關于復合材料的科普知識:概念及組成
什么是復合材料?
復合材料是通過將兩種或多種其他材料結合在一起制備而成的,因此它們可以互為補充、互相改善,但在終產品中也會保持自己的獨特特征。因此,復合材料不是化合物,也不是混合物。
通俗地講,復合材料就像混凝土一樣,在水泥之間點綴著各種尺寸的石頭,也類似于鋼筋混凝土結構,它是將鋼置于濕混凝土,從效果上就是一種復合材料。
為什么需要復合材料?
之所以選擇使用復合材料,至少一個重要的前提在于,復合材料比制造該材料的原材料性能更好,否則就沒有意義了。再回到混凝土上,如果將其用于垂直梁以承受建筑物或建筑物向下推的重量,則它非常堅固。
但是如果將它壓扁,它就變得相當脆弱,如果在拉伸狀態下,沿著水平方向使用它,有時候它會發生彎曲。對于具有許多水平梁的建筑物,這顯然是一個主要問題。一個很好的解決方案是將濕混凝土澆筑在緊密的鋼筋周圍,以使其凝固成稱為鋼筋混凝土的復合材料。
鋼材在受拉時會拉緊混凝土并阻止其折斷,而混凝土則可防止銹蝕和腐爛,終得到的是一種在拉伸和壓縮方面均能很好發揮作用的復合材料。
因此,增強強度是制造復合材料的常見原因,但這不是唯一的原因。有時,我們正在尋求一種傳統材料的改進材料,比如可能需要一個比金屬具有更好耐疲勞性的飛機零件,當它在飛行中反復受到壓力和張力時不會折斷。
或者我們需要一個比普通陶瓷能夠在更高溫度下正常運轉的發動機部件,又或者也許我們需要一種堅硬而又輕巧的塑料,可以比普通塑料攜具有更好的導熱性和導電性。復合材料正是在所有這些情況下為我們提供幫助。
復合材料是如何制成的?
復合材料通常由兩種主要材料組成:一種稱為基體,另外一種添加物則被稱為增強物(或增強相)。雖然人們經常傾向于增強相是由纖維(如玻璃纖維、碳纖維)組成,但事實并非總是如此。
在鋼筋混凝土中,所謂的“纖維”就是大型的扭曲鋼絲。在玻璃纖維中,它們是玻璃的細須。有時,增強材料也可以由顆粒、晶須等組成,也可以由折疊的紡織品制成。
在顆粒增強復合材料中,增強顆粒在基體中的排列方式決定了復合材料在每個方向(isotropic, 各向同性)具有相同的機械性能還是在不同方向(anisotropic, 各向異性)具有不同的機械性能。所有指向相同方向的纖維都將形成復合各向異性:它將在一個方向上比另一個方向更牢固。另一方面,在復合材料中隨機定向的微粒、晶須或纖維會使其在所有方向上均具有相同的強度。
無論采用哪種形式,鋼筋的工作都是承受施加在材料上的力,而基體的工作將鋼筋牢固地固定在適當的位置,并且保護它免受熱、濕和其他環境損害。
原創 錢 鑫 博士









































