复合材料时代：历史、分类和应用

复合材料是两种或多种具有不同化学和物理特性的材料的混合物。它们组合后可达到特定目的：提高强度、减轻重量、提高电阻等。

工程师经常会遇到需要独特解决方案的问题。他们通常需要同时改进多种物理特性，如重量、强度等。

不幸的是，许多自然产生的竞争者往往在某方面有所欠缺。这增加了所需材料的数量以及采购成本。再加上根据需求和物流对其进行修改的额外成本，现在您需要处理预算问题。

复合材料已迅速发展，在整合多个生产和制造领域方面显示出巨大的潜力。玻璃纤维、碳纤维和聚合物等易得材料被组合成一种网状物，即所谓的基质。纳米颗粒和石墨烯等许多其他替代品也广泛用于基质中。

在本文中，我们旨在介绍复合材料的以下方面：

• 历史
• 复合材料——基础知识
• 根据基质材料分类
• 根据增强材料结构分类
• 如何制作
• 应用
• 结论

由于其巨大的潜力，复合材料的生产是目前增长最快的行业之一。许多因素使复合材料成为制造业的先锋。这篇文章旨在表明它在我们现在发挥的巨大作用，以及未来可能发挥的更大作用。

让我们深入研究一下。

历史

复合材料的概念最早出现于 6000 多年前，当时一些埃及工程师聚在一起，将稻草和泥土捣碎制成砖块。大约在同一时期，伊拉克的美索不达米亚人将木条以各种角度粘合在一起，制成胶合板。17 世纪，蒙古的传统弓被由角、木材和筋腱制成的复合弓所取代。它被称为“蒙古弓”。这种弓比相同长度的普通木弓能够储存更多的能量。

但正是 20 世纪 60 年代碳纤维的发明开辟了这种复合材料技术的大量潜在应用。

在过去的几十年中，科学家和研究人员已经从多个角度开发和分类了复合材料。

让我们来看看。

复合材料——基础知识

复合材料，顾名思义，由至少两种材料组成。在组合中，每种材料都具有不同的相，即基质相或分散相。

矩阵阶段

具有连续特征的初始相称为基体。它将分散相结合在一起，并与其分担负载。基体通常更具延展性和韧性。

分散相

不连续地嵌入基体中的第二相为分散相。由于其强度通常高于基体，因此被认为是增强相。

现在复合材料的分类主要是按照基体相和分散相的材料来进行的，下一节我们将按照基体材料和增强材料的结构来进行复合材料的分类。

根据基质材料分类

1. 金属基复合材料 MMC
2. 陶瓷基复合材料 CMC
3. 聚合物基复合材料 PMC

金属基复合材料 MMC

顾名思义，这种复合材料的基质由金属制成。结构应用首选较轻的金属，如铝、镁或钛。这为加固材料和整个结构提供了柔顺的支撑。

陶瓷基复合材料 CMC

在这种复合材料中，陶瓷纤维嵌入陶瓷基体相中。这种结构克服了传统陶瓷结构面临的抗裂性低的问题。碳、碳化硅、氧化铝等材料是基体和分散相的主要候选材料。

下图中，大型泵的轴套采用碳化硅纤维增强碳化硅材料通过化学气相渗透技术制造。

聚合物基复合材料 PMC

这种复合材料由聚合物基质组成，这些基质将各种短纤维或连续纤维粘合在一起。基质通常是环氧树脂、酚醛树脂和聚酰胺等树脂系统的热固性材料。PMC 以其重量轻、刚度高和强度高而闻名。

