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一文帶你了解復(fù)合材料：復(fù)合材料的種類、加工及應(yīng)用
2023-06-12
來源：復(fù)合材料工業(yè)協(xié)會編譯
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什么是復(fù)合材料？ 復(fù)合材料在某些應(yīng)用中是鋁、鈦和鋼的合適替代品，因?yàn)樗鼈冎亓枯p、性能好、低碳和低能耗。復(fù)合材
什么是復(fù)合材料？
復(fù)合材料在某些應(yīng)用中是鋁、鈦和鋼的合適替代品，因?yàn)樗鼈冎亓枯p、性能好、低碳和低能耗。復(fù)合材料可分為紡織復(fù)合材料、綠色復(fù)合材料、生物復(fù)合材料和混合復(fù)合材料。在所有類型的復(fù)合材料中，綠色復(fù)合材料因其環(huán)境友好性、可持續(xù)性和在不同環(huán)境中可完全生物降解，不留下任何有毒殘留物而吸引了相當(dāng)大的興趣。此外，監(jiān)管機(jī)構(gòu)已經(jīng)規(guī)定了嚴(yán)格的指導(dǎo)方針和立法，以停止生產(chǎn)對環(huán)境有害的材料。在復(fù)合材料行業(yè)中，有幾個(gè)全球參與者使用不同的加工技術(shù)進(jìn)行運(yùn)作。這些主要參與者正在與研究人員合作，尋找新的方法來提高材料的質(zhì)量和生產(chǎn)能力，同時(shí)降低產(chǎn)品的價(jià)格。復(fù)合材料的市場正在迅速增長，預(yù)計(jì)從2017年到2025年將增長10%。復(fù)合材料市場的領(lǐng)導(dǎo)者是美洲、亞太、歐洲、中東和非洲。 聚合物復(fù)合材料已廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天、建筑和包裝等領(lǐng)域;他們的市場正在迅速增長。人造纖維如玻璃纖維和碳纖維已被用作增強(qiáng)材料，以提高聚合物復(fù)合材料的性能。然而，結(jié)合一種或兩種纖維增強(qiáng)聚合物的復(fù)合材料，也稱為“混合復(fù)合材料”。 紡織復(fù)合材料（又稱之為纖維增強(qiáng)復(fù)合材料）由于其獨(dú)特的性能，在過去的幾十年里得到了廣泛的應(yīng)用。高分子復(fù)合材料中各種類型的增強(qiáng)材料都是紡織材料，特別是用纖維增強(qiáng)體增強(qiáng)高分子復(fù)合材料。自復(fù)合材料問世以來，人們就一直在探索纖維增強(qiáng)材料。這些增強(qiáng)纖維包括纖維（短纖維和長纖維）、紗線和織物?？椢锓譃闄C(jī)織、非織造和針織結(jié)構(gòu)。此外，紡織復(fù)合材料可以根據(jù)其期望的最終應(yīng)用而制造。在所有類型的紡織品增強(qiáng)中，機(jī)織物是最受歡迎的，因?yàn)樗菀滋幚?，并且在?jīng)緯方向上都具有良好的抗拉強(qiáng)度。 古埃及人已將天然纖維作為一種復(fù)合材料使用。他們將尼羅河泥漿與稻草混合在一起，用于制造磚塊，并在太陽下烘烤后產(chǎn)生更堅(jiān)固的磚塊。大麻、亞麻、苧麻、竹子、劍麻、葉纖維、種子纖維、草纖維或木纖維等都適合用于制造復(fù)合材料。 紡織復(fù)合材料的使用通常是因?yàn)槠鋸?qiáng)度-重量比和剛度-重量比高。 生物復(fù)合材料是由聚合物基體和天然纖維結(jié)合而成的，它們有各自不同的特性。然而，將它們結(jié)合起來后，所產(chǎn)生的材料與單獨(dú)的聚合物基體和天然纖維相比，具有更優(yōu)越的性能，它們適用于各種技術(shù)應(yīng)用。聚合物基體提供了材料的結(jié)構(gòu)和形狀，而天然纖維則提高了最終生物復(fù)合材料的性能（拉伸、彎曲、沖擊等）。生物復(fù)合材料是一個(gè)新興的領(lǐng)域。已經(jīng)研究了一系列的聚合物作為天然纖維增強(qiáng)的基體。聚合物是由化石燃料、生物基資源或兩者的組合合成的。 合成聚合物包括PP、聚乙烯、酚類和聚苯乙烯等。迄今為止，大多數(shù)生物復(fù)合材料都是由合成聚合物制成的，由于其生產(chǎn)成本低、易加工、重量輕、可塑造成不同的形狀，所以應(yīng)用范圍很廣。用天然纖維增強(qiáng)的合成聚合物已被廣泛用于包裝和汽車應(yīng)用中。 由100%生物基材料制成的綠色復(fù)合材料的發(fā)展一直是一個(gè)研究熱點(diǎn)。