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先进复合材料在各垂直行业的产品设计和制造中均有广泛的用途和优势，包括航空航天、汽车、造船、消费电子、医疗设备、工业设备等。让我们来看看复合材料的一般概念、历史、成分、制造方法、不同类型及其优势以及用例示例。
什么是复合材料？
什么是复合材料？
复合材料实际上是由两种或两种以上材料组成的任何材料。其中包括混凝土、胶合板，甚至6,000年历史的埃及泥草砖。
本讨论将重点介绍高级复合材料，这些材料通常是置于树脂中的强力纤维增强材料。产品开发组织之所以使用它们，是因为与钢、铝和钛等标准材料相比，它们可以设计成具有更高的强度和刚度比的材料。复合材料还可以根据其应用需求制造成定制形状。
复合材料的历史
复合材料的历史
我们所知的先进复合材料是树脂材料和纤维增强材料发展的成果。现代早期开发的合成塑料树脂包括：
• 1839年的聚苯乙烯
• 1847年的聚酯树脂
• 1872年的聚氯乙烯（乙烯基）
• 1907年的酚醛树脂
几十年来，化学公司、科学家和工程师一直在开发和改进合成这些树脂和其他树脂的工艺。这项工作一直持续到今天。
上个世纪开发的纤维增强材料推动了先进复合材料在造船、国防、航空航天、汽车工业、消费品、医药和其他行业的应用。这些材料包括：
• 1932年的玻璃纤维
• 1964年高模量商用碳纤维
• 1971年公开推出的凯夫拉
• 1974年3M公司推出的Nextel 312陶瓷面料
第二次世界大战期间，先进复合材料的使用得以加速，用于减轻飞机重量和安装雷达设备。战后，复合材料开始用于汽车、船舶甚至冲浪板。自20世纪70年代以来，新材料和新方法扩大了复合材料在世界各地的使用范围。
复合材料是由什么制成的？
复合材料是由什么制成的？
高级复合材料通常由纤维增强材料和树脂（也称为基质）组成。一些复合材料设计还包含厚但低密度的芯材。
接下来我们详细讨论一下。
纤维增强材料
常见的纤维增强材料包括玻璃、凯夫拉、碳纤维、石英和硼等材料。
较常见的玻璃纤维包括E玻璃（因其绝缘性能而被称为“电气玻璃”）和S玻璃（二氧化硅含量高的高强度和刚度纤维）。S玻璃可用于飞机等苛刻的环境。碳纤维类型包括PAN（聚丙烯腈）基和沥青基。
凯夫拉纤维因用于防弹背心和防弹衣而广为人知，但它也可用作炊具中的不粘材料。由于其耐热、耐辐射和耐化学品性能，Nomex可用于消防装备、飞行服和战车乘员制服。
这些纤维可以编织或缝合成单向或多轴织物，或用作短切原丝或连续原丝垫的一部分。
树脂
树脂是聚合物，是一种非常大的分子，由称为单体的简单化学单元的长重复分支组成。树脂可以是有机的，也可以是合成的。它与一些纤维一起放在模具中。在固化过程中，它会从液体变成固体。
树脂基质可容纳纤维增强材料，并将结构负载从一根纤维转移到另一根纤维。常用材料包括环氧树脂、聚氰酸酯、聚酯和乙烯基酯。
芯材
与无芯复合材料设计相比，纤维层和树脂层之间的额外芯材可提高刚度和弯曲强度，抗屈曲能力可提高数倍。然而，重量通常仅增加几个百分点。
为了保持较低的额外重量但增加刚度，芯部可以由蜂窝结构组成。这些通常是六角形单元，通过轧制板的膨胀方法、波纹工艺或模制方法生产。蜂窝芯通常由Nomex或铝制成。然而，也有泡沫芯，例如PVC（聚氯乙烯）和SAN（苯乙烯丙烯腈）。
复合材料零件是如何制造的？
复合材料零件是如何制造的？
制造复合材料产品既是一门科学，也是一门技能，还是一门艺术。大多数复合材料都是使用开放式或封闭式模具制造的。
为了大致了解制造复合材料产品所涉及的内容，让我们来看看树脂传递模塑和真空辅助树脂传递模塑的工艺。
1.混合树脂。充分混合树脂以避免产生气泡。
2.准备纤维增强材料卷，以便涂抹树脂。这个过程可能会涉及切割、放入模具中，以及在零件相接或相交处涂抹窄条等操作。
3.将纤维增强材料以干堆叠的方式放置在模具中。然后将第二个模具夹在第一个模具上。
4.在压力下将树脂注入模腔。
5.如果采用真空将树脂吸入模具，则该过程称为真空辅助树脂传递成型。
6.使用室温、高压釜或烤箱固化模具中的部件。
7.切割并修剪至最终形状。
其他成型方法包括：
• 注塑成型
• 压缩成型
• 纤维缠绕
• 拉挤成型
• 3D打印
• 手动方法，例如喷涂铺层、湿铺层和真空袋湿铺层。
