什么是复合材料？ 类型和用途

复合材料结合了两种具有不同化学和物理特性的材料。这种组合可以创造出一种材料，用于执行特定任务，例如抗电、更轻、更坚固或提高刚度。

与传统材料相比，用户更喜欢复合材料的一个原因是，复合材料能够改善基础材料的性能。另一个原因是，复合材料在不同应用中非常有用。

简史

人类对复合材料的使用可以追溯到一千年前。第一批复合材料的发明是在公元前 3400 年的伊拉克。这个古老的社会将木条以不同的角度连接在一起，制成胶合板。然后在公元前 2181 年左右，埃及人开始用亚麻布或浸有石膏的纸莎草制作死亡面具。此后，这两个社会都开始用稻草加固材料，以帮助加固船只、陶器和砖块。

公元 1200 年，蒙古人开始制造当时非常有效的复合弓。它们由骨头、木头、丝绸、牛角、牛筋和竹子制成，并用松脂粘合。

工业革命后，合成树脂通过聚合形成固体。在 20 世纪，这种有关化学的知识导致了不同塑料的产生，如乙烯基、酚醛树脂和聚酯。合成材料的开发很快就开始了，化学家 Leo Baekeland 发明了酚醛塑料。由于其耐热性和不导电性，它在不同行业中很有用。

20 世纪 30 年代是复合材料（称为“复合材料”）发展的黄金时期。欧文斯·康宁公司开发了玻璃纤维，并参与了纤维增强聚合物行业的创建。这些工程树脂至今仍有用，不饱和聚酯树脂于 1936 年获得专利。两年后，性能更高的树脂系统开始普及。

1961 年，碳纤维（有史以来第一种）获得专利，随后开始商业化。20 世纪 90 年代中期，复合材料由于成本低于之前使用的材料，在建筑和制造过程中变得非常普遍。

21 世纪初，波音 787 梦想飞机的复合材料已证实其在高强度应用中的用途。

什么是复合材料？

复合材料是一种由两种或多种成分组合而成的复合材料，每种成分具有不同的化学和物理特性。这种组合通常产生一种旨在执行特定功能的材料。例如，它们可以更轻、更坚固或更耐电。因此，复合材料还可以提高强度、刚度和耐用性

它们比传统材料更受欢迎，因为它们可以增强其基础材料的特性，并且可用于大多数工业应用，如汽车、航空航天、船舶、能源等。

尽管每种组成材料的物理或化学性质不同，但它们结合在一起会产生一种具有独特性质的材料，不同于其单个元素。在组合结构中，这些单个元素是分开的，因此复合材料与固体溶液和混合物有区别。

工程复合材料的示例包括：

• 胶合板等复合木材
• 金属基复合材料
• 钢筋混凝土和砖石
• 陶瓷基复合材料
• 增强塑料，如玻璃纤维或纤维增强聚合物。

新材料被归入这一类别的原因有很多。这些材料比普通材料更坚固、更便宜、更轻或更耐用。

研究人员已经开始将计算、传感、通信和驱动等先进功能融入复合材料（通常称为机器人材料）中。

复合材料以其广泛的应用而闻名，尤其是在建筑物和桥梁中。它们还通常用于游泳池面板、储罐、台面、淋浴间、赛车车身、仿花岗岩、人造大理石水槽和船体等结构。此外，它们在汽车应用中也越来越受欢迎。其他高级示例非常适合在飞机和航天器等苛刻的环境中使用。

复合材料是由什么制成的？

复合材料由特定的聚合物基质制成，该基质用天然、人造纤维（如芳纶、玻璃碳）以及其他增强材料进行增强。

基质可保护纤维免受任何外部或环境损害，并有助于在这些纤维之间传递负载。此外，纤维可提供刚度和抗拉强度以加固基质，还有助于抵抗断裂和裂纹。

在大多数工业产品中，基质是聚酯树脂，而增强材料是玻璃纤维。然而，复合材料中有许多增强材料和树脂的混合物。然而，复合材料中有许多增强材料和树脂的组合，每种材料都对成品的特殊性能有所贡献。纤维坚固但易碎，具有刚度和抗拉强度，而更柔韧的树脂则具有形状并为纤维提供保护。

合成和天然复合材料

复合材料可以采用天然或合成形式。例如，木材是一种天然复合材料，由木纤维和木质素组成。纤维有助于提高木材的强度，而木质素则将木材粘合在一起并提供稳定性。

另一方面，胶合板是一种由合成材料和天然材料组成的复合材料。就胶合板而言，薄薄的单板层形成平板，比天然木材更坚固。

塑料是复合材料吗？

虽然有些塑料是复合材料，但有些是纯塑料。例如，芳纶纤维增强塑料在制造业中很受欢迎，其性能与用于装甲板和头盔的凯尔瓦塑料非常相似。因此，聚酯和环氧树脂等其他塑料用少量的次级材料进行增强。因此，它们增加了机械强度和耐用性，而不会失去基础塑料的原始性能。

