脂基復合材料的增強材料
樹脂基復合材料采用的增強材料主要有玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維等。
1、玻璃纖維
目前用于高性能復合材料的玻璃纖維主要有高強度玻璃纖維、石英玻璃纖維和高硅氧玻璃纖維等。由于高強度玻璃纖維性價比較高，因此增長率也比較快，年增長率達到10%以上。高強度玻璃纖維復合材料不僅應(yīng)用在軍用方面，近年來民用產(chǎn)品也有廣泛應(yīng)用，如防彈頭盔、防彈服、直升飛機機翼、預(yù)警機雷達罩、各種高壓壓力容器、民用飛機直板、體育用品、各類耐高溫制品以及近期報道的性能優(yōu)異的輪胎簾子線等。石英玻璃纖維及高硅氧玻璃纖維屬于耐高溫的玻璃纖維，是比較理想的耐熱防火材料，用其增強酚醛樹脂可制成各種結(jié)構(gòu)的耐高溫、耐燒蝕的復合材料部件，大量應(yīng)用于火箭、導彈的防熱材料。迄今為止，我國已經(jīng)實用化的高性能樹脂基復合材料用的碳纖維、芳綸纖維、高強度玻璃纖維三大增強纖維中，只有高強度玻璃纖維已達到國際先進水平，且擁有自主知識產(chǎn)權(quán)，形成了小規(guī)模的產(chǎn)業(yè)，現(xiàn)階段年產(chǎn)可達500噸。
2、碳纖維
碳纖維具有強度高、模量高、耐高溫、導電等一系列性能，首先在航空航天領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，近年來在運動器具和體育用品方面也廣泛采用。據(jù)預(yù)測，土木建筑、交通運輸、汽車、能源等領(lǐng)域?qū)笠?guī)模采用工業(yè)級碳纖維。1997~2000年間，宇航用碳纖維的年增長率估計為31%，而工業(yè)用碳纖維的年增長率估計會達到130%。我國的碳纖維總體水平還比較低，相當于國外七十年代中、末期水平，與國外差距達20年左右。國產(chǎn)碳纖維的主要問題是性能不太穩(wěn)定且離散系數(shù)大、無高性能碳纖維、品種單一、規(guī)格不全、連續(xù)長度不夠、未經(jīng)表面處理、價格偏高等。
3、芳綸纖維
20世紀80年代以來，荷蘭、日本、前蘇聯(lián)也先后開展了芳綸纖維的研制開發(fā)工作。日本及俄羅斯的芳綸纖維已投入市場，年增長速度也達到20%左右。芳綸纖維比強度、比模量較高，因此被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域的高性能復合材料零部件（如火箭發(fā)動機殼體、飛機發(fā)動機艙、整流罩、方向舵等）、艦船（如航空母艦、核潛艇、游艇、救生艇等）、汽車（如輪胎簾子線、高壓軟管、摩擦材料、高壓氣瓶等）以及耐熱運輸帶、體育運動器材等。
4、超高分子量聚乙烯纖維
超高分子量聚乙烯纖維的比強度在各種纖維中位居第一，尤其是它的抗化學試劑侵蝕性能和抗老化性能優(yōu)良。它還具有優(yōu)良的高頻聲納透過性和耐海水腐蝕性，許多國家已用它來制造艦艇的高頻聲納導流罩，大大提高了艦艇的探雷、掃雷能力。除在軍事領(lǐng)域，在汽車制造、船舶制造、醫(yī)療器械、體育運動器材等領(lǐng)域超高分子量聚乙烯纖維也有廣闊的應(yīng)用前景。該纖維一經(jīng)問世就引起了世界發(fā)達國家的極大興趣和重視。
5、熱固性樹脂基復合材料
熱固性樹脂基復合材料是指以熱固性樹脂如不飽和聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、乙烯基酯樹脂等為基體，以玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維等為增強材料制成的復合材料。環(huán)氧樹脂的特點是具有優(yōu)良的化學穩(wěn)定性、電絕緣性、耐腐蝕性、良好的粘接性能和較高的機械強度，廣泛應(yīng)用于化工、輕工、機械、電子、水利、交通、汽車、家電和宇航等各個領(lǐng)域。1993年世界環(huán)氧樹脂生產(chǎn)能力為130萬噸，1996年遞增到143萬噸，1997年為148萬噸，1999年150萬噸，2003年達到180萬噸左右。我國從1975年開始研究環(huán)氧樹脂，據(jù)不完全統(tǒng)計，目前我國環(huán)氧樹脂生產(chǎn)企業(yè)約有170多家，總生產(chǎn)能力為50多萬噸，設(shè)備利用率為80%左右。酚醛樹脂具有耐熱性、耐磨擦性、機械強度高、電絕緣性優(yōu)異、低發(fā)煙性和耐酸性優(yōu)異等特點，因而在復合材料產(chǎn)業(yè)的各個領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。1997年全球酚醛樹脂的產(chǎn)量為300萬噸，其中美國為164萬噸。我國的產(chǎn)量為18萬噸，進口4萬噸。乙烯基酯樹脂是20世紀60年展起來的一類新型熱固性樹脂，其特點是耐腐蝕性好，耐溶劑性好，機械強度高，延伸率大，與金屬、塑料、混凝土等材料的粘結(jié)性能好，耐疲勞性能好，電性能佳，耐熱老化，固化收縮率低，可常溫固化也可加熱固化。南京金陵帝斯曼樹脂有限公司引進荷蘭Atlac系列強耐腐蝕性乙烯基酯樹脂，已廣泛用于貯罐、容器、管道等，有的品種還能用于防水和熱壓成型。南京聚隆復合材料有限公司、上海新華樹脂廠、南通明佳聚合物有限公司等廠家也生產(chǎn)乙烯基酯樹脂。1971年以前我國的熱固性樹脂基復合材料工業(yè)主要是軍工產(chǎn)品，70年代后開始轉(zhuǎn)向民用。從1987年起，各地大量引進國外先進技術(shù)如池窯拉絲、短切氈、表面氈生產(chǎn)線及各種牌號的聚酯樹脂（美、德、荷、英、意、日）和環(huán)氧樹脂（日、德）生產(chǎn)技術(shù)；在成型工藝方面，引進了纏繞管、罐生產(chǎn)線、拉擠工藝生產(chǎn)線、SMC生產(chǎn)線、連續(xù)制板機組、樹脂傳遞模塑(RTM)成型機、噴射成型技術(shù)、樹脂注射成型技術(shù)及漁竿生產(chǎn)線等，形成了從研究、設(shè)計、生產(chǎn)及原材料配套的完整的工業(yè)體系，截止2000年底，我國熱固性樹脂基復合材料生產(chǎn)企業(yè)達3000多家，已有51家通過ISO9000質(zhì)量體系認證，產(chǎn)品品種3000多種，總產(chǎn)量達73萬噸/年，居世界第二位。產(chǎn)品主要用于建筑、防腐、輕工、交通運輸、造船等工業(yè)領(lǐng)域。在建筑方面，有內(nèi)外墻板、透明瓦、冷卻塔、空調(diào)罩、風機、玻璃鋼水箱、衛(wèi)生潔具、凈化槽等；在石油化工方面，主要用于管道及貯罐；在交通運輸方面，汽車上主要有車身、引擎蓋、保險杠等配件，火車上有車廂板、門窗、座椅等，船艇方面主要有氣墊船、救生艇、偵察艇、漁船等；在機械及電器領(lǐng)域如屋頂風機、軸流風機、電纜橋架、絕緣棒、集成電路板等產(chǎn)品都具有相當?shù)囊?guī)模；在航空航天及軍事領(lǐng)域，輕型飛機、尾翼、衛(wèi)星天線、火箭噴管、防彈板、防彈衣、魚雷等都取得了重大突破。
熱塑性樹脂基復合材料
熱塑性樹脂基復合材料是20世紀80年展起來的，主要有長纖維增強粒料(LFP)、連續(xù)纖維增強預(yù)浸帶(MITT)和玻璃纖維氈增強型熱塑性復合材料(GMT)。根據(jù)使用要求不同，樹脂基體主要有PP、PE、PA、PBT、PEI、PC、PES、PEEK、PI、PAI等熱塑性工程塑料，纖維種類包括玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維和硼纖維等一切可能的纖維品種。隨著熱塑性樹脂基復合材料技術(shù)的不斷成熟以及可回收利用的優(yōu)勢，該品種的復合材料發(fā)展較快，歐美發(fā)達國家熱塑性樹脂基復合材料已經(jīng)占到樹脂基復合材料總量的30%以上。
