为什么选择复合材料？

几千年来，人们已经知道如何将材料混合在一起，制成比其各部分的总和还要多的东西。通过使用一种材料来补充另一种材料，以便将最好的可用材料用于工作，不同的材料“合作”以制造更有效和高效的结构。在上个世纪左右的时间里，我们学会了结合材料以超越自然界中常见的结构的特性。我们这样做的主要方法是应用大量的能量来制造非常精炼的材料，然后仔细控制它们的组合和化学成分。这种增强材料和聚合物的精炼、工程和精心组合就是复合材料行业。如果你看看人们建造的最复杂和最高性能的物品——想想火箭、飞机、赛车、卫星——其中大多数都使用复合材料来赋予它们令人难以置信的机械性能。如果不将具有特定特性的聚合物和高度工程化的增强纤维结合在一起，就无法制造出如此坚固、坚硬和轻便的东西。

比强度和刚度

正是这种给定重量的性能是如此令人难以置信。比强度是强度除以密度的量度——比刚度是弹性模量（E，又名。杨氏模量）除以密度。下图显示了各种材料的比强度和比模量：

只要快速浏览一下，就很清楚复合材料具有非凡的工程潜力！但好处并不止于此。

超级大国

我喜欢思考三种复合材料“超能力”——使用复合材料的真正令人信服的理由。第一个超级大国是选择进行“各向异性”叠层 – 钢筋材料仅指向给定载荷的方向。超级大国二是核心。带芯的“夹芯板”复合材料具有无与伦比的重量刚度。超能力三是易于制作具有复杂几何形状和漂亮表面光洁度的工具表面 – 并且一遍又一遍地完成而无需额外的工作。超能力#1：如果你看一块木头，它在一个方向上非常坚固，而在另一个方向上非常弱。树干需要纤维上下运行，以抵抗在风中弯曲和在自身重量下塌陷，但在整个“谷物”上，你会发现它只需要足够坚固就可以将所有东西保持在一起。塑料和金属不是这样的。它们就是工程师所说的“各向同性”——在所有方向上（大部分）都是一样的。一块钛的重量非常坚固 – 但工程设计它的主要方法是修改几何形状，而不是材料本身的属性。复合材料是“各向异性的”，这意味着它们的性能取决于方向——这就是它们令人敬畏的原因！它还使复合材料的设计和构建变得复杂。超能力#2：带芯的“夹芯板”是一种使复合板超硬且超轻的方法。通过将所有承重材料推到面板的最边缘，并用具有良好压缩和剪切强度的轻质材料填充中性中间区域，可以让所有材料发挥其作用。优势！超级能力#3：因为大多数复合材料都是层压的，称为“模具”的形式 – 它们可以为每个零件一遍又一遍地呈现精确的形状和表面。就像注塑成型一样 – 每个部件都可以有光泽和光滑，无需真正的额外努力。与每个新零件总是需要底漆和喷漆的金属相比，一旦制造出昂贵的工具，大量复合材料零件就可以以非常便宜的价格获得复杂的几何形状和闪亮的表面处理。

因此，使用复合材料的主要原因是：

• 您希望优化材料强度和刚度的方向 – 利用纤维增强的各向异性。复合材料允许组件具有惊人的“设计密度”和结构特异性。
• 您需要高刚度或强度重量比，而其他材料无法获得。在轻质芯材上采用复合表皮的“三明治”结构可以为您带来任何其他材料都无法获得的结果。
• 您需要一种抗紫外线、防锈、耐腐蚀或抗疲劳且坚固的材料。
• 您有一个由多个零件组成的装配体，如果由复合材料模制而成，则可以将其组合成一个零件。
• 维护是一个问题，模制复合材料部件的使用寿命可能比金属部件更长。
• 您需要良好的机械性能和复杂的形状 – 并且需要在制造环境中多次复制它。
• 你正在建造一些很棒的东西，而碳纤维很棒——所以你必须这样做！

好的，最后一个选项不是一个很好的理由。但这往往是人们选择用复合材料建造的原因。不要这样做 – 这是浪费，并且破坏了材料通过最适合应用的过程和需求来证明其自身使用合理性的想法。如果你想用碳来打动你的朋友，那很好，但如果你正在设计真正的产品，一遍又一遍地制造——请选择一种更负责任的材料！

使用复合材料有很多很好的理由，如果它合适，你可以做惊人的事情……但要确保其他一些资源密集度较低（也许是可回收）的材料也不能很好地完成这项工作。