复合材料与传统材料的区别是什么？

材料号 • 2023年2月16日 13:19 • 投稿专栏 • 阅读 6568

与钢、铝、铁和钛等传统材料相比，复合材料仍处于成熟阶段，而且直到现在才被设计和制造工程师更好地理解。然而，复合材料的物理特性——加上无与伦比的轻质——使它们具有不可否认的吸引力。

复合材料与传统材料的不同之处在于，复合材料部件包含至少两种截然不同的成分——纤维和基质材料（最常见的是聚合物树脂）——当组合在一起时，它们保持离散但交互作用以制造一种新材料，其特性不能通过简单地对其组分的特性求和来预测。事实上，纤维/树脂组合的主要优势之一是其互补性。例如，细玻璃纤维具有相对较高的抗拉强度，但容易损坏。相比之下，大多数聚合物树脂的拉伸强度较弱，但非常坚韧和可塑。然而，当结合在一起时，纤维和树脂各自抵消了对方的弱点，产生了一种比其单独成分中的任何一种都更有用的材料。 复合材料的结构特性主要来源于纤维增强。用于汽车部件、船舶、消费品和耐腐蚀工业部件等大型市场的商用复合材料通常由不连续、随机取向的玻璃纤维或连续但非取向的纤维形式制成。先进复合材料最初是为军用航空航天市场开发的，提供优于传统结构金属的性能，现在可用于通信卫星、飞机、体育用品、交通、重工业以及石油和天然气勘探和风力涡轮机等能源领域建造。高性能复合材料的结构特性来自连续的、定向的、高强度的纤维增强材料——最常见的是碳纤维、芳族聚酰胺纤维或玻璃纤维——在促进可加工性和增强机械性能（例如刚度和耐化学性）的基体中。 纤维取向可以控制，这是可以提高任何应用性能的一个因素。例如，在复合高尔夫球杆杆身中，硼纤维和碳纤维在复合杆身内以不同角度定向，使其能够充分利用其强度和刚度特性，并承受扭矩载荷和多重弯曲、压缩和拉伸力。基质可以是聚合物、陶瓷或金属。在商业和高性能航空航天应用中最广泛用于复合材料的聚合物基体是热固性树脂，由聚合物链组成，当与催化剂混合、受热或两者兼而有之时，这些聚合物链会永久固化成交联网络。固化通常在烘箱和/或真空袋或高压釜中在高温和/或压力条件下发生。替代但较少使用的固化技术包括电子束、紫外线 (UV) 辐射、X 射线和微波工艺。另一种最常用的基体类型是热塑性 (TP) 树脂，事实证明这是复合材料制造商越来越受欢迎的选择。形成热塑性线性聚合物链，并且可以通过熔化或软化然后冷却材料将其重新形成成型固体。热塑性塑料通常以片材或面板的形式出售，可以通过原位固结技术进行加工，例如简单的压制成型来制造坚硬的、近净形部件，而无需热固性塑料所需的高压釜或真空袋固化。TP 可改造性提供了纠正异常或修复在役损坏的潜力。

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