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复合材料的好处(复合材料特性和优点综合介绍)

复合材料已经渗透到我们的日常生活中:它们被用于我们驾驶的汽车、我们挥动的高尔夫球杆、从我们的社区排出废水的管道等等。如果没有复合材料,某些应用(例如火箭船)可能无法实现。复合材料提供了许多好处,其中的关键是强度、重量轻、耐腐蚀、设计灵活性和耐用性。

强的

每磅复合材料比钢等其他材料更坚固。复合材料的两个主要成分——纤维和树脂——有助于提高它们的强度。纤维承载负载,而树脂根据需要将重量分布在整个复合材料部件中。

复合材料的好处(复合材料特性和优点综合介绍)

复合材料是周围最坚固的材料之一。当您考虑材料的密度时,复合材料比大多数其他建筑材料要坚固得多。毫不奇怪,它们是从飞机到汽车的各种材料的首选材料。

通过结合特定的树脂和增强材料(其中有很多),您可以定制配方以满足任何应用的特定强度要求。例如,您可以改变树脂和增强材料的比例,或将纤维定向在一个方向或多个方向。

复合材料是各向异性的,这意味着材料特性会根据增强材料(纤维)的位置和层数而变化。这提供了工程灵活性,因此设计师可以定制最终产品的属性。在强度方面,影响结构设计的主要有四种:比强度、抗拉强度、抗剪强度和抗压强度。

比强度

材料的强度重量比(也称为比强度)是其强度与其重量的比较。材料的强度除以其密度将为您提供比强度。

工程师、设计师和规范制定者越来越多地寻求具有高比强度的材料。有些材料非常坚固和沉重,例如钢。其他材料可以既坚固又轻便,例如竹竿。复合材料可以设计得既坚固又轻便。由于它们具有非常高的强度重量比,因此复合材料是飞机和汽车等重量最重要的应用的热门材料。较轻的车辆使用较少的燃料。

抗拉强度

抗拉强度是指材料在断裂、破裂、变形或以其他方式失效之前可以承受的应力量。抗拉强度的一种衡量标准是抗弯强度——一种材料或结构承受弯曲的能力。拉伸和弯曲强度是工程师和设计师的重要衡量标准。想象一下,在不知道倒塌之前可能承受多少压力的情况下建造桥面或天花板?

拉伸强度因材料而异,以兆帕 (MPa) 为单位。例如,钢的极限抗拉强度范围为 400 至 690 MPa,而碳纤维增强聚合物复合材料的极限强度范围为 1,200 至 2,410 MPa,具体取决于纤维取向和其他设计因素。

剪切强度

剪切强度描述了材料在层移动或滑动时抵抗应变的能力。重要的是要知道材料在失效之前可以处理的最大剪切应力(或每单位面积的力)。这让工程师和设计师可以了解结构可以支撑的重量或负载量,以及当在不同方向施加力时结构可能发生的情况。

复合材料的剪切强度因配方和设计而异。可以设计复合材料,使剪切应力定向在一个平面内、横向于该平面或贯穿各层(层间)。有几种方法可以控制剪切特性,包括纤维取向、层序、所用纤维的类型和体积、芯材的类型和密度等等。

抗压强度

抗压强度表示材料在被压力压缩或压扁时的性能。一些材料在达到其抗压强度极限时会断裂或断裂,而另一些材料则永久变形。

混凝土和陶瓷等材料通常具有较高的抗压强度,但抗拉强度较低。相反,复合材料的抗拉强度通常高于抗压强度。压缩加载的复合材料可能会弯曲、扭结或压碎。这就是为什么重要的是评估为应用选择的特定纤维和树脂组合的压缩载荷并相应地调整配方。

轻的

与大多数木材和金属相比,复合材料的重量较轻。但为什么打火机更好?较轻的重量有助于提高汽车和飞机的燃油效率。从电线杆到桥面等较轻的物体更容易运输和安装。

复合材料的好处(复合材料特性和优点综合介绍)

