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什么是复合材料(全面了解复合材料历史、材料和成型工艺)

一般来说,复合材料是由两种或两种以上具有不同特性的子材料组成。然而,在工业中,复合材料通常是指由悬浮在塑料基质中的增强材料组成的那些。增强材料和基体材料是根据复合材料部件的应用和最终性能选择的。

目录:

  1. 复合材料的历史
  2. 复合零件的解剖
    • 玻璃纤维
    • 碳纤维
    • 芳纶纤维
  3. 加固材料形式
  4. 连续纤维产品
    • 丝束/丝带
    • 梭织面料
    • 无纺布
  5. 不连续纤维产品
    • 纤维垫
  6. 基体材料
    • 热固性聚合物
    • 热塑性聚合物
    • 聚酯树脂
    • 乙烯基酯树脂
    • 环氧树脂
  7. 胶衣
  8. 芯材
    • PVC泡沫
    • SAN泡沫
    • 蜂窝芯
    • 木芯
    • 织物芯
  9. 它们是如何制造的?
    • 开模/手工层压
    • 喷涂层压
    • 湿套袋
    • 树脂灌注
    • 高压釜固化
    • 烤箱固化
  10. 后固化整理

复合材料的历史

  • 古代
    埃及文明中的房屋是用复合砖建造的。复合砖使用 粘土或泥浆基质,用干稻草加固。添加稻草提高了砖的抗压强度,防止砖破碎并减轻裂缝的生长。
  • 1900 年代初期
    随着合成聚合物行业的创新,开发了乙烯基和聚酯等塑料。这些聚合物仍然广泛用于制造消费品。对于更高强度的应用,添加了额外的增强材料。现代复合材料的首次出现是在 1930 年代,当时生产用作绝缘材料的细玻璃纤维长丝,以及出现的聚酯树脂系统。
  • 1900 年代中期
    在战争时期,人们追求更轻、更耐用的材料。海军舰艇船体采用玻璃纤维增​​强塑料建造,与金属和木制结构相比,具有更耐 海水腐蚀和污垢的优势。战后,这些材料广泛用于海洋、航空航天和汽车应用。
  • 1900 年代后期
    ,增强材料的进一步发展见证了碳和芳纶材料的起源,它们提供了更大的强度和改进的耐磨性能。这些材料广泛用于运动器材以及航空航天和汽车工业。
  • 现代
    目前,复合材料被广泛用于消费品和建筑材料(除了传统行业),作为一种重量轻、成本效益高的金属替代品。与客机机身一样大的部件正在由复合材料制成一个整体。在汽车行业,随着燃料消耗变得越来越重要,复合材料被用于底盘和车身等结构部件,以帮助减轻车辆的质量。复合材料也在纳米和微米尺度上进行广泛测试,以改善电子产品的导电性能。

