什么是复合材料及其类型？

复合材料是两种具有不同物理和化学性质的材料的组合。当它们结合在一起时，它们会形成一种专门用于特定用途的材料，例如变得更坚固、更轻或更耐电。

它们还可以提高强度和刚度。它们之所以比传统材料更受欢迎，是因为它们可以改善基础材料的性能，并适用于许多情况。

复合材料有哪些不同类型？

制造/建筑中使用的复合材料种类繁多，但可分为以下几大类。具体如下：

#1. 纳米复合材料

纳米复合材料既有人造的，也有天然的。增强剂通常是添加到聚合物基质中的纳米材料，例如碳纳米管或石墨烯，或添加到钢中以诱导细晶体生长的硅纳米颗粒。

在某些应用中，碳酸钙或滑石粉也能有效地使聚合物变得更硬、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质的强度、刚度和其他特性，例如电导率或热导率。

天然纳米复合材料的例子有骨头和贝壳。纳米材料在某些情况下会带来严重的健康风险，因此制造这些材料可能具有挑战性。

#2. 金属基复合材料 (MMC)

MMC 采用铝或镁等金属基体和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。

这会产生超越基本金属部件极限的独特性能，包括：提高强度和刚度、在开始弱化之前耐高温、提高耐磨性以及降低热膨胀系数。

MMC 强度高、重量轻，可用于航空航天工业和极端汽车用途。它们还可用于电子、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 是最普遍且最容易理解的复合材料形式。该术语包括手工铺层碳纤维和玻璃纤维织物以及形成基质的手工、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）、优异的热弹性、化学弹性和机械弹性以及耐磨性。

另一方面，PMC 需要高技能劳动力，因此成本较高，但对于需要高强度结果的应用而言，这些成本通常并不算高。

PMC 因其重量轻、强度高、刚度高的特点，广泛应用于航空航天、汽车、船舶和体育用品领域。

PMC 的生产涉及手工铺层和纤维缠绕等组装方法，这些方法可能比较慢。需要精确控制固化过程，以实现理想的材料特性。

#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，具体指环氧树脂和聚酯粘合玻璃纤维材料。玻璃纤维可以是短切原丝，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。

增强材料也可以由短切粗纱（或织物）组成，这样工艺更有序，但不太适合大块部件，因为纤维都铺在同一个平面上。编织粗纱可以提高铺层质量，强度更高，但价格昂贵。

#5. 混合复合材料

混合复合材料是指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。这可能是为了增强抗冲击性或美观而将玻璃纤维和碳纤维组合在一起。

在球类运动球拍的制造中通常使用钛网或钛线，以提高拉伸和弯曲性能。

这些材料可能具有挑战性，因为兼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与基质结合。

需要进行大量测试才能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。陶瓷基体具有耐高温、耐腐蚀和优异的耐磨性能。

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，从而制成更耐用的材料。

CMC 用于制造燃气涡轮叶片、专业火箭/航空航天部件和热交换器。CMC 非常昂贵，而且非常脆，这限制了它们的使用。然而，这是一个深入研究的领域，其性能正在不断提高。

#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日益明显，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用途广泛。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，然后用塑料或皮革装饰以进行最终表面处理。

木纤维被添加到 FDM/FFF 快速成型细丝的聚合物中，以提高强度并产生木质效果。滑板板面大量使用天然纤维增强材料，通常采用聚酯树脂基质。

8. 碳纤维增强聚合物（CFRP）

CFRP 是聚合物基复合材料的另一子集，具体指环氧树脂和聚酯粘合碳纤维。对于手工铺层，碳纤维通常用作编织粗纱，具有多种编织图案，用于各种类型的负载和应力分布。

纤维预先浸渍了热活化树脂，因此将柔性布料铺放好，然后压缩、烘烤使树脂液化，然后固化，从而产生坚硬、坚韧的效果。

碳纤维还可以与多种聚合物一起拉挤，以制造复杂截面中连续长度的 CFRP。

#9. 芳纶纤维增强聚合物 (AFRP)

AFRP 是聚合物基复合材料的另一子集，采用芳族聚酰胺作为增强材料。芳族聚酰胺纤维复合材料用于冲击力最大的应用。

芳纶一般采用编织布形式，预浸以适当的环氧树脂和聚酯树脂，然后按照碳/玻璃纤维进行加工。

另一种芳纶增强复合材料是航空低调地板面板中使用的纸/芳纶蜂窝材料——采用铝板分层并用环氧树脂粘合，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一个子集。这些复合材料的组成部分可以在应用中进行修改，或通过结构进行类型调整以调整性能。属性的逐渐过渡用于避免突然变化时应力集中。

