复合材料

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October 28, 2021

在材料科学中,复合材料是一种异质材料,即由两个或多个具有不同物理性质的相组成,其性质比构成它的相要好得多。通常,复合材料中的不同相由不同材料组成,碳纤维和环氧树脂复合材料就是这种情况。但是,也有例外,不同相由相同材料制成,例如 SiC / SiC 和自增强聚丙烯 (SRPP)。复合材料可以是人造的,也可以是天然的。天然复合材料的一些例子是木材(其中纤维素纤维分散在木质素相中)和骨骼(其中胶原蛋白由矿物磷灰石增强)。

背景

最原始的人造复合材料是砖,由稻草和泥土结合而成;圣经出埃及记谈到了被法老压迫的以色列人,他们被迫准备没有稻草的砖块。在大都会艺术博物馆的埃及墓葬壁画上仍能看到古老的砌砖工艺,后来开发了其他复合材料,包括胶合板、混凝土以及混凝土和铁棒的组合(称为钢筋混凝土)。

复合材料的结构

构成复合材料的单个材料称为成分,根据它们的功能,它们被称为基体和增强体(或填料)。这两个部分的组合构成了能够保证极高机械性能的产品(为此基本目的是增强材料和基体之间的界面粘合)和绝对低的密度:因此,复合材料广泛用于轻质至关重要的应用,首先是航空。

矩阵

基体由连续的均匀相组成,其任务是:包围增强材料,确保复合材料(以及复合材料的任何层,在层压复合材料的情况下)的内聚力;确保增强颗粒或纤维在复合材料中具有适当的分散性并且不会发生偏析。 根据基体的性质,复合材料分为各种类别,包括: PMC(聚合物-基体复合材料):聚合物基体复合材料,例如热塑性塑料(如尼龙和 ABS)或热固性塑料(如环氧树脂); MMC(Metallic-Matrix Composite):金属基复合材料,通常是铝或钛及其合金,很少有镁或其他; CMC(Ceramic-Matrix Composite):陶瓷基复合材料,通常是碳化硅或氧化铝;碳-碳复合材料:基体和增强体均由碳制成;混合复合材料:它们包含两种或更多类型的纤维。在大多数情况下,基质是聚合物,因为它们保证低密度(因此最终材料很轻):但是,它们具有随着温度升高而显着降低性能的缺陷。例如,在具有聚合物基体的复合材料中,环氧树脂(与某些粘合剂中使用的相同)或酚醛树脂可用作基体,可能与其他聚合物(例如 PVB)一起使用有助于改善机械特性(例如.es 柔韧性)的复合材料,同时保持对增强材料的附着力。碳-碳复合材料:基体和增强体均由碳制成;混合复合材料:它们包含两种或更多类型的纤维。在大多数情况下,基质是聚合物,因为它们保证低密度(因此最终材料很轻):但是,它们具有随着温度升高而显着降低性能的缺陷。例如,在具有聚合物基体的复合材料中,环氧树脂(与某些粘合剂中使用的相同)或酚醛树脂可用作基体,可能与其他聚合物(例如 PVB)一起使用有助于改善机械特性(例如.es 柔韧性)的复合材料,同时保持对增强材料的附着力。碳-碳复合材料:基体和增强体均由碳制成;混合复合材料:它们包含两种或更多类型的纤维。在大多数情况下,基质是聚合物,因为它们保证低密度(因此最终材料很轻):但是,它们具有随着温度升高而显着降低性能的缺陷。例如,在具有聚合物基体的复合材料中,环氧树脂(与某些粘合剂中使用的相同)或酚醛树脂可用作基体,可能与其他聚合物(例如 PVB)一起使用有助于改善机械特性(例如.es 柔韧性)的复合材料,同时保持对增强材料的附着力。它们包含两种或更多类型的纤维。在大多数情况下,基质是聚合物,因为它们保证低密度(因此最终材料的重量轻):但是,它们具有随着温度升高而显着降低性能的缺陷。例如,在具有聚合物基体的复合材料中,环氧树脂(与某些粘合剂中使用的相同)或酚醛树脂可用作基体,可能与其他聚合物(例如 PVB)一起使用有助于改善机械特性(例如.es 柔韧性)的复合材料,同时保持对增强材料的附着力。它们包含两种或更多类型的纤维。在大多数情况下,基质是聚合物,因为它们保证低密度(因此最终材料的重量轻):但是,它们具有随着温度升高而显着降低性能的缺陷。例如,在具有聚合物基体的复合材料中,环氧树脂(与某些粘合剂中使用的相同)或酚醛树脂可用作基体,可能与其他聚合物(例如 PVB)一起使用有助于改善机械特性(例如.es 柔韧性)的复合材料,同时保持对增强材料的附着力。然而,它们具有随着温度升高而急剧降低性能的缺陷。例如,在具有聚合物基体的复合材料中,环氧树脂(与某些粘合剂中使用的相同)或酚醛树脂可用作基体,可能与其他聚合物(例如 PVB)一起使用有助于改善机械特性(例如.es 柔韧性)的复合材料,同时保持对增强材料的附着力。然而,它们具有随着温度升高而急剧降低性能的缺陷。例如,在具有聚合物基体的复合材料中,环氧树脂(与某些粘合剂中使用的相同)或酚醛树脂可用作基体,可能与其他聚合物(例如 PVB)一起使用有助于改善机械特性(例如.es 柔韧性)的复合材料,同时保持对增强材料的附着力。例如,复合材料的柔韧性),同时保持与增强材料的粘合性。例如,复合材料的柔韧性),同时保持与增强材料的粘合性。