高性能熱塑性樹脂基復合材料以注射件居多，基體以PP、PA為主。產(chǎn)品有管件（彎頭、三通、法蘭）、閥門、葉輪、軸承、電器及汽車零件、擠出成型管道、GMT模壓制品（如吉普車座椅支架）、汽車踏板、座椅等。玻璃纖維增強聚丙烯在汽車中的應(yīng)用包括通風和供暖系統(tǒng)、空氣過濾器外殼、變速箱蓋、座椅架、擋泥板墊片、傳動皮帶保護罩等。
滑石粉填充的PP具有高剛性、高強度、極好的耐熱老化性能及耐寒性?；墼鰪奝P在車內(nèi)裝飾方面有著重要的應(yīng)用，如用作通風系統(tǒng)零部件，儀表盤和自動剎車控制杠等，例如美國HPM公司用20%滑石粉填充PP制成的蜂窩狀結(jié)構(gòu)的吸音天花板和轎車的搖窗升降器卷繩筒外殼。
云母復合材料具有高剛性、高熱變形溫度、低收縮率、低撓曲性、尺寸穩(wěn)定以及低密度、低價格等特點，利用云母/聚丙烯復合材料可制作汽車儀表盤、前燈保護圈、擋板罩、車門護欄、電機風扇、百葉窗等部件，利用該材料的阻尼性可制作音響零件，利用其屏蔽性可制作蓄電池箱等。
我國的熱塑性樹脂基復合材料的研究開始于20世紀80年代末期，近十年來取得了快速發(fā)展，2000年產(chǎn)量達到12萬噸，約占樹脂基復合材料總產(chǎn)量的17%，，所用的基體材料仍以PP、PA為主，增強材料以玻璃纖維為主，少量為碳纖維，在熱塑性復合材料方面未能有重大突破，與發(fā)達國家尚有差距。
我國復合材料的發(fā)展?jié)摿蜔狳c
我國復合材料發(fā)展?jié)摿艽?，但須處理好以下熱點問題。
1、復合材料創(chuàng)新
復合材料創(chuàng)新包括復合材料的技術(shù)發(fā)展、復合材料的工藝發(fā)展、復合材料的產(chǎn)品發(fā)展和復合材料的應(yīng)用，具體要抓住樹脂基體發(fā)展創(chuàng)新、增強材料發(fā)展創(chuàng)新、生產(chǎn)工藝發(fā)展創(chuàng)新和產(chǎn)品應(yīng)用發(fā)展創(chuàng)新。到2007年，亞洲占世界復合材料總銷售量的比例將從18%增加到25%，目前亞洲人均消費量僅為0.29kg，而美國為6.8kg，亞洲地區(qū)具有極大的增長潛力。
2、聚丙烯腈基纖維發(fā)展
我國碳纖維工業(yè)發(fā)展緩慢，從CF發(fā)展回顧、特點、國內(nèi)碳纖維發(fā)展過程、中國PAN基CF市場概況、特點、“十五”科技攻關(guān)情況看，發(fā)展聚丙烯腈基纖維既有需要也有可能。
3、玻璃纖維結(jié)構(gòu)調(diào)整
我國玻璃纖維70%以上用于增強基材，在國際市場上具有成本優(yōu)勢，但在品種規(guī)格和質(zhì)量上與先進國家尚有差距，必須改進和發(fā)展紗類、機織物、無紡氈、編織物、縫編織物、復合氈，推進玻纖與玻鋼兩行業(yè)密切合作，促進玻璃纖維增強材料的新發(fā)展。
4、開發(fā)能源、交通用復合材料市場
一是清潔、可再生能源用復合材料，包括風力發(fā)電用復合材料、煙氣脫硫裝置用復合材料、輸變電設(shè)備用復合材料和天然氣、氫氣高壓容器；二是汽車、城市軌道交通用復合材料，包括汽車車身、構(gòu)架和車體外覆蓋件，軌道交通車體、車門、座椅、電纜槽、電纜架、格柵、電器箱等；三是民航客機用復合材料，主要為碳纖維復合材料。熱塑性復合材料約占10%，主要產(chǎn)品為機翼部件、垂直尾翼、機頭罩等。我國未來20年間需新增支線飛機661架，將形成民航客機的大產(chǎn)業(yè)，復合材料可建成新產(chǎn)業(yè)與之相配套；四是船艇用復合材料，主要為游艇和漁船，游艇作為高級娛樂耐用消費品在歐美有很大市場，由于我國魚類資源的減少、漁船雖發(fā)展緩慢，但復合材料特有的優(yōu)點仍有發(fā)展的空間。
5、纖維復合材料基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用
國內(nèi)外復合材料在橋梁、房屋、道路中的基礎(chǔ)應(yīng)用廣泛，與傳統(tǒng)材料相比有很多優(yōu)點，特別是在橋梁上和在房屋補強、隧道工程以及大型儲倉修補和加固中市場廣闊。
1.2先進表面處理技術(shù)表面的技術(shù)處理是模具生產(chǎn)質(zhì)量把控的重要環(huán)節(jié)之一，因為這關(guān)系著模具表層的成分及組織，它是模具性能的直接衡量指標，直接決定了模具的硬度、耐磨度及耐腐蝕性等，所以模具的表面處理必須受到足夠的重視。現(xiàn)如今從生產(chǎn)上存在的表面處理技術(shù)概況來講主要有以下幾種：化學法、表層覆層法及激光法等。然而激光法就是目前數(shù)字化發(fā)展的典型代表，此方法現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用在復合材料模具的生產(chǎn)加工中，發(fā)揮著重要的作用，它能夠有效地處理模具表面存在的問題，實現(xiàn)規(guī)范模具標準，大大延長模具使用壽命。
1.3解決模具加工生產(chǎn)所面臨的問題復合材料模具的生產(chǎn)加工環(huán)節(jié)必然會面臨一些問題，比如在結(jié)構(gòu)焊接過程中會出現(xiàn)殘余變形和殘余應(yīng)力等問題，這個就必須采取合理的工藝措施并且選擇科學的設(shè)計方案來預(yù)防問題的產(chǎn)生；加工精度和表面質(zhì)量是比較關(guān)鍵也是技術(shù)難度系數(shù)比較高的環(huán)節(jié)，這個環(huán)節(jié)極易出現(xiàn)質(zhì)量問題，這是由于多方面的因素共同導致的，所以在這個環(huán)節(jié)的每一步操作我們都需要謹慎，必要的話我們可以借用數(shù)字化檢測設(shè)備對此環(huán)節(jié)進行嚴格的檢測，預(yù)防問題的發(fā)生，提高產(chǎn)品質(zhì)量。由于復合材料構(gòu)件的不同類型及不同材質(zhì)在生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生不同的熱膨脹系數(shù)，這也是會影響復合材料模具成型的質(zhì)量因素，所以我們在挑選材料時，盡可能選擇熱膨脹系數(shù)相近的材料，這樣可以有效地防止由于熱膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生的質(zhì)量問題。
2金屬層狀復合材料的生產(chǎn)工藝
2.1金屬層狀復合材料生產(chǎn)中的固－固相復合法
金屬層狀復合材料中的固－固相復合法是一種在上世紀30年代就發(fā)展起來的加工工藝，其主要原理是將兩種或多種已經(jīng)成型的板材通過疊加或者是軋制的方法使其能夠形成多層復合的方式，從而使這種復合板材能夠達到所需的性能要求。其中，復合板材所采用的軋制方法主要有熱軋和冷軋兩種，采用軋制的方法生產(chǎn)的復合板材具有生產(chǎn)成本較低、生產(chǎn)迅速以及成本板材的精度較高等優(yōu)點，通過與現(xiàn)有的鋼鐵生產(chǎn)工藝及生產(chǎn)裝備相結(jié)合能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模的生產(chǎn)，利用軋制法可復合的金屬種類很多，但軋制復合往往需要進行表面處理和退火強化處理等工藝，板型控制困難，軋件易邊裂，易形成脆性金屬化合物，且道次軋制變形量大，需要大功率的軋機。
2.2金屬層狀復合材料生產(chǎn)中的爆炸復合法
此種方法的主要原理是通過使用炸藥作為主要的能源，從而將多種金屬材料復合焊接成一體的加工工藝，采用此種加工工藝的優(yōu)點是生產(chǎn)出來的板材具有很高的產(chǎn)品適應(yīng)性且保留了復合材料原料的一些特性，同時生產(chǎn)的板材結(jié)合界面的結(jié)合強度較高，能夠使得其在后續(xù)的加工過程中保持較為良好的加工特性，同時對于金屬層狀復合材料的大小以及形狀等都具有很強的可調(diào)性且對生產(chǎn)設(shè)備要求較低，缺點是生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生巨大的噪音從而不利于生產(chǎn)的連續(xù)進行。
