什么是复合材料？- 特性、类型、应用、优点和缺点

复合材料制造

• 复合材料的制造技术呈现出显著的多样性。这些材料通常被称为复合材料，主要包括玻璃纤维、碳纤维和凯夫拉纤维与树脂的结合。就碳纤维而言，纤维束预先浸渍热活化聚酯、乙烯基酯、聚氨酯或环氧树脂，形成所谓的“预浸料”。然后将柔性编织织物片（称为粗纱）精心铺在模具上或模具内，并施加压力。随后加热激活树脂，最初将其转化为液体，浸透所有纤维，然后固化成有弹性的刚性结构。
• 可以通过工具施加压力来闭合和挤压纤维，或者可以使用真空袋，在真空将形状拉到位时产生压力。或者，利用气压的弹性压力囊可以将形状推到位。一旦树脂完全固化，最终得到的成品部件将忠实地反映模具的形状，收缩极小甚至没有收缩，并且坚固耐用，充分利用了两种成分的最佳属性。玻璃和凯夫拉增强材料也采用了类似的方法。在室温或略高的温度下固化后，完成的结构作为成品从模具中释放出来。
• 聚合物复合材料和纳米复合材料具有相似的特性，主要区别在于添加剂的规模——复合材料为宏观纤维，纳米复合材料为纳米材料。尽管存在这种规模差异，但制造工艺基本相似。增强材料被视为添加剂，在初始颗粒制造阶段与聚合物预混合。模制部件最终在整个结构中具有均匀分布的增强材料。

复合材料示例

复合材料的例子多种多样，包括玻璃纤维（树脂基质中的玻璃纤维）、碳纤维复合材料（聚合物中的碳纤维）和钢筋混凝土（混凝土中的钢筋）。这些材料可用于航空航天、汽车、建筑等。复合材料的一些例子如下：

• 碳纤维增强塑料。
• 玻璃纤维增​​强复合材料。
• 凯夫拉增强材料。
• 陶瓷基复合材料。
• 金属基复合材料。
• 木塑复合材料。
• 碳纳米管复合材料。
• 玻璃纤维增​​强混凝土。
• 聚合物基复合材料。
• 天然纤维复合材料。

复合材料的特性

复合材料将两种或多种具有不同特性的材料组合在一起，形成具有优异特性（例如强度、刚度、重量轻和耐腐蚀）的材料，使其在各个行业中具有价值。在最佳情况下，复合材料具有以下物理和化学特性：

复合材料的物理特性

考虑复合材料的物理属性时可以观察到几种一致的模式，包括：

• 大多数复合材料的拉伸强度都等于或超过增强材料的拉伸强度。
• 尽管大多数复合材料主要由增强材料而不是基质组成，但抗压强度通常等于或超过基质材料的抗压强度。
• 弯曲强度通常大大超过基质材料的拉伸能力，因为弯曲力产生的拉伸载荷被有效地转移到增强部件上并分散而不会造成断裂。
• 具有电导性或热导性的可能性。
• 增强耐磨性。
• 减轻重量和密度。
• 具有磁性的潜力。
• 可调节的光学特性。
• 抵抗冲击的能力。
• 抗疲劳和蠕变。

复合材料的化学性质

复合材料通常采用刚性环氧树脂基质或刚性较低但仍较硬的热塑性聚合物基质制成。该组分通常会赋予所得材料以下主要化学属性：

• 可定制以获得极高的化学稳定性。这是通过精心选择基质材料和使用不吸水、不吸湿的增强纤维来实现的，从而确保强大的环境适应能力。
• 表现出对腐蚀和环境因素的一般抵抗力。
• 电导率和热导率可以精细地调整到不同的水平，从作为高击穿电压绝缘体到表现出中等的导电性，所有这些都是通过加入合适的添加剂和增强材料来实现的。
• 实现阻燃性或阻燃性的能力也是一个可以精细控制的设计特点。