工厂如何生产复合材料？

您可能会混淆人造复合材料和工业复合材料，它们本质上是同一种东西。所有自然界中不存在的复合材料都被称为人造复合材料，无论是手工铺层还是使用机器制造。

在工厂中，有不同的方法：树脂传递模塑 (RTM)、喷射成型、拉挤成型、高压釜加工、长丝焊接等。然而，制造公司并不自己制造复合材料。他们从供应商处选择合适的复合材料，并根据设计规格将其加工成成品复合材料部件或产品。

复合材料的主要性能

复合材料具有一些独特的特性，使其在最苛刻的应用中非常有用。复合材料的这些特性有助于提高其性能。

让我们讨论一下对制造项目非常有益的各种属性。

耐用性

这种复合材料可用于恶劣的天气条件或腐蚀性环境。此外，它们在机械冲击和振动等重复应力下表现良好。所有这些都使它们成为航天器、汽车和航空航天等应用的完美选择。

抗冲击性

复合材料的设计旨在承受和消散冲击力而不会损坏它们。这对于暴露于冲击的应用来说是一项重要特性。它们对碰撞或冲击造成的损坏的抵抗力使它们成为碰撞结构中必不可少的一部分。

力量

复合材料比其组成材料更坚固。它们提高了强度和坚固性，使其成为需要高承载能力的应用的绝佳选择。

灵活性

复合材料具有足够的柔韧性，可以弯曲和变形。它们可以设计成向不同方向弯曲而不会断裂。它们的柔韧性使其在假肢生产中得到广泛应用。此外，复合材料为工程师和设计师在动态负载或振动应用中提供了更好的选择。

耐化学性

复合材料可以抵御来自恶劣化学品或环境的侵蚀。因此，它们是耐化学涂层和化学加工设备的理想选择

轻的

复合材料是一种功能强大的材料，可用于生产轻型部件和结构。其高强度重量比是优先考虑减轻重量的行业的关键特性。

热稳定性

复合材料在高温条件下可以抵抗变形。在这种条件下保持结构完整性的能力对于暴露在极端温度下的应用来说是一个重要的考虑因素。

电导率

复合材料具有优异的电导性。这些材料旨在实现绝缘或导电等优异的电气性能。

隔音

复合材料的另一个显著特点是能够减少或防止噪音传播。这种隔音特性使其成为隔音应用的理想选择。

复合材料有哪些优点？

复合材料已成为我们日常使用的流行材料。从我们驾驶的汽车到我们使用的高尔夫设备，再到我们环境中使用的管道，这些材料发挥着巨大的作用。甚至一些像火箭飞船这样的复杂设备也需要复合材料才能运行。这些材料在我们的环境和日常生活中的重要性怎么强调也不为过。

与传统材料相比，复合材料具有更多优势。这可以归因于其独特的性能。因此，它们已成为工程师、设计师和建筑师中更受欢迎的选择。在一些要求热稳定性或极高强度的苛刻环境中，复合材料通常是首选材料。

降低成本

复合材料比木材和金属等传统材料更经济。除了价格便宜之外，它们还具有更大的功能。此外，它们更环保，因为它们产生的废物更少。

减少生产时间和精力

在生产中使用复合材料可减少组装不同传统材料所需的时间和精力。

设计灵活性

复合材料的另一个优点是工程师可以将其制成任何所需的形状。因此，他们可以用这些材料制造复杂的部件。

复合材料的类型

根据材料基质和增强介质的类型，复合材料有多种类型。它们具有独特的物理和机械性能，适合广泛的要求。

以下是一些常见的类型；

纳米复合材料

这种复合材料既有天然的，也有人工合成的。一般来说，增强剂以纳米材料的形式存在，如石墨烯或碳纳米管，添加到聚合物混合物中。也可以在钢中添加硅纳米颗粒，以确保晶体生长细密完美。

在某些应用中，滑石粉或碳酸钙可以有效地确保聚合物复合材料的强度和刚度。

典型的纳米复合材料利用纳米材料添加剂来增加不同聚合物基质的刚度、强度以及其他特性（包括导热性或导电性）。它们的自然例子包括贝壳和骨头。此外，在某些情况下，纳米材料代表着巨大的健康风险，因此制造这些材料可能是一个问题。

金属基复合材料 (MMC)

金属基复合材料利用镁或铝等金属基体以及晶须或颗粒形式的高强度纤维增强剂。

一般增强体为碳化硅或碳纤维颗粒，其产生超越基本金属成分极限的特殊性能，包括耐高温性提高、强度增加、耐磨性提高、弱化、热膨胀系数降低等。

此外，金属基复合材料可用于汽车和航空航天工业，重量轻、强度高。此外，它们还可用于体育用品、医疗设备和电子产品。与大多数类型的复合材料相比，这些复合材料的加工更困难。这是因为高温，以及增强剂均匀分布的问题。

聚合物基复合材料 (PMC)

这些是最容易理解和最普遍的复合材料形式。该术语包括手工铺放的玻璃纤维和碳纤维织物以及形成基质的注射、手工或预浸渍聚酯和环氧树脂。

此外，PMC 复合材料还具有其他优势，包括高强度和刚度（相对于部件重量），以及高耐化学性、耐热性、耐磨性和机械性。此外，聚合物基质复合材料需要非常熟练的劳动力，这意味着更高的成本，尽管对于需要高强度结果的任何应用来说，它们通常不算过高。

