Da hochleistungsfähige Verbundwerkstoffe in den gesamten Verbundwerkstoffen enthalten sind und „hochleistungsfähig“ relativ ein weites Spektrum umfasst, ist es besser, den gesamten Verbundwerkstoff zu besprechen, um den Überblick über die nationale und internationale Entwicklung zu beschreiben. Verbundwerkstoffe können je nach Matrixtyp in Harzmatrix-Verbundwerkstoffe, Metallmatrix-Verbundwerkstoffe, Keramikmatrix-Verbundwerkstoffe, Zementmatrix-Verbundwerkstoffe usw. unterteilt werden.
(A) Überblick über die Entwicklung von Harzmatrix-Verbundwerkstoffen im In- und Ausland
Harzmatrix-Verbundwerkstoffe wurden zuerst entwickelt und industriell gefördert, sodass sie die breitesten Anwendungen und den höchsten Grad der Industrialisierung aufweisen. Gemäß dem thermischen Verhalten der Matrix können sie in thermoplastische Verbundwerkstoffe und thermohärtende Verbundwerkstoffe unterteilt werden.
1. Thermohärtende Harzmatrix-Verbundwerkstoffe
Thermohärtende Harzmatrix-Verbundwerkstoffe sind Verbundwerkstoffe, die aus thermohärtenden Harzen wie ungesättigten Polyesterharzen, Epoxidharzen, Phenolharzen, Vinylesterharzen usw. bestehen und mit Glasfasern, Kohlenstofffasern, Aramidfasern, Ultrahochmolekulargewicht-Polyethylenfasern usw. verstärkt sind.
Harzmatrix-Verbundwerkstoffe werden seit ihrer Entstehung in den USA im Jahr 1932 bereits seit fast 70 Jahren entwickelt. Von 1940 bis 1945 verwendete die USA erstmals handgelegtes glasfaserverstärktes Polyester (GRP)-Harz zur Herstellung von militärischen Radomen und Flugzeugtanklagen, was den Weg für die Anwendung von Harzmatrix-Verbundwerkstoffen in der Militärindustrie eröffnete. Im Jahr 1944 verwendete die US-Luftwaffe erstmals eine Verbundwerkstofflaminatstruktur zur Herstellung von Flugzeugflügeln und Flugzeugrumpfen. Im Jahr 1946 wurde das Faserverwindungsverfahren in den USA patentiert. Im Jahr 1950 wurde das Vakuumbeutel- und Druckbeutelformungsverfahren erfolgreich entwickelt und das Propellerblatt eines Hubschraubers wurde erfolgreich im Versuch hergestellt. Im Jahr 1949 wurde Glasfaservormischung erfolgreich entwickelt, und die Harzmatrix-Verbundwerkstoffteile mit glatter Oberfläche wurden unter Verwendung des traditionellen Paarformungsverfahrens gepresst.
In den 1960er Jahren entwickelte die USA mithilfe der Faserverwindungstechnologie erfolgreich die Raketenmotorhaube des Polaris A-Missils. Um die Produktivität des handgelegten Formungsverfahrens zu verbessern, wurde das Spritzgießverfahren in dieser Periode entwickelt und eingesetzt, was die Produktions effizienz um das 2- bis 4-fache erhöhte.
1961 Deutschland erfolgreich entwickelte sheet molding compound (SMC), so dass das Formungsverfahren auf ein neues Niveau stieg (mittlerer Druck, mittlerer Temperatur, Produkte mit großer Fläche).
In 1963 begann die industrielle Produktion von Harzmatrix-Verbundwerkstoffen. Die USA, Frankreich und Japan haben kontinuierliche Produktionslinien mit hoher Ausbeute und großer Breite gebaut und haben transparente Verbundwerkstoffe und deren Laminate-Strukturbleche erfolgreich entwickelt.
Im Jahr 1965 verwendeten die USA und Japan SMC zur Pressung von Automobilteilen, Badewannen, Schiffskomponenten usw. Das Pultrusionsformungsverfahren begann in den 1950er Jahren und erreichte in der Mitte der 1960er Jahre eine kontinuierliche Produktion. Neben Stangen (Rohren) wurden auch dünne Röhren, Quadrate, I-Träger, U-Träger-Profile usw. produziert. Bis in die 1970er Jahre gab es einen großen Durchbruch in der Pultrusions technik, und die derzeit modernsten Pultrusions-Anlageeinheiten werden derzeit in den USA produziert. Sie haben einen Produktquerschnitt von 76×20 cm² und sind mit einem Ringwickelmechanismus ausgestattet. In den 1970er Jahren wurde das Reaktionsspritzgießen von Harzen (RRIM) erfolgreich erforscht, was das handgelegte Formungsverfahren verbesserte und dazu führte, dass die Produkte auf beiden Seiten glatt waren. Es wurde in der Produktion von Sanitärwaren und Automobilteilen eingesetzt. Thermoplastische Verbundwerkstoffe wurden in den frühen 1970er Jahren entwickelt, und der Produktionsprozess bestand hauptsächlich aus Spritzgießen und Extrudieren. Sie wurden nur zur Herstellung von kurzfaserverstärkten Kunststoffen verwendet.