2.3金屬層狀復合材料生產(chǎn)中的爆炸－軋制復合法
此種方法結(jié)合了固-固生產(chǎn)法中的軋制法以及爆炸法中的一些優(yōu)點，通過使用此種方法可以使得金屬層狀復合材料板能夠生產(chǎn)的尺寸更大、厚度更薄、長度更長以及更細的復合金屬材料，從而使得金屬材料的性能克服了單一工藝中所存在的一些問題。
2.4金屬層狀復合材料生產(chǎn)中的擴散焊接法
金屬層狀復合材料經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)具有多種生產(chǎn)工藝及加工技術(shù)，擴散焊接是一種對在金屬層狀復合材料的復合加工中常用的技術(shù)，其能夠進行多同種或不同種材料進行復合。在加熱到母材熔點0.5～0.7的溫度時，在盡量使母材不出現(xiàn)變形的程度下加壓，使母材緊密接觸，利用界面出現(xiàn)的原子擴散而實現(xiàn)結(jié)合的方法。
2.5金屬層狀復合材料生產(chǎn)中的液－固相復合法
此種方法的原理是將一種（液相）的金屬材料通過多種不同的方式均勻的澆鑄在其他一種固態(tài)金屬材料的表面，并依靠兩種金屬材料表面之間所產(chǎn)生的一定的反應(yīng)來使兩者之間出現(xiàn)結(jié)合，并在液態(tài)金屬凝固后對其進行壓力加工。
2.5.1直接澆鑄復合法
直接澆鑄復合法的制造工藝如下：首先需要將兩塊在內(nèi)側(cè)涂抹有剝離劑的鋼板進行相應(yīng)的疊合，并將兩塊鋼板四周進行焊接后放入盛有金屬液的鑄模中，待到周圍的液態(tài)金屬凝固后進行一定的軋制，軋制完成后將焊接的鋼板四周的焊縫去掉，從而可以得到分離后的兩塊液固復合板，在進行金屬層狀復合材料板的生產(chǎn)過程中如果做好對于加工溫度的把控可以使得復合材料板具有較高的復合強度。此種方法操作方便、由于無需使用過多的機械設(shè)備以及其他附加工藝，因此，其加工成本較低，可以應(yīng)用從而進行批量化生產(chǎn)，不足之處是由于需要將固態(tài)的金屬板放置于高溫下的液態(tài)液中待其凝固，在這一過程中，由于兩者金屬材料熔點的不同會使得高溫的液態(tài)金屬會對固態(tài)金屬的表面造成一定程度的熔損，從而會對生產(chǎn)出來的金屬層狀復合材料板的質(zhì)量造成一定的影響。雙流鑄造法又被稱為雙澆法，其主要是通過使用兩種液態(tài)金屬同時開始進行鑄造，其主要利用的是兩種合金之間的熔點差，通過將低熔點的合金首先澆注在一種特殊的扁模具中，而后通過將模具內(nèi)的抽板進行一定的提升，其后再將高熔點的合金澆注在抽板提升后所留下的空位中，從而得到所需要的復合金屬材料，使用此種方法需要做好時機的把控，特別是在金屬液的澆注速度方面更是需要注意，從而使兩層金屬界面結(jié)合良好且界面穩(wěn)定是比較嚴格的。
2.5.2釬焊法
釬焊法的主要原理是通過利用浸潤的液態(tài)金屬相凝固使兩種金屬焊合一起的技術(shù)方法。此種方法的加工工藝簡單、操作方便，能夠方便、快捷的完成異種金屬之間的結(jié)合，其缺點是在釬焊結(jié)合部位的硬度不高，從而使得復合材料板出現(xiàn)小孔、夾渣、偏析等缺陷。
3金屬層狀復合材料中的表面工程技術(shù)
電鍍主要是通過溶液中所含有的金屬離子在導電的情況下聚集到電極中的陰極中并均勻的覆蓋在陰極的表面使其形成能夠與基體牢固相結(jié)合的鍍覆層的過程。經(jīng)過多年的發(fā)展，電鍍已經(jīng)成為了現(xiàn)今工業(yè)生產(chǎn)中的重要組成部分。除了電鍍外，在材料表面工程處理中還具有刷鍍、化學鍍以及熱噴涂、化學氣相沉積法、物理氣相沉積等多種表面處理技術(shù)，以上這些技術(shù)都各有優(yōu)缺點，應(yīng)當根據(jù)金屬材料表面的特性需要適合的技術(shù)。
4金屬層狀符合材料的發(fā)展展望
隨著科技的進步以及越來越多的新技術(shù)被應(yīng)用于材料生產(chǎn)工藝中，現(xiàn)今，在金屬層狀復合材料的生產(chǎn)過程中主要有電磁成型復合、自蔓延高溫合成焊接技術(shù)、激光熔覆技術(shù)、超聲波焊接技術(shù)以及噴射沉積復合技術(shù)等。采用以上這些技術(shù)能夠使得金屬復合材料性能更高以及生產(chǎn)更為簡單方便。
中圖分類號：U213.1文獻標識碼：A 文章編號：
復合加筋排水褥墊是一項在排水固結(jié)法加固路基的工程中代替水平排水砂墊層，同時具備加筋作用與水平排水的新技術(shù)。該技術(shù)同傳統(tǒng)排水技術(shù)相比，具有空隙率大利于排水、高柔性且抗拉性極強、重量輕、施工方便等優(yōu)點。從目前來看，路基的變形是一個非常棘手的問題，主要表現(xiàn)在了路基的沉降以及水平側(cè)向位移等方面。本文先介紹了負荷加筋排水褥墊技術(shù)的原理，其次分析了復合加筋排水褥墊加固路基的機理與影響因素，最后提出了負荷加筋排水褥墊加固路基的排水設(shè)計方法。
一、復合加筋排水褥墊技術(shù)概述
復合加筋排水褥墊在加固路基中的運用，在一定程度上替代了以往的水平排水砂料墊層，它對于路堤有著加筋的作用，它主要包括了條狀塑料褥墊、連接槽、扒釘以及針刺無紡布。
這種復合加筋排水褥墊的特征是：選用聚丙烯作為原料，在一定強度的高溫下熱溶，然后通過模具擠出塑料細絲（直徑為1mm），將塑料細絲進行有序的纏繞（猶如方便面狀），從而形成截面為矩形的條狀排水褥墊；在排水褥墊之外用針刺無紡土工布包裹，并在其上打孔形成相應(yīng)的連接槽，便于塑料排水板順利插入地基中；通過扒釘將條狀的塑料褥墊串接成“井”字形狀的復合加筋排水褥墊。
負荷加筋排水褥墊的具體施工工序如下：1）平整路基及周邊的場地，清除一切雜物，并且保證相關(guān)施工器械要及時到位；2）塑料排水板的施工；3）沿著路堤的橫縱向分別鋪設(shè)條狀的塑料褥墊，便于排水板插入連接槽之中；4）在塑料褥墊的相互交接處，安裝扒釘促使塑料褥墊連接成“井”字形狀的復合加筋排水褥墊；5）進行路基的相關(guān)填筑工作。
二、影響加固效果的因素分析
（一）計算條件
一般情況下，為了便于計算，在加固模擬試驗中，都會對地基的條件做一些相應(yīng)的簡化。通過一系列的設(shè)置以及試驗，取得了相關(guān)的數(shù)據(jù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)便能很好的分析實際操作中的加固效果。在相關(guān)的計算中，為了簡化計算流程，會將排水板的密度、模型的參數(shù)都設(shè)置與同層土的相應(yīng)參數(shù)保持一致。換句話說，沒有考慮塑料排水板在打設(shè)過程中引起的地基剛度變化，而只是純粹考慮了塑料板本身的排水作用。但在實際的操作過程中，往往與這種“試驗”相去甚遠，計算條件是否合理科學有效，在很大程度上影響著施工的加固效果。
（二）地基強度
在有關(guān)路基工程中使用了復合加筋排水褥墊層，這在一定程度上會改變地基的位移場與應(yīng)力場，而地基的模量大小也會對復合加筋排水褥墊層的加筋效果產(chǎn)生巨大的影響。地基模量的變化值主要有0.5MPa、1MPa及1.5MPa三種，而復合加筋排水褥墊層對于路堤的影響與砂墊層對路堤的影響之間有著莫大的差異。一般而言，地基模量對于路堤底部的豎向位移與堤趾的垂線下地基位移水平的深度有著巨大的影響，比如說施工結(jié)束時，模具分別為0.5MPa、1MPa與1.5MPa的情況下，復合加筋排水褥墊層與砂墊層相比而言，路堤的底部中心沉降百分點，前者分別低了大約10.8％、7.2％和5.6％；而在堤趾垂線下的最大側(cè)移方面前者則分別低了大約40.2％、4.8％和4.8％。由此表明，復合加筋排水褥墊層對于路基有著較強的適應(yīng)能力，尤其對于軟路基而言，若地基越軟，則更適合于復合加筋排水褥墊層的有效發(fā)揮。
