“一起了解復(fù)合材料背后的故事”

復(fù)合材料改變材料工程

復(fù)合材料在過去的幾十年里，已經(jīng)完全改變了一些最先進(jìn)的工程問題的解決方式。例如，它允許開發(fā)具有獨(dú)特?zé)嵝阅艿牟牧希愿玫貞?yīng)對再入大氣層的酷熱溫度；通過使用具有精心定制的機(jī)械性能的輕型風(fēng)扇葉片推動(dòng)了噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的極限。復(fù)合材料到底是什么，是什么讓它們?nèi)绱颂貏e，讓我們一起看一下。

分散相+基體相

復(fù)合材料實(shí)際上是由兩種或兩種以上不同的組成材料制成的任何材料它們可以在自然界中找到。木材是天然復(fù)合材料的一個(gè)例子。也可以通過精心組合不同的材料來開發(fā)各種令人難以置信的奇異復(fù)合材料，這些復(fù)合材料具有經(jīng)過定制以適應(yīng)特定應(yīng)用的機(jī)械、電氣、熱甚至磁性特性。在大多數(shù)復(fù)合材料中，一種稱為分散相的材料包含在另一種稱為基體相的材料中。

復(fù)合材料的分類

通常根據(jù)分散材料的形式對復(fù)合材料進(jìn)行分類。對于顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料，它們是纖維增強(qiáng)的，具有短的或連續(xù)的纖維。 基體材料用于與分散相的元素形成機(jī)械和化學(xué)結(jié)合，并允許載荷在它們之間轉(zhuǎn)移。它將所有物質(zhì)結(jié)合在一起，并保護(hù)分散相不受環(huán)境影響。復(fù)合材料也可以根據(jù)基體材料的類型進(jìn)行分類，基體材料可以是聚合物、陶瓷，甚至是金屬。

碳纖維和玻璃纖維

在工程應(yīng)用中最廣泛使用的復(fù)合材料可能是纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料。這類復(fù)合材料包括玻璃纖維增強(qiáng)聚合物（也稱為GRP或玻璃纖維）和碳纖維增強(qiáng)聚合物（CFRP）。這些復(fù)合材料通常具有環(huán)氧樹脂基體，這是一種熱固性聚合物。分散的材料是玻璃或碳纖維，它們占材料體積的60%左右。

單向帶

纖維增強(qiáng)的最基本形式是單向帶，它的所有纖維都沿同一方向延伸。單獨(dú)的纖維被組合成束，通過縫合或使用化學(xué)粘合劑將其固定在一起。在碳纖維的情況下，每一束通常包含3000到24000根單獨(dú)的纖維。典型的纖維直徑約為10微米，比人的頭發(fā)細(xì)10倍。

各向異性

-任何纖維均沿同一方向延伸的纖維增強(qiáng)材料將具有高度各向異性。在不同的方向上，它的材料性質(zhì)會(huì)有所不同。如果沿纖維軸施加載荷，材料將比垂直于軸施加載荷更堅(jiān)固、更硬，因?yàn)檩d荷由更強(qiáng)、更硬的纖維而不是基體承受。。

根據(jù)載荷方向，調(diào)節(jié)纖維方向

如果你知道你的材料將主要在一個(gè)方向上加載，你可以將纖維定向 使其在該特定方向上非常堅(jiān)固。例如 在壓力容器中，纖維可以大部分沿環(huán)向排列，因?yàn)榄h(huán)向應(yīng)力是容器加壓時(shí)的最大應(yīng)力。 如果你知道你的材料將主要在一個(gè)方向上加載，你可以將纖維定向 使其在該特定方向上非常堅(jiān)固。例如 在壓力容器中，纖維可以大部分沿環(huán)向排列，因?yàn)榄h(huán)向應(yīng)力是容器加壓時(shí)的最大應(yīng)力。但是 在大多數(shù)情況下，你需要同時(shí)在多個(gè)方向上具有良好的強(qiáng)度和剛度。在這種壓力容器的情況下，也會(huì)有軸向應(yīng)力，我們還需要在軸向方向上進(jìn)行一些加固，使用軸向或螺旋纖維

各向同性層壓板

這就是為什么由纖維增強(qiáng)材料制成的組件是通過堆疊具有不同纖維方向的多層來構(gòu)建的。每層稱為層板，疊層稱為層壓板。在這種層壓板中，0°層提供了軸向的強(qiáng)度和剛度，90°層和45°層在各自剪切方向上提供強(qiáng)度和剛度。如果以正確的取向堆疊足夠的層，則層壓體可以在所有平面方向上具有非常相似的性質(zhì)，這稱為準(zhǔn)各向同性層壓板。

纖維的編織圖案

纖維還可以排列成具有沿兩個(gè)不同方向延伸的纖維的編織圖案，有數(shù)百種可能的編織模式。最常見的是平紋編織方式和斜紋編織圖案。不同模編織方式的表現(xiàn)略有不同，斜紋組織更柔韌，更容易適應(yīng)曲面。

濕鋪法

一旦確定了層壓結(jié)構(gòu)，就需要組裝不同的纖維層并與聚合物基體結(jié)合以創(chuàng)建最終的復(fù)合材料部件。一種方法是濕鋪法，即在模具中構(gòu)建纖維層，并使用滾筒或刷子將樹脂涂敷到每一層上。層數(shù)和層方向經(jīng)過精心選擇，以實(shí)現(xiàn)所需的性能。

預(yù)浸漬+高溫固化

另一種方法涉及使用已在部分固化的環(huán)氧樹脂中預(yù)浸漬的預(yù)浸料、纖維帶或纖維片，這意味著它們可以應(yīng)用于模具而無需任何額外的樹脂。然后可以對層壓板進(jìn)行真空袋包裝，以確保其與模具相符并去除任何空隙，然后需要固化。聚合物基體通常是熱固性聚合物，這種聚合物在加熱時(shí)會(huì)不可逆地硬化，在這種情況下，固化是在烘箱中在高溫下完成的。

纖維纏繞

纖維纏繞是另一種制造方法，其中使用機(jī)器將已用樹脂浸漬的單向帶纏繞在中心軸上。完成后，中心軸可以留在原處或移除，而復(fù)合材料結(jié)構(gòu)被固化。