一起了解复合材料背后的故事

“一起了解复合材料背后的故事”

复合材料改变材料工程

复合材料在过去的几十年里，已经完全改变了一些最先进的工程问题的解决方式。例如，它允许开发具有独特热性能的材料，以更好地应对再入大气层的酷热温度；通过使用具有精心定制的机械性能的轻型风扇叶片推动了喷气发动机设计的极限。复合材料到底是什么，是什么让它们如此特别，让我们一起看一下。

分散相+基体相

复合材料实际上是由两种或两种以上不同的组成材料制成的任何材料它们可以在自然界中找到。木材是天然复合材料的一个例子。也可以通过精心组合不同的材料来开发各种令人难以置信的奇异复合材料，这些复合材料具有经过定制以适应特定应用的机械、电气、热甚至磁性特性。在大多数复合材料中，一种称为分散相的材料包含在另一种称为基体相的材料中。

复合材料的分类

通常根据分散材料的形式对复合材料进行分类。对于颗粒增强复合材料，它们是纤维增强的，具有短的或连续的纤维。 基体材料用于与分散相的元素形成机械和化学结合，并允许载荷在它们之间转移。它将所有物质结合在一起，并保护分散相不受环境影响。复合材料也可以根据基体材料的类型进行分类，基体材料可以是聚合物、陶瓷，甚至是金属。

碳纤维和玻璃纤维

在工程应用中最广泛使用的复合材料可能是纤维增强聚合物基复合材料。这类复合材料包括玻璃纤维增强聚合物（也称为GRP或玻璃纤维）和碳纤维增强聚合物（CFRP）。这些复合材料通常具有环氧树脂基体，这是一种热固性聚合物。分散的材料是玻璃或碳纤维，它们占材料体积的60%左右。

单向带

纤维增强的最基本形式是单向带，它的所有纤维都沿同一方向延伸。单独的纤维被组合成束，通过缝合或使用化学粘合剂将其固定在一起。在碳纤维的情况下，每一束通常包含3000到24000根单独的纤维。典型的纤维直径约为10微米，比人的头发细10倍。

各向异性

-任何纤维均沿同一方向延伸的纤维增强材料将具有高度各向异性。在不同的方向上，它的材料性质会有所不同。如果沿纤维轴施加载荷，材料将比垂直于轴施加载荷更坚固、更硬，因为载荷由更强、更硬的纤维而不是基体承受。。

根据载荷方向，调节纤维方向

如果你知道你的材料将主要在一个方向上加载，你可以将纤维定向 使其在该特定方向上非常坚固。例如 在压力容器中，纤维可以大部分沿环向排列，因为环向应力是容器加压时的最大应力。 如果你知道你的材料将主要在一个方向上加载，你可以将纤维定向 使其在该特定方向上非常坚固。例如 在压力容器中，纤维可以大部分沿环向排列，因为环向应力是容器加压时的最大应力。但是 在大多数情况下，你需要同时在多个方向上具有良好的强度和刚度。在这种压力容器的情况下，也会有轴向应力，我们还需要在轴向方向上进行一些加固，使用轴向或螺旋纤维

各向同性层压板

这就是为什么由纤维增强材料制成的组件是通过堆叠具有不同纤维方向的多层来构建的。每层称为层板，叠层称为层压板。在这种层压板中，0°层提供了轴向的强度和刚度，90°层和45°层在各自剪切方向上提供强度和刚度。如果以正确的取向堆叠足够的层，则层压体可以在所有平面方向上具有非常相似的性质，这称为准各向同性层压板。

纤维的编织图案

纤维还可以排列成具有沿两个不同方向延伸的纤维的编织图案，有数百种可能的编织模式。最常见的是平纹编织方式和斜纹编织图案。不同模编织方式的表现略有不同，斜纹组织更柔韧，更容易适应曲面。

湿铺法

一旦确定了层压结构，就需要组装不同的纤维层并与聚合物基体结合以创建最终的复合材料部件。一种方法是湿铺法，即在模具中构建纤维层，并使用滚筒或刷子将树脂涂敷到每一层上。层数和层方向经过精心选择，以实现所需的性能。

预浸渍+高温固化

另一种方法涉及使用已在部分固化的环氧树脂中预浸渍的预浸料、纤维带或纤维片，这意味着它们可以应用于模具而无需任何额外的树脂。然后可以对层压板进行真空袋包装，以确保其与模具相符并去除任何空隙，然后需要固化。聚合物基体通常是热固性聚合物，这种聚合物在加热时会不可逆地硬化，在这种情况下，固化是在烘箱中在高温下完成的。

纤维缠绕

纤维缠绕是另一种制造方法，其中使用机器将已用树脂浸渍的单向带缠绕在中心轴上。完成后，中心轴可以留在原处或移除，而复合材料结构被固化。