复合材料既坚固又轻便。这是一个成功的组合。谁不想使用易于运输和携带的材料?轻质复合材料可以为您节省金钱和人力。

纤维增强复合材料具有出色的强度重量比,超过了其他材料。例如,碳纤维增强复合材料比钢轻 70%,比铝轻 40%。出于各种原因,生产重量轻的零件对于运输、基础设施和航空航天等行业至关重要。轻质复合材料易于处理和安装,可以降低项目成本并有助于确保遵守法规和标准。

易于安装

使用轻质复合材料的最大优势之一是它们易于处理、运输和安装。这样可以节省项目时间。弗吉尼亚州的 Wolf Trap 国家公园于 2012 年安装了一座带 FRP 桥面的人行天桥。这座桥比混凝土桥轻 80%,因此可以更快地通过起重机提升、移动和放置。甲板在三天内安装完毕,而混凝土则至少需要四个星期。轻质复合材料还简化了偏远地区的安装,例如沼泽地的电线杆或山区的管道。

降低成本

较轻的零件和产品通常可以省钱。减轻重量成本对许多最终用户来说是乐曲。NASA 和波音公司最近测试了一种用于在深空任务中携带燃料的全复合材料低温罐。该坦克是有史以来最大和最轻的坦克之一,是向计划中的 8.4 米坦克迈出的最新一步,该坦克可以将火箭坦克的重量减轻 30%,并将发射成本降低至少 25%。

遵守标准

当应用程序需要满足特定的标准和法规时,复合材料通常是答案。最显着的例子与燃油效率有关。在汽车行业,到 2017 年达到 36.6 mpg 和 2025 年达到 54.5 mpg 的企业平均燃油效率 (CAFE) 标准为使用轻质材料提供了动力。主要的原始设备制造商都有积极的计划——通常涉及复合材料——以大幅降低车辆的总重量。2013 年,通用汽车推出了配备一些碳纤维增强部件的雪佛兰 Silverado Cheyenne 概念车。它比 5.3L Silverado 的基本整备重量轻了大约 200 磅。大众创造了 Transporter,这是一款仅重 3.5 吨的实用概念卡车。

抵抗的

复合材料可以抵抗天气和刺激性化学物质的破坏,这些化学物质会侵蚀其他材料。这使它们成为经常暴露于盐水、有毒化学品、温度波动和其他恶劣条件的应用的理想选择。

复合材料的好处(复合材料特性和优点综合介绍)

由复合材料制成的产品可长期耐受恶劣的化学和温度环境。复合材料通常是户外暴露、化学处理应用和其他恶劣环境的材料选择。

复合材料不会生锈或腐蚀。有许多玻璃纤维增​​强聚合物管道系统在化学制造厂服务超过 25 年的例子,每周 7 天、每天 24 小时在恶劣的化学环境中运行。复合材料为许多行业提供耐腐蚀解决方案,包括空气污染控制、化学加工、海水淡化、食品和饮料、矿物加工和采矿、石油和天然气、纸浆和造纸、固体废物填埋场以及水和废水处理。

耐腐蚀性取决于复合材料应用中使用的树脂和增强材料的选择。有多种树脂系统可供使用,可对几乎所有化学和温度环境提供长期耐受性。增强材料的选择更加有限,但对于某些化学环境至关重要。设计合理的复合材料具有较长的使用寿命和最少的维护。

腐蚀复合材料的历史

1953 年,Atlas Chemical 和 Hooker Chemical 公司开发了第一批高性能工业腐蚀树脂。纸浆和造纸以及化学加工行业很快就认识到了这些好处,并在其加工设备中使用了复合材料。

1961 年,标准石油的阿莫科分部引进了第一个地下汽油储罐。1961 年至 1965 年间,壳牌石油公司和欧文斯科宁公司研究了耐腐蚀解决方案,最终生产出第一条大型复合地下储罐的商业生产线。

在 1970 年代,复合材料在工业应用中的使用变得广泛。然后在 1989 年,美国机械工程师协会发布了 FRP 储罐的开创性设计标准,即增强型热固性塑料耐腐蚀设备。到 1990 年代,腐蚀行业已经积累了 40 年的经验和案例历史,创造了积极的业绩记录。如今,耐腐蚀复合材料约占复合材料市场总量的 11% 至 15%,年销售额估计为 30 亿美元。