（三）填土的高度
分別取路堤的填土高度為3m、5m、7m進行比較，一般而言，路堤的底部沉降以及堤趾垂線下側(cè)移會隨著填土高度的增加而變大。當路堤的堆載結(jié)束之后，分別在前述三種填土高度下對兩種方式下效果進行比較，大約可以得到以下的數(shù)據(jù)：復合加筋排水褥墊層路堤與砂墊層路堤相比，前者在沉降方面減少了大約24.2％、14.6％和6.9％；在堤趾垂線下最大側(cè)移方面，前者比后者減少了大約5.5％、2.9％和0.3％。從這里也可以看出，復合加筋排水褥墊層的加筋效果明顯優(yōu)于砂墊層加筋效果，并且隨著路堤的高度越來越小，復合加筋排水褥墊層的加筋效果就更好更明顯。
（四）土層的厚度
在不同厚度的土層中，復合加筋排水褥墊層路堤相較于砂墊層路堤而言，其底部的沉降和堤趾垂線下側(cè)移均有著一定的減小。同理，我們把土層厚度分別取為5m、10m、20m進行分析與探討。當路堤堆載結(jié)束之后，把兩種類型的結(jié)果加以比較，前者在沉降方面低了大約0.2％、14.6％和4.9％，而在堤趾垂線下最大側(cè)移方面，前者低了大約3.O％、2.9％和2.1％。從這組對比數(shù)據(jù)分析得知，當在中等土層中時，采用復合加筋排水褥墊層能夠有效限制地基的沉降，并且在改善側(cè)向位移方面也有一定的成效。
三、復合加筋排水褥墊技術(shù)的穩(wěn)定性與經(jīng)濟性分析
為了進一步分析復合加筋排水褥墊層對于路堤及其邊坡的穩(wěn)定性影響，我們可以利用強度折減彈塑性有限元計算方法分析復合加筋排水褥墊路堤及其邊坡，然后通過一些科學計算方法將結(jié)果計算出來之后，與砂墊層路堤工程進行對比。比如在一個案例中，土體選用的模型是Mohr—Coulomb，然后計算相關(guān)的參數(shù)。在具體的計算過程中，可以設(shè)定三維計算模型的厚度方向取為1.5m，并且對土體以八結(jié)點四面體單元的形式進行剖分。通過分析與計算，在同等條件下，復合加筋排水褥墊層加固路堤及其邊坡的安全系數(shù)要高于砂墊層加固的路堤及其邊坡?？梢?，復合加筋排水褥墊技術(shù)有著非常明顯的優(yōu)勢，加筋效果非常好。對于復合加筋排水褥墊技術(shù)的穩(wěn)定性而言，它對于路基及其邊坡的影響非常重要，這不僅關(guān)系到了路基的沉降變化以及水平側(cè)向位移，更關(guān)系到了工程的質(zhì)量與安全，更進一步來講，它關(guān)系著人類的生存與發(fā)展。
復合加筋排水褥墊技術(shù)同砂墊層的經(jīng)濟性對比分析來看，復合加筋排水褥墊技術(shù)的經(jīng)濟性確實要高很多。比如說上海的北環(huán)高速公路在路基的處理上便采用了堆載預(yù)壓加固方式，在水平的排水墊層上方案一：采用的是鋪墊50cm砂墊層；方案二：采用復合加筋排水褥墊層，并且在褥墊層中間還鋪素填土，而且塑料排水板之間的距離為1.5m，用正方形來布置。根據(jù)當?shù)氐脑靸r來計算，可以看出，方案一花費的單價大約為60元/m2；而方案二中，利用復合加筋排水褥墊設(shè)置的話，通過詳細的計算，這種方案花費的單價大約為34.33元/m2。從這里不難看出，采用方案二更加劃算。
四、結(jié)語
綜上所述，在路基的變形處理上，我們可以采用復合加筋排水新材料，也就是排水褥墊層的使用。復合加筋排水褥墊層具有適應(yīng)能力強，并且路基越軟其效果越佳；路堤的高度相對較低時，利用復合加筋排水褥墊層的加筋效果更明顯；復合加筋排水褥墊層對中等和深厚的路基有著更明顯的加筋效果等優(yōu)勢。此外，與傳統(tǒng)的砂墊層路堤相比，復合加筋排水褥墊路堤邊坡穩(wěn)定性提高，并且復合加筋排水褥墊可節(jié)省造價，減少工程開支，從而最大化地實現(xiàn)工程利益。
參考文獻：
[1] 蔡曉光.復合加筋排水新材料加固路基變形與穩(wěn)定分析[D].河海大學,2008.
[2] 蔡曉光,劉漢龍.復合加筋排水褥墊加固路基有限元計算[J].巖土力學,2008,29(8):2302-2306.
中圖分類號：TU761.1+4 文獻標識碼：A文章編號：
前言
隨著近代高新技術(shù)的發(fā)展，對材料性能要求的日益提高，單質(zhì)材料很難滿足性能的綜合要求和高指標要求。因此復合材料憑借其優(yōu)良的性能得到了廣泛的開發(fā)和利用，成為了很多行業(yè)的優(yōu)選關(guān)鍵材料。為了保證工程的質(zhì)量必須要保證使用的復合材料的質(zhì)量，這給復合材料的無損檢驗提出了更多更高的要求，如何提高無損檢驗技術(shù)也就成為了復合材料能否更多的被廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵，從目前的情況來看，復合材料的無損檢測技術(shù)有很多種，其中，射線檢測是比較重要的一種，射線檢測在工業(yè)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)測量、缺陷監(jiān)測和損傷評價等方面都得到了比較廣泛的應(yīng)用，在現(xiàn)代復合材料的無損檢測中發(fā)揮著重要的作用，占據(jù)著重要的地位。
射線檢測法在復合材料無損檢測中的應(yīng)用
X射線照相檢測法
這種檢測方法已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于工業(yè)檢測領(lǐng)域，與現(xiàn)在的檢測技術(shù)來說，是應(yīng)用比較早的檢測技術(shù)，是最傳統(tǒng)的無損檢測方法之一，其基本原理在于，通過射線來穿過不同的材料，因為材料的性質(zhì)不同，射線在經(jīng)過材料時的衰減量也是不一樣的，從而射線的透射強度也是變化的，在膠片上就會呈現(xiàn)出明暗變化不同的影像，通過觀察這些影像得到檢測結(jié)果。針對X射線照相檢測法可以檢測到的材料的缺陷問題，傾向性的觀點是可以發(fā)現(xiàn)夾雜物、氣孔，而不能發(fā)現(xiàn)垂直于射線方向分布的脫粘和裂紋。X射線照相檢測法的優(yōu)點是成本低，易操作；其局限性為效率低，缺陷(裂紋)的方位是決定性的，要求與射線平行。
2、X射線實時成像檢測法
隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴大和對復合材料質(zhì)量的更高要求，早期的檢測方法已經(jīng)不再適用于材料的無損檢測，它的可靠性和效率都已經(jīng)不再適用新的要求，X射線實時成像檢測法就是比傳統(tǒng)檢測方法更進一步的無損檢測法，它的基本原理是利用X射線的特性，即穿透物體的時候，會因為物體的吸收及散射的原因產(chǎn)生衰減，從而在熒光屏上通過特殊的圖像增強器會形成與物體內(nèi)部想對應(yīng)的圖像，然后在通過攝像設(shè)備把圖像轉(zhuǎn)化成視頻信號，然后輸出，通過計算機的數(shù)字圖像處理技術(shù)，對輸出的視頻信號進行分析，從而得到結(jié)果。這種檢測法的優(yōu)點就在于對材料的缺陷可以進行在線檢測，檢測結(jié)果自動生成，檢測效率較高。其缺點在于，
通過這種檢測方法得到的圖像樣品是層疊的影像，不利于觀看和分析，缺陷的影像也是累積的，而不是三維的空間影像信息。現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展的主要成像系統(tǒng)有：數(shù)字實時成像系統(tǒng)、熒光屏成像系統(tǒng)、圖像增強器成像系統(tǒng)等。
射線計算機斷層掃描檢測法
