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1、復(fù)合材料的定義

 

復(fù)合材料通常由兩個(gè)組成部分，即增強(qiáng)材料和基體。通過(guò)將兩種或更多種天然或人造材料與基體材料組合在一起而獲得的復(fù)合材料，其性能比單獨(dú)使用兩種材料更好。

 

與傳統(tǒng)材料相比，復(fù)合材料具有更堅(jiān)固、更輕且更便宜等特性。但是復(fù)合材料的開(kāi)發(fā)通常會(huì)考慮到特定的應(yīng)用程序，這通常需要漫長(zhǎng)的開(kāi)發(fā)和測(cè)試過(guò)程才能確保其能夠完成預(yù)期的工作。從建筑行業(yè)到汽車(chē)行業(yè)，從海洋行業(yè)到航空航天行業(yè)，它們的使用越來(lái)越廣泛。

 

復(fù)合材料廣泛用于：

•混凝土，最常見(jiàn)的人造復(fù)合材料

•增強(qiáng)塑料，例如纖維增強(qiáng)聚合物（FRP）

•金屬基復(fù)合材料（MMC）

•陶瓷基復(fù)合材料（CMC）

 

2、復(fù)合材料的組成部分

 

2.1 增強(qiáng)相

 

復(fù)合材料生產(chǎn)涉及多個(gè)階段。增強(qiáng)相提供了剛性和剛度，而且在大多數(shù)情況下，增強(qiáng)材料比基體更堅(jiān)硬、更堅(jiān)固。

 

增強(qiáng)材料通常是纖維或顆粒，其中顆粒復(fù)合材料往往比纖維復(fù)合材料更弱并且更具柔韌性。纖維增強(qiáng)又可以分為兩種類(lèi)型，連續(xù)纖維增強(qiáng)材料和不連續(xù)（短）纖維增強(qiáng)材料，如下圖1所示。連續(xù)的纖維增強(qiáng)材料通常將具有分層或?qū)訅航Y(jié)構(gòu)（圖1a），而不連續(xù)的（短）纖維增強(qiáng)材料將具有隨機(jī)取向（圖1b）。

 

圖1 連續(xù)纖維與短切纖維

 

最常見(jiàn)的纖維包括玻璃纖維、芳族聚酰胺纖維和碳纖維，所有這些纖維可以是連續(xù)的或不連續(xù)的。復(fù)合材料中連續(xù)纖維與短切（不連續(xù)）纖維增強(qiáng)相結(jié)構(gòu)如圖2所示。

 

圖2 連續(xù)纖維與短切纖維復(fù)合材料中纖維增強(qiáng)相狀態(tài)

 

增強(qiáng)通常會(huì)增加復(fù)合材料的強(qiáng)度和剛度，從而大大減少了開(kāi)裂的機(jī)會(huì)，并且如果它們能夠很好地附著在基體上，還能顯著改善復(fù)合材料的性能。

 

2.2 基體材料

 

常見(jiàn)的基體材料主要包括聚合物、金屬和陶瓷，其中聚合物具有較低的強(qiáng)度和剛度，金屬具有中等的強(qiáng)度和剛度，但可以具有較高的延展性，而陶瓷具有較高的強(qiáng)度和剛度，但也更易碎。

 

按照化學(xué)性能，基體又可分為有機(jī)和無(wú)機(jī)兩種類(lèi)型。有機(jī)基體（例如聚合物）非常普遍（尤其是用于纖維增強(qiáng)塑料），通常用于制造包含玻璃纖維、碳纖維或芳綸纖維的復(fù)合材料；無(wú)機(jī)基體通常用于混凝土、金屬、陶瓷和玻璃中。

 

復(fù)合材料中基體的主要作用體現(xiàn)在：

•將纖維保持在所需的方向

•減少磨損和壓縮

 

聚合物基和金屬基復(fù)合材料在纖維和基體之間具有牢固的結(jié)合力，這使得負(fù)載應(yīng)力可以傳遞到纖維上。在陶瓷基復(fù)合材料中，基體主要用于增加復(fù)合材料的韌性，而不是強(qiáng)度或剛度。

 

