与传统材料相比复合材料有哪些优势?

复合材料被以越来越多样化的材料形式提供,并且可以通过广泛的模塑和成型工艺制造——已经或即将成为世界各地制造领域的焦点。

高强度和低重量仍然是推动复合材料进入新领域的制胜组合,但其他特性也同样重要。

​复合材料具有良好的减震性和低热膨胀系数 (CTE),这些特性可以针对特殊应用进行设计。复合材料具有抗疲劳性并提供设计/制造灵活性,可以显着减少特定应用所需的零件数量——这意味着成品需要更少的原材料、更少的接头和紧固件以及更短的组装时间。复合材料还具有耐受极端温度、腐蚀和磨损的能力,尤其是在工业环境中,这些特性在很大程度上降低了产品生命周期成本。这些特性推动了复合材料的广泛应用。例如,面对不断上涨的油价,燃油经济性的推动使轻量化成为几乎所有机械运输方式(从自行车到大型商用飞机)的优先事项。

复合材料与传统材料的不同之处在于,复合材料部件包含两种截然不同的成分——纤维和基质材料(最常见的是聚合物树脂)——它们在组合时保持离散但相互作用以制造一种新材料,其特性不能通过简单地将其组件的属性相加来预测。

事实上,纤维/树脂组合的主要优点之一是其互补性。例如,细玻璃纤维具有相对较高的拉伸强度,但容易受到损坏。相比之下,大多数聚合物树脂的拉伸强度较弱,但非常坚韧和具有延展性。然而,当结合在一起时,纤维和树脂各自抵消了对方的弱点,生产出一种比其单个组件更有用的材料。

复合材料的结构特性主要来源于纤维增强。用于大型市场的商业复合材料,例如汽车部件、船只、消费品和耐腐蚀的工业部件,通常由非连续的、随机的玻璃纤维或连续但非定向的纤维形式制成。先进复合材料最初是为军用航空航天市场开发的,其性能优于传统结构金属,现在可用于通信卫星、飞机、体育用品、运输、重工业以及石油和天然气勘探和风力涡轮机的能源领域建造。

复合材料

高性能复合材料的结构特性来自连续、定向、高强度的纤维增强材料——最常见的是碳、芳纶或玻璃——在基体中,可提高可加工性并增强机械性能,如刚度和耐化学性。

可以控制纤维取向,这是一个可以提高任何应用性能的因素。例如,在复合高尔夫球杆杆身中,复合杆身内以不同角度取向的硼和碳纤维使其能够充分利用其强度和刚度特性,并能承受扭矩载荷和多重弯曲、压缩和拉伸力。

基质可以是聚合物、陶瓷或金属。商业和高性能航空航天应用中最广泛用于复合材料的聚合物基体是热固性树脂,由聚合物链组成,当与催化剂混合、受热或两者兼有时,这些聚合物链会永久固化成交联网络。固化通常在烘箱和/或真空袋或高压釜中在升高的温度和/或压力条件下发生。替代但较少使用的固化技术包括电子束、紫外线 (UV) 辐射、X 射线和微波工艺。

另一种最常用的基体类型是热塑性 (TP) 树脂,事实证明它是复合材料制造商越来越受欢迎的选择。形成热塑性线性聚合物链,并且可以通过熔化或软化然后冷却材料重新形成成型固体。通常以片材或面板形式出售,热塑性塑料可以通过原位固结技术进行加工,例如简单的压制成型(参见“制造方法”),无需高压釜或真空袋固化即可制造坚韧的近净形状部件通过热固性。TP 可重整性提供了纠正异常或修复使用中损坏的潜力。

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