先进复合材料在饲料机械领域的研发与发展方向

马凤德 ，韩动梁 ，范文海 ，孙宇

（1.江苏牧羊集团有限公司，江苏扬州225128；2.南京理工大学，南京210094）

1 引言

改革开放以来，我国的饲料工业得到了迅速发展，企业规模不断扩大，生产能力大幅度提高，新建厂和旧厂改造日益增多。中国饲料工业虽然仅有20多年的历史，但已建立起一个完整的工业体系。饲料机械制造业是一个国家最基础的行业之一，它的行业水平取决于整个国家制造业的整体水平，同时它的发展水平直接影响到老百姓的生活水平和身体健康水平。

纵观中国饲料科技的发展趋势，大型化、集约化的生产趋势日益明显。有数据表明，从2011年至今，合法的饲料生产企业每年以1000家的速度消失。中国这几年饲料产量不断增量，但是饲料生产企业数量逐年减少，已经从粗放型进入集约精细型。要求饲料加工设备不断改进，产能、连续生产的能力不断提高。随之而来的，是设备对制造材料的要求也越来越高。有很多场合，单相材料已经不能满足设备性能的需要，而一些性能更优异的先进复合材料，逐步在生产中被开发和应用，为设备性能的提升起到了关键的作用。

先进复合材料(ACM)一般是金属材料、陶瓷材料或高分子材料等两种或两种以上的材料经过复合工艺而制备的多相材料，各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求1。从用户和市场所提出的需求看，其研发目标是满足饲料机械产业日益扩大的性能需求，特别是当前和今后较长时期的节能减排的要求。

以下，仅就高性能复合材料在饲料机械中的重要研发方向和课题，结合具体应用领域加以简介。

2 高性能复合材料在饲料机械领域的研发方向

2.1 颗粒增强聚合物基复合材料

聚合物材料，也被称为高分子材料。由于其价格相对低廉，质轻，综合性能优异，在饲料设备上被大量应用。比如超高分子聚乙烯，被大量用做支撑结构，连接结构；尼龙，被大量用作支撑、耐磨结构件。

但是当单一的聚合物材料不能满足需求时，采用颗粒共混来增强或者增韧的方式来改善材料性能，是一个非常重要的研究方向。比如，在饲料厂中常见的振动筛，上面有个支撑板，其受力环境非常的复杂，在承受巨大压力的同时，还要承受弯矩、扭转力。行业里，先前的振动筛支撑板所采用的材料是高分子聚乙烯板或者尼龙板两种配置。但很多年来，这两种材料的支撑板都有问题。高分子聚乙烯板韧性足够，但经常疲劳断裂，说明其强度不够高；尼龙板强度足够，但经常脆断，说明其韧性不够好。

在这种情况下，有两种方案可以选择：增韧尼龙，或者增强聚乙烯板。对增韧尼龙来讲增韧剂至关重要，巧媳妇难为无米之炊，在没有增韧剂的情况下要完成增韧改性几乎不可能。增韧尼龙的高冲击性、耐低温性都非常突出。这样就能在保证尼龙的高强度的基础上，改进其韧性差的特点。对增强高分子聚乙烯板来说，增强颗粒相的选择以及含量是关键，常用的增强相由玻璃微珠、石墨等。

笔者所在的公司，经过实验室论证、客户验证等程序，最终采用了玻璃微珠增强高分子聚乙烯板的方案，这是一个典型的颗粒增强复合材料。在客户处实测的寿命，该支撑结构的寿命提升了3～5倍。

2.2 复合材料层合板

层合板是一种典型的复合材料，是指由两层或两层以上的单层板黏合在一起成为整体的结构元件。层合板可以由不同材质的单层板构成，也可以由不同纤维铺设方向上相同材质的各项异性单层板构成。作为一种较为简单的复合材料设计方法，层合板受到了来自学术界、工业界的大量关注、开发和应用。

