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一文帶你了解復合材料：復合材料的種類、加工及應(yīng)用
2023-06-12
來源：復合材料工業(yè)協(xié)會編譯
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什么是復合材料？ 復合材料在某些應(yīng)用中是鋁、鈦和鋼的合適替代品，因為它們重量輕、性能好、低碳和低能耗。復合材
什么是復合材料？
復合材料在某些應(yīng)用中是鋁、鈦和鋼的合適替代品，因為它們重量輕、性能好、低碳和低能耗。復合材料可分為紡織復合材料、綠色復合材料、生物復合材料和混合復合材料。在所有類型的復合材料中，綠色復合材料因其環(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大的興趣。此外，監(jiān)管機構(gòu)已經(jīng)規(guī)定了嚴格的指導方針和立法，以停止生產(chǎn)對環(huán)境有害的材料。在復合材料行業(yè)中，有幾個全球參與者使用不同的加工技術(shù)進行運作。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，同時降低產(chǎn)品的價格。復合材料的市場正在迅速增長，預計從2017年到2025年將增長10%。復合材料市場的領(lǐng)導者是美洲、亞太、歐洲、中東和非洲。 聚合物復合材料已廣泛應(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材料，以提高聚合物復合材料的性能。然而，結(jié)合一種或兩種纖維增強聚合物的復合材料，也稱為“混合復合材料”。 紡織復合材料（又稱之為纖維增強復合材料）由于其獨特的性能，在過去的幾十年里得到了廣泛的應(yīng)用。高分子復合材料中各種類型的增強材料都是紡織材料，特別是用纖維增強體增強高分子復合材料。自復合材料問世以來，人們就一直在探索纖維增強材料。這些增強纖維包括纖維（短纖維和長纖維）、紗線和織物。織物分為機織、非織造和針織結(jié)構(gòu)。此外，紡織復合材料可以根據(jù)其期望的最終應(yīng)用而制造。在所有類型的紡織品增強中，機織物是最受歡迎的，因為它更容易處理，并且在經(jīng)緯方向上都具有良好的抗拉強度。 古埃及人已將天然纖維作為一種復合材料使用。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合材料。 紡織復合材料的使用通常是因為其強度-重量比和剛度-重量比高。 生物復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合材料的性能（拉伸、彎曲、沖擊等）。生物復合材料是一個新興的領(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合材料的發(fā)展一直是一個研究熱點。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、高長寬比和高比強度，使它們成為高性能的材料之一。100%綠色復合材料發(fā)展背后的驅(qū)動力是人們越來越關(guān)注減少合成聚合物和合成聚合物基復合材料對環(huán)境造成的負面影響，有限的化石燃料資源和缺乏對提高復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材料。 混合復合材料是指用兩種或兩種以上的纖維或填充物來增強單一聚合物，或用一種或多種纖維或填充物來增強聚合物混合物。與單獨增強的聚合物復合材料相比，混合型復合材料具有更好的拉伸性能。在不同填充物增強聚合物基體的情況下，一種填充物彌補了另一種填充物的缺點，即混合復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的，具有較低的拉伸模量。 然而，在合成纖維和天然纖維增強聚合物復合材料中，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)品的價格。混雜復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。混合可以通過結(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聚合物復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）來實現(xiàn)。 聚合物復合材料有許多加工技術(shù)。這些方法包括溶劑鑄造、熔融復合、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材料。 這種方法被廣泛用于制備生物復合材料，它需要少量的聚合物基體和增強材料。在這種方法中，聚合物被溶解在一個合適的溶劑系統(tǒng)中。溶解后，加入增強材料以制備均勻的混合物。當達到均勻性時，通過汽化或沉淀去除溶劑，形成薄膜。該方法實現(xiàn)了增強材料在聚合物基體中的均勻分布和良好分散。 到目前為止，這是生物復合材料工業(yè)加工中最普遍的方法。這個過程涉及到聚合物基體和增強體的直接混合。在這種方法中，干燥的聚合物和增強體都被混合、壓縮和加熱，并通過一個高壓系統(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材料體增強生物復合材料的開發(fā)。通過采用高剪切應(yīng)力結(jié)合高溫下的擴散來獲得增強物的分散。 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、可重復性高、周期時間短、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點。 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)計的理想材料。樣品（樹脂顆粒和短纖維）被放置在一個加熱的桶中，當顆粒熔化后，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，如制造復雜的幾何結(jié)構(gòu)、低勞動力成本、使用回收材料的可能性和能實現(xiàn)一定工業(yè)規(guī)模。 擠出工藝被廣泛用于塑料工業(yè)，被認為是生產(chǎn)顆粒、半成品和成品材料的高溫短時工藝。該工藝包括單/雙螺桿擠出機組，單螺桿擠出機用于熔化、混合和均化材料。 通常首選在短時間內(nèi)以中等操作速度混合純聚合物，并且不需要預造粒。單螺桿擠出機的缺點是在高壓下性能差，與雙螺桿擠出機相比產(chǎn)量低。另一方面，雙螺桿擠出機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)性和可重復性、易于清潔處理、可擴展性、靈活性以及減少揮發(fā)性有機化合物等綜合優(yōu)勢。這些技術(shù)利用真空和環(huán)境壓力之間的壓力差，將預制件壓縮并固定在模具上，并將樹脂注入預制件。通過這些技術(shù)生產(chǎn)的復合材料可應(yīng)用于海洋、航空航天、國防和汽車領(lǐng)域。 復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領(lǐng)域。下面列出了纖維增強復合材料的一些應(yīng)用。 復合材料在第二次世界大戰(zhàn)期間首次用于軍用飛機，從那時起，幾種類型的復合材料被開發(fā)出來并被用于航空航天工業(yè)。由于其各種改進的性能，如重量輕、強度高、能夠承受高溫和熱膨脹，纖維增強聚合物復合材料已成為建造飛機和航天器的流行材料。 纖維增強聚合物復合材料因其優(yōu)越的性能，如高熱力學性能、優(yōu)良的耐腐蝕性和高的強度重量比，被作為21世紀的材料推向市場。在過去的幾十年里，先進的纖維增強復合材料的應(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、綠色建筑的天然復合材料等。 復合材料的改進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合材料進行增強。 在過去幾年中，醫(yī)療部門對纖維增強聚合物復合材料的各種應(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。纖維增強復合樹脂（FRC）修復體也有一些優(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、保護性強和高強度的材料。與其他工程材料相比，纖維增強聚合物復合材料具有高強度重量比、剛度、韌性和設(shè)計靈活性，是最適合這些目的的材料。國防領(lǐng)域的纖維增強聚合物復合材料用于軍用飛機、陸地系統(tǒng)、無人機、海軍艦艇和武器。在船舶應(yīng)用中最常見的增強材料是E -玻璃纖維。
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