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什么是复合材料科学(为什么要使用复合材料)

  • 复合材料是由两种或多种具有不同性质的材料组合而成,无需将它们相互溶解或混合。
  • 例子包括混凝土、泥砖和玻璃纤维。
  • 大多数复合材料是通过采用一种材料(基体)并将其围绕纤维或更强材料(增强材料)的碎片制成的。
  • 工程师在制造过程中有很多选择来确定最终复合材料的特性。
  • 现代航空一直是复合材料的主要驱动力,因为它对既轻又坚固的材料有很大的需求。

在像我们这样的先进社会中,我们在生活的某些方面都依赖于复合材料。玻璃纤维是在 1940 年代后期开发的,是第一个现代复合材料。它仍然是最常见的,约占当今生产的所有复合材料的 65%。它用于船体、冲浪板、体育用品、游泳池内衬、建筑板和车身。您很可能在不知不觉中使用了由玻璃纤维制成的东西。

是什么使材料成为复合材料

复合材料是由两种或两种以上具有完全不同性质的材料组合而成的。不同的材料共同作用赋予复合材料独特的特性,但在复合材料中,您可以轻松区分不同的材料——它们不会溶解或相互混合。 复合材料存在于自然界中。一块木头是一种复合材料,长纤维的纤维素(一种非常复杂的淀粉形式)由一种称为木质素的较弱物质结合在一起。纤维素也存在于棉花和亚麻布中,但正是木质素的结合力使一块木材比一束棉纤维强得多。

这不是一个新想法

几千年来,人类一直在使用复合材料。以泥砖为例。如果您尝试弯曲一块干泥饼,它很容易破裂,但如果您尝试挤压或压缩它,它会很结实。另一方面,一根稻草在你试图拉伸它时有很大的力量,但当你把它揉成一团时几乎没有力量。当你将泥和稻草组合成一块时,这两种材料的特性也会结合在一起,你就会得到一块既能抵抗挤压又能抗撕裂或弯曲的砖。从技术上讲,它既有好处抗压强度好的抗拉强度.

什么是复合材料科学(为什么要使用复合材料)
伊朗一名男子在重建一座在地震中受损的古老泥砖城堡。泥砖与大约 2500 年前用于建造它的材料相同。

另一种众所周知的复合材料是混凝土。这里的骨料(小石头或砾石)由水泥粘合在一起。混凝土在受压下具有良好的强度,并且可以通过在复合材料中添加金属棒、金属丝、网或电缆(从而形成钢筋混凝土)使其在张力下变得更坚固。

复合材料是由一种称为石墨烯的碳与金属铜结合制成的,这种材料本身的强度是铜的 500 倍。同样,石墨烯和镍的复合材料的强度是镍的 180 倍以上。 至于玻璃纤维,它是由塑料用细丝或玻璃纤维加固的。这些细丝可以捆绑在一起,编织成垫子,或者有时将它们切成短的长度,在塑料基质中随机定向。

不止于实力

如今,许多复合材料的制造不仅仅是为了提高强度或其他机械性能。许多复合材料被定制为良好的导体或热绝缘体或具有某些磁性;非常具体和专门但也非常重要和有用的属性。这些复合材料用于各种电子设备,包括晶体管、太阳能电池、传感器、探测器、二极管和激光器,以及制造防腐蚀和防静电表面涂层。 由金属氧化物制成的复合材料也可以具有特定的电气特性,用于制造更小、更密集地装入计算机的硅芯片。这提高了计算机的内存容量和速度。氧化物复合材料还用于产生高温超导特性,现在用于电缆。

制作复合材料

大多数复合材料仅由两种材料组成。一种材料(基质或粘合剂)围绕并结合在一起的纤维簇或强度更高的材料(增强材料)的碎片。在泥砖的情况下,两个角色由泥和稻草承担;在混凝土中,由水泥和骨料组成;在一块木头中,由纤维素和木质素组成。在玻璃纤维中,增强由细线或玻璃纤维提供,通常编织成一种布,基质是塑料。

什么是复合材料科学(为什么要使用复合材料)
用于制造玻璃纤维的各种形式的玻璃增强材料的示例。图片来源:Cjp24/维基共享资源。

玻璃纤维中的玻璃线在张力下非常坚固,但它们也很脆,如果急剧弯曲会折断。矩阵不仅将纤维固定在一起,它还通过共享任何纤维来保护它们免受损坏压力其中。基质足够柔软,可以用工具成型,并且可以用合适的溶剂软化,以便进行修复。玻璃纤维板的任何变形都必然会拉伸一些玻璃纤维,并且它们能够抵抗这种变形,因此即使是薄板也非常坚固。它也很轻,这在许多应用中都是一个优势。

近几十年来,已经开发了许多新的复合材料,其中一些具有非常有价值的特性。通过仔细选择增强材料、基体和将它们结合在一起的制造工艺,工程师可以定制特性以满足特定要求。例如,它们可以通过以这种方式排列纤维使复合板在一个方向上非常坚固,但在强度不那么重要的另一个方向上则较弱。他们还可以通过选择合适的基体材料来选择耐热、耐化学品和耐候性等特性。

选择矩阵的材料

对于基体,许多现代复合材料使用热固性或热软化塑料(也称为树脂)。(在基体中使用塑料解释了通常用于复合材料的“增强塑料”这个名称)。塑料是聚合物将增强材料固定在一起并有助于确定最终产品的物理特性。

热固性塑料在制备时是液体,但在加热时会变硬并变硬(即固化)。凝固过程是不可逆的,因此这些材料在高温下不会变软。这些塑料还可以抵抗化学物质的磨损和侵蚀,使其非常耐用,即使暴露在极端环境中也是如此。