复合零件的解剖

复合材料有 3 种主要成分,可以根据特定应用的需要进行定制。通过改变每一种成分的厚度、密度、方向、材料和类型,可以改变复合材料部件的整体性能以满足定制需求。

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加强

增强材料用作主要承重部件,因为它比复合结构中的其他成分明显更硬、更坚固。最常见的增强材料是玻璃、碳和芳纶纤维。

如果您仍然在问什么是复合材料,请继续阅读或查看我们的简化说明。

  • 玻璃纤维
    熔融玻璃可以纺成细丝(10 微米左右)。根据被熔化的硅酸盐的化学组合,可以生产不同类型的玻璃纤维。最常见的两种类型是 S-Glass 和 E-Glass。S-Glass  (也称为结构玻璃)具有较大百分比的氧化硅和氧化铝组成,使其比 E-Glass 具有更高的刚度和拉伸强度。由于更大的氧化钙成分,E-Glass(也称为电气玻璃)比 S-Glass 具有改进的电绝缘性能 。存在多种其他衍生产品,每一种都满足特定的需求和应用。
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  • 碳纤维
    碳纤维是通过高温加热(1500°C)和在惰性气氛中拉伸高碳聚合物(如聚丙烯腈(PAN))制成的。在分子尺度上,这个过程会烧掉主链上的杂质,例如氢和氮原子,留下强度和刚度非常高的线性碳链。这个过程可以在更高温度下在多个阶段重复,以生产更高纯度的碳丝。碳纤维根据其从低模量到超高模量纤维的拉伸刚度分为几组。在纤维长丝的刚度和它变得多么脆弱之间通常需要权衡取舍。然后将这些单独的细丝相互平行放置,然后捆绑在一起。束中单根细丝的数量以千为单位指定,其中最常生产 3K(3000 根细丝/束)。
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  • 芳纶纤维
    这些类型的纤维是通过在酸存在下纺丝胺基聚合物而生产的,酸具有特定的碳、氧和氢排列。这种化学反应和纺丝过程会产生芳纶纤维的细丝,并缠绕在线轴上。芳纶产品通常用于需要高强度、刚度和良好耐磨性能的应用。与碳纤维类似,单根细丝通常以平行排列方式捆扎在一起,并根据每束的细丝数量进行指定。
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下表列出了未固化玻璃、碳和芳纶纤维的典型刚度特性。

性能典型的 S-Glass
干纤维)
中间模量碳纤维
(干纤维)
典型芳纶纤维
(干纤维)
拉伸模量 (GPa)87231179

加固材料形式

根据复合材料制造商和制造方法的类型以及复合部件所需的特性,可以将增强材料加工成不同的形式。一般来说,加工增强材料可分为两大类:

  • 连续纤维
    这种形式的增强材料具有全长的纤维,并且相对于相邻纤维以特定的方向排列。连续纤维具有非常大的纤维长径比,通常表现出优异的强度和刚度特性。
  • 不连续纤维
    这些纤维被加工成随机取向,通常具有较小的纤维长径比。这些纤维要么在制造过程中被切成小股,要么被加工成纤维随机分散和重叠的片材。连续和不连续纤维图像

当需要强度和刚度时,通常使用连续纤维。在设计过程中,设计师使用纤维的方向来加强部件在它们被加载的方向上。当强度和刚度不是问题时,通常使用不连续纤维产品,并且通常在制造速度方面提供好处。

连续纤维产品

丝束/丝带
这种形式具有缠绕成束的单丝。每束长丝的数量通常是区分丝束的主要定义特征。这种形式通常用于长丝缠绕工艺以生产圆柱形结构。丝束也用于局部加固或维修。在一些制造方法(喷涂层压)中,将丝束切成小纤维长度并用树脂混合物喷涂。

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机织织物
这些织物通过采用单根丝束进行加工并进行双向编织,从而产生相互垂直的股线(0° 股线和 90° 股线)。两种最常见的梭织面料是:
平纹:在这种布置中,每根 0° 钢绞线交替地从每根 90° 支架的上方和下方穿过。这种布置在整个机织织物的宽度和长度上重复。这会在 0° 和 90° 方向产生对称图案和均匀的材料特性。这种编织比大多数其他编织更容易生产,但会导致大量的织物“卷曲”(由于纤维在上下排列中的弯曲,与全股相比,编织织物的长度几何减少)。由于纤维在与负载对齐时会产生最大的强度,因此与其他编织相比,这种布置会降低材料的机械性能。平纹织物具有良好的稳定性并提供更容易的处理,但更难以围绕复杂的曲率悬垂。
斜纹编织:在这种布置中,每个 0° 支架沿织物的宽度和长度以重复的图案交替地通过两个 90° 支架的上方和下方。这种类型的编织产生的织物“卷曲”较少,斜纹编织通常比平纹编织具有改进的机械性能。该布置降低了稳定性并且更难以处理。它们更容易围绕曲线悬垂,但必须小心处理以确保在制造过程中不会引入间隙和孔隙。

斜纹布和平纹布图像

无纺布
这些织物是通过采用单独的丝束并使用尼龙针迹或通过使用温和的粘合剂进行排列来加工的。然后以单向(0°)或双向(0°和90°)排列进行组织。

不连续纤维产品

纤维垫
这种加工形式通常包含悬浮在粘合剂中的增强材料的短丝。短丝的数量、长丝的长度和粘合剂的类型将决定适合特定垫子的性能和制造方法。这些材料易于使用,并减少了生产层压板所需的时间。垫子也可以由连续纤维制成,其中纤维是随机分散的。

