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复合材料是什么(历史和应用及更多...)

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一、复合材料的定义

复合材料是通过将两种或多种天然或人造材料与具有比单独使用两种材料更好的性能的所得材料组合而成的。复合材料有两个组成部分,增强材料和基体。

这种新材料通常以比传统材料更坚固、更轻且更便宜而著称。它们与世界上的其他材料不同,有时它们的用途并不明显,可能是偶然或纯粹的运气发现的。

然而,复合材料的开发通常考虑到特定的应用,这通常需要长时间的开发和测试过程,以确保它能够完成它应该做的事情。它们的用途越来越广泛,从建筑贸易到汽车工业,从海洋工业到航空航天工业。 复合材料广泛应用于:

  • 混凝土,最常见的人造复合材料
  • 增强塑料,例如纤维增强聚合物 (FRP)
  • 金属基复合材料 ( MMC )
  • 陶瓷基复合材料(CMC)

2. 成分股

复合材料生产涉及多个阶段。 加强阶段提供刚度和刚度。在大多数情况下,增强材料比基体更硬、更坚固、更坚韧。 - 增援 增强物通常是纤维或颗粒。颗粒复合材料往往比纤维复合材料更脆弱,更灵活,部分原因是加工困难。它们通常在本质上更脆,因为它们通常包含较少的强化物。

增强材料可分为连续纤维增强材料和不连续(短)纤维增强材料两种,如下图所示。连续纤维增强材料通常具有层状或层状结构 (a),而不连续(短)纤维增强材料将具有随机取向,表现为短切纤维或垫层 (b)。典型的钢筋类型

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最常见的纤维包括玻璃纤维、芳纶纤维和碳纤维,它们都可以是连续的或不连续的。

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长短碳纤维增强比较

增强材料通常会增加复合材料的强度和刚度,这大大降低了开裂的机会。不仅仅是粗纤维增强材料有帮助,即使是细纤维也可能具有高强度,如果它们在机械上很好地附着在基体上,它们就能显着改善复合材料的性能。

矩阵

连续相也称为基质,通常是聚合物、金属或陶瓷。聚合物具有低强度和刚度,金属具有中等强度和刚度但具有高延展性,而陶瓷具有高强度和刚度但也会更脆。

基质可分为有机和无机两种。

诸如聚合物之类的有机基质非常常见(特别是对于纤维增强塑料),通常用于制造含有玻璃纤维、碳纤维或芳纶纤维的复合材料。虽然无机基质通常用于混凝土、金属、陶瓷和玻璃。 矩阵具有一些关键功能:

  1. 将纤维保持在所需的方向
  2. 减少磨损和压缩的机会

基于聚合物和金属的基体复合材料在纤维和基体之间具有很强的结合力,这使得负载应力能够传递到纤维上。在陶瓷基复合材料中,基体主要用于增加复合材料的韧性而不是强度或刚度。 基质进一步分为热塑性塑料、短纤维热塑性塑料、长纤维热塑性塑料或长纤维增强热塑性塑料。许多先进的热固性聚合物基体系统通常在环氧树脂基体中加入芳族聚酰胺纤维和碳纤维。

主要的聚合物基复合材料制造工艺

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三、申请

- 用于建筑

作为一种建筑材料,混凝土是最常见的人造复合材料,通常由松散的石头和基质水泥组成。它是水泥和骨料的混合物,是一种坚固耐用的材料,在世界范围内被广泛使用。仅在美国,混凝土生产是一个每年 300 亿美元的行业,而在全球范围内,预拌混凝土行业是混凝土市场的最大部分,2015 年的收入超过了 1000 亿美元。 混凝土对制造商来说并不昂贵,而且抗压能力强。但是,混凝土的抗拉强度较差,拉伸时很容易破裂。为了帮助减少这种情况,在混凝土中嵌入了一种额外的材料,如钢筋、某些塑料或陶瓷棒。这些高抗拉强度材料有助于混凝土在张拉时承受更大的载荷。

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混凝土的组成- 飞机/军用

一般来说,高性能但成本效益更高的碳纤维复合材料或芳纶纤维复合材料用于需要高刚度和轻质的地方。而成本低得多的玻璃纤维复合材料用于强度和重量不那么关键的要求不高的应用中。 在军用飞机中,由于性能和有效载荷的原因,低重量是“王者”。所以目前,碳纤维复合材料和芳纶纤维复合材料是最好的制造材料。现在商用飞机行业也发生了同样的情况,也许最引人注目的例子是新的波音 787,其机身制造中使用的主要材料是复合材料。

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波音 787 梦想客机商用飞机的材料。资料来源:现代客机 如上图所示,在50%的先进复合材料中,碳层压复合材料和碳夹层复合材料占了很大比例。

