复合材料和复合材料制造

简单地定义，复合材料或复合材料是由两种或多种具有不同物理或化学性质的材料组成的材料，但当它们组合在一起时，它们就变成了与组成材料不同的材料。我们需要指出，构成材料在结构上保持独立和不同。制造复合材料的目标是获得一种优于其成分并结合每种成分所需特性的产品。举个例子;强度、重量轻或价格较低可能是设计和生产复合材料的动力。我们提供的复合材料类型是颗粒增强复合材料、纤维增强复合材料，包括陶瓷基/聚合物基/金属基/碳-碳/混合复合材料、结构、层压和夹层结构复合材料以及纳米复合材料。

 

我们在复合材料制造中采用的制造技术有：拉挤成型、预浸料生产工艺、先进的纤维铺放、长丝缠绕、定制纤维铺放、玻璃纤维喷涂工艺、簇绒、lanxide 工艺、z-pinning。
许多复合材料由两相组成，即基体，它是连续的并围绕着另一相；以及被基体包围的分散相。
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• 颗粒增强复合材料：该类别包括两种类型：大颗粒复合材料和分散增强复合材料。在前一种类型中，不能在原子或分子水平上处理粒子-基质相互作用。相反，连续统力学是有效的。另一方面，在分散强化复合材料中，颗粒通常在几十纳米范围内小得多。大颗粒复合材料的一个例子是添加了填料的聚合物。填料改善了材料的性能，并且可以用更经济的材料代替部分聚合物体积。两相的体积分数影响复合材料的行为。大颗粒复合材料与金属、聚合物和陶瓷一起使用。 CERMETS 是陶瓷/金属复合材料的例子。我们最常见的金属陶瓷是硬质合金。它由难熔的碳化物陶瓷组成，例如在钴或镍等金属基质中的碳化钨颗粒。这些碳化物复合材料被广泛用作淬硬钢的切削工具。硬质碳化物颗粒负责切削作用，韧性金属基体增强了它们的韧性。因此，我们在单一复合材料中获得了两种材料的优势。我们使用的大颗粒复合材料的另一个常见例子是炭黑颗粒与硫化橡胶混合以获得具有高拉伸强度、韧性、撕裂和耐磨性的复合材料。分散强化复合材料的一个例子是金属和金属合金，通过均匀分散非常坚硬和惰性材料的细颗粒来强化和硬化。当非常小的氧化铝薄片添加到铝金属基体中时，我们获得了具有增强的高温强度的烧结铝粉。 

 