面纱是一种特殊类型的纤维毡,其中含有细纤维,通常用于层压板的表面,以减少纤维印记并提高表面光洁度。

基体材料

基体材料悬浮并粘合增强材料并硬化以确定最终零件的形状。与增强材料相比,基体材料相对较弱且缺乏刚度。在负载情况下,基质材料将纤维固定在适当的位置并在纤维和层之间转移负载。复合材料零件制造中的基体材料通常是基于聚合物的,并且在硬化剂、空气或热量的存在下从液态硬化。

聚合物基体材料可分为两大类,热固性和热塑性。

热固性聚合物在当前的复合材料部件中最为流行。这些聚合物以液态开始并固化形成 3 维分子网络。这个过程被称为交联,它产生尺寸稳定的固体,具有耐热和耐化学品的优点。此外,分子键的 3 维网络使这些形式的聚合物具有良好的机械强度性能。工业中使用的大多数聚酯、乙烯基酯和环氧树脂都是热固性聚合物。

热塑性聚合物通常被加热到 500 °C 以上并形成零件形状。这些聚合物的优势在于生产速度更快,因为固化过程仅包括冷却。这些聚合物不耐高温,如果暴露在高温下会熔化成粘性液体。一些聚酯树脂是热塑性聚合物。

目前,工业中使用的主要基体材料是聚酯、乙烯基酯和环氧树脂。根据应用和所需的最终部件特性选择树脂系统。填料和添加剂通常可以添加到大多数树脂体系中,并获得阻燃性等特性。

聚酯树脂
聚酯树脂是应用最广泛的树脂体系。这些树脂大致是混合到苯乙烯单体中的半酯聚合物。在分子结构中,苯乙烯通过在沿链的特定反应位点上相邻的聚酯链之间的键合来实现交联。典型的聚酯树脂需要催化剂来开始与苯乙烯的交联过程。这个过程称为聚合。与其他树脂系统相比,聚酯树脂具有良好的价格和快速的固化时间。这种树脂系统在有水的情况下工作良好,并且可以定制为耐化学性。与其他树脂体系相比,聚酯树脂具有合理的粘合性和机械性能。

乙烯基酯树脂
乙烯基酯树脂系统具有与聚酯树脂系统相同的主链结构,但大部分反应位点位于基础聚合物链的末端。此外,乙烯基酯树脂具有较少的酯基,使其更耐水。由于交联的位置,乙烯基酯树脂提供比聚酯树脂更好的开裂抑制能力。由于交联只发生在平行链的末端,乙烯基酯树脂系统能够在冲击开始形成裂缝之前吸收更多的能量。同样,乙烯基酯树脂提供比聚酯树脂更好的附着力、机械刚度和强度。

环氧树脂
环氧树脂与乙烯基酯树脂系统的相似之处在于反应位点存在于基础聚合物链的末端。这些树脂体系之间的主要区别在于基链中没有酯基。相反,在反应位点发现了环氧基团。环氧树脂的不同之处还在于它们需要一种硬化剂,该硬化剂是一种胺基,与树脂混合以使其固化。硬化剂与树脂的比例很重要,因为任何一种组分的任何过量都将保持未固化状态。环氧树脂系统提供卓越的附着力和机械刚度和强度。此外,由于不含酯基,环氧树脂体系在海洋应用中表现非常出色,并且对许多工业化学品具有耐受性。

树脂类型典型拉伸模量 (GPa)典型极限抗拉强度 (MPa)
聚酯树脂3.4555
乙烯基酯树脂3.5980
环氧树脂10.585

胶衣

胶衣通常与聚酯和乙烯基酯树脂系统结合使用,是一种热固性塑料。它们用作保护性和美观的面漆,保护基体和增强材料免受紫外线和化学降解。它们还可以着色和染色以复制任何颜色,并且在完成复合材料部件的劳动力和成本方面都比油漆具有显着优势。此外,在面漆损坏的情况下,胶衣可以比涂漆表面更快地重新表面和修复,成本更低。

