复合材料权威指南

复合材料是具有不同物理和化学特性的两种材料的组合。当它们结合在一起时，它们会产生一种专门用于完成特定工作的材料，例如变得更坚固、更轻或耐电。它们还可以提高强度和刚度。它们优于传统材料的原因是因为它们改善了基材的性能并适用于许多情况。

简史

人类使用复合材料已有数千年的历史。公元前3400年，伊拉克的美索不达米亚人设计了第一种人造复合材料。古代社会将木条以不同的角度相互粘合以形成胶合板。此后，在公元前2181年左右，埃及人开始用浸泡在石膏中的亚麻布或纸莎草纸制作死亡面具。后来，这两个社团都开始用稻草加固他们的材料，以加固泥砖、陶器和船只。

公元1200年，蒙古人开始设计复合弓，这在当时非常有效。这些是用木头、竹子、骨头、牛筋、角和丝绸与松树树脂粘合而成的。

工业革命后，合成树脂开始通过使用聚合而形成固体。在1900年代，这些新发现的化学品知识导致了各种塑料的诞生，例如聚酯、酚醛树脂和乙烯基。然后开始开发合成材料，电木由化学家Leo Baekeland创造。它不导电且耐热，这意味着它可以广泛用于许多行业。

1930年代是复合材料进步的极其重要的时期。玻璃纤维由Owens Corning引入，他还开创了第一个纤维增强聚合物（FRP）行业。这一时期设计的树脂至今仍在使用，1936年，不饱和聚酯树脂获得了专利。两年后，更高性能的树脂系统问世。

第一种碳纤维于1961年获得专利，然后开始商业化。然后，在1990年代中期，复合材料开始在制造过程和建筑中变得越来越普遍，因为与以前使用的材料相比，它们的成本相对便宜。

2000年代中期波音787梦想客机上的复合材料证实了它们用于高强度应用。

有哪些不同的类型？

一些常见的复合材料包括：

• 陶瓷基复合材料：陶瓷在陶瓷基体中展开。这些陶瓷比普通陶瓷更好，因为它们具有抗热冲击和抗断裂性
• 金属基复合材料：分布在整个基体中的金属
• 钢筋混凝土：由钢制钢筋等高抗拉强度材料加固的混凝土
• 玻璃纤维增强混凝土：浇筑到氧化锆含量高的玻璃纤维结构中的混凝土
• Translucent concrete（半透明混凝土）：包裹光纤的混凝土
• 工程木材：人造木材与其他廉价材料相结合。一个例子是刨花板。这种复合材料中也可以找到像单板这样的特殊材料
• 胶合板：通过将许多薄层木材以不同角度粘合在一起而制成的工程木材
• 工程竹子：将竹纤维条粘合在一起制成板。这是一种有用的复合材料，因为它比木材具有更高的压缩、拉伸和弯曲强度
• Parquetry（镶木）：由许多木块拼凑而成的正方形，通常由硬木制成。它作为装饰品出售
• 木塑复合材料：木纤维或塑料浇铸面粉
• 水泥粘合木纤维：用水泥浇铸的矿化木块。这种复合材料具有绝缘和声学特性
• 玻璃纤维：玻璃纤维与塑料相结合，相对便宜且灵活
• 碳纤维增强聚合物：碳纤维凝固在塑料中，具有很高的强度重量比
• 夹层面板：相互叠加的各种复合材料
• 复合蜂窝：选择许多六边形的复合材料以形成蜂窝形状。
• 纸浆纸：用粘合剂装订的纸张。这些都可以在工艺品中找到
• 塑料涂层纸：涂有塑料以提高耐用性的纸张。使用它的一个例子是在扑克牌中
• 复合泡沫：通过用微球填充金属、陶瓷或塑料制成的轻质材料。这些气球由玻璃、碳或塑料制成

复合材料的优点是什么？

• 与金属相比成本低
• 设计灵活性
• 耐多种化学试剂
• 重量轻
• 耐久性
• 电绝缘
• 高冲击强度

为什么使用复合材料？

减轻重量是使用复合材料而不是传统材料制造部件的主要原因之一。虽然复合材料更轻，但它们也比其他材料更坚固，例如，增强碳纤维的强度是1020级钢的五倍，重量只有五分之一，非常适合用于结构目的。