汽车用

主要汽车制造商越来越多地转向复合材料,以帮助他们满足日益严格的性能和重量目标,最终提高燃油效率并降低制造成本。最典型的材料是玻璃纤维/聚氨酯和玻璃纤维/聚酯。

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除了上面提到的复合材料外,一些比较高端的厂家也使用碳纤维效果很好。特斯拉、法拉利、兰博基尼和许多其他制造商都增加了碳纤维的使用,以减轻重量、增加刚度和强度,从内部到小型车身部件,再到整个底盘部件。

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特斯拉内饰碳纤维套件

通过在内饰设计、门槛、上门槛、仪表台、音响和中控台饰件中采用碳纤维,特斯拉极大地增强了汽车的外观和运动性,同时还减轻了车辆的整体重量。

另一个复合材料的其他应用

应用 例子
器具 炊具、洗碗机、冰箱、洗衣机、制冰机和小家电
活力 风力涡轮机、燃料电池、太阳能电池板和泵
海洋 发动机罩、个人船只、船舱盖、马达外壳
卫生/管道 水龙头、水槽、排水管、淋浴和浴缸
珠宝 手机壳、笔记本电脑壳、仪器箱、珠宝、手表等
 
 
复合材料是什么(历史和应用及更多...) 复合材料制成的水槽
复合材料是什么(历史和应用及更多...) 由复合材料制成的风力涡轮机
复合材料是什么(历史和应用及更多...) 船用复合材料

4. 历史概述

追溯到几千年前,人类开始将稻草和泥土等材料结合起来,这是一种粗糙的复合材料,用于改善房屋的建造,而埃及墓葬画中记录了古代制砖工艺。从这些早期开始,人类对复合材料的使用已经遍及各行各业,直至我们今天拥有的大量应用。

复合材料的历史

时间 复合材料的开发
约公元前 3400 年 大约在公元前 3400 年,人类将木条以不同的角度粘在一起,制成胶合板。
公元前2181-2055 埃及人使用浸泡在石膏中的亚麻布或纸莎草层来制作纸箱,可追溯到公元前 2181 年至 2055 年
约公元前 1500 年 古人用稻草加固泥砖、陶器和船。
大约公元 1200 年 蒙古人发明了第一把复合弓,由木材、竹子、骨头、牛筋、牛角、竹子和丝绸与天然松脂粘合而成。
1870 年代 - 1890 年代 聚合使新的合成树脂能够以交联的分子结构从液态转变为固态。
1900 年代初期 开发了乙烯基、聚苯乙烯、酚醛和聚酯等塑料。
1930 年代 欧文斯科宁通过引入第一种玻璃纤维,开创了纤维增强聚合物 ( FRP ) 行业。1936年,不饱和聚酯树脂获得专利。
1940 年代 二战将 FRP 行业从研究带入了实际生产。到 1947 年,已经制造并测试了全复合材料车身汽车。
1950 年代初期 开发了包括拉挤成型、真空袋成型和大规模纤维缠绕等制造方法。绕线成为 1960 年代及以后推动太空探索的大型火箭发动机的基础。
1960 年代 1961年,第一根碳纤维获得专利,几年后碳纤维复合材料开始商业化应用。海洋市场是 1960 年代复合材料的最大消费者。
1970-1980 年代 在 1970 年代,汽车市场超过了船舶市场,成为最大的复合材料市场——这一地位一直保持至今。
1990-2000 到 1990 年代中期,复合材料作为传统材料的经济高效替代品进入了主流制造和建筑领域。消费者每天都会接触到复合材料,从把手到家中染色精美的入口门。在 2000 年代中期,787 波音梦想客机的开发验证了复合材料可用于高强度和刚性应用。
今天 复合材料的发展不断增加其在汽车、家电和消费品行业的应用。现在复合材料才刚刚开始进入纳米技术领域。据marketsandmarkets统计,全球复合材料市场规模预计将从2015年的695亿美元增长到2021年的1052.6亿美元,2016-2021年间复合材料年增长率(CAGR)为7.04%。
未来 复合材料的研究越来越受到政府、制造商和大学的关注。这将推动更多投资,以帮助发明更多纤维和树脂。这将导致复合材料在现有和新行业中的更多应用。再生塑料和生物基聚合物等环保复合材料的使用也极有可能增加。

5. 为什么选择复合材料

如前所述,轻质是一个重要特征,这解释了为什么芳纶纤维和碳纤维等复合材料越来越多地用于汽车和飞机行业。同样,对于“日常携带”(EDC) 手机壳或钱包来说,轻便非常重要。

我们的设计目标之一是制造坚固、高质量的产品,并且绝不会减损您希望我们保护的产品设计。这就是我们使用复合材料的原因。

这是复合材料最擅长的事情之一,部分原因是它们具有出色的性能,但如果您采用平纹或斜纹编织图案的碳纤维或芳纶纤维等复合材料,它们在其上表现出非常简约的美感。自己的。现在,当我们将它们应用到我们的产品中时,您会得到真正特别和独特的东西。

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投稿专栏

关于碳纤维你不知道的15件事(但你应该知道!)

2022-10-12 21:02:19

投稿专栏

frp是什么材料(你对玻璃钢“FRP”了解多少)

2022-10-13 8:04:56

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