复合材料部件也可以用“预浸料”制造，预浸料是一种纤维增强织物，预先浸渍了部分固化的树脂基质和固化剂。预浸料可以直接放入模具中。要完成固化过程，需要热量和压力。
复合材料部件的生产工艺多种多样。每年都有新技术和新工艺被开发出来。
复合材料有哪些不同类型？
复合材料有哪些不同类型？
由于可用作纤维增强材料和树脂的材料种类繁多，因此复合材料的种类繁多。我们接下来探讨一下其中几种。
金属基复合材料 (MMC)
金属基复合材料以铝、镁或钛等金属作为树脂（基体）。纤维增强材料可以是金属或陶瓷，例如钢、碳纤维、碳化硅或氧化铝。纤维增强材料可以是连续的、不连续的或颗粒状的。这些复合材料具有较高的强度重量比、抗拉和抗压强度、高抗蠕变性和较低的高温膨胀率。它们可用于变速器、变速箱、车身，甚至运动器材。
陶瓷基复合材料 (CMC)
顾名思义，陶瓷基复合材料以陶瓷作为纤维增强材料和树脂基体。陶瓷是固体无机非金属材料，通常以硬度和耐腐蚀性为特征。纤维和树脂可以是碳、碳化硅、氧化铝或其他材料中的一种或两种。由于它们具有耐热和耐腐蚀的特性，因此在发动机、涡轮机、汽车（刹车）和航空航天领域有着广泛的应用。
玻璃纤维增强塑料（GFRP，俗称“玻璃纤维”）
尽管玻璃纤维是GFRP的组成部分，但术语“玻璃纤维”通常与复合材料的名称互换使用。复合材料的首批非军事用途之一是1942年的玻璃纤维船体。由于其成本低廉，它也可用于储罐、管道系统和各种家庭应用。
碳纤维增强聚合物（CFRP）
这些复合材料可能更容易被人们识别，因为它们具有独特的黑色阴影图案。碳纤维被固定在聚合物或塑料基质中，如上文树脂部分所列的那些。由于能够将其模制成各种形状，因此它们可用于许多行业和应用，包括航空航天、汽车、建筑、消费电子产品、体育用品、医疗设备和植入物等。
在产品开发中使用复合材料有哪些优势？
在产品开发中使用复合材料有哪些优势？
复合材料可用于各种类型的产品，因为它们可以根据用途设计尺寸、形状和强度。
1
降低成本
复合材料可以固化成加工成本较低的形状，并且与传统减材制造方法（例如铣削、车削、铸造和注塑）生产的相同零件相比，产生的废料更少。
2
重量轻
复合材料部件可以根据其将要承受的必要载荷进行设计。与没有蜂窝结构的相同结构相比，加入厚度为纤维树脂厚度三倍的蜂窝结构可以使刚度提高30-40倍，强度提高9倍以上。而这只会增加几个百分点的重量。这就是为什么复合材料结构可以比由钢、铝、铜、黄铜、青铜、铁或钛等传统连续金属制成的类似部件具有更高的强度重量比的原因之一。
3
灵活
复合纤维可以以连续纤维、编织卷、短切纤维和颗粒的形式出现。树脂以液态形式制成复合材料，然后固化成固体形式。因此，复合材料可以形成模具可以构造的任何形状。复合材料也可以进行3D打印（例如使用增材制造）。
4
耐多种化学品
根据纤维和树脂材料的选择以及制造过程中应用的涂层，复合材料可以抵抗化学侵蚀、腐蚀和湿气渗透。
5
耐用
根据纤维、树脂、涂层和制造工艺，复合材料可以设计成能够承受其操作环境条件。这可以包括耐高温、耐辐射和耐疲劳负荷。与由金属、塑料或混凝土制成的类似部件相比，复合材料通常需要的维护较少。
6
隔热绝缘
复合材料（例如CMC和GFRP）可以由电绝缘体材料制成，因此无法携带电荷。其他复合材料由导热系数较低的材料制成，因此它们是极好的热绝缘体。
复合用途示例
复合用途示例
自20世纪40年代以来，先进复合材料已应用于几乎各行各业。我们来了解一下其中的几种。
航天
每家航空航天公司都非常注重减轻重量。重量能否降低直接影响到飞行器的性能和能力。火箭公司会跟踪每磅或每克的成本。任何重量的减轻都会改善产品。复合材料可用于飞机、运载火箭和卫星的各个领域，包括机身、飞机表面、结构框架、发动机、涡轮机、起落架和航空电子设备。波音787梦想飞机是第一架机身主要由复合材料制成的客机。
基础设施
您驾车经过的高速公路和桥梁很可能是用沥青混凝土、复合路面和玻璃纤维钢筋等复合材料制成的。复合材料虽然比混凝土更昂贵，但因其重量轻、耐用和耐腐蚀，也用于建筑施工。它们还用于电网和供水等公共设施。
电气设备
复合材料可以设计成具有耐热性、导电性或绝缘性以及满足特定外观要求。这使它们成为各种应用的理想选择，包括印刷电路板、电机、开关、断路器、变压器、外壳、屏蔽罩、天线和照明元件等。
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