此種檢測方法是起源于前面提到的第一種方法，與第一種方法的不同之處在于，它的區(qū)別在于采用的是圓錐狀射線，檢測原理在于通過準直設(shè)備將圓錐狀射線變成面狀或線狀掃描束，從而對射線穿過的物體的某一個斷面掃射，得到一個斷面的圖像，通過分析每一層斷面的圖像就可以得到詳細的檢測結(jié)果，達到檢測目的。
4、X射線斷層形貌成像檢測法
X射線斷層形貌成像檢測法的基本原理是利用樣品散射的空間探測來描述材料的內(nèi)部特征，從而通過分析，得到檢測結(jié)果。這種檢測法是X射線散射和圖像成像的優(yōu)點進行了結(jié)合的檢測法，可以對材料機械性能的關(guān)系、晶體的界面面貌組織，尺寸進行研究，并且可以對微觀的細小的損失進行分析。它具體的可以分為大、小角度X射線散射方法，大角度的X射線散射是無能量轉(zhuǎn)變的彈性散射，對結(jié)構(gòu)比較小的分子和原子結(jié)構(gòu)能夠快速反應(yīng)。而小角度的X射線散射則是傳統(tǒng)的一種對膠體、生物和聚合物進行研究的工具，也可檢測纖維轉(zhuǎn)向。
5、X射線康普頓散射成像檢測法
康普頓散射成像檢測技術(shù)采用散射線成像，射線源與檢測器位于物體的同一側(cè)，其技術(shù)上的顯著特點是單側(cè)幾何布置。具有層析功能，一次可以得到多個截面的圖像，也可得到三維圖像。在理論上圖像的對比度可達到100％。其局限性為，由于康普頓散射成像檢測技術(shù)采用散射線成像，因此它主要適于低原子序數(shù)物質(zhì)且位于近表面區(qū)厚度較小范圍內(nèi)的缺陷檢測，通常它適宜檢驗的物體表層厚度區(qū)是：鋼約為3ram，鋁約為25ram，塑料和復合材料約為50ram。在應(yīng)用時必須考慮基體材料和缺陷對射線的散射差別、檢驗要求的分辨力和成像時間。
6、中子射線照相檢測法
中子照相檢測法的基本原理是，通過準直器將中子源發(fā)射出的中子束射到被檢驗的物體上，因為不同的物體對中子的衰減系數(shù)是不同的，所以檢測器記錄到的已經(jīng)投射形成的中子束分布圖像就是不均勻的，通過分析這些圖像，就可以對物體內(nèi)部的雜質(zhì)和缺陷有清晰的了解，與以前的R或X射線不同的是，中子射線照相檢測法還可以對放射性的物質(zhì)進行檢測，并且可以對金屬中的一些低原子序數(shù)物質(zhì)進行檢驗，對同一元素的不相同的同位素也可以進行區(qū)分，這種檢測法的缺點在于，中子源的價格昂貴，所以檢測耗費就比較貴，中子的安全防護也是必須要特別注意的問題。
三．結(jié)束語
綜上所述，目前已有多種射線檢測技術(shù)應(yīng)用到復合材料無損檢測中，獲得了較好的結(jié)果，對復合材料制備過程的質(zhì)量控制及其產(chǎn)品的質(zhì)量評價等起到了至關(guān)重要的作用。提高了復合材料的使用可靠性，同時也為復合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了更多的選擇機會。隨著復合材料設(shè)計水平的不斷提高和新制備方法的應(yīng)用，將會有越來越多性能優(yōu)良的復合材料被開發(fā)利用。
參考文獻：
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[2]蘇新彥 韓焱 微波在無損檢測技術(shù)中應(yīng)用 [會議論文]- 2005年全國射線檢測技術(shù)及加速器檢測設(shè)備和應(yīng)用技術(shù)交流會
在湖南省教育廳的支持下，國防科學技術(shù)大學航天科學與工程學院(簡稱國防科大)與株洲時代新材料科技股份有限公司（簡稱時代新材)合作建立了湖南省復合材料研究生培養(yǎng)創(chuàng)新基地，探索聯(lián)合培養(yǎng)材料科學與工程領(lǐng)域全日制碩士和博士研究生(課程學習在高校，課題研究在企業(yè)）、合辦工程碩士研究生班、合作培養(yǎng)博士后研究人員的模式和方法。筆者正是該創(chuàng)新基地培養(yǎng)的博士研究生，現(xiàn)作為教員，對校企聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生的探索和實踐，有些微體會。
一、產(chǎn)學研深度融合是校企聯(lián)合培養(yǎng)共贏的基礎(chǔ)
校企聯(lián)合培養(yǎng)追求“高校一企業(yè)一學生”共贏的目標。理論上，共贏目標的愿景無限美好，但實際上國內(nèi)外不斷實踐和探索的結(jié)果卻不盡如人意，原因在于、共贏”必須以產(chǎn)學研深度融合為基礎(chǔ)。深度融合，則“共贏”枝繁葉茂;不然，則空空如也。
根據(jù)邢素麗等人的論述，產(chǎn)學研深度融合應(yīng)包括:（1)需融學科和產(chǎn)業(yè)、學問和技術(shù)、基礎(chǔ)研究與工程應(yīng)用內(nèi)涵于一體；（2)需融高?？蒲?、企業(yè)課題、國家和省課題內(nèi)涵于一體;（3)需融高校學科優(yōu)勢、企業(yè)需求內(nèi)涵于一體;（4)需融新技術(shù)、新需求、新理論、新應(yīng)用內(nèi)涵于一體。在產(chǎn)學研深度融合的基礎(chǔ)上，以研究生培養(yǎng)創(chuàng)新基地為平臺，發(fā)揮校企各自優(yōu)勢，促進不同領(lǐng)域、不同范疇、不同層次等之間的融合，為研究生營造創(chuàng)新環(huán)境、激活創(chuàng)新動力、提升創(chuàng)新水平、增強創(chuàng)新能力。
國防科大與時代新材料，以共同研發(fā)兆瓦級復合材料葉片為契機，深度合作，聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生，實現(xiàn)共贏。兆瓦級復合材料葉片研發(fā)需要解決四大關(guān)鍵技術(shù):氣動布局、結(jié)構(gòu)、制備和全尺寸測試。氣動布局直接關(guān)系葉片捕捉風能的效率和風能的利用率;合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計是確保葉片安全運行20年的保證;葉片效能的最終實現(xiàn)，關(guān)鍵在于如何制備出質(zhì)量穩(wěn)定的兆瓦級復合材料風電葉片，難點包括模具設(shè)計與制備、工藝設(shè)計與實現(xiàn)、制備控制與效率等，稍有不慎，整個葉片制備失敗或質(zhì)量差下，動輒就是百萬級別的經(jīng)濟損失；制備完成后，在國際認證機構(gòu)(例如船級社）的監(jiān)視下，完成全尺寸靜力測試和疲勞測試考核，才能獲得市場準人資格。
國防科大充分利用自己氣動設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、大尺寸復合材料整體成型制備和大型構(gòu)件全尺寸測試等方面的學科優(yōu)勢，結(jié)合時代新材資金、場地和人力，共同研發(fā)了1.5~4.0MW、低風速型、超長型、海上超大型等多款兆瓦級復合材料風電葉片并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，目前相關(guān)產(chǎn)品巳在國內(nèi)外50多個風場裝機運行，為國家新能源戰(zhàn)略計劃做出了重大貢獻。該項目校企聯(lián)合培養(yǎng)的博士研究生(筆者)全程參與了兆瓦級復合材料風電葉片氣動設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、成型制備和全尺寸測試的所有工作，涉及空氣動力學、結(jié)構(gòu)力學、復合材料力學、流體力學、復合材料學、流變學、熱力學、化學等多學科知識，理論知識在工程實踐中得到了很好的應(yīng)用，同時以超大型碳纖維復合材料風電葉片為研究背景，針對結(jié)構(gòu)設(shè)計和成型制備過程中的物理、化學變化機制，發(fā)表學術(shù)論文10余篇(其中SCI源刊8篇，EI源刊6篇），申請國家發(fā)明10余項，獲湖南省科技進步一等獎1項，順利完成博士畢業(yè)論文研究，相關(guān)研究成果支撐了2項科技鑒定成果。高校一企業(yè)一學生三方共贏，其根本原因就是校企合一，深度融合！