树脂在耐腐蚀中的作用

复合材料中树脂的主要功能之一是保护它们周围的纤维。有数十种树脂旨在提供耐腐蚀性。每种独特的配方都提供针对特定条件的保护,例如腐蚀性溶液、酸性环境、碱性环境、氧化性化学品和高温。

第一种腐蚀树脂采用富马酸双酚和氯烯酸酐树脂化学成分。随后,间苯二甲酸树脂得到发展,成为耐腐蚀树脂的中流砥柱。间苯二甲酸树脂 - 连同环氧乙烯基酯树脂 - 目前普遍使用。

钢筋在耐腐蚀中的作用

虽然通常在整个复合结构中使用相同的树脂基体,但可以在层压板的三个特定区域使用增强材料。在层压板的内表面使用玻璃纤维或合成面纱。内表面是复合材料与腐蚀性材料的界面。面纱用于为复合材料提供富含树脂(90% 树脂)的表面,同时防止树脂中的微裂纹,否则如果尝试仅使用树脂表面(或凝胶涂层)就会出现这种裂纹。下一层是短切玻璃纤维层,它为面纱提供更坚固的支撑,并且还富含树脂(70% 树脂)。该层通常比面纱层厚得多,并且当与面纱层结合时,形成了 100 至 200 密耳厚的腐蚀屏障。最后一层,到目前为止,最厚的层是层压板的结构部分。在该层中可以使用不同形式的玻璃纤维增​​强材料,以提供高玻璃含量(35% 树脂,65% 增强材料)的结构层:直接拉伸单端粗纱、织物或可短切增强材料。

面纱层有多种材料可供选择,因为这是抵御腐蚀攻击的第一道防线。C-玻璃、E-CR 玻璃、几种类型的合成热塑性无纺布和碳面纱是面纱的主要材料选择。每个人都有一个他们擅长的特定环境。由于 E 玻璃的腐蚀性能差,几乎从不使用。短切玻璃纤维层和结构层的材料选择明显缩小到 E 玻璃和 E-CR 玻璃。

行业设计标准

如果您计划使用耐腐蚀复合材料进行项目,则设计可能需要遵守行业标准。最广泛使用的腐蚀应用标准由 ASTM International 和美国机械工程师协会 (ASME) 发布和维护。所有标准都涉及适用范围、设计、材料、结构、质量控制、测试和记录保存等基本问题。

虽然有十几个与复合材料腐蚀应用相关的结构设计相关的标准,但主要的标准是 ASTM C582。它是用于耐腐蚀设备的接触成型增强热固性塑料 (RTP) 层压板的标准规范。它涵盖了通过接触成型(也称为开模成型)制造的耐腐蚀储罐、管道和设备的成分、厚度、制造程序和物理性能要求。

灵活的

可以在复合材料中使用多种材料组合,从而实现设计灵活性。这些材料可以定制,以适应每种应用的独特规格。复合材料也可以很容易地模制成复杂的形状。

复合材料的好处(复合材料特性和优点综合介绍)

复合材料具有强大的一二冲功能,能够以相对较低的成本成型为复杂的形状。这为设计师、工程师和建筑师提供了其他竞争材料通常不具备的自由度。

因为复合材料是增强纤维、树脂和添加剂的混合物,它们的制造可以满足一系列要求。设计师可以自由地创造令人兴奋的新产品,而且在许多情况下,他们只会受到他们的想象力的限制。从跑车到风力叶片的各种应用都利用了复合材料固有的设计灵活性来生产复杂的形状、增加特定的属性并增强美感。

创新几何

复合材料的最大好处之一是能够比大多数其他材料更容易地将它们塑造成复杂的形状。无需高压工具即可实现复杂的形状和轮廓,因为复合材料是在生产过程中树脂固化或固化时形成的。因此,复合材料零件可以很容易地呈现出多种形状,无论是手动小批量生产还是使用大批量自动化流程制造。