在层压之前,将胶衣直接喷涂或刷在厚(10-20mm)层上到准备好的模具表面上。所需的厚度通常增加至 2 或 3 层,涂层之间有足够的时间。层压过程的其余部分保持不变,释放后的整体零件光洁度大大提高。

芯材

芯材通常粘附在增强塑料的“表皮”之间。芯通常用于增加零件的厚度,而重量或成本的损失很小。添加型芯大大提高了零件的弯曲(弯曲)刚度和强度。

当材料被加载弯曲时,材料的顶面被压缩,而底面被拉伸。弯曲时零件的顶面和底面彼此间隔得越远,零件的刚度和强度就越大。在这种加载形式中,芯材看到所谓的剪切载荷,因为材料的顶部和底部被沿相反方向拉动。

根据应用、层压方法和环境条件,芯材的范围很广。

PVC 泡沫
PVC(聚氯乙烯)芯是一种耐化学/防潮的闭孔泡沫,具有良好的剪切强度和粘合性能。这些芯是刚性的热固性材料,但可以使用热量和压力轻松地热成型。它们以各种厚度和密度制造,并与大多数树脂系统和层压方法兼容。

PVC 芯材图片

SAN 泡沫
SAN 泡沫(苯乙烯丙烯腈)芯是一种闭孔、轻质泡沫芯,具有出色的耐化学性。它们通常用于需要高温或高压的非常苛刻的制造中。SAN 具有作为热塑性塑料的独特特性,并且可以很容易地通过热成型。

蜂窝芯
蜂窝芯可以由多种材料制成,但通常由铝或称为 Nomex 的凯夫拉基纸制成。细胞以蜂窝状排列,在强度和重量之间提供了良好的折衷。这些芯可以很容易地弯曲并模制成复杂的形状。使用手工层压和树脂灌注层压方法,这种类型的芯很容易被树脂饱和。

蜂窝芯图像

木芯
木芯以重量为代价提供非常好的抗压强度和剪切性能。通常使用端粒轻木。这种类型的核心经常用于预期高压缩应力的局部加载情况。此外,这种芯通常用于不连续的位置,例如螺栓孔和其他局部应力集中处。用密封剂处理的轻木芯可用于潮湿环境,并可与大多数树脂系统和制造方法一起使用。

织物芯
织物芯和垫子通常比其他芯材薄得多。它们通常被称为“膨胀”材料,而不是芯材,并为层压板增加了边际厚度。它们大多是聚酯编织片材,它们是闭孔的,因此它们在层压过程中不会吸收树脂。这些芯是灵活的,并符合零件的弯曲和曲线。织物芯通常密度非常低,不用于需要高剪切强度的地方。

织物芯图像

复合材料是如何制造的?

复合材料零件的制造方法已经适应了零件和材料的需求。几乎所有的制造方法都需要模具来指定复合部件的形状。您可以详细了解“什么是复合材料制造”指南,其中涵盖了广泛的内容。

模具(或工具)是围绕要生产的最终零件、选择的制造方法以及成品零件所需的精度进行设计的。在复合材料行业,工具有两个主要名称……即硬工具和软工具。

硬质工具由陶瓷、金属和高密度木材制成。它们需要在材料和加工成本方面进行更大的初始投资。这些类型的工具通常会重复使用,并且根据模具所需的坚固性来选择材料。此外,根据制造方法选择材料(即对于温度固化部件,必须使用正确的模具材料以同时进行热膨胀)。这些类型的工具也能够更好地保持尺寸公差。

