复合材料的科学与技术

是什么使材料成为复合材料

复合材料是通过组合两种或多种特性完全不同的材料而形成的。不同的材料共同作用，赋予复合材料独特的性能，但在复合材料中，你可以很容易地区分不同的材料——它们不会相互溶解或混合。

复合材料存在于自然界中。一块木头是一种复合材料，由纤维素（一种非常复杂的淀粉形式）的长纤维由一种称为木质素的弱得多的物质粘合在一起。棉和亚麻中也含有纤维素，但正是木质素的结合力使一块木材比一束棉纤维坚固得多。

这并不是一个新想法

人类使用复合材料已有数千年的历史。以泥砖为例。如果你试图弯曲一块干泥，它很容易破裂，但如果你试图压扁或压缩它，它会很结实。另一方面，一根稻草在你试图拉伸它时有很大的强度，但当你把它揉成一团时，它几乎没有。当你把泥和稻草混合成一个块时，两种材料的特性也被结合起来，你会得到一块既能抵抗挤压、撕裂又能弯曲的砖。更技术地说，它两者都有好处抗压强度而且很好抗张强度.

另一种著名的复合材料是混凝土。在这里，骨料（小石头或砾石）被水泥粘合在一起。混凝土在压缩时具有良好的强度，并且可以通过在复合材料中添加金属棒、金属丝、网或电缆来使其在拉伸下更坚固（从而形成钢筋混凝土）。

复合材料由一种称为石墨烯的碳与金属铜结合制成，产生的材料本身比铜强 500 倍。同样，石墨烯和镍的复合材料的强度大于镍的 180 倍。

至于玻璃纤维，它是由塑胶它已被玻璃丝或玻璃纤维加固。这些细丝可以捆绑在一起，编织成垫子，有时也可以被切成短小的长度，在塑料基质中随机定向。

不仅仅是实力

如今，许多复合材料的制造不仅仅是为了提高强度或其他机械性能。许多复合材料被定制为成为良导体或热绝缘体或具有某些磁性；这些属性非常具体和专业，但也非常重要和有用。这些复合材料用于各种电气设备，包括晶体管、太阳能电池、传感器、探测器、二极管和激光器，以及用于制造防腐蚀和防静电表面涂层。

由金属氧化物制成的复合材料也可以具有特定的电气特性，用于制造更小、更密集地封装到计算机中的硅芯片。这可以提高计算机的内存容量和速度。氧化物复合材料还用于创造高温超导性能，现在用于电缆。

制作合成图

大多数复合材料仅由两种材料组成。一种材料（基体或粘合剂）围绕并结合一簇纤维或更坚固材料（增强材料）的碎片。在泥砖的情况下，泥和稻草承担了这两个角色；在混凝土中，由水泥和骨料决定；在一块木头中，由纤维素和木质素决定。在玻璃纤维中，增强材料由细线或玻璃纤维提供，通常编织成一种布，基质是塑料。

玻璃纤维中的玻璃螺纹在张力下非常坚固，但它们也很脆，如果急剧弯曲会折断。该基质不仅可以将纤维固定在一起，还可以通过共享任何强调其中。基质足够柔软，可以用工具塑造，并且可以用合适的溶剂软化以进行修复。玻璃纤维板的任何变形都必然会拉伸一些玻璃纤维，而它们能够抵抗这种情况，因此即使是薄板也非常坚固。它也相当轻，这在许多应用中都是一个优势。

近几十年来，已经开发了许多新的复合材料，其中一些具有非常有价值的特性。通过仔细选择增强材料、基体和将它们组合在一起的制造工艺，工程师可以定制属性以满足特定要求。例如，它们可以通过以这种方式对齐纤维来使复合板在一个方向上非常坚固，但在强度不那么重要的另一个方向上则较弱。他们还可以通过选择合适的基体材料来选择耐热、耐化学性和耐候性等特性。

为矩阵选择材料

对于基体，许多现代复合材料使用热固性或热软化塑料（也称为树脂）。（在基体中使用塑料解释了通常给复合材料起的“增强塑料”名称）。塑料是聚合物将增强材料固定在一起，有助于确定最终产品的物理特性。

热固性塑料在制备时是液体，但在加热时会变硬并变硬（即固化）。凝固过程是不可逆的，因此这些材料在高温下不会变软。这些塑料还可以抵抗磨损和化学品的侵蚀，使其即使在暴露于极端环境中也非常耐用。

热软化塑料，顾名思义，在低温下很硬，但在加热时会软化。尽管它们不如热固性塑料常用，但它们确实具有一些优点，例如更高的断裂韧性、较长的原材料保质期、可回收利用以及更清洁、更安全的工作场所，因为硬化过程不需要有机溶剂。

