复合材料基础知识及对制造和工程领域的变革性影响

引言

复合材料通过融合不同的物理和化学特性，为特定应用量身打造独特解决方案，从而彻底改变了众多行业。本引言将探寻复合材料引人入胜的发展历程，追溯其从古代文明起源直至现代制造技术进步的轨迹。在深入了解复合材料的历史与发展的同时，我们还将审视它们所应对的挑战以及制造过程中采用的创新工艺。从古代美索不达米亚对胶合板的开创性使用，到如今所运用的前沿技术，复合材料持续在广泛的应用领域提升强度、耐用性和性能。让我们一同探索复合材料的世界，以及它们对制造和工程领域的变革性影响。

（1）什么是复合材料？

复合材料是由两种具有不同物理和化学特性的材料组合而成。组合后，这些材料具备独特的性能，使其非常适合特定任务，例如增强强度、减轻重量、提高电阻和 / 或改善摩擦学性能。它们还能够增强强度、刚度以及热性能。使用这些材料的主要优势之一是它们能够提升基础材料的性能，使其适用于广泛的应用场景。在深入探讨成型工艺之前，让我们先回顾一下复合材料引人入胜的发展历程。

(2)复合材料的历史

古代美索不达米亚人是使用复合材料的先驱，早在公元前 3400 年，他们就巧妙地将木条以不同角度粘结，制成了胶合板。纵观历史，各个文明都巧妙地利用周围的自然资源组合来建造房屋，使用的材料包括泥土、稻草、木材和黏土等。

1870 年至 1890 年间，首批能够通过聚合反应从液态转变为固态的合成树脂诞生。这些聚合物树脂通过分子交联过程从液态转变为固态。

1907 年，化学家利奥・亨德里克・贝克兰德（Leo Hendrik Baekeland）推出了酚醛塑料（Bakelite），这是一种具有开创性的合成树脂，标志着复合材料现代时代的开端。这种树脂原本非常易碎，但贝克兰德通过将其与纤维素混合，找到了使其更具柔韧性和耐用性的方法。1917 年，酚醛塑料首次应用于劳斯莱斯汽车的换挡旋钮生产。20 世纪 20 年代和 30 年代，树脂生产取得了重大进展。20 世纪 30 年代后期，欧文斯 - 伊利诺伊玻璃公司（Owens-Illinois Glass Company）开发出一种突破性工艺。该工艺将玻璃拉制成细丝或纤维，然后巧妙地编织成纺织面料。这些创新的玻璃纤维与先进的合成（聚酯）树脂相结合，制造出既耐用又轻便的复合材料。

1939 年至 1945 年间，由于军方寻求具有增强强度、耐用性以及耐恶劣天气条件和盐雾海水腐蚀的轻质材料，复合材料行业实现了显著增长。1945 年，使用了超过 700 万磅的玻璃纤维，主要用于军事目的。随着时间推移，公共部门开始认识到纤维增强聚合物（FRP）复合材料的众多优势，特别是其卓越的耐腐蚀性。1948 年推出的玻璃纤维管道因其出色的耐腐蚀性，迅速在石油行业受到欢迎。

战后，复合材料经历了显著增长，并在 20 世纪 50 年代迅速扩张。船只、卡车、跑车、储罐、管道和通风管道等各种产品都采用复合材料制造。1953 年，首辆采用玻璃纤维车身面板的雪佛兰科尔维特（Chevrolet Corvette）量产。20 世纪 50 年代初，出现了各种制造方法，包括拉挤成型、真空袋成型和大规模纤维缠绕。纤维缠绕在 20 世纪 60 年代及以后推动太空探索的大型火箭发动机的发展中发挥了关键作用。

如今，许多工业设计师和工程师为航空航天、能源、半导体、制造、建筑和交通等行业的各种部件指定使用复合材料。多年来，复合材料取得了重大进展。

(3)复合材料能解决哪些挑战？

定制复合材料可应对任何单一材料无法独自解决的复杂挑战。对于关键应用，标准的弹性体或聚合物密封解决方案无法从均质材料中获得所需的化学性能。因此，优质的密封解决方案提供商将提供包括各种混合、层压、缠绕或灌注复合材料的材料组合，以应对这些挑战。

复合材料经过精确设计和制造，以满足特定的应用或性能标准组合，如强度重量比、耐用性、耐磨性、对配合表面的影响或对特定环境条件的耐受性。

由于各行各业可利用种类繁多的聚合物和其他材料，复合材料在制造业中越来越受欢迎。

复合材料结合了不同的材料和混合物，强化材料以满足关键应用需求，通常可提升最终性能（例如，提高耐用性、改善摩擦学性能、增强耐腐蚀性、提高柔韧性等等）。

复合材料成型涉及在制造过程中对复合材料进行塑形和模制。

(4)探索复合材料的世界

如前所述，复合材料制造涉及使用复合材料。复合材料是通过多种物质（通常是聚合物）组合形成一个整体而制成的。

在生产这些材料时会使用不同的技术。现在，让我们来探索复合材料制造中采用的各种方法。

1、了解纤维缠绕

纤维缠绕的一个关键环节是将纤维带或细丝带融入树脂中，以增强其强度。已浸润（浸渍）树脂的带子随后在纤维铺放或纤维缠绕机上用于生产产品。

2、手糊成型

手糊成型这种复合材料制造方法，是使用预先浸渍的机织织物或毡片，将其切割成较小的片材和形状。

3、胶带铺设

胶带铺设与手糊成型制造过程类似。该过程包括将涂有树脂的织物条层层叠加，以制造复合材料。各个层的取向在成型后，可在关键方向上提供所需的强度。

4、注塑成型

注塑成型是一种制造工艺，将熔融材料注入模具以形成所需形状。它是航空航天、能源行业（上游、中游和下游）以及水过滤等众多行业广泛使用的技术。该工艺能够高效且可重复地生产复杂且精确的零件。注塑成型涉及使用加热的聚合物和聚合物复合材料，将其注入模具以形成所需形状。

5、压缩成型

压缩成型是一种制造工艺，通过加热和施压将材料压缩成特定形状。在压缩成型过程中，将预热的材料放入模具型腔，然后压缩形成所需形状。对于聚四氟乙烯（PTFE），该材料在不加热的情况下进行压缩。

6、熔融成型

熔融成型是一种制造工艺，通过加热和施压将材料压缩成特定形状。在该过程中，将材料放入模具型腔，加热至高于其熔点的温度，然后压缩形成所需形状。