Im Jahr 1972 entwickelte PPG erfolgreich glasfasermattenverstärktes thermoplastisches Sheet Molding Compound (GMT) und brachte es 1975 in die Produktion. Das Wichtigste daran ist, dass die Formungszeit kurz ist und der Abfall recycelt werden kann. Frankreich entwickelte in den 1980er Jahren erfolgreich die Nassproduktion von thermoplastischem Sheet Molding Compound (GMT) und es wurde in der Automobilindustrie sehr gut eingesetzt. Das zentrifugale Gussformungsverfahren begann in der Schweiz in den 1960er Jahren und wurde in den 1980er Jahren weiterentwickelt. In Großbritannien wurden 10 m lange Verbundwerkstoff-Stangen mit dieser Technologie produziert, während in städtischen Wasserversorgungsprojekten mit der zentrifugalen Methode große Durchmesser-Druckrohre hergestellt wurden, was zu bemerkenswerten technischen und wirtschaftlichen Effekten führte. Bisher gibt es fast 20 Arten von Produktionsprozessen für Harzmatrix-Verbundwerkstoffe, und es tauchen immer noch neue Produktionsprozesse auf.
In Bezug auf die Entwicklung und Anwendung von Harzmatrix-Verbundwerkstoffen sind die Entwicklungswege der einzelnen Länder unterschiedlich. Die USA setzten Harzmatrix-Verbundwerkstoffe zuerst in der Militärindustrie ein und wandten sich nach dem Zweiten Weltkrieg allmählich der zivilen Anwendung zu. In den westlichen europäischen Ländern begann die Entwicklung ziviler Anwendungen (wie Wellbleche, Korrosionsschutzmaterialien, Sanitärwaren usw.) direkt und deckte gleichzeitig die Militärindustrie ab. Im globalen Maßstab hat sich ein vollständiger Industrielsystem aus Rohstoffen, Formungsprozessen, Maschinen und Anlagen, Produkttypen und Leistungsprüfungen usw. gebildet. Im Vergleich zu anderen Branchen hat die Entwicklung sehr schnell vorangeschritten.
Die Harzmatrix der heutigen Verbundwerkstoffe besteht immer noch hauptsächlich aus thermohärtenden Harzen. Laut den Statistiken von 2000 gibt es weltweit über 40.000 Arten von Harzmatrix-Verbundwerkstoffprodukten, und die Gesamtproduktion erreicht 6 Millionen Tonnen, wovon die Produktion von hochleistungsfähigen Harzmatrix-Verbundwerkstoffen mehr als 3 Millionen Tonnen beträgt und die Produktion von hochleistungsfähigen thermoplastischen Verbundwerkstoffen mehr als 1,2 Millionen Tonnen beträgt.
Harzmatrix-Verbundwerkstoffe haben eine breite Palette von Anwendungen. Tabelle 1 zeigt das Verhältnis der Harzmatrix-Verbundwerkstoffe, die in den Branchen der Automobilindustrie, des Bauwesens und der Schiffbauindustrie in einigen wichtigen Ländern wie den USA, Westeuropa und Japan eingesetzt werden.
Die Harzmatrix-Verbundwerkstoffe in China wurden im Jahr 1958 eingeführt. Damals wurden die Harzmatrix-Verbundwerkstoff-Fischboote mit dem handgelegten Verfahren entwickelt, und Harzmatrix-Verbundwerkstoff-Platten, -Rohre und -Raketenrohre wurden erfolgreich mit dem Laminier- und Walzverfahren usw. entwickelt. Im Jahr 1961 wurden die ablationsbeständigen Enden entwickelt. Im Jahr 1962 wurden ungesättigte Polyesterharze sowie Wabenformmaschinen und Spritzgießmaschinen eingeführt, um Flugzeugpropeller und Ventilatorflügel zu entwickeln.