這些材料具有一些優(yōu)勢，如低成本、可接受的生物降解、低密度、高長寬比和高比強(qiáng)度，使它們成為高性能的材料之一。100%綠色復(fù)合材料發(fā)展背后的驅(qū)動(dòng)力是人們越來越關(guān)注減少合成聚合物和合成聚合物基復(fù)合材料對環(huán)境造成的負(fù)面影響，有限的化石燃料資源和缺乏對提高復(fù)合材料性能的天然纖維特性的了解。各種天然纖維已被用于生產(chǎn)綠色復(fù)合材料，包括亞麻、劍麻、劍麻、棉花、大麻和龍舌蘭。它們是豐富的可利用和可再生的。農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品，如甘蔗渣、玉米稈也被用作增強(qiáng)材料。 混合復(fù)合材料是指用兩種或兩種以上的纖維或填充物來增強(qiáng)單一聚合物，或用一種或多種纖維或填充物來增強(qiáng)聚合物混合物。與單獨(dú)增強(qiáng)的聚合物復(fù)合材料相比，混合型復(fù)合材料具有更好的拉伸性能。在不同填充物增強(qiáng)聚合物基體的情況下，一種填充物彌補(bǔ)了另一種填充物的缺點(diǎn)，即混合復(fù)合材料中的一種填充物可能是昂貴的，并具有較高的拉伸模量，而另一種填充物可能是廉價(jià)的，具有較低的拉伸模量。 然而，在合成纖維和天然纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料中，合成纖維的加入有助于減少吸濕性和提高性能，而天然纖維可減少碳足跡和最終產(chǎn)品的價(jià)格?；祀s復(fù)合材料的性能取決于多種因素;這些因素包括纖維載荷、纖維的排列和取向、纖維的分散、纖維尺寸以及纖維與聚合物基體或基體之間的界面粘附?；旌峡梢酝ㄟ^結(jié)合合成纖維和合成纖維、合成纖維和天然纖維、天然纖維和天然纖維以及在增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料中加入納米填料（如納米粘土、碳納米管、石墨片和金屬氧化物納米顆粒）來實(shí)現(xiàn)。 聚合物復(fù)合材料有許多加工技術(shù)。這些方法包括溶劑鑄造、熔融復(fù)合、壓縮成型、注射成型、擠壓成型等。選擇一種特定的加工方法取決于所需的應(yīng)用、聚合物的類型和要使用的增強(qiáng)材料。 這種方法被廣泛用于制備生物復(fù)合材料，它需要少量的聚合物基體和增強(qiáng)材料。在這種方法中，聚合物被溶解在一個(gè)合適的溶劑系統(tǒng)中。溶解后，加入增強(qiáng)材料以制備均勻的混合物。當(dāng)達(dá)到均勻性時(shí)，通過汽化或沉淀去除溶劑，形成薄膜。該方法實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)材料在聚合物基體中的均勻分布和良好分散。 到目前為止，這是生物復(fù)合材料工業(yè)加工中最普遍的方法。這個(gè)過程涉及到聚合物基體和增強(qiáng)體的直接混合。在這種方法中，干燥的聚合物和增強(qiáng)體都被混合、壓縮和加熱，并通過一個(gè)高壓系統(tǒng)。它采用自上向下的方法在混合過程中分解聚集的加固物。該工藝更適用于納米和亞微米級增強(qiáng)材料體增強(qiáng)生物復(fù)合材料的開發(fā)。通過采用高剪切應(yīng)力結(jié)合高溫下的擴(kuò)散來獲得增強(qiáng)物的分散。 這種技術(shù)涉及到在壓縮壓力下通過加熱半成品材料進(jìn)行模塑成型，直到生產(chǎn)出最終產(chǎn)品。它通常是在不同的壓力和溫度下進(jìn)行的，這取決于所使用的聚合物。該技術(shù)具有成型半成品量大、可重復(fù)性高、周期時(shí)間短、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)。 這種技術(shù)通過將熔融聚合物注入模具，形成具有所需結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理想材料。樣品（樹脂顆粒和短纖維）被放置在一個(gè)加熱的桶中，當(dāng)顆粒熔化后，螺桿將熔體注入并將其輸送到工具腔室，在那里冷卻并固化形成所需的材料。 這種技術(shù)具有許多優(yōu)點(diǎn)，如制造復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)、低勞動(dòng)力成本、使用回收材料的可能性和能實(shí)現(xiàn)一定工業(yè)規(guī)模。 