复合材料的科学与技术

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、游泳池衬里、建筑面板和车身。您很可能在不知不觉中使用了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多种具有完全不同性能的材料组合而成的。不同的材料协同工作，赋予复合材料独特的性能，但在复合材料中，你可以很容易地区分不同的材料——它们不会相互溶解或混合。复合材料存在于自然界中。一块木头是一种复合材料，纤维素（一种非常复杂的淀粉形式）的长纤维由一种称为木质素的弱得多的物质结合在一起。纤维素也存在于棉和亚麻中，但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。如果你试图弯曲一块干泥饼，它很容易破裂，但如果你试图压扁或压缩它，它就会很结实。另一方面，当你试图拉伸一根稻草时，它的力量很大，但当你把它弄皱时，它几乎没有力量。当您将泥浆和稻草组合成一块时，这两种材料的特性也会结合在一起，您会得到一块既能抵抗挤压、抗撕裂又能弯曲的砖。从技术上讲，它两者都很好抗压强度而且很好抗张强度。

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。可以使用两种主要类型的碳——石墨和碳纳米管。它们都是纯碳，但碳原子排列成不同的晶体构型。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。将六边形固定在一起的键非常牢固，但是将六边形片固定在一起的键非常弱，这就是使石墨变软的原因。碳纳米管是通过取单片石墨（称为石墨烯）并将其滚入管中制成的。这产生了一个非常坚固的结构。也可以由多个圆柱体制成的管子 - 管中的管子。碳纤维复合材料比玻璃纤维轻巧、坚固得多，但也更昂贵。在两者中，石墨纤维比碳纳米管更便宜、更容易生产。它们被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，并且越来越多地被用来代替金属来修复或更换受损的骨骼。比碳纤维更坚固（也更昂贵）的是硼线。氮化硼纳米管的另一个优点是比碳纤维更耐热。它们还具有压电特性，这意味着当对它们施加物理压力时，例如扭曲或拉伸，它们可以发电。聚合物也可以用作复合材料中的增强材料。例如，凯夫拉尔（Kevlar）最初是为了取代子午线轮胎中的钢而开发的，但最出名的是用于防弹背心和头盔，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材料产品（例如，飞机的结构车身部件）的增强材料。比凯夫拉尔更强的是由石墨烯和碳纳米管组合而成的物质。

选择制造工艺

用复合材料制作物体通常涉及某种形式的模具。首先将增强材料放入模具中，然后喷涂或泵入半液体基体材料以形成物体。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。成型过程通常是手工完成的，但机器的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”这两个词的术语）。该工艺非常适合制造直线且横截面恒定的产品，例如桥梁。在许多形状复杂的薄结构中，例如弧形面板，复合结构是通过在适当形状的基模上涂上充满塑料基体材料的编织纤维增强片来构建的。当面板被构建到适当的厚度时，基体材料就会固化。

三明治复合材料

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（例如用于飞机机翼和机身面板的复合材料）的结构由夹在两个碳纤维增强复合材料表皮之间的塑料蜂窝组成。