顾名思义,热软化塑料在低温下很硬,但在加热时会变软。尽管它们不像热固性塑料那样常用,但它们确实具有一些优点,例如更高的断裂韧性、较长的原材料保质期、回收能力以及更清洁、更安全的工作场所,因为硬化过程不需要有机溶剂。

陶瓷、碳和金属被用作一些高度专业化用途的基质。例如,当材料要暴露在高温下(如热交换器)时使用陶瓷,而碳则用于暴露于摩擦和磨损的产品(如轴承和齿轮)。

什么是复合材料科学(为什么要使用复合材料)
用碳化钛铝增强的镁基复合材料的假彩色电子显微镜图像。图片来源:蔡司显微镜/Flickr。

选择加固材料

虽然玻璃纤维是迄今为止最常见的增强材料,但许多先进的复合材料现在使用纯碳的细纤维。有两种主要类型的碳可以使用——石墨和碳纳米管. 它们都是纯碳,但碳原子以不同的晶体结构排列。石墨是一种非常柔软的物质(用于“铅”铅笔),由排列成六边形的碳原子片制成。将六边形结合在一起的键非常强,但是将六边形片结合在一起的键非常弱,这就是使石墨柔软的原因。碳纳米管是通过将单片石墨(称为石墨烯)卷成管状而制成的。这产生了极其坚固的结构。也可以使用由多个圆柱体制成的管子——管子中的管子。 碳纤维复合材料比玻璃纤维轻且坚固得多,但也更昂贵。在这两者中,石墨纤维比碳纳米管更便宜且更容易生产。它们用于飞机结构和高性能运动器材,如高尔夫球杆、网球拍和划艇,并且越来越多地代替金属用于修复或更换受损骨骼。 比碳纤维更坚固(也更昂贵)的是硼线。氮化硼纳米管具有比碳纤维更耐热的额外优势。它们还具有压电特性,这意味着它们可以在施加物理压力(例如扭曲或拉伸)时发电。

聚合物也可用作复合材料中的增强材料。例如,Kevlar 最初是为了替代子午线轮胎中的钢而开发的,但以用于防弹背心和头盔而闻名,它是一种非常坚固的聚合物纤维,可以增加复合材料的韧性。它被用作需要轻质和可靠结构的复合产品(例如,飞机的结构部件)中的增强材料。比 Kevlar 更坚固的是一种由石墨烯和碳纳米管组合而成的物质。

选择制造工艺

用复合材料制造物体通常需要某种形式的模具。首先将增强材料放置在模具中,然后将半液体基质材料喷射或泵入以形成物体。可以施加压力以挤出任何气泡,然后加热模具以使基质凝固。 成型过程通常由手工完成,但机器自动加工正变得越来越普遍。其中一种方法称为拉挤成型(源自“拉”和“挤压”的术语)。该工艺非常适合制造直且具有恒定横截面的产品,例如桥梁。 在许多具有复杂形状的薄结构中,例如弯曲面板,复合结构是通过在适当形状的基础模具上应用充满塑料基体材料的编织纤维增强片来构建的。当面板已构建到适当的厚度时,然后固化基质材料。

夹心复合材料

许多新型复合材料不是通过基体和增强方法制成的,而是通过铺设多层材料制成的。许多复合材料的结构(例如用于飞机机翼和机身面板的复合材料)由夹在两层碳纤维增强复合材料表皮之间的塑料蜂窝组成。
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来自 NASA 的蜂窝复合夹层结构。图片来源:美国国家航空航天局/维基共享资源。
这些夹层复合材料结合了高强度,特别是抗弯刚度,重量轻。其他方法包括简单地铺设几个不同物质(例如石墨烯和金属)的交替层来制造复合材料。

为什么要使用复合材料?

复合材料的最大优点是强度和刚度与轻便相结合。通过选择适当的增强材料和基体材料组合,制造商可以生产出完全符合特定用途的特定结构要求的特性。

现代航空,无论是军用还是民用,都是一个典型的例子。如果没有复合材料,效率会低得多。事实上,该行业对既轻又强的材料的需求一直是推动复合材料发展的主要力量。现在常见的是由先进复合材料制成的机翼和尾部、螺旋桨和转子叶片,以及大部分内部结构和配件。一些小型飞机的机身完全由复合材料制成,大型商用飞机的机翼、尾翼和机身面板也是如此。

在考虑平面时,值得记住的是,复合材料比金属(例如铝)更不可能在压力下完全分解。一块金属上的小裂缝会迅速蔓延并造成非常严重的后果(尤其是在飞机上)。复合材料中的纤维可以阻止任何小裂缝的扩大并分担周围的应力。合适的复合材料也能很好地耐热和耐腐蚀。这使得它们非常适合用于暴露在极端环境中的产品,例如船只、化学品处理设备和航天器。

一般来说,复合材料非常耐用。复合材料的另一个优点是它们提供了设计灵活性。复合材料可以成型为复杂的形状——在生产冲浪板或船体等产品时是一项重要资产。此外,目前大量工作正致力于开发由废弃产品制成的复合材料,例如农业废弃物、建筑材料或塑料饮料容器。复合材料的缺点通常是成本。

尽管使用复合材料时制造过程通常更有效,但原材料价格昂贵。复合材料永远不会完全取代钢铁等传统材料,但在许多情况下,它们正是我们所需要的。毫无疑问,随着技术的发展,将会发现新的用途。我们还没有看到复合材料能做的所有事情。

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投稿专栏

复合材料制造方法(常见复合材料部件成型工艺)

2022-10-13 9:41:47

投稿专栏

建筑选择玻璃钢材料进行翻新的原因

2022-10-14 8:50:07

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