功能分级可以是：简单到在高应力点添加或改变纤维含量；改变粗纱的编织图案以改变负载分布；或逐步混合以提高区域的冲击弹性。

FGC 用于制造更轻、弹性更强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/植入物可以根据所需的组织相互作用而具有不同的区域特性。

复合材料有哪些优点？

• 设计灵活性– 热固性复合材料为设计师在设计形状和形式方面提供了几乎无限的灵活性。它们可以模制成最复杂的组件，并且可以制成各种密度和化学配方，以具有精确的性能特性。
• 每立方英寸成本低– 按体积比较成本时，热固性复合材料的材料成本低于木材、工程热塑性塑料和金属等传统材料。此外，由于热固性复合材料的石油基含量低，因此不受石油基产品价格波动的影响。
• 材料成本更低——由于热固性复合材料可以精确成型，浪费很少，因此总体材料成本比金属产品低得多。
• 提高生产率– 工业设计师和工程师能够通过将多个先前组装的零件组合成单个组件来降低装配成本。此外，可以在成型过程中将嵌件直接模制到零件中，从而消除了后处理的需求。此外，复合材料通常不需要额外的加工，从而减少了在制品和上市时间。

为什么要使用复合材料？

复合材料最显著的特点是重量轻且耐用。制造复合材料的一般目的是减轻制造材料的重量，提高其耐用性、耐热性和导电性。

除此之外，复合材料还保持了其耐用性和轻便性，同时具有耐磨性。

#1. 复合材料具有较高的强度重量比。

复合材料的最大优势或许在于其较高的强度重量比。碳纤维的重量约为钢的 25% 和铝的 70%，但单位重量下的强度和刚度却远高于这两种材料。

高端汽车工程师使用复合材料将汽车重量减轻 60% 之多，同时提高碰撞安全性；多层复合层压板比传统单层钢吸收更多能量。利用复合材料的强大功能可使制造商和消费者受益。

#2. 复合材料耐用。

无论环境如何，复合材料都不会生锈（尽管它们与金属部件粘合时容易腐蚀）。复合材料的断裂韧性比金属低，但比大多数聚合物高。

它们具有较高的尺寸稳定性，因此无论在炎热或寒冷、潮湿或干燥的环境下，都能保持原有的形状。这使它们成为风力涡轮机叶片等户外结构的热门材料。

工程师选择复合材料而非传统材料来降低维护成本并确保长期稳定性，这对于设计使用寿命长达数十年的结构来说具有重大优势。

#3. 复合材料开辟了新的设计选择。

复合材料提供了传统材料难以实现的设计选择。复合材料允许零件整合；单个复合零件可以取代整套金属零件。

表面纹理可以改变，以模仿任何表面效果，从光滑到有纹理。超过 90% 的休闲船船体由复合材料制成，部分原因是玻璃纤维可以模制成各种船形。从长远来看，这些优势可以节省生产时间并降低维护成本。

#4. 复合材料现在更容易生产。

过去，工程师必须使用复杂的铺层工艺来制造复合材料，这既耗时又限制了设计几何形状。数字复合材料制造 (DCM) 改变了这一现状。

DCM 是一种专利制造工艺，无需人工即可制造复合材料部件。借助 DCM，复合材料可以在三维空间中进行局部或整体定制，从而为项目创造合适的强度、密度和灵活性。

DCM 使工程师能够设计出兼具 3D 打印灵活性和复合材料高性能的产品。

复合材料是如何制造的？

制造复合材料的方法有几种。所采用的制造类型取决于复合材料本身的组成以及产品的预期用途。下面我们概述了 Spartec Composites 制造复合材料的一些常见方法。

#1. 树脂灌注

树脂灌注，特别是真空辅助树脂传递模塑，特色技术之一。

在这种方法中，复合材料通过真空吸进树脂，就像吸管吸水一样。这种复合材料制造方式用于各种应用，包括航空航天部件、船体和车身面板。

#2. 手工铺层

叠层工艺涉及手工制造复合材料。这种复合材料制造工艺可以制造出高质量的手工制品，并已用于制造艺术雕塑、赛马头盔、曲棍球头盔和零售店固定装置等。

#3. 预浸料

预浸复合材料成型涉及用专用树脂预浸渍织物，并在预固化状态下冷冻。这样可以在烤箱中完成该过程之前进行详细的切割和放置。

#4. 高压釜固化

高压釜固化是复合材料制造工艺的重要组成部分。为了生产出最高质量的层压板。

5. 3D打印

一些复合材料制造工艺可以利用 3D 打印的精确度来制造手工制作难度较大的复杂产品。

#6. 聚氨酯铸造

聚氨酯铸造​​可用于制造包含塑料和橡胶部件的复合材料。对于规模不够大或预浸复合材料制造成本不高的项目，聚氨酯铸造​​是理想之选。

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
• 房屋可用塑料层压梁来建造

常见问题解答