加强

增强体以分散相为代表,它以各种方式精确地分散在基体内部,其任务是确保刚度和机械阻力,承担大部分外部载荷。根据增强材料的类型,复合材料分为:颗粒复合材料;纤维增强复合材料;结构复合材料(例如夹芯板、层压复合材料和铝复合板)。

具有颗粒分散相的复合材料

在粒子复合材料中,增强体由“粒子”组成,它(与纤维不同)可以假设为等轴的。粒子复合材料的化学物理性质取决于粒子系统的几何形状,即:粒子的大小和形状基质相内颗粒的浓度、分布和取向。

具有纤维分散相的复合材料

纤维增强复合材料又可分为:连续(或长)纤维复合材料;彼此对齐的不连续(或短)纤维复合材料;随机排列的不连续(或短)纤维复合材料具有纤维分散相的复合材料具有显着的各向异性。这种各向异性在粒子复合材料中没有发现(或至少很少),以至于所述粒子是等轴的。如果控制各向异性,则可能是一个优势:材料在已知将被加载的方向上得到增强,因此性能得到优化(如连续纤维复合材料的情况)。另一方面,如果是由于更难以控制的现象(例如材料在模具中的塑性流动,如在短纤维复合材料的情况下)变得有问题,因为最大增强方向的方向与所需的方向几乎不一致。在纤维增强复合材料的情况下,增强材料可以例如由: 玻璃纤维碳纤维(由石墨碳和无定形碳组成) 陶瓷纤维(例如碳化硅或氧化铝) 芳纶纤维(例如 Kevlar) 玄武岩纤维。玻璃纤维 碳纤维(由石墨碳和无定形碳组成) 陶瓷纤维(例如碳化硅或氧化铝) 芳纶纤维(例如 Kevlar) 玄武岩纤维。玻璃纤维 碳纤维(由石墨碳和无定形碳组成) 陶瓷纤维(例如碳化硅或氧化铝) 芳纶纤维(例如 Kevlar) 玄武岩纤维。

结构化复合材料

基质增强粘附机制

复合材料的生产

拉挤成型

线轴缠绕

它是一种生产圆柱形对称中空部件(如管道、杆、罐)的技术。它包括将低粘度树脂浸渍纤维缠绕在带有旋转心轴的卷轴上。这是一个快速和经济的过程,并保证了复合材料的良好结构性能。然而,该过程仅限于没有凹面的凸形物体。纤维缠绕通常用于生产由以下材料组成的复合材料: 分散相:碳纤维、玻璃纤维或芳纶纤维;基体:环氧树脂、聚酯、乙烯基酯或酚醛树脂。

树脂灌注成型 (RTM)

RTM(树脂传递模塑)是一种使用双组分模具塑造面板两个面的工艺。下部是刚性的,上部也可以是刚性的或柔性的。柔性模具可以由复合材料、硅树脂或挤出的聚合物线制成,例如尼龙。两侧配合在一起形成一个模腔。该工艺的特点是在引入构成基体的材料之前,将增强材料放置在型腔中并关闭模具。RTM 有多种不同的树脂引入方式。该过程可以在高温和室温下进行。

