试论复合材料在机械制造上的应用

刘锐锋

摘要：早在上个世纪中期，复合材料就凭借着自身所具有的诸多高质量性能而应用于机械制造行业当中。复合材料不但拥有比模量高、比强度高、减震性能良好、抗疲劳性能好等优势，同时它还能够依据使用条件的变化而进行设计和制造，以满足各种特殊的用途，进而大幅度提升机械结构的性能。长期以来，复合材料在机械制造行业中作为替代金属材料的良好选择，深受许多业界人士和厂家的青睐，并且其用途也逐渐广泛起来。伴随当前机械设备需求量的与日俱增，很多类型的复合材料都应用到了机械制造过程中，在很多零部件上逐渐取代了传统金属材料。在很多发达国家的机械制造业中，复合材料始终被视为是一种最为理想的材料。

关键词：复合材料；机械制造；应用；行业

对于复合材料而言，它主要是由两种或者两种以上性质不尽相同的材料经过各种施工工艺组合而成的新型材料，复合材料的每一组成材料在性能方面都发挥了很强的协同作用。复合材料具有强度好、刚度大、质量小等优势，能够根据不用的使用条件进行设计和制造，以满足各种不同的用途，从而大幅度提升工程结构材料及其功能材料的整体性能。通常情况下，复合材料拥有良好的比模量和比强度，并且化学稳定性好，耐磨、减磨、自滑性好，耐热性好，高抗热冲击性和高韧度，导热性和导电性能良好。所以，当前复合材料已经广泛应用于航空航天、机械制造、电子、纺织、医学、汽车工业等诸多领域当中，产业化形势初具形成。笔者通过本文，针对复合材料在机械制造上的应用进行阐述。

1.关于复合材料的基本概述

由于复合材料各组成材料在性能方面实现了协调，能够实现单组材料所不具有的优势，例如，复合材料具有强度高、刚度大、质量小等优点。

可将复合材料分为功能型材料与结构型材料，前者具有良好的耐磨、耐高温性，适用于机械零部件制造，在保证工件质量的同时，也可适当的增加其使用寿命；而后者则可以很好应用于机械设备制造中，它具有质量小、强度大等优势，有效降低了机械设备的重量。

2.在机械制造上应用复合材料

在制造机械的过程中，应该按照零部件工作环境的不同来确定原材料的选择、工作环境、受力分析和一些特殊的条件等等。一方面要保证零部件在工作过程中不能出现失效的情况，另一方面还要尽量的增加其实际使用寿命。下面将对部分复合材料的主要性能、特点及用途进行集中阐述。

2.1不锈钢复合钢板

不锈钢板是由合金元素组成，这些元素也决定了不锈钢板性能的差异；由于这些元素的存在，因此造就了不锈钢板具有极佳的耐化学腐蚀和电化学腐蚀性能，是在钢材里面是最好的。不锈钢复合板采用先进的真空轧制工艺，可以确保让不同材质材料之间形成原子结合，结合率可达100%。不锈钢复合板具有良好的导热能力，又具有防腐蚀功能，可大量用于焦化设备。如使用于蒸氨塔，可以提高蒸氨塔的使用寿命，降低运行成本；另外一方面因其防腐性能，又能应用于蒸氨设备。

2.2玻璃纤维复合材料

这种复合材料是热固性树脂和纤维的复合，其密度小、强度大、抗冲击性强。收缩性小、耐腐蚀。同时。热塑性树脂和纤维的复合，还具有良好的注射成形和低温韧性。

玻璃纤维复合材料通常运用到耐腐蚀、耐磨、绝缘、无磁、减磨和普通机械零部件、泵阀、管道和容器当中。

2.3碳纤维石墨纤维复合材料

这种复合材料主要是由碳-陶瓷复合、碳-树脂复合等，它具有良好的比模量、比强度、比刚度，而且线膨胀系数小、耐摩擦、自润滑性和耐磨损性良好。此外，它还具有很好的耐热性和耐腐蚀性。