聚合物基體進(jìn)一步可以分為熱固性塑料和熱塑性塑料兩種，許多先進(jìn)的熱固性聚合物基體通常將碳纖維摻入環(huán)氧樹(shù)脂基體中。

 

3、復(fù)合材料的應(yīng)用

 

3.1 建筑工程領(lǐng)域

 

作為建筑材料，混凝土是最常見(jiàn)的人造復(fù)合材料，通常由松散的石頭和基質(zhì)水泥組成。它是水泥和骨料的混合物，在世界范圍內(nèi)廣泛使用。僅在美國(guó)，混凝土生產(chǎn)是一個(gè)年產(chǎn)值300億美元的行業(yè)，而在全球范圍內(nèi)，預(yù)拌混凝土行業(yè)是混凝土市場(chǎng)中最大的部分，2015年的收入超過(guò)了1000億美元。

 

混凝土對(duì)制造商來(lái)說(shuō)并不昂貴，而且抗壓強(qiáng)度很高。但是，混凝土的抗拉強(qiáng)度差，因此在拉伸時(shí)容易破裂。為了減少這種情況，將其他材料（例如鋼筋，某些塑料或陶瓷棒）嵌入混凝土中，混凝土主要成分如圖3所示。這些高抗拉強(qiáng)度的材料可幫助混凝土在張緊時(shí)承受更大的載荷。

 

圖3 混凝土的主要成分

 

3.2 航空航天及軍事領(lǐng)域

 

通常，在需要高剛度和輕質(zhì)的領(lǐng)域會(huì)使用高性能但更經(jīng)濟(jì)有效的碳纖維復(fù)合材料。雖然玻璃纖維復(fù)合材料成本要低得多，但是由于性能有限，因此只能用于強(qiáng)度和重量要求不高的應(yīng)用中。

 

在軍用飛機(jī)中，出于性能和有效載荷的原因，重量輕是王道。因此，當(dāng)前，碳纖維復(fù)合材料和芳綸纖維復(fù)合材料是用于制造飛機(jī)的最佳材料。現(xiàn)在，商用飛機(jī)行業(yè)也發(fā)生了同樣的情況，也許，最引人注目的例子是波音787，機(jī)身材料中碳纖維復(fù)合材料占比超過(guò)50%（圖4），且多數(shù)為碳纖維層壓板復(fù)合材料和碳纖維夾芯復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。

 

圖4 波音787飛機(jī)中的復(fù)合材料

 

3.3 汽車(chē)工業(yè)

 

如今全球一些主要的汽車(chē)制造商越來(lái)越多地轉(zhuǎn)向復(fù)合材料，以幫助他們達(dá)到日益嚴(yán)格的性能和重量目標(biāo)，從而最終提高燃油效率并降低制造成本。使用的最典型材料是玻璃纖維/聚氨酯和玻璃纖維/聚酯。

 

除了上面提到的復(fù)合材料外，一些更高端的制造商也使用碳纖維并取得了很大的效果。特斯拉（Tesla，圖5）、法拉利（Ferrari）、蘭博基尼（Lamborghini）和其他許多制造商都增加了碳纖維的使用，以減輕重量，增加剛度和強(qiáng)度，從內(nèi)部到小型車(chē)身零件再到整個(gè)底盤(pán)部件。

 

通過(guò)在內(nèi)部設(shè)計(jì)、門(mén)檻、上門(mén)檻、儀表盤(pán)、立體聲和中控臺(tái)飾板中采用碳纖維，特斯拉極大地提高了汽車(chē)的外觀(guān)和運(yùn)動(dòng)性，并具有減輕汽車(chē)整體重量的額外好處。

 

3.4 其他領(lǐng)域的應(yīng)用

 

家用家電：炊具、洗碗機(jī)、冰箱、洗衣房、制冰機(jī)和小家電。

能源領(lǐng)域：風(fēng)力渦輪機(jī)、燃料電池、太陽(yáng)能電池板和水泵。

船體材料：引擎蓋、個(gè)人船只、船上通道蓋、馬達(dá)罩。

家庭廚衛(wèi)：水龍頭、水槽、下水道、淋浴和浴缸。

其他產(chǎn)品：手機(jī)盒、筆記本電腦盒、儀器盒、珠寶、手表等。