复合材料有一个最大的优点，就是它的可设计性。单一的原材料不具有的性能，可以通过合理的设计来在复合材料中获取。实际工业生产中，往往对某个设备的某个结构提出的要求，超出了已有的所有单质材料的性能，这个时候，可以通过设计一种复合材料的方法，来达到设计要求。

比如，饲料机械行业的某设备上用的一种隔板，性能要求非常苛刻。具体要求如下：①高刚度，要求受挤压不变形；②高弹性，要求受挤压时可以有一定程度的变形来缓冲；③高压缩回弹性，要求挤压力解除后有较大的压缩回弹量；④高耐磨性，单面要求高耐磨。

先前的材料选择为高分子聚乙烯材料板，使用效果不好。高分子聚乙烯板具有较好的刚度，但其弹性、回弹性、耐磨性都不够好。笔者分析，单一材料很难满足上述4种性能，故而采取复合材料层合板的思路。经过理论分析，设计的层合板为：第一层为碳钢板，提供高刚度；第二层为发泡硅胶，提供高弹性、压缩回弹性；第三层为聚四氟乙烯板，提供自润滑以及高耐磨性。

实际使用效果优越，证明该夹层复合材料开发非常成功。

2.3 增韧氧化铝陶瓷

陶瓷材料中原子的键合方式主要是离子键，故多数陶瓷的晶体结构可以看成是由带电的离子而不是由原子组成。离子键的键能较高，所以大多数陶瓷都具有高硬度、高脆性的特点。耐磨陶瓷是新材料的一个组成部分，它具有其他材料所没有的各种优良性能，在国民经济的能源、航空航天、汽车、冶金、化工合生物等领域都有广阔的应用前景。使用比较广泛的陶瓷主要有氧化铝陶瓷，氮化硅陶瓷等。而在民用领域，以氧化铝陶瓷的应用最为广泛。

氧化铝陶瓷的性能跟氧化铝的含量有关。氧化铝含量在75%左右的，被称为75瓷；同样的，还有80瓷，90瓷，95瓷，99瓷等。氧化铝含量越高，陶瓷的耐高温性能、致密度、硬度等指标就越高，要求的加工工艺也就越苛刻，成本也就越高。实际生产中，可根据自己对材料的需求，来决定氧化铝的含量。

比如饲料机械中的某粉碎机用耐磨装置，传统材料为45钢，或者高锰钢，使用寿命不甚理想；可以考虑换成氧化铝陶瓷材质来成倍增加其耐磨寿命。但对于该应用，有一个非常大的顾虑：一般而言，氧化铝陶瓷的韧性不够好，抗冲击能力差；而粉碎机的部件要求有一定的抗冲击韧性。所以，要使用新材质，必须对氧化铝材料进行增韧处理。

对氧化铝陶瓷的增韧是目前使用最多的增韧方法是氧化锆增韧。当氧化铝中加入纯氧化锆粒子形成增韧氧化铝陶瓷时，可使韧性显著提高。

该粉碎机用耐磨装置，经论证后采用的材质为氧化铝增韧的90氧化铝陶瓷。同时兼顾了高硬度、高耐磨、较好的冲击韧性、低廉的价格。实际使用寿命，是使用传统45钢材质的4～6倍，极大地降低了客户的使用成本，减少了客户停机更换配件的时间。

3 结语

高性能复合材料的品种在不断拓展，饲料机械行业作为较为传统的行业，更应该放开视野，积极地将自身的性能需求加以量化，引入或者开发出符合性能要求的先进复合材料。本文仅仅举了颗粒增强聚合物基复合材料、层合板复合材料、增韧氧化铝陶瓷三种典型的复合材料在饲料机械上的开发和应用。从应用实例上可以看到，先进复合材料的应用，已经为提升设备性能、降低停机时间、提高设备寿命起到了非常重要的作用，相信在未来，更多先进复合材料的研发和产业化应用，仍然是饲料机械行业寻求发展的一个突破点。