Im Jahr 1962 gelang es bei der Forschung des Wickelverfahrens, und es wurden eine Anzahl von Sauerstoffflaschen und anderen Druckbehältern produziert. Im Jahr 1970 wurde ein großer Radom aus Harzmatrix-Verbundwerkstoff mit einem Durchmesser von 44 Metern mit handgelegten Strukturplatten hergestellt. Vor 1971 war die Harzmatrix-Verbundwerkstoff-Industrie in China hauptsächlich auf militärische Produkte ausgerichtet, und nach den 1970er Jahren begann sie sich der zivilen Nutzung zuzuwenden. Im Jahr 1987 wurden eine Vielzahl von ausländischen fortschrittlichen Technologien wie Pool-Ofen-Ziehtechnologien, Kurzfaservliese, Oberflächenvliese-Produktionslinien sowie verschiedene Sorten von Polyesterharzen (aus den USA, Deutschland, den Niederlanden, Großbritannien, Italien, Japan) und Epoxidharzen (aus Japan, Deutschland) in China eingeführt. In Bezug auf die Formungstechnologie wurden Wickelrohr- und -Tank-Produktionslinien, Pultrusionsverfahren-Produktionslinien, SMC-Produktionslinien, kontinuierliche Plattenherstellungsanlagen, Harztransferformmaschinen (RTM), Spritzgießtechnologien, Harzinjektionsformtechnologien und Fischgriff-Produktionslinien usw. eingeführt. Es hat sich ein vollständiges Industrielsystem aus Forschung, Entwurf, Produktion und Rohstoffausstattung gebildet. Bis Ende 2000 hatten die Hersteller von Harzmatrix-Verbundwerkstoffen in China mehr als 3.000 Unternehmen erreicht. Die Anzahl der ISO9000-Qualitätssystem-zertifizierten Unternehmen betrug 51, es gab über 3.000 Arten von Produkten, und die Gesamtproduktion betrug 730.000 Tonnen pro Jahr, was China auf dem zweiten Platz der Weltrangliste platzierte. Die Produkte werden hauptsächlich in den Branchen des Bauwesens, der Korrosionsschutz, der Leichtindustrie, des Verkehrs und des Schiffbaus eingesetzt. In den letzten Jahren sind schnell Kohlenstofffaservlies-verstärkte Baukonstruktionen, pultrusionsverfahren hergestellte Verbundwerkstoff-Türen und -Fenster, SMC- oder BMC-geformte Zählerkästen, RTM-Produkte usw. aufgetaucht.
In der Bauindustrie wurden Harzmatrix-Verbundwerkstoffe bereits in Innen- und Außenwandplatten, transparenten Kacheln, Kühltürmen, Klimaanlagengehäusen, Ventilatoren, Glasfaserverstärkten Kunststoff-Wasserbehältern, Sanitärwaren, Reinigungsbecken usw. weit verbreitet eingesetzt.
In der Petrochemie-Industrie werden Harzmatrix-Verbundwerkstoffe hauptsächlich in Rohrleitungen und Lagerbehältern eingesetzt. Darunter sind Glasfaserverstärkte Kunststoff-Rohre festlange Rohre, zentrifugal gegossene Rohre und kontinuierliche Rohre. Gemäß dem Druckniveau werden sie in Niederdruck- und Mittel druckrohre sowie Hochdruckrohre unterteilt. Während der achten und neunten Fünf-Jahres-Planungsperiode in China wurden 40 Rohr- und Tank-Produktionslinien eingeführt. Bei der Baustelle wurden große Lagerbehälter mit einem Durchmesser von bis zu 12 Metern gewickelt, und der maximale Fassungsvermögen von Lagerbehältern betrug 10.000 Kubikmeter. In China wurden die Entwicklung und Produktion von Anlagen zur Herstellung von glasfaserverstärkten Kunststoff-Rohren und -Tanks vorangetrieben, und einige technische Indikatoren haben den technischen Stand ähnlicher ausländischer Anlagen übertroffen.
Im Verkehrswesen werden zur Verringerung des Gewichts von Verkehrsmitteln, zur Einsparung des Kraftstoffverbrauchs, zur Verlängerung der Lebensdauer und zur Erhöhung des Sicherheitsfaktors derzeit eine große Anzahl von Verbundwerkstoffen eingesetzt. In Kraftfahrzeugen finden sich hauptsächlich Karosserie, Motorhaube, Stoßstangen und andere Zubehörteile aus Verbundwerkstoffen. In Zügen werden Wagenwände, Türen und Fenster, Sitze usw. aus Verbundwerkstoffen verwendet. In Booten sind es hauptsächlich Luftkissenfahrzeuge, Rettungsboote, Aufklärungsboote, Fischboote usw. Derzeit ist das längste in China hergestellte Glasfaserverstärkte Kunststoff-Fischboot 33 Meter lang. Im Bereich der Maschinen und Elektrogeräte wie Deckenventilatoren, Axialventilatoren, Kabeltrays, Isolierstäbe, integrierte Schaltkreise usw. haben die Produkte eine beträchtliche Dimension erreicht.
In den Bereichen Luft- und Raumfahrt sowie Militär haben Verbundwerkstoffe in Leichtflugzeugen, Höhenleitwerken, Satellitenantennen, Raketendüsen, Kugel- und Schußwaffenschutzplatten, Kugel- und Schußwaffenschutzwesten, Torpedos usw. beachtliche Durchbrüche erzielt und einen wichtigen Beitrag zur Landesverteidigung Chinas geleistet.