• 纤维增强复合材料：这一类复合材料实际上是最重要的。达到的目标是每单位重量的高强度和刚度。这些复合材料中的纤维成分、长度、取向和浓度对于确定这些材料的性能和用途至关重要。我们使用三组纤维：晶须、纤维和线材。晶须是非常细长的单晶。它们是最坚固的材料之一。一些示例晶须材料是石墨、氮化硅、氧化铝。另一方面， FIBERS 主要是聚合物或陶瓷，处于多晶或无定形状态。第三组是细线，具有相对较大的直径并且通常由钢或钨组成。钢丝增强复合材料的一个例子是在橡胶中加入钢丝的汽车轮胎。根据基体材料，我们有以下复合材料：
POLYMER-MATRIX COMPOSITES ：这些是由聚合物树脂和纤维作为增强成分制成的。这些称为玻璃纤维增强聚合物 (GFRP) 复合材料的一个子组在聚合物基体中包含连续或不连续的玻璃纤维。玻璃具有高强度、经济、易于加工成纤维，并且具有化学惰性。缺点是它们的刚性和刚度有限，使用温度仅高达 200 – 300 摄氏度。玻璃纤维适用于汽车车身和运输设备、船舶车身、储存容器。由于刚性有限，它们不适用于航空航天和桥梁制造。另一个子组称为碳纤维增强聚合物 (CFRP) 复合材料。在这里，碳是我们在聚合物基质中的纤维材料。碳以其高比模量和强度以及在高温下保持这些的能力而闻名。碳纤维可以为我们提供标准、中等、高和超高拉伸模量。此外，碳纤维确实提供了多种物理和机械特性，因此适用于各种定制工程应用。 CFRP 复合材料可用于制造运动和娱乐设备、压力容器和航空航天结构部件。然而，另一个子组芳纶纤维增强聚合物复合材料也是高强度和模量材料。它们的强度重量比非常高。芳纶纤维也以商品名 KEVLAR 和 NOMEX 为人所知。在张力下，它们的性能优于其他聚合物纤维材料，但它们的压缩力较弱。芳纶纤维坚韧、抗冲击、抗蠕变和抗疲劳，在高温下稳定，除对强酸和强碱外具有化学惰性。芳纶纤维广泛用于体育用品、防弹背心、轮胎、绳索、光缆护套。存在其他纤维增强材料，但使用程度较低。这些主要是硼、碳化硅、氧化铝。另一方面，聚合物基体材料也很关键。它决定了复合材料的最高使用温度，因为聚合物通常具有较低的熔化和降解温度。聚酯和乙烯基酯被广泛用作聚合物基质。还使用树脂，它们具有优异的防潮性和机械性能。例如，聚酰亚胺树脂的使用温度最高可达约 230 摄氏度。 
金属基体复合材料：在这些材料中，我们使用延展性金属基体，并且使用温度通常高于其组成成分。与聚合物基复合材料相比，这些复合材料具有更高的工作温度、不易燃，并且可能对有机流体具有更好的抗降解性。然而，它们更昂贵。增强材料，例如晶须、微粒、连续和不连续纤维；常用的基体材料有铜、铝、镁、钛、高温合金等。示例应用是由用氧化铝和碳纤维增强的铝合金基体制成的发动机部件。 
陶瓷矩阵复合材料：陶瓷材料以其出色的高温可靠性而闻名。然而，它们非常脆，断裂韧性值低。通过将一种陶瓷的颗粒、纤维或晶须嵌入另一种陶瓷的基体中，我们能够获得具有更高断裂韧性的复合材料。这些嵌入材料基本上通过一些机制来抑制基体内部的裂纹扩展，例如使裂纹尖端偏转或在裂纹面上形成桥接。例如，用 SiC 晶须增强的氧化铝用作加工硬质合金的切削刀具刀片。与硬质合金相比，这些可以显示出更好的性能。  
碳-碳复合材料：增强材料和基体都是碳。它们在超过 2000 摄氏度的高温下具有高拉伸模量和强度、抗蠕变性、高断裂韧性、低热膨胀系数、高导热性。这些特性使它们非常适合需要抗热震性的应用。然而，碳-碳复合材料的弱点在于其在高温下不易氧化。典型的使用例子是热压模具，先进的涡轮发动机部件制造。 
混合复合材料：两种或多种不同类型的纤维混合在一个基质中。因此，人们可以定制一种具有多种特性组合的新材料。一个例子是当碳纤维和玻璃纤维都被结合到聚合物树脂中时。碳纤维提供低密度刚度和强度但价格昂贵。另一方面，玻璃价格便宜，但缺乏碳纤维的刚度。玻璃-碳混合复合材料更坚固、更坚韧，并且可以以较低的成本制造。
纤维增强复合材料的加工：对于具有沿同一方向均匀分布的纤维的连续纤维增强塑料，我们使用以下技术。
拉挤成型：制造连续长度和恒定横截面的棒材、梁和管材。连续纤维粗纱用热固性树脂浸渍，并通过钢模拉出以将它们预成型为所需的形状。接下来，它们通过精密加工的固化模具以达到最终形状。由于固化模具被加热，它固化了树脂基体。拉拔器将材料拉过模具。使用插入的空心芯，我们能够获得管和空心几何形状。拉挤成型方法是自动化的，并为我们提供了高生产率。可以生产任何长度的产品。 
预浸料生产工艺： 预浸料是一种用部分固化的聚合物树脂预浸渍的连续纤维增强材料。它广泛用于结构应用。该材料以胶带形式出现，并作为胶带运输。制造商直接将其成型并完全固化，无需添加任何树脂。由于预浸料在室温下会发生固化反应，因此它们在 0 摄氏度或更低的温度下储存。使用后，剩余的磁带会在低温下储存起来。使用热塑性和热固性树脂，碳、芳纶和玻璃的增强纤维很常见。要使用预浸料，首先要去除载体背纸，然后通过将预浸带铺设到加工过的表面上进行制造（铺设工艺）。可以铺设几层以获得所需的厚度。通常的做法是改变纤维取向以生产交叉层或角层层压板。最后加热和加压进行固化。手工加工和自动化工艺都用于切割预浸料和叠层。
FILAMENT WINDING : 连续增强纤维以预定图案精确定位，以遵循中空   并且通常为圆柱形状。纤维首先经过树脂浴，然后通过自动化系统缠绕到心轴上。在多次缠绕重复后，获得所需的厚度，并在室温下或在烘箱内进行固化。现在移除心轴并脱模产品。通过以圆周、螺旋和极性模式缠绕纤维，长丝缠绕可以提供非常高的强度重量比。使用这种技术制造管道、罐、套管。 

 

• 结构复合材料：通常这些材料由均质材料和复合材料组成。因此，这些特性由其组成材料和其元素的几何设计决定。以下是主要类型：
层状复合材料：这些结构材料由具有首选高强度方向的二维片材或面板制成。层被堆叠并粘合在一起。通过在两个垂直轴上交替高强度方向，我们获得了在二维平面的两个方向上都具有高强度的复合材料。通过调整层的角度，可以制造出在优选方向上具有强度的复合材料。现代滑雪板就是这样制造的。 
三明治板：这些结构复合材料重量轻，但具有高刚度和强度。夹芯板由两块外板组成，外板由铝合金、纤维增强塑料或钢等坚硬且坚固的材料制成，外板之间有一个芯材。核心需要重量轻，并且大多数时候具有低弹性模量。流行的芯材是硬质聚合物泡沫、木材和蜂窝。夹芯板广泛用于建筑行业作为屋顶材料、地板或墙壁材料，也用于航空航天工业。  

 

• 纳米复合材料：这些新材料由嵌入基质中的纳米级颗粒组成。使用纳米复合材料，我们可以制造非常好的阻隔空气渗透的橡胶材料，同时保持其橡胶性能不变。