什么是复合材料——全面了解

通过巧妙地融合两种或多种成分材料，我们能够创造出一种在强度、耐用性或效率等方面具有显著提升的新材料。

复合材料是什么？

复合材料是一种由具有不同化学或物理特性的两种或多种组成材料组合而成的材料。当这两种材料被巧妙地结合在一起时，它们将共同孕育出一种性能远超原始组件的新型复合材料。

与物质混合或溶解在一起的传统材料不同，在复合材料中，各种材料保留了它们的独立身份。一种称为基质的物质充当黏合剂，将其他物质（称为增强材料或纤维）固定到位。这种独特的成分使复合材料能够拥有不同材料的性能组合，从而提高强度、耐用性或其他理想的特性。

复合材料图例：纤维/增强+基体

复合材料的核心特性用于增强

复合材料的设计初衷，就是为了根据实际应用场景的需求，来强化和提升多种不同的性能特性。

其中一些包括：

强度：复合材料可以显著提高强度，使其比单独的单个材料更坚固。这对于需要高承载能力的应用特别有用。
刚度：复合材料通过增强相材料的体积份额和优化组分材料的刚度系数、弹性模量，可以显著提高其刚度系数，从而提供更高的刚度和抗变形能力。此特性在结构完整性和稳定性至关重要的应用中非常有用。
轻质：复合材料因其卓越的高强度重量比而备受青睐，能够制造出轻质结构和组件。例如，在航空航天领域，波音公司已将一种3D打印的复合材料纳入供应链，用于制造飞机零部件，这种材料比铝轻50%，显著减轻了飞机的重量。在其他行业，如汽车制造和军事科研，复合材料同样因其轻质高强的特性而被广泛应用，进一步证明了其在优先考虑减轻重量的行业中的巨大价值。
耐久可靠：复合材料展现出非凡的耐用性，不仅耐腐蚀、耐候，还具备出色的抗疲劳性能。因此，它们成为了那些需要承受恶劣环境或重复应力应用的理想选择。
灵活多变：复合材料能够设计成柔韧的形态，即便在弯曲和变形的情况下也不会轻易断裂。这一特性在诸如承受振动或动态载荷的组件，以及需要模拟自然运动的假肢等应用中，展现出了极大的优势。
抗冲击性：复合材料因其卓越的抗冲击性能，在防撞保护领域具有重要应用价值。例如，自浮式复合材料防撞方案能够有效吸收和分散冲击力，确保大桥结构安全并减轻船舶受损程度。此外，复合材料平板抗冲击性能试验表明，通过特定的试验方法，可以准确评估材料在受到冲击时的性能表现。在汽车碰撞安全中，针织复合材料的结构和性能优势使其成为理想的减震材料，能够吸收能量并降低对驾驶员的冲击力。
热稳定性：复合材料可以表现出高热稳定性，在高温下保持其结构完整性。具有此特性的复合材料可以在极端环境中使用。
耐化学性：复合材料可以抵抗化学品和恶劣环境的损坏，非常适合化学加工设备、储罐或耐化学腐蚀涂料。
电导率：复合材料可以设计为具有特定的电气特性，例如导电性或绝缘性。
隔音：复合材料可以提供出色的隔音效果，减少隔音应用的噪声传播。

复合材料的优势

复合材料的主要优点当然是与传统材料相比，它们可以提供更强的性能，这使它们成为需要极高强度或热稳定性等特性的苛刻行业应用的最佳选择。然而，这并不是这些多功能材料的唯一好处。其他优势包括：

设计灵活性：作为复合材料，工程师能够模塑成大多数形状和形式，并制作出复杂的组件。
降低成本：与金属、木材和石油基产品等传统材料相比，复合材料浪费更少、成本更低，且受汽油价格波动影响较小。
减少生产时间和工作量：复合材料的使用使得单个部件能取代多个金属部件，且表面纹理易于改变，可模仿各种饰面。

复合材料是做什么用的？

复合材料的优势和增强功能使其在各行各业中的使用迅速增加，同时，随着行业发展和新知识产生，成本和时间消耗也在减少。

从航空航天工业中，复合材料用于飞机结构，包括机翼、机身和尾部，到汽车行业，复合材料用于车身面板、底盘部件和内部元件等部件，以增强强度、减轻重量并提高安全性。

复合材料是如何制造的？

制造复合材料的过程因所生产的复合材料类型而异。

一些最常见的复合材料制造技术包括：

真空灌注
手糊
树脂传递模塑（RTM）
压缩成型
细丝缠绕
注塑成型
高压釜
3D打印

复合材料的常见类型

有一些常见的复合材料用于各种应用，您可能已经听说过，但可能没有意识到它们是复合材料，例如：

碳纤维
玻璃纤维
水泥
胶合板
钢筋混凝土
Kevlar
工程木材等等！

天然和合成复合材料

如果我们想在技术上正确，我们必须注意复合材料可以是天然的或合成的。复合材料确实出现在自然界中（天然复合材料）。例如，木材是一种天然复合材料，因为它是木纤维（增强材料）和木质素（基质）的组合，形成了木材的坚固材料。我们在本页中最常引用的复合材料是合成复合材料，因为它们是人造的。