Epoxidharz zeichnet sich durch hervorragende chemische Stabilität, elektrische Isolation und Korrosionsbeständigkeit aus. Aufgrund seiner guten Haftungseigenschaften und hohen mechanischen Festigkeit wird es in verschiedenen Bereichen wie der Chemie-Industrie, der Leichtindustrie, der Maschinenbau, der Elektronik, der Wasserwirtschaft, des Verkehrs, der Automobilindustrie, der Haushaltsgeräteindustrie und der Luft- und Raumfahrtindustrie weit verbreitet eingesetzt.
Die weltweite Produktionskapazität von Epoxidharz betrug 1,3 Millionen Tonnen im Jahr 1993, stieg auf 1,43 Millionen Tonnen im Jahr 1996, auf 1,48 Millionen Tonnen im Jahr 1997 und auf 1,5 Millionen Tonnen im Jahr 1999. Es wird erwartet, dass sie im Jahr 2003 1,6 Millionen Tonnen erreichen wird.
China begann 1975 mit der Forschung an Epoxidharz. Laut unvollständigen Statistiken gibt es in China mehr als 170 Hersteller von Epoxidharz, mit einer Gesamtproduktionskapazität von über 150.000 Tonnen und einer Anlagenauslastungsrate von etwa 50 %.
Phenolharz weist die Eigenschaften von Wärmebeständigkeit, Abrasionsbeständigkeit, hoher mechanischer Festigkeit, hervorragender elektrischer Isolation, geringer Rauchbildung und ausgezeichneter Säurebeständigkeit usw. auf. Daher wird es in verschiedenen Bereichen der Verbundwerkstoffindustrie weit verbreitet eingesetzt. In den letzten Jahren wurde es in bestimmten Hochtechnologiefeldern wie der Elektronikindustrie, der Automobilindustrie und der Luft- und Raumfahrtindustrie eingesetzt.
Im Jahr 1997 betrug die weltweite Produktion von Phenolharz 3 Millionen Tonnen, wovon in den USA 1,64 Millionen Tonnen produziert wurden. Die Produktion in China betrug 180.000 Tonnen, und es wurden 40.000 Tonnen importiert. Die Anwendungen von Phenolharz umfassen Bremsscheiben für Kraftfahrzeuge, Verkapselungsmaterial für Phenol-Kondensatoren, Tiefenfiltermaterialien, die Luft- und Raumfahrtindustrie und andere Branchen.
(3) Vinylesterharz
Vinylesterharz ist ein neues Typ von thermohärtendem Harz, das in den 1960er Jahren entwickelt wurde. Es zeichnet sich durch gute Korrosionsbeständigkeit, gute Lösemittelbeständigkeit, hohe mechanische Festigkeit, hohe Dehnbarkeit, gute Haftung mit Metallen, Kunststoffen, Beton und anderen Materialien, gute Ermüdungsbeständigkeit, gute elektrische Eigenschaften, Wärmealterung, geringe Aushärtungsschrumpfung aus und kann bei Raumtemperatur oder unter Erwärmung ausgehärtet werden.
Die Nanjing Jinling DSM Harz GmbH hat fortschrittliche Technologien aus den Niederlanden eingeführt, um die Atlac-Reihe von stark korrosionsbeständigen Vinylesterharzen herzustellen, die in Lagerbehältern, Behältern, Rohren usw. weit verbreitet eingesetzt werden. Einige Sorten können auch für Dichtungsarbeiten und Heißpressformungen genutzt werden. Andere Hersteller wie die Shanghai Xinhua Harzfabrik, die Nantong Mingjia Polymer GmbH usw. produzieren ebenfalls Vinylesterharz.
2. Thermoplastische Harzmatrix-Verbundwerkstoffe
Thermoplastische Harzmatrix-Verbundwerkstoffe wurden in den 1980er Jahren entwickelt. Ihr Anteil an der Gesamtzahl der Verbundwerkstoffe nimmt von Jahr zu Jahr zu, da sie recycelt werden können. Die Hauptsorten sind langfaserverstärkte Granulate (LFP), kontinuierlich faserverstärkte Vorpreghilfenbander (MITT) und Faser-Thermoplastikfolienplatten (GMT). Gemäß den unterschiedlichen Anwendungsanforderungen umfasst die Harzmatrix hauptsächlich thermoplastische Kunststoffe für den Maschinenbau wie PP, PE, PA, PBT, PEI, PC, PEI, PES, PEEK, PI, PAI usw., und die Fasertypen umfassen alle möglichen Fasersorten wie Glasfaser, Kohlenstofffaser, Aramidfaser und Borfaser.