在零件和产品的形状方面拥有选择权对于几乎所有使用复合材料的行业都是有利的。长期以来,休闲船一直使用 FRP 复合材料制造,因为这些材料可以很容易地模制成复杂的形状,从而在降低成本的同时改善船的设计。最近,旧金山现代艺术博物馆等知名建筑已将 FRP 覆层板纳入其外墙。博物馆的 700 块起伏面板中没有一个是相同的,这使得建筑引人注目。

精确的属性

设计师喜欢使用复合材料,因为可以定制零件以在特定方向和区域具有强度和刚度。例如,可以使复合部件抵抗一个方向的弯曲。材料的战略布局和纤维的方向使公司能够设计零件和产品以满足独特的性能要求。

能够解决高应力和应变区域的问题在体育和娱乐等多个市场中至关重要,在这些市场中,高端和日常应用都依赖于复合材料。在精英级别的比赛中,参加两年一度的美洲杯赛的赛艇依靠精密的复合材料部件设计来承载整个游艇船体和横梁的结构载荷。通过在滑雪板上横向排列各种图案的纤维,您可以提高扭转刚度——滑雪板抵抗扭转力的能力。

表面外观

人们经常因为美学而被复合材料所吸引,公司在从手机盖到台面的所有东西上都推销“碳纤维外观”。外露编织外观的流行源于汽车行业,高端汽车依靠碳纤维增强复合材料不仅可以提升性能,还可以体现风格。例如,阿斯顿马丁 Vanquish 的选项包括外露的碳纤维车顶、门把手、后视镜和内饰。

但美学不仅仅为奢侈品市场所保留。复合表面可以模塑以模拟从光滑到粗糙的任何饰面或纹理。消费者选择复合台面,因为它们可以形成任何形状并定制成任何颜色。家用电器的把手和旋钮看起来很时尚,手感很好。使用复合材料,设计师有无穷无尽的选择来创造美丽的产品。

耐用的

简而言之,复合材料持久!用复合材料制成的结构寿命长,几乎不需要维护。许多用复合材料制成的产品,例如船,已经使用了半个多世纪。

复合结构的寿命非常长。将其与低维护要求相结合,复合材料成为许多应用的首选材料。

复合材料能用多久?没有简单的答案。这是因为 50 多年前建成的许多原始复合结构还没有走到生命的尽头。复合材料能很好地抵抗疲劳,并能抵抗紫外线损伤、温度波动、潮湿和化学暴露等环境因素。它们还需要较少的计划和意外维护。

抗疲劳

复合材料很坚固,可以承受反复施加的载荷。这对于支持全天 24 小时交通的桥面等基础设施应用尤为重要。该国许多恶化的桥梁正在用 FRP 甲板进行翻新,包括俄勒冈州波特兰市的百老汇大桥。这座吊桥横跨波特兰港中心的威拉米特河,除了行人交通外,每天还可以处理 30,000 辆汽车。

天气勇士

复合材料很耐寒,在各种天气下都能很好地支撑。迈阿密佩雷斯艺术博物馆在建筑周围设有令人叹为观止的空中花园。容纳开花植物的 67 根玻璃纤维增​​强管可承受高达 146 英里/小时的风速并抵抗盐水腐蚀。

减少维护

航空航天业提供了一个很好的例子,说明复合材料比竞争材料需要更少的维护。以波音的双引擎喷气客机为例:波音 777 的复合材料尾翼比 767 的铝制尾翼大 25%。但据该公司称,它需要的计划维护时间减少了 35%。这是因为复合材料比金属更不易腐蚀和疲劳。

依然强劲

这三种复合材料应用展示了材料的耐用性:

  • 自 1953 年以来,雪佛兰克尔维特一直使用 FRP 复合材料制造。那一年,制造了 300 辆克尔维特,其中三分之二以上仍在使用。
  • 美国第一座全复合材料桥梁——堪萨斯州的 No Name Creek 跨度——于近 20 年前安装。它仍在使用中,没有任何损坏迹象。
  • 1963年,一个复合油箱被埋在芝加哥的一个加油站。当它在 25 年后被挖掘出来时,油箱状况良好,没有任何泄漏、结构损坏或腐蚀的迹象。专家预测该坦克可以再使用 25 年。

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