校企聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生通常是兩段式，即課程學習階段在高校進行，完成基礎(chǔ)理論課程學習；學位論文培養(yǎng)階段在企業(yè)進行，參與企業(yè)科研項目，完成學位論文。學位論文階段，如果沒有產(chǎn)學研深度融合，博士生難以順利完成學位論文研究。困難主要是人、財、物三方面的保障問題，此問題對于材料科學與工程專業(yè)尤為突出。博士生在企業(yè)進行課題研究，往往是單槍匹馬，企業(yè)的性質(zhì)決定了難以給博士生配備助手，而很多論文的實驗研究是必須有幫手才能完成。比如，我們采用光學測試系統(tǒng)監(jiān)測大型風電葉片極限載荷下的變形，需要十幾個助手才能完成，在企業(yè)往往一個助手都沒有，如果不是深度合作，此類實驗就無法完成。此外，材料學科開展研究通常需要購買大量的原材料，購買原材料的資金誰出，如果沒有明確，學生就不知所然，如果高校出，學生只能通過高校購買平臺進行購買，來回奔波，疲于奔命，浪費大量的精力和時間;假設(shè)企業(yè)出資，如果需要層層審批和控制，以學生一己之力，難以協(xié)調(diào)。因此，校企聯(lián)合培養(yǎng)，深度合作，解決博士生資金和資金使用問題，是保證其論文課題順利開展的前提。
二、雙導師制是校企聯(lián)合培養(yǎng)成功的保障
校企聯(lián)合培養(yǎng)，采取雙導師制培養(yǎng)方式，即由校方導師與企方導師組成導師組共同指導研究生。校方導師為主導師，企方導師為副導師。校企聯(lián)合培養(yǎng)課題論文階段在企業(yè)完成，這種雙導師制，很好地解決了導師隨時指導、監(jiān)督和協(xié)調(diào)的難題，可以確保校企聯(lián)合培養(yǎng)研究生(包括碩士生和博士生)順利完成論文研究。
兩導師的分工，有專家提出，選題確定后，由企方導師負責工作安排、現(xiàn)場學術(shù)指導、學位論文的初審；校方導師根據(jù)研究生論文題目及培養(yǎng)人才的需要，負責研究生培養(yǎng)計劃的制定、學術(shù)指導、論文審閱與組織論文答辯等工作。校企雙方導師及時交流，共同解決在創(chuàng)新基地研究生的科研和生活中出現(xiàn)的問題。學生每月按時向校企雙方導師匯報工作學習情況，雙方導師填寫《指導情況記錄表》，及時指導學生。這樣，既保證了研究生培養(yǎng)要求，又充分發(fā)揮企業(yè)優(yōu)勢，加強科研實際訓練，提高研究生的理論與實踐能力。
以親身經(jīng)歷而言，兩導師的分工，筆者有不同的看法。企方導師的精力首先是以企業(yè)為主，負責企業(yè)的各種任務(wù)，目前令人尷尬的情況是:企方導師根本無暇顧及學生論文的指導，更別談負責工作安排、現(xiàn)場學術(shù)指導和學位論文的初審。因此，筆者認為，校方導師不僅要負責研究生培養(yǎng)計劃的制定、學術(shù)指導、論文審閱與組織論文答辯等工作，還要負責工作安排。這肯定有人會問，如果這樣是不是就不需要企方導師了？答案是當然需要，而且非常必要，只是角色定位應(yīng)該是負責人、財、物的協(xié)調(diào)，保證學生論文的順利開展。人、財、物的協(xié)調(diào)對于學生開展論文工作至關(guān)重要，而且對于企方導師來說，往往易如反掌。研究生，特別是博士研究生，通常都具有高度的自覺性，每周或每月定期向校方導師匯報論文進展情況，完全可以做到積極主動，這樣校方導師綜合研究的學術(shù)和應(yīng)用價值，與學生一起討論制定研究方案、工作安排也是水到渠成的事，而且高效可行。
雙導師制是一種很好的校企聯(lián)合培養(yǎng)模式，但必須結(jié)合實際情況，合理分工，才能保障校企聯(lián)合培養(yǎng)的成功，否則，就是紙上談兵，空談?wù)`人。
三、完備的創(chuàng)新平臺是校企聯(lián)合培養(yǎng)可行的前提條件
有了產(chǎn)學研深度融合的基礎(chǔ)、雙導師制度的保障，校企聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生是否可行，還取決于一個重要條件一一完備的創(chuàng)新平臺。
國防科大與時代新材校企聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生，之所以行之有效，一個重要的前提條件就是時代新材擁有一個新材料檢測中心，該中心具有材料科學與工程專業(yè)實驗研究所需的多數(shù)檢測設(shè)備和系統(tǒng)，即便是需要搭建平臺，該中心也能快速完成。筆者博士論文涉及的實驗和檢測，幾乎都是在該中心完成。假設(shè)時代新材沒有該檢測中心，即使是簡單的力學性能測試都需要在高校完成，那么學生必然疲于奔波，留給論文研究和項目開發(fā)的時間還會剩多少？因此，一個開展論文課題研究所需的創(chuàng)新平臺，對于校企聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生，實在是太必要了！如果沒有，筆者建議不要輕易提校企聯(lián)合培養(yǎng)，高校和導師要慎之又慎，以免誤人子弟！
四、結(jié)語
1、尺寸效應(yīng)
當超細微粒的尺寸與光波波長、德布羅意波長以及超導態(tài)的相干長度或投射深度等物理特征尺寸相當或更小時，晶體的邊界條件將被破壞，非晶態(tài)納米微粒的顆粒表面附近原子密度減小，導致聲、光電、磁、熱、力學等特性呈現(xiàn)出新的小尺寸效應(yīng)。如當顆粒的粒徑降到納米級時，材料的磁性就會發(fā)生很大變化，如一般鐵的矯頑力約為80A/m，而直徑小于20nm的鐵，其矯頑力卻增加了1000倍。若將納米粒子添加到聚合物中，不但可以改善聚合物的力學性能，甚至還可以賦予其新性能。
2、表面效應(yīng)
一般隨著微粒尺寸的減小，微粒中表面原子與原子總數(shù)之比將會增加，表面積也將會增大，從而引起材料性能的變化，這就是納米粒子的表面效應(yīng)。
納米微粒尺寸d（nm）包含總原子表面原子所占比例（%）103×1042044×1034022.5×1028013099從表1中可以看出，隨著納米粒子粒徑的減小，表面原子所占比例急劇增加。由于表面原子數(shù)增多，原子配位不足及高的表面能，使這些表面原子具有高的活性，很容易與其它原子結(jié)合。若將納米粒子添加到高聚物中，這些具有不飽和性質(zhì)的表面原子就很容易同高聚物分子鏈段發(fā)生物理化學作用。
3、量子隧道效應(yīng)
微觀粒子貫穿勢壘的能力稱為隧道效應(yīng)。納米粒子的磁化強度等也具有隧道效應(yīng)，它們可以穿越宏觀系統(tǒng)的勢壘而產(chǎn)生變化，這稱為納米粒子的宏觀量子隧道效應(yīng)。它的研究對基礎(chǔ)研究及實際應(yīng)用，如導電、導磁高聚物、微波吸收高聚物等，都具有重要意義。
二、高聚物/納米復合材料的技術(shù)進展
對于高聚物/納米復合材料的研究十分廣泛，按納米粒子種類的不同可把高聚物/納米復合材料分為以下幾類：
1、高聚物/粘土納米復合材料
由于層狀無機物在一定驅(qū)動力作用下能碎裂成納米尺寸的結(jié)構(gòu)微區(qū)，其片層間距一般為納米級，它不僅可讓聚合物嵌入夾層，形成“嵌入納米復合材料”，還可使片層均勻分散于聚合物中形成“層離納米復合材料”。其中粘土易與有機陽離子發(fā)生交換反應(yīng)，具有的親油性甚至可引入與聚合物發(fā)生反應(yīng)的官能團來提高其粘結(jié)。其制備的技術(shù)有插層法和剝離法，插層法是預(yù)先對粘土片層間進行插層處理后，制成“嵌入納米復合材料”，而剝離法則是采用一些手段對粘土片層直接進行剝離，形成“層離納米復合材料”。