陶瓷、碳和金属被用作一些高度专业化用途的基体。例如，当材料要暴露在高温下时（如热交换器），使用碳用于暴露于摩擦和磨损的产品（如轴承和齿轮）。

选择加固材料

尽管玻璃纤维是迄今为止最常见的增强材料，但现在许多先进的复合材料都使用纯碳的细纤维。可以使用的碳主要有两种类型——石墨和碳纳米管。这些都是纯碳，但碳原子以不同的晶体构型排列。石墨是一种非常柔软的物质（用于“铅笔”），由排列成六边形的碳原子片制成。将六边形固定在一起的键非常牢固，但将六边形片固定在一起的键非常弱，这就是石墨柔软的原因。碳纳米管是通过取单片石墨（称为石墨烯）并将其轧制成管。这产生了极其坚固的结构。也可以让管子由多个圆柱体制成 – 管子中的管子。

碳纤维复合材料比玻璃纤维轻且坚固得多，但也更昂贵。在这两种纤维中，石墨纤维比碳纳米管更便宜、更容易生产。它们用于飞机结构和高性能运动器材，如高尔夫球杆、网球拍和划艇，并越来越多地代替金属用于修复或更换受损的骨骼。

比碳纤维更坚固（且更昂贵）的是硼线。氮化硼纳米管还有一个额外的优势，即比碳纤维更耐热。它们还具有压电特性，这意味着当对其施加物理压力（例如扭曲或拉伸）时，它们可以发电。

聚合物也可用作复合材料的增强材料。例如，凯夫拉纤维最初是为了替代子午线轮胎中的钢而开发的，但最出名的是用于防弹背心和头盔，它是一种聚合物纤维，非常坚固，可以增加复合材料的韧性。它用作需要轻质和可靠结构的复合材料产品（例如，飞机的结构体部件）的增强材料。比 Kevlar 更坚固的是由石墨烯和碳纳米管组合制成的物质。

选择制造工艺

用复合材料制造物体通常涉及某种形式的霉菌。首先将增强材料放入模具中，然后喷涂或泵入半液体基质材料以形成物体。可以施加压力以挤出任何气泡，然后加热模具以使基体凝固。

成型过程通常是手工完成的，但机器的自动加工正变得越来越普遍。其中一种方法称为拉挤成型（源自“拉”和“挤压”这两个词的术语）。该工艺非常适合制造直线且横截面恒定的产品，例如桥梁。

在许多形状复杂的薄结构中，例如曲面板，复合结构是通过在适当形状的基模上涂上浸有塑料基体材料的编织纤维增强板来构建的。当面板构建到适当的厚度时，基体材料就会固化。

夹层复合材料

许多新型复合材料不是通过基体和增强方法制成的，而是通过铺设多层材料制成的。许多复合材料（例如用于飞机机翼和机身面板的复合材料）的结构由夹在两层碳纤维增强复合材料之间的塑料蜂窝组成。

这些夹层复合材料结合了高强度，特别是弯曲刚度和低重量。其他方法包括简单地铺设几个不同物质（例如石墨烯和金属）的交替层来制造复合材料。

为什么使用复合材料？

复合材料的最大优点是强度和刚度与轻便性相结合。通过选择增强材料和基体材料的适当组合，制造商可以生产出完全符合特定用途的特定结构要求的特性。

现代航空，无论是军用还是民用，就是一个典型的例子。如果没有合成，它的效率会低得多。事实上，该行业对轻质和坚固材料的要求一直是推动复合材料发展的主要动力。现在，由高级复合材料制成的机翼和尾部、螺旋桨和旋翼叶片以及大部分内部结构和配件都很常见。一些小型飞机的机身完全由复合材料制成，大型商用飞机的机翼、尾翼和机身面板也是如此。

在考虑平面时，值得记住的是，复合材料比金属（如铝）在应力下完全分解的可能性更小。一块金属上的小裂缝会迅速蔓延，造成非常严重的后果（尤其是在飞机上）。复合材料中的纤维可以阻止任何小裂缝的扩大并分担周围的应力。

合适的复合材料还可以很好地抵抗高温和腐蚀。这使得它们非常适合用于暴露在极端环境中的产品，例如船只、化学品处理设备和航天器。一般来说，复合材料非常耐用。

复合材料的另一个优点是它们提供了设计灵活性。复合材料可以模塑成复杂的形状 – 在生产冲浪板或船体等物体时，这是一项巨大的资产。

此外，目前还开展了大量工作，开发由农业废弃物、建筑材料或塑料饮料容器等废弃产品制成的复合材料。

复合材料的缺点通常是成本。尽管使用复合材料时制造过程通常更高效，但原材料价格昂贵。复合材料永远不会完全取代钢等传统材料，但在许多情况下，它们正是我们所需要的。毫无疑问，随着技术的发展，将发现新的用途。我们还没有看到复合材料能做的所有事情。