Thermoplastische Harzmatrix-Verbundwerkstoffe machen in den entwickelten Ländern Europas und der USA mehr als 30 % der gesamten Harzmatrix-Verbundwerkstoffe aus. Im Jahr 2000 betrug die Produktion von thermohärtenden Harzmatrix-Verbundwerkstoffen in Westeuropa 1,06 Millionen Tonnen, und die von thermoplastischen Verbundwerkstoffen betrug 540.000 Tonnen, was einem Anteil von 34 % an den gesamten Harzmatrix-Verbundwerkstoffen entspricht.
Hochleistungsfähige thermoplastische Harzmatrix-Verbundwerkstoffe sind meist Spritzgießteile, und die Matrix besteht hauptsächlich aus PP und PA. Die Produkte umfassen Rohrverbindungen (Knie, Verzweigungen, Flansche), Ventile, Laufräder, Lager, elektrische und Automobilteile, extrudierte Rohre, GMT (thermoplastisches Sheet Molding Plastic)-geformte Produkte wie Sitzrahmen für Jeeps, Kfz-Pedale, Sitze usw. Anwendungen von glasfaserverstärktem Polypropylen in Kraftfahrzeugen sind Ventilations- und Heizungssysteme, Gehäuse für Luftfilter, Getriebeabdeckungen, Sitzrahmen, Kotflügeldichtungen, Riemenschutzvorrichtungen usw.
Talkumgefülltes PP weist hohe Steifigkeit, hohe Festigkeit, hervorragende Wärme- und Alterungsbeständigkeit sowie Kältebeständigkeit auf. Talkumverstärktes PP hat wichtige Anwendungen in der Innenausstattung von Fahrzeugen, beispielsweise als Teile von Ventilationssystemen, Armaturenbretter und automatisch betätigbaren Bremsschaltern usw. Automobilteile werden meist aus gewöhnlichem PP und aus Verbund-PP mit anorganischen Füllstoffen wie Talkumpulver hergestellt. Die US-amerikanische HPM-GmbH hat mit 20 % talkumgefülltem PP eine akustische Decke mit einer Fläche von 168 m² und einem Gewicht von 5 kg im Honigwabenstruktur sowie das Schlauchgehäuse für das Fensterheberseil in Kraftfahrzeugen hergestellt.
Glimmer-Verbundwerkstoff weist im Vergleich zu Metallen hohe Steifigkeit, eine hohe Wärmeformbeständigkeitstemperatur, geringe Schrumpfung, geringe Biegebeanspruchung, eine gute Dimensionsstabilität sowie geringe Dichte und einen niedrigen Preis auf. Mit Glimmer/PP-Verbundwerkstoff können wir Automobilinstrumententafeln, Schutzringe für Scheinwerfer, Kotflügeldeckel, Türschutzleisten, Gehäuse, Motorenlüfter, Klappen und andere Teile herstellen. Indem wir die dämpfende Eigenschaft des Materials nutzen, können wir Audio-Teile herstellen, und mit seiner Abschirmungseigenschaft können wir Batteriekästen usw. herstellen.
Derzeit haben die Toyota Motor Corporation und die Mitsubishi Chemical Corporation gemeinsam PP/EPR/Talkum-Nanoverbundwerkstoffe für Front- und Heckstoßstangen entwickelt, die 1991 kommerzialisiert wurden. Dadurch wurde die Dicke der Stoßstangen bei Toyota-Fahrzeugen von 4 mm auf 3 mm reduziert und ihre Masse um etwa ein Drittel verringert. Im Jahr 1994 hat Toyota Nanoverbundwerkstoffe wie TSOP-2 und TSOP-3 für die Innenausstattung von Kraftfahrzeugen entwickelt.
Bei thermoplastischen Verbundwerkstoffen mit allgemeinen Matrixen wie PA und PP wurden sie aufgrund ihrer geringen Wärmebeständigkeit bisher nicht weit verbreitet eingesetzt. In den letzten Jahren hat die Modifizierung bestehender thermoplastischer Harze einerseits und die Entwicklung von hochleistungsfähigen thermoplastischen Harzen wie PPO, PEEK, PEI, PPS, PSF usw. andererseits dazu geführt, dass die Anwendung von thermoplastischen Verbundwerkstoffen zunehmend gewinnt.
Die thermoplastischen Harzmatrix-Verbundwerkstoffe in China wurden in den späten 1980er Jahren eingeführt und haben in den letzten zehn Jahren einen schnellen Fortschritt gemacht (siehe Tabelle 3). Die Produktion erreichte im Jahr 2000 120.000 Tonnen und machte damit etwa 17 % der Gesamtproduktion von Harzmatrix-Verbundwerkstoffen aus, was immer noch weit hinter den entwickelten Ländern zurückbleibt. Die verwendeten Matrix-Materialien sind immer noch hauptsächlich PP und PA, und die Verstärkungsmaterialien bestehen hauptsächlich aus Glasfaser, mit einer geringen Menge an Kohlenstofffaser. Es gelang bisher nicht, in den thermoplastischen Verbundwerkstoffen einen großen Durchbruch zu erzielen. Die Nanotechnologie in China bietet gute Chancen für die Modifizierung und Anwendung von Polymeren, wie z. B. bei der Nano-Modifizierung von PA, aber es gibt immer noch nur eine einfache Verbundwerkstoffsystematik, die Industrialisierung ist nicht hoch, und die meisten befinden sich noch im Stadium der Laborforschung und haben die praktische Anwendung noch nicht voll und ganz vorangetrieben. Polymer-Nanoverbundwerkstoffe haben besondere Eigenschaften und Potentiale. In Zukunft wird man sich auch weiterhin auf die Nanotechnologie verlassen müssen, um Vorreiterleistungen zu erbringen und die Situation zu verbessern.
