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复合材料是如何制成的?

复合材料是如何制成的?

在像我们这样的先进社会中,我们在生活的某些方面都依赖于复合材料。玻璃纤维是在 1940 年代后期开发的,是第一种现代复合材料。它用于船体、冲浪板、体育用品、游泳池内衬、建筑板和车身。

是什么使材料成为复合材料

复合材料是由两种或两种以上具有完全不同性质的材料组合而成的。不同的材料共同作用赋予复合材料独特的性能。但在复合材料中,您可以轻松区分不同的材料。那是因为它们不会相互溶解或混合。 

制作复合材料

大多数复合材料仅由两种材料组成。一个(基体或粘合剂)围绕并粘合在一起的纤维簇或强度更高的材料(增强材料)的碎片。通过仔细选择增强材料、基体和将它们结合在一起的制造工艺,工程师可以定制特性以满足特定要求。 

选择矩阵的材料

对于基体,许多现代复合材料使用热固性或热软化塑料(树脂)。塑料是将增强材料固定在一起并帮助确定最终产品的物理特性的聚合物。 

热固性塑料在制备时是液体,但在加热时会变硬并变硬。凝固过程是不可逆的,因此这些材料在高温下不会软化。这些塑料耐化学暴露,使其非常耐用。 

热软化塑料在低温下很硬,但在加热时会变软。它们具有更高的断裂韧性、更长的原材料保质期、回收能力以及更清洁、更安全的工作场所。最后一部分是由于硬化过程不需要有机溶剂。

陶瓷、碳和金属被用作一些高度专业化用途的基质。例如,当材料将暴露于高温(热交换器)时使用陶瓷,而碳用于暴露于摩擦和磨损的产品(轴承和齿轮)。

选择加固材料

尽管草纤维是最常见的增强材料,但现在许多先进的复合材料都使用纯碳的细纤维。有两种主要类型的碳可以使用——石墨和碳纳米管。它们都是纯碳,但原子以不同的晶体结构排列。 

碳纤维复合材料比玻璃纤维更轻且强度更高,但也更昂贵。比碳纤维更坚固、更昂贵的是硼线。氮化硼纳米管具有比碳纤维更耐热的额外优势。它们还具有压电特性,这意味着它们可以在施加物理压力时发电。 

聚合物也可以用作增强材料。例如,Kevlar以其在防弹背心和头盔中的应用而闻名,它是一种非常坚固的聚合物纤维,可以增加复合材料的韧性。它被用作需要轻质和可靠结构的复合材料产品中的增强材料。比 Kevlar 更坚固的是一种由石墨烯和碳纳米管组合而成的物质。

夹心复合材料

许多新型复合材料不是由基体和增强方法制成的。相反,它们是通过铺设多层材料制成的。许多复合材料的结构由夹在两层碳纤维增强复合材料表层之间的塑料蜂窝组成。

这些夹层复合材料结合了高强度,特别是抗弯刚度,重量轻。其他方法包括简单地铺设几个不同物质的交替层来制造复合材料。 

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