层压

将纤维(通常以“垫子”、切线或织物的形式)放置在模具上,随后将树脂(通常是聚酯或乙烯基酯)浇注在模具上。聚合物基体的硬化(“固化”)在室温下进行,同时将复合材料通过辊子,以促进纤维的浸渍。一般是适合加工大型零件的工艺。还有“Spray Lay Up”(喷涂层压),它包括将树脂喷涂在一层纤维上。这个过程的优点是容易自动化,但只能获得具有随机取向的不连续纤维的复合材料(因此不可能获得具有连续纤维的复合材料或具有对齐的不连续纤维的复合材料)。

高压釜层压

该工艺通常用于处理碳纤维或芳纶。切割所需长度的第一层纤维;随后将它们堆叠并粘合。然后将这些块插入高压釜中,在那里它们经受温度和压力程序,最后获得硬化的层压板。在此过程中,通常使用预浸料(树脂预浸纤维),以保证复合材料的结构均匀性。层压的生产变体包括使用无溶剂 PVB 薄膜插入预浸料层之间:通过适当控制温度、压力和时间参数,PVB 渗透到预浸料的程度根据最终复合材料所需的机械性能来选择预浸料。使用这些薄膜的优点主要与不含溶剂、易于应用以及 PVB 对复合材料中使用的不同类型纤维(例如碳纤维、芳纶纤维、玻璃)的良好粘合性能有关。

复合材料和应用示例

那些需要满足低重量和高机械特性要求的生产部门需要复合材料。航空、海军和汽车工业广泛使用复合材料来制造机翼结构、机身、手推车、船只、独木舟、车身面板、“一级方程式”底盘及其维修、板簧、发动机零件和配件。航空航天和战争工业将这些材料用于太空发射站和自行推进机器的结构部件,以及头盔和防弹衣。在体育领域,复合材料用于制造滑雪板、有舵雪橇、网球拍、自行车、钓鱼竿、射击用立管。用于跳高的弓和杆。在医学上,假肢由复合材料制成。在设备工程领域,它们用于管道和储罐。复合材料在生产时构成了制备所谓智能材料(智能材料)的基础:这些材料是通过在构建阶段将光纤淹没在复合材料中而获得的,光纤连接到计算机,构成传感器能够将信号转换为存在的应力和变形状态的函数。一个应用示例可以是汽车底盘,内置智能复合材料,可以由车载计算机持续监控。通过这种监测,飞行员将能够评估,在任何时候,结构的效率和危险情况的发生。复合材料的其他例子是道路路面材料,由钢和波特兰水泥或沥青混合料的增强骨料组成。淋浴盘和浴缸可以由玻璃纤维制成。仿花岗岩或大理石的水槽和厨房台面也采用复合材料制成。一些复合材料是为建造航天器而配制的,航天器必须承受特别苛刻的条件。具有金属性质的复合材料的一个例子是珍珠岩(由α铁素体和渗碳体组成)。复合材料也存在于自然界中,例如木材(主要由分散在木质素中的纤维素组成)或骨骼(由胶原蛋白和磷灰石组成);木材反过来又可以构成其他复合材料的基础,如胶合板和刨花板。

笔记

参考书目

Giuseppe Ciampaglia,机械和航空复合材料技术,第 2 版,罗马,IBN Editore,2003,ISBN 88-86815-98-0。Sanjay K. Mazumdar,复合材料制造:材料、产品和工艺工程,CRC Press,2002,ISBN 0-8493-0585-3。William D. Callister,材料科学与工程:简介,第 5 版,John Wiley & Sons Inc,1999,ISBN 0-471-35243-8。Bernhard Ilschner、Joseph K. Lees、Ashok K. Dhingra、RL McCullough,Ullmann 工业化学百科全书,“复合材料”,Wiley-VCH,2000,DOI:10.1002 / 14356007.a07_369。

相关项目

建筑材料 智能结构 纤维金属层压板 形状记忆材料 纤维增强聚合物基体材料 夹芯板 铝复合板 塑料 聚合物 拉挤玻璃纤维 簇绒聚乙烯醇缩丁醛

其他项目

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外部链接

(EN) Materiale composito, su Enciclopedia Britannica, Encyclopædia Britannica, Inc. (EN) IUPAC Gold Book, "composite", su goldbook.iupac.org。www.materialicompositi.it, su materialicompositi.it。dida.fauser.edu - I materiali compositi,su dida.fauser.edu。(EN) 促进材料科学的 IT 传播 (DoITPoMS),“纤维增强复合材料的力学”,su doitpoms.ac.uk。