Die in Harzmatrix-Verbundwerkstoffen verwendeten Verstärkungsmaterialien bestehen hauptsächlich aus Glasfaser, Kohlenstofffaser, Aramidfaser, Ultrahochmolekulargewicht-Polyethylenfaser usw.
(1) Glasfaser
In den derzeit in hochleistungsfähigen Verbundwerkstoffen eingesetzten Glasfasern handelt es sich hauptsächlich um hochfeste Glasfasern, Quarzglasfasern und Hochsilicium-Sauerstoff-Glasfasern.
In den späten 1950er Jahren hat die USA erstmals die Forschung und Entwicklung von hochfesten Glasfasern (S-994) durchgeführt. Bisher können nur sechs Länder weltweit, nämlich die USA, Frankreich, Japan, Russland, Kanada und China, hochfeste Glasfasern produzieren. Da die Eigenschaften der hochfesten Glasfasern im Verhältnis zu ihrem Preis relativ gut sind, weist ihre Produktion eine jährliche Wachstumsrate von über 10 % auf. Im Jahr 1991 hatte die Gesamtproduktion in den westlichen Ländern bereits 480 Tonnen erreicht und wird derzeit auf über 5.000 Tonnen geschätzt. Hochfeste Glasfaser-Verbundwerkstoffe werden nicht nur in militärischen Anwendungen eingesetzt, sondern in den letzten Jahren auch in zivilen Produkten weit verbreitet, wie z. B. in Schutzhelmen, Schutzwesten, Hubschrauberflügeln, Radomen von Frühwarnflugzeugen, verschiedenen Hochdruck-Druckbehältern, Flachplatten von Zivilflugzeugen, Sportartikeln, verschiedenen Hochtemperaturprodukten und kürzlich auch in Reifenkordeln mit ausgezeichneten Eigenschaften usw.
Quarzglasfasern und Hochsilicium-Sauerstoff-Glasfasern gehören zu den hitzebeständigen Glasfasern und sind ideale Materialien für Wärme- und Feuerbeständigkeit. Mit ihrer Verstärkung von Phenolharz können verschiedene strukturelle, hitzebeständige und ablationsbeständige Verbundwerkstoffteile hergestellt werden, die in großen Mengen in Raketen, Flugkörpern und anderen hitzebeständigen Materialien eingesetzt werden.
Bisher hat China in praktischen Anwendungen von hochleistungsfähigen Harzmatrix-Verbundwerkstoffen drei Verstärkungsfasern, nämlich Kohlenstofffaser, Aramidfaser und hochfeste Glasfaser, eingesetzt. Nur die hochfesten Glasfasern haben den internationalen Spitzenstandard erreicht und besitzen eigene geistige Eigentumsrechte. Es hat sich eine kleinräumige Industrie gebildet, und die jetzige Jahresproduktion beträgt bis zu 500 Tonnen.
(2) Kohlenstofffaser
Kohlenstofffaser weist hohe Festigkeit, hohes Elastizitätsmodul, Hitzebeständigkeit, elektrische Leitfähigkeit und eine Reihe weiterer Eigenschaften auf. Zuerst wurde sie in der Luft- und Raumfahrtbranche weit verbreitet eingesetzt, und in den letzten Jahren wird sie auch in Sportgeräten und Sportartikeln häufig verwendet. Es wird vorausgesagt, dass sich die Anwendungen von Kohlenstofffaser-Verbundwerkstoffen in den kommenden Jahren erweitern werden und neue Anwendungsbereiche erschlossen werden. In den Bereichen Bauwesen, Verkehrswesen, Automobilindustrie, Energiebranche usw. wird industrielle Kohlenstofffaser in großem Umfang eingesetzt werden. Von 1997 bis 2000 wird die jährliche Wachstumsrate von Kohlenstofffaser für die Luft- und Raumfahrt auf etwa 31 % geschätzt, während die jährliche Wachstumsrate der industriellen Kohlenstofffaser bis zu 130 % erreichen soll.
