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什么是复合材料?- 定义和类型

什么是复合材料?- 定义和类型

复合材料是两种具有不同物理和化学性质的材料的组合。当它们结合在一起时,它们会创造出一种专门用于完成特定工作的材料,例如,变得更坚固、更轻或耐电。它们还可以提高强度和刚度。

它们优于传统材料的原因是因为它们改善了基础材料的性能并且适用于许多情况。

这些组成材料具有明显不同的化学或物理特性,并且合并以创建具有不同于单个元素的特性的材料。在完成的结构中,各个元素保持独立和不同,将复合材料与混合物和固溶体区分开来。

典型的工程复合材料包括:

  • 钢筋混凝土和砖石
  • 胶合板等复合木材
  • 增强塑料,例如纤维增强聚合物或玻璃纤维
  • 陶瓷基复合材料(复合陶瓷和金属基体)
  • 金属基复合材料
  • 和其他先进复合材料

新材料能够受到青睐的原因是多方面的。典型的例子包括与普通材料相比更便宜、更轻、更坚固或更耐用的材料。

最近,研究人员还开始积极地将传感、驱动、计算和通信纳入复合材料,这些复合材料被称为机器人材料。

复合材料一般用于建筑物、桥梁和构筑物,如船体、游泳池面板、赛车车身、淋浴间、浴缸、储水箱、仿花岗岩、人造大理石水槽、台面等。它们也越来越多地用于一般汽车应用。

最先进的示例在要求苛刻的环境中经常在航天器和飞机上执行。

什么是复合材料?

复合材料是由两种或多种组成材料制成的材料。这些组成材料具有明显不同的化学或物理特性,并且合并以创建具有不同于单个元素的特性的材料。

简单地说,复合材料是组件的组合。在我们的行业中,复合材料是通过组合两种或多种天然或人造元素(具有不同的物理或化学特性)制成的材料,这些元素作为一个团队比作为单个参与者更强大。

组成材料没有完全混合或失去各自的特性;他们结合并贡献了他们最有用的特征,以改善结果或最终产品。复合材料通常在设计时考虑到特定用途,例如增加强度、效率或耐用性。

复合材料是由什么制成的?

复合材料,也称为纤维增强聚合物(FRP) 复合材料,由聚合物基体制成,并用工程、人造或天然纤维(如玻璃、碳或芳纶)或其他增强材料进行增强。

基质保护纤维免受环境和外部损害,并在纤维之间转移载荷。反过来,纤维提供强度和刚度以加强基体并帮助它抵抗裂缝和断裂。

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复合材料

在我们行业的很多产品中,聚酯树脂是基体,玻璃纤维是增强材料。但是复合材料中使用了许多树脂和增强材料的组合,每种材料都有助于成品的独特性能:纤维,强大但易碎,提供强度和刚度,而更灵活的树脂提供形状并保护纤维。

FRP 复合材料还可能包含旨在改善最终产品的制造工艺、外观和性能的填料、添加剂、芯材或表面处理。

天然和合成复合材料

复合材料可以是天然的或合成的。木材是一种天然复合材料,是纤维素或木纤维与一种称为木质素的物质的组合。纤维赋予木材强度;木质素是结合和稳定它的基质或天然胶水。其他复合材料是合成的(人造的)。

胶合板是一种结合了天然材料和合成材料的人造复合材料。薄层木饰面粘合在一起,形成比天然木材更坚固的平面层压板。

塑料是复合材料吗?

并非所有塑料都是复合材料。事实上,玩具、水瓶和其他熟悉的物品中使用的大部分塑料都不是复合材料。它们是纯塑料。但是,可以对许多类型的塑料进行强化以使其更坚固。这种塑料和增强材料的结合可以创造出一些技术有史以来最坚固、最通用的材料(相对于它们的重量)。

聚合物树脂(如聚酯、乙烯基酯、环氧树脂或苯酚)有时被称为塑料。

历史简介

人们使用复合材料已有数千年的历史。公元前 3400 年 伊拉克的美索不达米亚人制造出第一批人造复合材料。旧社会将木条以不同的角度相互粘在一起制成胶合板。

此后,埃及人于公元前 2181 年左右开始用浸有石膏的亚麻布或纸莎草纸制作死亡面具。后来,两个社会都开始用稻草加固他们的材料,以加固泥砖、陶器和船。

公元 1200 年,蒙古人开始建造复合拱门,这在当时非常有效。它们由木头、牛筋、角、竹子、骨头和用松脂粘合的丝绸制成。

工业革命后,合成树脂通过聚合呈现出固体形式。在 1900 年代,这种新发现的化学知识导致了各种塑料的制造,例如聚酯、苯酚和乙烯基塑料。然后塑料的发展开始了,电木是由化学家利奥贝克兰制造的。它不导电且耐热,这意味着它可以广泛应用于许多行业。