碳纤维石墨纤维复合材料在航空、宇航、原子能等工业中主要使用在压气机叶片、发动机壳体、轴瓦、齿轮、机翼上。

2.4硼纤维复合材料

这种复合材料主要是硼和环氧树脂或者铝复合而成，具有良好的比刚度和比强度。

硼纤维复合材料主要应用于火箭、飞机等构件当中，能够有效降低的机械设备的质量。

2.5晶须复合材料

晶须复合材料中的晶须为单晶，没有普通材料的空穴和错位等毛病，而且具有很强的机械强度。

通产情况下，晶须复合材料应用于涡轮叶片当中。

2.6石棉纤维复合材料

石棉纤维复合材料主要是纤维和树脂的复合，具有良好的绝缘性、耐磨性、耐热性和耐酸性。

石棉纤维复合材料主要应用在绝缘材料、制动机械部件和密封件当中。

2.7金属粒塑料复合材料

金属粒塑料复合材料主要是将金属掺入到塑料当中，能够有效改善自身原本具有的导电性和导热性，并降低线膨胀系数。

石棉纤维复合材料主要应用于铅粉加入氟塑料所做的轴承材料当中。

2.8陶瓷粒金属复合材料

陶瓷粒金属复合材料能够有效提升机械设备的高温耐磨性、抗腐蚀性以及润滑等性能。

陶瓷粒金属复合材料中氧化物金属陶瓷主要用于高速切削材料和高温材料当中；而碳化铬则主要应用于耐磨喷、耐腐蚀、高温无润滑、重载轴承的零部件当中。

2.9弥散强化复合材料

弥散强化复合材料主要是将尺寸比较小的硬质粒子均匀的分布于金属基体当中，从而极大地提升了机械设备的耐热性和强度值。

弥散强化复合材料一般应用于比强度较高、耐热性良好的工件当中。

2.10多层复合材料

多层复合材料主要是指钢-多孔性青铜-塑料三层的复合，具有良好的耐磨性和抗冲击性。

多层复合材料通常应用于热片、轴承以及球头座等耐磨件当中。

2.11多孔浸渍复合材料

多孔浸渍复合材料主要是指多孔材料浸渍到低摩擦系数的油脂或者氟塑料当中，能够有效降低摩擦力。

多孔浸渍复合材料一般应用于轴承、油枕当中，而浸树脂石墨则往往用于抗磨材料当中。

3.在冲压模具的制造上应用复合材料

因为各种各样的冲压模具所处的工作环境有所差异，因而，针对模具材料的要求也不尽相同。我们可以将这些模具材料大体上划分成三种：首先是冲裁模材料的要求；其次是拉伸模材料的要求；第三是冷挤压模材料的要求。对于这些模具制造来说，它们要求原材料能够承受振动、冲击、拉伸、高压、摩擦、扭曲等负荷，甚至还要在超高温条件下完成工作。从当前形势来看，制造冲压模具的材料大部分是以钢材为主，由于碳素工具钢在价格方面相对便宜，并且容易加工塑性，因而它被广泛应用于模具制造当中，然而其红硬性和淬透性较差，在进行热处理时将会发生较大的形变，并且承载能力低，不适用于塑性低、硬度大的零部件制造。例如，硬质合金钢的抗弯强度、韧性差，对于一些需要较强硬度和韧性的机械设备制造就无法满足要求，而复合材料在性能方面则具有较强的比强度和比模量，它能够有效抵抗刃口在工作过程中所受到的各种强烈冲击和摩擦。

4.结语

总而言之，复合材料科学是一种包含了诸多行业、领域的新兴学科，由于其具有质量小、强度大、加工便捷、弹性良好、抗化学腐蚀、耐候性好等优势，现已经广泛应用于航空航天、电子、汽车、医学、化工等诸多领域当中。近年来，针对新型复合材料的设计及其性能的研究与评价获得巨大进步，复合材料在材料工业当中所占比例也逐渐增加，因而产业化趋势得到显著加强。伴随科学技术的深入发展，复合材料也势必会在更多的领域和行业中发挥越来越大的作用。

参考文献：

[1]关锦清，文潮，刘晓新，唐仕英，林英睿，李迅，周刚.不锈钢复合板与16MnR钢冲击拉伸力学特性研究[J].兵器材料科学与工程，2010（01）.

[2]王正中，蒋玉滨，孙小伟.东风微型轿车复合材料车身的开发与应用[J].玻璃钢学会第十五届全国玻璃钢/复合材料学术年会论文集，2008（22）：275一278.

[3]李文军，殷江宁，邢高磊，岳强，崔广梅.321/15CrMoR金属复合板压力容器封头的制造[J]，材料开发与应用，2011（05）.

[4]王宏雁，陈君毅.汽车车身轻量化结构与轻质材料[M].北京：北京大学出版社，2009：50-153.

[5]何中吉.凝汽器不锈钢复合材料焊缝的超声波探伤[A].2003年晋冀鲁豫鄂蒙川沪云贵甘十一省市区机械工程学会学术年会论文集（河南分册）[C]，2003.

[6]奚飞达，朱荣跃，蔡建明.我国建筑复合板材跨世纪发展战略与思考[A].全国新型墙体材料及混凝土、加气混凝土制品生产与应用新技术、新装备推广、交流大会论文集[C]，2004.