什么是复合材料?

当您停下来注意时,我们每天使用的材料之多令人惊讶。 

什么是复合材料?

自然界拥有丰富的具有不同特性的物质,人类在寻找利用这些特性的方法方面具有令人难以置信的创造力。然而,我们发现,通过以不同方式组合我们周围世界的材料以形成新材料,可以开辟更多的可能性。一类这样的材料是复合材料。 

简而言之,复合材料是两种或多种不同材料的组合,可产生具有不同特性的新材料。然而,并非所有材料组合都是复合材料。复合材料的主要区别在于,连接在一起的材料不会以无法区分的方式相互溶解或混合。各个组件保持不同。 

在组合物质时,复合材料使我们能够将不同材料的优势结合在一起,最终得到比其组成部分更好的最终产品。

在这篇文章中,我们将在讨论类型、优势和一些常见的现代用途之前,先简要回顾一下复合材料的历史。

复合材料的历史

复合材料已经存在了很长时间。我们可以看到远在有记载的历史之前的例子。最早的用途之一是建筑材料。在太阳下晒干的泥砖在美索不达米亚和古埃及普遍用于房屋和其他建筑。虽然固化的泥浆具有合理的抗压强度(抗压强度),但抗拉伸或拉力(抗拉强度)却不太好。人们发现加入稻草大大增强了混合物的强度,使他们的住所更安全、更耐用。

这种结合材料以获得更大强度的原理也被用于古代美索不达米亚,以制造早期形式的胶合板。古代武士还结合材料制造出威力更大、可靠性更高的复合弓

古代世界最伟大的工程壮举之一是通过使用复合材料实现的。罗马人使用混凝土建造了 142 英尺宽的万神殿巨大圆顶,混凝土是水泥与其他材料(如沙子和石头)的混合物。事实上,罗马人有一种特殊的成分:火山灰,它可以制成具有特殊强度的成品材料。 

复合材料也被用于不太实用的目的。如果您曾经用纸浆制作过东西,那么您就是制作了纸和胶水的复合材料。数百年来,这种复合材料一直用于装饰和其他用途。

20 世纪见证了复合材料的快速发展,这得益于两个关键的发展:玻璃纤维生产的改进和现代塑料的配方。 

尽管历史上的玻璃制造商已经能够在一定程度上制造玻璃纤维,但直到 1930 年代才具备以工业规模高效且廉价地生产玻璃纤维的能力。1907 年发明了第一种可以使用热固化的合成塑料,胶木。1935 年,欧文斯科宁公司将这两种塑料结合起来,制造出第一种纤维增强聚合物(或塑料)。这是我们现在所说的玻璃纤维的第一个例子,它是当今使用最广泛的复合材料之一。

从那时起,研究人员开发了其他纤维和各种各样的塑料树脂,使我们能够不断突破复合材料的极限。一种更重要的新型纤维是碳纤维,它可以制造成非常轻和坚固的形式。

复合材料的类型

最常见的复合材料类型结合了基质(通常是某种塑料)和增强材料(通常是某种纤维)。大多数情况下,使用的塑料是热固性塑料。它们开始时呈液态,加热到一定温度后会硬化。这不是一个可逆过程。固化后,这种塑料实际上可以非常耐热。有时也使用热塑性塑料。这些不会永久凝固,但在加热到适当温度时会再次变成液体。

复合材料也可以通过将材料叠加在一起来创建。胶合板就是一个常见的例子。它由胶水和不同方向的交替木板层组成。

复合材料的好处

正如我们在上面看到的,人类使用复合材料已有很长时间了——而且有充分的理由。它们使我们能够创造出结合各自成分优势的材料。我们从复合材料中获得的最重要的好处可能是增强的强度和刚度,通常与同类材料相比重量更轻。

玻璃纤维就是一个很好的例子。玻璃纤维赋予它们嵌入其中的基体更大的抗拉强度,产生比相同重量的钢片更坚固的材料。

通过为基体和增强纤维选择不同的材料,还可以将复合材料设计用于特殊用途。在一种应用中,耐候性可能是最重要的。另一方面,它可能是耐热的。复合材料使我们能够灵活地为特定用途定制设计材料。

另一个值得强调的好处是复合材料的设计灵活性成为可能。这些材料几乎可以制成任何形状和尺寸。

复合材料的现代用途

鉴于复合材料的优势,它们出现在很多地方也就不足为奇了。我们已经提到了玻璃纤维,您可能知道这种材料的一些用途。船体通常由它制成,淋浴间、冲浪板和其他各种体育用品也是如此。它也越来越多地用于工业和建筑,其特性使其成为其他材料的有吸引力的替代品。

复合材料也常以工程木制品的形式用于建筑行业。我们在上面提到了胶合板;另一种常见的形式是中密度纤维板 (MDF),它使用木纤维来增强树脂、蜡和有时其他成分的基质。

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