根据增强材料结构分类

1. 颗粒增强复合材料

• 分散强化
• 颗粒物

2. 纤维增强复合材料

• 连续纤维。
• 不连续光纤

3.结构复合材料

• 层
• 夹层结构

颗粒增强复合材料

由于其易于获得且经济实惠，因此是应用最广泛的复合结构类别之一。它们可以根据强化机制进一步区分为 颗粒强化和弥散强化。

• 弥散强化
  在这种情况下，颗粒的尺寸相对较小，范围从 0.01 到 0.1 微米。强化发生在原子和分子水平上，类似于金属中的沉淀硬化。
  示例：氧化钍 (ThO2) 弥散镍合金具有高温强度。烧结铝粉 (SAP) — 微小的氧化铝薄片分散在铝基体上。
• 颗粒状
  这类复合材料含有相对大量的粗颗粒。它们通常被设计用于产生不寻常的特性组合，而不一定能改善它们。它们可以与所有三种基质类型（MMC、CMC 和 PMC）一起使用。
  示例：嵌入钴或镍的碳化钨或碳化钛用于制造动力切割工具。

纤维增强复合材料

纤维增强复合材料具有更好的机械性能，如强度、强度重量比。它将坚固、坚硬但易碎的纤维融入更柔软、延展性更强的基质中。基质充当介质，将负载转移到承担大部分重物的纤维上。

它们进一步分为连续纤维或不连续纤维。

连续纤维增强复合材料

在连续纤维复合材料中，纤维的长度可以从几英尺到几千英尺不等。一个很大的优点是，通过允许原始复合纤维的均匀取向，可以增强和定制重要的设计标准（强度、Y 模量、CTE）。

总体而言，连续纤维复合材料往往比短纤维、不连续纤维复合材料更昂贵。但它通过提供显著改善的性能弥补了这一缺点。

不连续纤维增强复合材料

这一类复合材料又可进一步细分为两个子类，即不连续排列纤维和不连续随机排列纤维。

• 非连续排列纤维复合材料：具有较短的高度压缩纤维，这些纤维在基质中沿一个固定方向排列。它们的机械性能可与单向连续纤维复合材料相媲美。但较短的纤维会导致复合材料的延展性降低，因此非常适合高强度、低延展性的应用。
• 非连续随机排列纤维复合材料：由嵌入基质所有方向的短而紧密的纤维组成。排列纤维复合材料仅在增强方向上具有增强的机械性能。通过在基质的所有方向上均匀随机地嵌入纤维可以避免这种各向异性。虽然这可能会导致峰值强度降低，但它可以以较低的成本提高可成形性。

结构复合材料

结构复合材料是一类特殊的复合材料。其性能不仅取决于成分的性能，还取决于各种结构元素的几何设计。两类广泛使用的结构复合材料是层状复合材料和夹层复合材料。

• 层状复合：材料由具有优选强度方向的二维薄片/层组成。根据具体需求，这些层堆叠并粘合在一起。金属片、棉花、纸张、玻璃纤维或碳纤维等材料嵌入塑料基质中。薄涂层、较厚的保护涂层、覆层、双金属和层压板是层状复合材料的一些例子。
• 夹层结构：由薄层表面材料和轻质填充芯材组成。每种材料都具有高强度或（定向）刚度，而复合材料兼具这两种特性。芯材将表面隔开，抵抗变形，同时沿垂直于表面的平面提供一定程度的剪切刚度。典型的表面材料包括铝合金、纤维增强塑料、钛、钢和胶合板。而芯材通常是泡沫聚合物、合成橡胶、无机水泥、铝蜂窝和轻木。

复合材料——如何制造

复合材料的制造通常包括润湿和混合增强材料与基质。然后经过热或化学反应将它们粘合成刚性结构。预设模具是根据各种特性制定的，例如所用材料的类型、引入材料的顺序和方式、所需的成分等。

它可以通过多种方法实现（对于纤维增强复合材料），例如：

传统方法

• 湿法铺层
• 纤维缠绕
• 预浸料铺层（可手动或自动）
• 树脂传递模塑（或改良，如 VARTM）[也可用于短切纤维复合材料]