2、高聚物/剛性納米粒子復合材料
用剛性納米粒子對力學性能有一定脆性的聚合物增韌是改善其力學性能的另一種可行性方法。隨著無機粒子微細化技術(shù)和粒子表面處理技術(shù)的發(fā)展，特別是近年來納米級無機粒子的出現(xiàn)，塑料的增韌徹底沖破了以往在塑料中加入橡膠類彈性體的做法。采用納米剛性粒子填充不僅會使韌性、強度得到提高，而且其性價比也將是不能比擬的。
3、高聚物/碳納米管復合材料
碳納米管于1991年由S.Iijima發(fā)現(xiàn)，其直徑比碳纖維小數(shù)千倍，其主要用途之一是作為聚合物復合材料的增強材料。
碳納米管的力學性能相當突出?，F(xiàn)已測出碳納米管的強度實驗值為30－50GPa。盡管碳納米管的強度高，脆性卻不象碳纖維那樣高。碳纖維在約1%變形時就會斷裂，而碳納米管要到約18%變形時才斷裂。碳納米管的層間剪切強度高達500MPa，比傳統(tǒng)碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料高一個數(shù)量級。
伴隨著科學技術(shù)的蓬勃發(fā)展，地球上原有的材料已經(jīng)不能滿足人類的需求，正是在這種情況下，復合材料應(yīng)運而生。復合材料通過將兩種以及兩種以上的物質(zhì)進行融合而產(chǎn)生出一種新型的可以被人類運用的材料。伴隨著復合材料性能的不斷改善以及功能的不斷變化，一部分復合材料已經(jīng)可以被運用到微波工程領(lǐng)域之中，并對微波工程起到巨大的作用。
一、微波及微波的特性
微波是電磁波的一種。微波的波長在1毫米到1米之間，微波的頻率為300MHz―300GHz。微波的基本性質(zhì)通常呈現(xiàn)為穿透、反射、吸收三個特性。相較于其它波段的電磁波，微波具有以下幾個顯著的特征：（一）微波的穿透性。區(qū)別于其它輻射加熱的電磁波，如紅外線、遠紅外線等，微波的波長更長，具有更強的穿透性。微波透入物體時，能與物體分子相互作用使分子產(chǎn)生震動，當微波頻率為2450兆赫茲時，可使物體的分子每秒產(chǎn)生24億次以上的震動。動能轉(zhuǎn)化為熱能，從而使物體的溫度達到整體上的同時升溫，避免了物體在進行熱傳導時的熱量損耗。同時，由于物體在加熱過程中不會出現(xiàn)熱傳導現(xiàn)象，從而大大縮短了物體的加熱時間。（二）微波對不同的物體體現(xiàn)出不同的加熱效果。由于微波穿越不同物質(zhì)時，微波對于不同物質(zhì)的震動會產(chǎn)生不同的影響，這就使得了微波在加熱過程中具備了加熱選擇性的特征。當微波穿越玻璃、塑料和瓷器等物體時，微波幾乎是穿越而不被吸收；當微波穿越水和食物等物體時，這些物體會受到微波的影響而自身產(chǎn)生熱量；當微波穿越金屬類物體時，微波則會被完整的反射回來。家中常用的微波爐加熱物體正是利用了這種原理。微波爐的外殼采用金屬類物體，避免了微波爐加熱時，微波穿透微波爐外壁對周圍的物體產(chǎn)生影響；加熱的物體大多含有豐富的水分子，保證了物體整體的熱量；盛放物體的容器大都為塑料和瓷器類物體，當微波穿越這些物體是，幾乎不會被吸收?？梢?，微波對不同的物體體現(xiàn)出不同的加熱效果。（三）微波的信息性。相比較于低頻無線電波，由于微波具有非常高的頻率，這就使得在狹小的相對帶寬下，微波可用的頻帶非常廣，可以達到數(shù)百甚至上千兆赫茲。這就意味著在同樣的條件下，微波可以攜帶的信息容量要遠遠大于低頻無線電波。因此，目前國際上所使用的現(xiàn)代多路通信系統(tǒng)，包括衛(wèi)星通信系統(tǒng)，幾乎無例外都是工作在微波波段。同時，微波信號還可以提供相位信息、極化信息以及多普勒頻率信息，這些信息可以幫助人類更好的對目標進行檢測和對遙感目標的特征進行分析。
二、復合材料的定義
復合材料（Composite materials），是指由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料，通過物理或化學的方法，在宏觀上組成具有新性能的材料。各種材料在性能上互相取長補短，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使復合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料而滿足各種不同的要求。
三、復合材料在微波工程中的應(yīng)用
（一）金紅石陶瓷一玻璃復合介質(zhì)
金紅石陶瓷結(jié)構(gòu)作為應(yīng)用的最廣泛的微波介質(zhì)正被廣泛的應(yīng)用于各種微波工程之中。金紅石陶瓷結(jié)構(gòu)本身所具有的相對介電常數(shù)大、微波插人損耗小以及溫度穩(wěn)定性好等特性也是微波工程選用此類結(jié)構(gòu)的主要因素。但是單組分金紅石陶瓷結(jié)構(gòu)本身較為疏松，其機械強度較差，基本上不能對其進行機械加工，因此以前該結(jié)構(gòu)的運用受到了很大的限制。
隨著復合材料技術(shù)的不斷進步，一種新型的可以提高金紅石陶瓷結(jié)構(gòu)致密度，同時可以改善其機械強度，使其能進行機械加工的復合材料被研發(fā)出來。其基本指導思想如下：由于微波具有穿透性的特點，當微波遇到玻璃、塑料和瓷器的物體時，微波幾乎是穿越而不被吸收，如果能將金紅石陶瓷與玻璃進行復合，則可以在不降低金紅石陶瓷結(jié)構(gòu)本身正常工作的情況下，提高金紅石陶瓷結(jié)構(gòu)致密度并改善其機械強度，其達到能進行機械加工的目的。
首先，將CaO， B2O3和SiO2按一定比例進行配料、球磨后，在1320℃的高溫下燒結(jié)后制成玻璃粉；然后把制成的玻璃粉與由ZnO和SiO2在1320℃的高溫下生成的硅酸鋅粉按一定比例混合并進行球磨、過篩，生成玻璃相；最后將玻璃相與TiO2、ZnO、CaF2、BaCO3以及ZrO2等按配方配制，經(jīng)過嚴格的工藝流程、球磨、成型以及在940℃的溫度下燒結(jié)，生成金紅石陶瓷一玻璃復合介質(zhì)。這種復合介質(zhì)既保留了金紅石陶瓷的特征，又有好的機械強度和硬度。這種材料的相對介電常數(shù)約為100，當部分填充工作在米波波段的高功率微波終端時，能使高功率微波終端沿傳輸方向300mm的幾何長度就能獲得約2.5m的電長度，有效地縮小了體積，滿足了微波工程的實際應(yīng)用需要。
（二）鐵氧體-陶瓷復合材料。雷達作為現(xiàn)代最重要的通信工具誕生于20世紀40年代。其工作原理是：雷達發(fā)射機通過天線把電磁波能量射向空間某一方向，處在此方向上的物體反射碰到的電磁波；雷達天線接收此反射波，送至接收設(shè)備進行處理，提取有關(guān)該物體的信息。
為確保雷達在某一時點向某一方向發(fā)射電磁波時，不會同時向其它方向發(fā)射電磁波，這就需要在發(fā)射電磁波方向的反方向具有很強的吸收微波作用的物質(zhì)。在雷達運用的早期，通常選用錳鋅軟磁鐵氧體和鎳鋅軟磁鐵氧體作為吸波材料。兩種材料在雷達工作時具有高磁導率、高電阻率、低損耗等特點，且成本低廉。
然而，由于錳鋅和鎳鋅都屬于金屬類產(chǎn)品，對微波具有反射作用，而影響到微波吸收率，從而干擾到雷達電波的準確程度。
隨著復合材料的發(fā)展，人們逐漸意識到：如果能夠使用幾乎對微波不會產(chǎn)生任何影響的陶瓷取代傳統(tǒng)的鐵氧體材料，這種局面也許能打破，一種新型的鐵氧體-陶瓷復合材料應(yīng)運而生。這種復合材料的微波阻抗在很寬的頻帶范圍內(nèi)幾乎不發(fā)生變化，使用這種新型材料設(shè)計制造的天線和微波類傳輸線等器材在實際應(yīng)用中都產(chǎn)生了非常好的使用效果。
（三）選擇性透波復合材料
隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，我國的綜合國力得到了顯著的增強。我國的航空航天事業(yè)及軍工事業(yè)也得到了非?？焖俚陌l(fā)展。在此基礎(chǔ)上，我國對于透波材料的需求，尤其是選擇性透波復合材料的需求也不斷上升。透波材料在航空航天領(lǐng)域中具有重要的地位，是航空航天器材所不可缺少的重要外部材料。當航空飛行器在遇到惡劣飛行氣候或是在通信環(huán)境非常惡劣的條件時，透波材料可以保證航空飛行器的通訊、遙測等系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)。同時在運載火箭、宇宙飛船等領(lǐng)域也有重要的作用。伴隨著技術(shù)的進步，新型的選擇性透波復合材料正成為業(yè)界所關(guān)注的重點。選擇性透波復合材料是對頻率選擇表面技術(shù)同復合材料相結(jié)合，從而產(chǎn)生的一種新型的材料工藝。選擇性透波復合材料對行器的隱形技術(shù)有著重大的貢獻，它可以在保證飛行器自身通訊正常工作的情況下，屏蔽其他外來電磁波對飛行器的偵查和干擾等。結(jié)論：隨著復合材料技術(shù)的不斷進步，各種穿透性好、透波性能好的復合材料相繼問世。由于納米材料的研制成功及其應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，新型功能劑不斷出現(xiàn)，，透波、吸波性能越來越高。這些都極大地提高了復合材料在微波工程中的使用范圍，增強了微波工程的使用效果。相信在不就的將來，復合材料在微波工程中的應(yīng)用將越來越廣泛，復合材料所起到的效果也將越來越重要。
參考文獻
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為了實施素質(zhì)教育，許多高校相繼實行了選修課制度。選修課的廣泛開設(shè)為學生綜合素質(zhì)的提高和個性發(fā)展提供了廣闊的空間，選修課的建設(shè)和完善成為高校教學改革深化的重要環(huán)節(jié)[1]?！稄秃喜牧细耪摗氛n是材料類非復合材料專業(yè)開設(shè)的一門專業(yè)選修課，課程的開設(shè)一方面有利于學生擴充知識面，拓寬專業(yè)口徑、強化其創(chuàng)新精神，培養(yǎng)其創(chuàng)造性思維和初步科研能力，另一方面，可以直接提升學生的競爭力、拓寬大學生就業(yè)渠道。
一、教學過程中存在的問題
作為一門選修課，《復合材料概論》課的特點是知識量大，內(nèi)容繁雜，且課程內(nèi)容涉及有機材料，與學生所學的專業(yè)差異性較大，教學過程中存在很多問題。首先，由于是選修課，課程名稱是“概論”，學生往往重視程度不夠；其次，課程內(nèi)容多，課時量少，無法將知識點展開講，加上學生沒有相應(yīng)的基礎(chǔ)知識，在學習過程中難以深入，不知道如何理順知識體系，對有些關(guān)鍵知識點難以理解，有些無所適從；課程內(nèi)容多為陳述性的內(nèi)容，缺少以核心理論、定理、公式等為背景的知識體系，計算的東西少，敘述性的內(nèi)容多，使得教師的授課很容易陷入平鋪直敘的乏味陳述中，這些問題直接影響了教學效果。
二、《復合材料概論》課程的改革
（一）教學內(nèi)容的調(diào)整。
《復合材料概論》課的特點是內(nèi)容多，目前選用的教材包含17章內(nèi)容，按照學校關(guān)于選修課教學課時的規(guī)定，配備課時數(shù)已經(jīng)達到64節(jié)的上限。根據(jù)學科特點，課程組大膽創(chuàng)新，積極改革，除保留出4個課時進行復結(jié)外，把其余60課時分為兩大部分，其中課程教學40個課時，科研實踐20個課時。但是在40課時內(nèi)很難完成全部“基本內(nèi)容” 的課程教學任務(wù)。為此我們對教材章節(jié)進行結(jié)構(gòu)上合并處理和內(nèi)容上的歸納優(yōu)化，處理后的內(nèi)容僅保留緒論、復合材料的基體材料、復合材料的增強材料、復合材料的界面、聚合物基復合材料、金屬基復合材料、陶瓷基復合材料、水泥基復合材料、碳/碳復合材料和混雜纖維復合材料等十章內(nèi)容。此外在實用、實際、實效原則的基礎(chǔ)上， 大膽地刪掉一些過時的、落后于目前材料發(fā)展水平的舊知識， 引入材料科學的最新研究成果，及時地、有選擇地補充最新研究成果， 使教學內(nèi)容處于動態(tài)的優(yōu)化過程中。
在20課時的科研實踐中，教師對學生創(chuàng)新能力做最有效的培養(yǎng)和鍛煉，結(jié)合自身的科研課題， 積極吸納學生參與， 由老師提出研究項目， 學生選擇課題確定后查找資料、設(shè)計實驗方案、按方案完成實驗、發(fā)表科研論文。這種方式在科研實踐中提高了學生的綜合、創(chuàng)新能力。
（二）教學方法的改革。
要實現(xiàn)教學重心的轉(zhuǎn)移，充分激發(fā)學生的學習興趣，發(fā)揮主觀能動性，改變以往滿堂灌的做法，摒棄注入灌輸、死記硬背的教學方法。實踐中，課題組采取多種措施進行教學方法的改革，使學生主動的學習。首先幫助學生理出知識脈絡(luò)， 做到雜而不亂。在本課程的緒論部分， 就幫助學生整理出知識的脈絡(luò)，告訴學生《復合材料概論》課程中的每種材料學習過程中都有一個知識結(jié)構(gòu)， 那就是材料的成分、材料的結(jié)構(gòu)、材料的性能、生產(chǎn)工藝、技術(shù)性質(zhì)及應(yīng)用。在分章節(jié)講授每種材料的具體內(nèi)容時， 有意識提醒學生對上述知識結(jié)構(gòu)進行自我的理解和把握，樣經(jīng)過前幾種材料的講授， 學生基本上就可以形成對知識結(jié)構(gòu)體系整體的認識和把握能力。
另外，大學課堂教學的特點是信息密度大、內(nèi)容高度抽象， 這就要求教師要通過努力發(fā)掘?qū)W科本身的理論魅力去激發(fā)學生的求知欲， 重視非智力心理因素在教學中的作用。要讓學生在聽課中充滿激情， 教師自己在講授時就要充滿激情。要做到這一點， 就要深入鉆研本門課程的理論和應(yīng)用， 以及學科的發(fā)展歷史和背景。教師鉆研得越深入，就會對自己所教的這門課程越有感情，就越能深入揭示這門學科的思想魅力和理論力量，并以此去感染學生，來充分調(diào)動學生的探求欲。
（三） 教學手段的豐富。
對沒有工程經(jīng)驗、甚至對某種材料沒有任何感性認識的學生而言， 在教學活動中大談特談該材料的性質(zhì)如何， 怎么檢測和使用， 他們只能根據(jù)想象來理解， 然后把教材的內(nèi)容死記硬背， 這樣的教學效果肯定不太理想。多媒體投影教學在這個方面彌補了傳統(tǒng)教學手段的不足。利用制作好的課件， 不但可以使學生看到材料的照片、試驗儀器的樣子， 而且可以將一些材料應(yīng)用過程中的圖片介紹給學生， 使學生真正體會到復合材料的應(yīng)用效果。
（四）課程考核方法的改革。
考核是檢查、評價學生水準和才智的一種方法， 是教學的重要環(huán)節(jié)。通過它可以檢測學生對所學課程教學大綱規(guī)定的掌握知識的情況， 檢驗教師的教學質(zhì)量和教學效果， 促進教師改進教學方法。傳統(tǒng)教學方式中考試是作為成績評定的重要依據(jù)， 考試成為了教師手里一根重要的指揮棒， 同時對學生的學習也起了重要的引導作用， 考試后關(guān)心的是分數(shù)， 導致學生只看重考試的結(jié)果， 成績成為學習的目的。最近幾年，對《復合材料概論》這門專業(yè)選修課，我們采用綜合考核， 靈活應(yīng)試的辦法來測驗學生掌握這門課的水平。除期末考試之外，象課堂發(fā)言和討論、書面作業(yè)和科研小論文都作為成績重要的組成部分，這種多樣化的考核手段的內(nèi)容包括加強課堂提問、 加強平時考核、敘述自己的對課題的認識、加強期末考試的科學性客觀性和有效性等
三、結(jié)束語
