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復(fù)合材料基礎(chǔ)知識(shí)及對(duì)制造和工程領(lǐng)域的變革性影響

深圳市賽姆烯金科技有限公司 ? 來(lái)源:深圳市賽姆烯金科技有限 ? 2025-02-07 10:04 ? 次閱讀
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引言

復(fù)合材料通過融合不同的物理和化學(xué)特性,為特定應(yīng)用量身打造獨(dú)特解決方案,從而徹底改變了眾多行業(yè)。本引言將探尋復(fù)合材料引人入勝的發(fā)展歷程,追溯其從古代文明起源直至現(xiàn)代制造技術(shù)進(jìn)步的軌跡。在深入了解復(fù)合材料的歷史與發(fā)展的同時(shí),我們還將審視它們所應(yīng)對(duì)的挑戰(zhàn)以及制造過程中采用的創(chuàng)新工藝。從古代美索不達(dá)米亞對(duì)膠合板的開創(chuàng)性使用,到如今所運(yùn)用的前沿技術(shù),復(fù)合材料持續(xù)在廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域提升強(qiáng)度、耐用性和性能。讓我們一同探索復(fù)合材料的世界,以及它們對(duì)制造和工程領(lǐng)域的變革性影響。

(1)什么是復(fù)合材料?

復(fù)合材料是由兩種具有不同物理和化學(xué)特性的材料組合而成。組合后,這些材料具備獨(dú)特的性能,使其非常適合特定任務(wù),例如增強(qiáng)強(qiáng)度、減輕重量、提高電阻和 / 或改善摩擦學(xué)性能。它們還能夠增強(qiáng)強(qiáng)度、剛度以及熱性能。使用這些材料的主要優(yōu)勢(shì)之一是它們能夠提升基礎(chǔ)材料的性能,使其適用于廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。在深入探討成型工藝之前,讓我們先回顧一下復(fù)合材料引人入勝的發(fā)展歷程。

(2)復(fù)合材料的歷史

古代美索不達(dá)米亞人是使用復(fù)合材料的先驅(qū),早在公元前 3400 年,他們就巧妙地將木條以不同角度粘結(jié),制成了膠合板。縱觀歷史,各個(gè)文明都巧妙地利用周圍的自然資源組合來(lái)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 年間,首批能夠通過聚合反應(yīng)從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的合成樹脂誕生。這些聚合物樹脂通過分子交聯(lián)過程從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)。

1907 年,化學(xué)家利奧?亨德里克?貝克蘭德(Leo Hendrik Baekeland)推出了酚醛塑料(Bakelite),這是一種具有開創(chuàng)性的合成樹脂,標(biāo)志著復(fù)合材料現(xiàn)代時(shí)代的開端。這種樹脂原本非常易碎,但貝克蘭德通過將其與纖維素混合,找到了使其更具柔韌性和耐用性的方法。1917 年,酚醛塑料首次應(yīng)用于勞斯萊斯汽車的換擋旋鈕生產(chǎn)。20 世紀(jì) 20 年代和 30 年代,樹脂生產(chǎn)取得了重大進(jìn)展。20 世紀(jì) 30 年代后期,歐文斯 - 伊利諾伊玻璃公司(Owens-Illinois Glass Company)開發(fā)出一種突破性工藝。該工藝將玻璃拉制成細(xì)絲或纖維,然后巧妙地編織成紡織面料。這些創(chuàng)新的玻璃纖維與先進(jìn)的合成(聚酯)樹脂相結(jié)合,制造出既耐用又輕便的復(fù)合材料。

1939 年至 1945 年間,由于軍方尋求具有增強(qiáng)強(qiáng)度、耐用性以及耐惡劣天氣條件和鹽霧海水腐蝕的輕質(zhì)材料,復(fù)合材料行業(yè)實(shí)現(xiàn)了顯著增長(zhǎng)。1945 年,使用了超過 700 萬(wàn)磅的玻璃纖維,主要用于軍事目的。隨著時(shí)間推移,公共部門開始認(rèn)識(shí)到纖維增強(qiáng)聚合物(FRP)復(fù)合材料的眾多優(yōu)勢(shì),特別是其卓越的耐腐蝕性。1948 年推出的玻璃纖維管道因其出色的耐腐蝕性,迅速在石油行業(yè)受到歡迎。