软工具由泡沫、复合材料或其他可加工介质制成,它们会随着制造更多零件而磨损和降解。这些工具成本较低,不太适合保持严格的尺寸公差。

工具准备对于零件的最终完成至关重要。通过首先将表面抛光到所需的粗糙度指数来准备新工具以供使用。模具表面的粗糙度直接影响将印在零件上的表面粗糙度。接下来,表面用界面涂层密封,填充非常小的凹坑和划痕。然后将脱模剂涂在工具表面上,这样可以在完全固化后去除零件。界面层为脱模剂的粘附提供了良好的表面。传统上,脱模剂是一种消耗材料,需要在从工具中取出每个部件后使用。最近,正在使用半永久性脱模剂,这种脱模剂最多可以使用 20 个零件,并且可以在需要进行新涂层时留在模具表面。

随着多样性或零件和应用的增长,复合材料零件制造的新方法不断出现。一般来说,大多数制造方法可分为以下几类:

开模/手工层压
这是最基本的层压形式。增强材料层和芯层按规定顺序堆叠,并在准备好的模具顶部用树脂系统逐层润湿。然后根据树脂体系的要求,让完成的层压板固化。这种固化过程可以通过使用热来辅助。

手上篮图像

这种方法通常用于定制一次性零件和小批量生产。手工层压不需要复杂的机械、工具或耗材。由于树脂分布的不一致性和层间空气空隙的截留,该过程会在零件质量和强度方面产生一些变化。手工层压也难以有效地扩大生产量,因为它们是劳动密集型工艺。通过在树脂系统上使用喷涂和在层压之前预先切割增强材料,可以提高该工艺的效率。

喷涂层压
这种层压形式利用气动喷枪将增强材料和树脂混合物直接切割到模具表面上。这种方法通常从在模具表面涂上凝胶涂层开始。然后将树脂、催化剂和切碎的增强材料的混合物喷涂在模具顶部并使用辊压实。可以应用核心层和后续层以增加额外的刚度。通常,根据树脂的要求,然后允许层压材料在室温或基于烘箱的环境中固化。然后取出零件,模具可以为下一个制造周期做好准备。

这种方法减少了完成层压所需的时间。此外,它适用于较大的零件,因为这种方法允许较大的覆盖区域。喷涂层压方法使用不连续的纤维,这大大降低了部件的强度。此外,由于喷涂的不一致,可能难以保持公差。由于大量苯乙烯含量被释放到大气中,这种制造形式也存在健康和环境问题。

湿袋装
与手工层压类似,该工艺需要在准备好的模具顶部用树脂系统逐层润湿增强层。在树脂固化之前,将耗材剥离层、树脂吸收材料和真空袋薄膜放置在最终增强材料层的顶部。然后使用气密胶粘带将真空袋薄膜密封到模具的末端。然后使用真空从模具表面和真空袋薄膜之间抽出空气,从而施加压力并去除夹在增强材料层之间的空气空隙。真空端口定位和在关键位置使用“透气”材料对于确保在整个零件上施加相等的真空压力非常重要。

这一过程极大地改善了层间结合,从而提高了结构完整性。对于这种层压方法,必须选择具有适当固化时间的树脂系统,以确保在固化前将层完全浸湿并装袋。树脂系统可以设计为提供不同的固化时间。

湿套袋图像

树脂灌注
在树脂灌注层压中,增强材料和芯的干燥层以正确的顺序放置在准备好的模具表面之上。该模具还战略性地配备了树脂供应线和真空抽吸线。然后用多孔释放层和允许树脂在灌注过程中流动的流动介质覆盖层压材料。然后安装一个密封的真空袋,密封部件以及供应和抽吸管线。然后将空气从拉制管线中抽出,同时从部件的另一端注入催化树脂。在此过程中仔细监控树脂供应和真空压力,以确保整个零件均匀地被树脂浸湿,并在整个零件上具有相同的真空压力。一旦注入正确数量的树脂,

与手工层压和湿装袋方法相比,这种方法可以制造更大、更复杂的零件。此外,由于树脂均匀性和固化周期在零件之间得到更严格的调节,零件质量和一致性得到了提高。这种方法适用于小型和大型生产运行,并且越来越自动化。这种方法有许多变体,例如树脂传递模塑 (RTM)、真空辅助树脂传递模塑 (VARTM) 和树脂注射模塑 (RIM),它们都具有相似的工艺,但在注入和分配树脂的方式和时间方面有所不同。在全自动环境中越来越多地采用匹配的男性和女性模具技术,以减少劳动力和消耗品,如真空袋薄膜。