复合材料的类型

制造和建筑中使用的复合材料种类繁多，通常分为以下几大类：

纳米复合材料

• 纳米复合材料将碳纳米管或石墨烯等纳米材料融入聚合物基质中，以增强强度、刚度和导电性等特性。
• 通过选择基质材料和非吸收性增强纤维，可以设计出具有优异的化学稳定性的产品。
• 例子包括骨头和贝壳，但由于纳米材料存在潜在的健康风险，因此需要小心。

金属基复合材料 (MMC)

• MMC采用金属基体（例如铝或镁）与高强度纤维增强材料（碳纤维或碳化硅颗粒）相结合。
• 它们具有强度高、耐高温、耐磨损、热膨胀小等特性。
• 常用于航空航天、汽车、电子、医疗设备和体育用品。

聚合物基复合材料 (PMC)

• PMC 包含各种材料，包括碳纤维和玻璃纤维织物、环氧树脂和聚酯树脂，具有高刚度、强度和弹性。
• 广泛用于航空航天、汽车、船舶和体育用品，但熟练的劳动力和精确的固化控制可能会导致更高的成本。

玻璃纤维增​​强聚合物 (GFRP)

• GFRP 由具有不同纤维取向的环氧树脂和聚酯粘合玻璃纤维材料组成。
• 由于其在结构中的各向异性强度而被使用，通常以短切原丝、短切原丝粗纱或编织粗纱的形式存在。

混合复合材料

• 混合复合材料将两种或多种不同的增强纤维整合成一种材料，提供定制的特性。
• 常见的应用包括结合玻璃和碳纤维以提高抗冲击性，或使用钛丝以提高体育用品的性能。

陶瓷基复合材料 (CMC)

• CMC 的特点是陶瓷基体中含有增强纤维，可提高耐温性和耐磨性。
• 用于燃气涡轮叶片、航空航天部件和热交换器。

天然纤维复合材料 (NFC)

• NFC 采用黄麻、亚麻、棉或木材等天然纤维，以减少对环境的影响。
• 用于汽车内饰板、3D打印线材、滑板甲板。

碳纤维增强聚合物（CFRP）

• CFRP 采用环氧树脂或聚酯基质中的碳纤维，通常为编织粗纱。
• 手工铺层或拉挤方法可以生产出适用于航空航天、汽车和其他应用的坚硬、坚韧的材料。

芳纶纤维增强聚合物 (AFRP)

• AFRP 使用芳纶纤维作为增强材料，具有高抗冲击性。
• 与碳纤维或玻璃纤维复合材料的加工类似，用于航空航天和特殊应用。

功能梯度复合材料 (FGC)

• FGC 是复合材料，其整个结构具有不同的特性。
• 用于飞机部件、生物医学设备和其他应用，以优化性能并避免应力集中。

复合材料的应用

复合材料的各种应用包括：

• 建筑结构坚固耐用。
• 用于球拍框架。
• 耐用的船体和部件。
• 制造坚固的涡轮叶片。
• 用于假肢的坚固材料。
• 电路板的绝缘。
• 耐腐蚀管道。
• 加固桥梁和建筑物。
• 太阳能电池板组件。
• 轻便的行李和仪器。
• 轻型装甲和部件。
• 火车和公共汽车的效率。
• 加固结构以确保安全。

复合材料的优点

复合材料的各种优点包括：

• 复合材料重量轻，可减轻整体重量。
• 它们具有优异的强度重量比。
• 它们耐腐蚀、耐磨损。
• 易于成型和定制。
• 提供电气和热绝缘。
• 抵抗化学损害。
• 吸收并承受冲击。
• 需要极少的维护。
• 提高运输燃油效率。
• 用于各种行业和应用。

复合材料的缺点

复合材料的各种局限性如下：

• 制造复合材料的成本可能很高。
• 修复可能需要专门的技术。
• 在压力作用下，各层可能会分离。
• 一些复合材料在阳光下会降解。
• 有些复合材料不耐火。
• 处置起来可能很困难。
• 复合材料的回收可能很困难。
• 一些复合材料随着时间的推移会吸收水分。
• 复杂的形状可能很难实现。