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?？v觀歷史，各個(gè)文明都巧妙地利用周圍的自然資源組合來建造房屋，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。1945 年，使用了超過 700 萬磅的玻璃纖維，主要用于軍事目的。隨著時(shí)間推移，公共部門開始認(rèn)識到纖維增強(qiáng)聚合物（FRP）復(fù)合材料的眾多優(yōu)勢，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，并在 20 世紀(jì) 50 年代迅速擴(kuò)張。船只、卡車、跑車、儲罐、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，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)對任何單一材料無法獨(dú)自解決的復(fù)雜挑戰(zhàn)。對于關(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)會使用不同的技術(shù)。現(xiàn)在，讓我們來探索復(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（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。