戰(zhàn)后,復(fù)合材料經(jīng)歷了顯著增長(zhǎng),并在 20 世紀(jì) 50 年代迅速擴(kuò)張。船只、卡車、跑車、儲(chǔ)罐、管道和通風(fēng)管道等各種產(chǎn)品都采用復(fù)合材料制造。1953 年,首輛采用玻璃纖維車身面板的雪佛蘭科爾維特(Chevrolet Corvette)量產(chǎn)。20 世紀(jì) 50 年代初,出現(xiàn)了各種制造方法,包括拉擠成型、真空袋成型和大規(guī)模纖維纏繞。纖維纏繞在 20 世紀(jì) 60 年代及以后推動(dòng)太空探索的大型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

如今,許多工業(yè)設(shè)計(jì)師和工程師為航空航天、能源、半導(dǎo)體、制造、建筑和交通等行業(yè)的各種部件指定使用復(fù)合材料。多年來(lái),復(fù)合材料取得了重大進(jìn)展。

(3)復(fù)合材料能解決哪些挑戰(zhàn)?

定制復(fù)合材料可應(yīng)對(duì)任何單一材料無(wú)法獨(dú)自解決的復(fù)雜挑戰(zhàn)。對(duì)于關(guān)鍵應(yīng)用,標(biāo)準(zhǔn)的彈性體或聚合物密封解決方案無(wú)法從均質(zhì)材料中獲得所需的化學(xué)性能。因此,優(yōu)質(zhì)的密封解決方案提供商將提供包括各種混合、層壓、纏繞或灌注復(fù)合材料的材料組合,以應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。

復(fù)合材料經(jīng)過精確設(shè)計(jì)和制造,以滿足特定的應(yīng)用或性能標(biāo)準(zhǔn)組合,如強(qiáng)度重量比、耐用性、耐磨性、對(duì)配合表面的影響或?qū)μ囟ōh(huán)境條件的耐受性。

由于各行各業(yè)可利用種類繁多的聚合物和其他材料,復(fù)合材料在制造業(yè)中越來(lái)越受歡迎。

復(fù)合材料結(jié)合了不同的材料和混合物,強(qiáng)化材料以滿足關(guān)鍵應(yīng)用需求,通??商嵘罱K性能(例如,提高耐用性、改善摩擦學(xué)性能、增強(qiáng)耐腐蝕性、提高柔韌性等等)。

復(fù)合材料成型涉及在制造過程中對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行塑形和模制。

(4)探索復(fù)合材料的世界

如前所述,復(fù)合材料制造涉及使用復(fù)合材料。復(fù)合材料是通過多種物質(zhì)(通常是聚合物)組合形成一個(gè)整體而制成的。

在生產(chǎn)這些材料時(shí)會(huì)使用不同的技術(shù)?,F(xiàn)在,讓我們來(lái)探索復(fù)合材料制造中采用的各種方法。

1、了解纖維纏繞

纖維纏繞的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)是將纖維帶或細(xì)絲帶融入樹脂中,以增強(qiáng)其強(qiáng)度。已浸潤(rùn)(浸漬)樹脂的帶子隨后在纖維鋪放或纖維纏繞機(jī)上用于生產(chǎn)產(chǎn)品。

2、手糊成型

手糊成型這種復(fù)合材料制造方法,是使用預(yù)先浸漬的機(jī)織織物或氈片,將其切割成較小的片材和形狀。

3、膠帶鋪設(shè)

膠帶鋪設(shè)與手糊成型制造過程類似。該過程包括將涂有樹脂的織物條層層疊加,以制造復(fù)合材料。各個(gè)層的取向在成型后,可在關(guān)鍵方向上提供所需的強(qiáng)度。

4、注塑成型

注塑成型是一種制造工藝,將熔融材料注入模具以形成所需形狀。它是航空航天、能源行業(yè)(上游、中游和下游)以及水過濾等眾多行業(yè)廣泛使用的技術(shù)。該工藝能夠高效且可重復(fù)地生產(chǎn)復(fù)雜且精確的零件。注塑成型涉及使用加熱的聚合物和聚合物復(fù)合材料,將其注入模具以形成所需形狀。

5、壓縮成型

壓縮成型是一種制造工藝,通過加熱和施壓將材料壓縮成特定形狀。在壓縮成型過程中,將預(yù)熱的材料放入模具型腔,然后壓縮形成所需形狀。對(duì)于聚四氟乙烯(PTFE),該材料在不加熱的情況下進(jìn)行壓縮。

6、熔融成型

熔融成型是一種制造工藝,通過加熱和施壓將材料壓縮成特定形狀。在該過程中,將材料放入模具型腔,加熱至高于其熔點(diǎn)的溫度,然后壓縮形成所需形狀。

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原文標(biāo)題:復(fù)合材料的影響力越來(lái)越大

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