Das Gesamtniveau der Kohlenstofffaser in China ist immer noch relativ niedrig und entspricht dem Niveau ausländischer Länder in der Mitte und am Ende der siebziger Jahre. Der Abstand zu den ausländischen Ländern beträgt etwa 20 Jahre. Die Hauptprobleme der inländischen Kohlenstofffaser sind die weniger stabile Leistung, der große Streuungskoeffizient, das Fehlen von hochleistungsfähigen Kohlenstofffasern, die begrenzte Anzahl von Sorten, die unvollständigen Spezifikationen, die unzureichende kontinuierliche Länge, das Fehlen von Oberflächenbehandlungen und die hohen Preise usw.
(3) Aramidfaser
Im Jahr 1972 hat die DuPont Company in den USA erfolgreich die Forschung und Entwicklung eines vollständig para-aromatischen Polyamids namens Kevlar durchgeführt, und die Ware wurde offiziell in hochleistungsfähigen Verbundwerkstoffen eingesetzt. Die Produktion betrug im Jahr 1972 nur 45 Tonnen, stieg bis 1977 auf 4.200 Tonnen an und stieg im Jahr 1982 auf 21.000 Tonnen an, was einer jährlichen Wachstumsrate von 20 % entspricht. Seit den 1980er Jahren des 20. Jahrhunderts haben auch die Niederlande, Japan und die ehemalige Sowjetunion Forschungs- und Entwicklungsarbeiten an Aramidfasern durchgeführt. Die „Twaron“-Fasern der Enka, einem Tochterunternehmen der AKZO in den Niederlande, hatten im Jahr 1986 eine Jahresproduktionskapazität von 1.000 bis 2.000 Tonnen und es wird erwartet, dass sie im Jahr 2000 15.000 Tonnen erreichen werden. Aramidfasern von Teijin aus Japan und aus Russland sind auf den Markt gekommen, und ihre jährliche Wachstumsrate hat etwa 20 % erreicht.
Aramidfaser weist ein hohes spezifisches Festigkeit- und Elastizitätsmodul auf, sodass sie in hochleistungsfähigen Verbundwerkstoffteilen in der Luft- und Raumfahrtbranche (wie z. B. Raketenmotorhauben, Flugzeugmotorräumen, Verkleidungen, Rudern usw.), auf Schiffen (wie Flugzeugträgern, Atom-U-Booten, Yachten, Rettungsbooten usw.), in der Automobilindustrie (wie Reifenkordeln, Hochdruckschläuchen, Reibungsmaterialien, Hochdruckgasflaschen usw.) sowie in hitzebeständigen Fördergurten, Sportgeräten usw. weit verbreitet eingesetzt wird.
(4) Ultrahochmolekulargewicht-Polyethylenfaser
Derzeit sind die Hauptprodukte auf dem Markt Ailled Spectra 900 und 1000, Dyneema SK60, das von DSM (Niederlande) und Toyoba (Japan) gemeinsam hergestellt wird, sowie Tekmilon I der Mitsui (Japan)-Gesellschaft usw. Die spezifische Festigkeit der UHMWPE-Faser (Ultrahochmolekulargewicht-Polyethylenfaser) ist die höchste unter allen Fasersorten. Insbesondere weist sie eine hervorragende Beständigkeit gegen die Erosion durch chemische Reagenzien und Alterung auf. Sie hat auch eine ausgezeichnete Durchlässigkeit für Hochfrequenz-Sonar und eine Korrosionsbeständigkeit gegen Meerwasser. Viele Länder haben sie verwendet, um hochfrequenzsonarische Abwehrschildchen für Schiffe zu herstellen, was die Minenaufspür- und Minensuchfähigkeit von Schiffen erheblich verbessert. In der Anwendung von hochleistungsfähigen, leichten Verbundwerkstoffen auf dem Offshore-Ölfeld...
Neben ihrer entscheidenden Rolle in militärischen Anwendungen hat die Faser auch breite Anwendungsperspektiven in der Automobilherstellung, der Schiffbauindustrie, der Medizinprodukteindustrie, der Sportgeräteindustrie und anderen Bereichen. Die Faser hat seit ihrer Einführung großes Interesse und Aufmerksamkeit in den entwickelten Ländern der Welt erregt, und die Wachstumsrate in den USA im Jahr 1989 betrug 26 %, was viel höher war als bei anderen hochleistungsfähigen Fasern. Aramidfaser und hochmolekulargewichtiges Polyethylenfaser sind in China bisher noch nicht kommerzialisiert worden. Obwohl China 1972 mit der Forschung an Aramidfaser begann und im Februar 1981 und Ende 1985 jeweils Aramid-Arbeiter und Aramid Ⅱ einer technischen Prüfung unterzogen wurden, wurde das hochreine Materialstück in der Nantong Synthetic Resin Factory erprobt und von der Shanghai Synthetic Fiber Research Institute zu Faser gesponnen. Wegen der Uneinheitlichkeit des Monofilamentdurchmessers gab es einige Probleme bei der Fixierung. Bis in die frühen 1990er Jahre betrug die Produktion nur wenige Tonnen, und der Abstand zu den ausländischen Ländern war sehr groß.