树脂灌注图像

高压釜固化
高压釜固化技术最常用于预浸渍(预浸料)增强材料,例如预浸料碳纤维,当需要非常高质量的零件时。这种形式的材料具有未催化的树脂膜,制造商将其施加到增强材料的一侧或两侧。由于树脂受热催化,因此该材料始终储存在气候受控的环境中。这些材料具有规定的保质期。

在层压过程中,预浸料和芯材以规定的顺序和方向放置在准备好的模具表面的顶部。预浸料的表面上存在少量粘性,使其能够在模具表面上保持其位置,而不会产生空隙和间隙。在热风枪的帮助下,精细的轮廓和紧凑的角落被层压,以确保预浸料覆盖整个模具表面。由于预浸材料的树脂量与增强材料的用量完美匹配,因此成品部件中的任何间隙或空隙都将保持未填充状态,从而使初始未固化层压工艺成为部件最终质量的限制因素。薄膜粘合剂通常用于预浸材料和芯材之间,以确保形成高质量的粘合。在高压灭菌器中,层压板和模具配有真空袋,可在固化过程中抽出空气。模具和整个零件放置在高压釜内,该高压釜可以控制环境的压力和温度。高压釜的优点是在固化过程中产生高于 1 个大气压 (14.7 psi) 的条件,从而可以在零件表面施加更大的力,从而减少空隙并改善层间粘合。这种增加的力通常只需要极高等级的零件,并且几乎专门用于航空航天和高性能汽车设置。高压釜的优点是在固化过程中产生高于 1 个大气压 (14.7 psi) 的条件,从而可以在零件表面施加更大的力,从而减少空隙并改善层间粘合。这种增加的力通常只需要极高等级的零件,并且几乎专门用于航空航天和高性能汽车设置。高压釜的优点是在固化过程中产生高于 1 个大气压 (14.7 psi) 的条件,从而可以在零件表面施加更大的力,从而减少空隙并改善层间粘合。这种增加的力通常只需要极高等级的零件,并且几乎专门用于航空航天和高性能汽车设置。

高压釜图像

在高压釜固化循环中,温度升高到中间温度,导致浸渍树脂粘度下降,使其能够流动并润湿增强材料的纤维。然后将温度升高到树脂开始催化并形成化学键的最终固化温度。使用热电偶仔细监控此过程,以确保零件的所有区域都能看到正确的温度条件以实现完全固化。

高压釜工艺需要昂贵的预浸材料,其保质期有限。此外,与为高压釜生产运行采购设备相关的资金成本很高。通常,零件还将花费超过 8 小时来完成一个完整的高压釜固化周期,从而降低高压釜和模具的生产效率和使用率。

烘箱固化
与高压釜固化类似,烘箱固化可用于使用预浸渍增强材料制造零件。当不需要高压气氛的附加力时,通常使用烘箱固化。这大大降低了生产预浸料零件的初始资本成本。在需要最终固化部件的特定性能的某些应用中,烘箱固化也经常与标准树脂系统一起使用。

后固化整理

复合材料部件通常在最终固化后进行修整并完成所需的规格。与金属和其他材料一样,复合材料可以进行切割、修整、打磨和机加工。

在小批量生产中,通常使用手工修整、打磨和精加工。这些方法不能很好地扩大规模,而且劳动强度极大。由于接触细颗粒物,它们还会引起健康问题。

通过使用能够从末端去除材料并产生干净孔的精密自动化零件修整工具,经常将复合零件缩小到精确的尺寸。成品部件不含杂散纤维或堆积树脂。复合材料零件也可以使用钣金制造方法(例如留下干净、光滑边缘的水射流)降低到最终尺寸。

当需要非常精确的配合和公差时,可以使用传统的加工方法加工复合材料零件。通常,压缩式工具钻头用于保持聚合物基体中增强材料的结构和分布。对于钻孔,轨道式钻头用于防止分层并提高整个孔深度的尺寸精度。

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