与传统类型的材料相比，使用复合材料的另一个优点是耐热性和耐化学性以及电绝缘性能。与传统材料不同，复合材料可以具有单一材料中不常见的多种特性。

纤维增强复合材料，如纤维增强塑料（FRP复合材料），越来越多地用于最终产品的设计和制造，以实现商业化。

复合用途示例

• 电气设备
• 航空航天结构
• 基础设施
• 管道和储罐
• 房屋可以使用塑料层压梁进行框架设计

复合材料是如何制造的？

复合材料使用以下技术之一制造：

湿法铺层

通过涂覆几层增强材料和湿树脂（由辊子分布）在模具中构建组件，直到达到所需的厚度。然后固化树脂，必要时使用加热，以生产成品组件。

该工艺在船舶工业中广泛用于制备玻璃纤维增强聚酯树脂。材料成本相对较低，并且过程非常灵活。然而，它是劳动密集型的，并且存在苯乙烯排放量高的缺点。

喷射

喷枪用于将短切的纤维增强材料和湿树脂涂在模具上，直到形成所需的材料厚度。然后树脂固化。该工艺比湿法铺层更快、更便宜，但机械性能较低。

该工艺通常用于大型、相对简单的结构，例如浴缸、船体和储罐。

压缩成型

将纤维和树脂（片状模塑料或块状模塑料）放入预热的模具中，然后关闭模具，并在压力下保持，直到树脂固化。该工艺可以产生A级表面光洁度，并且与用于钣金的冲压工艺相似，因此在汽车行业得到了应用。

对加热模具的高投资意味着该工艺仅适用于中到大批量生产。

注塑

将散装模塑料加热并注入加热的模具中，在加压下保持，直到树脂固化。该工艺用于相对较小的部件，可实现较短的循环时间。模具成本高意味着该工艺仅适用于中大批量生产。

树脂传递模塑（RTM）

将纤维预制件或织物放入加热的模具中。反应性树脂混合并在压力下注入模具中。保持压力，直到树脂固化并取出部件。该工艺适用于复杂、高负载的零件，并广泛用于各种行业。真空辅助树脂传递模塑（VARTM）是一种工艺变体，其中对封闭模具施加真空，允许在低压下注射树脂。因此，模具上的负载较低，从而可以使用更便宜、更大的模具来制造大型结构，例如船体或风力涡轮机叶片。另一种变体是结构反应注射成型（SRIM）。它使用高反应性树脂，因此不需要加热模具来固化树脂，尽管它经常被加热以缩短循环时间。

真空灌注

真空用于使低粘度树脂浸渍纤维预制件。最常见的是，树脂流过瓶坯表面，然后浸渍厚度，从而最大限度地减少树脂必须穿过瓶坯的距离。该工艺非常适合大型部件，例如船体或风力涡轮机叶片。在此过程中，模具不必承受大量负载。

纤维缠绕

纤维丝束穿过树脂浴，并在张力下施加到凸形心轴上。旋转心轴并移动纤维释放，以将纤维铺设在所需的几何形状中，直到达到所需的厚度。然后让复合材料固化，必要时使用高温。该工艺可以自动化以进行大批量生产，并用于管材结构，如管道和传动轴，以及更专业的结构，如压力容器或硬壳式自行车车架。在最后两个应用程序中，心轴将保留在组件内部。在该工艺的变体中，可以使用预浸渍纤维丝束或狭缝预浸料，无需树脂浴，但需要高温固化阶段。

拉挤成型

纤维丝束从筒子架中取出，通过树脂槽，然后被拉过加热的挤出模具，该模具将树脂固化，生产出具有轴向增强和恒定横截面的挤出部件。应用包括格栅、梯子部分、桥梁部件和扶手。该工艺可以自动化并使用低成本原材料，使其适用于大批量应用。

预浸料

预浸料（预浸纤维）由浸渍树脂的纤维、织物或垫子组成。热固性预浸料在树脂中含有固化剂，因此保质期有限，通常在冷藏下储存。使用前，将预浸料加热至室温以避免冷凝，并将层切割成所需的形状和方向。这些材料在模具中堆叠成所需的厚度，使用滚筒以避免空气滞留。层压板密封在真空袋中，真空袋被抽空，然后在额外的压力下在传统烘箱或高压釜中固化部件。高压釜加工具有较小的孔隙率和卓越的机械性能，但需要较慢的循环时间和昂贵的设备，特别是对于大型部件。预浸料用于需要高机械性能且加工成本高的地方。示例包括航空航天结构、体育用品和风力涡轮机叶片。

什么是碳-碳复合材料？

1950年代后期碳纤维的出现导致了改进材料的发展，现在称为碳-碳（C/C）复合材料。这些复合材料是一系列材料，由碳（或石墨）基体和碳（或石墨）纤维增强而成。因此，碳的迷人特性与复合材料的高强度、多功能性和韧性相结合。C/C系列的独特之处在于它是唯一的元素复合材料。

碳-碳复合材料的范围从简单的单向纤维增强结构到复杂的编织三维结构。现在可用的各种碳纤维和多向编织技术允许定制C/C复合材料以满足复杂的设计要求。通过选择纤维类型、叠层（或纤维编织）、基体和复合热处理，其性能可以适用于不同的应用。

在1960年代初期，碳-碳复合材料被开发用于高温航空航天应用，例如鼻锥和火箭喷嘴。与其他工程金属合金相比，这些复合材料可以定制为更高的强度和刚度，并且与金属不同，可以在高温下保持这些特性。

然而，这些材料的制造成本很高，这限制了它们目前主要用于航空航天和军事应用。因此，通过提高碳产量可以降低成本。将环境压力（碳产量达到50%）增加到100MPa，碳产量提高到90%，这是高压碳化和热解的基础。