Die Technologie von hochleistungsfähigen Harzmatrix-Verbundwerkstoffen im 21. Jahrhundert ist ein intelligentes Material, das Verbundwerkstoffen die Funktionen der Selbstheilung, der Selbstzersetzung, der Selbstdiagnose und der Selbstherstellung verleiht. Es gilt, Verbundwerkstoffe mit hoher Steifigkeit und hoher Festigkeit zu entwickeln. Der Schwerpunkt liegt auf Verbundwerkstoffen, die in Umgebungen mit hoher Luftfeuchtigkeit und hoher Temperatur eingesetzt werden, und auf der Konstruktion von Materialsystemen, die Materialien, Formungsverfahren, Verarbeitung, Entwurf und Prüfung integrieren. Das organisatorische System wird in Allianzen (wie die amerikanische Automobilallianz) und Gruppierungen gegliedert sein. Dies wird es ermöglichen, die Ressourcen (technische Ressourcen, Materialressourcen) aller Parteien voller zu nutzen und die Vorteile aller Parteien eng zu verknüpfen, um die weitere Entwicklung der Verbundwerkstoffindustrie zu fördern.
(II) Metallmatrix-Verbundwerkstoffe
Metallmatrix-Verbundwerkstoffe entstanden hauptsächlich infolge der Anforderungen an hohe Festigkeit und geringe Dichte in der Luft- und Raumfahrtindustrie. Daher sind die Metallmatrix-Verbundwerkstoffe, die weit verbreitet erforscht und eingesetzt werden, diejenigen mit Al, Mg und anderen Leichtmetallen als Matrix. In den 1960er Jahren entstanden Metallmatrix-Verbundwerkstoffe, die kontinuierlich mit Kohlenstoff- und Borfasern verstärkt wurden. Aufgrund des hohen Preises von kontinuierlich faserverstärkten Verbundwerkstoffen und der Komplexität des Herstellungsverfahrens ging das Interesse an der Forschung über diesen Werkstoff in den 1970er Jahren zurück. Die zunehmende Nachfrage nach hitzebeständigen Materialien für Hochtemperaturkomponenten in Turbinenmotoren führte zu einem Wiederaufleben der Forschung über Metallmatrix-Verbundwerkstoffe, insbesondere über Titanmatrix-Materialien.
Diskontinuierlich verstärkte Verbundwerkstoffe entwickelten sich in den 1980er Jahren schnell, wobei die Forschung sich auf Aluminium-basierte Verbundwerkstoffe konzentrierte, die mit Siliziumkarbid- oder Aluminiumoxid-Partikeln und Kurzfasern verstärkt wurden. Diese Materialien liegen, unabhängig vom Verhältnis von Matrix und Verstärkung zur Belastung, zwischen den beiden Extremen der Dispersions- und der kontinuierlichen Faserverstärkung. Sie weisen ausgezeichnete Quer-Eigenschaften, einen geringen Materialverbrauch und eine hervorragende Verarbeitbarkeit auf. Im Vergleich zu nicht verstärkten Legierungen wurde auch die Leistung erheblich verbessert. All diese Faktoren haben diese Materialien zu den kommerziell attraktivsten Materialien in vielen Anwendungen gemacht.
Die Anwendungen von Metallmatrix-Verbundwerkstoffen in der Luft- und Raumfahrtindustrie umfassen vor allem den Ersatz von leichtem, aber giftigem Beryllium. Beispielsweise wurden SiCp/Al-Verbundwerkstoffe (Siliziumkarbid-Partikel/Aluminium-Matrix-Verbundwerkstoffe) verwendet, um Beryllium in den US-amerikanischen Trident-Raketen zu ersetzen, und Siliziumkarbid-Partikel/Aluminium-Matrix-Verbundwerkstoffe werden auch eingesetzt, um Kohlenstoff/Epoxid in der Flugzeugelektronik zu ersetzen. In nicht-luft- und raumfahrtbezogenen Anwendungen weckt das Interesse an kurzfaserverstärkten Metallmatrix-Verbundwerkstoffen in der Automobilindustrie zunehmend Interesse. Beispiele sind teilweise verstärkte Kolben für Verbrennungsmotoren, die mit Aluminiumoxid-Kurzfasern oder mit Mischungen aus Aluminiumoxid- und Siliziumoxid-Kurzfasern verstärkten Aluminium-Matrix-Verbundwerkstoffen überzogen sind. Konventionelle Kolben für Verbrennungsmotoren werden aus Al-Si-Gusslegierungen hergestellt, und einige verwenden Hochnickel-Gusseisenringe, die in der ersten Ringnut eingelegt werden.
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