然而，在合成/人造复合材料中，您可以再次获得两种变体：

合成纤维复合材料：其中增强纤维来自合成聚合物，例如碳或玻璃。
天然纤维复合材料：其中至少增强纤维来自木材或植物等天然来源。

用复合材料制造零件

将复合材料转化为国防和海洋等行业的复合材料部件是一个复杂的过程，可能涉及许多不同的阶段。

从零件设计到研发、制造到测试和质量检查，每个复合材料零件都将经历一系列阶段才能开发并被认为适合使用，即便如此，大多数零件也会不断接受测试和优化，以实现其专用目的。许多公司和行业都会选择专门的复合材料制造公司来制造他们需要的复合材料零件。

复合材料的历史

复合材料的使用可以追溯到数千年前。令人惊讶的是，复合材料的证据可以追溯到公元前3400年，美索不达米亚人将木条黏合在一起制成胶合板。埃及人也接受了复合材料，在公元前2181年左右使用亚麻布和石膏制作死亡面具，并在公元前1500年加入稻草来加固泥砖和陶器。

社会进步推动了复合材料使用的增加。公元1200年左右，蒙古人巧妙融合木材、竹子、骨头、牛筋与丝绸，创制出复合弓，并以天然松树树脂提升其射击准确性。然而，1870年代标志着一个重要的转折点。随着聚合物的发展，塑料开始出现，到1930年，玻璃纤维被创造出来。

第二次世界大战期间，复合材料的发展势头迅猛，其在船体和雷达系统建造中的效用得到了充分证明。从那时起，他们的地位不断提高，在20世纪90年代中期达到顶峰，当时复合材料成为主流制造业的常态，他们今天仍然保持着这一地位。复合材料的演变展示了它们经久不衰的重要性，以及它们从古老的胶合技术到现代技术的前沿进步的历程。

复合材料的未来

随着研发的不断，新材料和制造技术不断涌现，突破了复合材料所能达到的界限。

当前研发的重点在于提升复合材料的性能、增强耐用性，并注重其可持续性发展。创新涵盖了探索具备增强机械性能的纳米复合材料、研发生物基及回收复合材料以降低环境影响，并将传感器与智能功能融入复合材料中，实现结构健康监测。

当我们展望由技术进步和可持续发展的必要性推动的未来时，复合材料可以而且将在其中发挥关键作用。从为氢或电池存储提供结构元件到为可再生能源领域开辟新的机会，随着技术的进步，高性能复合材料作为一种新型材料，已经在航空航天、汽车制造、建筑、电子电器、军事、医疗、能源、环保、体育器材和船舶等众多领域得到广泛应用。随着科技的发展，我们有理由相信，高性能复合材料在未来将会发挥更大的作用，推动各行各业的发展。

复合材料常见问题

复合材料只是塑料吗？

不是，复合材料不仅仅是塑料。虽然一些复合材料使用聚合物作为基体材料，但复合材料也可以包括其他材料，如金属、陶瓷或天然纤维。

复合材料的四大类主要是什么？

复合材料的四个主要类别分别是聚合物基复合材料（PMC）、金属基复合材料（MMC）、陶瓷基复合材料（CMC）以及碳纤维复合材料（为区别于陶瓷基，可简称为CFRC）。

复合材料比传统材料贵吗？

复合材料的成本效益分析显示，尽管在某些情况下，如航空领域的应用，其初期投资可能较高，但长期来看，由于减轻重量、提高耐用性和性能，复合材料可以实现成本节约。例如，商用飞机自身重量每减少1千克，一年就能节约3000美元的燃料费用。此外，复合材料如SMC在汽车、建筑和电气电子等领域的应用，因其高强度、耐腐蚀性和设计灵活性，可以降低维护成本和提高产品寿命，从而在长期使用中展现出成本优势。

复合材料中常用的基体材料有哪些？

复合材料中，我们常能见到聚合物基体，比如坚韧的环氧树脂、灵活的聚酯以及耐用的乙烯基酯；金属基体则包括轻盈的铝和强度高的钛；此外，还有硬度非凡的陶瓷基体，如碳化硅和氧化铝，以及具有独特性能的碳材料。