复合材料特性和种类

复合材料的种类

1. 纳米复合材料

纳米复合材料既是人造的，也是天然存在的。增强剂通常是纳米材料，例如添加到聚合物基体中的碳纳米管或石墨烯，或添加到钢中以诱导细小晶体生长的硅纳米颗粒。在某些应用中，碳酸钙或滑石粉也可以有效地使聚合物更硬、更坚固。

典型的纳米复合材料使用纳米材料添加剂来增加聚合物基体的强度、刚度和其他特性，例如导电性或导热性。天然存在的纳米复合材料示例是骨骼和外壳。纳米材料在某些情况下代表着重大的健康风险，因此这些材料的制造可能具有挑战性。

2. 金属基复合材料 （MMC）

MMC 使用铝或镁等金属基体以及颗粒或晶须形式的高强度纤维增强剂。增强剂通常是碳纤维或碳化硅颗粒。这形成了超越基本金属部件极限的独特性能，包括增加的强度和刚度、在弱化开始之前抵抗高温、提高耐磨性和降低热膨胀系数。

MMC 用于航空航天工业和极端汽车用途，具有高强度和低重量的特点。它们还用于电子产品、医疗设备和体育用品。MMC 的加工比大多数其他类别的复合材料更具挑战性，因为高温和增强剂均匀分布的困难具有挑战性。

3. 聚合物基复合材料 （PMC）

PMC 是最普遍和最容易理解的复合材料形式。该术语包括碳纤维和玻璃纤维织物的手糊，以及形成基体的手动、注射或预浸渍环氧树脂和聚酯树脂。这些材料具有多种优点，包括高刚度和强度（与零件重量相比）、出色的热、化学和机械弹性以及耐磨性。另一方面，PMC 需要高技能的劳动力，从而导致更高的成本，尽管对于需要高强度结果的应用来说，这些成本通常并不过分。

PMC 广泛用于航空航天、汽车、船舶和体育用品，具有重量轻、强度高和刚度好等优点。PMC 的生产涉及手工铺层和纤维缠绕等组装方法，这些方法可能很慢。需要对固化过程进行精确控制，以实现理想的材料性能。

4. 玻璃纤维增强聚合物 （GFRP）

GFRP 是聚合物基复合材料的一个子集，专用于环氧树脂和聚酯粘合的玻璃纤维材料。玻璃纤维可以成短切的股线，通过纤维的混合取向为结构提供一定程度的各向异性强度。增强剂还可以包括短切的股线粗纱（或织物），使过程更加有序，但不太适合散装组件，因为纤维都铺设在一个平面上。机织粗纱提高了铺层质量，并且可以以一定的价格提供更高的强度。

5. 混合复合材料

混合复合材料是将两种或多种不同的增强纤维集成到最终材料中的复合材料。这可能是玻璃纤维和碳纤维的叠层组合——为了增强抗冲击性或美观原因。在制造球类运动球拍时，通常使用钛网或钛股线，以提高拉伸和弯曲性能。这些材料可能具有挑战性，因为相容性问题会影响材料的行为，例如，一种纤维可能比另一种纤维更好地粘合到基体上。需要进行大量测试以确认混合矩阵的价值或可行性。它们具有与 PMC 相同的应用，但较高的成本限制了它们的使用。

6. 陶瓷基复合材料 （CMC）

CMC 由陶瓷基体和增强纤维组成。陶瓷基体提供极高的温度和耐腐蚀性以及出色的耐磨性能。但陶瓷在未加固时通常很脆。添加碳化硅、氧化铝或碳纤维可以抵消脆性，使材料更耐用。

CMC 用于制造燃气轮机叶片、专业火箭/航空航天部件和热交换器。CMC 非常昂贵，而且它们仍然很脆，这限制了它们的使用。然而，这是一个深入研究的领域，性能正在改善。

7. 天然纤维复合材料 （NFC）

在复合材料制造中使用天然纤维的趋势越来越明显，以减少材料使用对环境的影响。黄麻、亚麻、棉花和木材等天然纤维以多种方式使用。汽车内饰板通常由树脂粘合的天然纤维制成，这些纤维经过压缩成型成型，然后用塑料或皮革装饰以进行最终的表面处理。将木纤维添加到 FDM/FFF 快速成型长丝的聚合物中，以提高强度并产生木头效果。滑板板面广泛使用天然纤维增强材料，通常在聚酯树脂基体中。

8. 碳纤维增强聚合物 （CFRP）

CFRP 是聚合物基复合材料的另一个子集，专用于环氧树脂和聚酯粘合的碳纤维。出于手糊目的，碳纤维通常用作编织粗纱，具有一系列编织图案，用于各种类型的载荷和应力分布。纤维用热活化树脂预浸渍，因此柔性布被铺设，然后压缩和烘烤以液化，然后固化树脂，从而产生坚硬、坚韧的效果。碳纤维也可以用一系列聚合物拉挤成型，在复杂截面中制造连续长度的 CFRP。

9. 芳纶纤维增强聚合物 （AFRP）

AFRP 是使用芳纶作为增强剂的聚合物基复合材料的另一个子集。芳纶纤维复合材料用于影响最大的应用。芳纶通常用作机织织物，用适当的环氧树脂和聚酯树脂预浸渍，然后按照碳纤维/玻璃纤维进行加工。另一种芳纶增强复合材料是用于航空低调地板板的纸/芳纶蜂窝材料——与铝板分层并环氧树脂粘合，这是一种典型的高价值混合复合材料。

10. 功能梯度复合材料 （FGC）

FGC 本质上是任何类型复合材料的子集。这些是复合材料，其中的组成部分可以在应用程序中进行修改，或者通过结构进行类型化以调整性能。属性的逐渐过渡用于避免突然变化时的应力集中。功能分级可以像在高应力点添加或更改纤维含量一样简单;粗纱中编织图案的变化以改变负载分布;或渐进式混合动力以提高区域的抗冲击能力。

FGC 用于制造更轻、更有弹性的飞机和航天器部件，例如涡轮叶片和火箭喷嘴。生物医学设备/植入物可以具有不同的特性，根据所需的组织相互作用进行区域划分。

在 3D 打印中使用复合材料的优缺点

3D 打印材料中的纤维和金属添加剂具有一些潜在优势。这些在下面列出：

1. 提供更高的强度和刚度，从而获得更多功能性的打印结果，或在相同的强度下减轻重量。
2. 比单独的基体材料更耐用。这可能使部件能够在更高的温度下工作。
3. 一些复合添加剂可以增加导电性或导热性或增加击穿电压。

一些 3D 打印工艺使用一种功能分级形式，通过在同一部件中共印刚性和弹性材料，从而允许在构建过程中改变特性。

在一些 3D 打印工艺中使用复合材料也存在挑战，如下所示：

1. 添加添加剂的材料会带来加工挑战。例如，使用现有技术可能很难塑造它们。
2. 目前市场上的选择很少，因此可用性可能是一个挑战。
3. 功能强大的复合打印材料比其基本替代品更昂贵。

复合材料的工业应用

下面列出了复合材料的一些工业应用：

1. 摩托车整流罩、皮划艇、船体和飞机皮肤。
2. 钓鱼竿中的环氧树脂粘合碳纤维。
3. 建筑用胶合板。
4. 建筑用钢筋混凝土。
5. 用于高强度成型的玻璃增强塑料。
6. 飞机地板，两块铝板之间夹着纸蜂窝。
7. 眼镜架（通常在金属结构上模制塑料）。