机械工程中的复合材料应用与性能研究

引言

复合材料是由两种或者两种以上的不同材料通过物理方法或者化学方法，在宏观上形成一种新的物质，可以根据需求的不同，通过材料组份、结构、比例的不同，进行材料性能的优选组合，从而满足机械工程的复杂工况需要。因此，加强机械工程中复合材料的应用性能研究具有重要的意义。

一、复合材料的性能分析

1. 力学性能

复合材料的力学性能是复合材料能否用于机械工程中的重要因素，复合材料具有更大的比强度和比刚度，即单位质量材料的强度和刚度比金属材料高出很多，如碳纤维增强复合材料的比强度是钢的 5-6 倍、比刚度是钢的 3-4 倍，因此，采用复合材料制造机械零部件既可以减轻结构质量又能保证有足够的强度和刚度。另外，复合材料的使用年限较长，在长时间的工作中能够承受多次的载荷循环而不会出现损坏，这一特点对于工作时间较长的工用机械尤为有效。

2. 耐腐蚀性

有很多机械零件在工作中接触酸、碱、盐等腐蚀性介质，对于一般的金属材料，很容易被腐蚀，从而造成机械零部件失效，缩短机械设备的使用寿命。复合材料耐腐蚀性强，抗各种化学介质腐蚀，能够提升机械零部件的可靠性和耐久性。玻璃钢（FRP）广泛用于化工机械中，能够适应各种腐蚀性介质。

3. 耐高温性能

有些环境在比较高的温度下工作，要求材料本身有比较好的耐温性能。例如，有些复合材料本身有比较好的耐温性能，能够在高温下保持材料的力学性能和化学稳定性，如可以工作在 1000^∘C 以上的高温下陶瓷基复合材料（CMC），可以用来制造涡轮叶片等航空发动机高温部件。

4. 其他性能

复合材料还具有减震、隔音的特点。在机械工程使用复合材料制成的零件能够减少机械的振动与噪声，改善人们的工作环境。此外复合材料的成型方法比较灵活，可以根据不同的需求制成不同复杂程度的形状，增加了机械工程设计的灵活性。

二、复合材料在新能源风机叶片不同部位的应用

1. 叶片根部

叶片根部制造时，一般以玻璃纤维增强复合材料 GFRP 或碳纤维增强复合材料 CFRP 进行制造，GFRP 成本低、强度高、刚度高、耐腐蚀等特点，设计中小型风机叶片根部；CWRP 则比强度高、比刚度大、疲劳寿命长，可承受的载荷大，可设计大型及超大型风机叶片根部。增加叶片根部连接件如金属法兰或螺栓套，采用粘接的树脂胶粘固复合材料与基体紧密粘结在一起形成一体化结构，以增强叶片根部的承载能力。叶片根部设计中采用增强层、局部加厚等方法增加根部区域的强度和刚度，以承担各种复合载荷。

2. 叶片主体

（1）蒙皮

蒙皮的制作材料上，多选用玻璃纤维增强复合材料 GFRP、碳纤维增强复合材料 CFRP 等，中、小型风机叶片因对蒙皮质量和性能要求不高，一般采用GFRP 蒙皮，以降低成本；大型、超大型风机叶片，为了降低叶片重量，提高叶片气动性能和工作的稳定性能，一般采用 CFRP 制作蒙皮，尤其是叶片受力较大的区域（叶片中部、靠近根部）。同时，为了提高蒙皮的耐环境老化性能、提高蒙皮表面的质量，通常会在蒙皮表面涂敷一层耐紫外、耐磨损的耐老化涂层，如聚氨酯涂层、环氧树脂涂层等。

（2）腹板

在腹板制造中应用最多的是玻璃纤维增强塑料 (GFRP) 或者碳纤维增强塑料(CFRP)，同时采用芯材复合( 泡沫芯材或蜂窝芯材) 结构，以实现轻质、高强，对中小型风机叶片腹板一般采用 GFRP+ 泡沫芯材的组合，实现轻质化；对大型和超大型风机叶片腹板，为了提高其强度和刚度，一般采用 CFRP+ 蜂窝芯材的组合，蜂窝芯材可提高腹板抗屈曲能力，增加其刚度，减轻腹板重量；在腹板截面和结构设计方面，针对叶片受力设计合适的结构和截面形状，比如：工字形、箱形截面等，提高腹板承载能力。

（3）前缘和后缘

在叶片前缘制造中一般以玻璃纤维增强复合材料 GFRP 或芳纶纤维增强复合材料 AFRP 为主要的原材料，并在表面涂抹耐磨损涂层，AFRP 耐冲刷、耐磨损性能好，在风沙雨滴等颗粒冲刷与冲击下仍能保持较好的性能，所以广泛的应用于一些要求前缘保护较高的风机叶片。在叶片后缘制造中一般以GFRP 为主，由于叶片后缘受力不大，对叶片材料要求较低，GFRP 可以兼顾对材料性能和成本的节省，同时由于考虑到后缘的精度、表面的质量较高，一般采用精度较高的模具和成型工艺，并打磨抛光表面。

3. 叶片尖端

叶片尖端制造过程中通常会选择使用碳纤维增强复合材料 CFRP 作为叶片尖端制造的主要原料，CFRP 比刚度大，高强度、高疲劳寿命可承受叶尖端高离心力和气动载荷，能够有效降低叶尖端的质量，进而减小叶片的惯性力。为提高叶尖端耐雷击水平，通常会在叶尖内部加装雷电防护网，如金属接闪器、导电纤维等，将雷电引入大地，以防护叶片受到雷电的损坏。另外，叶片尖端气动外形设计也非常重要，应使用合理的气动外形，减少气动阻力，提高叶片气动能力和产电能力。

三、发展趋势与展望

1. 智能化设计与制造

随着计算机技术、人工智能技术的进步，复合材料的智能化设计、制造是发展前景，通过复合材料性能数据库、性能设计模型等，利用机器学习等优化设计的方法，提升设计效率、保障设计精度；自动化制造，如自动化铺层、3D打印等，提升制造效率、保障制造质量的稳定性。

2. 提高回收利用率

加强复合材料的回收再利用研究，开发有效的回收技术和工艺，是复合材料可持续发展的必由之路，如：化学回收法将复合材料分解为纤维原料与基体实现材料回收再利用；开发可降解复合材料也是复合材料回收再利用的重要途径。3. 多功能化开发多功能化复合材料是复合材料发展的一个重要方向，如：开发多功能纤维增强复合材料，实现多种材料的性能集成，满足多种不同性能和功能的需要。未来复合材料会具有多功能性，除了具有良好的力学性能外，还可以具有导电性、导热性、磁性等。例如，开发具有自我修复功能的复合材料材料，当材料受到损伤时可以修复材料损伤，增加材料的寿命。

结语

复合材料作为一种新材料，在机械工程领域有着非常广泛的应用前景。其具有较好的机械性能、耐腐蚀、耐高温等性能。复合材料能够适应机械工程恶劣的工况要求。降低成本以及智能化设计制造、回收利用率提升以及复合材料的各种功能化发展等，有望在将来解决这一问题，复合材料将在机械工程领域得到更加广阔的应用。随着研究以及技术的发展，复合材料将在机械工程领域起到越来越大的作用，给机械工业的发展带来全新的机遇与挑战。

参考文献：

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[3] 李成. 新型复合材料在工程机械上的应用分析[J]. 中国战略新兴产业,2018(9X):1.