现代方法

• 先进的纤维铺放
• 玻璃纤维喷射铺层工艺
• Z钉扎

让我们来看看其中的几个。

湿法铺层

湿法铺层可能是最古老且至今仍使用最广泛的复合材料制造工艺，其操作步骤是简单地将增强材料放在模具上，然后用刷子、滚筒甚至手将树脂材料倒入/混合/涂抹在其上。

纤维缠绕

该技术主要用于制造开口结构，例如圆柱体。细丝在张力下缠绕在旋转的心轴上。玻璃和碳纤维是最常见的细丝，它们在缠绕到心轴上时会浸渍树脂。

与先进的纤维铺放方法一样，纤维缠绕的角度会影响最终复合材料的性能。

管道、自行车辐条、电线杆、飞机机身、火箭点火器、灯柱等等都是纤维缠绕技术迅速得到应用的领域。

先进的纤维铺放

这可以说是连续纤维复合材料的 3D 打印。这是更先进的工艺之一，其优势在于可以提供比金属更轻但强度相当甚至更高的材料。

这是一个自动化过程，其中合成树脂浸渍的纤维在复杂的模具上加热。几束浸渍有环氧树脂的碳纤维被送入纤维铺放机上的加热器和滚筒。这些束的放置角度根据所需的纤维增强复合材料的类型确定。

玻璃纤维喷射铺层工艺

这种方法也称为切碎工艺，通过从气动枪中喷射玻璃丝来制作玻璃纤维物体。

这是一种开放式成型工艺，其中将树脂和增强材料喷涂到可重复使用的模具上。喷涂用于压实层压板，随后第二层喷涂层将芯材嵌入层压板之间。

对于生产中小批量零件来说，这是最经济的工艺之一。

Z钉扎

正如其名称所示，这是一种沿塑料 Z 方向插入增强纤维的技术。金属是此方法的首选纤维。

它可以显著提高多种材料的强度和耐久性，尤其是提高抗脱层性。由于其在高压条件下的性能，它在汽车和飞机行业中占有一席之地。

复合材料的制造方法还有很多，这些方法大多是上述方法的变型或混合。

应用

过去几十年的数字革命极大地改变了人们对技术的认知。应用的可能性似乎每天都在不断涌现。

复合材料市场及其制造技术的进步使其应用范围大幅扩大。包括航空航天、无人机、建筑、耐腐蚀设备、消费电器等领域。

无人机

短短几年间，无人机的应用范围已从监控扩展到食品配送、摄影、监视等。无人机的有效载荷对飞行时间和功耗有着巨大的影响。为了减轻无人机的重量，复合材料在无人机的设计和制造中起着至关重要的作用。它们能够替代铝等传统材料，铝是无人机制造的便捷选择，但会导致整体重量增加。

航天

如果想要主宰航空航天业，轻质和高比强度是一大优势。再加上抗疲劳和抗腐蚀、更高程度的优化和潜在的经济性等特性，复合材料非常适合。

建造

长期以来，复合材料一直是土木工程和建筑行业的主力军。复合材料的多功能性为包层、干式墙、家具、建筑核心和地基提供了助力

纤维增强塑料复合材料具有高抗拉强度、抗疲劳、质量轻等特点，这是土木工程师的理想必备材料。

地板、承重垫、夹层结构中采用钢板或钢筋的混凝土结构、梁和钢筋、木板是建筑领域复合材料的几个例子。

运动的

2021 年，生活中几乎无处不受到复合材料的影响。复合材料占据主导地位的一个有趣领域是体育和娱乐。从赛车头盔和防护装备到网球拍和曲棍球棒。你很难找到一项运动没有复合材料的踪影

消费类电器

电话、家用电器、绝缘板、组件系统、断路器、照明设备、绝缘电线等电子设备都以某种形式包含复合材料。

结论

复合材料行业的利润日渐丰厚。全球复合材料市场每年增长 5%，而碳纤维需求则以每年 12% 的速度增长。

总而言之，复合材料是两种或多种具有不同化学和物理性质的材料的混合物。

复合材料的应用范围广泛，从航空航天、汽车到医疗保健和电子，从纸制品到摩天大楼，复合材料已占领了全球市场。

如果您正在为梦想的制造项目、兼职创业项目或车库里的业余爱好寻找替代材料，那么很可能有一种复合材料可以满足您的需求。