此外，PMC 在船舶、汽车、航空航天以及体育用品领域也非常有用，具有刚度高、强度高和重量轻等优点。制造 PMC 涉及纤维缠绕和手工铺层等组装方法，这可能是一个缓慢的过程。需要对整个固化过程进行精确控制，以实现最合适的材料特性。

玻璃纤维增​​强聚合物 (GFRP)

这些构成了一组聚合物基质复合材料，专门用于聚酯和环氧树脂粘合玻璃纤维材料。这些玻璃纤维可以位于短切原丝内部，通过这些纤维的混合取向为结构提供一定的各向异性强度。

此外，增强材料可能包含织物，这将使工艺更加有序，但不适用于大块部件，因为所有纤维都铺在平面上。使用编织粗纱，可以提高铺层质量，并获得更大的强度。

混合复合材料

这些复合材料至少包含两种不同的增强纤维，最终被整合到材料中。这种组合可以是碳纤维和玻璃纤维的叠层，以确保更好的耐久性。制造球拍时，通常使用钛线或钛网。这有助于提高弯曲和拉伸性能。

这些材料可能具有挑战性，因为兼容性问题可能会影响材料的行为——例如，一种特定的纤维可能比另一种纤维形成更好的粘合。需要进行大量测试来确认混合基质的可行性。混合复合材料与 PMC 有类似的应用；然而，由于成本较高，它们的使用受到限制。

陶瓷基复合材料 (CMC)

碳化硅、铝、碳化硼和碳等材料的复合材料构成了陶瓷基体。然后，该基体用强力纤维加固，形成 CMC。这些陶瓷基体具有极强的耐腐蚀和耐高温性能以及出色的耐磨性。然而，如果不加固，陶瓷通常很脆。添加碳化硅、碳或氧化铝过滤器可以使材料更耐用，并抵消其脆性。

CMC 可用于制造燃气轮机叶片、热交换器和航空航天/火箭部件。这些复合材料非常昂贵，而且非常脆，因此用途有限。然而，该领域是研究热点，性能不断提高。

天然纤维复合材料 (NFC)

使用天然纤维正在成为复合材料制造的一种趋势。这减少了这些材料在使用过程中对环境的影响。一些天然纤维，包括木材、黄麻、棉花和亚麻，在不同方面都发挥着重要作用。

与树脂粘合的天然纤维可用于制造汽车内饰板。这些纤维经过压缩成型，形成特定形状，之后被包裹在皮革或塑料中，作为最终表面处理。

为了确保更高的强度并产生木质效果，您可以将木纤维添加到聚合物中。此外，滑板板面在聚酯树脂基质中广泛使用天然纤维增强材料。

碳纤维增强聚合物（CFRP）

这些是聚合物基质复合材料的一个子集。它们特定于聚酯和环氧粘合碳纤维。手工铺层需要使用碳纤维作为编织粗纱，并使用编织图案来适应不同的应力分布和负载类型。

在这里，您将纤维浸渍在热激活树脂中。这样可以铺放柔性材料，然后对其进行压缩以帮助液化和固化树脂，从而产生刚性结果。还可以使用不同的聚合物拉挤碳过滤器，以在不同复杂部分中创建连续的 CFRP 长度。

芳纶纤维增强聚合物 (AFRP)

这些构成了另一组聚合物基质复合材料，其利用芳族聚酰胺作为增强剂。芳族聚酰胺纤维成分可用于高冲击应用。通常，芳族聚酰胺可用作编织织物。此外，它们还预浸渍有聚酯和环氧树脂。

这里的另一种复合材料是芳纶/纸蜂窝材料，它可用于低调地板面板——采用环氧树脂粘合并使用铝板分层。

功能梯度复合材料 (FGC)

功能梯度复合材料是所有类型复合材料的一部分。在这种复合材料中，您可以通过结构性能修改应用中的组成部分。当性能逐渐转变时，它们有助于避免应力集中。

此外，功能分级可以像在升高的应力点改变或添加纤维含量一样简单；渐进式混合有助于影响某些区域的弹性；改变粗纱中的编织图案以改变负载分布。

FGC 可用于制造更有弹性、更轻的航天器和飞机部件，如火箭喷嘴和涡轮叶片。

宏观复合材料

与微观或纳米形式不同，宏观复合材料将组成材料组合成更大的形式。您可以清楚地看到层或结构。它们更厚，可以在单个薄片或棒材的不同区域容纳不同类型的材料。

微型产品用于结构件和货物配件等高性能应用。因此，它们实际上可以定制以满足一些特定要求，例如机械强度和灵活性。

复合材料的工业应用有哪些？

以下是复合材料的一些适用领域

• 施工期间的胶合板
• 玻璃增强塑料，确保高强度成型
• 船体、皮艇、飞机外壳和摩托车整流罩
• 眼镜架（通常在特定金属结构上模制塑料）
• 钓鱼竿中的碳纤维（环氧粘合）
• 适用于建筑用途的钢筋混凝土
• 飞机地板

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