一文带你了解复合材料：复合材料的种类、加工及应用

什么是复合材料？

复合材料在某些应用中是铝、钛和钢的合适替代品，因为它们重量轻、性能好、低碳和低能耗。复合材料可分为纺织复合材料、绿色复合材料、生物复合材料和混合复合材料。在所有类型的复合材料中，绿色复合材料因其环境友好性、可持续性和在不同环境中可完全生物降解，不留下任何有毒残留物而吸引了相当大的兴趣。此外，监管机构已经规定了严格的指导方针和立法，以停止生产对环境有害的材料。在复合材料行业中，有几个全球参与者使用不同的加工技术进行运作。这些主要参与者正在与研究人员合作，寻找新的方法来提高材料的质量和生产能力，同时降低产品的价格。复合材料的市场正在迅速增长，预计从2017年到2025年将增长10%。复合材料市场的领导者是美洲、亚太、欧洲、中东和非洲。

聚合物复合材料已广泛应用于汽车、航空航天、建筑和包装等领域;他们的市场正在迅速增长。人造纤维如玻璃纤维和碳纤维已被用作增强材料，以提高聚合物复合材料的性能。然而，结合一种或两种纤维增强聚合物的复合材料，也称为“混合复合材料”。

复合材料分类:

一般来说，复合材料有四种类型：

——纺织复合材料

——生物复合材料

——绿色复合材料

——混合复合材料

1. 纺织复合材料:

纺织复合材料（又称之为纤维增强复合材料）由于其独特的性能，在过去的几十年里得到了广泛的应用。高分子复合材料中各种类型的增强材料都是纺织材料，特别是用纤维增强体增强高分子复合材料。自复合材料问世以来，人们就一直在探索纤维增强材料。这些增强纤维包括纤维（短纤维和长纤维）、纱线和织物。织物分为机织、非织造和针织结构。此外，纺织复合材料可以根据其期望的最终应用而制造。在所有类型的纺织品增强中，机织物是最受欢迎的，因为它更容易处理，并且在经纬方向上都具有良好的抗拉强度。

古埃及人已将天然纤维作为一种复合材料使用。他们将尼罗河泥浆与稻草混合在一起，用于制造砖块，并在太阳下烘烤后产生更坚固的砖块。大麻、亚麻、苎麻、竹子、剑麻、叶纤维、种子纤维、草纤维或木纤维等都适合用于制造复合材料。

纺织复合材料的使用通常是因为其强度-重量比和刚度-重量比高。

2. 生物复合材料：

生物复合材料是由聚合物基体和天然纤维结合而成的，它们有各自不同的特性。然而，将它们结合起来后，所产生的材料与单独的聚合物基体和天然纤维相比，具有更优越的性能，它们适用于各种技术应用。聚合物基体提供了材料的结构和形状，而天然纤维则提高了最终生物复合材料的性能（拉伸、弯曲、冲击等）。生物复合材料是一个新兴的领域。已经研究了一系列的聚合物作为天然纤维增强的基体。聚合物是由化石燃料、生物基资源或两者的组合合成的。

合成聚合物包括PP、聚乙烯、酚类和聚苯乙烯等。迄今为止，大多数生物复合材料都是由合成聚合物制成的，由于其生产成本低、易加工、重量轻、可塑造成不同的形状，所以应用范围很广。用天然纤维增强的合成聚合物已被广泛用于包装和汽车应用中。

3. 绿色复合材料：

由100%生物基材料制成的绿色复合材料的发展一直是一个研究热点。这些材料具有一些优势，如低成本、可接受的生物降解、低密度、高长宽比和高比强度，使它们成为高性能的材料之一。100%绿色复合材料发展背后的驱动力是人们越来越关注减少合成聚合物和合成聚合物基复合材料对环境造成的负面影响，有限的化石燃料资源和缺乏对提高复合材料性能的天然纤维特性的了解。各种天然纤维已被用于生产绿色复合材料，包括亚麻、剑麻、剑麻、棉花、大麻和龙舌兰。它们是丰富的可利用和可再生的。农业副产品，如甘蔗渣、玉米秆也被用作增强材料。

4. 混合型复合材料：

混合复合材料是指用两种或两种以上的纤维或填充物来增强单一聚合物，或用一种或多种纤维或填充物来增强聚合物混合物。与单独增强的聚合物复合材料相比，混合型复合材料具有更好的拉伸性能。在不同填充物增强聚合物基体的情况下，一种填充物弥补了另一种填充物的缺点，即混合复合材料中的一种填充物可能是昂贵的，并具有较高的拉伸模量，而另一种填充物可能是廉价的，具有较低的拉伸模量。

然而，在合成纤维和天然纤维增强聚合物复合材料中，合成纤维的加入有助于减少吸湿性和提高性能，而天然纤维可减少碳足迹和最终产品的价格。混杂复合材料的性能取决于多种因素;这些因素包括纤维载荷、纤维的排列和取向、纤维的分散、纤维尺寸以及纤维与聚合物基体或基体之间的界面粘附。混合可以通过结合合成纤维和合成纤维、合成纤维和天然纤维、天然纤维和天然纤维以及在增强聚合物复合材料中加入纳米填料（如纳米粘土、碳纳米管、石墨片和金属氧化物纳米颗粒）来实现。