擠出工藝被廣泛用于塑料工業(yè)，被認(rèn)為是生產(chǎn)顆粒、半成品和成品材料的高溫短時(shí)工藝。該工藝包括單/雙螺桿擠出機(jī)組，單螺桿擠出機(jī)用于熔化、混合和均化材料。 通常首選在短時(shí)間內(nèi)以中等操作速度混合純聚合物，并且不需要預(yù)造粒。單螺桿擠出機(jī)的缺點(diǎn)是在高壓下性能差，與雙螺桿擠出機(jī)相比產(chǎn)量低。另一方面，雙螺桿擠出機(jī)能夠通過混合兩種或多種對熱和剪切力敏感的材料來生產(chǎn)顆粒。 液體復(fù)合材料模塑成型，如樹脂轉(zhuǎn)移模塑和真空輔助樹脂灌注模塑，幾十年來一直被用來制造復(fù)合材料層壓板，現(xiàn)在仍然在使用。這些技術(shù)具有高質(zhì)量、可再現(xiàn)性和可重復(fù)性、易于清潔處理、可擴(kuò)展性、靈活性以及減少揮發(fā)性有機(jī)化合物等綜合優(yōu)勢。這些技術(shù)利用真空和環(huán)境壓力之間的壓力差，將預(yù)制件壓縮并固定在模具上，并將樹脂注入預(yù)制件。通過這些技術(shù)生產(chǎn)的復(fù)合材料可應(yīng)用于海洋、航空航天、國防和汽車領(lǐng)域。 復(fù)合材料由于其性能的改善，長期以來被用于汽車、航空航天、民用基礎(chǔ)設(shè)施、耐用品和國防等各個(gè)領(lǐng)域。下面列出了纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的一些應(yīng)用。 復(fù)合材料在第二次世界大戰(zhàn)期間首次用于軍用飛機(jī)，從那時(shí)起，幾種類型的復(fù)合材料被開發(fā)出來并被用于航空航天工業(yè)。由于其各種改進(jìn)的性能，如重量輕、強(qiáng)度高、能夠承受高溫和熱膨脹，纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料已成為建造飛機(jī)和航天器的流行材料。 纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料因其優(yōu)越的性能，如高熱力學(xué)性能、優(yōu)良的耐腐蝕性和高的強(qiáng)度重量比，被作為21世紀(jì)的材料推向市場。在過去的幾十年里，先進(jìn)的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的應(yīng)用已經(jīng)被研究用于隔音和隔熱建筑、公路和橋梁、海洋和海軍結(jié)構(gòu)的甲板、電線桿、可再生能源采集、管道、綠色建筑的天然復(fù)合材料等。 復(fù)合材料的改進(jìn)特性使其不僅適用于汽車、航空航天和其他工業(yè)領(lǐng)域，也適用于體育設(shè)備。為了獲得性能更好的體育用品，人們主要是采用玻璃纖維或碳纖維對聚合物基復(fù)合材料進(jìn)行增強(qiáng)。 在過去幾年中，醫(yī)療部門對纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料的各種應(yīng)用產(chǎn)生了興趣，如核磁共振成像掃描儀和C型臂X射線沙發(fā)的部件、掃描儀、手術(shù)目標(biāo)工具和設(shè)備等。它們還可用于假肢，如彈簧和矯形器，如前足、足科矯正鞋墊和支架。與傳統(tǒng)的金屬植入物相比，碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮植入物的放射線透明性可以改善無偽影的放射成像。纖維增強(qiáng)復(fù)合樹脂（FRC）修復(fù)體也有一些優(yōu)勢，如良好的微創(chuàng)治療，美觀，以及與基牙的粘合能力。 現(xiàn)代戰(zhàn)爭在空中，地面和海上需要重量輕、保護(hù)性強(qiáng)和高強(qiáng)度的材料。與其他工程材料相比，纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料具有高強(qiáng)度重量比、剛度、韌性和設(shè)計(jì)靈活性，是最適合這些目的的材料。國防領(lǐng)域的纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料用于軍用飛機(jī)、陸地系統(tǒng)、無人機(jī)、海軍艦艇和武器。在船舶應(yīng)用中最常見的增強(qiáng)材料是E -玻璃纖維。
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