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复合材料有哪些(附复合材料种类和图片示例)

组成材料以及它们组合的过程决定了成品复合材料部件的特性。这里描述了最常用的原材料。

玻璃纤维材料
玻璃纤维增强材料

纤维

E-玻璃是应用最广泛的增强纤维。硅砂、石灰石和其他矿物在熔炉中熔化,然后通过铂板上的小孔落下,形成直径约为 5-24 微米的纤维。当它们出现时,它们被“定尺寸”(涂层以便能够处理和粘合到基体上),捆绑在一起形成“粗纱”,并直接缠绕到线轴上。存在其他类型的增强玻璃以获得更高的强度或耐化学性。

碳纤维由前体纤维制成,通常是聚丙烯腈 (PAN)。在高温下将其热解并转化为直径约 6-7μm 的石墨(碳)纤维。碳纤维是最坚硬、最坚固的复合材料。

Kevlar® 和 Twaron® 等芳纶(芳族聚酰胺)纤维以其出色的抗冲击性和其他性能而著称,并广泛用于装甲应用。还有其他高性能聚合物纤维,如 UHMWPE(超高分子量聚乙烯)和 HMPP(高模量聚丙烯)。

亚麻和大麻等天然纤维通常用于汽车内饰,具有良好的阻尼性能,可以与碳很好地混合使用。玄武岩纤维的使用越来越多,特别是在耐碱性很重要的地方。

聚酯树脂
聚酯树脂

树脂

复合材料中使用的树脂是聚合物——由长链状分子制成。这些可以是热塑性的或热固性的。

热塑性塑料在加热时熔化并在冷却时固化。常用的热塑性塑料包括 PP、PET、尼龙,或者,对于高性能应用,PEI 或 PEEK。

当树脂和硬化剂或催化剂混合时,热固性材料通过化学反应固化,从而导致聚合物链之间的交联。它们不会融化,但最终会在加热时分解。除了最昂贵的热塑性塑料外,热固性塑料具有更好的机械性能和耐化学性。

玻璃纤维复合材料 (GFRP) 中最常用的树脂是不饱和聚酯。乙烯基酯比聚酯更坚韧,更耐水。环氧树脂优于大多数其他树脂,通常与碳纤维一起使用。酚醛树脂的机械性能较低,但耐火性非常好。还存在几种其他树脂体系。

树脂催化剂
催化剂“硬化剂”

填料和添加剂

通常包括碳酸钙等矿物填料以降低成本,因为需要较少的树脂,同时改善其他性能。可以包括其他添加剂,例如阻燃剂、紫外线吸收剂或增韧剂。

中间材料

纤维可以直接掺入某些工艺中,但更常见的是转化为织物,这些织物可以是单轴/双轴/多轴、机织、针织、编织、针刺或简单地切碎并结合成随机取向的织物。纺织工程是优化复合材料制造的一个重要方面,并且越来越多地使用 3D 预制件,以将纤维精确地排列在它们将提供最佳性能的位置。

一些织物,尤其是碳纤维,预先用树脂浸渍形成“预浸料”,通常需要将其保存在冰箱中以防止树脂流失,直到准备好使用。

散装模塑料 (BMC) 是短切纤维、树脂和填料的混合物,用于注塑和模压成型。它也被称为面团模塑料(DMC)。片状模塑料 (SMC) 是通过将较长的 (25mm+) 纤维切碎到一层树脂上制成的。

增强纤维和热塑性纤维可以混合制成可称为热塑性预浸料的织物。加热时,热塑性纤维熔化形成基质。此外,短纤维可以与热塑性树脂“复合”以进行注塑成型。

芯材

使用具有较轻核心材料的坚固表皮三明治是增加刚度和减轻重量的好方法。常用的芯材可能是聚合物泡沫,例如聚氨酯、PVC 或丙烯酸,或由铝、纸、Nomex®(基于 Kevlar® 的纸)或其他聚合物制成的蜂窝结构。轻木是一种优良的天然芯材,具有良好的耐火性。

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