复合材料加工：

聚合物复合材料有许多加工技术。这些方法包括溶剂铸造、熔融复合、压缩成型、注射成型、挤压成型等。选择一种特定的加工方法取决于所需的应用、聚合物的类型和要使用的增强材料。

1. 溶剂铸造法：

这种方法被广泛用于制备生物复合材料，它需要少量的聚合物基体和增强材料。在这种方法中，聚合物被溶解在一个合适的溶剂系统中。溶解后，加入增强材料以制备均匀的混合物。当达到均匀性时，通过汽化或沉淀去除溶剂，形成薄膜。该方法实现了增强材料在聚合物基体中的均匀分布和良好分散。

2. 熔体复合法:

到目前为止，这是生物复合材料工业加工中最普遍的方法。这个过程涉及到聚合物基体和增强体的直接混合。在这种方法中，干燥的聚合物和增强体都被混合、压缩和加热，并通过一个高压系统。它采用自上向下的方法在混合过程中分解聚集的加固物。该工艺更适用于纳米和亚微米级增强材料体增强生物复合材料的开发。通过采用高剪切应力结合高温下的扩散来获得增强物的分散。

3. 压缩成型：

这种技术涉及到在压缩压力下通过加热半成品材料进行模塑成型，直到生产出最终产品。它通常是在不同的压力和温度下进行的，这取决于所使用的聚合物。该技术具有成型半成品量大、可重复性高、周期时间短、生产成本低等优点。

4. 注塑成型：

这种技术通过将熔融聚合物注入模具，形成具有所需结构设计的理想材料。样品（树脂颗粒和短纤维）被放置在一个加热的桶中，当颗粒熔化后，螺杆将熔体注入并将其输送到工具腔室，在那里冷却并固化形成所需的材料。

这种技术具有许多优点，如制造复杂的几何结构、低劳动力成本、使用回收材料的可能性和能实现一定工业规模。

5. 挤出工艺：

挤出工艺被广泛用于塑料工业，被认为是生产颗粒、半成品和成品材料的高温短时工艺。该工艺包括单/双螺杆挤出机组，单螺杆挤出机用于熔化、混合和均化材料。

通常首选在短时间内以中等操作速度混合纯聚合物，并且不需要预造粒。单螺杆挤出机的缺点是在高压下性能差，与双螺杆挤出机相比产量低。另一方面，双螺杆挤出机能够通过混合两种或多种对热和剪切力敏感的材料来生产颗粒。

6. 液体复合材料成型：

液体复合材料模塑成型，如树脂转移模塑和真空辅助树脂灌注模塑，几十年来一直被用来制造复合材料层压板，现在仍然在使用。这些技术具有高质量、可再现性和可重复性、易于清洁处理、可扩展性、灵活性以及减少挥发性有机化合物等综合优势。这些技术利用真空和环境压力之间的压力差，将预制件压缩并固定在模具上，并将树脂注入预制件。通过这些技术生产的复合材料可应用于海洋、航空航天、国防和汽车领域。

纺织复合材料的应用：

复合材料由于其性能的改善，长期以来被用于汽车、航空航天、民用基础设施、耐用品和国防等各个领域。下面列出了纤维增强复合材料的一些应用。

航空航天：

复合材料在第二次世界大战期间首次用于军用飞机，从那时起，几种类型的复合材料被开发出来并被用于航空航天工业。由于其各种改进的性能，如重量轻、强度高、能够承受高温和热膨胀，纤维增强聚合物复合材料已成为建造飞机和航天器的流行材料。

民用建筑：

纤维增强聚合物复合材料因其优越的性能，如高热力学性能、优良的耐腐蚀性和高的强度重量比，被作为21世纪的材料推向市场。在过去的几十年里，先进的纤维增强复合材料的应用已经被研究用于隔音和隔热建筑、公路和桥梁、海洋和海军结构的甲板、电线杆、可再生能源采集、管道、绿色建筑的天然复合材料等。

体育：

复合材料的改进特性使其不仅适用于汽车、航空航天和其他工业领域，也适用于体育设备。为了获得性能更好的体育用品，人们主要是采用玻璃纤维或碳纤维对聚合物基复合材料进行增强。

在过去几年中，医疗部门对纤维增强聚合物复合材料的各种应用产生了兴趣，如核磁共振成像扫描仪和C型臂X射线沙发的部件、扫描仪、手术目标工具和设备等。它们还可用于假肢，如弹簧和矫形器，如前足、足科矫正鞋垫和支架。与传统的金属植入物相比，碳纤维增强聚醚醚酮植入物的放射线透明性可以改善无伪影的放射成像。纤维增强复合树脂（FRC）修复体也有一些优势，如良好的微创治疗，美观，以及与基牙的粘合能力。

防御：

现代战争在空中，地面和海上需要重量轻、保护性强和高强度的材料。与其他工程材料相比，纤维增强聚合物复合材料具有高强度重量比、刚度、韧性和设计灵活性，是最适合这些目的的材料。国防领域的纤维增强聚合物复合材料用于军用飞机、陆地系统、无人机、海军舰艇和武器。在船舶应用中最常见的增强材料是E -玻璃纤维。

此文由中国复合材料工业协会编译，文章不用于商业目的，仅供行业人士交流。