1930 年代是复合材料发展的极其重要的时期。玻璃纤维由欧文斯科宁引入,他还创立了第一个纤维增强聚合物 (FRP) 行业。在此期间开发的树脂沿用至今,不饱和聚酯树脂于 1936 年获得专利。两年后,更强大的树脂体系问世。

第一种碳纤维于 1961 年获得专利,然后开始商用。在 20 世纪 90 年代中期,复合材料在制造过程和建筑中越来越受欢迎,因为与以前使用的材料相比,它们的成本相对较低。

2000 年代中期波音 787 梦想飞机上的复合材料证实了它们在高强度应用中的用途。

不同类型的复合材料

一些常见的复合材料包括:

  • 陶瓷基复合材料:陶瓷分散在陶瓷基体中。这些比普通陶瓷更好,因为它们具有抗热冲击和抗断裂性
  • 金属基复合材料:金属遍布整个基体
  • 钢筋混凝土:用钢筋等抗拉强度高的材料加固的混凝土
  • Glass fiber reinforced concrete : 浇注成高氧化锆含量玻璃纤维结构的混凝土
  • 半透明混凝土:包裹光纤的混凝土
  • 工程木材:人造木材与其他廉价材料相结合。一个例子是刨花板。这种复合材料中还可以找到单板等特殊材料
  • 胶合板:通过以不同角度将许多薄木层粘合在一起的工程木材
  • 工程竹:将竹纤维条粘合在一起制成木板。这是一种有用的复合材料,因为它比木材具有更高的压缩、拉伸和弯曲强度
  • 镶木地板:通常由硬木制成的由许多木块拼成的正方形。它作为装饰品出售
  • 木塑复合材料:木纤维或面粉浇铸在塑料中
  • 水泥粘合木纤维:用水泥浇铸的矿化木块。这种复合材料具有绝缘和声学特性
  • 玻璃纤维:玻璃纤维与相对便宜且柔韧的塑料相结合
  • 碳纤维增强聚合物:碳纤维镶嵌在具有高强度重量比的塑料中
  • 夹心板:各种层叠在一起的复合材料
  • 复合蜂窝:在许多六边形中选择复合材料以形成蜂窝形状。
  • Papier-mache : 用粘合剂粘合的纸。这些可以在工艺品中找到
  • 涂塑纸:涂有塑料以提高耐用性的纸。使用它的一个例子是在扑克牌中
  • 复合泡沫:通过用微球填充金属、陶瓷或塑料制成的轻质材料。这些气球是用玻璃、碳或塑料制成的

复合材料的好处

复合材料已经渗透到我们的日常生活中:它们被用于我们驾驶的汽车、我们挥舞的高尔夫球杆、从我们的社区排出废水的管道等等。如果没有复合材料,某些应用(例如火箭飞船)可能无法起步。

复合材料有很多好处。其中的关键是强度、重量轻、耐腐蚀、设计灵活性和耐用性。

  • 强的。每磅,复合材料比钢等其他材料更坚固。复合材料的两个主要成分——纤维和树脂——有助于增强它们的强度。纤维承载载荷,而树脂则根据需要在整个复合材料部件中分配重量。
  • 轻的。与大多数木材和金属相比,复合材料重量轻。但为什么越轻越好?减轻重量有助于提高汽车和飞机的燃油效率。更轻的物体,从电线杆到桥面板,更容易运输和安装。
  • 抵抗的。复合材料可以抵抗天气和会侵蚀其他材料的刺激性化学物质造成的损害。这使它们成为经常暴露在盐水、有毒化学品、温度波动和其他恶劣条件下的应用的理想选择。
  • 灵活的。复合材料中可以使用多种材料组合,从而实现设计灵活性。这些材料可以定制,以适应每种应用的独特规格。复合材料也可以很容易地模塑成复杂的形状。
  • 耐用的。简而言之,复合材料经久耐用!用复合材料制成的结构使用寿命长,几乎不需要维护。许多用复合材料制成的产品,例如船,已经服役了半个多世纪。

为什么要使用复合材料?

减轻重量是部件使用复合材料代替传统材料的主要原因之一。虽然复合材料更轻,但它们也比其他材料更坚固。例如,增强碳纤维的强度最高可达 1020 级钢的五倍,而重量仅为其五分之一,这使得它们非常适合用于结构用途。

与传统类型的材料相比,使用复合材料的另一个优势是耐热性和耐化学性以及电绝缘性能。与传统材料不同,复合材料可以具有单一材料所不具备的多种特性。

纤维增强复合材料,如纤维增强塑料(GRP 复合材料)越来越多地用于开发和制造用于营销的最终产品。

复合用途的例子:

  • 电子设备
  • 航天结构
  • 基础设施
  • 管道和储罐
  • 可以使用塑料层压梁构建房屋。

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